硅肥對塔額盆地滴灌春玉米生長、抗倒伏和產量的影響

摘要：為研究不同硅肥施用量對塔額盆地干旱區滴灌春玉米生長、抗倒伏能力和產量的影響，以金粒1702為試驗材料，設置0 kg/hm2（CK）、25 kg/hm2（M1處理）、50 kg/hm2（M2處理）、75 kg/hm2（M3處理）、100 kg/hm2（M4處理）5個施硅量處理，探究不同施硅量處理對滴灌春玉米農藝性狀、莖稈力學特征、莖稈結構物質含量及結構物質合成相關催化酶活性、莖稈硅含量、倒伏率和籽粒產量的影響。結果表明，與CK相比，施硅處理（M1～M4處理）一方面通過提高硅含量促進植株生長，使玉米株高、葉面積和干物質量（2年平均值，下同）分別提高4.8%～9.3%、8.1%～26.0%和4.2%～24.9%；另一方面通過提高與木質素、纖維合成相關酶的活性，使木質素、纖維含量分別增加11.6%～41.2%、9.1%～28.5%，在增強莖稈抗折斷能力（橫截面積、穿刺強度、壓碎強度和折斷強度）的同時顯著降低倒伏率（10.2%～70.1%），使收獲期的籽粒產量增加了25.5%～43.6%。回歸分析結果顯示，在施硅96.5 kg/hm2時的籽粒產量最高，但該施硅量的籽粒產量與M3處理差異不顯著。因此，在干旱區滴灌春玉米生產中，建議在播種前基施 75 kg/hm2 硅肥，該施用量不僅能夠促進玉米植株生長，還能夠通過降低倒伏率提高籽粒產量。

關鍵詞：硅肥；滴灌春玉米；抗倒伏；籽粒產量

中圖分類號：S513.06；S513.07" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0080-09

玉米作為一種重要的農作物，在糧食、飼料及能源等多個領域有廣泛的應用價值，但是其產量受到多方面因素的共同制約，包括氣候條件、環境狀況及種植管理水平等［1］。塔額盆地是新疆維吾爾自治區的重要糧倉，該地區氣候寒冷且多風，夏季相對較短，適宜種植玉米。但是當地經常受到大風天氣的影響，尤其在玉米生長的春季、秋季，大風天氣頻發，極易引發玉米倒伏，進而導致減產，給當地農民的經濟收入、糧食供應帶來不利影響［2］。因此，在當地玉米種植的過程中，亟需探索能促進玉米生長、降低倒伏、避免減產的管理措施。

硅是許多作物生長和產量形成必需的營養元素之一，被認為是繼氮、磷、鉀后的第4重要營養元素［3］。硅對作物的生長發育具有顯著促進作用。它不僅能夠為作物提供必要的營養，還能夠有效調節土壤中氮、磷、鉀等關鍵養分的供應［4-5］。大量研究發現，施硅可以有效提高水稻、高粱和玉米等禾本科作物的抗倒伏能力，并達到增產作用［6-8］。施硅主要通過增強莖稈細胞壁的強度以提高玉米、小麥和高粱等禾本科作物的抗壓能力。另外，硅通過提高作物對養分的吸收利用、增強其抵抗脅迫的能力，使作物在脅迫下能夠更好地維持生長狀態，降低倒伏風險［9-10］，并且施硅還可以通過提高土壤保水保肥能力、促進養分吸收以提高玉米的產量［11-13］。盡管研究者已經探明，在許多禾本科作物中使用適宜的硅肥可通過促進植株生長、提高抗倒伏能力來增加產量。但是在氣候多變、大風頻發的塔額盆地，鮮有關于降低當地玉米倒伏率的最佳施硅量的報道。

基于此，本研究依托干旱區的滴灌水肥一體化技術，開展2年大田試驗，探究適用于塔額盆地干旱區科學合理的硅肥施用量，以期為當地玉米抗倒伏增產和玉米種植業的可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年和2022年4—9月在新疆生產建設兵團第九師163團6連（46°49′N、84°02′E，海拔710 m）進行。試驗區域屬典型的溫帶大陸性氣候。全年平均氣溫為5.5 ℃，有效積溫為2 900～3 350 ℃，年均降水量為398.4 mm，年蒸發量為 1 516 mm。供試地土壤為沙壤土，試驗地0～40 cm土壤中有機質2年平均含量為22.4 g/kg，堿解氮含量為46.6 mg/kg，有效磷含量為25.7 mg/kg，速效鉀含量為255.3 mg/kg，pH值為7.5。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為金粒1702，該品種株型緊湊，平均生育期為124 d，為目前塔額墾區大面積推廣種植的飼用玉米品種。試驗設置5個硅肥施用量處理，并按隨機區組排列，硅肥處理分別為0 kg/hm2（CK）、25 kg/hm2（M1處理）、50 kg/hm2（M2處理）、75 kg/hm2（M3處理）、100 kg/hm2（M4處理），每個處理重復3次，共計15個小區，每個小區的面積為40 m2（4 m×10 m）。在人工膜上點播，選用幅寬為70 cm的地膜，1膜2行，行距配置為60 cm+40 cm，株距為16 cm。播種量為38 kg/hm2，播深為4 cm，保苗10.5萬株/hm2。試驗所用硅肥為山東儒商化肥有限公司的硅鈣鎂肥（SiO2含量為30％，鈣+鎂+硫+鋅+鐵含量gt;10%），于播種前將硅肥與土壤充分混勻后基施。玉米全生育期追肥5次，其中苗期追肥1次，隨水滴施75 kg/hm2尿素（N含量為46%）和30 kg/hm2磷酸二氫鉀（P2O5含量為52%，K2O含量為34%）；拔節期、抽穗期追肥2次，灌漿期追肥2次，每次隨水滴施120 kg/hm2尿素、30 kg/hm2磷酸二氫鉀。全生育期共計施 255 kg/hm2 氮肥、78 kg/hm2磷肥和51 kg/hm2鉀肥。其他管理措施等同當地大田。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 農藝性狀 玉米灌漿期（吐絲后25 d），在每個小區選擇長勢一致的3株植株，沿莖稈基部剪斷后，用卷尺測量地上部株高（cm），用游標卡尺測量第4節間中部莖的長軸（a）、短軸（b）直徑，用下列公式計算莖稈的橫截面積：

S=abπ/4。（1）

用手持式葉綠素儀（SPAD-502，日本柯尼卡美能達公司）測定穗位葉的相對葉綠素含量，用葉面積儀（LI-3100C，美國LI-COR公司）測量單株葉面積（cm2）。至玉米收獲期，每個小區選擇長勢均一的5株玉米，將莖、葉、苞葉和果穗等器官分開后置于105 ℃的烘箱中殺青30 min，再將溫度降至 80 ℃ 并烘干至恒重。植株的干物重等于莖、葉、苞葉和果穗等器官干物質重的總和。

1.3.2 莖稈力學特性 在玉米灌漿期，從每個小區中挑選出長勢一致的5株玉米，用浙江托普云農科技股份有限公司生產的植物莖稈強度測定儀（YYD-1）在玉米穗位處沿垂直于莖稈的方向對植株施加推力，直至莖稈折斷，儀器顯示的力學數值即為莖稈抗折斷力（N）。在每株玉米莖稈的第4節間，使用配備的莖稈組織結構強度測試頭（橫截面積為 1 mm2）進行測試，將其垂直于莖稈中部緩慢向下穿透莖稈表皮，記錄下的最大值代表硬皮穿刺強度（N/mm2）。用莖稈抗壓強度測試頭（橫截面積為 1 cm2），垂直于莖稈中部緩慢向下施壓，直至莖稈破裂，此時記錄的最大值即為壓碎強度（N/cm2）。

1.3.3 莖稈結構物質含量的測定

對上述測量過力學特征的莖稈進行處理，首先將莖稈在105 °C 烘箱中殺青30 min，之后將莖稈在80 °C烘干至恒重。將烘干后的莖稈粉碎、過1 mm篩網后根據王玉萬等報道的方法［14］測定其中的纖維素含量，同時使用乙酰溴法［15］測定莖稈中的木質素含量。

1.3.4 結構物質合成相關酶活性的測定 取測量過力學特征玉米植株第4節間中部3 cm×3 cm的莖稈，用液氮冷凍后放入-70 ℃超低溫保存。用購買自亞科因生物技術有限公司的蔗糖合成酶（SS）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂醇脫氫酶（CAD）、酪氨酸解氨酶（TAL）試劑盒測定相關酶活性。

1.3.5 莖稈硅含量的測定 稱量0.15 g干燥粉碎的莖稈樣品置于鎳坩堝中，將坩堝在300 ℃電熱爐中預灰化3 h，之后將溫度升至600 ℃繼續灰化4 h。冷卻后將灰分溶解在裝有H2SO4和氫氟酸混合溶液（含有0.08 mol/L H2SO4和2 mL 40%氫氟酸）的50 mL容量瓶中。用鉬藍比色法測量樣品溶液在811 nm處的吸光度，再根據標準曲線計算莖稈中的總Si含量［1］。

1.3.6 倒伏率和產量的測定 至玉米收獲期，選擇每小區中間的6.7 m2進行實收，測定籽粒重及籽粒含水量，并計算產量（折合為13%含水量）。在玉米收獲期，統計各小區的總株數、倒伏株數、收株數。倒伏率按如下公式計算［1］：

倒伏率=倒伏株數/種植總株數×100%。（2）

1.4 數據分析

用Excel 2016對試驗數據進行整理匯總，用SPSS 25.0對數據進行方差分析和Duncans多重比較，用Origin 2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 株高、葉面積、SPAD值和干物質重的測定結果

由圖1可知，施硅提高了2個生長季的玉米株高、葉面積、干物質積累量和SPAD值，在M4處理下最高，但M4處理與M3處理差異不顯著。與CK相比，施硅處理（M1～M4處理）使2021年玉米生長季的株高、葉面積、干物質積累量和SPAD值平均分別提高4.2%～10.0%、1.5%～25.6%、5.7%～14.4%和3.1%～20.8%，在2022年生長季則平均分別提高5.4%～8.5%、14.6%～26.4%、2.6%～35.3%和8.3%～20.9%。上述結果表明，施硅可增加玉米葉片中的光合色素含量以促進光合作用，并通過提高株高、葉面積，從而增加干物質積累量。

2.2 莖稈橫截面積和力學特征

由圖2可知，硅肥提高了玉米莖稈的橫截面積、穿刺強度、壓碎強度和折斷強度，且在2個生長季這些指標變化基本一致。莖稈橫截面積、穿刺強度、壓碎強度和折斷強度均隨施硅量的增加而增加，且在M4處理下最高，但與M3處理之間無顯著差異。與CK相比，施硅處理（M1～M4處理）使2021年玉米生長季的莖稈橫截面積、穿刺強度、壓碎強度和折斷強度平均分別提高5.7%～15.7%、4.9%～11.9%、6.4%～15.7%和2.2%～6.2%，在2022年生長季則平均分別提高6.5%～14.7%、6.7%～16.4%、5.6%～9.7%和1.3%～9.1%。上述結果顯示，硅通過提高莖稈橫截面積、穿刺強度和壓碎強度降低了玉米莖稈折斷倒伏的風險。

2.3 結構物質含量

由圖3可知，施硅增加了2個生長季的玉米木質素、纖維素含量，且木質素和纖維素含量隨施硅量的增加而增加。在M4處理下，玉米的木質素、纖維素含量最高，但與M3處理差異不顯著。與CK相比，施硅處理使2021年生長季玉米的木質素、纖維素含量分別提高9.0%～43.4%、9.9%～27.4%，在2022年生長季則分別提高14.2%～38.9%、8.2%～29.5%。上述結果表明，施硅通過增加玉米莖稈中的木質素、纖維素含量提高了玉米植株的力學特征。

2.4 與結構物質相關的酶活性

圖4顯示，施用硅肥增加了與木質素、纖維素合成相關的酶（蔗糖合成酶、苯丙氨酸解氨酶、酪氨酸解氨酶和肉桂醇脫氫酶）活性。在M4處理下，4種酶活性最高，其次是M3處理，但2個處理之間無顯著差異。與CK相比，施用硅肥處理使2021年生長季的蔗糖合成酶、苯丙氨酸解氨酶、酪氨酸解氨酶和肉桂醇脫氫酶活性平均分別提高18.7%～43.4%、26.1%～66.5%、30.1%～62.9%和 4.7%～32.2%，在2022年生長季則平均分別提高19.1%～52.9%、18.1%～42.2%、21.1%～73.2%和15.8%～22.2%。上述結果表明，施用硅肥通過提高與木質素和纖維素合成相關酶的活性增加了莖稈中的木質素、纖維素含量。

2.5 莖稈硅含量

由圖5可知，施硅處理增加了2個生長季玉米莖稈中的硅含量，且硅含量隨著施硅量的增加而增加，在M4處理下最高。在2021年玉米生長季，M4處理的莖稈硅含量分別比CK、M1、M2、M3處理提高104.8%、16.4%、4.7%、1.4%，在2022年生長季則分別提高121.3%、32.5%、12.1%、2.6%。上述結果表明，施用硅肥通過增加玉米植株對硅的吸收和利用提高玉米莖稈中的硅積累量。

2.6 倒伏率和產量

由圖6可知，施硅處理提高了2個生長季的玉米產量，且產量隨施硅量的增加而增加。此外，施硅處理顯著降低了玉米的倒伏率，尤其在M4處理下最顯著。與CK相比，施硅處理使2021年生長季的玉米籽粒產量提高29.2%～47.9%，在2022年生長季則提高21.7%～39.2%。同時，與CK相比，施硅處理使玉米倒伏率在2021、2022年分別降低8.6%～82.7%、11.7%～57.5%。但M4處理與M3處理之間的籽粒產量、倒伏率沒有顯著差異。對玉米籽粒產量與施硅量進行線性回歸分析可知，二者之間存在顯著的二次線性函數關系。當施硅量達到96.5 kg/hm2（基于2年的平均值）時，玉米的籽粒產量達到峰值。此外，倒伏率與施硅量之間存在顯著的線性負相關關系（圖7），表明施硅通過減少玉米植株倒伏來增加收獲期的籽粒產量，但當施硅量超過 96.5 kg/hm2 后，并不能持續增加玉米的籽粒產量。

2.7 各指標間的相關性分析

由圖8的相關性分析結果可知，植株的農藝性狀（株高、葉面積、干物質及SPAD值）、莖稈的力學特征（莖稈橫截面積、穿刺強度、壓碎強度及折斷強度）、結構物質含量（木質素和纖維素含量）、與結構物質合成相關的催化酶活性（蔗糖合成酶、苯丙氨酸解氨酶、酪氨酸解氨酶及肉桂醇脫氫酶的活性）以及莖稈硅含量均與籽粒產量呈現出顯著的正相關關系。然而，上述指標與倒伏率之間則表現出顯著的負相關關系，這表明施硅處理在提高玉米產量方面發揮了積極作用，通過增強結構物質合成相關催化酶的活性、提高莖稈硅含量改善莖稈力學特征及物質同化能力，最終通過促進植株生長來降低倒伏率、提高籽粒產量。

3 討論

前人對水稻、高粱的研究發現，施硅處理能提高植株抗旱、抗鹽脅迫能力，改善作物對氮素的吸收，并且可提高水分利用效率，促進根系、葉片生長，他們還指出，硅肥是一種兼具增強植株抗逆性、供應營養的有益元素［16-18］。在本研究中，基施硅肥能夠提高玉米莖稈中的硅含量，尤其是高施硅量處理較不施硅處理的硅含量顯著提高113.1%（2年平均值），說明施硅通過加速玉米根系對土壤溶液中有效硅的吸收并將其積累在植株中。然而，這些積累在植株中的硅發揮的作用不同，一方面，吸收的硅主要以水合無定形二氧化硅（SiO2·nH2O）的形態沉積在莖稈的維管束系統細胞腔、細胞壁和細胞間隙中，通過硅化作用加強細胞壁厚度并提供機械支撐，同時提高莖稈的導水力，為冠層光合產物的生產過程提供足夠的水［1，19-20］，這已從葉面積、株高、相對葉綠素含量（SPAD值）、干物質積累量與硅含量呈顯著正相關的結論中得到驗證。另一方面，施硅使大量硅沉積在莖稈的機械組織、外圍維管束中，通過提高與細胞壁合成相關酶活性促進維管束發育并增加表皮細胞層數，最終增強莖稈抗倒伏性能［21-23］。在本研究中，施硅通過提高與木質素和纖維素合成相關酶的活性，增加了莖稈中的木質素、纖維素含量，使莖稈的抗穿刺、抗壓碎和抗折斷能力得到顯著改善，上述結果表明，莖稈中的硅積累對植株抗倒伏具有重要作用。

施硅可降低植株倒伏率，通過增加收獲期的有效收獲株樹提高籽粒產量。也有研究發現，硅可以通過延緩玉米葉片衰老、增加群體干物質積累量來提高玉米產量［21，24-25］。盡管本研究沒有對植株群體進行全生育期測定，但本研究發現，施硅處理對灌漿期玉米葉面積、相對葉綠素含量均有顯著改善。與不施硅處理相比，100 kg/hm2施硅處理的玉米葉面積指數、相對葉綠素含量分別顯著提高26.0%、20.8%。葉面積和光合色素含量增加有助于增強群體的“源”，可以更高效地截獲光能，生產更多的同化物［25-27］。施硅處理可使灌漿期玉米株高、干物質積累量平均分別提高4.8%～9.3%、8.1%～26.0%，施硅處理對玉米冠層光合能力的改善作用可能是玉米籽粒產量顯著提高的原因之一。在本研究中，施硅處理通過降低倒伏率來提高玉米籽粒產量，但玉米產量沒有隨施硅量的增加而持續增加，當施硅量為96.5 kg/hm2時可獲得最高產量。然而，比較收獲期的籽粒產量和倒伏率發現，當施硅量為75 kg/hm2時，玉米倒伏率和籽粒產量與回歸分析計算得到的施硅量（96.5 kg/hm2）無顯著差異，表明較少的施硅量不僅可以達到較高產量，還可以節約成本。因此，在干旱區滴灌春玉米生產中，建議播種前基施75 kg/hm2硅肥，不僅可以促進玉米植株生長，還可以降低倒伏率以提高籽粒產量。

4 結論

2年的試驗結果表明，施硅肥可增加玉米籽粒產量，主要有2個途徑：（1）通過提高植株硅含量、光合面積（葉面積）和光合色素含量改善冠層的干物質生產能力，增加玉米株高、葉面積和干物質積累；（2）通過促進與木質素和纖維素合成相關的酶（如蔗糖合成酶、苯丙氨酸解氨酶、酪氨酸解氨酶和肉桂醇脫氫酶）的活性，增加莖稈中的木質素、纖維素含量。上述結果表明，施硅處理不僅增強了玉米莖稈穿刺強度、壓碎強度和折斷強度，還顯著提高了其抗倒伏能力。雖然使用100 kg/hm2的硅獲得了最高的籽粒產量，但與使用75 kg/hm2硅處理的產量相比，并未呈現出顯著差異。因此，從增產增效角度考慮，在干旱區的滴灌春玉米生產中，建議播種前基施75 kg/hm2硅肥，不僅可以促進玉米植株生長，還可以降低倒伏率，最終提高籽粒產量。

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