利用無人機吹風鑒定玉米抗倒性研究

孟慶立，師亞琴，范春燕，張宇文，楊少偉

（寶雞市農業科學研究院，陜西 寶雞 722499）

在中國黃淮海玉米夏播區，經常出現大風大雨等強對流天氣，造成玉米大面積倒伏減產。李艷琴等[1]研究了夏玉米生育期內的降雨量、風力、風向等因素，認為8月—9月大風降雨容易導致玉米倒伏，風力越大、降水越多，玉米倒伏率越高。李樹巖等[2]研究了抽雄期前后不同類型倒伏對夏玉米生長及產量形成的影響，認為玉米抽雄前至抽雄后15 d倒伏率較高。8月上旬是寶雞市夏玉米抽雄散粉期，也是強對流天氣常發期，因此選擇這個時期進行玉米抗倒性研究。

更多學者[3-7]研究了不同種植密度下玉米農藝性狀、抗倒能力及產量，認為隨種植密度增加，玉米株高、穗位高增加，倒伏、倒折率增加，植株抗倒能力和產量降低。中高稈、較低穗位、氣生根的形成和發育有助于提高抗倒性。借鑒前人經驗，本研究選取株高、穗位高、次生根發生時間、倒伏率和產量作為衡量玉米抗倒性的指標。

為了準確評價玉米耐密抗倒性能，不少研究者提出了各自的鑒定方法[8-11]。最常用的方法就是通過增大種植密度，過量施用氮肥等栽培管理措施，或采用風洞試驗模擬自然條件下風速對作物倒伏的影響。本研究采用播前旋耕+處理前灌溉使土壤松軟，設置了不同的密度脅迫強度，再用農業無人機吹風模擬大風，重點考察倒伏率和產量指標，為實現玉米抗倒性高通量鑒定探路。

1 材料、設備與方法

1.1 材料和設備

試驗材料：選用4個不同類型的玉米品種，分別為寶玉229（抗倒性好）、寶玉803（抗倒性較好）、鄭單958（抗倒性中等）和先玉335（抗倒性較差）。

試驗設備：農業無人機1架（極飛P80，2021款），風向風速儀2臺（P6-8232）。

1.2 方法

試驗于2021年6月—10月進行，地點位于陜西省寶雞市農業科學研究院試驗基地（東經107.57°，北緯34.45°）。前茬小麥（產量水平500 kg/0.067 hm2），6月15日雨前旋耕施肥（尿素35 kg/0.067 hm2，磷酸二銨15 kg/0.067 hm2），6月19日人工播種。設置無人機吹風處理區和對照區（兩區中間設置10 m寬隔離區）。處理和對照均為3個密度：4 000株/0.067 hm2、5 000株/0.067 hm2、6 000株/0.067 hm2，5行區，行長6.7 m，行距0.6 m，小區面積20 m2，3次重復，四周種植10 m寬玉米作為保護區。

8月4日夜間全田噴灌12 h，8月5日上午對處理區實施無人機作業，飛行高度為5 m（距離玉米頂部2 m左右），飛行速度為3 m/s，飛行方向與種植行向平行，作業寬度3 m。將風向風速儀固定于田間立柱距離地面3 m處（橫置且與行向垂直、豎置各1），觀測風向風速變化。灌漿期測量10株正常對照的株高、穗位高，計算穗位比（穗位高/株高），調查氣生根發生時間，吹風當天、吹風后10 d及收獲期玉米倒伏率，10月8日收獲，10月15日風干后脫粒測產（折合14%含水量）。

2 結果與分析

2.1 風速風向測定

橫置風速風向儀測得無人機瞬時最大風速為15.3 m/s，相當于7級風，豎置風速風向測定儀測得無人機最大風速為11.5 m/s，相當于6級風。無人機風向主要為垂直向下及其行進方向，二者合力為斜向下方向，對玉米植株產生順行推力。

2.2 玉米品種抗倒性狀相關性分析

玉米抗倒性與株高、穗位高、穗位比、氣生根發生早晚等性狀關系密切[8,12]。表1列出了上述性狀間的相關系數。其中株高與次生根發生時間呈顯著正相關，說明株高越高，次生根發生時間越晚，這可能與其植株形態建成有關；株高與倒伏率呈極顯著正相關，說明植株越高，越容易倒伏；次生根發生時間與倒伏率呈顯著正相關，說明次生根發生越晚，越容易倒伏；穗位高、次生根發生時間與產量呈顯著負相關，說明穗位越高、次生根發生越晚，越容易導致倒伏減產。

表1 玉米品種抗倒性狀相關系數Tab.1 The correlation coefficient of lodging resistance of maize varieties

2.3 不同玉米品種抗倒相關性狀

從圖1可知，各品種株高差異明顯，寶玉229、寶玉803和鄭單958株高接近，先玉335最高。值得注意的是，隨著種植密度的增加，各品種自身株高變化不大。說明在4 000～6 000株/0.067 hm2的密度范圍內，玉米株高并未隨密度增減呈現規律性變化。

圖1 不同密度下各玉米品種株高Fig.1 The plant height of different maize varieties under different densities

穗位高是體現玉米重心絕對高度的指標。如圖2所示，隨著種植密度的增加，各玉米品種的穗位高度均呈上升趨勢。寶玉229和寶玉803穗位低于鄭單958和先玉335，且穗位上升幅度也小于后者。說明寶玉229和寶玉803的穗位高對密度增加敏感程度較低。

圖2 不同密度下各玉米品種穗位高Fig.2 The ear height of different maize varieties under different densities

穗位比是反映玉米重心相對高度的指標。從圖3可知，隨著種植密度增加，各玉米品種的穗位比均有不同程度的升高。從絕對值來看，先玉335的穗位比在4 000～5 000株/0.067 hm2時均最低，但隨密度增加上升明顯，在6 000株/0.067 hm2時已經和寶玉229、寶玉803接近。鄭單958的穗位比不僅是參試品種當中最高的，隨密度增加上升也較明顯。寶玉229和寶玉803穗位比隨密度增加上升幅度很小，說明二者的重心對密度壓力反應遲鈍，顯示出較好的耐密性。

圖3 不同密度下各玉米品種穗位比Fig.3 The ear position ratio of different maize varieties under different densities

氣生根是支撐玉米直立生長、降低根倒風險的重要器官。從圖4可知，不同玉米品種的氣生根發生時間差異明顯，從早到晚依次為寶玉229、寶玉803、鄭單958和先玉335。隨著密度增大，鄭單958和先玉335的氣生根發生時間有逐漸變晚的趨勢，而寶玉229和寶玉803沒有這種趨勢。值得注意的是，無人機吹風處理的日期是8月5日，此時寶玉229和寶玉803的氣生根已經生出，而鄭單958和先玉335的氣生根仍未出現。

圖4 不同密度下各品種氣生根發生時間Fig.4 The occurrence time of aerial roots of various varieties under different densities

2.4 無人機吹風對玉米倒伏率的影響

8月5日當天，所有對照的倒伏率均為0%，而吹風處理的倒伏率則發生了巨大變化。從圖5可知，隨著密度的增加，倒伏率也隨之增大，先玉335倒伏最為明顯，鄭單958次之，寶玉229和寶玉803卻未見明顯倒伏，寶玉229抗風能力尤為突出，各密度下均無倒伏。

圖5 不同密度下各玉米品種吹風當天倒伏率Fig.5 The lodging rate of different maize varieties on the dayof blowing under different densities

吹風處理后，隨時間推移，各品種倒伏植株陸續出現自然復直現象。在吹風后第10 d調查倒伏率（見圖6），發現多數植株已恢復直立或半直立，在莖基部可觀察到明顯的向上彎曲。與對照和寶玉229的零倒伏相比，其他品種均存在不同程度的倒伏，倒伏率高低排序未發生變化。

圖6 不同密度下各玉米品種吹風后第10 d倒伏率Fig.6 The lodging rate of maize varieties at different densities on the 10th day after blowing

玉米成熟期再次調查吹風處理和對照的倒伏率（見圖7），發現除寶玉229和寶玉803外，各品種倒伏率均有明顯上升，吹風處理較對照倒伏程度更高，二者趨勢相似，但吹風處理下不同品種、不同密度的倒伏率差異更為明顯。倒伏率上升和玉米中后期風雨較多、土壤松軟有關，另一方面也取決于品種自身的抗倒能力。

圖7 不同處理下各玉米品種成熟期倒伏率Fig.7 The lodging rate of various maize varieties at maturity under different treatments

2.5 無人機吹風對玉米產量的影響

玉米倒伏后，原有冠層結構被破壞，光合作用受阻，籽粒灌漿和產量構成因素均受影響[13，14]。為了評估大風對玉米產量的影響，對各小區每0.067 hm2進行收獲測產，見圖8。無論吹風處理或者對照處理，寶玉229和寶玉803的產量都隨密度增加而增加，這主要和二者耐密抗倒性能力較強有關。寶玉229密植增產效應突出，密度為6 000株/0.067 hm2時仍未出現產量拐點，寶玉803密度為4 000～5 000株/0.067 hm2增產明顯，但密度為5 000～6 000株/0.067 hm2增產幅度就微乎其微，且已出現少量倒伏。與前二者不同的是，鄭單958和先玉335在不吹風且僅有輕微倒伏時，產量隨密度增加而增加，在吹風處理下，由于倒伏嚴重，產量隨密度增加呈明顯下降趨勢。

圖8 不同處理下各品種產量對比Fig.8 The yield comparison of varieties under different treatments

3 結語

3.1 機械吹風鑒定玉米抗倒性的可行性

鑒定玉米抗倒性的手段多種多樣[8-11]，而采用灌溉或雨后吹風的方式更加直觀和高效。曾經美國先鋒公司就利用鼓風機在小區走道吹風，以及用拖拉機牽引順行吹風以鑒定玉米抗倒性。與之相比，無人機吹風效率更高，且不受行距和田間低矮障礙物的影響。不同之處在于，前者的風向與地面平行，無人機的風向則主要是自上而下和順行方向。需要注意的是，不同型號的無人機帶來的風力大小不同，需要通過預試驗確保研究的可靠性，也可結合病蟲害的化學防治進行飛行作業。

3.2 創造易于倒伏且可控的鑒定環境

玉米倒伏的外因有水肥管理、種植密度、化學調控、病蟲害等[7]，內因有莖稈強度、穗位高度、根系發達程度等。在外因容易導致玉米倒伏的情況下，鑒定玉米的抗倒性更為可靠。因此，本研究采用了播前旋耕、灌溉的方式，讓土壤更松軟，根系更難支撐；在抽雄前后進行吹風處理，使氣生根尚未發生的品種更易倒伏；無人機飛行高度距離玉米頂部2 m左右，已達到安全高度下限，此時風力最大；飛行速度控制在3 m/s，為正常速度的下限，吹風時間更長；設置適宜的密度梯度，以鑒定不同耐密類型玉米的抗倒性。

3.3 抗倒品種的部分特征

本次試驗中抗倒性突出的品種至少具備以下特征：株高中等，穗位高＜100 cm，穗位比＜0.38且相對穩定，氣生根應在8月初之前發生，越早越好，全田倒伏率＜5%，在一定范圍內產量隨密度穩定增長。從試驗結果還可得出，各品種在易發生倒伏地區的適宜密度：寶玉229為6 000株/0.067 hm2、寶玉803為5 000～6 000株/0.067 hm2、鄭單958和先玉335為4 000株/0.067 hm2。