高密度种植下青贮玉米茎秆抗倒伏性状与产量品质的协同响应机制研究

本研究针对高密度种植条件下青贮玉米(Zea mays L.)茎秆倒伏风险加剧的问题，通过三品种(Sheyu D1616、Dajingjiu23、Xianyu1225)三密度(15-21万株ha-1)的田间试验，系统解析了茎秆形态-微观结构-力学性能的互作关系。研究发现密度180,000株ha-1时Dajingjiu23产量达135.81t ha-1且淀粉含量最优，茎秆大/小维管束数量与机械组织层数对产量贡献率超5%，为高密度栽培品种选育提供理论依据。论文发表于《Scientific Reports》。

　　

在全球畜牧业可持续发展的背景下，青贮玉米作为重要饲料作物，其产量和品质直接关系到畜牧生产效益。中国青贮玉米种植面积已超过233万公顷，年产量逾2.8亿吨。然而，随着农业集约化发展，高密度种植在提升群体生物量的同时，也带来了严峻的茎秆倒伏问题——植株"高而细"的形态适应策略导致机械强度下降，倒伏风险显著增加。更棘手的是，密度提升往往伴随中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)等品质指标恶化，形成"增产降质"的困境。如何在高密度条件下实现产量与品质的协同提升，成为当前青贮玉米栽培的关键科学问题。

针对这一挑战，塔里木大学南疆产教融合现代农业实训基地的研究团队开展了创新研究。通过设置150,000(D1)、180,000(D2)和210,000(D3)株ha^-1三个密度梯度，对普通粮用品种Sheyu D1616(M1)、专用青贮品种Dajingjiu23(M2)和粮饲兼用品种Xianyu1225(M3)进行系统比较，结合茎秆力学测试、显微结构分析和品质测定，揭示了密度-性状-产量的内在关联规律。相关成果发表在《Scientific Reports》期刊。

研究采用两因素随机区组设计，关键实验技术包括：(1)使用YYD-1B茎秆强度测定仪测量茎鞘穿刺强度(rind penetration strength)和三点弯曲法测定抗弯强度(bending strength)；(2)石蜡切片与植物固绿染色技术分析第3节间维管束数量和机械组织厚度；(3)范氏洗涤纤维分析法测定NDF和ADF含量；(4)旋光法测定淀粉含量；(5)建立多元回归模型量化性状贡献率。所有数据通过GraphPad Prism 9和SPSS 27进行统计分析。

【分析高密度下青贮玉米植株形态性状变异】

密度升高导致株高和穗位高降低，但穗系数增加。专用青贮品种M2在D2密度下表现出最优形态适应：其第3节间横截面积显著大于其他品种，且叶片宽度降幅最小。值得注意的是，M3的穗下叶面积在所有密度下均显著大于M1-M2，显示品种间资源分配策略的显著差异。

【高密度对茎秆抗倒伏性的影响】

茎鞘穿刺强度随密度增加显著降低，在抽雄期(VT)达到峰值。D3密度下M3的穿刺强度较M1降低16.42%，抗弯强度降低27.98%。密度效应呈现梯度响应：每增加30,000株ha^-1，M2的抗弯强度下降13.39%-20.11%，证实专用青贮品种具有更好的力学稳定性。

【高密度处理对茎秆微观结构的影响】

显微分析揭示密度升高导致：(1)机械组织厚度显著减小，M1-M2在D1-D3间差异极显著；(2)表皮机械组织层数减少，M3在D3密度下仅2-3层；(3)大/小维管束数量递减，但M2始终保持最高值。这些结构变化直接解释了力学性能的下降。

【高密度对产量和品质的影响】

D2密度实现产量峰值，M2鲜草产量达135.81t ha^-1，干物质产量31.97t ha^-1。品质指标呈现"先升后降"趋势：D2密度下M2淀粉含量最高，NDF和ADF较D1降低8.3%-11.7%。相关性分析显示穿刺强度与淀粉含量呈正相关(r=0.82)，与NDF呈负相关(r=-0.76)。

【茎秆性状对产量的贡献分析】

多元回归模型(R²=0.928)表明：大维管束数量(贡献率5.39%)、小维管束数量(6.14%)和机械组织层数(5.09%)是关键产量决定因子。品种特异性分析发现M2的产量模型包含6个显著性状，远多于M1的4个，证实其具有更完善的抗倒伏架构。

该研究首次系统阐明了高密度条件下青贮玉米茎秆性状的协同演变规律。180,000株ha^-1被确定为兼顾产量与品质的优化密度，在此密度下，专用青贮品种通过维持更多维管束数量(较普通品种增加23.6%)和机械组织厚度(增加18.4%)，实现了"强茎-高产-优质"的三重目标。研究提出的茎秆性状贡献率量化模型，为分子设计育种提供了明确靶点——通过定向改良维管束发育相关基因(如ZmYAB14)和细胞壁木质化关键酶(如CAD)，可培育更适合高密度种植的突破性品种。实践层面，建议普通粮用品种密度控制在150,000-180,000株ha^-1，而专用青贮品种可适度提高至180,000-195,000株ha^-1，配合水肥精准调控，可在新疆等光热资源丰富区域实现产量品质双提升。这些发现不仅为青贮玉米高产栽培提供了技术范式，也为禾本科作物耐密机制研究开辟了新视角。