不同种植模式对玉米光合特性及资源利用率的影响

马栋 梁玉清 郑荣 杨惠玲 李金荷 陈苍

(酒泉市农业科学研究院 甘肃酒泉 735000)

玉米是我国重要的粮食作物，也是甘肃省的主要作物之一。2018年，甘肃省玉米种植面积96.67万hm2，占全省粮食播种面积的35%，因此，玉米生产对保障粮食安全具有十分重要的意义［1］。然而，我国玉米单产水平远低于发达国家，其中主要原因之一是种植方式不合理，由于我国玉米常规种植群体结构不理想，导致空间配施和资源利用受到限制，从而影响玉米产量的提高［2］。因此，优化栽培措施，改善玉米群体冠层的通风透光性，提高作物群体的光合作用效率、资源利用率和物质生产能力，是实现玉米增的有效途径［3］。

已有研究表明，宽窄行和垄作种植模式能够改善玉米群体结构，有效提高玉米生产效率。其中，宽窄行种植是把传统的等行距栽培模式调整为宽行和窄行相间排列的模式，该模式可配合高密度种植，改善玉米冠层结构，改变群体冠层内的光分布，优化光合性能，进而提高了光能截获率和干物质积累量，从而提高玉米产量［4］。朴琳等［5］研究表明，宽窄行种植模式改变冠层干物质空间分布和光合碳代谢能力，增加了群体中下部光能截获，促进了花后冠层物质生产及籽粒灌浆，显著增加玉米籽粒产量。连彩云等［6］研究表明，春玉米宽窄行种植可以提高春玉米叶面积指数，增加光合势，有助于后期干物质的积累，最终提高玉米籽粒产量。垄作是现代玉米产量提升的重要措施之一，垄作能够使土壤形成上虚下实的结构，降低土壤容重，为根系生长提供良好的条件，有利于吸收水分和养分，且垄作沟播有更好的集蓄自然降雨和提高土壤蓄水能力的作用，可缓解季节干旱对作物生长的影响，有效协调土壤水、肥、热等的关系，为作物生长创造良好的环境［7］。周龄［8］研究表明，玉米垄作可以提高夏玉米的水分利用效率，可以达到节水节肥的目的。刘震等［9］研究表明，起垄栽培模式下玉米产量增幅为5.55%～25.64%，氮肥农学利用率增幅为39.00%～131.60%，效果优于常规春玉米栽培模式。有关宽窄行和垄作在甘肃地区的研究较少，本试验探讨宽窄行和垄作种植方式对玉米光合特性、产量及其构成、资源利用率的影响，为甘肃省玉米种植优化栽培技术，进一步挖掘玉米产量潜力等方面提供理论依据及相应技术保障。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样地概况

试验于2018—2019年于酒泉市城关镇进行，试验土壤为黑钙土，土壤质地疏松，土壤基础肥力：有机质28.21 g/kg、全氮1.8 g/kg、碱解氮105.84 mg/kg、速效磷47.32 mg/kg、速效钾166.15 mg/kg、pH6.82。

1.1.2 试材

试验材料选用郑单958。玉米生长周期内气象数据来自中国气象数据网（表1）。

表1 2018年和2019年玉米生长季温度、降雨量和日照时数

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个种植模式，以等行距平作为对照（CK），宽窄行平作（T1），等行距垄作（T2）和宽窄行垄作（T3），等行种植的行距宽60 cm，宽窄行行距为70 cm与50 cm交替排列。播种前施入N120 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O90 kg/hm2作基肥，拔节期追施N60 kg/hm2，每小区长8 m，面积约38.4 m2，每处理重复3次，随机排列，种植密度为8.5万株/hm2，2018年于4月28日播种，9月28日收获，2019年于4月30日播种，9月28日收获。

1.2.2 项目测定

1.2.2.1 叶绿素含量和光合速率的测定

试验分别于苗期、拔节期、抽雄期、灌浆初期和乳熟期用SPAD仪测定叶绿素含量，抽雄前测定上部展开叶，抽雄后测定棒三叶。测定完成后采用便携式光合系统（GFS-3000）测定光合速率和气体交换参数，两年数据变化趋势一致，选用2019年数据进行分析。

1.2.2.2 产量及产量构成因素的测定

玉米实收测产，于室内考察穗行数、穗粒数、百粒重、含水量等穗部性状，按14%含水量计算籽粒产量。

1.2.2.3 光温水利用率

光能生产效率＝籽粒产量/单位面积的太阳辐；温生产效率＝单位面积籽粒产量/生育期间积温；太阳总辐射Q＝Q0（a＋bS/S0）

式中，Q0为天文辐射，S为太阳实测日照时数，S0为太阳可照时数，S/S0为日照百分率，a、b为待定系数。

光能利用效率（RUE）＝W×H/∑Q×100%

式中，H为每克干物质燃烧时释放出的热量，玉米干重热值为1.807×104J/g；W是干物质的积累量；∑Q是生育期间的总光照辐射量。

水分生产效率＝产量/总耗水量（耗水量＝降水量＋灌溉量）

1.2.3 数据分析

采用Excel 2010统计和计算数据，采用SPSS 24.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对玉米叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用的主要色素之一，是反映光合强度的重要生理指标，叶绿素含量的高低直接影响植物的光合作用能力。由图1知，叶片SPAD值随生育进程的推进呈先升高后降低的变化趋势，在苗期，T2和T3处理显著高于CK，分别高出13.09%和7.13%；在拔节期，T3处理叶绿素含量最高，比CK显著高出5.40%；在抽雄期，T1、T2和T3处理均显著高于CK，分别高出4.01%、10.04%和16.44%；在灌浆初期，T2和T3处理显著高于CK，分别高出7.66%和18.89%；在乳熟期，T2处理显著高于CK，高出7.13%。

图1 不同种植模式对玉米叶片叶绿素含量的影响

2.2 不同种植模式对玉米叶片净光合速率的影响

叶片净光合速率反映了植物在进行光合作用过程中，固定CO2和产生光合产物的量。由图2可知，玉米叶片净光合速率随生育进程的推进呈先升高后降低的变化趋势，各处理在抽雄期达到最大值。在苗期，T1、T2和T3处理均显著高于CK，分别高出13.68%、24.67%和14.01%；在拔节期，T1处理和CK没有显著差异，T2和T3处理显著高于CK，分别高出8.11%和11.66%；在抽雄期，T1、T2和CK没有显著差异，T3处理比CK显著高出8.91%；在灌浆初期，各处理表现为T3＞T2＞T1＞CK，处理间差异均显著，T1、T2和T3处理分别比CK高出6.70%、14.14%和25.71%；在乳熟期，各处理间没有显著差异。

图2 不同种植模式对玉米叶片净光合速率的影响

2.3 种植模式对玉米叶片胞间CO2浓度的影响

胞间CO2浓度能够反映植物对CO2的利用效率。由图3可知，胞间二氧化碳浓度随生育进程的推进呈先升高后降低的变化趋势，在灌浆初期达到最大值。在苗期，T1、T2和T3处理均显著高于CK，分别高出13.13%、14.81%和7.29%，T2处理最高；在拔节期至乳熟期，T1、T2和T3处理均显著高于CK，高出3.61%～21.82%，且在各时期均是T3处理最高。

图3 不同种植模式对玉米叶片胞间二氧化碳浓度的影响

2.4 不同种植模式对玉米叶片气孔导度的影响

气孔导度反映植物CO2和水汽交换能力，气孔导度的大小直接影响着植物的光合速率和蒸腾速率。由图4可知，气孔导度随生育进程的推进呈先升高后降低的变化趋势，在抽雄期达到最大值。在整个生育时期，表现为T2＞T3＞T1＞CK，T1、T2和T3处理均显著高于CK，在苗期，T1、T2和T3处理分别比CK高23.89%、52.78%和37.78%，拔节期高21.05%、52.11%和40.35%，抽雄期高8.75%、21.25%和17.08%，灌浆初期高5.47%、18.27%和9.60%，乳熟期高7.62%、19.76%和12.62%。

图4 不同种植模式对玉米叶片气孔导度的影响

2.5 不同种植模式对玉米叶片蒸腾速率的影响

植物叶片蒸腾速率是反映蒸腾作用强弱最重要的生理指标。由图5可知，蒸腾速率在苗期到抽雄期逐渐升高，在抽雄到乳熟期逐渐下降。在苗期，T1、T2和T3处理显著高于CK，分别高出18.71%、32.83%和21.16%，T2处理最高；在拔节期，T1、T2和T3处理显著高于CK，分别高出7.16%、8.38%和18.16%，T1和T2处理间没有显著差异，T3处理最高；在抽雄期，变化趋势和拔节期相似，T1、T2和T3分别比CK高出12.52%、9.98%和22.42%；在灌浆初期，T1、T2处理和CK没有显著差异，T3处理显著高于CK，高出13.04%；在乳熟期，各处理间没有显著差异。

图5 不同种植模式对玉米叶片蒸腾速率的影响

2.6 种植模式对玉米产量及产量构成因素的影响

由表2可知，在不同种植模式处理下，玉米穗数和穗行数没有显著差异。2018年，T1和T3处理行粒数显著高于CK，分别高出5.67%和11.35%；T1和T3处理显著高于CK，分别高出6.33%和7.76%；各处理产量表现为T3＞T1＞T2＞CK，T1、T2和T3均显著高于CK，分别高出12.23%、9.32%和21.17%。2019年，T3处理行粒数比CK高出13.25%；T1和T3处理千粒重显著高于CK，分别高出3.22%和5.39%；各处理产量均显著高于对照，T1、T2和T3分别比CK高出13.92%、5.61%和18.64%。

表2 不同种植模式对对玉米产量及产量构成因素的影响

2.7 不同种植模式对玉米资源利用率的影响

由表3可知，改善种植模式能够显著提高玉米对资源的利用效率。2018年，T1和T3处理光能生产效率显著高于CK，分别高出12.19%和21.95%，T2处理和CK没有显著差异；T1和T3处理光能利用率显著高于CK，分别高出12.16%和21.62%；水分生产效率均显著高于CK，分别高出16.00%、9.16%和21.37%；T1和T3处理有效积温生产率显著高于CK，分别高出11.99%和20.98%，T3处理光能生产效率、光能利用效率、水分生产效率及有效积温生产率最高。2019年，各处理光能生产效率、光能利用效率、水分生产效率及有效积温生产率均显著高于CK，T3处理最高，分别比CK高出17.50%、19.44%、18.62%和18.73%。

表3 不同种植模式对玉米资源利用率的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

玉米生长发育所需的化学能，是由叶片对光能截获和光合作用转化而来的，光合作用是作物生长发育和产量形成的生理基础，光合能力的提高对增加籽粒产量有重要作用［10］。通过调节作物布局，改善群体结构，能够影响叶片的空间分布，进而调节群体内叶片对自然光照辐射的捕捉［11］。研究表明，通过调节玉米植株行距配制，不均匀种植能够调控对叶片朝向和茎叶夹角产生，从而提高玉米叶片光合能力［12］。本研究结果表明，垄作和宽窄行种植均能在一定程度上提高玉米叶片叶绿素含量和气体交换参数，可能是由于宽窄行种植重塑了群体冠层垂直结构，使得下部叶片光环境得到改善，提高了下部叶片的光能截获率。垄作可有效改变耕层土壤结构，提高土壤通气透水能力，促进根系的生长和伸长，加强了根系对深层土壤养分和水分的吸收，为地上部的生长提供充足的水分和无机养料，从而为叶绿素的合成和光合作用奠定了物质基础。本研究结果表明，宽窄行平作、等行距垄作和宽窄行距垄作玉米产量，宽窄行垄作处理玉米产量分别提高21.17%和18.64%。主要是由于较高的光合效率提高了物质生产能力，同时，宽窄行种植和垄作能够提高生育后期光合能力，延缓叶片衰老，促进光合产物向籽粒运输。

前人研究表明，产量的提高主要是通过群体对光、温、水等资源利用效率的提升来实现的［13］。群体资源利用效率的提高取决于合理的种植模式，李磊等［14］研究表明，垄作和宽窄行平作处理的土壤含水量高于等行距平作，和平作相比，垄作光合速率提高了2%，水分利用效率提高了6%，增产效果较为显著。薛俊武等［15］研究表明，垄作方式种植能够提高黄土高原旱地马铃薯水分利用效率和产量，经济效益更高。本研究表明，宽窄行种植和宽窄行垄作种植可显著提高光能生产效率、光能利用率、水分生产效率，主要是由于宽窄行改善群体通风透光能力，提高中下层叶片的光合性能，扩大光合面积，充分利用不同层次的光资源，使光能在玉米群体冠层内的分布更加合理，更好地协调玉米群体和个体的关系，从而提高玉米光能利用率和生产效率，垄作能够降低土壤容重，集蓄自然降雨和提高土壤蓄水能力，为根系生长提供良好的条件，有利于吸收水分和养分，有效协调土壤水、肥、热之间的关系，为作物生长创造良好的环境。综合比较，宽窄行垄作处理的叶片的叶绿素累含量和净光合速率显著提高，资源利用率显著增加，是较好的栽培模式。

3.2 结论

改善栽培模式能显著提高玉米叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度。宽窄行垄作，玉米光合特性最好，提高了群体光热水利用效率，从而提高了玉米产量。因此，宽窄行垄作可以改善玉米光合特性，提高光热水利用效率和产量。