李咚祎，陳志君，徐鵬云，李夢麗，朱振闖，孫仕軍

(沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，遼寧 沈陽 110866)

隨著玉米育種、耕作管理以及病蟲害防治水平不斷提高，世界各地玉米種植密度不斷增加。Mansfield等研究發(fā)現(xiàn)，美國在1960～2010年玉米種植密度每10年增速為650株/hm2，產(chǎn)量增速為130 kg/hm2[1]。明博等研究認為，中國5大玉米產(chǎn)區(qū)的玉米種植密度近些年來也處于顯著增長趨勢，其中西北玉米產(chǎn)區(qū)玉米種植密度最高為67 700株/hm2。合理提高玉米種植密度是提高玉米產(chǎn)量最經(jīng)濟有效和最易推廣使用的方法[2]。Tollenaar等研究表明，近些年玉米產(chǎn)量持續(xù)增長主要是因為農(nóng)業(yè)管理和育種等措施的改進，其中貢獻最大的是玉米種植密度的提高[3]。盡管玉米的群體產(chǎn)量在逐年增加，但大量研究認為玉米的單株產(chǎn)量卻沒有顯著增加[4]。同時，密植種植增加了個體間的競爭壓力，放大了玉米個體間差異性，延遲了玉米的授粉時間，導致玉米空稈率增加，加大了玉米產(chǎn)量的不穩(wěn)定性，使得現(xiàn)代玉米的實際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量之間仍存在較大的差距[1，5]。 因此，本研究擬通過梳理總結(jié)近20～30年來關(guān)于對密植玉米的研究結(jié)果，揭示玉米高密度種植對其耗水量的影響規(guī)律，明確高密度種植對玉米的增產(chǎn)效應和減產(chǎn)風險，了解現(xiàn)代學者為降低密植玉米減產(chǎn)風險所做的努力。

1 種植密度與玉米耗水

Jiang等研究表明，玉米的耗水量受種植密度的顯著影響[6]。隨著玉米種植密度的增加，極大的增加了玉米植株對于水分的競爭。因而研究高密度條件下玉米的耗水規(guī)律，對選擇適當?shù)姆N植密度和灌溉制度具有重要意義。大量中外學者對高密度條件下玉米耗水規(guī)律進行了研究[6～8]。

總體上，高密度種植條件下玉米對地面覆蓋率增加，因而減小了玉米田間的土壤蒸發(fā)量，同時由于單位面積上玉米植株的增加，玉米的蒸騰量增加[9]。但對于密度對玉米耗水總量的影響仍存在爭議。Barbieri等研究發(fā)現(xiàn)，玉米種植密度的提高顯著提高了玉米耗水量[10]，而Jiang等研究認為玉米的種植密度對于玉米耗水量沒有顯著影響[6]。對于此爭議，Ren等總結(jié)認為，玉米種植密度是否對玉米耗水量有顯著影響，決定于高種植密度對玉米騰發(fā)量的增加量和對田間蒸發(fā)量的減少量之間的差異程度[11]。玉米騰發(fā)量和田間蒸發(fā)量隨不同的氣象條件和玉米生育期的改變而改變。

為進一步研究玉米種植密度對玉米耗水量的影響，大量學者開始分別研究高密度種植對騰發(fā)量和蒸發(fā)量的影響。Allen等提出了基于密度修正的雙作物系數(shù)法，通過調(diào)整系數(shù) Acm(見公式(1)～(2))研究不同種植密度下作物的作物系數(shù)Kcb，進而定量分析種植對作物騰發(fā)量和土壤蒸發(fā)量的影響[7]。Jiang等利用Allen推薦的調(diào)整系數(shù)和基于葉面積的密度指數(shù)Kdensity(見公式(3))對比分析了2種方法計算不同種植密度下玉米作物系數(shù)變化規(guī)律[6]。分析結(jié)果表明：高密度種植顯著提高了玉米的耗水量和作物系數(shù)Kcb和降低了玉米田間蒸發(fā)量和蒸發(fā)系數(shù)Ke。另外對比以上2種方法的計算精度發(fā)現(xiàn)：Allen方法在玉米中期和后期，對玉米蒸發(fā)蒸騰的計算精度較高，而密度系數(shù)法則在整個生育期均能準確計算玉米的日蒸發(fā)蒸騰量。

式中，Kc，adj為調(diào)整后的參數(shù)，LAI為各個密度的中期和末期的葉面積指數(shù)，LAIdense為密度最大時的葉面積指數(shù)，Acm為密度調(diào)整系數(shù)，Kdensity為密度指數(shù)，β為調(diào)整系數(shù)。

在不同的氣象條件和不同的玉米生育階段，玉米的騰發(fā)量和蒸發(fā)量也表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。為此，Ren等使用作物生長模擬模型(APSIM)模擬了不同水文年(極端干旱年、干旱年、正常年、中等濕潤年和極端濕潤年)玉米耗水率隨種植密度52 500(D1)、67 500(D2)、82 500(D3)和97 500(D4)株/hm2增加的變化規(guī)律[11]。發(fā)現(xiàn)，只有在正常年和極端濕潤年，玉米的耗水量才受到種植密度的顯著影響，即均隨種植密度的增加而顯著增加。在正常年和極端干旱年，D1、D2、D3和 D4的耗水量分別為 396、405，406、408和 415、432、438 和 444 mm。 對于玉米騰發(fā)量，除極端干旱年份外，其余年份玉米騰發(fā)量隨著種植密度的增加均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢。而且高密度處理的玉米騰發(fā)量與低密度處理的玉米騰發(fā)量之間的差異，隨降雨量的增加而增加。在極端干旱年、干旱年、正常年、中等濕潤年和極端濕潤年這種差距分別為4～11 mm、11～26 mm、12～27 mm、13～32 mm和16～36 mm。與玉米騰發(fā)量相反，土壤蒸發(fā)量隨著種植密度的增加呈現(xiàn)顯著減小的趨勢(極端干旱年除外)。Jia等通過兩年的田間試驗，探索玉米種植密度(52 500、75 000和97 500株/hm2)在不同生育期對玉米耗水的影響[12]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在玉米生長前期(播種后0～97 d)，隨著種植密度的增加玉米耗水量呈現(xiàn)增加的趨勢。而在玉米生長后期(播種后125～165 d)，玉米耗水量隨著玉米種植密度的增加而降低。

2 種植密度與玉米產(chǎn)量

在過去幾十年里，耐密品種玉米的培育和大范圍的種植，使得玉米持續(xù)獲得高產(chǎn)。Tollenaar等研究表明，玉米的產(chǎn)量隨著種植密度的增加呈現(xiàn)顯著的增加趨勢[3]。但Sangoi等研究發(fā)現(xiàn)，在高密度下雖然玉米可以獲得優(yōu)良的群體結(jié)構(gòu)和最大程度利用大氣的輻射[13]，但是高密度種植增加了個體之間對于水分、肥料和太陽輻射的競爭，導致單個植株的產(chǎn)量下降[14]。更需注意的是，當玉米種植密度超過適宜的密度范圍時會導致產(chǎn)量降低。綜上，玉米高密度種植具有明顯的增產(chǎn)效應，但同時也增加了玉米植株之間對于水分、養(yǎng)分和太陽輻射的競爭，給玉米生長帶了負面效應。

2.1 種植密度增產(chǎn)效應

玉米的生產(chǎn)潛力，主要是由玉米單株產(chǎn)量、玉米品種耐密性、養(yǎng)分和太陽輻射等自然資源的利用效率3個方面決定[15]。因而，下文主要從上述3個方面總結(jié)高種植密度對玉米的增產(chǎn)效應。

2.1.1 種植密度與玉米單株產(chǎn)量

玉米單株最大產(chǎn)量表示在玉米種植密度非常低的條件下，玉米植株之間沒有競爭，水分、養(yǎng)分和太陽輻射均能滿足玉米生長時的最大產(chǎn)量[16]。Tokatlidis等研究表明在 1930～2000年，盡管玉米的品種一直在變化，玉米產(chǎn)量也持續(xù)增長，但是單株玉米最大產(chǎn)量卻沒有顯著增加[4]。Sangoi等對比研究了1970年、1980年和1990年的代表品種，在種植密度為25 000、50 000、75 000和100 000株/hm2下的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)在高密度種植下玉米產(chǎn)量顯著高于低密度處理，但是1990年的品種在密度為25 000株/hm2時的單株產(chǎn)量并未顯著高于過去的品種[13]。說明，玉米品種在低密度種植時的優(yōu)勢并沒有顯著提高，高密度種植獲得高產(chǎn)的原因主要是提高了單位面積上的穗數(shù)，獲得群體優(yōu)勢。近些年，各國學者圍繞同時提高玉米群體產(chǎn)量和單株產(chǎn)量開展了大量研究，初步認為將密植種植與其他農(nóng)業(yè)措施(覆膜和施肥等)結(jié)合，可以有效提高玉米的單株產(chǎn)量，從而實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[16～19]。

2.1.2 玉米品種耐密性

相比于過去的玉米品種，現(xiàn)代玉米品種具有較高的耐密性[4]。Sangoi等研究發(fā)現(xiàn)，1970年、1980年和1990年的代表品種的最適種植密度分別為71 000、79 000和85 000株/hm2[13]。明博等研究中國2005～2016年玉米種植密度變化規(guī)律表明，現(xiàn)代玉米品種的種植密度持續(xù)增加[2]。其中，在中國北方地區(qū)從2005～2016年，玉米種植密度平均增加了15 000株/hm2；黃淮海地區(qū)玉米種植密度在2005～2009年顯著增加，隨后穩(wěn)定在62 000株/hm2左右；西北地區(qū)玉米種植密度在2005～2013年持續(xù)增加，然后趨于穩(wěn)定。玉米耐密性的增加主要是因為現(xiàn)代玉米品種對環(huán)境的忍耐性提高。Duvick等研究發(fā)現(xiàn)，玉米耐密性的提高，是因為玉米品種對干旱、積水、氮素不足、根倒伏和害蟲等不利的自然環(huán)境和生物環(huán)境的抗性增加[16]。Ci等研究中國1970～2010年玉米品種耐密程度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代的玉米品種對復雜的環(huán)境具有較高的適應性[21]。

2.1.3 種植密度與資源利用效率

從資源利用率角度來看，玉米對自然資源的利用率隨玉米種植密度增加而增加，依靠群體優(yōu)勢是實現(xiàn)高產(chǎn)的重要保證[22]。Nyakudya等使用AquaCrop模型模擬了3個不同地區(qū)，種植密度的變化(17 500、25 000和32 500株/hm2)對玉米水分利用效率的影響[23]。研究發(fā)現(xiàn)：不同密度梯度間，密度的提高對水分利用效率的影響程度不同。從 17 500株/hm2到25 000株/hm2和25 000株/hm2到32 500 株/hm2，3個地區(qū)的玉米水分利用效率分別提高了46.7%和9.6%。Barbieri等探究了減少玉米之間的種植距離對玉米耗水和水分利用效率的影響，發(fā)現(xiàn)減少玉米的行距增加了玉米的水分利用效率達17%[10]。孫仕軍等研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論：增加玉米的種植密度，可以顯著增加雨養(yǎng)區(qū)玉米對雨水的利用效率[24]。而Ren等研究認為，提高玉米種植密度是否能提高玉米的水分利用效率與特定的水文年份有關(guān)[11]。在不同的降水年份，種植密度對玉米水分利用效率有不同的影響。在極端干旱年，提高玉米的種植密度不僅沒有提高玉米水分利用效率，反而降低了玉米水分利用效率：種植密度從52 500到97 500 株/hm2，玉米水分利用效率降低了19%～64%。在干旱年，正常年和極端濕潤年，種植密度對玉米水分利用效率沒顯著影響。只有在中等濕潤年，玉米種植密度對其水分利用效率具有顯著影響且隨著種植密度的增加，玉米水分利用效率呈拋物線變化規(guī)律。

玉米的高密度種植不僅增加了玉米對水分的利用效率，同時也增加了玉米對于土壤肥料的利用效率。Al-Naggar等探索玉米種植密度和氮肥對玉米產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)種植密度顯著提高了玉米對于氮肥的利用率[18]。同時，Antonietta等研究表明，高密度種植一定程度上改善了玉米的冠層結(jié)構(gòu)，增加玉米對于太陽輻射的截取[26]。Mansfield等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代的耐密玉米品種的葉子的傾角較小，在高密度種植時，可以使更多的太陽輻射進入冠層內(nèi)，從而增加玉米的光合作用[1]。研究還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代耐密品種玉米的穗部流蘇干物質(zhì)比過去的玉米品種減少了約20%，從而減少了光合物質(zhì)的無效同化，進而增加果穗的產(chǎn)量。

2.2 種植密度對玉米生長的負面效應

盡管現(xiàn)代耐密玉米品種可以提高對自然資源或肥料的利用率，提高了單位面積上的產(chǎn)量。但是，高密度種植在提高產(chǎn)量同時，也增加了減產(chǎn)的風險。高密度提高減產(chǎn)風險主要原因為：(1)高密度種植加劇了個體之間的競爭，使得植株與植株之間的差異增加，進而增加了玉米產(chǎn)量的不穩(wěn)定性；(2)高密度種植增加玉米的空稈率，從而降低產(chǎn)量。

2.2.1 種植密度與植株之間差異性

由于玉米初期的出苗率和出苗的先后會造成玉米植株生長的不均勻性，這些不均勻性會導致玉米個體之間的生長差異。玉米的高密度種植會增加這些差異性，使得玉米對資源利用率降低，尤其是對太陽輻射的獲取減少，最終會導致產(chǎn)量的降低[27]。Pommel等研究也發(fā)現(xiàn)：株高較低的植株被株高較高的植株覆蓋，使其光合速率降低[28]。并且這種差異會隨著種植密度的增加變得更加顯著。Echarte等研究了 2個玉米品種(DKF880和DK752)在種植密度分別為50000、80000、110000和145000株/hm2時玉米穗粒數(shù)的變異系數(shù)(CV)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)，2種玉米品種穗粒數(shù)變異系數(shù)均隨密度的增加呈現(xiàn)線性增加趨勢[29]。

2.2.2 種植密度與空稈率

高密度種植條件下增加了玉米單株之間的競爭，進而會降低玉米的生長速率，玉米生長速率的降低會促進玉米光合作用的同化物更多流向莖稈而非玉米穗位[8]。Sangoi等對比分析了3個不同玉米品種隨種植密度提高，玉米授粉期到吐絲期之間的長度變化規(guī)律[13]。發(fā)現(xiàn)，3個玉米品種授粉到吐絲之間的長度隨種植密度的提高呈現(xiàn)線性增加的趨勢。當密度從25000株/hm2到100 000株/hm2變化時，玉米授粉到吐絲之間的長度平均增加了12 d。授粉期和吐絲期之間的不同步降低了穗受精發(fā)育的機會，進而導致玉米空稈率的增加[30]。 同時，高密度種植使得其冠層結(jié)構(gòu)，更容易截取遠紅外光，而遠紅外光的增加會促進玉米進行營養(yǎng)生長而不是生殖生長，最終也會導致空稈的發(fā)生[31]。

3 玉米密植栽培技術(shù)

玉米種植密度的提高在增加玉米產(chǎn)量的同時也增加了玉米個體植株之間的競爭，導致玉米空稈率增加，增加玉米減產(chǎn)的風險。研究表明，在高密度種植條件下，適當增加土壤含水率能有效的降低由于高密度種植帶來的不利影響，使玉米穩(wěn)定增產(chǎn)。為此，陳志君等研究了覆膜條件下玉米種植密度對田間水分和玉米生長的影響[32]。研究發(fā)現(xiàn)，在同一種植密度條件下玉米的株高，覆膜處理玉米莖粗和葉面積等生長指標均顯著高于裸地處理；在覆膜條件下玉米的耐密程度有所增加：在裸地條件下，種植密度為75 000株/hm2時玉米產(chǎn)量最高為13 086 kg/hm2，而在覆膜條件下，玉米產(chǎn)量在種植密度為90 000株/hm2時達到14 264 kg/hm2。任新茂等研究也得到了相似的結(jié)論：覆膜處理降低了玉米對水分的消耗，一定程度上緩解了由于種植密度的增加導致的玉米需水與有限降水之間的矛盾；覆膜處理增加了玉米的耐密程度，在覆膜條件下，玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別在種植密度為82 500和67 500株/hm2時達到最大，而裸地處理下產(chǎn)量和水分利用效率均在密度為52 500株/hm2時達到最大[33]。

為了進一步緩解高密度種植時玉米植株對于水分的競爭。一些學者，直接將灌溉制度與種植密度相結(jié)合。El-Hendawy等將 3個灌水量(5 955、4 762和3 572 m3/hm2)和3個種植密度(48 000、71 000和95 000株/hm2)組合，研究了灌水量和種植密度對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響[20]。結(jié)果表明，灌水量和種植密度對玉米產(chǎn)量和水分利用效率具有顯著的交互影響。在高灌水量下中密度處理獲得了最高的產(chǎn)量和水分利用效率，低灌水量下低密度處理獲得了最高產(chǎn)量和水分利用效率。說明灌水量提高了玉米的種植密度，增加了玉米植株產(chǎn)量。Tokatlidis等也研究了在灌溉和雨養(yǎng)條件下，玉米種植密度對產(chǎn)量的影響。認為，在較為干旱時，玉米應采用較低種植密度，以減少由于水分虧缺對玉米產(chǎn)量的不利影響[25]。

除了將玉米種植密度與水分處理結(jié)合，一些學者還將高密度種植與施肥處理相結(jié)合。Al-Naggar等在田間開展了氮肥(3水平)和種植密度(3水平)耦合試驗，結(jié)果表明，氮肥處理顯著增加了玉米的單株產(chǎn)量，高、中和低氮處理的玉米單株產(chǎn)量分別為132.7、117.1和 66.5 g/株[18]。對于總的產(chǎn)量而言，高氮和高密度處理產(chǎn)量最高，低氮高密度最低。說明，在高種植密度下，施加氮肥顯著提高了玉米的單株產(chǎn)量和總產(chǎn)量。Qian等對比分析種植密度和施氮肥對中國華北平原1970年、1980年、1990年和 2000年使用的玉米品種的影響進行了試驗研究[19]。結(jié)果表明，在相同的種植密度條件下，施氮肥增加提高了所有玉米品種的單株產(chǎn)量。Mohammadi等嘗試將磷肥與種植密度結(jié)合，發(fā)現(xiàn)磷肥和種植密度之間沒有顯著交互效應[34]。為了建立玉米產(chǎn)量與種植密度和施肥之間的相互關(guān)系模型，王福林等選取玉米種植密度、氮肥、磷肥和鉀肥為自變量，玉米產(chǎn)量為響應變量[35]。設(shè)置了4因素5水平的旋轉(zhuǎn)正交試驗，并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對試驗結(jié)果優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當種植密度為9.3株 /m2、施N量139.5 kg/hm2、施P2O5量85.4 kg/hm2、施K2O量70.8 kg/hm2的玉米品種產(chǎn)量最高。同時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化精度優(yōu)于普通回歸模型。任偉等也對比分析了不同種植密度和施加有機肥對玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果認為通過在中、高密度條件下增加有機肥可以進一步提高玉米產(chǎn)量[36]。

4 作物模型在玉米密植研究中的應用

相比于傳統(tǒng)的農(nóng)田試驗方法，使用作物模型不僅可以減少試驗和研究成本，還能模擬在更為廣泛的環(huán)境中(如 不同氣候，地區(qū)和農(nóng)業(yè)措施等)種植密度對玉米生長的影響。其中，AquaCrop和APSIM(Agricultural Production System Simulator)兩種模型在研究種植密度對作物影響中使用最為廣泛。AquaCrop模型是FAO于2009年研發(fā)的一款新型作物模型，具有輸入?yún)?shù)少，界面簡單等優(yōu)點，被廣泛應用于生產(chǎn)實踐中。Nyakudya等將津巴布韋25年降水數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，利用AquaCrop模型模擬了玉米的種植密度、播種日期和根系深度對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響[23]。結(jié)果表明，該模型對玉米的冠層覆蓋度，生物量和土壤水分的模擬均方根誤差分別為10.5%、1.3%和14.1%均小于20%，說明AquaCrop模型能夠準確模擬不同種植密度對玉米生長的影響。Ren等也利用APSIM模型提出對不同水文年份，玉米產(chǎn)量和耗水隨種植密度改變的變化規(guī)律[11]。結(jié)果表明，該模型在模擬過程中的均方根誤差，決定系數(shù)和一致性指數(shù)均證明此模型具有良好的適用性。

5 總結(jié)與展望

密植栽培是玉米獲得高產(chǎn)的重要途徑之一，然而單純的提高種植密度并不總能提高產(chǎn)量。高密度種植增加了玉米植株間的競爭，加大了玉米植株之間差異，改變了玉米群體的冠層結(jié)構(gòu)。過度的提高玉米種植密度，會使得玉米空稈率增加，導致產(chǎn)量降低。目前，實際玉米產(chǎn)量與玉米生產(chǎn)潛力之間差距仍然較大，為進一步提高玉米產(chǎn)量，縮小實際與理論產(chǎn)量之間的差距，在以后的研究中應注重以下幾個方面。(1)將密植栽培技術(shù)同其他農(nóng)藝措施相結(jié)合。研究表明，在土壤水分較高時，高密度導致的玉米植株間的競爭可以被有效緩解。因而，今后應進一步研究不同農(nóng)業(yè)措施下，種植密度對玉米冠層結(jié)構(gòu)和耗水的影響規(guī)律，并且通過栽培和管理等措施協(xié)調(diào)玉米個體的發(fā)展，減小高密度種植下個體之間的差異性。(2)對不同環(huán)境下最優(yōu)種植密度的研究。不同氣候條件和地區(qū)，最優(yōu)種植密度不盡相同，而且不同氣候條件和地區(qū)玉米產(chǎn)量種植密度之間關(guān)系，仍然不夠明確。研究特定環(huán)境下的最優(yōu)種植密度對當?shù)剞r(nóng)民選擇適當?shù)脑耘喾绞骄哂兄匾笇б饬x。(3)加大作物模型與玉米種植密度相結(jié)合研究。目前對種植密度的研究，多數(shù)集中在田間試驗，耗費成本較高。作物模型可以進行虛擬試驗，以低成本的方式研究大量不同環(huán)境下，玉米種植密度對玉米生長的影響，給實際生產(chǎn)提供更多的指導意見。