李靜，王洪章，許佳詣，劉鵬，張吉旺，趙斌，任佰朝

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

0 引言

【研究意義】玉米作為我國(guó)第一大糧食作物，在維護(hù)國(guó)家糧食安全中發(fā)揮重要作用，高產(chǎn)栽培模式探究對(duì)進(jìn)一步提高玉米單產(chǎn)保證增產(chǎn)至關(guān)重要[1]，合理增大種植密度是玉米高產(chǎn)的有效途徑[2]。光照是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)境因子，它通過影響葉片發(fā)育、激活光合作用關(guān)鍵酶、增強(qiáng)生理反應(yīng)需要的能量供應(yīng)等過程調(diào)節(jié)作物光合作用[3]。密植群體易造成葉片間相互遮蔭[4]，導(dǎo)致群體內(nèi)光分布不合理，影響葉片結(jié)構(gòu)發(fā)育，直接影響葉片光合性能及群體光能利用效率，形成不合理的群體冠層結(jié)構(gòu)[5]。葉綠體是作物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，群體內(nèi)光照條件會(huì)對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響葉片光合性能[6]、同化物的積累及產(chǎn)量形成[7]。探究不同栽培模式群體內(nèi)夏玉米冠層結(jié)構(gòu)特性、葉片發(fā)育特點(diǎn)與光合性能的差異，闡明不同群體冠層結(jié)構(gòu)對(duì)夏玉米葉片超微結(jié)構(gòu)、葉片光合性能的影響，對(duì)進(jìn)一步研發(fā)夏玉米高產(chǎn)栽培技術(shù)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】增大種植密度、調(diào)整氮肥用量及施肥方式是研究較多的提高產(chǎn)量的栽培措施。單純?cè)龃蠓N植密度，會(huì)導(dǎo)致玉米葉片之間相互遮蔭，中下部葉片受光不足，加快下部葉片及根系衰老速度[4,8]。氮肥合理運(yùn)籌[9]、優(yōu)化株行距配置[10-12]可調(diào)節(jié)葉片著生狀態(tài)，構(gòu)建合理的群體冠層結(jié)構(gòu)，中下部葉片接收更多光能[13]，改善群體內(nèi)光環(huán)境。綜合密植和優(yōu)化肥料運(yùn)籌的栽培措施可提高氮肥利用率[14]和光能生產(chǎn)效率[15]。光照會(huì)通過影響葉片發(fā)育、調(diào)節(jié)葉綠體超微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響葉片光合作用[16]，葉片受光不足時(shí)，葉綠體排布變得不規(guī)則，結(jié)構(gòu)膨脹、基粒片層排列異常、基粒個(gè)數(shù)和片層數(shù)減少，葉綠體膜開始溶解，導(dǎo)致葉片早衰[17-18]，影響其光合作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】盡管有較多學(xué)者對(duì)夏玉米群體結(jié)構(gòu)、光合性能進(jìn)行了研究，但多集中在密度、肥料等單一措施的影響，關(guān)于不同栽培措施對(duì)夏玉米群體發(fā)育及光合性能的綜合影響的研究相對(duì)較少，難以系統(tǒng)解釋夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成過程中所受外界因素的綜合影響，難以精準(zhǔn)確定增產(chǎn)措施。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文通過研究夏玉米不同栽培模式的群體冠層特性、葉片發(fā)育狀況及其光合能力，從所處光環(huán)境及葉綠體結(jié)構(gòu)兩方面分析不同群體內(nèi)葉片光合能力及產(chǎn)量差異的原因，為進(jìn)一步制定可構(gòu)建高效冠層結(jié)構(gòu)的夏玉米高產(chǎn)栽培模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2018—2019年在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)（35°58′41″N，116°58′22″E）進(jìn)行，播前土壤耕層養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì) 9.22 g·kg-1，堿解氮 70.54 mg·kg-1，速效磷 35.75 mg·kg-1，速效鉀 137.57 mg·kg-1。該區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)性氣候，種植制度為一年兩熟，夏玉米生育期內(nèi)（6—10月）日平均氣溫、日光合有效輻射量、降雨量詳見圖 1。室內(nèi)試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 玉米生育期內(nèi)試驗(yàn)地的日平均氣溫、日光合有效輻射、日降雨量Fig. 1 Daily average temperature, effective photosynthetic radiation, and daily rainfall of the test site during the maize growth period

表1 密度及肥料運(yùn)籌Table 1 Density and fertilizer management

本試驗(yàn)以玉米品種登海605為材料，在同一地塊結(jié)合種植密度、肥水管理及種植方式設(shè)置超高產(chǎn)（SH）、高產(chǎn)高效（HH）、農(nóng)戶習(xí)慣（FP）3種栽培模式，各處理的具體種植密度、肥料管理詳見表1。試驗(yàn)所用氮肥為包膜緩控尿素（PU，含N 42%）和普通尿素（U，含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 51%），有機(jī)肥料為山東友邦肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的商品有機(jī)肥（含有機(jī)碳（干基）304 g·kg-1、P2O531.2 g·kg-1、K2O 30.4 g·kg-1、C/N為11.2）。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)18 m、寬12 m，3次重復(fù)，各小區(qū)之間設(shè)立1 m的隔離帶。在小麥?zhǔn)斋@后旋耕（25 cm）滅茬，整平播種。夏玉米生育期內(nèi)根據(jù)土壤墑情采用微噴帶統(tǒng)一噴灌，遇澇及時(shí)排水。統(tǒng)一采用病蟲害預(yù)防方案進(jìn)行病蟲害防控。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 地上部干物質(zhì)積累量 玉米生長(zhǎng)至拔節(jié)期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐絲期（R1）、吐絲后30 d（R1+30 d）、成熟期（R6）時(shí)，取各處理內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米植株5株，將植株按莖稈、葉片、雌穗（穗軸和籽粒）、雄穗、苞葉分開，105℃殺青30 min，80℃烘至恒重并稱重，計(jì)算不同生育時(shí)期群體干物質(zhì)積累量。

1.3.2 莖葉夾角、葉向值和葉面積指數(shù) R1期分別于各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株10株，穗位葉、穗位上葉及下葉為中部葉層，中部葉層以上為上部葉層，中部葉層以下為下部葉層。測(cè)量各層葉片葉長(zhǎng)（Li）、沿葉片方向葉基部至葉片最高點(diǎn)的距離（Lf），用量角器測(cè)量莖葉夾角，并計(jì)算葉向值（LOV）。

式中，θi為葉片與水平面夾角，Lf為沿葉片方向葉基部至葉片最高點(diǎn)的距離，Li為葉片伸直時(shí)長(zhǎng)度，n為葉片數(shù)。

拔節(jié)期（V6）每個(gè)處理內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株5株，定株。分別于V6、V12、R1、R1+30 d、R6期測(cè)量所選定植株綠葉的葉長(zhǎng)、葉寬。單株葉面積（m2）=∑完全展開葉的葉長(zhǎng)（m）×葉寬（m）×0.75+∑未完全展開葉的葉長(zhǎng)（m）×葉寬（m）×0.5；葉面積指數(shù)（LAI）=（單株葉面積×單位面積株數(shù)）/占地面積。

1.3.3 群體冠層結(jié)構(gòu) 采用大田切片法測(cè)定R1期群體冠層垂直結(jié)構(gòu)[16]，在每個(gè)處理內(nèi)選取2 m2（1 m×2 m）內(nèi)的植株，從基部起以40 cm為每層高度，按照層高分層割取樣品，每層按照莖稈、葉片、雌穗、雄穗分樣。在烘箱內(nèi)105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，并稱重。

1.3.4 冠層光能截獲率 采用SunScan（Delta，英國(guó)）冠層分析儀，在玉米生長(zhǎng)至 R1期，選擇晴朗無云的天氣，于10：00—13：00測(cè)定各處理群體冠層內(nèi)不同葉層及冠層頂部的光合有效輻射（PAR）。

光能截獲率=PARi/TPAR×100%

式中，PARi為某葉層的PAR；TPAR為冠層頂部PAR。

1.3.5 葉綠體超微結(jié)構(gòu) 在玉米R(shí)1期，在各處理中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，在其穗位葉片中段（避開葉脈）割取邊長(zhǎng)為0.5 cm的方形葉片，用3.3%戊二醛固定液（0.1 mol·L-1pH 7.2的磷酸緩沖液配制）固定，抽真空，4℃下固定24 h。用磷酸緩沖鹽溶液洗3次，每次20 min，再將材料轉(zhuǎn)移到鋨酸中，4℃固定4 h，用磷酸緩沖鹽溶液沖洗 3次。常規(guī)梯度（45%、55%、70%、85%、95%、100%）乙醇系列脫水，環(huán)氧丙烷置換。Epon812樹脂包埋，70℃下聚合 8 h，LKB-V型切片機(jī)切割超薄切片，經(jīng)醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛雙重染色后，用日立-600 型透射電鏡隨機(jī)選取視野觀察并拍照。

1.3.6 凈光合速率 在玉米R(shí)1期，選擇晴朗無云的天氣，于9：00—11：00使用CIRAS-Ⅲ（PP System，美國(guó)）光合儀，每個(gè)處理選具有代表性植株 10—15株，測(cè)定其穗位葉凈光合速率（Pn）。

1.3.7 籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 于玉米R(shí)6期，在每個(gè)處理內(nèi)選取5個(gè)9 m2（5 m×1.8 m）具有代表性玉米帶，將其全部果穗收獲、晾曬，測(cè)定其產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.4 數(shù)據(jù)分析與作圖

采用 Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用DPS進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用 LSD法做顯著性分析（α=0.05）；用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同栽培模式對(duì)夏玉米群體冠層結(jié)構(gòu)的影響

栽培方式影響玉米葉片著生狀態(tài)及生長(zhǎng)發(fā)育，各葉層莖葉夾角均表現(xiàn)為FP＞SH＞HH，葉向值則表現(xiàn)為SH＞HH＞FP，SH和HH模式群體上部葉片上沖，利于中、下部葉片接收光能（表2）。全生育期內(nèi)葉面積指數(shù)呈現(xiàn)先增大后降低的變化趨勢(shì)，在吐絲期達(dá)到最大值，各個(gè)生育期內(nèi)均表現(xiàn)為SH＞HH＞FP，在吐絲期后處理之間呈顯著性差異（圖2）。相比于FP模式，SH、HH模式群體中單位面積內(nèi)干物質(zhì)積累量顯著提高；SH、HH模式群體內(nèi)植株干重在120 cm以下的比例有顯著增加，穗位葉及以下葉片的長(zhǎng)勢(shì)較好（圖3），2年試驗(yàn)不同處理間變化趨勢(shì)一致。

表2 不同栽培模式對(duì)夏玉米葉片著生狀態(tài)的影響Table 2 Effects of different cultivation modes on the implantation status of summer maize

2.2 不同栽培模式夏玉米群體內(nèi)光分布的差異

各冠層高度光能截獲率均表現(xiàn)為SH＞HH＞FP，SH模式的光能截獲率最大，漏光損失最小，HH模式次之，F(xiàn)P模式最易造成漏光損失，2年試驗(yàn)規(guī)律一致。2年試驗(yàn)SH、HH、FP模式中部葉層較上部葉層光能截獲率分別平均增大39.67%、47.21%、45.04%，HH模式中、上部葉層結(jié)構(gòu)最優(yōu)（圖4）。

圖2 不同栽培模式群體葉面積指數(shù)在各生育時(shí)期的變化Fig. 2 Changes of leaf area index of populations in different cultivation modes at different growth stages

2.3 不同栽培模式對(duì)夏玉米葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

不同處理葉片葉綠體在外形上無明顯差異，均為正常的“紡錘形”；SH、HH模式的葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，F(xiàn)P模式發(fā)育相對(duì)較差。SH和HH模式的類囊體發(fā)育良好數(shù)目較多，基粒片層和基質(zhì)片層排列整齊、清晰，細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)完整；FP模式的葉綠體中類囊體發(fā)育相對(duì)較差，未發(fā)育完全的類囊體數(shù)目占比較大，且其基質(zhì)片層模糊，且排列不齊（圖5）。

2.4 不同栽培模式夏玉米穗位葉凈光合速率的差異

夏玉米不同栽培模式的穗位葉吐絲期凈光合速率表現(xiàn)為 SH＞HH＞FP，且處理之間差異顯著，2年大田試驗(yàn)呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。2年試驗(yàn)中，SH模式較FP模式分別增大26.09%、24.34%；HH模式較 FP模式分別增大 15.07%、18.02%；SH模式較HH模式分別增大9.57%、5.48%（圖6）。

2.5 不同栽培模式對(duì)夏玉米干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量的影響

不同栽培模式干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為 SH＞HH＞FP。在2年試驗(yàn)中，干物質(zhì)積累量SH、HH模式較FP模式平均增加27.74%、7.45%；對(duì)比玉米開花前、開花后干物質(zhì)積累量的比例，與FP模式相比，SH、HH模式在開花后干物質(zhì)積累量顯著提高，SH、HH、FP模式干物質(zhì)在吐絲后積累量占全生育期的比例分別為 64.38%、60.03%、58.04%（表 3）。SH、HH模式較 FP模式可顯著提高夏玉米籽粒產(chǎn)量，SH模式較FP模式平均增產(chǎn)14.20%，HH模式較FP模式平均增產(chǎn)4.91%。與FP模式相比，SH、HH模式的穗粒數(shù)及千粒重降低，單位面積穗數(shù)顯著提高。SH、HH模式籽粒產(chǎn)量提高的主要原因是單位面積穗數(shù)的增加（表4）。

圖3 不同栽培模式下夏玉米吐絲期冠層結(jié)構(gòu)垂直分布Fig. 3 Vertical distribution of canopy structure of summer maize during silking stage under different cultivation modes

表3 不同栽培模式夏玉米干物質(zhì)積累量及吐絲前后分配比例Table 3 Dry matter accumulation and distribution ratio of summer maize before and after silking in different cultivation modes

圖4 不同栽培模式群體光能截獲率Fig. 4 Light energy interception rate of different cultivation modes

圖5 不同栽培模式群體內(nèi)葉片葉綠體的發(fā)育狀況Fig. 5 Development of leaf chloroplasts in different cultivation mode populations

圖6 不同栽培模式中夏玉米穗位葉吐絲期凈光合速率Fig. 6 Net photosynthetic rate of panicle leaves of summer maize during silking stage under different cultivation modes

表4 不同栽培模式玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 4 Grain yield and yield components under different cultivation modes

3 討論

葉片是植株進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，是植物吸收、利用光能的最重要器官[19]，葉面積指數(shù)是反映植株生長(zhǎng)發(fā)育和光能利用率的重要指標(biāo)，夏玉米要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)就要保持較高的葉面積指數(shù)[20-23]，調(diào)節(jié)葉片著生狀態(tài)和伸展方向，構(gòu)建合理的冠層結(jié)構(gòu)[21,24]。合理的冠層結(jié)構(gòu)有利于葉片發(fā)育、形成適宜的群體內(nèi)環(huán)境，可接收充足的光照，提高葉光合能力，從而提高干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量[25]。種植密度過高，上部葉片發(fā)育良好、生長(zhǎng)健壯[26]，導(dǎo)致植株間葉片相互遮蔭[4]，群體內(nèi)光照不足，中下部葉片光能利用能力降低。適宜的肥料運(yùn)籌、種植方式可調(diào)節(jié)植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況[13,27]，調(diào)整群體冠層結(jié)構(gòu)使上層葉片上沖，群體內(nèi)不同高度葉層的光照分布趨于合理化，保證葉片處于適宜的光環(huán)境[28]，以提高光能利用率。本研究中，通過統(tǒng)籌各栽培措施構(gòu)建的2種高產(chǎn)栽培模式，與農(nóng)戶生產(chǎn)模式相比具有較為合理的冠層結(jié)構(gòu)。SH、HH模式葉面積指數(shù)顯著大于 FP模式，且具有更長(zhǎng)的葉面積指數(shù)高值持續(xù)期（圖 2）。SH、HH模式群體上層葉片莖葉夾角小于FP模式、葉向值大于FP模式（表2）。對(duì)于120 cm以下葉片干物質(zhì)積累量，SH模式顯著大于FP模式，HH模式大于FP模式。SH、HH模式調(diào)節(jié)了上部葉片的著生狀態(tài)，使上部葉片上沖，中下部葉層可接受充足的光能，既防止漏光損失、又減緩了高密植群體內(nèi)葉片相互遮蔭，SH模式中、下層葉片生長(zhǎng)發(fā)育狀況顯著優(yōu)于HH和FP模式，這是SH、HH模式可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)但增產(chǎn)水平不同的重要原因之一。

葉綠體是葉片進(jìn)行光合作用的主要細(xì)胞器，葉綠體超微結(jié)構(gòu)與植株葉片光合性能密切相關(guān)。發(fā)育良好的葉綠體呈紡錘形，靠近細(xì)胞膜排布在細(xì)胞內(nèi)，類囊體結(jié)構(gòu)完整，葉綠體基粒數(shù)目增加、基粒片層和基質(zhì)片層排列緊密[29]。當(dāng)受光不足時(shí)，葉片細(xì)胞及葉綠體結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，導(dǎo)致光合系統(tǒng)受損，從而影響光合性能[18,30]。施用適量的氮、鉀肥可保持番茄[31]、甘蔗[32]的葉綠體超微結(jié)構(gòu)。在本研究中，SH、HH模式的葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，F(xiàn)P模式發(fā)育相對(duì)較差。SH和HH模式的類囊體發(fā)育良好且數(shù)目較多，基粒片層和基質(zhì)片層排列整齊、清晰，細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)完整；FP模式的葉綠體類囊體發(fā)育相對(duì)較差，未發(fā)育完全的比例較高，基質(zhì)片層模糊且排列不齊（圖 5）。進(jìn)一步說明SH、HH模式2個(gè)群體冠層結(jié)構(gòu)適宜，群體內(nèi)光環(huán)境良好，未造成葉片之間相互遮蔭影響葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育，而且SH、HH模式的葉綠體結(jié)構(gòu)更有利于進(jìn)行光合作用。HH模式的葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，但其凈光合速率顯著低于SH模式，這可能與光合相關(guān)酶的活性有關(guān)。

與農(nóng)戶生產(chǎn)模式相比，通過優(yōu)化種植密度和肥料運(yùn)籌等措施構(gòu)建的超高產(chǎn)模式和高產(chǎn)高效模式可顯著促進(jìn)根系發(fā)育、提高氮肥利用率[14]和光能生產(chǎn)效率[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，超高產(chǎn)模式和高產(chǎn)高效模式可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的原因是優(yōu)化了群體冠層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植株及葉綠體結(jié)構(gòu)的發(fā)育，延緩葉片衰老，提高了葉片光合能力。

4 結(jié)論

相比于農(nóng)戶習(xí)慣管理模式，超高產(chǎn)模式、高產(chǎn)高效模式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提高的原因是優(yōu)化了群體冠層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)葉片的發(fā)育，保證葉綠體結(jié)構(gòu)的完整性，顯著提高了葉片光合能力。與超高產(chǎn)模式相比，高產(chǎn)高效模式減小肥料施用量，其群體結(jié)構(gòu)適宜且葉片發(fā)育良好，是更有助于利用光能的栽培模式。