馬棟 梁玉清 鄭榮 楊惠玲 李金荷 陳蒼

(酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 甘肅酒泉 735000)

玉米是我國(guó)重要的糧食作物，也是甘肅省的主要作物之一。2018年，甘肅省玉米種植面積96.67萬hm2，占全省糧食播種面積的35%，因此，玉米生產(chǎn)對(duì)保障糧食安全具有十分重要的意義［1］。然而，我國(guó)玉米單產(chǎn)水平遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，其中主要原因之一是種植方式不合理，由于我國(guó)玉米常規(guī)種植群體結(jié)構(gòu)不理想，導(dǎo)致空間配施和資源利用受到限制，從而影響玉米產(chǎn)量的提高［2］。因此，優(yōu)化栽培措施，改善玉米群體冠層的通風(fēng)透光性，提高作物群體的光合作用效率、資源利用率和物質(zhì)生產(chǎn)能力，是實(shí)現(xiàn)玉米增的有效途徑［3］。

已有研究表明，寬窄行和壟作種植模式能夠改善玉米群體結(jié)構(gòu)，有效提高玉米生產(chǎn)效率。其中，寬窄行種植是把傳統(tǒng)的等行距栽培模式調(diào)整為寬行和窄行相間排列的模式，該模式可配合高密度種植，改善玉米冠層結(jié)構(gòu)，改變?nèi)后w冠層內(nèi)的光分布，優(yōu)化光合性能，進(jìn)而提高了光能截獲率和干物質(zhì)積累量，從而提高玉米產(chǎn)量［4］。樸琳等［5］研究表明，寬窄行種植模式改變冠層干物質(zhì)空間分布和光合碳代謝能力，增加了群體中下部光能截獲，促進(jìn)了花后冠層物質(zhì)生產(chǎn)及籽粒灌漿，顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量。連彩云等［6］研究表明，春玉米寬窄行種植可以提高春玉米葉面積指數(shù)，增加光合勢(shì)，有助于后期干物質(zhì)的積累，最終提高玉米籽粒產(chǎn)量。壟作是現(xiàn)代玉米產(chǎn)量提升的重要措施之一，壟作能夠使土壤形成上虛下實(shí)的結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，為根系生長(zhǎng)提供良好的條件，有利于吸收水分和養(yǎng)分，且壟作溝播有更好的集蓄自然降雨和提高土壤蓄水能力的作用，可緩解季節(jié)干旱對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，有效協(xié)調(diào)土壤水、肥、熱等的關(guān)系，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境［7］。周齡［8］研究表明，玉米壟作可以提高夏玉米的水分利用效率，可以達(dá)到節(jié)水節(jié)肥的目的。劉震等［9］研究表明，起壟栽培模式下玉米產(chǎn)量增幅為5.55%～25.64%，氮肥農(nóng)學(xué)利用率增幅為39.00%～131.60%，效果優(yōu)于常規(guī)春玉米栽培模式。有關(guān)寬窄行和壟作在甘肅地區(qū)的研究較少，本試驗(yàn)探討寬窄行和壟作種植方式對(duì)玉米光合特性、產(chǎn)量及其構(gòu)成、資源利用率的影響，為甘肅省玉米種植優(yōu)化栽培技術(shù)，進(jìn)一步挖掘玉米產(chǎn)量潛力等方面提供理論依據(jù)及相應(yīng)技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣地概況

試驗(yàn)于2018—2019年于酒泉市城關(guān)鎮(zhèn)進(jìn)行，試驗(yàn)土壤為黑鈣土，土壤質(zhì)地疏松，土壤基礎(chǔ)肥力：有機(jī)質(zhì)28.21 g/kg、全氮1.8 g/kg、堿解氮105.84 mg/kg、速效磷47.32 mg/kg、速效鉀166.15 mg/kg、pH6.82。

1.1.2 試材

試驗(yàn)材料選用鄭單958。玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)氣象數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（表1）。

表1 2018年和2019年玉米生長(zhǎng)季溫度、降雨量和日照時(shí)數(shù)

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)種植模式，以等行距平作為對(duì)照（CK），寬窄行平作（T1），等行距壟作（T2）和寬窄行壟作（T3），等行種植的行距寬60 cm，寬窄行行距為70 cm與50 cm交替排列。播種前施入N120 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O90 kg/hm2作基肥，拔節(jié)期追施N60 kg/hm2，每小區(qū)長(zhǎng)8 m，面積約38.4 m2，每處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列，種植密度為8.5萬株/hm2，2018年于4月28日播種，9月28日收獲，2019年于4月30日播種，9月28日收獲。

1.2.2 項(xiàng)目測(cè)定

1.2.2.1 葉綠素含量和光合速率的測(cè)定

試驗(yàn)分別于苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿初期和乳熟期用SPAD儀測(cè)定葉綠素含量，抽雄前測(cè)定上部展開葉，抽雄后測(cè)定棒三葉。測(cè)定完成后采用便攜式光合系統(tǒng)（GFS-3000）測(cè)定光合速率和氣體交換參數(shù)，兩年數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，選用2019年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2.2.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定

玉米實(shí)收測(cè)產(chǎn)，于室內(nèi)考察穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重、含水量等穗部性狀，按14%含水量計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.2.2.3 光溫水利用率

光能生產(chǎn)效率＝籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽(yáng)輻；溫生產(chǎn)效率＝單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間積溫；太陽(yáng)總輻射Q＝Q0（a＋bS/S0）

式中，Q0為天文輻射，S為太陽(yáng)實(shí)測(cè)日照時(shí)數(shù)，S0為太陽(yáng)可照時(shí)數(shù)，S/S0為日照百分率，a、b為待定系數(shù)。

光能利用效率（RUE）＝W×H/∑Q×100%

式中，H為每克干物質(zhì)燃燒時(shí)釋放出的熱量，玉米干重?zé)嶂禐?.807×104J/g；W是干物質(zhì)的積累量；∑Q是生育期間的總光照輻射量。

水分生產(chǎn)效率＝產(chǎn)量/總耗水量（耗水量＝降水量＋灌溉量）

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010統(tǒng)計(jì)和計(jì)算數(shù)據(jù)，采用SPSS 24.0進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用的主要色素之一，是反映光合強(qiáng)度的重要生理指標(biāo)，葉綠素含量的高低直接影響植物的光合作用能力。由圖1知，葉片SPAD值隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在苗期，T2和T3處理顯著高于CK，分別高出13.09%和7.13%；在拔節(jié)期，T3處理葉綠素含量最高，比CK顯著高出5.40%；在抽雄期，T1、T2和T3處理均顯著高于CK，分別高出4.01%、10.04%和16.44%；在灌漿初期，T2和T3處理顯著高于CK，分別高出7.66%和18.89%；在乳熟期，T2處理顯著高于CK，高出7.13%。

圖1 不同種植模式對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

2.2 不同種植模式對(duì)玉米葉片凈光合速率的影響

葉片凈光合速率反映了植物在進(jìn)行光合作用過程中，固定CO2和產(chǎn)生光合產(chǎn)物的量。由圖2可知，玉米葉片凈光合速率隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，各處理在抽雄期達(dá)到最大值。在苗期，T1、T2和T3處理均顯著高于CK，分別高出13.68%、24.67%和14.01%；在拔節(jié)期，T1處理和CK沒有顯著差異，T2和T3處理顯著高于CK，分別高出8.11%和11.66%；在抽雄期，T1、T2和CK沒有顯著差異，T3處理比CK顯著高出8.91%；在灌漿初期，各處理表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，處理間差異均顯著，T1、T2和T3處理分別比CK高出6.70%、14.14%和25.71%；在乳熟期，各處理間沒有顯著差異。

圖2 不同種植模式對(duì)玉米葉片凈光合速率的影響

2.3 種植模式對(duì)玉米葉片胞間CO2濃度的影響

胞間CO2濃度能夠反映植物對(duì)CO2的利用效率。由圖3可知，胞間二氧化碳濃度隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在灌漿初期達(dá)到最大值。在苗期，T1、T2和T3處理均顯著高于CK，分別高出13.13%、14.81%和7.29%，T2處理最高；在拔節(jié)期至乳熟期，T1、T2和T3處理均顯著高于CK，高出3.61%～21.82%，且在各時(shí)期均是T3處理最高。

圖3 不同種植模式對(duì)玉米葉片胞間二氧化碳濃度的影響

2.4 不同種植模式對(duì)玉米葉片氣孔導(dǎo)度的影響

氣孔導(dǎo)度反映植物CO2和水汽交換能力，氣孔導(dǎo)度的大小直接影響著植物的光合速率和蒸騰速率。由圖4可知，氣孔導(dǎo)度隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在抽雄期達(dá)到最大值。在整個(gè)生育時(shí)期，表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK，T1、T2和T3處理均顯著高于CK，在苗期，T1、T2和T3處理分別比CK高23.89%、52.78%和37.78%，拔節(jié)期高21.05%、52.11%和40.35%，抽雄期高8.75%、21.25%和17.08%，灌漿初期高5.47%、18.27%和9.60%，乳熟期高7.62%、19.76%和12.62%。

圖4 不同種植模式對(duì)玉米葉片氣孔導(dǎo)度的影響

2.5 不同種植模式對(duì)玉米葉片蒸騰速率的影響

植物葉片蒸騰速率是反映蒸騰作用強(qiáng)弱最重要的生理指標(biāo)。由圖5可知，蒸騰速率在苗期到抽雄期逐漸升高，在抽雄到乳熟期逐漸下降。在苗期，T1、T2和T3處理顯著高于CK，分別高出18.71%、32.83%和21.16%，T2處理最高；在拔節(jié)期，T1、T2和T3處理顯著高于CK，分別高出7.16%、8.38%和18.16%，T1和T2處理間沒有顯著差異，T3處理最高；在抽雄期，變化趨勢(shì)和拔節(jié)期相似，T1、T2和T3分別比CK高出12.52%、9.98%和22.42%；在灌漿初期，T1、T2處理和CK沒有顯著差異，T3處理顯著高于CK，高出13.04%；在乳熟期，各處理間沒有顯著差異。

圖5 不同種植模式對(duì)玉米葉片蒸騰速率的影響

2.6 種植模式對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，在不同種植模式處理下，玉米穗數(shù)和穗行數(shù)沒有顯著差異。2018年，T1和T3處理行粒數(shù)顯著高于CK，分別高出5.67%和11.35%；T1和T3處理顯著高于CK，分別高出6.33%和7.76%；各處理產(chǎn)量表現(xiàn)為T3＞T1＞T2＞CK，T1、T2和T3均顯著高于CK，分別高出12.23%、9.32%和21.17%。2019年，T3處理行粒數(shù)比CK高出13.25%；T1和T3處理千粒重顯著高于CK，分別高出3.22%和5.39%；各處理產(chǎn)量均顯著高于對(duì)照，T1、T2和T3分別比CK高出13.92%、5.61%和18.64%。

表2 不同種植模式對(duì)對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.7 不同種植模式對(duì)玉米資源利用率的影響

由表3可知，改善種植模式能夠顯著提高玉米對(duì)資源的利用效率。2018年，T1和T3處理光能生產(chǎn)效率顯著高于CK，分別高出12.19%和21.95%，T2處理和CK沒有顯著差異；T1和T3處理光能利用率顯著高于CK，分別高出12.16%和21.62%；水分生產(chǎn)效率均顯著高于CK，分別高出16.00%、9.16%和21.37%；T1和T3處理有效積溫生產(chǎn)率顯著高于CK，分別高出11.99%和20.98%，T3處理光能生產(chǎn)效率、光能利用效率、水分生產(chǎn)效率及有效積溫生產(chǎn)率最高。2019年，各處理光能生產(chǎn)效率、光能利用效率、水分生產(chǎn)效率及有效積溫生產(chǎn)率均顯著高于CK，T3處理最高，分別比CK高出17.50%、19.44%、18.62%和18.73%。

表3 不同種植模式對(duì)玉米資源利用率的影響

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需的化學(xué)能，是由葉片對(duì)光能截獲和光合作用轉(zhuǎn)化而來的，光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)，光合能力的提高對(duì)增加籽粒產(chǎn)量有重要作用［10］。通過調(diào)節(jié)作物布局，改善群體結(jié)構(gòu)，能夠影響葉片的空間分布，進(jìn)而調(diào)節(jié)群體內(nèi)葉片對(duì)自然光照輻射的捕捉［11］。研究表明，通過調(diào)節(jié)玉米植株行距配制，不均勻種植能夠調(diào)控對(duì)葉片朝向和莖葉夾角產(chǎn)生，從而提高玉米葉片光合能力［12］。本研究結(jié)果表明，壟作和寬窄行種植均能在一定程度上提高玉米葉片葉綠素含量和氣體交換參數(shù)，可能是由于寬窄行種植重塑了群體冠層垂直結(jié)構(gòu)，使得下部葉片光環(huán)境得到改善，提高了下部葉片的光能截獲率。壟作可有效改變耕層土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤通氣透水能力，促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和伸長(zhǎng)，加強(qiáng)了根系對(duì)深層土壤養(yǎng)分和水分的吸收，為地上部的生長(zhǎng)提供充足的水分和無機(jī)養(yǎng)料，從而為葉綠素的合成和光合作用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究結(jié)果表明，寬窄行平作、等行距壟作和寬窄行距壟作玉米產(chǎn)量，寬窄行壟作處理玉米產(chǎn)量分別提高21.17%和18.64%。主要是由于較高的光合效率提高了物質(zhì)生產(chǎn)能力，同時(shí)，寬窄行種植和壟作能夠提高生育后期光合能力，延緩葉片衰老，促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒運(yùn)輸。

前人研究表明，產(chǎn)量的提高主要是通過群體對(duì)光、溫、水等資源利用效率的提升來實(shí)現(xiàn)的［13］。群體資源利用效率的提高取決于合理的種植模式，李磊等［14］研究表明，壟作和寬窄行平作處理的土壤含水量高于等行距平作，和平作相比，壟作光合速率提高了2%，水分利用效率提高了6%，增產(chǎn)效果較為顯著。薛俊武等［15］研究表明，壟作方式種植能夠提高黃土高原旱地馬鈴薯水分利用效率和產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益更高。本研究表明，寬窄行種植和寬窄行壟作種植可顯著提高光能生產(chǎn)效率、光能利用率、水分生產(chǎn)效率，主要是由于寬窄行改善群體通風(fēng)透光能力，提高中下層葉片的光合性能，擴(kuò)大光合面積，充分利用不同層次的光資源，使光能在玉米群體冠層內(nèi)的分布更加合理，更好地協(xié)調(diào)玉米群體和個(gè)體的關(guān)系，從而提高玉米光能利用率和生產(chǎn)效率，壟作能夠降低土壤容重，集蓄自然降雨和提高土壤蓄水能力，為根系生長(zhǎng)提供良好的條件，有利于吸收水分和養(yǎng)分，有效協(xié)調(diào)土壤水、肥、熱之間的關(guān)系，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的環(huán)境。綜合比較，寬窄行壟作處理的葉片的葉綠素累含量和凈光合速率顯著提高，資源利用率顯著增加，是較好的栽培模式。

3.2 結(jié)論

改善栽培模式能顯著提高玉米葉片葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度。寬窄行壟作，玉米光合特性最好，提高了群體光熱水利用效率，從而提高了玉米產(chǎn)量。因此，寬窄行壟作可以改善玉米光合特性，提高光熱水利用效率和產(chǎn)量。