劉偉, 袁福香, 李忠輝, 王琪, 晏曉英, 王冬妮
(1.吉林省氣象科學(xué)研究所, 長(zhǎng)春 130062; 2.吉林省氣象局, 長(zhǎng)春 130062)
2019年聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第50次會(huì)議通過(guò)的《氣候變化與土地》特別報(bào)告表明1880—2018年間全球陸地溫度平均增加了1.31~1.51 ℃[1],這一變化加強(qiáng)了極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度,農(nóng)業(yè)災(zāi)害頻發(fā),增加了土地壓力,嚴(yán)重影響全球糧食生產(chǎn)[2]。提高單位面積產(chǎn)量成為這種形勢(shì)下保證糧食產(chǎn)量的方法之一,因此成為當(dāng)今作物科學(xué)的重要研究課題之一。玉米是典型的C4植物,太陽(yáng)輻射和二氧化碳的供給是光合作用的重要保障,也是產(chǎn)量形成的重要影響因素。玉米生理學(xué)和形態(tài)學(xué)上的交互作用所形成的微環(huán)境,利用得當(dāng),會(huì)顯著提高籽粒產(chǎn)量,利用不當(dāng),則會(huì)產(chǎn)生植株倒伏,籽粒敗育,早衰,最終造成產(chǎn)量降低[3-4],玉米微環(huán)境不僅受天氣、海拔等自然因素的影響,還受到栽培行向、種植間距等人為栽培模式的影響。
在種植間距方面,中國(guó)玉米栽培目前主要有一穴多株、等行距、寬窄行、相鄰行錯(cuò)位4種空間布局種植方式[5]。理論上等行距對(duì)于氣候資源以及養(yǎng)分等各種生長(zhǎng)因子的競(jìng)爭(zhēng)最小。但隨著研究的深入,只有在一定的密度下,合理的寬窄行配置才可以改善冠層和根系分布,調(diào)節(jié)群體內(nèi)部環(huán)境,增強(qiáng)抗逆性,提高產(chǎn)量[6-7]。且在高緯度地區(qū)寬窄行種植方式比等行距更能提高產(chǎn)量,與品種的交互作用較小,主要通過(guò)提高籽粒質(zhì)量來(lái)提高產(chǎn)量[8]。在種植壟向?qū)θ后w栽培效果的影響研究方面發(fā)現(xiàn):不同壟向栽培效果與地理緯度,作物種類(lèi)、品種,田間定植方式,密度,生長(zhǎng)季節(jié)都有一定關(guān)系[9-10]。栽培密度一定的條件下,玉米東西行向種植比南北行向日平均風(fēng)速大、光照強(qiáng)度高、日均相對(duì)濕度小[11],而且玉米植株本身較其他作物有較高的株高和葉面積指數(shù),因此在中后期東西壟向的田間漏光率低于南北壟向[12]。改變?cè)耘鄩畔颍梢燥@著提高玉米在開(kāi)花期和成熟期葉面積,提高玉米莖稈和葉片中干物質(zhì)含量,增加穗行數(shù)和百粒重,顯著提高產(chǎn)量[13]。但是冬小麥的東西壟向和南北壟向的光能利用率和產(chǎn)量卻各有高低[14-15]。以上均表明,株行距和種植行向均是影響玉米產(chǎn)量的栽培模式。
諸多研究結(jié)果表明,合理株行距能有效提高產(chǎn)量,因此仍然是實(shí)際生產(chǎn)中各地區(qū)需要因地制宜來(lái)確立的指標(biāo)。前人研究提出,最適壟向受緯度因素影響,并且合適的壟向是改善群體微環(huán)境的重要方式。然而大部分的研究,壟向設(shè)置都集中在正南正北、正東正西的基礎(chǔ)上,設(shè)置粗放,未根據(jù)地理緯度和太陽(yáng)高度角等因素更深入的考慮種植壟向問(wèn)題,因此,現(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研發(fā)的高光效種植模式的基礎(chǔ)上[16],通過(guò)對(duì)不同地區(qū)的緯度以及生長(zhǎng)季的太陽(yáng)高度角的范圍的計(jì)算,將壟向調(diào)整和種植間距調(diào)整搭配進(jìn)行試驗(yàn),研究種植壟向和種植間距結(jié)合交互作用下對(duì)吉林省玉米種植的氣候資源利用效率和產(chǎn)量的影響,探究適合吉林省的最佳種植方式,以期為吉林省高產(chǎn)栽培、輪作和黑土地保護(hù)提供科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)。
試驗(yàn)于2014—2016年在吉林省公主嶺市省陶家屯鎮(zhèn)的“吉林省科技農(nóng)業(yè)科技示范園”試驗(yàn)田內(nèi)開(kāi)展。該地位于吉林省中部平原,124.82°E,43.50°N。屬溫帶大陸性濕潤(rùn)氣候,熱量資源充沛,水分條件較為適宜,年平均氣溫6.3 ℃,5—9月積溫3 000 ℃左右,降水量600 mm左右。試驗(yàn)期間(2014—2016年)氣象條件如表1所示。試驗(yàn)地種植制度為玉米連作,土壤類(lèi)型為典型黑土區(qū)域,土壤有機(jī)質(zhì)含量為23.9 g/kg,土壤肥沃。
供試材料為國(guó)家2004年審定的普通玉米品種先玉335,籽粒黃色、半硬粒型,百粒重34.3 g,抗病性較強(qiáng)。試驗(yàn)分為三個(gè)處理。
(1)高光效:壟向南偏西20°,2014年玉米窄行行間距0.4 m,寬行間隔1.6 m,株距0.25 m,種植密度約為4萬(wàn)株/hm2;2015年和2016年玉米窄行行間距0.4 m,寬行間隔1.25 m,株距0.2 m,種植密度約為6萬(wàn)株/hm2。
(2)高光效小壟:壟向南偏西20°,兩壟玉米行間距為傳統(tǒng)的0.65 m,株距為0.25 m,種植密度約為6萬(wàn)株/hm2,除壟向外皆與對(duì)照相同。
(3)對(duì)照:壟向?yàn)槟掀珫|15°,壟距為0.65 m,株距為0.25 m,種植密度約為6萬(wàn)株/hm2。
試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為3年,2014年和2016年長(zhǎng)勢(shì)狀況良好,2015年,高光效小壟處理及高光效處理部分區(qū)域在8月上旬發(fā)生玉米黏蟲(chóng)以及干旱災(zāi)害。試驗(yàn)期間種植管理與大田相同,一次性底肥,施肥量為30 kg/667m2,其他均參照正常東北地區(qū)大田玉米管理。每種處理嚴(yán)格根據(jù)播種密度和壟向精確測(cè)量后拉繩播種。定期進(jìn)行田間觀測(cè)和考種。
1.2.1 雌穗性狀及產(chǎn)量
每個(gè)處理選5個(gè)重復(fù)的采樣小區(qū),每個(gè)采樣區(qū)域約為5 m×5 m。采用田字五點(diǎn)取樣法,選取在四角以及中間區(qū)域的五點(diǎn),對(duì)采取的樣本果穗進(jìn)行考種,包括穗粒數(shù)、百粒重、穗行數(shù)、粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗以及禿尖狀況,將籽粒烘干后,測(cè)量百粒重及單穗籽粒重量,并進(jìn)行公頃產(chǎn)量估算。
1.2.2 干物質(zhì)積累監(jiān)測(cè)
于苗期、拔節(jié)期、抽雄期(此時(shí)期包括大喇叭口期和抽雄期,為便于表述,后續(xù)統(tǒng)一表述為抽雄期)、和成熟期在每個(gè)處理小區(qū)隨機(jī)選取代表性植株5株,分為莖(含葉鞘和穗軸)、葉(含苞葉)和果穗(開(kāi)花后)3部分,置于105 ℃烘箱殺青30 min,80 ℃烘干至恒量,計(jì)算作物生長(zhǎng)率[17]。
氣象資料取自試驗(yàn)場(chǎng)小氣候觀測(cè)結(jié)果,包括從播種到最后收獲時(shí)的日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量等數(shù)據(jù)如表1所示。干物質(zhì)參考1.2.2節(jié)的干物質(zhì)測(cè)量情況。 計(jì)算作物光能利用效率[18-20]、降水利用效率[21-22]和熱量利用效率[23]。
表1 試驗(yàn)期間氣候資源分布情況Table 1 Distribution of climate resources during the test period
用Microsoft Office Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,用DPS7.05軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(Duncan法)。
由于2015年遭遇黏蟲(chóng)和干旱災(zāi)害,不同的處理方式的氣候資源利用效率差異不明顯。
光能利用效率如圖1(a)所示,由圖1(a)可知,高光效的光能利用效率在2014年和2016年均為最高,分別比高光效小壟、對(duì)照高6.6%、15.0%和11.7%、19.4%;整個(gè)試驗(yàn)期間,高光效的光能利用效率最高,比高光效小壟和對(duì)照分別高9.5%和17.3%。2016年的光能利用效率整體高于2014年,高光效、高光效小壟和對(duì)照提高的比例分別為13.6%、8.3%和1.5%。
熱量利用效率如圖1(b)所示,由圖1(b)可知,高光效的熱量利用效率無(wú)論是在單獨(dú)年份還是在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)間,均表現(xiàn)較好,高光效小壟次之,對(duì)照最低,其中2014年,高光效和高光效小壟和對(duì)照差距最大,分別高19.3%和27.6%;2016年高光效與高光效小壟和對(duì)照的差距略有縮小,分別為18.5%和33.3%。整個(gè)試驗(yàn)期間,高光效的熱量利用效率最高,約為3.2%,比高光效小壟和對(duì)照高約12.9%和21.4%。2016年的熱量利用效率相較于2014年略有提高,高光效、高光效小壟和對(duì)照提高的比例分別為27.0%、16.1%和17.2%。
降水利用效率如圖1(c)所示,2014年和2016年,高光效的降水利用效率高于高光效小壟、對(duì)照,分別高約9.1%、16.3%和5.1%、21.3%;從整個(gè)試驗(yàn)期間的平均值來(lái)看,高光效的降水利用率最高,比高光效小壟和對(duì)照分別高6.0%和17.0%。2016年的降水利用效率相較于2014年也有提高,高光效、高光效小壟和對(duì)照提高的比例分別為14.0%、6.6%和6.1%。
由于2014年高光效密度設(shè)置略低,2015年遭受災(zāi)害,因此選取長(zhǎng)勢(shì)良好的2016年作為干物質(zhì)積累狀況進(jìn)行分析。如圖2所示為不同發(fā)育期干物質(zhì)積累量的變化情況。苗期干物質(zhì)積累量占總量的4.5%。對(duì)照的干物質(zhì)積累量最高,比高光效小壟和高光效處理分別高8.7%和8.8%。高光效和高光效小壟之間無(wú)顯著差異;苗期干物質(zhì)積累速率處理與對(duì)照之間無(wú)顯著差異。拔節(jié)期干物質(zhì)積累量占總量的9.8%,此時(shí)期高光效小壟的干物質(zhì)積累量最高,比高光效和對(duì)照分別高7.5%和8.1%,處理之間差異顯著;高光效小壟的積累速率最高,高光效處理與對(duì)照接近,分別比高光效小壟低約8.4%和14.1%。抽雄期干物質(zhì)積累量占總量的21.8%,此時(shí)期對(duì)照的干物質(zhì)積累量最高,比高光效和高光效小壟分別高3.8%和12.9%;抽雄期在整個(gè)生育期干物質(zhì)積累速率最高,在此期間,對(duì)照的干物質(zhì)積累速率最高,高光效次之,高光效小壟最低,分別高約6.5%和29.3%。成熟期干物質(zhì)積累量占總量的63.8%,此時(shí)高光效處理的干物質(zhì)積累量最高,比高光效小壟和對(duì)照分別高10.4%和14.5%;抽雄期是干物質(zhì)速率第二高的時(shí)期,在此期間,高光效干物質(zhì)積累速率最高,高光效小壟次之,對(duì)照最低,高的幅度分別為11.3%和27.0%。
圖1 氣候資源利用效率Fig.1 Climate resource utilization efficiency
播種日期為2016年04月28日,苗期測(cè)量時(shí)間為 2016年06月16日,拔節(jié)取樣日期為2016年06月30日,抽雄 取樣日期為2016年07月20日,成熟日期為2016年10月14日?qǐng)D2 不同發(fā)育期的干物質(zhì)積累Fig.2 Dry matter accumulation in different developmental stages
綜上所述,玉米整個(gè)生育期中,抽雄期的干物質(zhì)積累速率最高,抽雄期后干物質(zhì)積累占整個(gè)生育期的比重較大,在60%以上;高光效處理在抽雄后有助于干物質(zhì)積累,且有較高的積累速率;高光效小壟在干物質(zhì)積累方面并無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì),抽雄前期低于對(duì)照,抽雄后期好于對(duì)照,但是低于高光效處理;對(duì)照處理在抽雄前干物質(zhì)積累量和速率偏高,但是在抽雄后的表現(xiàn)低于高光效和高光效小壟。
收獲指數(shù)是指作物收獲時(shí)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(籽粒、果實(shí)等)與生物產(chǎn)量之比,其生理本質(zhì)反映了作物同化產(chǎn)物在籽粒和營(yíng)養(yǎng)器官上的分配比例,收獲指數(shù)反映了作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的能力,是評(píng)價(jià)作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標(biāo)[24]。由于2015年旱情和黏蟲(chóng)災(zāi)害的影響,暫時(shí)不予討論。2014年和2016年,高光效處理的收獲指數(shù),穗粒干重,株重和根重,分別比高光效小壟和對(duì)照高4.8%和6.4%,9.4%和22.6%,14.8%和30.4%,13.9%和54.85%,在穗粒干重和株重方面提高程度尤其明顯(表2)。不同處理的莖和葉干物質(zhì)積累量各有高低,莖重的各個(gè)處理之間無(wú)顯著差異。高光效小壟的葉片干重優(yōu)勢(shì)明顯,高光效次之,對(duì)照最低。綜上所述,高光效處理能顯著提升收獲指數(shù),對(duì)產(chǎn)量的形成有一定的提升。
表2 各器官干重對(duì)比Table 2 Comparison of dry weight of various organs
由于2015年遭遇黏蟲(chóng)和干旱災(zāi)害,因此僅考慮2014年和2016年的產(chǎn)量和雌穗形狀數(shù)據(jù)。由表3可以看出,3年中,不同處理方式產(chǎn)量之間差異顯著。高光效處理的平均產(chǎn)量為14 183.03 kg/hm2,高光效小壟處理的平均產(chǎn)量為13 182.21 kg/hm2,對(duì)照處理的平均產(chǎn)量為12 758.82 kg/hm2。2014年和2016年高光效產(chǎn)量均為最高,其中2016年差異最明顯,高光效產(chǎn)量比高光效小壟和對(duì)照分別多7.5%和11.1%。高光效種植方式對(duì)穗粒數(shù)和百粒干重有一定影響,高光效處理的平均穗粒數(shù)為629粒,平均百粒干重43.9 g,分別比高光效小壟和對(duì)照分別多1.14%和6.3%,2.9%和7.9%。綜合來(lái)看,調(diào)整株行距和改變壟向可以通過(guò)提高穗粒數(shù)和穗粒干重來(lái)提高玉米的籽粒產(chǎn)量。
由表4可以看出,株行距設(shè)置和壟向?qū)Υ扑胄誀钣幸欢ǖ挠绊?。?duì)照的穗行數(shù)最高,相較于高光效和高光效小壟分別高4.7%和7.0%。2016年相較于2014年行粒數(shù)提升幅度巨大,其中高光效處理
表3 不同處理種植狀況和產(chǎn)量情況Table 3 Planting status and yield of different treatments
提升幅度最大為10%。高光效處理的行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗均為最高,相較于高光效小壟和對(duì)照分別高5.7%和4.3%,3.5%和2.0%,4.6%和3.8%。其中2016年相較于2014年均有不同幅度的增加。對(duì)照的禿尖長(zhǎng)最高,相較于高光效小壟和對(duì)照分別高300%和700%,高光效和高光效小壟的禿尖長(zhǎng)度遠(yuǎn)低于對(duì)照處理。
綜上所述,盡管高光效和高光效小壟處理下的產(chǎn)量各有高低,但是均高于對(duì)照,且在產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)上非常優(yōu)異,絕大多數(shù)產(chǎn)量性狀均好于對(duì)照處理。
玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,各種環(huán)境因子形成的玉米群體微環(huán)境會(huì)對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)生很大的影響,如空氣溫度、光照強(qiáng)度、冠層空氣流通程度等。這些因素一方面制約玉米微環(huán)境光、溫和水的水平,另一方面影響株間競(jìng)爭(zhēng),從而影響氣候資源利用效率,影響玉米干物質(zhì)分配,最終在產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀上體現(xiàn)出來(lái)。
本試驗(yàn)不同處理的氣候資源利用效率表現(xiàn)出了不同的特征。高光效處理的光能利用率、熱量利用效率和降水利用效率在試驗(yàn)期間均為最高,高光效小壟次之,對(duì)照最低,這說(shuō)明本試驗(yàn)設(shè)置的處理對(duì)氣候資源利用效率有提高作用。壟向調(diào)整增加了有效光照時(shí)數(shù),提高了太陽(yáng)光進(jìn)入群體葉片覆蓋率,株間距的設(shè)置平衡了株間競(jìng)爭(zhēng)的影響,改善內(nèi)部通風(fēng)情況,提高了冠層空氣流通程度。整體上為光合作用的進(jìn)行提供了更好的光照,溫度,水分以及二氧化碳等條件,進(jìn)而提高了氣候資源利用效率。這與前人在玉米[24]、黃瓜[25]、番茄[26-27]、小麥[28]和水稻[28]等作物的氣候資源利用效率的研究中得出的研究結(jié)論類(lèi)似。
表4 各個(gè)種植方式下的雌穗性狀情況Table 4 Female ear traits under various planting methods
不同處理在不同的發(fā)育期有不同的干物質(zhì)積累特征。高光效處理在抽雄后的干物質(zhì)積累速率最高。高光效小壟在抽雄前低于對(duì)照,抽雄后優(yōu)于對(duì)照,但是低于高光效;對(duì)照處理在抽雄前干物質(zhì)積累量和速率偏高,但是在抽雄后的表現(xiàn)低于處理。高光效促進(jìn)了干物質(zhì)向籽粒分配,顯著提升了收獲指數(shù),高光效小壟次之,對(duì)照最低。抽雄后生殖生長(zhǎng)為主要干物質(zhì)分配方向,高光效處理在抽雄后的干物質(zhì)積累速率較高,即生殖生長(zhǎng)較旺盛,最終高光效處理的收獲指數(shù)也最高。高光效小壟和對(duì)照同理。抽雄后干物質(zhì)積累量占總干物質(zhì)積累量的85.6 %,在發(fā)育前期,干物質(zhì)積累量較少,株高較低葉面積較小,陽(yáng)光覆蓋率較高,冠層流通狀況較好,氣候資源充足,種間競(jìng)爭(zhēng)較少,壟向和株間距調(diào)整的優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮,高光效種植方式在干物質(zhì)積累速率上無(wú)優(yōu)勢(shì);當(dāng)株高增高且葉面積增大之后,尤其是抽雄后,需要環(huán)境提供更充足的光溫水資源,高光效處理干物質(zhì)積累速率較高,說(shuō)明高光效處理的微環(huán)境的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮作用,更有利于提高氣候資源的同化,更利于干物質(zhì)的積累。
在產(chǎn)量方面,高光效可以大幅度提高作物產(chǎn)量,高光效小壟次之,對(duì)照最低。高光效處理在產(chǎn)量性狀上強(qiáng)于高光效小壟和對(duì)照處理,除了穗行數(shù)以外,穗粒數(shù)、百粒重、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗以及禿尖長(zhǎng)等均表現(xiàn)最好。高光效處理設(shè)置的壟向和株行距,有效地改善了玉米植株的密度問(wèn)題和營(yíng)養(yǎng)吸收等種間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的性狀缺點(diǎn),可以提高玉米的籽粒質(zhì)量。即壟向和大壟雙行設(shè)置可以提高玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀,這與眾多學(xué)者的研究結(jié)論類(lèi)似[13,29-30]。另外可以看到,高光效處理的穗粒數(shù)、百粒重、穗長(zhǎng)和穗粗等一些雌穗性狀均表現(xiàn)最好,這與干物質(zhì)積累得出的結(jié)論是統(tǒng)一的,本文試驗(yàn)設(shè)置的壟向和株行距搭配的高光效處理在抽雄后有較高的干物質(zhì)積累速率,生殖生長(zhǎng)更旺盛,有利于形成較好的產(chǎn)量性狀。
另外,2016年相較于2014年,高光效處理的氣候資源利用效率、各器官干物重以及產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀等均有一定提升,原因主要為2016年的降水量水平顯著優(yōu)于2014年,光能、降水和熱量利用效率并不獨(dú)立,而是協(xié)同作用,共同提高,充足的降水量可以提高氣候資源利用效率,有助于干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的形成[31]。另外相較于2014年,2016年高光效處理氣候資源用效率提高的幅度高于其他兩個(gè)處理,一方面設(shè)置的行距允許進(jìn)行休耕輪作,有助于土地保持地力;另一方面,證明高光效模式下的壟向調(diào)整和株間距調(diào)整確實(shí)有助于發(fā)揮氣候資源的潛力,提高氣候資源利用效率。
綜上所述,高光效種植方法和高光效小壟相較于對(duì)照,均改善了玉米群落的微環(huán)境,從而提高了氣候資源的同化效率,改變了干物質(zhì)分配比例,改善了產(chǎn)量性狀,提高了產(chǎn)量。高光效處理提升產(chǎn)量最高,產(chǎn)量性狀表現(xiàn)好,干物質(zhì)積累量最高。高光效小壟也提高了產(chǎn)量,但是在產(chǎn)量性狀上表現(xiàn)略差。本文試驗(yàn)得出:高光效種植方式可以有效地提高玉米產(chǎn)量,壟向可作為玉米大田種植時(shí)提高產(chǎn)量的考慮因素之一。當(dāng)種植有特殊需求時(shí),例如,對(duì)雌穗性狀要求較高的糯玉米種植,對(duì)秸稈干物質(zhì)積累量要求較高的飼料用途,或者需要進(jìn)行黑土地的可持續(xù)耕種的輪耕輪作、間種等情況下,本文試驗(yàn)設(shè)置的壟向南偏西20°、種植間距為0.4~1.25 m的搭配不僅能滿(mǎn)足特殊需求,且能提供產(chǎn)量上的優(yōu)勢(shì),符合生態(tài)農(nóng)業(yè)種植的要求。
本文試驗(yàn)提出的高光效種植模式可以有效地提高產(chǎn)量,但是對(duì)于群體微環(huán)境的變化以及內(nèi)在機(jī)理并未進(jìn)行針對(duì)性測(cè)量,后續(xù)將嘗試從微觀內(nèi)在機(jī)理角度對(duì)結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。