李建查，李義林，潘志賢，李 坤，岳學(xué)文，史亮濤，張 雷，孫 毅，和潤(rùn)蓮，王艷丹，何光熊，段琪彩，方海東*

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南 元謀 651300；2.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南 昆明 650228）

隨著全球人口持續(xù)增長(zhǎng)，糧食需求量不斷增加。在耕地面積有限的背景下，提高糧食單產(chǎn)是保障糧食安全的重要途徑。合理密植是提高現(xiàn)代作物單產(chǎn)的重要途徑之一［1-3］，但不科學(xué)的密植會(huì)導(dǎo)致個(gè)體間的水分、養(yǎng)分、空間、光照等資源競(jìng)爭(zhēng)，致使葉片光合速率降低，進(jìn)而影響作物個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育和群體經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量［4］。合理密植可以實(shí)現(xiàn)作物植株個(gè)體功能與群體結(jié)構(gòu)協(xié)同增益［5］，是玉米增產(chǎn)增效的關(guān)鍵農(nóng)業(yè)措施之一［6-7］。研究種植密度對(duì)光合作用的影響，是確定玉米合理密植的理論基礎(chǔ)。有研究表明，種植密度對(duì)高產(chǎn)玉米穗位葉片的Pn影響不明顯［3］。但也有研究表明，中等密度處理（9.75萬(wàn)株/hm2）的玉米全生育期凈光合速率較高［8］；高密度下（13.50萬(wàn)株/hm2）玉米穗位葉片的光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均降低［9］。還有研究表明，玉米的凈光合速率隨著種植密度的增加，呈現(xiàn)先增加后減少或持續(xù)增加的變化趨勢(shì)［10-11］，且隨著氣候變暖趨勢(shì)加劇，溫度變化影響著作物增產(chǎn)潛力的提升。葉片溫度反映了作物對(duì)氣溫的響應(yīng)，是影響作物光合作用的重要因素。植物光合作用對(duì)葉片溫度的響應(yīng)已得到了廣泛研究［12］，其最適葉片溫度為30～40 ℃［13］，但是作物光合作用最適宜葉片溫度還受到作物、氣候、土壤、區(qū)域、農(nóng)藝措施等因素的影響。

隨著我國(guó)居民飲食多樣性的提高，甜玉米作為糧菜兩用的新型作物，需求量逐漸提高，種植面積逐年增加。甜玉米是我國(guó)南方重要優(yōu)勢(shì)高效作物之一［14］，其在干熱河谷農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效方面發(fā)揮著重要作用。甜玉米是典型的C4作物，是一種高光效高產(chǎn)量作物［10］，光合作用是其產(chǎn)量形成的重要生理過(guò)程［15-16］。干熱河谷區(qū)光熱資源充足，是我國(guó)南方甜玉米高產(chǎn)高效種植的重要生產(chǎn)基地，但是從葉片光合作用水平研究該區(qū)域甜玉米合理密植措施的報(bào)道較少。同時(shí)，在全球氣候變暖的背景下，生態(tài)環(huán)境較脆弱的干熱河谷區(qū)的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效受到溫度變化的嚴(yán)重沖擊［17-18］，而研究葉片溫度對(duì)合理密植甜玉米葉片光合作用的影響，明確區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變暖的農(nóng)業(yè)模式的報(bào)道較少。研究干熱河谷甜玉米光合特性對(duì)種植株距和葉片溫度的響應(yīng)，對(duì)維持區(qū)域甜玉米產(chǎn)量穩(wěn)定、進(jìn)一步提高產(chǎn)量潛力以及甜玉米生產(chǎn)應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。因此，本研究在大田條件下選擇正常生長(zhǎng)的甜玉米作為研究對(duì)象，通過(guò)葉片局部控溫試驗(yàn)［19-20］，利用Li-6400光合儀測(cè)定并分析了3個(gè)株距水平（20、30、40 cm）的甜玉米穗位葉片光合作用在3個(gè)葉片溫度梯度下（20、30、40 ℃）的光響應(yīng)特征。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在位于元謀干熱河谷的云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所灌溉試驗(yàn)基地進(jìn)行。元謀干熱河谷地處滇中高原北部，位于25°23′~26°06′N，101°35′~102°06′ E，平均海拔為1350 m。年平均氣溫為21.9 ℃，無(wú)霜期為305~331 d，年降雨量為611.3 mm，蒸發(fā)量是降雨量的5~6倍。光熱資源充足，平均日照時(shí)數(shù)為7.3 h/d。試驗(yàn)區(qū)土壤為砂壤土，土壤容重為1.44 g/cm3，田間持水量為19.42%，pH值為6.4，有機(jī)質(zhì)含量為6.10 g/kg，全氮含量為0.50 g/kg，堿解氮含量為39 mg/kg，全磷含量為0.188 g/kg，有效磷含量為30.38 mg/kg，全鉀含量為7.44 g/kg，速效鉀含量為129 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試甜玉米品種為正甜68，于2020年1月6日移栽，4月27日收獲。采用大壟雙行種植方式，壟寬為100 cm，行距為60 cm。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)株距：20、30、40 cm；3個(gè)葉片溫度：20、30、40 ℃。采用完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為14.4 m2（12 m×1.2 m）。在甜玉米灌漿期，每個(gè)小區(qū)選擇3株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株測(cè)定穗位葉片，在不同葉溫下測(cè)定光合作用光響應(yīng)參數(shù)。在生育期間甜玉米的純氮施用量為232 kg/hm2，以純氮60%、P2O5128 kg/hm2和K2O 128 kg/hm2為底肥（復(fù)合肥，其N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）；在拔節(jié)期和抽穗期均隨水滴施純氮20%為追肥（尿素N 46%）。各小區(qū)的化肥管理、農(nóng)藥管理等其他田間管理措施均一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目與方法

在甜玉米灌漿期，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的上午9:00~11:00，利用Li-6400光合測(cè)定儀進(jìn)行穗位葉的光合特征值測(cè)定，采用2 cm×3 cm標(biāo)準(zhǔn)葉室，利用LED光源將光合有效輻射（PAR）分別設(shè)定為1800、1500、1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0 μmol/（m2·s），葉片光誘導(dǎo)后測(cè)定每個(gè)光合有效輻射下的葉光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）、光飽和點(diǎn)（LSP）、最大凈光合速率（Pnmax）、最大蒸騰速率（Trmax）、最大水分利用效率（WUEmax）等光合指標(biāo)。葉片水分利用效率WUE= Pn/Tr［21］；氣孔限制值 Ls=1-Ci/Ca，其中Ci/Ca［22］為胞間CO2濃度與環(huán)境CO2濃度的比值，由光合儀直接獲取。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、回歸分析和主成分分析。采用雙曲線修正模型［23］擬合不同土壤含水量下甜玉米光合速率的光響應(yīng)曲線，并計(jì)算其光響應(yīng)特征參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植株距對(duì)甜玉米穗位葉光合作用光響應(yīng)特征的影響

通過(guò)多元方差分析（表1）發(fā)現(xiàn)：種植株距對(duì)甜玉米穗位葉的Pn有極顯著影響，對(duì)Gs、Tr 和WUE有顯著影響；葉片溫度對(duì)甜玉米穗位葉的Pn、Gs、Tr和WUE有極顯著影響，對(duì)Ci和Ls有顯著影響；光照強(qiáng)度對(duì)甜玉米穗位葉的Pn、Gs、Tr、WUE、Ci和Ls均有極顯著影響?？梢姡庹諒?qiáng)度對(duì)甜玉米葉片光合特征發(fā)揮主導(dǎo)作用，葉片溫度次之，株距對(duì)甜玉米葉片光合特征影響相對(duì)較弱。株距與葉片溫度的交互作用對(duì)甜玉米穗位葉的Pn、Gs、Tr和WUE有極顯著影響；葉片溫度與光照強(qiáng)度的交互作用對(duì)甜玉米穗位葉的Pn有極顯著影響，對(duì)Ci、Ls、Tr和WUE有顯著影響。

表1 甜玉米穗位葉片光合作用對(duì)種植株距、葉片溫度及光照的響應(yīng)特征的方差分析結(jié)果（F值）

由表2可知：當(dāng)種植株距為40 cm時(shí)，甜玉米穗位葉的Pn最高，Gs顯著高于20 cm的，WUE顯著高于30 cm的；Tr在種植株距為30 cm時(shí)最高。當(dāng)種植株距為40 cm時(shí)，甜玉米穗位葉的Pn提高，Tr降低，從而提高了葉片水分利用效率；當(dāng)種植株距為30 cm時(shí)，穗位葉的Tr較高，從而降低了葉片水分利用效率。

表2 種植株距對(duì)甜玉米穗位葉光合特征的影響

由表3可知，在不同種植株距條件下，WUE、Pn和Tr均隨著光照強(qiáng)度的增加先迅速增大，之后趨于穩(wěn)定，且WUE均最先達(dá)到最大值，隨后Pn達(dá)到最大值，Tr最后達(dá)到最大值。隨著種植株距增大，甜玉米穗位葉LCP、LSP、Pnmax、Trmax均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，WUEmax呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。與種植株距為20 cm相比，株距40 cm的穗位葉Pnmax的增加幅度（12.55%）小于Trmax的增加幅度（23.03%），導(dǎo)致其WUEmax較低，即水分利用效率的潛力較低?？梢?，合理增加甜玉米種植株距提高了葉片Pn和WUE，降低了水分利用效率的潛力。

表3 不同種植株距下甜玉米穗位葉光合作用光響應(yīng)特征

2.2 葉片溫度對(duì)甜玉米穗位葉片光合作用光響應(yīng)特征的影響

由表4可知，隨著葉片溫度增加，甜玉米穗位葉Pn、Gs和Tr均明顯增加，WUE明顯降低。葉片溫度為40 ℃的甜玉米穗位葉Pn、Gs和Tr均最高，葉片溫度為20 ℃的甜玉米穗位葉Ls和WUE最高，這體現(xiàn)了甜玉米葉片Pn的高溫效應(yīng)和WUE的低溫效應(yīng)。

表4 葉片溫度對(duì)甜玉米穗位葉光合特征的影響

由表5可知，在不同葉片溫度下，甜玉米穗位葉WUE、Pn和Tr均隨著光照強(qiáng)度的增加先迅速增大，之后趨于穩(wěn)定，且WUE均最先達(dá)到最大值，Pn隨后達(dá)到最大值，Tr最后。隨著葉片溫度增加，甜玉米穗位葉LCP、LSP、Pnmax、Trmax均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，WUEmax呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。與葉片溫度為20 ℃相比，葉片溫度40 ℃的甜玉米穗位葉Pnmax略高，增幅為32.84%，Trmax顯著增大，增幅為84.55%。因此，葉片溫度40 ℃的WUEmax最低，即水分利用效率的潛力最低。可見，葉片溫度升高提高了甜玉米葉片Pn和Tr，降低了葉片水分利用效率及其潛力。

表5 不同葉片溫度下甜玉米穗位葉光合作用光響應(yīng)特征

2.3 種植株距與葉片溫度對(duì)甜玉米光合作用光響應(yīng)特征的交互作用

由表6可知，株距與葉片溫度對(duì)甜玉米穗位葉的Pn、Gs、Tr和WUE有顯著互作效應(yīng)，對(duì)Ls互作效應(yīng)不顯著。30 cm×40 ℃互作的甜玉米穗位葉Pn、Gs和Tr顯著最高，而WUE較低；40 cm×20 ℃互作的甜玉米穗位葉WUE最高，但是其Pn、Gs和Tr明顯較低。

表6 種植株距與葉片溫度交互作用對(duì)甜玉米穗位葉光合特征的影響

根據(jù)特征根大于1的原則，提取得到 2個(gè)主成分，主成分1和主成分2的方差貢獻(xiàn)率分別為71.23%、25.11%（表7），2個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到 96.33%，即提取的2個(gè)主成分可以解釋全部指標(biāo)96.33%的信息，可認(rèn)為2個(gè)主成分基本反映了 6個(gè)指標(biāo)所涵蓋的大部分信息，可以用來(lái)反映甜玉米植株光合特征的變異性。從各主成分中的因子負(fù)荷量（表8）可以看出，2個(gè)主成分可以解釋＞ 90%的指標(biāo)有Ci和Ls；＞80%的指標(biāo)有Pn、Gs和WUE；＞ 70%的指標(biāo)有Tr。指標(biāo)Ci、Ls、Pn、Gs和WUE在第一成分上有較高載荷，相關(guān)性較強(qiáng)，第一成分集中反映了光合作用氣體交換情況；指標(biāo)Tr在第二成分上有較高載荷，相關(guān)性較強(qiáng)，第二成分集中反映了光合作用水分交換情況。各主成分的得分及綜合得分（表9）顯示，30 cm×40 ℃綜合得分最高，20 cm×40 ℃綜合得分次之，表明30 cm×40 ℃的甜玉米穗位葉可以獲得較好光合特征，20 cm×40 ℃次之。根據(jù)主成分1和主成分2的得分計(jì)算各組試驗(yàn)光合特征的綜合得分Fi，計(jì)算公式為：Fi=（0.71×F1+0.25×F2）/0.96（式中F1和F2分別為主成分1和主成分2的得分）［24］。

表7 主成分的特征根及貢獻(xiàn)率

表8 光合參數(shù)在各主成分中的因子負(fù)荷量

表9 不同處理光合參數(shù)指標(biāo)主成分得分及綜合得分

3 討論

有研究表明，玉米葉片Gs、Tr、Pn和WUE均隨著種植密度的增加而降低，高密度種植（9.75萬(wàn)株/hm2）明顯降低了葉片的光合能力［25］。雖然有研究發(fā)現(xiàn)玉米植株不同葉位葉片的光合速率表現(xiàn)為中位葉＞上位葉＞下位葉［26］，但不同部位葉片光合速率（Pn）均隨著密度增加而降低［27-30］。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)株距為40 cm，種植密度最低為3.96萬(wàn)株/hm2的甜玉米穗位葉Pn、Gs、WUE、LSP、Pnmax均高于株距為30 cm（種植密度5.28萬(wàn)株/hm2）和20 cm（種植密度7.92萬(wàn)株/hm2），這表明株距越大，種植密度越低，葉片的Pn較高，WUE越高。

在本研究中，隨著葉片溫度增加，甜玉米穗位葉Pn、Gs和Tr均明顯增加，WUE明顯降低；LCP、LSP、Pnmax、Trmax均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，WUEmax呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；葉片溫度為40 ℃的甜玉米穗位葉光合特征最佳，這與Kattge等［13］的研究結(jié)果一致。在全球氣候變化背景下，生態(tài)環(huán)境極其脆弱的干熱河谷區(qū)對(duì)氣候變暖響應(yīng)極其敏感［31］，高溫將有利于提高區(qū)域甜玉米葉片的光合生產(chǎn)力，但葉片水分利用效率將呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，植株耗水量可能會(huì)持續(xù)增加。同時(shí)，氣候變暖還可能加劇干熱河谷的干旱化程度［32］，進(jìn)一步加劇水資源短缺，干熱河谷甜玉米生產(chǎn)將可能面臨增產(chǎn)潛力逐漸提高與作物水分利用效率逐漸降低的生產(chǎn)矛盾的艱巨挑戰(zhàn)。有研究表明，在氣候變暖條件下，植物生產(chǎn)力提高［33-34］，這與本研究結(jié)果一致。有研究表明，水分利用效率高則說(shuō)明植物對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)能力［35］，可見隨著葉片溫度的升高，水分利用效率降低，降低了個(gè)體競(jìng)爭(zhēng)力，從而提高了作物生產(chǎn)的群體經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量［36］。葉片高溫條件有利于提高Pn，葉片低溫條件有利于提高WUE，甜玉米在葉片水平可能會(huì)充分利用高溫條件，以降低水分利用效率為代價(jià)，提高葉片凈光合速率。

光照對(duì)甜玉米葉片的光合特征發(fā)揮主導(dǎo)作用，葉片溫度次之，株距對(duì)甜玉米葉片光合特征的影響較弱，這與光照和溫度是光合作用所必需的生理?xiàng)l件有關(guān)。株距與葉片溫度之間均存在顯著互作效應(yīng)，30 cm×40 ℃的甜玉米穗位葉Pn、Gs和Tr明顯最高，WUE最低，且主成分綜合得分最高。這表明甜玉米的光合特性具有明顯的密度溫度耦合效應(yīng)，種植株距30 cm與葉片溫度40 ℃組合處理的甜玉米葉片具有較好的光合特征。綜上，種植株距為30 cm時(shí)甜玉米穗位葉片光合特征有較強(qiáng)的高溫適應(yīng)性，有利于全球氣候變暖背景下干熱河谷及相似地區(qū)優(yōu)化農(nóng)業(yè)模式。

4 結(jié)論

種植株距越大，甜玉米葉片Pn、Pnmax和WUE越高，WUEmax越低，種植株距為40 cm時(shí)甜玉米具有較好的光合特性，而水分利用效率潛力降低。葉片高溫條件有利于提高甜玉米Pn和Pnmax，葉片低溫條件有利于提高WUE和WUEmax，在葉片水平上甜玉米可能會(huì)充分利用高溫條件，以降低水分利用效率及其潛力為代價(jià)，提高葉片凈光合速率及其潛力。甜玉米的光合特性具有明顯的密度溫度耦合效應(yīng)，種植株距30 cm與葉片溫度40 ℃組合處理的甜玉米穗位葉Pn、Gs、Tr均最大，WUE最低。由此可見，在氣候變暖背景下，甜玉米合理密植（種植株距為30 cm，即種植密度5.28萬(wàn)株/hm2）有利于其適應(yīng)高溫高光強(qiáng)環(huán)境。生態(tài)環(huán)境極其脆弱的干熱河谷區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)極其敏感，且區(qū)域干旱化程度可能進(jìn)一步加劇，甜玉米生產(chǎn)將面臨增產(chǎn)潛力逐漸提高與水分利用效率逐漸降低的生產(chǎn)矛盾的艱巨挑戰(zhàn)。