王榮江，陳英麗，呂才波，畢建杰，劉建棟

（1山東省德州市德城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東德州 253000；2山東省濟南市萊蕪區(qū)口鎮(zhèn)街道辦，濟南 272000；3山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018；4中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

玉米是中國重要的糧食、經(jīng)濟和飼料作物，在中國的作物生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位和作用，全世界約有三分之一的人口以玉米為主要食糧[1]。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)顯示，2019年中國的玉米種植面積達4128萬hm2，居糧食作物的首位[2]，可見玉米生產(chǎn)是中國糧食安全的重要組成，研究玉米的高產(chǎn)高效有著重要的意義[3]，與美國等發(fā)達國家相比較，中國玉米的單產(chǎn)水平仍然有較大的差距。隨著耕地的減少，人口數(shù)量的增加，玉米作為飼料、工業(yè)原料的需求等矛盾日益突出[4]，2020年全球新冠肺炎引發(fā)了全球的糧食危機，迫使我們思考如何在有限的耕地條件下，利用栽培技術(shù)水平的提高，充分挖掘中國玉米的單產(chǎn)和總產(chǎn)。提高玉米單產(chǎn)的途徑主要是選育玉米新品種和創(chuàng)新栽培技術(shù)（種植方式）[5]。玉米科技工作者通過選育耐密品種，增加種植密度，改善栽培條件等措施對玉米單產(chǎn)的提高做了大量的試驗研究，最終明確了通過增加群體密度來提高單產(chǎn)是確實可行的方式[6]。Tokatlidis等[7]研究認為，提高玉米單產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)依靠種植密度的適當(dāng)增加，而不是單株產(chǎn)量的提高。合理密植是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)的關(guān)鍵措施，但是隨著玉米種植密度的提高，玉米群體內(nèi)植株會互相遮蔭，特別是冠層的中部、下部的透光率會大幅度下降，引起玉米葉片早衰，導(dǎo)致玉米群體的光合性能減弱[8-9]，通過改變玉米種植模式，增加玉米種植密度，并且更好地利用光、溫、水、氣等資源，對于進一步提高玉米產(chǎn)量，是玉米科研工作者公認的途徑。行距株距配置所形成的玉米群體空間結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致了光熱利用效應(yīng)上的差異。中國現(xiàn)有的玉米品種和現(xiàn)有的玉米種植方式很難滿足玉米高產(chǎn)發(fā)展的需求，創(chuàng)新玉米種植方式顯得尤為迫切。中國玉米種植方式主要有等行距種植方式、寬窄行種植方式、雙株等行距種植方式這3種[10]。等行距種植時，增加密度，易導(dǎo)致群體內(nèi)光熱分布不合理，造成玉米生長發(fā)育遲緩、倒伏，最終導(dǎo)致玉米產(chǎn)量降低[11]；寬窄行種植有利于延緩玉米生育后期功能葉片的衰老，改善了冠層中的光環(huán)境，提高了輻射利用效率[12]。隨著行距的增大，日平均光強也會逐漸增大，溫度和相對濕度會逐漸減少，協(xié)調(diào)了群體內(nèi)各氣象因子之間的矛盾，從而獲得了較高的產(chǎn)量[13]。雙株等行距種植只是在貴州、重慶等少數(shù)地區(qū)的山地種植，等同于等行距種植。但是這3種種植方式顧此失彼，各有優(yōu)缺點，畢建杰等[14]發(fā)明了“玉米雙行交錯稀植”種植方式，并開展了新的種植方式下玉米冠層光利用情況的比較研究[15]。前人對不同玉米種植方式開展的相關(guān)研究多為增產(chǎn)效應(yīng)，后來也有學(xué)者開展了通過改變種植模式，提高密度，改變玉米的群體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光能利用率和產(chǎn)量的協(xié)同提高的研究[8]?！半p行交錯稀植”種植模式是怎樣調(diào)節(jié)玉米群體和個體的光照，最大限度的利用土壤肥水，從而使玉米增產(chǎn)的，還需要探索。因此本試驗設(shè)置了不同玉米種植模式和種植密度，研究“雙行交錯稀植”種植方式下，玉米冠層的光分布，根系生長狀況，明確“雙行交錯稀植”種植方式，與密度條件下玉米光合作用，產(chǎn)生形成的調(diào)控機理，為華北地區(qū)玉米的豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培奠定堅實基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間試驗于2019—2020年連續(xù)2年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實驗站的大田內(nèi)進行，試驗地位于36°10′N，117°09′E，耕作層(0～40 cm)的土壤養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)14.8 g/kg，全氮1.12 g/kg，速效氮89.45 mg/kg，速效磷46.76 mg/kg，速效鉀89.75 mg/kg，pH 5.65。室內(nèi)實驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物科學(xué)實驗教學(xué)中心實驗室，田間試驗同步安排在德州市德城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局布置的大田內(nèi)。

1.2 試驗設(shè)計

兩年田間試驗，采用3個處理，3次重復(fù)。其中，3個處理為種植方式，即等行距種植方式、寬窄行種植方式，雙行交錯稀植種植方式；3個重復(fù)，隨機排列，共9個小區(qū)，各小區(qū)長10 m，寬5 m，小區(qū)面積50 m2。供試玉米品種‘鄭單958’由山東省泰安市五岳泰山登海種業(yè)公司提供。3個處理（見圖1）：等行距種植方式(DH)，寬窄行距種植方式(KZH)，雙行交錯稀植種植方式(SHJC)。其中DH種植模式行距40 cm、株距30 cm、密度8.33萬株/hm2；KZH模式寬行距40 cm、窄行距15 cm、株距30 cm、密度12.1萬株/hm2；SHJC模式寬行距40 cm、窄行距15 cm、株距30 cm、在寬行中間又增加了一行，密度15.1萬株/hm2。2019年和2020年都是4月23日整地、開溝、澆水、4月23日播種，9月18日成熟，9月20日收獲，田間管理同大田。

圖1 不同種植方式

1.3 測定項目及方法

1.3.1 玉米根系的干重動態(tài) 采用田間單株取樣方法，測定3種種植方式的玉米根系的條數(shù)和根干重，每次取3株，取平均值。根干重采用烘干法測定。

1.3.2 玉米莖桿的粗度和動態(tài) 采用田間單株取樣方法，游標(biāo)卡尺法測定3種種植方式的玉米莖稈粗度，每次取3株取平均值。

1.3.3 玉米功能葉片的葉面積 采用田間單株取樣方法，測定3種種植方式的玉米功能葉片葉面積，每次取3株取平均值，葉面積儀法測定。

1.3.4 光能截獲率 選擇晴天的上午9:30—12:30，采用美國拉哥公司生產(chǎn)的Li-188量子輻射照度計，測定地面以上3.0 m（冠層上部），2.2 m（冠層頂部），1.3 m（穗位層）、0.8 m（穗下層）、0.8 m以下（玉米底部）、0 m（地面）的各層葉片的量子輻射度，測定的量子輻射度[μmol/(m2.s)]記為P0、P1、P2、P3、P4，之后再通過公式(1)、(2)、(3)、(4)計算得出玉米的葉片各層的光適應(yīng)率p，光吸收率a，光截獲率n和相對光強I。

1.3.5 凈光合速率(Pn)采用美國拉哥公司生產(chǎn)的Li-6400型便攜式光合作用測定系統(tǒng)，晴天的上午9:30—12:30于自然光源下進行測定。每次各處理選取5片葉片，測定時選擇玉米穗位葉葉片的中上部，避開中脈，夾緊葉莖，在相同部位測定，取5次測定結(jié)果的平均值。

1.3.6 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 測定玉米葉片的Pn的同時，利用英國漢莎公司生產(chǎn)的(hansatech,UK)FMS-Ⅱ脈沖調(diào)制式熒光儀，分別在晴天上午10:00—12:00，測定玉米穗位葉的光下最大熒光(Fm′)，穩(wěn)態(tài)熒光(FS)和光下PSⅡ的實際光能轉(zhuǎn)化效率(ΦPSⅡ)；暗適應(yīng)15 min后，測定出示熒光(Fo)、最大熒光(Fm)和光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)。并計算得出非光化學(xué)猝滅值(NPQ=1/Fm′)。

1.3.7 成熟期測產(chǎn)和室內(nèi)考種 收獲前對每個處理的小區(qū)，進行調(diào)查玉米的農(nóng)藝狀況，果穗長度，粗度。行粒數(shù)，穗粒數(shù)，空桿率，雙穗率，各小區(qū)取中間5 m的2行，具有代表性的植株，實收測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel和DPS軟件進行數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗，從LSD法檢驗差異的顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種種植方式的玉米根系干重

由表1可看出，隨著生育進程的推進，各處理的根干重均呈現(xiàn)增加的趨勢。播種后第50天，各處理間的根干重都是DH為最高，其次為SHJC的，根干重最低的為KZH的。說明DH處理玉米單株在拔節(jié)前，根系能充分吸收土壤中的營養(yǎng)，生長狀況好于KZH和SHJC。但是按小區(qū)合計，根干重結(jié)果是SHJC＞KZH＞DH。說明玉米的群體數(shù)量和單株生長相互影響。不同行距配比種植能夠有效提高玉米群體根系的干重，提高對肥水利用的積累量。播種后第60天，也就是拔節(jié)后，DH的單株根干重2.23 g，小區(qū)合計1372.75 g，而SHJC的單株根干重2.90 g，小區(qū)根干重2218.50 g，總的根干重比DH高61.61%，比KZH高35.26%，均是先慢后快的規(guī)律。

表1 3種種植方式玉米根系干重

2.2 3種種植方式的玉米單株干物質(zhì)積累規(guī)律

由表2看中，隨著生育進程的推進，各處理單株干重呈現(xiàn)增加的趨勢，各處理的單株干重均以DH的最高，其次為SHJC，最低的為KZH。說明DH處理，玉米單株充分吸收土壤中的肥水，生長狀況好于KZH和SHJC。但是按小區(qū)合計玉米干物質(zhì)積累結(jié)果SHJC＞KZH＞DH。說明不同行距配比種植能夠有效地提高玉米干物質(zhì)積累的總量，其中SHJC的小區(qū)干物質(zhì)積累 20565.5 g，比 KZH的高 51.96%，比 DH的高63.26%，干物質(zhì)積累均呈現(xiàn)先慢后快的規(guī)律。

表2 3種種植方式單株干重

2.3 3種種植方式散粉期功能葉葉面積

由表3可見，3種種植試的玉米散粉期棒3葉葉面積和單株葉面積均表現(xiàn)為DH＞SHJC＞KZH，但是小區(qū)合計葉面積的結(jié)果是SHJC＞KZH＞DH。棒3葉葉面積DH比SHJX高2.51%，比KZH高8.32%；單株葉面積DH比SHJC高2.10%，比KZH高21.69%；說明DH的個體發(fā)育好于KZH和SHJC。小區(qū)總?cè)~面積SHJC比DH高76.37%，比KZH高49.05%，因此不同行距配比種植能夠有效提高群體的葉面積數(shù)量。

表3 3種種植方式玉米單株葉面積 cm2

2.4 3種種植方式玉米冠層日平均光吸收情況（散粉期）

由表4可見，各處理的散粉期玉米冠層日平均光吸收率的規(guī)律，3個處理的各冠層的光吸收率（能力）差異顯著。冠層頂部SHJC＞KZH＞DH；穗位層葉片的日平均光吸收率KZH＞SHJC＞DH；穗位下部的差異較小；底部差異較大，SHJC＞DH＞KZH。說明SHJX處理的冠層頂部和底部的日平均光吸收率（能力）均是最強的。不同層次的光吸收率均是呈現(xiàn)上強下弱的趨勢，不同處理的表現(xiàn)較為一致，說明SHJX行距配置可以很好的利用冠層頂部和底部的太陽光，中部的日平均光吸收率：3個處理之間的差異較小。

表4 3種種植方式玉米冠層日平均光吸收率 %

2.5 3種種植方式玉米各部位光截獲率

由表5可以看出，不同層次的光截獲率均呈現(xiàn)上強下弱的規(guī)律，不同處理的結(jié)果表現(xiàn)一致。穗層及以上的光截獲率SHJC＞KZH＞DH；其中SHJX比DH的高39.15%，SHJC和KZH的差異極小；底層及以下的光截獲率DH＞KZH＞SHJC，對玉米而言，穗層及以上的葉片的光截獲是最有效的，也就是1.3～3.0 m的部位是玉米葉片光合作用最主要的部位，SHJX和KZH 2種處理的玉米葉片更有能力將絕大部分的太陽光截獲進行光合作用。

表5 3種種植方式玉米各部位光截獲率 %

2.6 3種種植方式玉米穗位葉Pn

由表6可以看出，隨著生育進程的推進，各處理的棒3葉Pn均呈現(xiàn)雙峰曲線變化，SHJC的Pn日變化比KZH和DH的提前達到最大，之后進入午休，午休之后恢復(fù)的也比KZH和DH的快一些，在下午4:00之后，呈緩慢下降的趨勢，至下午6:00，SHJC的Pn最高為20.8 μmol/(m2·s)；KZH的Pn最高值在中午12:00出現(xiàn)，但是之后進入午休的時間較長，恢復(fù)較慢，下午4:00之后，Pn有小幅的提高，下午6:00Pn為15.6 μmol/(m2·s)；DH的Pn日變化較為平緩，最高位在11:00為27.1 μmol/(m2·s)為3個處理的最低值，之后一直比較平緩，下午6:00Pn為12.85 μmol/(m2·s)，為3個處理的最低值。

表6 3種種植方式玉米穗位葉Pn μmol/(m2·s)

2.7 3種種植方式玉米穗位葉葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

由表7可以看出3個處理的玉米穗位葉的葉綠素?zé)晒馓匦裕?0:00ΦPSⅡ的結(jié)果為DH＞SHJC＞KZH，11:00隨著溫度升高，結(jié)果為KZH＞SHJC＞DH；10:00Fv/Fm的結(jié)果為DH＞KZH＞SHJC，3個處理差異很小；11:00隨著溫度升高結(jié)果趨勢不變；10:00NPQ的結(jié)果為DH＞KZH＞SHJC，3個處理差異較大，11:00隨著溫度的升高，DH＞SHJC＞KZH，3個處理的差異較??；10:00qP的結(jié)果為DH＞SHJC＞KZH，3個處理的結(jié)果差異較小，11:00隨著溫度的升高，結(jié)果為KZH＞SHJC＞DH，3個處理差異較大。說明不同行距配置對玉米穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)影響較大。

表7 3種種植方式玉米穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2.8 3種種植方式的玉米產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)

由表8可以看出，不同處理的玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的結(jié)果，在穗長方面為DH＞SHJC＞KZH，差異不顯著；穗粗DH＞SHJC＞KZH，3個處理差異較小；穗粒重為DH＞SHJC＞KZH，差異顯著；行粒數(shù)為DH＞SHJC＞KZH，差異不顯著；穗粒數(shù)為DH＞SHJC＞KZH，差異顯著；千粒重為DH＞SHJC＞KZH，差異顯著；小區(qū)產(chǎn)量為SHJC＞KZH＞DH，差異達顯著水平，SHJC比DH增產(chǎn)3402 kg/hm2，增產(chǎn)39.83%；SHJC比KZH增產(chǎn)2774.7 kg/hm2，增產(chǎn)30.26%。

表8 3種種植方式的玉米產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)

3 討論

3.1 3種種植方式夏玉米對肥水吸收的影響

不同處理夏玉米種植密度不同對肥水吸收利用產(chǎn)生差異明顯，SHJC處理的玉米種植密度加大，隨著生育期的推進，苗期對肥水資源的競爭小一些，較大數(shù)量的群體效應(yīng)有利于根系的快速生長，拔節(jié)之后，玉米生長加快，玉米植株擴展，株間競爭顯現(xiàn)并逐漸加大，在拔節(jié)期SHJC玉米單株的物質(zhì)積累2.754 g,明顯高于KZH的2.590 g并低于DH的2.980 g，群體數(shù)量SHJC玉米的物質(zhì)積累最大，這表明SHJX能提高土壤水分利用效率。從根系干重的變化趨勢也可以得出這個結(jié)論，這與劉守渠等[16]的研究結(jié)果相同。SHJC處理促使玉米在較高種植密度下，玉米單株相對“稀植”了，玉米的每一個單株排列類似于“六邊形”的頂點位置或呈“蜂巢式結(jié)構(gòu)”[4]，這種結(jié)構(gòu)促使玉米的株間的對肥水的競爭能力增強，明顯高于KZH和DH的處理。

3.2 3種種植方式對夏玉米光分布及光能截獲的影響

不同的種植方式對玉米冠層的光分布和光能截獲的影響比較大。本實驗條件下，SHJC高密度條件下，每一株玉米能夠?qū)⒔^大部分太陽光截獲，其中穗層及以上光截獲率達到88.5%，從而構(gòu)建了高密度下的高光效的玉米冠層結(jié)構(gòu)，增加了群體上層的受光面積的同時，減少了植株間的遮擋不足問題，增強了下部的通風(fēng)透光條件，構(gòu)建了合理的光環(huán)境，除了一早一晚和中午強光時段以外，SHJC有效利用光的能力最強，同時又能避開強光對玉米葉片的損傷，舍棄比較弱的光，實現(xiàn)了高密度下玉米的智慧生長的理想，也就是對光的智慧截獲和智慧吸收，從而提高光合特性。

3.3 3種種植方式對夏玉米光合特性的影響

種植方式對玉米葉片部位帶來的影響主要是氣孔導(dǎo)度，凈光合速率Pn與氣孔導(dǎo)度的變化具有一致性[17]，3種處理的種植方式主要是行距的改變、玉米種植密度的變化[18]，因而會影響玉米葉片的凈光合速率Pn。主要原因是不同處理的冠層的微環(huán)境不同，冠層的微環(huán)境是影響玉米葉片光合作用的外在因素[9]。隨著行距的逐漸增大，不同處理的日平均溫度，田間空氣的流動，相對濕度，CO2濃度的變化等都會發(fā)生改變，與DH、KZH相比，SHJC增加玉米群體的受光面積，減少植株間的遮擋，改善通風(fēng)透光條件，提高Pn同時降低呼吸作用，SHJC的Pn的日變化比其他2種處理提前達到最大值30.2 μmol(CO2)/(m2·s)，之后進入午休，午休之后恢復(fù)比其他處理的快，避免了光系統(tǒng)的高溫損傷，而且可以利用弱光（下午5:00—7:00點）進行光合作用。

4 結(jié)論

“雙行交錯稀植”玉米種植方式播種60天，SHJC單株根系干重2.90g，小區(qū)根干重2218.50g，KZH為2.68g，DH的單株根干重3.23 g，小區(qū)合計1372.75 g，SHJC總的根干重高于DH的61.61%，高于KZH的35.26%。3個處理的玉米散粉期玉米功能葉片的小區(qū)葉面積依次為 ：SHJC：4988259 cm2，KZH：3346722 cm2，DH：2828290 cm2，SHJC的小區(qū)總?cè)~面積比DH高76.37%，比KZH高49.05%，因此不同行距配比種植能夠有效提高群體的葉面積數(shù)量。3個處理的冠層日平均吸收率依次為SHJC：75.0%，KZH：78.12%，DH：52.12%，SHJC行距配置可以很好的利用冠層頂部和底部的太陽光，中部的日平均光吸收率。3個處理的穗位層光截獲率依次為：SHJC：43.9%，KZH：44.5%，DH：42.0%；穗層及以上光截獲率依次為：SHJC：88.5%，KZH：87.2%，DH：63.6%，SHJC和KZH這2種處理的玉米葉片更有能力將絕大部分的太陽光截獲進行光合作用。上午11:00穗位葉Pn依次為：SHJC：28.2μmol/(m2·s)，KZH：27.5 μmol/(m2·s)，DH：27.1 μmol/(m2·s)；上午12:00穗位葉Pn依次為：SHJC：23.7μmol/(m2·s)，KZH：28.5μmol/(m2·s)，DH：25.8 μmol/(m2·s)；和其他2種種植方式比較，SHJC較早時間達到Pn最大值，在中午強光時，較早進入午休，下午迅速提高Pn，其維持最大Pn的時間最長；上午11:00的熒光參數(shù)NPQ依次為：SHJC：0.56，KZH：0.50，DH：0.59。玉米產(chǎn)量依次為：SHJC：11943 kg/hm2，KZH：9168.3 kg/hm2，DH：8541.0 kg/hm2。

SHJC種植方式能優(yōu)化高密度條件下玉米根系的空間分布，玉米單株相對“稀植”合理地利用了地下的肥水資源[19]，又能優(yōu)化玉米多數(shù)葉層的空間分布，穗位層及以上對光的截獲和吸收充分，底層光照少，避免了后期底部葉片早衰，根腳干凈利索。保證了穗位及以上葉層的綠葉時間長[20]，Pn達到日間最大值，并進行午休，午休之后又快速恢復(fù)避免中午強光對葉片光合系統(tǒng)的損傷，提高了葉片的光合性能，實現(xiàn)了高密度條件下玉米的高產(chǎn)，可在全國玉米主產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用本技術(shù)。