錯(cuò)株密植對(duì)夏玉米冠層特性和產(chǎn)量的影響

張美微 李 川 張盼盼 牛 軍 郭涵瀟 何佳雯,2 劉京寶 喬江方*

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所,鄭州 450002;2.鄭州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,鄭州 450001)

玉米是我國(guó)第一大作物,對(duì)保障糧食安全具有重要作用[1]。我國(guó)耕地資源有限,而玉米播種面積逐年下降,提高單產(chǎn)仍是維持玉米長(zhǎng)期供需平衡、保障糧食安全的有效途徑[2]。增加密植水平是玉米獲得高產(chǎn)的重要途徑,其通過(guò)提高群體光、溫資源利用,增加干物質(zhì)積累實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。但隨著密度的不斷增加,玉米植株群體內(nèi)葉片相互遮蔽,嚴(yán)重減少了中下部葉片對(duì)光能的吸收利用,削弱群體光合性能,限制籽粒庫(kù)的建成[3];且過(guò)高的密植水平加劇了植株在土壤養(yǎng)分和水分資源上的競(jìng)爭(zhēng),造成莖稈纖細(xì),增加植株后期倒伏風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。因此,利用栽培技術(shù)實(shí)現(xiàn)密植夏玉米合理群體構(gòu)建,削弱高密植的不利影響,充分挖掘其產(chǎn)量潛力是夏玉米實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段。

近年來(lái),圍繞改變植株田間分布來(lái)改善密植夏玉米群體環(huán)境,增加通風(fēng)透光量,提高密植產(chǎn)量等方面已有大量研究報(bào)道。研究結(jié)果顯示,在高密植下通過(guò)調(diào)整玉米種植方式使植株在田間均勻分布,可以有效改善群體冠層結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)個(gè)體和群體關(guān)系,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[7-8]。其中,錯(cuò)株種植方式是通過(guò)改變相鄰兩行玉米排列方式達(dá)到植株田間均勻分布的一種有效措施;其較常規(guī)對(duì)株種植更有利于提高群體冠層光能分布的合理性,增加葉片光截獲和光合速率,有效促進(jìn)群體和個(gè)體的協(xié)調(diào)發(fā)展[9-10]。然而,錯(cuò)株密植在不同密植水平下其增產(chǎn)作用的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以耐密植玉米品種‘鄭單958’為材料,采用大田試驗(yàn)方法設(shè)置不同密植水平,對(duì)植株冠層結(jié)構(gòu)、穗位葉熒光參數(shù)、葉綠素含量和產(chǎn)量及其構(gòu)成因素進(jìn)行測(cè)定分析,旨在明確錯(cuò)株增密對(duì)玉米產(chǎn)量形成的調(diào)控作用,以期為玉米密植增產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021和2022年連續(xù)2年在河南省周口市西華縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(33°42′49.133″ N, 114°32′12.869″E)開(kāi)展,該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。2021年夏玉米生育期平均氣溫26.8 ℃,總降水量為764.9 mm,總?cè)照諘r(shí)數(shù)560.9 h,每月各旬氣象資料見(jiàn)表1。大田土壤耕層0—20 cm土層pH 8.42、有機(jī)質(zhì)20.6 g/kg、全氮1.4 g/kg、水解氮87.4 mg/kg、有效磷20.3 mg/kg、速效鉀254 mg/kg。試驗(yàn)采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),以‘鄭單958’為材料(購(gòu)于河南秋樂(lè)種業(yè)科技股份有限公司),設(shè)置密植水平和種植方式2個(gè)因素。密度水平為67 500(D1)、82 500(D2)、90 000株/hm2(D3);種植方式為對(duì)株種植(CK)和錯(cuò)株種植(S)。對(duì)株種植是指相鄰兩行玉米并排排列的一種種植方式,錯(cuò)株種植方式是指相鄰兩行玉米在行間交錯(cuò)排列的一種種植方式,見(jiàn)圖1。小區(qū)面積15 m2,行距為0.6 m,采取等行距種植,行長(zhǎng)5 m,共6行;各處理重復(fù)3次,共18個(gè)小區(qū)。夏玉米于6月11日播種,9月22日收獲。其他田間管理同一般高產(chǎn)田。

圖1 對(duì)株(a)和錯(cuò)株(b)種植方式Fig.1 Parallel (a) and staggered (b) planting

表1 西華縣夏玉米生育期氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data during maize growth period at Xihua county

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 植株冠層結(jié)構(gòu)

于夏玉米籽粒建成期(R2)利用美國(guó)Li-Cor公司的LAI-2200植物冠層分析儀測(cè)定玉米第3、4行間(未取樣)穗位層和近地面20 cm的植株冠層葉面積指數(shù)(LAI)與無(wú)截獲散射(DIFN);其中,DIFN的范圍在0(全葉片)～1(無(wú)葉片)。進(jìn)行植株穗位層測(cè)量時(shí)儀器傳感器探桿水平方向保持與穗柄位置高度一致,近地面20 cm測(cè)量時(shí)儀器傳感器探桿水平方向與地面保持20 cm高度。

1.2.2 葉綠素?zé)晒?/p>

使用Pocket PEA植物效率分析儀(英國(guó)Hansatech公司)于夏玉米大喇叭口期(V12)和籽粒建成期(R2)測(cè)定穗位葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)。選擇晴朗的天氣,于9:00—10:00避開(kāi)葉脈使用儀器配套葉片夾對(duì)穗位葉中部進(jìn)行暗處理30 min。暗處理后測(cè)定PSⅡ初始熒光Fo和最大熒光產(chǎn)量Fm,可變熒光Fv=Fm-Fo;計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)。

1.2.3 葉綠素SPAD

于夏玉米V12和R2時(shí)期使用SPAD-502 Plus(日本Konica Minolta公司)便攜式葉綠素測(cè)定儀對(duì)第3、4行的第10片葉和穗位葉葉綠素相對(duì)含量進(jìn)行測(cè)定,各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株15株測(cè)定,并記錄。

1.2.4 成熟期考種和測(cè)產(chǎn)

收獲前對(duì)各小區(qū)前期未取樣的中間3、4行植株株數(shù)、空稈率、雙穗率和穗數(shù)進(jìn)行調(diào)查,收獲時(shí)各小區(qū)取中間長(zhǎng)勢(shì)一致的植株10株進(jìn)行考種,測(cè)量穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素,收獲前調(diào)查各小區(qū)收獲穗數(shù),計(jì)產(chǎn)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

田間調(diào)查結(jié)果采用SPSS 20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,處理間差異性分析采用Duncan’s多重比較進(jìn)行,顯著水平為P<0.05;圖形繪制采用Excel 2016進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 錯(cuò)株密植對(duì)植株冠層結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知,增加密植水平可以顯著提高玉米植株基層和穗位層葉面積指數(shù)(LAI)。D2和D3密植水平下,植株基層和穗位層葉面積指數(shù)較D1密度分別提高了26.03%和45.57%(D2)、29.51%和37.50%(D3),且穗位層葉面積指數(shù)的增幅更大。錯(cuò)株種植下植株基層葉面積指數(shù)僅在D2和D3水平下出現(xiàn)小幅增加(4.24%和4.16%),但差異未達(dá)顯著水平。而錯(cuò)株種植均提高了不同密植水平下植株穗位層葉面積指數(shù),D1、D2和D3密植水平下增幅分別為15.45%、32.41%和8.21%,且在D2水平下差異達(dá)到顯著水平。

D1、D2、D3分別為種植密度67 500、82 500、90 000株/hm2;CK和S為對(duì)株和錯(cuò)株種植處理。不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。D1, D2 and D3 are 67 500, 82 500 and 90 000 plant/hm2 density, relatively; CK and S are parallel and staggered planting relatively. Different lowercases indicate significantly different at P<0.05. The same below.圖2 R2時(shí)期不同密植水平和錯(cuò)株種植處理的夏玉米植株基層(a)和穗位層(b)葉面積指數(shù)(LAI)Fig.2 Leaf area index of summer maize on bottom layer (a) and ear layer (b) at R2 stage under different densities and staggered planting treatments

由圖3可知,植株無(wú)截獲散射(DIFN)也受密植水平和錯(cuò)株種植方式的顯著影響。隨著密植水平的增加,植株基層和穗位層無(wú)截獲散射顯著降低,D2和D3密植水平下分別較D1降低45.93%和28.79%(D2)、53.32%和23.09%(D3),且基層降幅更大。不同密植水平下對(duì)株種植(CK)和錯(cuò)株種植(S)兩種方式的植株基層無(wú)截獲散射均無(wú)顯著差異,而錯(cuò)株密植均降低穗位層植株DIFN,D1、D2和D3密植水平下分別降低8.44%、34.55%和8.77%,且在D2密植水平下差異達(dá)到顯著水平。

圖3 R2時(shí)期不同密植水平和錯(cuò)株種植處理的夏玉米植株基層(a)和穗位層(b)無(wú)截獲散射(DIFN)Fig.3 Diffuse non-interceptance of summer maize on bottom layer (a) and ear layer (b) at R2 stage under different densities and staggered planting treatments

2.2 錯(cuò)株密植對(duì)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)和SPAD的影響

由表2 可知,隨著密植水平的增加,Fv/Fm和Fv/Fo均出現(xiàn)下降趨勢(shì),其中V12時(shí)期D2和D3水平較D1分別下降0.40%和2.19%(D2)、7.83%和22.78%(D3);R2時(shí)期的降幅分別為0.38%和1.68%(D2)、0.63%和2.74%(D3)?？梢钥闯雒苤菜綄?duì)V12的熒光參數(shù)產(chǎn)生的影響較大,且D3>D2。此外,D2和D3密植下S增加穗位葉Fv/Fm和Fv/Fo參數(shù)。V12時(shí)期,S處理較CK 的Fv/Fm和Fv/Fo分別增加0.68%和2.90%(D2)、5.36%和3.33%(D3);R2時(shí)期相應(yīng)的增幅分別為0.17%和1.03%(D2)、0.17%和1.22%(D3)。

表2 V12和R2時(shí)期不同密植水平和錯(cuò)株種植處理的玉米穗位葉葉綠素?zé)晒馓匦訲able 2 Chlorophyll fluorescence characteristics of ear leaf for summer maize at V12 and R2 stages under different densities and staggered planting treatments

由圖4可知,SPAD隨著密植水平增加而降低,D2和D3較D1分別降低1.54%和2.07%(V12)、3.15% 和9.97%(R2),且在R2時(shí)期達(dá)到顯著差異水平。S提高了穗位葉SPAD,V12時(shí)期的S較CK分別提高1.90%(D2)和4.05%(D3),R2時(shí)期增幅分別為1.69%(D2)和1.68%(D3)。

圖4 V12(a)和R2(b)時(shí)期不同密植水平和錯(cuò)株種植處理的夏玉米穗位葉SPADFig.4 SPAD of ear leaf for summer maize at V12 (a) and R2 (b) stages under different densities and staggered planting treatments

2.3 錯(cuò)株密植對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知,各密植水平間D1和D2在穗部性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素穗粒數(shù)和千粒重方面并無(wú)顯著差異,而當(dāng)密度增加至D3時(shí),穗粗、穗粒數(shù)和千粒重分別較D1降低4.73%、4.79%和11.55%,禿尖延長(zhǎng)0.46倍;由于密植水平增加,D2和D3較D1收獲穗數(shù)提高了20.79%和28.44%,產(chǎn)量增加18.89%和8.12%。錯(cuò)株種植(S)處理顯著提高了各密植水平下的千粒重和高密植下(D2和D3)的收獲穗數(shù),而對(duì)其他穗部性狀無(wú)顯著影響;其中,D1、D2和D3條件下S處理的千粒重增幅分別為6.72%、11.56% 和11.94%,D2和D3種植條件下S處理收獲穗數(shù)的增幅分別為3.38%和5.19%。夏玉米產(chǎn)量對(duì)種植方式和密度的響應(yīng)在2年間表現(xiàn)一致(圖5),D1下錯(cuò)株種植對(duì)產(chǎn)量的影響未達(dá)到顯著水平;而在高密植(D2和D3)下,錯(cuò)株種植均顯著提高夏玉米產(chǎn)量,S處理分別較CK增產(chǎn)10.23%和14.08%(2021年)、11.73%和12.07%(2022年)。各種植方式和密度處理組合間,D2-S處理獲得最高產(chǎn)量,2021和2022年分別較D1-CK處理顯著增產(chǎn)30.26%和29.79%。

圖5 不同密植水平和錯(cuò)株種植處理的夏玉米產(chǎn)量Fig.5 Yield of summer maize with different densities and staggered planting treatments

3 討 論

3.1 錯(cuò)株密植對(duì)夏玉米冠層特性的影響

合理的冠層結(jié)構(gòu)有利于植株葉片生長(zhǎng)發(fā)育,增加光能截獲,提高群體光合能力,進(jìn)而促進(jìn)干物質(zhì)積累,提高產(chǎn)量[11]。高密植下優(yōu)化種植方式可以調(diào)控群體冠層結(jié)構(gòu),使群體內(nèi)不同葉層光照分布更加均勻,以提高光能利用效率[12]。玉米植株葉面積指數(shù)可以顯著影響植株冠層的光分布,而穗位層較高的透光率有利于中間層葉片獲得更多的光能截獲,延緩冠層葉片衰老進(jìn)程[13-14]。已有研究表明,玉米密植水平增加后,植株葉面積指數(shù)升高,無(wú)截獲散射下降[15];而在高密植下分散均勻的錯(cuò)株種植方式更有利于優(yōu)化群體光照條件,提高植株光合性能[10]。本研究結(jié)果顯示,隨著玉米密植水平增加,基層和穗位層葉面積指數(shù)均顯著提高,以穗位層增幅較大,D2和D3分別達(dá)到45.57%和37.50%;且增幅表現(xiàn)為D2>D3。然而,玉米群體植株無(wú)截獲散射則隨著密植水平的增加而顯著下降。說(shuō)明,增加密植水平有利于提高植株有效光合葉面積,增強(qiáng)群體光合能力;而過(guò)高的密植水平則易造成不合理的群體光分布,引起群體郁蔽,限制植株光合性能[12]。改變植株在田間的分布情況,優(yōu)化光能在群體冠層的分布,是密植夏玉米獲得高產(chǎn)的重要方式。目前,關(guān)于不同株行距配置(寬窄行、擴(kuò)行縮株等種植方式)調(diào)控密植夏玉米群體方面開(kāi)展了大量的研究,結(jié)果均顯示改變株行距可以顯著提高群體葉面積指數(shù)和透光性,改善冠層結(jié)構(gòu)和光合性能[16-17]。而保留傳統(tǒng)株行距配置,僅改變植株分布的“單雙株錯(cuò)位”、“三角留苗”、“錯(cuò)株增密”等種植方式的研究也表明,空間分布均勻的植株群體在冠層結(jié)構(gòu)和葉片光合特性等方面均優(yōu)于常規(guī)對(duì)株種植方式[9-10,18]。說(shuō)明,密植夏玉米可以通過(guò)改變?nèi)后w植株田間分布獲得高產(chǎn)。本研究結(jié)果也顯示,錯(cuò)株密植的種植方式可以提高不同密植水平下玉米植株葉面積指數(shù),降低無(wú)截獲散射,以穗位層尤為顯著;且各密植水平中以D2密植水平下變幅最大(LAI 32.41%,DIFN -34.55%),均達(dá)到顯著水平。因此,在D2密植水平下采取錯(cuò)株種植方式(S)更有利發(fā)揮植株群體葉面積指數(shù)潛力,增強(qiáng)群體光合有效輻射截獲能力。葉綠素?zé)晒鈪?shù)是研究植物光合作用的有效工具,可以有效反映PSⅡ的原初光化學(xué)反應(yīng)和光合機(jī)構(gòu)狀態(tài)的變化[19]。其中,Fv/Fm和Fv/Fo分別表示PSⅡ反應(yīng)過(guò)程中的最大光化學(xué)量子產(chǎn)量和潛在的光化學(xué)活性,能有效反映PSⅡ的反應(yīng)中心的光能轉(zhuǎn)化效率和數(shù)量。本研究結(jié)果顯示,增加密植水平會(huì)降低玉米植株穗位葉的Fv/Fm和Fv/Fo以及SPAD,且以V12時(shí)期影響較大,在D3高密度下達(dá)到顯著水平;錯(cuò)株種植方式可以有效緩解密植(D2和D3)對(duì)玉米植株穗位葉熒光參數(shù)和SPAD的不利影響,提高密植下熒光參數(shù)(Fv/Fm、Fv/Fo)和SPAD,且以D3密植下調(diào)控效果更強(qiáng)。說(shuō)明,錯(cuò)株種植方式是玉米在高密植水平下調(diào)控群體冠層結(jié)構(gòu),緩解密植不利影響的有效措施。

3.2 錯(cuò)株密植對(duì)夏玉米產(chǎn)量形成的影響

增加密植水平是提高玉米單產(chǎn)的關(guān)鍵措施,密植主要通過(guò)提高單位面積穗數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[10]。玉米產(chǎn)量一般隨著密植水平的提高呈拋物線變化趨勢(shì),而當(dāng)密植水平過(guò)大時(shí),穗粒數(shù)和粒重下降對(duì)產(chǎn)量的影響會(huì)遠(yuǎn)大于單位面積穗數(shù)增加的影響,從而造成減產(chǎn)[20-21]。柏廷文等[21]研究表明,不同株型玉米增密至60 000～90 000株/hm2時(shí),可獲得19.7%～26.9%的增產(chǎn)幅度;但密度每增加10 000株/hm2,將面臨穗粒數(shù)減少24.3～37.2粒,百粒重降低1.1～1.4 g。本研究結(jié)果顯示,密植D2和D3均顯著提高了玉米產(chǎn)量,較D1分別增產(chǎn)18.89%和8.12%,但高密植D3顯著降低了穗粗、穗粒數(shù)和千粒重,延長(zhǎng)了禿尖長(zhǎng)。因此,在高密度種植下,穩(wěn)定玉米穗粒數(shù)和千粒重是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。改變密植群體植株分布,優(yōu)化冠層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)夏玉米密植增產(chǎn)的關(guān)鍵因素。已有研究結(jié)果顯示,擴(kuò)行縮株、寬窄行均可以通過(guò)優(yōu)化植株田間分布,提高冠層光合群體結(jié)構(gòu),獲得增產(chǎn)[17-18]。“蜂巢式”和“雙行交錯(cuò)”等僅改變行間排列的交錯(cuò)種植方式也可以達(dá)到顯著的增產(chǎn)[22-23]。吳雪梅等[24]研究顯示,玉米產(chǎn)量受相鄰兩行植株位置的顯著影響,行間交錯(cuò)種植的方式可增產(chǎn)4.88%左右。本研究結(jié)果顯示,與對(duì)株種植相比,錯(cuò)株種植方式可提高千粒重6.72%～11.94%,且使D2和D3密植水平下收獲穗數(shù)增加3.38%和5.19%,最終實(shí)現(xiàn)密植夏玉米增產(chǎn)10.23%～14.08%;在各種植方式和密植水平中,D2-S(82 500株/hm2,錯(cuò)株種植)種植模式下玉米產(chǎn)量最高,2年較對(duì)照平均增產(chǎn)30.03%,是該地區(qū)密植夏玉米獲得高產(chǎn)的最佳種植模式。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)條件下夏玉米在高密植(82 500株/hm2)下采用錯(cuò)株種植(S)方式可顯著增加葉面積指數(shù)LAI,降低無(wú)截獲散射(DIFN),減少密植群體葉片郁蔽帶來(lái)的不利影響,最終提高群體有效光輻射截獲能力。各種植方式和密度處理間,D2-S處理通過(guò)增加收獲穗數(shù)、穩(wěn)定穗粒數(shù)、提高千粒重實(shí)現(xiàn)2年平均增產(chǎn)30.03%。因此,夏玉米在82 500株/hm2密植水平下,采用錯(cuò)株種植可獲得最優(yōu)冠層結(jié)構(gòu),增產(chǎn)效果顯著,是黃淮海區(qū)域?qū)崿F(xiàn)夏玉米增產(chǎn)的最佳種植模式。