胡 娟，陶冬雪，周道瑋

(中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130102)

0 引 言

吉林西部地處中緯度溫帶半干旱區(qū)，屬于我國“黃金玉米帶”。然而，近50年來，該地區(qū)氣溫顯著升高，降水減少，蒸發(fā)量增大，干旱現(xiàn)象日益嚴(yán)重[1-2]。自1975年至2013年，吉林西部地區(qū)耕地面積增加7.78%，而人口卻增長71.4%[3]，糧食需求的持續(xù)增長與土地資源生產(chǎn)潛力不足成為當(dāng)前限制生產(chǎn)的主要矛盾，提高玉米單產(chǎn)迫在眉睫。

我國玉米單產(chǎn)的提高仍有較大空間[4]，通過調(diào)控株行距配置、改變種植模式等技術(shù)是玉米高產(chǎn)高效栽培的關(guān)鍵[5-6]。吉林西部地區(qū)玉米的種植方式大多以單壟等行距種植方式為主，萇建峰等認(rèn)為，等行距種植提高了玉米群體的整齊度，有利于增產(chǎn)[7-8]。而等行距種植存在株間競爭大、株間相互遮蔭及透光差的現(xiàn)象[9]。

密度是協(xié)調(diào)群體和個體的有效措施[10]。宋慧欣等研究表明，玉米產(chǎn)量與種植密度密切相關(guān)，增加密度是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的有效途徑[11]。劉武仁等研究表明，合理提高密度小幅度降低了玉米穗粒數(shù)和粒重，但顯著增加了穗數(shù)和總粒數(shù)，使得產(chǎn)量提高[12]。陳國平等[13]和楊國虎等[14]研究表明，低密度單株生產(chǎn)力提高對產(chǎn)量的影響小于高密度群體生產(chǎn)力提高帶來的影響。在保證穩(wěn)定或輕微減產(chǎn)的情況下增加種植密度是提高玉米單產(chǎn)的發(fā)展趨勢。有研究表明，優(yōu)化田間配置、建造適宜的群體冠層結(jié)構(gòu)可以緩解由密度增加引起的負(fù)面效應(yīng)[15]。

為了提高玉米單產(chǎn)，本研究提出了一種新的種植方式，即98 cm大壟雙行種植的方式。在等株距條件下，相同面積常規(guī)65 cm單壟方式可種植3行玉米，而98 cm大壟雙行方式可種植4行玉米，因此，與常規(guī)65 cm單壟方式相比，98 cm大壟雙行方式可使種植密度增加33.3%，提高了土地資源利用率[16]。本研究探討了98 cm大壟雙行種植方式對玉米的干物質(zhì)積累、養(yǎng)分積累、冠層分布和根系構(gòu)型等的影響，旨在為進(jìn)一步提高玉米生產(chǎn)能力提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于吉林省白城市通榆縣前青村(l22°02′～123°30′E，44°13′～45°16′N)，地處松遼平原西部，地勢平坦，海拔120 ～ 180 m，屬溫帶大陸性季節(jié)氣候。年平均氣溫約為6.3℃，年平均降雨量332.4 mm，且主要集中在6-8月，年日照時數(shù)2 741 h，無霜期162 d。土壤類型為淡黑鈣土，供試土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)13.2 g·kg-1、全氮0.69 g·kg-1、全磷172 mg·kg-1、全鉀18.6 g·kg-1、堿解氮83.5 mg·kg-1、速效磷7.55 mg·kg-1、速效鉀101.4 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年4月20日布置大田試驗(yàn)。玉米品種為先玉335，由農(nóng)安縣華夏種業(yè)有限公司提供。試驗(yàn)共設(shè)2個處理，即當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)單壟種植的對照處理(壟距65 cm)和98 cm大壟雙行種植處理。對照處理種植密度為67 500株·hm-2，施肥量為N 90 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。大壟雙行種植方式是在98 cm壟上種植兩行玉米。其中，壟上種植兩行玉米的行距以及兩個壟的行距均為48 cm。2個98 cm壟的壟寬相當(dāng)于3個65 cm單壟的壟寬，且2個98 cm壟共種植4行玉米，而3個65 cm的單壟種植3行玉米，因此，98 cm大壟雙行種植方式的種植密度較65 cm單壟種植增加了33.3%。大壟雙行處理種植密度為89 775株·hm-2。為了保證單株玉米相同的施肥量，大壟雙行處理的施肥量也相應(yīng)提高33.3%，即為N 120 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2。每處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)面積為117 m2(5.85 m×20 m)。2018年10月15日收獲。玉米生育期間灌溉2次。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 籽粒產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素測定。于成熟期測產(chǎn)，每處理每小區(qū)隨機(jī)取3壟，壟長均為10 m，測產(chǎn)面積20 m2。待自然風(fēng)干后，采用平均穗重法取10穗考察玉米穗長、穗粗、禿尖長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、單穗重、穗粒數(shù)、百粒重等籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素，然后分小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)。用水分儀測定水分，按14%含水量折合成公頃籽粒產(chǎn)量。

1.3.2 干物質(zhì)量及養(yǎng)分的測定。于玉米乳熟期在每小區(qū)隨機(jī)選取6株玉米植株。測定株高、莖基部第4節(jié)的節(jié)間長和莖粗。將植株按莖、葉、穗軸和籽粒分開，分別在105 ℃烘箱中殺青30 min，65 ℃下烘至恒重，并稱重各部位干物質(zhì)。然后粉碎，籽粒過0.25 mm孔徑篩，其他過0.5 mm孔徑篩。測定各部位全氮、全磷及全鉀含量。

全氮采用半微量開氏法測定[17]；全磷和有機(jī)磷采用氫氟酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定[17]；全鉀采用氫氟酸-高氯酸消煮-火焰光度法測定[17]。

群體干物質(zhì)量=種植密度×單株干物質(zhì)量；

單株干物質(zhì)量=根干重+莖葉干重+(苞葉+芯)干重+籽粒干重[18]；

根系氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量=根系生物量×氮、磷、鉀養(yǎng)分含量；

莖葉氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量=莖葉生物量×氮、磷、鉀養(yǎng)分含量；

籽粒氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量=籽粒生物量×氮、磷、鉀養(yǎng)分含量；

1.3.3 透光率的測定。于玉米乳熟期采用LAI-2200冠層分析儀測定上部(雄穗上方)、頂層(穗上第四葉)、穗位層(穗位葉)和冠層底部(距地面20 cm)的葉面積指數(shù)及透光率。每個點(diǎn)的測定方位保持一致，均在垂直于壟的方向測定。

1.3.4 根系構(gòu)型的測定。于乳熟期每小區(qū)隨機(jī)選取6株玉米植株，采用挖掘法挖取玉米根系。將根系清洗干凈后采用掃描儀(Epson 1680，Indone-sia)掃描，利用分析軟件(WinRhizo Pro Vision5.0，Canada)分析根系構(gòu)型。采用烘干法測定根系質(zhì)量，將根系研磨過篩，測定全氮、全磷、全鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用 Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖表，SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，LSD 法檢驗(yàn)處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表1可以看出，與對照處理相比，大壟雙行處理降低了玉米的穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)及百粒重，差異不顯著，但顯著降低了穗長(P< 0.05)。與對照處理相比，大壟雙行處理單位面積有效穗數(shù)顯著增加28.8%，玉米籽粒產(chǎn)量雖增加3.6%，但差異不顯著。

表1 不同種植方式玉米籽粒產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素

注：同一列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)。下表同。

Note: Different small letters in the same column indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

2.2 地上部農(nóng)藝性狀及根系構(gòu)型

由表2可以看出，與對照處理相比，大壟雙行處理玉米株高顯著增加3.9%，莖粗顯著降低11.8%(P< 0.05)。與對照處理相比，大壟雙行處理明顯改變了玉米的根系構(gòu)型，單株根系的根表面積、平均直徑及分叉數(shù)較對照處理分別顯著增加了37.4%、20.1%和30.4%(P<0.05)。

2.3 干物質(zhì)量及養(yǎng)分積累量

由表3可以看出，與對照處理相比，大壟雙行處理顯著降低了玉米的單株生物量(P<0.05)，其中，莖葉、包葉+芯、籽粒及單株干物質(zhì)量分別降低了11.3%、25.5%、20.0%和14.8%。大壟雙行處理群體干物質(zhì)量較對照處理顯著增加13.6%(P<0.05)。

表3 不同種植方式干物質(zhì)量

由表4可以看出，與對照處理相比，大壟雙行處理根系全N、全P和全K養(yǎng)分積累量分別增加32.1%、26.5%和34.3%；莖葉分別增加16.4%、16.7%和14.0%；籽粒分別增加5.8%、2.3%和2.8%。此外，玉米植株全N、全P和全K養(yǎng)分積累量分別較對照處理增加9.9%、7.6%和11.9%。

表4 不同種植方式養(yǎng)分積累量(kg·hm-2)

2.4 葉面積指數(shù)

由圖1可以看出，大壟雙行處理玉米植株各位層葉面積指數(shù)較對照處理有所增加。與對照處理相比，大壟雙行處理頂層、穗位層和底層葉面積指數(shù)分別提高了20.6%、8.8%和4.2%，說明，大壟雙行處理增加了各層位單位土地面積上植物葉片總面積，且對上部葉的增加最明顯。

2.5 透光率

由圖2可以看出，不同處理玉米植株的透光率均表現(xiàn)為頂層>穗位層>底層。對照處理頂層、穗位層和底層的透光率分別為23.6%、18.1%和14.0%。大壟雙行處理頂層、穗位層和底層的透光率分別為20.0%、16.5%和12.4%。大壟雙行處理頂層透光率較對照處理降低15.3%，而穗位層和底層透光率降低8.80%和11.4%，但均未達(dá)顯著水平。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different small letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.

圖1 不同種植方式玉米不同部位葉面積指數(shù)

Fig.1 The leaf area index of different plant parts with different planting patterns

圖2 不同種植方式玉米不同部位透光率

Fig.2 The transmittance of different plant parts with different planting patterns

3 討 論

98 cm大壟雙行種植降低了玉米的穗長、穗粗、行粒數(shù)、百粒重以及單株生物量，即降低了玉米的單株生產(chǎn)力，但增加了單位面積有效穗數(shù)和群體干物質(zhì)量。這說明，個體的增加彌補(bǔ)了群體物質(zhì)的生產(chǎn)的減少。98 cm大壟雙行種植群體干物質(zhì)量較65 cm單壟種植提高了13.6%，能提供更多的優(yōu)質(zhì)秸稈作為飼料以發(fā)展當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)。然而，98 cm大壟雙行種植玉米籽粒產(chǎn)量較65 cm單壟種植增產(chǎn)效果不顯著，僅增產(chǎn)3.6%。這可能與種植密度有關(guān)，張永科等[19]研究表明，增加密度在一定程度上影響玉米單株生產(chǎn)力，降低穗粒數(shù)和千粒重。本試驗(yàn)條件下，兩種種植方式的株距均為25 cm，即65 cm單壟種植密度為6.75萬株·hm-2，而98 cm大壟雙行種植密度高達(dá)8.98 萬株·hm-2，隨密度增加，群體內(nèi)光截獲率加大，植株間相互遮陰，進(jìn)而影響產(chǎn)量。靳英華于2005-2007年在長嶺縣連續(xù)3年對比了98 cm大壟雙行(株距40 cm，種植密度5.0萬株·hm-2)與65 cm單壟(株距40 cm，種植密度3.8萬株·hm-2)種植方式，結(jié)果表明，98 cm大壟雙行種植在2005年、2006年和2007年玉米產(chǎn)量分別增加15.1%、14.0%和27.2%[16]。因此，適當(dāng)增加株距以減小種植密度是進(jìn)一步探究98 cm大壟雙行種植方式增產(chǎn)機(jī)理的關(guān)鍵。

研究表明，高產(chǎn)玉米應(yīng)具有高光效的冠層結(jié)構(gòu)[21-22]。改變空間配置能直接影響作物群體光能的截獲、地上和地下物質(zhì)積累的分配以及增產(chǎn)效益[23]。薛吉全等表明，較高密植能建立良好的冠層結(jié)構(gòu)，從而使接受的光能合理地分配到群體各葉層，使中下部葉片處于較好的光照條件，以維持較高水平群體透光率[24]。而本試驗(yàn)結(jié)果表明，與65 cm單壟種植相比，98 cm大壟雙行種植頂層的透光率明顯降低了15.3%，同時也小幅度降低了穗位葉和底層的透光率，這也進(jìn)一步說明本試驗(yàn)98 cm大壟雙行種植方式的種植密度可能過高。適宜的葉面積指數(shù)可以減輕玉米葉片和植株間的相互遮蔽，有利于群體光合作用的進(jìn)行，促進(jìn)有機(jī)物合成和積累，以達(dá)到增產(chǎn)效果。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，與65 cm單壟種植相比，98 cm大壟雙行種植頂層的葉面積指數(shù)明顯增加了20.6%，同時也小幅度增加了穗位層和底層的葉面積指數(shù)。因此，98 cm大壟雙行種植頂層葉面積指數(shù)的明顯增加及頂層透光率的明顯降低說明，頂層單位土地面積上植物葉片總面積較大，引起葉片相互遮蔭，降低了透光率，進(jìn)而影響玉米生長。高密度種植增強(qiáng)了根系對養(yǎng)分、水分的競爭，根系表現(xiàn)為橫向緊縮，縱向延伸，有利于吸收下層土壤肥水。高密度種植由于促進(jìn)了植株間的競爭，0～20 cm根系生物量明顯減少[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，98 cm大壟雙行種植玉米根系多橫向生長，與65 cm單壟種植相比，其根系生物量并沒有減少，反而增加了根系全N、全P、全K的養(yǎng)分積累量，這可能與本試驗(yàn)的施肥管理有關(guān)。Hammer等[26]研究表明，高密度種植下，不僅要優(yōu)化冠層大小與結(jié)構(gòu)以最大化利用光能，同時也需要優(yōu)化根系的大小及結(jié)構(gòu)以增加對土壤水肥的利用。因此，優(yōu)化植株地上冠層及地下根系結(jié)構(gòu)也是進(jìn)一步探究98 cm大壟雙行種植方式增產(chǎn)機(jī)理的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

與常規(guī)65 cm單壟種植方式相比，(1)98 cm大壟雙行種植方式增加玉米單位面積有效穗數(shù)，增加群體干物質(zhì)量以及氮、鉀養(yǎng)分積累總量，但玉米籽粒產(chǎn)量僅增加3.6%，且未達(dá)顯著水平。(2)98 cm大壟雙行種植方式明顯增加了頂層葉面積指數(shù)，但明顯降低了頂層透光率。(3)98 cm大壟雙行種植方式明顯改變了玉米的根系構(gòu)型，增加單株根系的根表面積、平均直徑及分叉數(shù)。98 cm大壟雙行種植方式降低了耕作燃油費(fèi)用及勞動成本，但也相應(yīng)的增加了播種量及肥料施用量，由于98 cm大壟雙行種植方式在本試驗(yàn)中并沒有達(dá)到明顯的增產(chǎn)效果，因此，應(yīng)進(jìn)一步探究其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。98 cm大壟雙行種植方式還需進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)，并從種植密度、水肥管理、冠層結(jié)構(gòu)及根系結(jié)構(gòu)探究其對玉米產(chǎn)量的影響。