种植密度对春玉米灌浆期光合特性日变化和光响应曲线及产量的影响

张向前，白岚方，路战远，郭晓霞，孙峰成，程玉臣，贾 凯，王玉芬

(1.内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010020)

玉米不仅是我国的主要粮食作物，同时也是主要的经济作物和能源作物，因此，保证玉米的产量对保障国家粮食安全和促进国家工业发展具有重要的时代意义[1]。我国玉米种植总面积和总产量与美国相当，居于世界第2位，不仅如此，我国还是世界玉米生产的主要国家[2]。但是玉米产量的增加与其他作物一样是通过群体生产的过程，而非单一植株的产量表现[3]。玉米要获得高产就必须建立合理的群体结构，所以，玉米高产增产研究的切入点应以构建合理群体结构为核心[4]。玉米的群体结构是影响玉米群体光分布和光合特性变化的主要因素，合理的群体结构可以建立合理的玉米冠层结构，从而有利于玉米高产稳产[5]。然而玉米群体的冠层结构和产量是受品种、栽培措施、管理水平、气候等诸多因子的影响，但种植方式和密度是直接影响玉米冠层结构及群体间微环境的主要因子[6-8]。有研究发现，随着玉米种植密度的增加，其单株产量降低，但植株群体的总产量却明显增加[9]。然而也有研究表明，随着玉米种植密度的增加，其群体下部叶片早衰现象增加，叶片受光条件降低，群体光合速率降低，导致玉米单株干物质积累速率下降，从而增加了玉米群体减产的风险[10-11]。但还有研究发现，选择适宜密度，可使产量构成的各因素有较好的协调关系，可使玉米穗粒数增加、空秆率降低，而且还会有较适宜的经济系数等[12]。因此，选择适宜品种和合理的密度是塑造玉米冠层结构合理的前提，从而可提高玉米冠层的光合性能，延缓生长后期的早衰性，最终提高玉米籽粒产量。然而，玉米籽粒产量的主要来源是花后干物质的积累和转移[13]。抽雄吐丝后玉米叶片光合同化物量是玉米籽粒产量的主要来源，花后玉米群体光合同化物量的多少决定了玉米籽粒产量的高低，而吐丝前玉米叶片的同化物量对其籽粒产量的影响小于10%[14-15]。抽雄吐丝后玉米叶片光合速率与其干物质积累量呈正相关关系[16]，而且玉米籽粒产量的高低由花粒期群体光合速率优略决定的[17]。关于种植密度对玉米光合速率、合理冠层结构及产量形成的研究较多[6-17]，关于不同种植密度下，玉米灌浆期的光合特性日变化规律及光响应曲线的研究少有报道，特别是对玉米籽粒产量贡献最大的灌浆期光合性能的研究报道更少。因此，系统研究不同种植密度条件下玉米灌浆期的光合性能变化规律，对提高玉米产量和适宜密度的选择与应用具有重要的理论指导意义和实践基础价值。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验在内蒙古和林格尔县盛乐镇和创农业评审中心试验基地进行，该区位于N 40°41′，E 111°26′，海拔高1 027 m。属于中温带半干旱大陆性季风气候，主要气候特征是干旱、多风、寒冷、日光充足、昼夜温差大，春季升温快，秋天降温剧烈。年平均气温为6.2 ℃，年日均气温在5.0 ℃以上的持续时间为195 d左右，年日均气温在0 ℃以上持续的时间为233 d左右，全年≥10 ℃的积温在2 600～2 800 ℃，年平均风速3.1～3.9 m/s，年平均降水量392.8 mm，无霜期135 d。试验土壤类型为黄壤土，有机质含量为17.46 g/kg，全氮含量为0.63 g/kg，全磷含量为0.51 g/kg，全钾含量为17.40 g/kg，碱解氮含量为53.20 mg/kg，速效磷含量为25.10 mg/kg，速效钾含量为113.70 mg/kg，土壤平均容重1.23 g/cm3，前茬作物为玉米。

1.2 供试材料

春玉米供试品种为广德5。

1.3 试验设计

试验共设5个密度处理，分别为60 000株/hm2(M40)、67 500株/hm2(M45)、75 000株/hm2(M50)、82 500株/hm2(M55)和90 000株/hm2(M60)。每处理重复3次，共15个小区，小区面积60 m2。各处理除种植密度不同外，施肥量均相同。播种日期为2017年5月7日，玉米播种施用玉米复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)600 kg/hm2。于2017年6月10日追施玉米复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)300 kg/hm2，2017年7月20日追施尿素150 kg/hm2，2017年8月10日追施玉米复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)300 kg/hm2。灌溉方式采用滴灌，全生育期共灌水6次。除此之外，其他管理方式同大田。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 灌浆期光合性能指标日变化的测定 8月30日选择了微风的晴天，采用美国LI-COR公司的LX-6400便携式光合系统分析仪，在6:00，7:00，9:00，11:00，13:00，14:00，16:00，18:00和20:00时测定1次穗位叶光合特性，每处理随机选取5株穗位叶长势相当、叶面积大小差不多的玉米植株进行测定，取平均值。为防止阳光随时间的变化，在利用LX-6400测定之前，先测出开始测定时的阳光强度，然后把人工光源设定为该时间的光照强度进行测定，分别测定不同密度下各玉米植株穗位叶的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)等指标。

1.4.2 光响应曲线的测定 8月31日至9月1日选择2 d无风和微风的晴天，在玉米灌浆中后期随机选取3株穗位叶长势相当、叶面积大小差不多的玉米植株进行测定，取平均值。采用LX-6400人工光源提供0～2 000 μmol/(m2·s)(光强设定为：0，20，40，100，200，400，800，1 000，1 200，1 400，1 500，1 600，1 800，1 900，2 000 μmol/(m2·s))，每个光强下适应1～3 min后测定。

1.4.3 玉米产量测定 玉米成熟期每处理取双行4 m长内的地上部植株全部收获，重复3次，自然风干后测定玉米的生物产量和籽粒产量。

1.4.4 模拟方程 利用非直角双曲线(Non-rectangular hyperbola equation)模型对穗位叶片的净光合速率(Pn)和光合有效辐射(PAR)之间的关系进行分析[18-19]，其模拟公式为：

Pn=(Q×PAR+Pmax-SQRT[(Q×PAR+Pmax)×(Q×PAR+Pmax)-4Q×PAR×K×Pmax)]×2K-Rd

式中：Pmax代表最大净光合速率；Q代表表观量子效率；K是光响应曲线曲角；Rd代表暗呼吸速率。光补偿点(Light compensation point，LCP)及光饱和点(Light saturation point，LSP)的模拟公式分别为：LCP=Rd×Q；LSP=(Pmax+Rd)×Q。

1.5 数据处理

试验数据利用Excel 2010和SPSS 18.0进行处理和统计分析，作图利用SigmaPlot 12.5软件绘制。

2 结果与分析

2.1 种植密度对春玉米灌浆期穗位叶片净光合速率日变化的影响

由图1可知，种植密度对春玉米品种广德5灌浆中后期穗位叶净光合速率日变化的影响均呈单峰曲线变化趋势，但不同密度达到峰值的时间存在一定差异。不同密度对光合速率日变化的影响均以早晨和晚上最低，6:00时各密度的净光合速率在1.36～2.02 μmol/(m2·s)，20:00时各密度的净光合速率均降低为负值，各处理净光合速率相差较小。不同密度对净光合速率日变化的影响分为3种变化趋势，其中6:00-11:00时为直线上升时段，11:00-14:00时为各密度的峰值过度时段，其净光合速率变化较平缓，而14:00-20:00时是各密度处理下净光合速率迅速下降阶段，均呈直线下降趋势。分析各时间点净光合速率可看出，6:00，7:00，16:00和20:00时各处理的净光合速率相差较小，而其他时间点各处理的光合速率存在较大差异。其中M50、M55、M60处理在11:00时达到峰值，而以M50处理的净光合速率最大，为30.45 μmol/(m2·s)，分别比M40、M45、M55、M60的净光合速率高出14.83%，15.34%，2.21%，10.67%；M40、M45处理达到峰值的时间为13:00时，以M40的净光合速率最大，为30.95 μmol/(m2·s)，分别比M45、M50、M55、M60的净光合速率高出6.82%，12.52%，17.96%，20.58%；14:00时各处理净光合速率的大小顺序为M50>M55>M45>M40>M60。综合分析各密度处理的平均日净光合速率可看出，M50处理的平均日净光合速率最大，其值为13.85 μmol/(m2·s)，分别比M40、M45、M55、M60处理提高了4.58%，1.96%，5.33%，14.50%。

图1 不同密度对玉米灌浆期穗位叶片净光合速率日变化的影响Fig.1 Effects of different planting density on the daily variation of net photosynthetic rate of ear lobe in filling stage of maize

2.2 种植密度对春玉米灌浆期穗位叶片气孔导度日变化的影响

种植密度对春玉米广德5灌浆中后期穗位叶片气孔导度的影响见图2。不同密度处理对广德5气孔导度日变化的影响规律与净光合速率相同，均呈单峰曲线变化趋势，各处理达到峰值的时间在11:00-13:00时。比较不同密度处理的各时间点气孔导度可看出，在6:00和7:00时，各处理的气孔导度相差较小，16:00，18:00和20:00时的气孔导度差异性比6:00时和7:00时的大，除此之外，各时间点不同密度处理的气孔导度均存在较大差异。各处理气孔导度日变化趋势可分为3个阶段， 6:00-11:00时不同密度处理下的气孔导度均呈直线上升阶段，11:00-14:00时，M50、M55、M60为缓慢降低时段，M40处理为升高降低剧烈变化阶段，而M45气孔导度的变化最为稳定。比较11:00各处理的气孔导度可看出，M50、M55、M60处理的气孔导度均达到最大值，其中以M50处理最大，其值为250.91 mmol/mol，分别比M40、M45、M55、M60高出了52.85%，51.26%，23.34%，38.60%；在13:00时，M40、M45的气孔导度均达到了最大值，且以M40处理最大，其次是M45处理，再次为M50处理，最小的是M60处理；14:00时以M50处理的气孔导度最大，其值为174.41 mmol/mol，其次是M45、M40和M55处理较接近，最小的为M60处理，为95.63 mmol/mol，各密度处理对平均日气孔导度影响的大小顺序为M50>M45 ≈ M40>M55>M60。

图2 不同密度对春玉米灌浆期穗位叶片气孔导度日变化的影响Fig.2 Effects of different planting density on the daily variation of stomatal conductance of ear lobe in filling stage of maize

2.3 种植密度对春玉米灌浆期穗位叶片胞间CO2浓度日变化的影响

从图3可看出，不同种植密度对春玉米灌浆中后期穗位叶胞间CO2浓度的影响趋势相同，均呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势。除11:00-14:00时各密度处理的胞间CO2浓度存在一定差异外，其他各时间点胞间CO2浓度的差异性均较小，以11:00时和13:00时各密度处理的胞间CO2浓度差异性最大。在11:00时，各密度处理对胞间CO2浓度影响的大小顺序为M45>M40>M55>M60>M50；13:00时，密度处理对胞间CO2浓度的影响以M60最大，为123.72 μmol/mol，其次是M55，再次为M50，最小的是M40，为73.84 μmol/mol；综合比较各密度处理的平均日胞间CO2浓度可看出，M60处理的平均日胞间CO2浓度最大，为306.21 μmol/mol，分别比M40、M45、M50、M55处理提高了0.94%，3.16%，5.62%，2.93%。

图3 不同密度对春玉米灌浆期穗位叶片胞间CO2浓度日变化的影响Fig.3 Effects of different planting density on the daily variation of intercellular CO2 concentration of ear lobe in filling stage of maize

2.4 种植密度对春玉米灌浆期穗位叶片蒸腾速率日变化的影响

由图4可知，不同种植密度对广德5蒸腾速率日变化影响趋势也呈现单峰变化，但由于种植密度不同导致每个处理广德5蒸腾速率达到峰值的时间不同。11:00时M40、M50、M55、M60处理的峰值均达到最大值，但以M50处理的峰值最大，为4.88 mmol/(m2·s)，其他处理大小顺序依次为M55、M40、M45、M60；13:00时M45的蒸腾速率达到最大值，为4.49 mmol/(m2·s)，分别比M40、M50、M55和M60高出了5.12%，12.97%，25.75%，28.05%。种植密度对广德5蒸腾速率日变化的影响趋势可以分为3个阶段，其中 6:00-9:00时为平缓上升期，该阶段各密度处理的蒸腾速率变化趋势较平缓，在1～2 mmol/(m2·s)变化；而9:00-11:00时为快速增长期，各密度处理的蒸腾速率呈现直线上升趋势，除M45外均达到峰值；11:00-20:00时为直线下降期，该阶段各密度处理的蒸腾速率均开始呈下降趋势，且变化基本相近，最终在20:00时蒸腾速率降到最低值。从图4中可看出，密度对春玉米广德5蒸腾速率日变化影响差异性时间段主要在9:00-16:00，该时间段内各密度处理的蒸腾速率存在着一定差异性变化。

图4 不同密度对春玉米灌浆期穗位叶片蒸腾速率日变化的影响Fig.4 Effects of different planting density on the daily variation of transpiration rate of ear lobe in filling stage of maize

2.5 种植密度对春玉米灌浆中后期穗位叶片光响应曲线的影响

通过非直角双曲线模型对春玉米广德5灌浆中后期穗位叶片净光合速率与光合有效辐射关系的模拟可以看出(图5)，不同密度处理下各光强的最大净光合速率对光强的响应为米氏响应规律。光照强度在0～200 μmol/(m2·s)时，各密度处理的春玉米灌浆中后期穗位叶净光合速率增长较缓慢，在光照强度为200～1 000 μmol/(m2·s)时，春玉米灌浆中后期穗位叶净光合速率呈直线增长趋势，光照强度大于1 000 μmol/(m2·s)时，春玉米灌浆中后期穗位叶净光合速率趋于平稳，基本在1 200 μmol/(m2·s)时均达到最大值，而>1 200 μmol/(m2·s)时春玉米灌浆中后期穗位叶净光合速率基本保持不变。

图5 不同种植密度下春玉米灌浆中后期穗位叶片的光响应曲线Fig.5 Responses of Pn to light in spring maize ear leaves at middle and late grouting under different planting densities

由表1可知，不同种植密度下春玉米广德5灌浆中后期穗位叶片的光响应曲线的拟合较好，在P<0.05水平下均达到显著，且不同种植密度对光响应曲线参数的响应效应存在较大差异。根据表1中模拟出的最大净光合速率(Pnmax)可看出，以M50处理的最大净光合速率最大，其值为30.482 μmol/(m2·s)，分别比M40、M45、M55、M60处理模拟出的最大净光合速率提高了24.28%，15.41%，18.41%，3.13%。不同种植密度下模拟的光响应曲线的曲角(K)以M45最大，其值为0.982，其次是M40，再次是M55，最小的是M60处理。各密度处理模拟的表观量子效率(Q)从大到小的顺序依次为M45>M50>M60>M40>M5。根据各密度处理模拟出的暗呼吸速率以M45最大，其值为2.559 μmol/(m2·s)，分别是M40、M50、M55和M60的1.26，1.07，1.29，1.28倍。不同密度处理的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)的大小顺序分别为M60>M55>M50>M40>M45和M50>M55>M45>M40>M60。

2.6 种植密度对春玉米生物产量和籽粒产量的影响

由表2可看出，不同种植密度对春玉米广德5生物产量、籽粒产量和收获指数的影响存在较大差异。不同种植密度对广德5生物产量影响的大小顺序为M50>M45>M55>M40>M60，除M45与M50在P<0.05水平下无显著性差异外，其他各处理均存在显著性差异；分析不同密度对籽粒产量的影响可看出，以M50处理最大，其值为17 959.33 kg/hm2，分别比M40、M45、M55、M60高出21.60%，1.24%，0.84%，4.10%，即分别是M40，M45，M55，M60的1.22，1.01，1.01，1.04倍。通过方差分析得出，除M45、M50和M55 3个处理之间无显著性差异外，其他处理间在P<0.05水平下均存在显著性差异；收获指数以M60最大，其次是M55，再次为M45，最小的为M40处理，除M55和M60两处理之间无显著差异外，其他各处理在P<0.05水平下均存在显著性差异。

表1 不同种植密度下春玉米灌浆中后期穗位叶光响应曲线模拟参数Tab.1 Simulation parameters of light response curves in spring maize ear leaves at middle and late grouting under different planting densities

注：*表示各处理在P<0.05差异显著。

Note:*indicated that there was significant difference among treatments atP<0.05 levels.

表2 种植密度对春玉米籽粒产量和收获指数的影响Tab.2 Effects of different planting densities on yield and harvest index of spring maize

注：同列不同小写字母表示各处理在P<0.05差异显著。

Note:Different small letters in the same column meant significant difference among treatments at 0.05 levels．

3 结论与讨论

玉米生产过程中产量水平的高低是多种因素共同作用的结果，在其生长环境相同的条件下，种植密度是影响玉米产量水平高低的重要因素之一[20]。光合作用是保证作物生长发育进程和产量形成的重要基础途径，因此，提高玉米叶片的光合性能是增加玉米产量水平的根本[21]。当前玉米栽培中，增加种植密度是世界乃至中国玉米产量水平提高的主要途径，但种植密度的增加促使玉米个体与群体间的矛盾也越来越突出，因此，需要确定合理的种植密度，以构建良好的群体结构。合理的种植密度不仅可以构建良好的玉米群体生长结构，而且还可获得适宜玉米生长的光合面积，提高其光能利用效率，增加玉米植株体内的光合物质的合成、积累和转移[22]。本研究发现，不同种植密度对玉米灌浆中后期穗位叶片的净光合速率和气孔导度日变化的影响均呈单峰曲线变化趋势，但达到峰值的时间存在一定差异。而且各时段净光合速率大小基本上也随着密度的增加呈先升高后降低的单峰曲线变化趋势，最大值在M45和M50处理间变化。其中M50、M55和M60处理的净光合速率和气孔导度在11:00时达到峰值，而M40和M45处理达到峰值的时间为13:00时。出现单峰曲线和峰值出现时间差异的原因可能是由于密度增加减小了玉米群体的通风性能，导致高密度条件下玉米群体内部温度在11:00-14:00时较高，所以达到峰值的时间前移，而低密度条件下玉米群体的通风性能较好，因此，在13:00时玉米群体内部温度才是光合作用达到最大值时的适宜温度，而13:00时以后温度继续升高从而降低了玉米的净光合速率。加之玉米生长后期植株开始衰老，叶片的直立性也开始下降，而下午的光照条件也逐渐减弱，因此，导致玉米光合速率缓慢下降，所以才出现单峰曲线变化趋势。不同种植密度对春玉米灌浆中后期穗位叶胞间CO2浓度的影响趋势相同，均呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势，在6:00时和20:00时最大，且除11:00-14:00时各密度处理的胞间CO2浓度存在一定差异外，其他各时间点胞间CO2浓度的差异性均较小。不同种植密度对广德5蒸腾速率日变化影响趋势也呈现单峰变化，除M45处理的蒸腾速率在13:00时达到最大值，其他各处理均在 11:00时达到峰值。

植物的光响应曲线是反映自身光合速率随着光照强度变化特性的，而且在低光照强度下，植物净光合速率对光照强度的响应曲线是评价植物光合能力的有力工具[23]，因此，测定植物的光响应曲线对于判定植物的光合能力具有重要意义。但国内关于密度对玉米光响应曲线影响的研究还未见报道。本研究发现，不同密度处理下春玉米广德5灌浆中后期穗位叶光合曲线拟合得出的表观量子效率(Q)在0.026～0.035变化，其值均小于理论上的最大值(0.080～0.125[24])，大小顺序为M45>M50>M60>M40>M55。各密度处理模拟的最大净光合速率大小依次为：M50>M60>M45>M55>M40，由于各密度处理下拟合曲线的Pnmax并不是最佳条件的Pnmax，只是各密度处理下的平均Pnmax，而Pnmax大小主要由羧化速率决定，即由最大同化力决定，所以与营养状况和由温度决定的酶活性有着密切的关系[25]，在一定程度上说明了不同密度处理对单株生长条件以及群体结构的合理性和适宜程度。本研究不同处理的光饱和点(LSP)和光补偿点(LCP)大小顺序分别表现为：M60>M55>M50>M40>M45和M50>M55>M45>M40>M60。

前人研究表明，玉米种植密度水平较低时，其由于单位面积穗数较少而产量较低，因此，提高玉米种植密度是增加玉米产量的有效技术途径；但随着种植密度的增加，玉米产量并不是无限的增长，而是当种植密度高于其自身适宜密度时，由于农艺性状、光合特性、籽粒性状等指标严重下降，而且病虫害也逐渐增多，从而造成玉米减产[26-27]。还有研究发现，玉米干物质生产是形成玉米籽粒产量的基础，而且，在一定种植密度范围内，玉米植株干物质的积累量与其籽粒产量呈正相关关系，即干物质积累得越多，其籽粒产量也就越高，但若超出了一定密度范围，随着玉米种植密度的增加群体干物质产量呈缓慢增加趋势，但达到一定程度后，玉米群体干物质积累量则不再增加[28]，而且还会出现减产现象。因此，选择玉米种植的适宜密度，构建合理的群体结构，进而提高玉米籽粒产量。本研究结果表明，随着种植密度的增加，广德5生物产量的大小顺序表现为M50>M45>M55>M40>M60；不同种植密度对广德5籽粒产量的影响以M50处理最大，其次是M55，再次是M45、M40处理最小。本研究结果与韩金玲等[28]的研究结果相似，说明广德5较适宜的种植密度为75 000株/hm2。

本研究表明，随着广德5种植密度的增加，各密度处理的净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率的日变化均呈单峰曲线变化趋势，但不同密度处理达到峰值的时间存在一定差异，其中M50、M55、M60处理的净光合速率和气孔导度的峰值均出现在11:00时，M40和M45处理的峰值均出现在13:00时，而M40、M50、M55、M60处理的蒸腾速率峰值均在11:00时出现， M45的蒸腾速率的峰值在13:00时出现。各密度处理的胞间CO2浓度日变化则呈先降低后升高的广口“V”字形曲线变化趋势，最大值在06:00和20:00时出现。各种植密度处理的光响应曲线拟合度较好，在P<0.05水平下均达到显著，通过光响应曲线模拟出的最大净光合速率以M50最大，其次是M60，再次是M45，最小的是M40。M50处理的籽粒产量最高，分别是M40、M45、M55、M60的1.22，1.01，1.01，1.04倍。通过对各密度处理下的净光合速率、气孔导度、模拟最大净光合速率、籽粒产量以及生物产量的综合比较得出，广德5在内蒙古中西部地区较适宜的种植密度在75 000株/hm2。