98 cm大垄双行种植方式对吉林西部玉米生长发育的影响

胡 娟，陶冬雪，周道玮

(中国科学院 东北地理与农业生态研究所/吉林省草地畜牧重点实验室，吉林 长春 130102)

0 引 言

吉林西部地处中纬度温带半干旱区，属于我国“黄金玉米带”。然而，近50年来，该地区气温显著升高，降水减少，蒸发量增大，干旱现象日益严重[1-2]。自1975年至2013年，吉林西部地区耕地面积增加7.78%，而人口却增长71.4%[3]，粮食需求的持续增长与土地资源生产潜力不足成为当前限制生产的主要矛盾，提高玉米单产迫在眉睫。

我国玉米单产的提高仍有较大空间[4]，通过调控株行距配置、改变种植模式等技术是玉米高产高效栽培的关键[5-6]。吉林西部地区玉米的种植方式大多以单垄等行距种植方式为主，苌建峰等认为，等行距种植提高了玉米群体的整齐度，有利于增产[7-8]。而等行距种植存在株间竞争大、株间相互遮荫及透光差的现象[9]。

密度是协调群体和个体的有效措施[10]。宋慧欣等研究表明，玉米产量与种植密度密切相关，增加密度是实现增产的有效途径[11]。刘武仁等研究表明，合理提高密度小幅度降低了玉米穗粒数和粒重，但显著增加了穗数和总粒数，使得产量提高[12]。陈国平等[13]和杨国虎等[14]研究表明，低密度单株生产力提高对产量的影响小于高密度群体生产力提高带来的影响。在保证稳定或轻微减产的情况下增加种植密度是提高玉米单产的发展趋势。有研究表明，优化田间配置、建造适宜的群体冠层结构可以缓解由密度增加引起的负面效应[15]。

为了提高玉米单产，本研究提出了一种新的种植方式，即98 cm大垄双行种植的方式。在等株距条件下，相同面积常规65 cm单垄方式可种植3行玉米，而98 cm大垄双行方式可种植4行玉米，因此，与常规65 cm单垄方式相比，98 cm大垄双行方式可使种植密度增加33.3%，提高了土地资源利用率[16]。本研究探讨了98 cm大垄双行种植方式对玉米的干物质积累、养分积累、冠层分布和根系构型等的影响，旨在为进一步提高玉米生产能力提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于吉林省白城市通榆县前青村(l22°02′～123°30′E，44°13′～45°16′N)，地处松辽平原西部，地势平坦，海拔120 ～ 180 m，属温带大陆性季节气候。年平均气温约为6.3℃，年平均降雨量332.4 mm，且主要集中在6-8月，年日照时数2 741 h，无霜期162 d。土壤类型为淡黑钙土，供试土壤基本理化性质为：有机质13.2 g·kg-1、全氮0.69 g·kg-1、全磷172 mg·kg-1、全钾18.6 g·kg-1、碱解氮83.5 mg·kg-1、速效磷7.55 mg·kg-1、速效钾101.4 mg·kg-1。

1.2 试验设计

于2018年4月20日布置大田试验。玉米品种为先玉335，由农安县华夏种业有限公司提供。试验共设2个处理，即当地常规单垄种植的对照处理(垄距65 cm)和98 cm大垄双行种植处理。对照处理种植密度为67 500株·hm-2，施肥量为N 90 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2。大垄双行种植方式是在98 cm垄上种植两行玉米。其中，垄上种植两行玉米的行距以及两个垄的行距均为48 cm。2个98 cm垄的垄宽相当于3个65 cm单垄的垄宽，且2个98 cm垄共种植4行玉米，而3个65 cm的单垄种植3行玉米，因此，98 cm大垄双行种植方式的种植密度较65 cm单垄种植增加了33.3%。大垄双行处理种植密度为89 775株·hm-2。为了保证单株玉米相同的施肥量，大垄双行处理的施肥量也相应提高33.3%，即为N 120 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2。每处理3次重复，随机区组设计。小区面积为117 m2(5.85 m×20 m)。2018年10月15日收获。玉米生育期间灌溉2次。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 籽粒产量及籽粒产量构成因素测定。于成熟期测产，每处理每小区随机取3垄，垄长均为10 m，测产面积20 m2。待自然风干后，采用平均穗重法取10穗考察玉米穗长、穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、单穗重、穗粒数、百粒重等籽粒产量构成因素，然后分小区实收计产。用水分仪测定水分，按14%含水量折合成公顷籽粒产量。

1.3.2 干物质量及养分的测定。于玉米乳熟期在每小区随机选取6株玉米植株。测定株高、茎基部第4节的节间长和茎粗。将植株按茎、叶、穗轴和籽粒分开，分别在105 ℃烘箱中杀青30 min，65 ℃下烘至恒重，并称重各部位干物质。然后粉碎，籽粒过0.25 mm孔径筛，其他过0.5 mm孔径筛。测定各部位全氮、全磷及全钾含量。

全氮采用半微量开氏法测定[17]；全磷和有机磷采用氢氟酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定[17]；全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮-火焰光度法测定[17]。

群体干物质量=种植密度×单株干物质量；

单株干物质量=根干重+茎叶干重+(苞叶+芯)干重+籽粒干重[18]；

根系氮、磷、钾养分积累量=根系生物量×氮、磷、钾养分含量；

茎叶氮、磷、钾养分积累量=茎叶生物量×氮、磷、钾养分含量；

籽粒氮、磷、钾养分积累量=籽粒生物量×氮、磷、钾养分含量；

1.3.3 透光率的测定。于玉米乳熟期采用LAI-2200冠层分析仪测定上部(雄穗上方)、顶层(穗上第四叶)、穗位层(穗位叶)和冠层底部(距地面20 cm)的叶面积指数及透光率。每个点的测定方位保持一致，均在垂直于垄的方向测定。

1.3.4 根系构型的测定。于乳熟期每小区随机选取6株玉米植株，采用挖掘法挖取玉米根系。将根系清洗干净后采用扫描仪(Epson 1680，Indone-sia)扫描，利用分析软件(WinRhizo Pro Vision5.0，Canada)分析根系构型。采用烘干法测定根系质量，将根系研磨过筛，测定全氮、全磷、全钾含量。

1.4 数据分析

使用 Microsoft Excel 2016 进行数据处理并作图表，SPSS 19.0 进行数据统计分析，LSD 法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量及籽粒产量构成因素

由表1可以看出，与对照处理相比，大垄双行处理降低了玉米的穗粗、穗行数、行粒数及百粒重，差异不显著，但显著降低了穗长(P< 0.05)。与对照处理相比，大垄双行处理单位面积有效穗数显著增加28.8%，玉米籽粒产量虽增加3.6%，但差异不显著。

表1 不同种植方式玉米籽粒产量及籽粒产量构成因素

注：同一列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(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 地上部农艺性状及根系构型

由表2可以看出，与对照处理相比，大垄双行处理玉米株高显著增加3.9%，茎粗显著降低11.8%(P< 0.05)。与对照处理相比，大垄双行处理明显改变了玉米的根系构型，单株根系的根表面积、平均直径及分叉数较对照处理分别显著增加了37.4%、20.1%和30.4%(P<0.05)。

2.3 干物质量及养分积累量

由表3可以看出，与对照处理相比，大垄双行处理显著降低了玉米的单株生物量(P<0.05)，其中，茎叶、包叶+芯、籽粒及单株干物质量分别降低了11.3%、25.5%、20.0%和14.8%。大垄双行处理群体干物质量较对照处理显著增加13.6%(P<0.05)。

表3 不同种植方式干物质量

由表4可以看出，与对照处理相比，大垄双行处理根系全N、全P和全K养分积累量分别增加32.1%、26.5%和34.3%；茎叶分别增加16.4%、16.7%和14.0%；籽粒分别增加5.8%、2.3%和2.8%。此外，玉米植株全N、全P和全K养分积累量分别较对照处理增加9.9%、7.6%和11.9%。

表4 不同种植方式养分积累量(kg·hm-2)

2.4 叶面积指数

由图1可以看出，大垄双行处理玉米植株各位层叶面积指数较对照处理有所增加。与对照处理相比，大垄双行处理顶层、穗位层和底层叶面积指数分别提高了20.6%、8.8%和4.2%，说明，大垄双行处理增加了各层位单位土地面积上植物叶片总面积，且对上部叶的增加最明显。

2.5 透光率

由图2可以看出，不同处理玉米植株的透光率均表现为顶层>穗位层>底层。对照处理顶层、穗位层和底层的透光率分别为23.6%、18.1%和14.0%。大垄双行处理顶层、穗位层和底层的透光率分别为20.0%、16.5%和12.4%。大垄双行处理顶层透光率较对照处理降低15.3%，而穗位层和底层透光率降低8.80%和11.4%，但均未达显著水平。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

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

图1 不同种植方式玉米不同部位叶面积指数

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

图2 不同种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 讨 论

98 cm大垄双行种植降低了玉米的穗长、穗粗、行粒数、百粒重以及单株生物量，即降低了玉米的单株生产力，但增加了单位面积有效穗数和群体干物质量。这说明，个体的增加弥补了群体物质的生产的减少。98 cm大垄双行种植群体干物质量较65 cm单垄种植提高了13.6%，能提供更多的优质秸秆作为饲料以发展当地畜牧业。然而，98 cm大垄双行种植玉米籽粒产量较65 cm单垄种植增产效果不显著，仅增产3.6%。这可能与种植密度有关，张永科等[19]研究表明，增加密度在一定程度上影响玉米单株生产力，降低穗粒数和千粒重。本试验条件下，两种种植方式的株距均为25 cm，即65 cm单垄种植密度为6.75万株·hm-2，而98 cm大垄双行种植密度高达8.98 万株·hm-2，随密度增加，群体内光截获率加大，植株间相互遮阴，进而影响产量。靳英华于2005-2007年在长岭县连续3年对比了98 cm大垄双行(株距40 cm，种植密度5.0万株·hm-2)与65 cm单垄(株距40 cm，种植密度3.8万株·hm-2)种植方式，结果表明，98 cm大垄双行种植在2005年、2006年和2007年玉米产量分别增加15.1%、14.0%和27.2%[16]。因此，适当增加株距以减小种植密度是进一步探究98 cm大垄双行种植方式增产机理的关键。

研究表明，高产玉米应具有高光效的冠层结构[21-22]。改变空间配置能直接影响作物群体光能的截获、地上和地下物质积累的分配以及增产效益[23]。薛吉全等表明，较高密植能建立良好的冠层结构，从而使接受的光能合理地分配到群体各叶层，使中下部叶片处于较好的光照条件，以维持较高水平群体透光率[24]。而本试验结果表明，与65 cm单垄种植相比，98 cm大垄双行种植顶层的透光率明显降低了15.3%，同时也小幅度降低了穗位叶和底层的透光率，这也进一步说明本试验98 cm大垄双行种植方式的种植密度可能过高。适宜的叶面积指数可以减轻玉米叶片和植株间的相互遮蔽，有利于群体光合作用的进行，促进有机物合成和积累，以达到增产效果。本试验结果也表明，与65 cm单垄种植相比，98 cm大垄双行种植顶层的叶面积指数明显增加了20.6%，同时也小幅度增加了穗位层和底层的叶面积指数。因此，98 cm大垄双行种植顶层叶面积指数的明显增加及顶层透光率的明显降低说明，顶层单位土地面积上植物叶片总面积较大，引起叶片相互遮荫，降低了透光率，进而影响玉米生长。高密度种植增强了根系对养分、水分的竞争，根系表现为横向紧缩，纵向延伸，有利于吸收下层土壤肥水。高密度种植由于促进了植株间的竞争，0～20 cm根系生物量明显减少[25]。本试验结果表明，98 cm大垄双行种植玉米根系多横向生长，与65 cm单垄种植相比，其根系生物量并没有减少，反而增加了根系全N、全P、全K的养分积累量，这可能与本试验的施肥管理有关。Hammer等[26]研究表明，高密度种植下，不仅要优化冠层大小与结构以最大化利用光能，同时也需要优化根系的大小及结构以增加对土壤水肥的利用。因此，优化植株地上冠层及地下根系结构也是进一步探究98 cm大垄双行种植方式增产机理的关键。

4 结 论

与常规65 cm单垄种植方式相比，(1)98 cm大垄双行种植方式增加玉米单位面积有效穗数，增加群体干物质量以及氮、钾养分积累总量，但玉米籽粒产量仅增加3.6%，且未达显著水平。(2)98 cm大垄双行种植方式明显增加了顶层叶面积指数，但明显降低了顶层透光率。(3)98 cm大垄双行种植方式明显改变了玉米的根系构型，增加单株根系的根表面积、平均直径及分叉数。98 cm大垄双行种植方式降低了耕作燃油费用及劳动成本，但也相应的增加了播种量及肥料施用量，由于98 cm大垄双行种植方式在本试验中并没有达到明显的增产效果，因此，应进一步探究其产生的经济效益及生态效益。98 cm大垄双行种植方式还需进行多点试验，并从种植密度、水肥管理、冠层结构及根系结构探究其对玉米产量的影响。