高光效对吉林省玉米气候资源利用效率的影响

刘伟， 袁福香， 李忠辉， 王琪， 晏晓英， 王冬妮

(1.吉林省气象科学研究所， 长春 130062； 2.吉林省气象局， 长春 130062)

2019年联合国政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第50次会议通过的《气候变化与土地》特别报告表明1880—2018年间全球陆地温度平均增加了1.31～1.51 ℃[1]，这一变化加强了极端气候事件发生的频率和强度，农业灾害频发，增加了土地压力，严重影响全球粮食生产[2]。提高单位面积产量成为这种形势下保证粮食产量的方法之一，因此成为当今作物科学的重要研究课题之一。玉米是典型的C4植物，太阳辐射和二氧化碳的供给是光合作用的重要保障，也是产量形成的重要影响因素。玉米生理学和形态学上的交互作用所形成的微环境，利用得当，会显著提高籽粒产量，利用不当，则会产生植株倒伏，籽粒败育，早衰，最终造成产量降低[3-4]，玉米微环境不仅受天气、海拔等自然因素的影响，还受到栽培行向、种植间距等人为栽培模式的影响。

在种植间距方面，中国玉米栽培目前主要有一穴多株、等行距、宽窄行、相邻行错位4种空间布局种植方式[5]。理论上等行距对于气候资源以及养分等各种生长因子的竞争最小。但随着研究的深入，只有在一定的密度下，合理的宽窄行配置才可以改善冠层和根系分布，调节群体内部环境，增强抗逆性，提高产量[6-7]。且在高纬度地区宽窄行种植方式比等行距更能提高产量，与品种的交互作用较小，主要通过提高籽粒质量来提高产量[8]。在种植垄向对群体栽培效果的影响研究方面发现：不同垄向栽培效果与地理纬度，作物种类、品种，田间定植方式，密度，生长季节都有一定关系[9-10]。栽培密度一定的条件下，玉米东西行向种植比南北行向日平均风速大、光照强度高、日均相对湿度小[11]，而且玉米植株本身较其他作物有较高的株高和叶面积指数，因此在中后期东西垄向的田间漏光率低于南北垄向[12]。改变栽培垄向，可以显著提高玉米在开花期和成熟期叶面积，提高玉米茎秆和叶片中干物质含量，增加穗行数和百粒重，显著提高产量[13]。但是冬小麦的东西垄向和南北垄向的光能利用率和产量却各有高低[14-15]。以上均表明，株行距和种植行向均是影响玉米产量的栽培模式。

诸多研究结果表明，合理株行距能有效提高产量，因此仍然是实际生产中各地区需要因地制宜来确立的指标。前人研究提出，最适垄向受纬度因素影响，并且合适的垄向是改善群体微环境的重要方式。然而大部分的研究，垄向设置都集中在正南正北、正东正西的基础上，设置粗放，未根据地理纬度和太阳高度角等因素更深入的考虑种植垄向问题，因此，现在中国科学院东北地理与农业生态研究所研发的高光效种植模式的基础上[16]，通过对不同地区的纬度以及生长季的太阳高度角的范围的计算，将垄向调整和种植间距调整搭配进行试验，研究种植垄向和种植间距结合交互作用下对吉林省玉米种植的气候资源利用效率和产量的影响，探究适合吉林省的最佳种植方式，以期为吉林省高产栽培、轮作和黑土地保护提供科学的试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验于2014—2016年在吉林省公主岭市省陶家屯镇的“吉林省科技农业科技示范园”试验田内开展。该地位于吉林省中部平原，124.82°E，43.50°N。属温带大陆性湿润气候，热量资源充沛，水分条件较为适宜，年平均气温6.3 ℃，5—9月积温3 000 ℃左右，降水量600 mm左右。试验期间(2014—2016年)气象条件如表1所示。试验地种植制度为玉米连作，土壤类型为典型黑土区域，土壤有机质含量为23.9 g/kg，土壤肥沃。

供试材料为国家2004年审定的普通玉米品种先玉335，籽粒黄色、半硬粒型，百粒重34.3 g，抗病性较强。试验分为三个处理。

(1)高光效：垄向南偏西20°，2014年玉米窄行行间距0.4 m，宽行间隔1.6 m，株距0.25 m，种植密度约为4万株/hm2；2015年和2016年玉米窄行行间距0.4 m，宽行间隔1.25 m，株距0.2 m，种植密度约为6万株/hm2。

(2)高光效小垄：垄向南偏西20°，两垄玉米行间距为传统的0.65 m，株距为0.25 m，种植密度约为6万株/hm2，除垄向外皆与对照相同。

(3)对照：垄向为南偏东15°，垄距为0.65 m，株距为0.25 m，种植密度约为6万株/hm2。

试验进行时间为3年，2014年和2016年长势状况良好，2015年，高光效小垄处理及高光效处理部分区域在8月上旬发生玉米黏虫以及干旱灾害。试验期间种植管理与大田相同，一次性底肥，施肥量为30 kg/667m2，其他均参照正常东北地区大田玉米管理。每种处理严格根据播种密度和垄向精确测量后拉绳播种。定期进行田间观测和考种。

1.2 观测及计算方法

1.2.1 雌穗性状及产量

每个处理选5个重复的采样小区，每个采样区域约为5 m×5 m。采用田字五点取样法，选取在四角以及中间区域的五点，对采取的样本果穗进行考种，包括穗粒数、百粒重、穗行数、粒数、穗长、穗粗以及秃尖状况，将籽粒烘干后，测量百粒重及单穗籽粒重量，并进行公顷产量估算。

1.2.2 干物质积累监测

于苗期、拔节期、抽雄期(此时期包括大喇叭口期和抽雄期，为便于表述，后续统一表述为抽雄期)、和成熟期在每个处理小区随机选取代表性植株5株,分为茎(含叶鞘和穗轴)、叶(含苞叶)和果穗(开花后)3部分,置于105 ℃烘箱杀青30 min,80 ℃烘干至恒量,计算作物生长率[17]。

1.3 气候资源利用效率

气象资料取自试验场小气候观测结果，包括从播种到最后收获时的日平均气温、日照时数和降水量等数据如表1所示。干物质参考1.2.2节的干物质测量情况。 计算作物光能利用效率[18-20]、降水利用效率[21-22]和热量利用效率[23]。

表1 试验期间气候资源分布情况Table 1 Distribution of climate resources during the test period

1.4 数据处理

用Microsoft Office Excel 2013进行数据处理和作图，用DPS7.05软件进行方差分析和多重比较(Duncan法)。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对气候资源利用效率的影响

由于2015年遭遇黏虫和干旱灾害，不同的处理方式的气候资源利用效率差异不明显。

光能利用效率如图1(a)所示，由图1(a)可知，高光效的光能利用效率在2014年和2016年均为最高，分别比高光效小垄、对照高6.6%、15.0%和11.7%、19.4%；整个试验期间，高光效的光能利用效率最高，比高光效小垄和对照分别高9.5%和17.3%。2016年的光能利用效率整体高于2014年，高光效、高光效小垄和对照提高的比例分别为13.6%、8.3%和1.5%。

热量利用效率如图1(b)所示，由图1(b)可知，高光效的热量利用效率无论是在单独年份还是在整个试验区间，均表现较好，高光效小垄次之，对照最低，其中2014年，高光效和高光效小垄和对照差距最大，分别高19.3%和27.6%；2016年高光效与高光效小垄和对照的差距略有缩小，分别为18.5%和33.3%。整个试验期间，高光效的热量利用效率最高，约为3.2%，比高光效小垄和对照高约12.9%和21.4%。2016年的热量利用效率相较于2014年略有提高，高光效、高光效小垄和对照提高的比例分别为27.0%、16.1%和17.2%。

降水利用效率如图1(c)所示，2014年和2016年，高光效的降水利用效率高于高光效小垄、对照，分别高约9.1%、16.3%和5.1%、21.3%；从整个试验期间的平均值来看，高光效的降水利用率最高，比高光效小垄和对照分别高6.0%和17.0%。2016年的降水利用效率相较于2014年也有提高，高光效、高光效小垄和对照提高的比例分别为14.0%、6.6%和6.1%。

2.2 不同种植方式对干物质分配的影响

由于2014年高光效密度设置略低，2015年遭受灾害，因此选取长势良好的2016年作为干物质积累状况进行分析。如图2所示为不同发育期干物质积累量的变化情况。苗期干物质积累量占总量的4.5%。对照的干物质积累量最高，比高光效小垄和高光效处理分别高8.7%和8.8%。高光效和高光效小垄之间无显著差异；苗期干物质积累速率处理与对照之间无显著差异。拔节期干物质积累量占总量的9.8%，此时期高光效小垄的干物质积累量最高，比高光效和对照分别高7.5%和8.1%，处理之间差异显著；高光效小垄的积累速率最高，高光效处理与对照接近，分别比高光效小垄低约8.4%和14.1%。抽雄期干物质积累量占总量的21.8%，此时期对照的干物质积累量最高，比高光效和高光效小垄分别高3.8%和12.9%；抽雄期在整个生育期干物质积累速率最高，在此期间，对照的干物质积累速率最高，高光效次之，高光效小垄最低，分别高约6.5%和29.3%。成熟期干物质积累量占总量的63.8%，此时高光效处理的干物质积累量最高，比高光效小垄和对照分别高10.4%和14.5%；抽雄期是干物质速率第二高的时期，在此期间，高光效干物质积累速率最高，高光效小垄次之，对照最低，高的幅度分别为11.3%和27.0%。

图1 气候资源利用效率Fig.1 Climate resource utilization efficiency

播种日期为2016年04月28日，苗期测量时间为 2016年06月16日，拔节取样日期为2016年06月30日，抽雄 取样日期为2016年07月20日，成熟日期为2016年10月14日图2 不同发育期的干物质积累Fig.2 Dry matter accumulation in different developmental stages

综上所述，玉米整个生育期中，抽雄期的干物质积累速率最高，抽雄期后干物质积累占整个生育期的比重较大，在60%以上；高光效处理在抽雄后有助于干物质积累，且有较高的积累速率；高光效小垄在干物质积累方面并无明显的优势，抽雄前期低于对照，抽雄后期好于对照，但是低于高光效处理；对照处理在抽雄前干物质积累量和速率偏高，但是在抽雄后的表现低于高光效和高光效小垄。

收获指数是指作物收获时经济产量(籽粒、果实等)与生物产量之比，其生理本质反映了作物同化产物在籽粒和营养器官上的分配比例，收获指数反映了作物群体光合同化物转化为经济产品的能力，是评价作物品种产量水平和栽培成效的重要指标[24]。由于2015年旱情和黏虫灾害的影响，暂时不予讨论。2014年和2016年，高光效处理的收获指数，穗粒干重，株重和根重，分别比高光效小垄和对照高4.8%和6.4%，9.4%和22.6%，14.8%和30.4%，13.9%和54.85%，在穗粒干重和株重方面提高程度尤其明显(表2)。不同处理的茎和叶干物质积累量各有高低，茎重的各个处理之间无显著差异。高光效小垄的叶片干重优势明显，高光效次之，对照最低。综上所述，高光效处理能显著提升收获指数，对产量的形成有一定的提升。

表2 各器官干重对比Table 2 Comparison of dry weight of various organs

2.3 不同种植方式对玉米产量及雌穗性状的影响

由于2015年遭遇黏虫和干旱灾害，因此仅考虑2014年和2016年的产量和雌穗形状数据。由表3可以看出，3年中，不同处理方式产量之间差异显著。高光效处理的平均产量为14 183.03 kg/hm2，高光效小垄处理的平均产量为13 182.21 kg/hm2，对照处理的平均产量为12 758.82 kg/hm2。2014年和2016年高光效产量均为最高，其中2016年差异最明显，高光效产量比高光效小垄和对照分别多7.5%和11.1%。高光效种植方式对穗粒数和百粒干重有一定影响，高光效处理的平均穗粒数为629粒，平均百粒干重43.9 g，分别比高光效小垄和对照分别多1.14%和6.3%，2.9%和7.9%。综合来看，调整株行距和改变垄向可以通过提高穗粒数和穗粒干重来提高玉米的籽粒产量。

由表4可以看出，株行距设置和垄向对雌穗性状有一定的影响。对照的穗行数最高，相较于高光效和高光效小垄分别高4.7%和7.0%。2016年相较于2014年行粒数提升幅度巨大，其中高光效处理

表3 不同处理种植状况和产量情况Table 3 Planting status and yield of different treatments

提升幅度最大为10%。高光效处理的行粒数、穗长、穗粗均为最高，相较于高光效小垄和对照分别高5.7%和4.3%，3.5%和2.0%，4.6%和3.8%。其中2016年相较于2014年均有不同幅度的增加。对照的秃尖长最高，相较于高光效小垄和对照分别高300%和700%，高光效和高光效小垄的秃尖长度远低于对照处理。

综上所述，尽管高光效和高光效小垄处理下的产量各有高低，但是均高于对照，且在产量性状的表现上非常优异，绝大多数产量性状均好于对照处理。

3 结论与讨论

玉米生长发育过程中，各种环境因子形成的玉米群体微环境会对玉米生长产生很大的影响，如空气温度、光照强度、冠层空气流通程度等。这些因素一方面制约玉米微环境光、温和水的水平，另一方面影响株间竞争，从而影响气候资源利用效率，影响玉米干物质分配，最终在产量和产量性状上体现出来。

本试验不同处理的气候资源利用效率表现出了不同的特征。高光效处理的光能利用率、热量利用效率和降水利用效率在试验期间均为最高，高光效小垄次之，对照最低，这说明本试验设置的处理对气候资源利用效率有提高作用。垄向调整增加了有效光照时数，提高了太阳光进入群体叶片覆盖率，株间距的设置平衡了株间竞争的影响，改善内部通风情况，提高了冠层空气流通程度。整体上为光合作用的进行提供了更好的光照，温度，水分以及二氧化碳等条件，进而提高了气候资源利用效率。这与前人在玉米[24]、黄瓜[25]、番茄[26-27]、小麦[28]和水稻[28]等作物的气候资源利用效率的研究中得出的研究结论类似。

表4 各个种植方式下的雌穗性状情况Table 4 Female ear traits under various planting methods

不同处理在不同的发育期有不同的干物质积累特征。高光效处理在抽雄后的干物质积累速率最高。高光效小垄在抽雄前低于对照，抽雄后优于对照，但是低于高光效；对照处理在抽雄前干物质积累量和速率偏高，但是在抽雄后的表现低于处理。高光效促进了干物质向籽粒分配，显著提升了收获指数，高光效小垄次之，对照最低。抽雄后生殖生长为主要干物质分配方向，高光效处理在抽雄后的干物质积累速率较高，即生殖生长较旺盛，最终高光效处理的收获指数也最高。高光效小垄和对照同理。抽雄后干物质积累量占总干物质积累量的85.6 %，在发育前期，干物质积累量较少，株高较低叶面积较小，阳光覆盖率较高，冠层流通状况较好，气候资源充足，种间竞争较少，垄向和株间距调整的优势无法发挥，高光效种植方式在干物质积累速率上无优势；当株高增高且叶面积增大之后，尤其是抽雄后，需要环境提供更充足的光温水资源，高光效处理干物质积累速率较高，说明高光效处理的微环境的优势发挥作用，更有利于提高气候资源的同化，更利于干物质的积累。

在产量方面，高光效可以大幅度提高作物产量，高光效小垄次之，对照最低。高光效处理在产量性状上强于高光效小垄和对照处理，除了穗行数以外，穗粒数、百粒重、行粒数、穗长、穗粗以及秃尖长等均表现最好。高光效处理设置的垄向和株行距，有效地改善了玉米植株的密度问题和营养吸收等种间竞争导致的性状缺点，可以提高玉米的籽粒质量。即垄向和大垄双行设置可以提高玉米产量和产量性状，这与众多学者的研究结论类似[13,29-30]。另外可以看到，高光效处理的穗粒数、百粒重、穗长和穗粗等一些雌穗性状均表现最好，这与干物质积累得出的结论是统一的，本文试验设置的垄向和株行距搭配的高光效处理在抽雄后有较高的干物质积累速率，生殖生长更旺盛，有利于形成较好的产量性状。

另外，2016年相较于2014年，高光效处理的气候资源利用效率、各器官干物重以及产量和产量性状等均有一定提升，原因主要为2016年的降水量水平显著优于2014年，光能、降水和热量利用效率并不独立，而是协同作用，共同提高，充足的降水量可以提高气候资源利用效率，有助于干物质的积累和产量的形成[31]。另外相较于2014年，2016年高光效处理气候资源用效率提高的幅度高于其他两个处理，一方面设置的行距允许进行休耕轮作，有助于土地保持地力；另一方面，证明高光效模式下的垄向调整和株间距调整确实有助于发挥气候资源的潜力，提高气候资源利用效率。

综上所述，高光效种植方法和高光效小垄相较于对照，均改善了玉米群落的微环境，从而提高了气候资源的同化效率，改变了干物质分配比例，改善了产量性状，提高了产量。高光效处理提升产量最高，产量性状表现好，干物质积累量最高。高光效小垄也提高了产量，但是在产量性状上表现略差。本文试验得出：高光效种植方式可以有效地提高玉米产量，垄向可作为玉米大田种植时提高产量的考虑因素之一。当种植有特殊需求时，例如，对雌穗性状要求较高的糯玉米种植，对秸秆干物质积累量要求较高的饲料用途，或者需要进行黑土地的可持续耕种的轮耕轮作、间种等情况下，本文试验设置的垄向南偏西20°、种植间距为0.4～1.25 m的搭配不仅能满足特殊需求，且能提供产量上的优势，符合生态农业种植的要求。

本文试验提出的高光效种植模式可以有效地提高产量，但是对于群体微环境的变化以及内在机理并未进行针对性测量，后续将尝试从微观内在机理角度对结论进行进一步的解释。