玉米双行交错稀植种植方式的增产机理研究

王荣江，陈英丽，吕才波，毕建杰，刘建栋

（1山东省德州市德城区农业农村局，山东德州 253000；2山东省济南市莱芜区口镇街道办，济南 272000；3山东农业大学，山东泰安 271018；4中国气象科学研究院，北京 100081）

0 引言

玉米是中国重要的粮食、经济和饲料作物，在中国的作物生产中有着举足轻重的地位和作用，全世界约有三分之一的人口以玉米为主要食粮[1]。根据国家统计局的数据显示，2019年中国的玉米种植面积达4128万hm2，居粮食作物的首位[2]，可见玉米生产是中国粮食安全的重要组成，研究玉米的高产高效有着重要的意义[3]，与美国等发达国家相比较，中国玉米的单产水平仍然有较大的差距。随着耕地的减少，人口数量的增加，玉米作为饲料、工业原料的需求等矛盾日益突出[4]，2020年全球新冠肺炎引发了全球的粮食危机，迫使我们思考如何在有限的耕地条件下，利用栽培技术水平的提高，充分挖掘中国玉米的单产和总产。提高玉米单产的途径主要是选育玉米新品种和创新栽培技术（种植方式）[5]。玉米科技工作者通过选育耐密品种，增加种植密度，改善栽培条件等措施对玉米单产的提高做了大量的试验研究，最终明确了通过增加群体密度来提高单产是确实可行的方式[6]。Tokatlidis等[7]研究认为，提高玉米单产，应当依靠种植密度的适当增加，而不是单株产量的提高。合理密植是实现玉米高产的关键措施，但是随着玉米种植密度的提高，玉米群体内植株会互相遮荫，特别是冠层的中部、下部的透光率会大幅度下降，引起玉米叶片早衰，导致玉米群体的光合性能减弱[8-9]，通过改变玉米种植模式，增加玉米种植密度，并且更好地利用光、温、水、气等资源，对于进一步提高玉米产量，是玉米科研工作者公认的途径。行距株距配置所形成的玉米群体空间结构不同，导致了光热利用效应上的差异。中国现有的玉米品种和现有的玉米种植方式很难满足玉米高产发展的需求，创新玉米种植方式显得尤为迫切。中国玉米种植方式主要有等行距种植方式、宽窄行种植方式、双株等行距种植方式这3种[10]。等行距种植时，增加密度，易导致群体内光热分布不合理，造成玉米生长发育迟缓、倒伏，最终导致玉米产量降低[11]；宽窄行种植有利于延缓玉米生育后期功能叶片的衰老，改善了冠层中的光环境，提高了辐射利用效率[12]。随着行距的增大，日平均光强也会逐渐增大，温度和相对湿度会逐渐减少，协调了群体内各气象因子之间的矛盾，从而获得了较高的产量[13]。双株等行距种植只是在贵州、重庆等少数地区的山地种植，等同于等行距种植。但是这3种种植方式顾此失彼，各有优缺点，毕建杰等[14]发明了“玉米双行交错稀植”种植方式，并开展了新的种植方式下玉米冠层光利用情况的比较研究[15]。前人对不同玉米种植方式开展的相关研究多为增产效应，后来也有学者开展了通过改变种植模式，提高密度，改变玉米的群体结构，实现光能利用率和产量的协同提高的研究[8]。“双行交错稀植”种植模式是怎样调节玉米群体和个体的光照，最大限度的利用土壤肥水，从而使玉米增产的，还需要探索。因此本试验设置了不同玉米种植模式和种植密度，研究“双行交错稀植”种植方式下，玉米冠层的光分布，根系生长状况，明确“双行交错稀植”种植方式，与密度条件下玉米光合作用，产生形成的调控机理，为华北地区玉米的丰产优质栽培奠定坚实基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间试验于2019—2020年连续2年在山东农业大学农学实验站的大田内进行，试验地位于36°10′N，117°09′E，耕作层(0～40 cm)的土壤养分含量为：有机质14.8 g/kg，全氮1.12 g/kg，速效氮89.45 mg/kg，速效磷46.76 mg/kg，速效钾89.75 mg/kg，pH 5.65。室内实验在山东农业大学作物科学实验教学中心实验室，田间试验同步安排在德州市德城区农业农村局布置的大田内。

1.2 试验设计

两年田间试验，采用3个处理，3次重复。其中，3个处理为种植方式，即等行距种植方式、宽窄行种植方式，双行交错稀植种植方式；3个重复，随机排列，共9个小区，各小区长10 m，宽5 m，小区面积50 m2。供试玉米品种‘郑单958’由山东省泰安市五岳泰山登海种业公司提供。3个处理（见图1）：等行距种植方式(DH)，宽窄行距种植方式(KZH)，双行交错稀植种植方式(SHJC)。其中DH种植模式行距40 cm、株距30 cm、密度8.33万株/hm²；KZH模式宽行距40 cm、窄行距15 cm、株距30 cm、密度12.1万株/hm²；SHJC模式宽行距40 cm、窄行距15 cm、株距30 cm、在宽行中间又增加了一行，密度15.1万株/hm²。2019年和2020年都是4月23日整地、开沟、浇水、4月23日播种，9月18日成熟，9月20日收获，田间管理同大田。

图1 不同种植方式

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米根系的干重动态 采用田间单株取样方法，测定3种种植方式的玉米根系的条数和根干重，每次取3株，取平均值。根干重采用烘干法测定。

1.3.2 玉米茎杆的粗度和动态 采用田间单株取样方法，游标卡尺法测定3种种植方式的玉米茎秆粗度，每次取3株取平均值。

1.3.3 玉米功能叶片的叶面积 采用田间单株取样方法，测定3种种植方式的玉米功能叶片叶面积，每次取3株取平均值，叶面积仪法测定。

1.3.4 光能截获率 选择晴天的上午9:30—12:30，采用美国拉哥公司生产的Li-188量子辐射照度计，测定地面以上3.0 m（冠层上部），2.2 m（冠层顶部），1.3 m（穗位层）、0.8 m（穗下层）、0.8 m以下（玉米底部）、0 m（地面）的各层叶片的量子辐射度，测定的量子辐射度[μmol/(m2.s)]记为P0、P1、P2、P3、P4，之后再通过公式(1)、(2)、(3)、(4)计算得出玉米的叶片各层的光适应率p，光吸收率a，光截获率n和相对光强I。

1.3.5 净光合速率(Pn)采用美国拉哥公司生产的Li-6400型便携式光合作用测定系统，晴天的上午9:30—12:30于自然光源下进行测定。每次各处理选取5片叶片，测定时选择玉米穗位叶叶片的中上部，避开中脉，夹紧叶茎，在相同部位测定，取5次测定结果的平均值。

1.3.6 叶绿素荧光参数 测定玉米叶片的Pn的同时，利用英国汉莎公司生产的(hansatech,UK)FMS-Ⅱ脉冲调制式荧光仪，分别在晴天上午10:00—12:00，测定玉米穗位叶的光下最大荧光(Fm′)，稳态荧光(FS)和光下PSⅡ的实际光能转化效率(ΦPSⅡ)；暗适应15 min后，测定出示荧光(Fo)、最大荧光(Fm)和光系统Ⅱ的最大光化学效率(Fv/Fm)。并计算得出非光化学猝灭值(NPQ=1/Fm′)。

1.3.7 成熟期测产和室内考种 收获前对每个处理的小区，进行调查玉米的农艺状况，果穗长度，粗度。行粒数，穗粒数，空杆率，双穗率，各小区取中间5 m的2行，具有代表性的植株，实收测产。

1.4 数据处理与分析

采用Excel和DPS软件进行数据处理统计分析和差异显著性检验，从LSD法检验差异的显著性(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 3种种植方式的玉米根系干重

由表1可看出，随着生育进程的推进，各处理的根干重均呈现增加的趋势。播种后第50天，各处理间的根干重都是DH为最高，其次为SHJC的，根干重最低的为KZH的。说明DH处理玉米单株在拔节前，根系能充分吸收土壤中的营养，生长状况好于KZH和SHJC。但是按小区合计，根干重结果是SHJC＞KZH＞DH。说明玉米的群体数量和单株生长相互影响。不同行距配比种植能够有效提高玉米群体根系的干重，提高对肥水利用的积累量。播种后第60天，也就是拔节后，DH的单株根干重2.23 g，小区合计1372.75 g，而SHJC的单株根干重2.90 g，小区根干重2218.50 g，总的根干重比DH高61.61%，比KZH高35.26%，均是先慢后快的规律。

表1 3种种植方式玉米根系干重

2.2 3种种植方式的玉米单株干物质积累规律

由表2看中，随着生育进程的推进，各处理单株干重呈现增加的趋势，各处理的单株干重均以DH的最高，其次为SHJC，最低的为KZH。说明DH处理，玉米单株充分吸收土壤中的肥水，生长状况好于KZH和SHJC。但是按小区合计玉米干物质积累结果SHJC＞KZH＞DH。说明不同行距配比种植能够有效地提高玉米干物质积累的总量，其中SHJC的小区干物质积累 20565.5 g，比 KZH的高 51.96%，比 DH的高63.26%，干物质积累均呈现先慢后快的规律。

表2 3种种植方式单株干重

2.3 3种种植方式散粉期功能叶叶面积

由表3可见，3种种植试的玉米散粉期棒3叶叶面积和单株叶面积均表现为DH＞SHJC＞KZH，但是小区合计叶面积的结果是SHJC＞KZH＞DH。棒3叶叶面积DH比SHJX高2.51%，比KZH高8.32%；单株叶面积DH比SHJC高2.10%，比KZH高21.69%；说明DH的个体发育好于KZH和SHJC。小区总叶面积SHJC比DH高76.37%，比KZH高49.05%，因此不同行距配比种植能够有效提高群体的叶面积数量。

表3 3种种植方式玉米单株叶面积 cm2

2.4 3种种植方式玉米冠层日平均光吸收情况（散粉期）

由表4可见，各处理的散粉期玉米冠层日平均光吸收率的规律，3个处理的各冠层的光吸收率（能力）差异显著。冠层顶部SHJC＞KZH＞DH；穗位层叶片的日平均光吸收率KZH＞SHJC＞DH；穗位下部的差异较小；底部差异较大，SHJC＞DH＞KZH。说明SHJX处理的冠层顶部和底部的日平均光吸收率（能力）均是最强的。不同层次的光吸收率均是呈现上强下弱的趋势，不同处理的表现较为一致，说明SHJX行距配置可以很好的利用冠层顶部和底部的太阳光，中部的日平均光吸收率：3个处理之间的差异较小。

表4 3种种植方式玉米冠层日平均光吸收率 %

2.5 3种种植方式玉米各部位光截获率

由表5可以看出，不同层次的光截获率均呈现上强下弱的规律，不同处理的结果表现一致。穗层及以上的光截获率SHJC＞KZH＞DH；其中SHJX比DH的高39.15%，SHJC和KZH的差异极小；底层及以下的光截获率DH＞KZH＞SHJC，对玉米而言，穗层及以上的叶片的光截获是最有效的，也就是1.3～3.0 m的部位是玉米叶片光合作用最主要的部位，SHJX和KZH 2种处理的玉米叶片更有能力将绝大部分的太阳光截获进行光合作用。

表5 3种种植方式玉米各部位光截获率 %

2.6 3种种植方式玉米穗位叶Pn

由表6可以看出，随着生育进程的推进，各处理的棒3叶Pn均呈现双峰曲线变化，SHJC的Pn日变化比KZH和DH的提前达到最大，之后进入午休，午休之后恢复的也比KZH和DH的快一些，在下午4:00之后，呈缓慢下降的趋势，至下午6:00，SHJC的Pn最高为20.8 μmol/(m²·s)；KZH的Pn最高值在中午12:00出现，但是之后进入午休的时间较长，恢复较慢，下午4:00之后，Pn有小幅的提高，下午6:00Pn为15.6 μmol/(m²·s)；DH的Pn日变化较为平缓，最高位在11:00为27.1 μmol/(m²·s)为3个处理的最低值，之后一直比较平缓，下午6:00Pn为12.85 μmol/(m²·s)，为3个处理的最低值。

表6 3种种植方式玉米穗位叶Pn μmol/(m2·s)

2.7 3种种植方式玉米穗位叶叶绿素荧光特性

由表7可以看出3个处理的玉米穗位叶的叶绿素荧光特性，10:00ΦPSⅡ的结果为DH＞SHJC＞KZH，11:00随着温度升高，结果为KZH＞SHJC＞DH；10:00Fv/Fm的结果为DH＞KZH＞SHJC，3个处理差异很小；11:00随着温度升高结果趋势不变；10:00NPQ的结果为DH＞KZH＞SHJC，3个处理差异较大，11:00随着温度的升高，DH＞SHJC＞KZH，3个处理的差异较小；10:00qP的结果为DH＞SHJC＞KZH，3个处理的结果差异较小，11:00随着温度的升高，结果为KZH＞SHJC＞DH，3个处理差异较大。说明不同行距配置对玉米穗位叶叶绿素荧光参数影响较大。

表7 3种种植方式玉米穗位叶叶绿素荧光参数

2.8 3种种植方式的玉米产量和结构

由表8可以看出，不同处理的玉米产量及构成因素的结果，在穗长方面为DH＞SHJC＞KZH，差异不显著；穗粗DH＞SHJC＞KZH，3个处理差异较小；穗粒重为DH＞SHJC＞KZH，差异显著；行粒数为DH＞SHJC＞KZH，差异不显著；穗粒数为DH＞SHJC＞KZH，差异显著；千粒重为DH＞SHJC＞KZH，差异显著；小区产量为SHJC＞KZH＞DH，差异达显著水平，SHJC比DH增产3402 kg/hm2，增产39.83%；SHJC比KZH增产2774.7 kg/hm2，增产30.26%。

表8 3种种植方式的玉米产量和结构

3 讨论

3.1 3种种植方式夏玉米对肥水吸收的影响

不同处理夏玉米种植密度不同对肥水吸收利用产生差异明显，SHJC处理的玉米种植密度加大，随着生育期的推进，苗期对肥水资源的竞争小一些，较大数量的群体效应有利于根系的快速生长，拔节之后，玉米生长加快，玉米植株扩展，株间竞争显现并逐渐加大，在拔节期SHJC玉米单株的物质积累2.754 g,明显高于KZH的2.590 g并低于DH的2.980 g，群体数量SHJC玉米的物质积累最大，这表明SHJX能提高土壤水分利用效率。从根系干重的变化趋势也可以得出这个结论，这与刘守渠等[16]的研究结果相同。SHJC处理促使玉米在较高种植密度下，玉米单株相对“稀植”了，玉米的每一个单株排列类似于“六边形”的顶点位置或呈“蜂巢式结构”[4]，这种结构促使玉米的株间的对肥水的竞争能力增强，明显高于KZH和DH的处理。

3.2 3种种植方式对夏玉米光分布及光能截获的影响

不同的种植方式对玉米冠层的光分布和光能截获的影响比较大。本实验条件下，SHJC高密度条件下，每一株玉米能够将绝大部分太阳光截获，其中穗层及以上光截获率达到88.5%，从而构建了高密度下的高光效的玉米冠层结构，增加了群体上层的受光面积的同时，减少了植株间的遮挡不足问题，增强了下部的通风透光条件，构建了合理的光环境，除了一早一晚和中午强光时段以外，SHJC有效利用光的能力最强，同时又能避开强光对玉米叶片的损伤，舍弃比较弱的光，实现了高密度下玉米的智慧生长的理想，也就是对光的智慧截获和智慧吸收，从而提高光合特性。

3.3 3种种植方式对夏玉米光合特性的影响

种植方式对玉米叶片部位带来的影响主要是气孔导度，净光合速率Pn与气孔导度的变化具有一致性[17]，3种处理的种植方式主要是行距的改变、玉米种植密度的变化[18]，因而会影响玉米叶片的净光合速率Pn。主要原因是不同处理的冠层的微环境不同，冠层的微环境是影响玉米叶片光合作用的外在因素[9]。随着行距的逐渐增大，不同处理的日平均温度，田间空气的流动，相对湿度，CO2浓度的变化等都会发生改变，与DH、KZH相比，SHJC增加玉米群体的受光面积，减少植株间的遮挡，改善通风透光条件，提高Pn同时降低呼吸作用，SHJC的Pn的日变化比其他2种处理提前达到最大值30.2 μmol(CO2)/(m²·s)，之后进入午休，午休之后恢复比其他处理的快，避免了光系统的高温损伤，而且可以利用弱光（下午5:00—7:00点）进行光合作用。

4 结论

“双行交错稀植”玉米种植方式播种60天，SHJC单株根系干重2.90g，小区根干重2218.50g，KZH为2.68g，DH的单株根干重3.23 g，小区合计1372.75 g，SHJC总的根干重高于DH的61.61%，高于KZH的35.26%。3个处理的玉米散粉期玉米功能叶片的小区叶面积依次为 ：SHJC：4988259 cm2，KZH：3346722 cm2，DH：2828290 cm2，SHJC的小区总叶面积比DH高76.37%，比KZH高49.05%，因此不同行距配比种植能够有效提高群体的叶面积数量。3个处理的冠层日平均吸收率依次为SHJC：75.0%，KZH：78.12%，DH：52.12%，SHJC行距配置可以很好的利用冠层顶部和底部的太阳光，中部的日平均光吸收率。3个处理的穗位层光截获率依次为：SHJC：43.9%，KZH：44.5%，DH：42.0%；穗层及以上光截获率依次为：SHJC：88.5%，KZH：87.2%，DH：63.6%，SHJC和KZH这2种处理的玉米叶片更有能力将绝大部分的太阳光截获进行光合作用。上午11:00穗位叶Pn依次为：SHJC：28.2μmol/(m2·s)，KZH：27.5 μmol/(m2·s)，DH：27.1 μmol/(m2·s)；上午12:00穗位叶Pn依次为：SHJC：23.7μmol/(m2·s)，KZH：28.5μmol/(m2·s)，DH：25.8 μmol/(m2·s)；和其他2种种植方式比较，SHJC较早时间达到Pn最大值，在中午强光时，较早进入午休，下午迅速提高Pn，其维持最大Pn的时间最长；上午11:00的荧光参数NPQ依次为：SHJC：0.56，KZH：0.50，DH：0.59。玉米产量依次为：SHJC：11943 kg/hm2，KZH：9168.3 kg/hm2，DH：8541.0 kg/hm2。

SHJC种植方式能优化高密度条件下玉米根系的空间分布，玉米单株相对“稀植”合理地利用了地下的肥水资源[19]，又能优化玉米多数叶层的空间分布，穗位层及以上对光的截获和吸收充分，底层光照少，避免了后期底部叶片早衰，根脚干净利索。保证了穗位及以上叶层的绿叶时间长[20]，Pn达到日间最大值，并进行午休，午休之后又快速恢复避免中午强光对叶片光合系统的损伤，提高了叶片的光合性能，实现了高密度条件下玉米的高产，可在全国玉米主产区推广应用本技术。