于勝男, 高聚林, 明 博, 王 振, 張寶林, 于曉芳, 孫繼穎,梁紅偉, 王志剛**

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)作物栽培與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 呼和浩特 010019; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 北京 100081; 3.內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 呼和浩特 010022)

機(jī)械粒收是北方春玉米(Zea mays)生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。當(dāng)前“以熟期換水分、以密度換產(chǎn)量”的玉米機(jī)械粒收品種選擇和栽培策略極大促進(jìn)了粒收技術(shù)推廣[3]。但也存在因品種熟期選擇不當(dāng)、種植密度不合理導(dǎo)致的種植區(qū)熱量資源不能充分利用、倒伏和減產(chǎn)的問題, 給北方春玉米安全增產(chǎn)和熱量充分利用提出了新的挑戰(zhàn)。不同熱量資源條件下,如何選擇機(jī)械粒收品種, 如何合理密植尚缺乏定量化依據(jù)。因此, 探究區(qū)域熱量資源與春玉米機(jī)械粒收品種階段發(fā)育及適宜種植密度的定量化關(guān)系, 可為內(nèi)蒙古地區(qū)春玉米機(jī)械粒收品種選擇和密植增產(chǎn)提供依據(jù)。為降低收獲時(shí)玉米籽粒含水量保證機(jī)械粒收質(zhì)量, 有學(xué)者提出“以熟期換水分”的策略, 即通過種植熟期適當(dāng)縮短的品種, 使玉米成熟后有充足的熱量供籽粒脫水, 以使收獲時(shí)籽粒含水量降低到25%以下[3]。然而關(guān)于不同區(qū)域機(jī)械粒收品種應(yīng)該縮短多少熟期, 研究結(jié)論并不一致。Wang等[4]對(duì)河北夏玉米的研究指出, 機(jī)械粒收品種較主推品種生育期短9～12 d為宜; 黃兆福等[5]在遼河流域的研究認(rèn)為, 當(dāng)?shù)貦C(jī)械粒收品種籽粒含水量降至25%以下時(shí), 需要的積溫應(yīng)較主推品種低200 ℃。這些研究往往聚焦于特定區(qū)域品種實(shí)現(xiàn)粒收的熟期分析, 很少關(guān)注區(qū)域熱量資源利用效率。研究表明, 北方春玉米區(qū)玉米生長(zhǎng)季積溫占比為全年積溫總量的85%～95%, 約剩余5%～15%的積溫未被利用, 提出應(yīng)通過選擇適宜品種、調(diào)整播期和合理密植等方式挖掘溫度資源利用效率[6-10]。雖然一般認(rèn)為玉米機(jī)械粒收品種較常規(guī)主推品種更耐密植[9], 但Xu等[11]指出北方春玉米區(qū)氣候因子尤其是太陽輻射和晝夜溫差對(duì)玉米適宜種植密度和產(chǎn)量有顯著影響, 即熱量條件是確定玉米適宜密度的關(guān)鍵因素之一, 但目前關(guān)于熱量資源與機(jī)械粒收品種適宜種植密度間的關(guān)系尚缺乏定量化研究。另外, 在機(jī)械粒收品種增產(chǎn)機(jī)制方面, Ma等[9]指出, 雖然機(jī)械粒收品種葉片數(shù)少于主推品種, 但通過高密度種植使其葉面積指數(shù)與其他品種無顯著差異, 是保障其產(chǎn)量的重要原因。但從全生育期來看, 由于機(jī)械粒收品種生育期縮短, 其階段發(fā)育特征勢(shì)必與主推品種有所區(qū)別, 不同熱量條件下機(jī)械粒收品種的階段發(fā)育特征是什么, 其階段發(fā)育如何與區(qū)域熱量資源有效匹配才能支撐密植增產(chǎn)與熱量資源高效協(xié)同, 這些問題目前皆無明確結(jié)論。本研究以揭示玉米機(jī)械粒收品種與熱量資源匹配特征及基于熱量資源定量密植, 實(shí)現(xiàn)機(jī)械粒收品種增產(chǎn)和熱量資源高效協(xié)同為切入點(diǎn), 通過連續(xù)3年品種×密度聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn), 研究機(jī)械粒收品種與區(qū)域熱量資源匹配的特征, 以及熱量資源與機(jī)械粒收品種適宜密度的定量化關(guān)系, 并解析其實(shí)現(xiàn)密植增產(chǎn)和熱量高效利用協(xié)同的生理機(jī)制, 為春玉米機(jī)械粒收品種高產(chǎn)與熱量高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

2017?2019年, 在內(nèi)蒙古東部4個(gè)熱量條件有顯著差異的生態(tài)類型區(qū)——嶺東溫涼區(qū)(east region of Xing’an Mountain, EXM)、嶺南溫暖區(qū)(south region of Xing’an Mountain, SXM)、燕山丘陵區(qū)(north region of Yanshan Mountain, NYH)和西遼河平原區(qū)(west Liao River Plain, WLR)開展品種×密度聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)地理坐標(biāo)及各生態(tài)區(qū)熱量條件概況如表1所示。

表1 各生態(tài)區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)地理位置和玉米生育期平均熱量條件Table 1 Location and thermal conditions during spring maize season of the experiment sites in each ecological region

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在每個(gè)生態(tài)區(qū)皆以4個(gè)品種為材料(表2), 包括:共性對(duì)照晚熟品種‘鄭單958’ (ZD958)、共性對(duì)照早熟品種‘德美亞1號(hào)’ (DMY1), 1個(gè)當(dāng)?shù)刂魍破贩N(CFV, current famers’ variety)、1個(gè)經(jīng)鑒選的適宜當(dāng)?shù)氐臋C(jī)械粒收品種(MHV, mechanical grain-harvesting variety)。各品種均設(shè)6.0萬 株·hm?2、7.5萬株·hm?2、9.0萬株·hm?2和10.5萬株·hm?24個(gè)種植密度。試驗(yàn)采取裂區(qū)設(shè)計(jì), 以品種為主區(qū), 種植密度為副區(qū), 3次重復(fù)。各小區(qū)種植8行, 行長(zhǎng)7 m, 等行距0.6 m種植, 小區(qū)面積33.6 m2。各試驗(yàn)點(diǎn)以連續(xù)5 d日均溫≥10 ℃為判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行播種。各地均采用當(dāng)?shù)販y(cè)土配方施肥量進(jìn)行養(yǎng)分管理, 底肥均采用磷酸二銨(含N 18%、含P2O546%)、硫酸鉀(含K2O 50%),拔節(jié)期追施尿素(含N 46%); 殺蟲、除草、灌溉等其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

表2 各生態(tài)區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)的供試品種及其積溫要求Table 2 Tested varieties and their accumulated temperature requirement in the experiment sites of each ecological region

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 生育時(shí)期記錄及計(jì)算

玉米生育期內(nèi)于田間調(diào)查并記錄以下生育時(shí)期:播種期、出苗期、吐絲期、生理成熟期。為準(zhǔn)確記錄生育時(shí)期到達(dá)日期, 各處理內(nèi)標(biāo)定3 m雙行, 記錄雙行內(nèi)總株數(shù), 進(jìn)行定株調(diào)查。生育期以符合某生育時(shí)期標(biāo)準(zhǔn)的株數(shù)達(dá)到總株數(shù)的50%確定, 根據(jù)某生育時(shí)期與下一生育時(shí)期到達(dá)日期計(jì)算此生育階段生長(zhǎng)天數(shù)。

1.3.2 地上部生物量測(cè)定

各處理于吐絲期、生理成熟期取樣, 每個(gè)重復(fù)分別取3株代表性植株(無病蟲害影響且生長(zhǎng)發(fā)育正常的植株), 緊貼地面將其砍下。于烘箱105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘干至恒重后稱重, 計(jì)算群體生物量。

1.3.3 葉面積測(cè)定

于吐絲期自每個(gè)重復(fù)取3株代表性植株(無病蟲害影響且生長(zhǎng)發(fā)育正常的植株), 測(cè)定全株葉面積,由植株頂葉向下逐個(gè)葉位測(cè)量葉長(zhǎng)L(葉片展平, 測(cè)定葉基部至葉尖的長(zhǎng)度)、葉寬W(葉片展平, 垂直葉脈測(cè)定葉片最大寬度), 按展開葉葉面積=L×W×0.75,未展開葉葉面積=L×W×0.5進(jìn)行計(jì)算。

1.3.4 測(cè)產(chǎn)及考種

生理成熟期, 每個(gè)重復(fù)選無缺苗斷壟且長(zhǎng)勢(shì)整齊的2行實(shí)收, 晾曬后進(jìn)行考種, 逐穗測(cè)定穗粒數(shù)后全部脫粒, 測(cè)定千粒重后, 采用PM-8188型谷物水分測(cè)量?jī)x測(cè)定籽粒含水量, 并計(jì)算籽粒產(chǎn)量(籽粒含水量14%)。

1.3.5 氣象數(shù)據(jù)記錄

氣象數(shù)據(jù)來源于2017?2019年試驗(yàn)地氣象站獲取的全年逐日平均氣溫(Ta)、日最高溫(Tmax)、日最低溫(Tmin)等氣象數(shù)據(jù), 用于計(jì)算各生態(tài)區(qū)全年和玉米各生育階段≥10 ℃積溫。

1.3.6 熱量利用效率計(jì)算

作物熱量利用效率(HUE)為作物單位面積內(nèi)產(chǎn)量與作物生長(zhǎng)季內(nèi)熱量總和之比。HUE (kg?hm?2?℃?1)=Y/∑Ta, 其中Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm?2), ∑Ta為玉米全生育期實(shí)測(cè)≥10 ℃活動(dòng)積溫(℃)。

1.3.7 ≥10 ℃積溫及積溫利用率計(jì)算

≥10 ℃積溫: 玉米生育期或某一發(fā)育階段內(nèi)高于10 ℃以上的日平均溫度總和稱為≥10 ℃積溫。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0 一般線性模型的固定模型進(jìn)行方差分析, 以Sigmaplot 12.5進(jìn)行線性模型回歸、作圖和差異統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(P<0.05); 顯著性檢驗(yàn)采用最小顯著差異法(LSD), 顯著水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥10 ℃積溫對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.1.1 ≥10 ℃積溫對(duì)不同玉米品種產(chǎn)量的影響

由圖1可見, 晚熟對(duì)照品種‘鄭單958’ (ZD958)在熱量條件不同的地區(qū)種植, 產(chǎn)量差異顯著(P<0.05), 表現(xiàn)為熱量充沛地區(qū)>熱量有限地區(qū); 在熱量有限地區(qū), 由于不能正常成熟, 產(chǎn)量為8.7～10.7 t·hm?2,在熱量充沛地區(qū)(燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)), 產(chǎn)量可達(dá)13.4～16.1·hm?2, 表現(xiàn)為隨著熱量資源增加產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)。早熟對(duì)照品種‘德美亞1號(hào)’(DMY1)在各個(gè)生態(tài)區(qū)內(nèi)產(chǎn)量無顯著差異, 但熱量有限區(qū)域(嶺東和嶺南)產(chǎn)量相對(duì)較高, 為10.2～10.3 t·hm?2, 熱量充沛地區(qū)產(chǎn)量為10.0～10.1 t·hm?2。各生態(tài)區(qū)主推品種及機(jī)械粒收品種均在所在區(qū)域獲得較高產(chǎn)量, 產(chǎn)量水平表現(xiàn)與各地?zé)崃抠Y源水平相一致。熱量有限地區(qū)主推品種產(chǎn)量為10.2～11.4 t·hm?2, 機(jī)械粒收品種為11.1～12.7 t·hm?2; 熱量充沛地區(qū)主推品種為13.6～16.4 t·hm?2, 機(jī)械粒收品種為16.1～16.9 t·hm?2;各區(qū)域機(jī)械粒收品種最高產(chǎn)量較主推品種更高, 特別是熱量有限區(qū)域差異明顯。

圖1 不同類型玉米品種在不同生態(tài)區(qū)產(chǎn)量比較Fig.1 Yield comparison of different maize varieties in different ecological zones

2.1.2 不同熱量條件區(qū)域不同玉米品種適宜種植密度

玉米產(chǎn)量與種植密度呈極顯著的二次函數(shù)關(guān)系。如圖2所示, 晚熟對(duì)照品種ZD958在嶺東、嶺南、燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)獲得最高產(chǎn)量的密度差異不大, 為7.8萬～8.3萬株·hm?2, 較生產(chǎn)常規(guī)密度(6.0萬 株·hm?2)增密1.8～2.3萬 株·hm?2, 分別增產(chǎn)21.1%、16.9%、9.4%和6.4%; 早熟對(duì)照品種DMY1在4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最高產(chǎn)量密度(萬株·hm?2)分別為8.8、8.8、8.3和7.9, 較生產(chǎn)常規(guī)密度分別增密2.8萬株·hm?2、2.8萬株·hm?2、2.3萬株·hm?2和1.9萬株·hm?2,可增產(chǎn)24.2%、16.2%、10.3%和9.0%?？梢? 在熱量資源有限區(qū)域, 早熟品種的適宜種植密度(8.8萬株·hm?2)高于晚熟品種適宜種植密度(8.1～8.3萬株·hm?2), 而在熱量資源充沛地區(qū), 二者間差異不明顯。

圖2 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種玉米產(chǎn)量隨密度變化趨勢(shì)Fig.2 Yield changes of different maize varieties with density in different ecological regions

4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)主推品種最高產(chǎn)量時(shí)的密度(萬株·hm?2)分別為8.3、8.2、8.0和8.0, 較生產(chǎn)常規(guī)密度6.0萬株·hm?2分別提高(萬株·hm?2) 2.3、2.2、2.0和2.0, 分別增產(chǎn)23.7%、15.4%、10.3%和6.9%; 4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)機(jī)械粒收品種達(dá)最高產(chǎn)時(shí)的密度(萬株·hm?2)為別9.2、8.8、8.2和8.1, 較生產(chǎn)常規(guī)密度6.0萬株·hm?2增密(萬株·hm?2) 3.2、2.8、2.2和2.1, 可分別增產(chǎn)20.1%、23.3%、15.5%和6.6%。嶺東、嶺南、燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)機(jī)械粒收品種最高產(chǎn)量密度較主推品種分別高(萬株·hm?2) 0.9、0.6、0.2和0.1, 特別是熱量有限區(qū)域內(nèi)差異更為明顯。

2.1.3 機(jī)械粒收品種適宜種植密度與熱量資源的定量化關(guān)系

將不同生態(tài)區(qū)玉米機(jī)械粒收品種達(dá)最高產(chǎn)量時(shí)的密度與其生長(zhǎng)發(fā)育所需≥10 ℃積溫、對(duì)應(yīng)生態(tài)區(qū)≥10 ℃積溫進(jìn)行擬合表明, 區(qū)域積溫與機(jī)械粒收品種獲最高產(chǎn)時(shí)密度之間存在顯著線性相關(guān)關(guān)系(圖3),隨玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需≥10 ℃積溫增加, 機(jī)械粒收品種適宜種植密度呈降低趨勢(shì)。從品種角度分析, 機(jī)械粒收品種所需≥10 ℃積溫每減少100 ℃, 種植密度可增加0.15萬株·hm?2; 從區(qū)域熱量資源分析, 區(qū)域年積溫每減少100 ℃, 種植密度可增加0.17萬株·hm?2。

圖3 不同生態(tài)區(qū)機(jī)械粒收品種獲最高產(chǎn)量時(shí)種植密度與積溫的關(guān)系Fig.3 Relationship between planting density and accumulated temperature during maize growth season and annual accumulated temperature when mechanical grain-harvesting maize varieties achieve maximum yield in different ecological region

2.2 ≥10 ℃積溫對(duì)玉米階段發(fā)育的影響

由圖4和圖5可見, ≥10 ℃積溫對(duì)不同類型玉米品種的階段發(fā)育和生育期≥10 ℃積溫利用有顯著影響。晚熟對(duì)照品種ZD958在熱量有限區(qū)域種植時(shí)不能正常成熟, 從出苗至早霜死亡的生育天數(shù)為118.8～121.5 d; 其階段發(fā)育對(duì)溫度反應(yīng)敏感, 表現(xiàn)為花前生育天數(shù)明顯延長(zhǎng)(P<0.05), 較在熱量充沛區(qū)域增加9～10 d, 占全生育期的59%。在熱量充沛區(qū)域,ZD958能夠正常成熟, 全生育期天數(shù)為136 d, 花前花后生育期天數(shù)之比為4.5∶5.5, 全生育期積溫分別為3094.0 ℃和3276.5 ℃, ≥10 ℃積溫利用率為91%。

圖4 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種花前花后生育天數(shù)比較Fig.4 Comparison of growing days per-silking and post-silking of different maize varieties in different ecological regions

早熟對(duì)照品種DMY1在各生態(tài)區(qū)的生育期天數(shù)為105～113 d, 表現(xiàn)為隨著區(qū)域熱量資源增加, 生育期明顯縮短, 且主要是花前生育天數(shù)明顯減少。在熱量有限區(qū)域, 其花前花后生育天數(shù)比例和積溫比例均趨近5∶5。在熱量充足地區(qū), 其生育期較熱量有限區(qū)域明顯縮短(P<0.05), 且主要是花前生長(zhǎng)天數(shù)縮短3～9 d, 花前花后積溫比例為5∶6, 其生理成熟后仍剩余596.1～639.8 ℃的活動(dòng)積溫, 占全年活動(dòng)積溫的17.8%、17.3%, 不但產(chǎn)量低于其較為適宜的熱量有限區(qū)域, 還造成熱量資源大量浪費(fèi)。綜合兩個(gè)共性對(duì)照品種的產(chǎn)量表現(xiàn)可見, 品種熟期及階段發(fā)育與區(qū)域熱量資源有效匹配是玉米獲得高產(chǎn)和熱量資源高效的前提。

主推品種和機(jī)械粒收品種生育期及其所需積溫均隨區(qū)域熱量資源總量增加而增加, 且主要表現(xiàn)為花后生育天數(shù)和積溫隨熱量資源的增加顯著增加,而花前差異不大。熱量有限區(qū)域內(nèi), 主推品種花前花后積溫比例和天數(shù)比例趨近5∶5; 在熱量充足地區(qū), 主推品種花前花后天數(shù)比例為5∶6, 但花前花后積溫比例為5∶5, 其生理成熟后所剩余的活動(dòng)積溫僅占全年的2.3%～2.9%。各生態(tài)區(qū)機(jī)械粒收品種較當(dāng)?shù)刂魍破贩N生育期短1.3～6.3 d, 其花前花后積溫比、花前花后生育期天數(shù)比均為5∶6。其生理成熟后仍剩余110.2～205.4 ℃積溫, 占全年積溫總量的3.0%～6.1%, 可用于籽粒脫水。不同生態(tài)區(qū)來看, 機(jī)械粒收品種的≥10 ℃積溫利用率為86.3%～89.3%。

2.3 熱量資源對(duì)玉米群體生物量的影響

如圖6所示, 晚熟對(duì)照品種ZD958生物量表現(xiàn)為熱量充足地區(qū)>熱量有限地區(qū), 其花前生物量在地區(qū)之間無顯著差異, 而花后生物量隨著熱量資源總量增加顯著增加(P<0.05)。早熟對(duì)照品種DMY1的生物量隨區(qū)域內(nèi)熱量增大無顯著變化, 其花前生物量表現(xiàn)為熱量有限地區(qū)略高于熱量充足地區(qū), 花后生物量則表現(xiàn)為熱量充足地區(qū)略高于熱量有限地區(qū)。

各生態(tài)區(qū)主推品種和機(jī)械粒收品種總生物量隨熱量資源增加而增大, 均表現(xiàn)為西遼河平原區(qū)>燕山丘陵區(qū)>嶺南溫暖區(qū)>嶺東溫涼區(qū), 且熱量充沛地區(qū)花前花后生物量均顯著高于熱量有限區(qū)域(P<0.05);機(jī)械粒收品種在熱量充足的燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)總生物量為31.5 t·hm?2和36.1 t·hm?2, 熱量有限的嶺東和嶺南為21.2 t·hm?2和22.8 t·hm?2。熱量有限地區(qū)機(jī)械粒收品種花前、花后生物量之比接近5∶5,熱量充足區(qū)域花前花后生物量之比為4∶6。

2.4 熱量資源對(duì)玉米群體葉面積的影響

由圖7可以看出, 共性對(duì)照品種的最大葉面積指數(shù)(LAImax)在不同生態(tài)區(qū)間差異不顯著, 總體上隨區(qū)域熱量資源增加略有降低。晚熟對(duì)照品種ZD958比早熟對(duì)照品種DMY1的LAImax平均高3.64。主推品種和機(jī)械粒收品種的LAImax均隨熱量資源總量的增加而增大。熱量有限的嶺東和嶺南兩地主推品種的LAImax分別為4.7和4.9, 兩地之間無顯著差異; 積溫充沛的燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)主推品種的LAImax分別為6.4和6.7, 顯著高于兩個(gè)熱量有限區(qū)(P<0.05)。嶺東和嶺南兩地機(jī)械粒收品種的LAImax分別為4.3和4.6; 燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)機(jī)械粒收品種的LAImax分別為6.1和6.4, 兩地間差異不顯著。各地區(qū)機(jī)械粒收品種LAImax較主推品種小0.3～0.4。但從產(chǎn)量和LAImax關(guān)系來看, 在保證正常成熟的條件下, 產(chǎn)量與LAImax顯著正相關(guān), 機(jī)械粒收品種以較小的LAImax獲得了較主推品種更高的產(chǎn)量,說明其單位葉面積的籽粒生產(chǎn)效率更高(圖8)。

圖8 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種最大葉面積指數(shù)(LAImax)對(duì)產(chǎn)量的影響Fig.8 Effects of maximum leaf area index (LAImax) on yielddifferent maize varieties in different ecological regions

2.5 不同類型玉米品種群體熱量利用效率差異

2.5.1 熱量資源對(duì)玉米≥10 ℃積溫利用率的影響

在熱量資源條件不同的區(qū)域, 不同類型玉米品種熱量利用率差異顯著(圖9)。晚熟對(duì)照品種ZD958的≥10 ℃積溫利用率最高, 在燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)分別為91.5%和89.0%, 雖然其在嶺東和嶺南兩地≥10 ℃積溫利用率達(dá)93.0%, 但因不能正常成熟, 會(huì)造成顯著減產(chǎn); 早熟對(duì)照品種DMY1則表現(xiàn)為隨區(qū)域熱量資源增加, 其≥10 ℃積溫利用率顯著降低, 在嶺東和嶺南≥10 ℃積溫利用率為86.1%和83.3%, 而在燕山丘陵區(qū)和西遼河平原區(qū)其≥10 ℃積溫利用率僅為77.5%和73.5%, 造成積溫大量浪費(fèi);4個(gè)生態(tài)區(qū)主推品種≥10 ℃積溫利用率分別為88.6%、86.0%、90.0%和89.3%, 機(jī)械粒收品種分別為86.8%、86.3%、89.3%和88.9%, 各地機(jī)械粒收品種較主推品種≥10 ℃積溫利用率約低1.0%。

圖9 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種≥10 ℃積溫利用率Fig.9 Utilization rate of accumulated temperature ≥10 ℃ for different maize varieties in different ecological regions

2.5.2 熱量資源對(duì)玉米熱量利用效率的影響

熱量資源條件不同的區(qū)域, 玉米熱量利用效率(HUE)有顯著差異(圖10)。隨區(qū)域內(nèi)熱量資源增加,晚熟對(duì)照品種ZD958的HUE顯著增加(P<0.05), 表現(xiàn)為西遼河>燕山丘陵區(qū)>嶺南>嶺東; 早熟對(duì)照品種DMY1的HUE則顯著降低(P<0.05), 表現(xiàn)為嶺東>嶺南>燕山丘陵區(qū)>西遼河; 各地主推品種和機(jī)械粒收品種的HUE隨熱量資源增加而增大(P<0.05), 均表現(xiàn)為西遼河>燕山丘陵區(qū)>嶺南>嶺東。同一生態(tài)區(qū)內(nèi)機(jī)械粒收品種比主推品種HUE提高0.4～0.6 kg·hm?2?℃?1。

圖10 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種的熱量利用效率Fig.10 Heat resource utilization efficiency (HUE) of different maize varieties in different ecologicalregions

2.5.3 種植密度對(duì)玉米熱量利用效率的影響

隨種植密度增加HUE呈先增后減趨勢(shì)(圖11)。晚熟對(duì)照品種ZD958在7.5萬株·hm?2時(shí)HUE最高;早熟對(duì)照品種DMY1則在9.0萬株·hm?2時(shí)HUE最高; 主推品種在熱量有限地區(qū)9.0萬株·hm?2的密度時(shí)HUE最高, 在熱量充足地區(qū), 則在7.5萬株·hm?2時(shí)HUE最高; 而機(jī)械粒收品種均在9.0萬株·hm?2時(shí)獲得最高HUE, 熱量有限地區(qū)其最高HUE為5.3～5.8 kg·hm?2·℃?1, 熱量充沛地區(qū)其最高HUE為6.2～6.3 kg·hm?2·℃?1, 顯著高于熱量有限區(qū)域(P<0.05)。上述結(jié)果一方面說明機(jī)械粒收品種較主推品種更耐密植, 更易通過密植提高HUE; 另一方面也說明, 熱量有限區(qū)域通過密植提升HUE潛力較熱量充沛地區(qū)更大。

圖11 不同生態(tài)區(qū)不同類型玉米品種種植密度對(duì)玉米熱量利用效率的影響Fig.11 Effect of planting density on heat resource utilization efficiency (HUE) of different maize varieties in different ecological regions

3 討論

選擇與區(qū)域生態(tài)特征相適宜的品種是作物獲得高產(chǎn)的前提, 對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)30%以上[12]。Yousaf等[13]研究發(fā)現(xiàn), 與其他跨區(qū)種植品種相比, 選擇與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件適宜的品種可獲得更高的產(chǎn)量和熱量利用效率, 這是品種基因型與當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源匹配的結(jié)果。本研究通過對(duì)不同熟期對(duì)照品種的分析表明, 早熟品種‘德美亞1號(hào)’在晚熟地區(qū)種植, 由于生育期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于當(dāng)?shù)責(zé)o霜期[14], 導(dǎo)致大量熱量資源浪費(fèi), 無法充分挖掘區(qū)域生產(chǎn)潛力; 另外, 與其適宜生長(zhǎng)的冷涼區(qū)相比, 由于其花前生長(zhǎng)溫度較高, 導(dǎo)致其發(fā)育快, 物質(zhì)積累量少, 產(chǎn)量反而有降低趨勢(shì)。相比之下, 在熱量有限的中早熟地區(qū)種植晚熟品種‘鄭單958’, 由于生育期長(zhǎng)于當(dāng)?shù)責(zé)o霜期, 導(dǎo)致品種無法正常成熟而無法發(fā)揮品種的遺傳產(chǎn)量潛力[15], 且與其適宜生長(zhǎng)的晚熟區(qū)相比, 其花前生長(zhǎng)溫度偏低, 導(dǎo)致其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期顯著延長(zhǎng), 而生殖生長(zhǎng)時(shí)間不足, 這與Liu等[16]的研究結(jié)果一致。相較本試驗(yàn)中的共性品種而言, 各地主推品種和機(jī)械粒收品種在生長(zhǎng)發(fā)育時(shí), 與當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源匹配度更高。機(jī)械粒收品種均在區(qū)域≥10 ℃積溫利用率達(dá)到86.0%～89.3%的前提下獲得最高產(chǎn)量; 熱量有限區(qū)域, 機(jī)械粒收品種的花前花后生育天數(shù)比例、≥10 ℃積溫比例、生物量比例均趨近5∶5, 熱量充沛區(qū)域內(nèi), 機(jī)械粒收品種花前花后生育天數(shù)比例及積溫比例趨近4.5∶5.5, 花前花后生物量比例為4∶6。說明品種熱量需求與區(qū)域熱量資源有效匹配是獲得高產(chǎn)并充分挖掘品種和區(qū)域生產(chǎn)潛力的前提。白彩云等[17]指出, 玉米積溫需求的變異程度可代表品種對(duì)此地區(qū)的生態(tài)適宜程度。在熱量有限條件下, 生態(tài)適宜品種可調(diào)節(jié)自身花前花后熱量需求, 進(jìn)而保證正常成熟; 熱量充足地區(qū),會(huì)將更多的熱量分配到花后, 因此有較高的產(chǎn)量水平[18]。

楊哲等[19]研究表明, 在主要栽培因素中, 種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為12.6%, 是決定玉米產(chǎn)量的首要因子。通過增大密度補(bǔ)償機(jī)械粒收品種因生育期縮短而帶來的產(chǎn)量損失是保障機(jī)械粒收品種產(chǎn)量、促進(jìn)其推廣的一項(xiàng)有效措施[19-21]。Wang等[4]研究表明, 機(jī)械粒收品種在低密度時(shí)產(chǎn)量低于主推品種, 在較高密度時(shí)產(chǎn)量可高于主推品種。從本研究的結(jié)果來看, 各區(qū)域機(jī)械粒收品種都較主推品種更耐密植,且在熱量有限區(qū)域表現(xiàn)更為明顯。在熱量有限地區(qū),機(jī)械粒收品種在9.0萬株?hm?2的種植密度時(shí)獲得較高產(chǎn)量和熱量利用效率, 而在熱量充足地區(qū), 機(jī)械粒收品種在8.25萬株·hm?2即可獲得較高的產(chǎn)量和熱量利用效率, 這可能與熱量充沛生態(tài)區(qū)內(nèi)玉米生育期長(zhǎng), 可充分發(fā)揮玉米單株生產(chǎn)潛力有關(guān)。Assefa等[22]對(duì)美國(guó)22個(gè)州和加拿大2個(gè)省份進(jìn)行玉米產(chǎn)量?密度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn), 隨緯度升高, 種植品種生育期變短, 其達(dá)最高產(chǎn)量時(shí)的種植密度逐漸增大, 即緯度升高, 熱量減少, 種植密度增加。但目前尚未見基于熱量資源條件確定種植密度的定量化研究結(jié)論。本研究表明, 玉米適宜種植密度與熱量資源總量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 其關(guān)系符合y=?0.0017x+15.42, 即區(qū)域年≥10 ℃積溫每減少100 ℃, 種植密度可增加0.17萬株·hm?2。熱量有限區(qū)域內(nèi)機(jī)械粒收品種實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量需增密2.8～3.1萬株·hm?2, 密度為8.8～9.2萬株·hm?2時(shí), 產(chǎn)量為11.1～12.7 t·hm?2, 增密后可增產(chǎn)20.1%～23.3%, HUE可提高20.6%～30.1%; 熱量充沛地區(qū)實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量需增密2.1～2.3萬株·hm?2, 密度為8.1～8.2萬株·hm?2時(shí), 增密后可增產(chǎn)6.1%～11.5%,HUE可提高8.6%～17.5%?；谶@一結(jié)果, 各生態(tài)區(qū)可依據(jù)積溫條件量化確定機(jī)械粒收品種的種植密度和熟期。

李宏志等[23]研究發(fā)現(xiàn), 隨種植密度增加, 玉米源、庫均呈增加趨勢(shì), 但是收獲指數(shù)下降, 是由于流受限,因此產(chǎn)量無法隨密度增加無限增加。玉米群體葉面積隨密度增加而增加[24]。本研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)適宜品種葉面積指數(shù)隨熱量資源增加呈線性增加趨勢(shì), 與侯玉虹等[25]研究結(jié)果一致。隨種植密度增加, 葉片對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)[26], 因而機(jī)械粒收品種在較高的密度時(shí)可以在相對(duì)較低的葉面積指數(shù)下獲得更高產(chǎn)量。有學(xué)者[27]提出早熟品種較晚熟品種葉片數(shù)少3～4片, 即早熟品種源端受限,單位面積內(nèi)籽粒生產(chǎn)效率有限, 產(chǎn)量無法與晚熟品種相比, 但通過增密可調(diào)節(jié)玉米群體LAI進(jìn)而提高最終玉米產(chǎn)量[28]。熱量充沛地區(qū), 晚熟玉米品種在有相對(duì)較高的群體LAI前提下增密, 即發(fā)揮品種自身源端優(yōu)勢(shì)前提下通過增密構(gòu)建合理群體可提高產(chǎn)量和熱量利用效率。其次生物量差異導(dǎo)致產(chǎn)量差異顯著, 機(jī)械粒收品種的生物量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高于其他形態(tài)指標(biāo)[29], 因此, 當(dāng)機(jī)械粒收品種在花前有較好的物質(zhì)積累時(shí), 花后便可實(shí)現(xiàn)較高產(chǎn)量, 這一結(jié)論在熱量充沛地區(qū)更為適宜。Assefa等[30]提出是由于熱量充沛生態(tài)區(qū)內(nèi)種植中晚熟或晚熟品種, 可充分發(fā)揮單株生產(chǎn)潛力, 合理密植, 進(jìn)而提高產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)各區(qū)域機(jī)械粒收品種較主推品種更耐密植,熱量有限區(qū)域表現(xiàn)更明顯。早熟品種在熱量有限區(qū)域熱量利用效率較熱量充沛地區(qū)高24%[31], 其耐高密特點(diǎn)使其在9.0萬株·hm?2的種植密度下, 產(chǎn)量和熱量利用效率都高于低密度或過高密度, 因此增密是熱量有限區(qū)域早熟品種主要的高產(chǎn)高效途徑。在熱量充足地區(qū), 種植單株生產(chǎn)潛力大的中晚熟品種熱量利用效率有11.6%的提升空間[31], 中晚熟品種在充分發(fā)揮單株生產(chǎn)潛力的前提下進(jìn)行合理密植[32], 在8.25萬株·hm?2即可有高的產(chǎn)量和熱量利用效率。本研究明確了玉米群體階段發(fā)育與熱量資源有效匹配是協(xié)同提高產(chǎn)量和熱量利用效率的必要途徑, 但對(duì)階段匹配的原因闡釋尚不系統(tǒng), 影響玉米階段生長(zhǎng)的核心熱量因子是什么, 調(diào)配群體階段發(fā)育與核心熱量因子協(xié)同的途徑也不清楚, 這些問題尚需要在后續(xù)研究中深入解析。

4 結(jié)論

選擇≥10 ℃積溫利用率在86.0%～89.3%的機(jī)械粒收玉米品種, 可實(shí)現(xiàn)品種與區(qū)域熱量資源有效匹配?；跓崃抠Y源進(jìn)行定量密植可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和熱量資源高效利用協(xié)同。區(qū)域≥10 ℃積溫每減少100 ℃, 密度需增加0.17萬株·hm?2。熱量有限區(qū)域內(nèi)機(jī)械粒收品種的花前花后生育天數(shù)比例、≥10 ℃積溫比例、生物量比例均趨近5∶5, 實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量需增密2.8萬～3.1萬株·hm?2, 密度為8.8萬～9.2萬株·hm?2時(shí), 產(chǎn)量為11.1～12.7 t·hm?2, 增密后可增產(chǎn)20.1%～23.3%, HUE可提高20.6%～30.1%; 熱量充沛區(qū)域內(nèi)玉米機(jī)械粒收品種花前花后生育天數(shù)比例及積溫比例趨近4.5∶5.5, 花前花后生物量比例為4∶6, 產(chǎn)量在15.4～16.9 t·hm?2, 實(shí)現(xiàn)最高產(chǎn)量需增密2.1萬～2.3萬株·hm?2, 密度為8.1萬～8.2萬株·hm?2時(shí),增密后可增產(chǎn)6.1%～11.5%, HUE可提高8.6%～17.5%。