高 鑫，楊恒山，張瑞富，張玉芹，李 銳，張明偉

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

探索不同生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量潛力與突破技術(shù)途徑，努力提高單產(chǎn)水平仍是未來玉米栽培研究的主要目標(biāo)之一。當(dāng)前利用單項(xiàng)栽培技術(shù)實(shí)現(xiàn)單產(chǎn)水平提高變得日益艱難，通過綜合多項(xiàng)高產(chǎn)栽培措施形成優(yōu)化栽培模式，提高玉米群體耐密性，實(shí)現(xiàn)密植群體資源的高效利用已成為玉米穩(wěn)產(chǎn)增效的主要途徑。研究表明，通過增加玉米種植密度和優(yōu)化養(yǎng)分管理，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和氮素生產(chǎn)力協(xié)同提高20%的高產(chǎn)高效發(fā)展目標(biāo)，若將種植密度、養(yǎng)分管理、品種、防病(兼化控)與耕作方式5個(gè)因子進(jìn)行優(yōu)化，則可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和資源效率均協(xié)同提高30%以上的長期目標(biāo)。優(yōu)化肥料用量與分期調(diào)控等管理措施，可促進(jìn)玉米各層位葉片酶活性，降低丙二醛含量，促進(jìn)根系干物質(zhì)分配和活躍吸收區(qū)域下移，增大深層土壤養(yǎng)分吸收能力，保證玉米吐絲期后對(duì)養(yǎng)分的需求，顯著增加玉米生殖生長期的群體干物質(zhì)和氮、磷、鉀積累量，顯著提高肥料利用效率，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和效率的協(xié)同提升。

淺埋滴灌是近年來興起的一種新型滴灌方式，基于這種方式而形成的水肥一體化高產(chǎn)栽培模式對(duì)玉米節(jié)水節(jié)肥增產(chǎn)提效具有顯著效果，前人對(duì)此也做了大量的研究工作，但以往的研究主要針對(duì)淺埋滴灌下玉米產(chǎn)量、水肥利用效率和干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等進(jìn)行了闡述，而對(duì)玉米根冠特征變化研究還鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)采用淺埋滴灌水肥優(yōu)化高產(chǎn)模式，以農(nóng)戶生產(chǎn)模式為對(duì)照，通過探究春玉米植株冠層與根系變化特征，明確淺埋滴灌水肥優(yōu)化高產(chǎn)模式下春玉米的增產(chǎn)機(jī)制，為進(jìn)一步提高西遼河平原灌區(qū)春玉米產(chǎn)量提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2020年在通遼市科爾沁區(qū)通遼市玉米新技術(shù)集成與推廣示范基地進(jìn)行，地點(diǎn)位于122°12′E，北緯43°44′24″N。試驗(yàn)田為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量8.53 g·kg，全氮含量0.89 g·kg，速效磷含量9.82 mg·kg，速效鉀含量108.51 mg·kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以先玉1483和迪卡159為試驗(yàn)材料，設(shè)置淺埋滴灌水肥優(yōu)化高產(chǎn)創(chuàng)建模式(簡稱高產(chǎn)模式，HY)和農(nóng)戶生產(chǎn)模式(簡稱農(nóng)戶模式，CK)。2種模式均采用大區(qū)種植，高產(chǎn)模式每品種種植面積為1.33 hm，農(nóng)戶模式每品種種植面積為0.2 hm，大小壟種植(大壟80 cm、小壟40 cm)，兩種模式田間除草和病蟲害防治一致。高產(chǎn)模式：種植密度為90 000株·hm，施肥量為尿素525 kg·hm(46% N)、磷酸二銨225 kg·hm(18% N，46% PO)、硫酸鉀90 kg·hm(50% KO)、尿素硝銨(urea ammonium nitrate，UAN)液體肥150 kg·hm(32% N)，有機(jī)肥30 000 kg·hm，灌水量2 400 m·hm；采用淺埋滴灌水肥一體化模式:有機(jī)肥于整地前均勻撒施，磷、鉀肥隨種基施，尿素和UAN按3∶6∶1分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期隨水追施，全生育期灌水6次。農(nóng)戶模式種植密度為75 000株·hm，施肥量為尿素525 kg·hm(46% N)、磷酸二銨225 kg·hm(18% N，46% PO)、硫酸鉀90 kg·hm(50% KO)；2020年5月2日播種，9月30日收獲，灌水量4 000 m·hm，磷、鉀肥隨種基施，尿素于拔節(jié)期(V6)一次性追施，灌溉采用傳統(tǒng)畦灌，全生育期灌水4次。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 植株干物質(zhì)量

在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期和完熟期，每處理取代表性玉米植株3株，重復(fù)3次。按葉片、莖、營養(yǎng)體和籽粒(成熟期)等部位分開，放入烘箱，105 ℃殺青30 min后，再調(diào)至75 ℃烘干至質(zhì)量不變，稱量并計(jì)為干物質(zhì)量。

1.3.2 葉面積指數(shù)(LAI)

在吐絲期，每處理選擇有代表性的植株連續(xù)3株，重復(fù)3次，測(cè)量葉片長、寬，計(jì)算葉面積和葉面積指數(shù)。

單葉葉面積=長×寬×0.75；

葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)=(單株葉面積×單位土地葉面積內(nèi)的株數(shù))/單位土地面積。

1.3.3 葉片酶活性

于吐絲期測(cè)定。將每小區(qū)選取的具有代表性植株的上位葉、穗位葉和下位葉樣品等量混合，采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。

1.3.4 根系干物質(zhì)量

于吐絲期測(cè)定。以長勢(shì)一致的連續(xù)3株玉米為取樣對(duì)象，3次重復(fù)。每20 cm一層，取根深度為60 cm。用水沖洗掉泥沙，剔除雜質(zhì)后烘干稱重。

1.3.5 根幅

將0～10 cm和10～20 cm土層根系取出后，置于貼有坐標(biāo)紙的平板上，分別測(cè)量行間和株間的根系水平分布最大直徑，計(jì)算根幅。

根幅=行間直徑(cm)×株間直徑(cm)。

1.3.6 根系活力

取樣方式同1.3.4節(jié)，根系樣品放入冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，用水洗凈后吸干水分，稱取根尖0.5 g，采用TTC還原法測(cè)定根系活力。

1.3.7 產(chǎn)量

每小區(qū)量取寬8行、長15 m的面積作為測(cè)產(chǎn)區(qū)，全部收穗，記錄穗數(shù)并稱量；計(jì)算平均單穗重。選取等質(zhì)量的20個(gè)果穗脫粒后測(cè)定籽粒重和含水率。計(jì)算測(cè)產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量并折算成含水率為14%的產(chǎn)量。同時(shí)，取10個(gè)果穗進(jìn)行考種，測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)。每試驗(yàn)小區(qū)3次重復(fù)。

1.3.8 氮偏生產(chǎn)力(PFP)

氮偏生產(chǎn)力(kg·kg)=產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2013和Sigmaplot12.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖，應(yīng)用SPSS 13.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量構(gòu)成因素與氮效率分析

由表1可知，與農(nóng)戶模式相比，高產(chǎn)模式通過增大種植密度和優(yōu)化水肥管理相結(jié)合，使2個(gè)玉米品種的產(chǎn)量與氮肥利用效率均得到了顯著提升，其中，先玉1483增產(chǎn)24.38%，氮肥偏生產(chǎn)力提高24.39%；迪卡159增產(chǎn)14.36%，氮肥偏生產(chǎn)力提高14.35%，增產(chǎn)與增效協(xié)同提升。通過產(chǎn)量構(gòu)成因子可以看出，高產(chǎn)模式增產(chǎn)的關(guān)鍵在于增加植株群體數(shù)量獲得了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)的優(yōu)勢(shì)，水肥合理調(diào)控促使植株保持了較為穩(wěn)定的穗粒數(shù)和千粒重，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果。不同品種之間增產(chǎn)效果差異顯著，而造成這種差異的主導(dǎo)因子則是穗粒數(shù)變化，高產(chǎn)模式下先玉1483的穗粒數(shù)顯著大于迪卡159，從而導(dǎo)致產(chǎn)量上的顯著差異。

2.2 不同栽培模式下玉米冠層變化特征

2.2.1 地上部植株干物質(zhì)量變化

如圖1所示，2種栽培模式下玉米單株干物質(zhì)量變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為拔節(jié)期至吐絲期穩(wěn)步上升，吐絲期至完熟期迅速增大；高產(chǎn)栽培模式對(duì)不同品種的影響存在顯著差異。高產(chǎn)模式下，先玉1483在拔節(jié)期至大喇叭口期的干物質(zhì)量與農(nóng)戶模式相比并未產(chǎn)生明顯差異，而在吐絲期至完熟期增加顯著，獲得了更多的干物質(zhì)積累；迪卡159在拔節(jié)期至成熟期整個(gè)階段的干物質(zhì)量與農(nóng)戶模式相比均無顯著差異，未表現(xiàn)出干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)。從成熟期籽粒與植株干物質(zhì)比來看，高產(chǎn)模式下的籽粒干物質(zhì)比均低于農(nóng)戶模式，但差異未達(dá)到顯著水平；2個(gè)品種之間也無顯著差異，籽粒干物質(zhì)量均達(dá)到了植株干物質(zhì)量的50%以上，都具有較高的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率。

表1 產(chǎn)量構(gòu)成因素與氮偏生產(chǎn)力

V6，拔節(jié)期；V12，大喇叭口期；R1，吐絲期；R6，完熟期。柱上無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。V6，Jointing stage;V12，Bell-mouthing stage;R1，Silking stage; R6， Physiological maturity stage.Bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05.The same as bellow.圖1 不同模式下各生育期玉米單株干物質(zhì)量變化與成熟期干物質(zhì)比Fig.1 Changes of dry matter weight per plant at different grow stages and dry matter ratio at maturity of maize under different modes

2.2.2 LAI與單株葉面積

如圖2所示，2個(gè)玉米品種的葉面積指數(shù)和單株葉面積在不同栽培模式下的變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為高產(chǎn)模式大于農(nóng)戶模式。其中，2個(gè)品種在高產(chǎn)模式下的葉面積指數(shù)均顯著大于農(nóng)戶模式，單株葉面積則只有先玉1483表現(xiàn)出了顯著差異，而迪卡159差異并不顯著；品種之間相比無顯著差異。增大種植密度，會(huì)降低植株個(gè)體葉面積；高產(chǎn)模式通過水肥合理優(yōu)化，促進(jìn)了葉片生長，使單株葉面積并未受到密度影響，反而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。因此，高產(chǎn)模式具有較高的葉面積指數(shù)，不僅是來自于群體效應(yīng)的增益，也得益于植株個(gè)體葉面積的增幅。

圖2 吐絲期不同模式玉米LAI與單株葉面積Fig.2 LAI and leaf area per plant under different modes in silking stage of maize

2.2.3 葉片MDA含量與SOD活性

MDA含量和SOD活性能夠反映出葉片生理活性狀況，MDA含量越低、SOD活性越高，說明葉片生理活性越高，受環(huán)境脅迫越小。如圖3所示，與農(nóng)戶模式相比，高產(chǎn)模式下先玉1483吐絲期的MDA含量和SOD活性變化不顯著，而迪卡159吐絲期的MDA含量顯著降低，SOD活性顯著升高。說明高產(chǎn)模式改善了玉米葉片生理活性，但對(duì)不同品種的影響效果有所差異。

2.3 不同栽培模式下玉米根系變化特征

2.3.1 植株根系干物質(zhì)量與根冠比

如圖4所示，玉米植株0～60 cm土層全部根系和0～20 cm土層根系干物質(zhì)量表現(xiàn)出相同變化趨勢(shì)，即高產(chǎn)模式顯著低于農(nóng)戶模式；而20～60 cm土層的根系干物質(zhì)量兩模式則無明顯差異，說明0～20 cm土層根系受高產(chǎn)栽培模式影響較大，從而降低了整個(gè)根系的干物質(zhì)量水平。同時(shí)，高產(chǎn)模式下的根冠比顯著低于農(nóng)戶模式，根系所占整個(gè)植株的比例明顯下降，且差異達(dá)到顯著水平，這也從側(cè)面反映出高產(chǎn)種植模式對(duì)根系的影響大于地上部分。從品種表現(xiàn)來看，先玉1483的根系干物質(zhì)量和根冠比下降幅度更大，對(duì)栽培模式的變化更為敏感。

圖3 吐絲期不同模式下玉米葉片MDA含量與SOD活性Fig.3 Changes of MDA content and SOD activity in leaves under different modes in silking stage of maize

圖4 吐絲期不同模式下玉米根系干重與根冠比Fig.4 Dry weight of root and root shoot ratio under different modes in silking stage of maize

2.3.2 根幅與根條數(shù)

由圖5可知，與農(nóng)戶模式相比，高產(chǎn)模式下玉米植株0～20 cm土層的根幅顯著降低，導(dǎo)致根系在土壤中的空間分布范圍變窄，可吸收土壤養(yǎng)分面積變小；處于0～20 cm土層的根條數(shù)沒有明顯變化，但20～40 cm土層的根條數(shù)反而顯著增加。說明高產(chǎn)模式通過栽培措施優(yōu)化，促進(jìn)了局部單位面積內(nèi)的根條數(shù)增多，增大了局部單位面積土壤中的根密度，使根系在一定的范圍內(nèi)活躍性更高，具有更強(qiáng)的水肥吸收能力。

2.3.3 根系活力

由圖6可知，高產(chǎn)模式在0～60 cm土層的根系活力均高于農(nóng)戶種植模式，尤其各處理在0～20 cm土層的表現(xiàn)差異均達(dá)到了顯著水平；在20～60 cm土層，高產(chǎn)模式下的先玉1483品種顯著大于其他處理，其他處理之間無顯著差異。從不同層位根系活力來看，0～20 cm土層根系活力顯著大于20～40 cm和40～60 cm土層的根系活力，說明玉米根系主要集中活躍在0～20 cm土層，且在這一土層能夠吸收更多的養(yǎng)分。

圖5 吐絲期不同模式下的玉米根幅與根條數(shù)Fig.5 Root radicle and root number under different modes in silking stage of maize

圖6 吐絲期不同模式下的根系活力Fig.6 Root activity under different modes in silking stage of maize

3 結(jié)論與討論

大量高產(chǎn)研究表明，玉米的生產(chǎn)是一個(gè)種群過程，而非個(gè)體表現(xiàn)，密度是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。增加種植密度一般導(dǎo)致穗粒數(shù)和千粒重降低，產(chǎn)量提高主要是依靠獲得足夠多的穗數(shù)實(shí)現(xiàn)。在高產(chǎn)栽培模式下，千粒重變化不大，穗數(shù)和穗粒數(shù)是決定高產(chǎn)群體產(chǎn)量的主要因素。本研究也得出同樣結(jié)果，穩(wěn)定的穗粒數(shù)是在高密植下獲得高產(chǎn)的必要條件，且穗粒數(shù)還是決定產(chǎn)量上限的關(guān)鍵因子，也是高產(chǎn)品種的一個(gè)重要特征。研究表明，高產(chǎn)玉米品種一定具有較高的養(yǎng)分吸收和干物質(zhì)積累能力，特別是吐絲后養(yǎng)分吸收和向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)分配的能力；高密度能夠增加玉米群體干物質(zhì)積累，但同時(shí)也抑制了單株干物質(zhì)的積累，降低了物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，即植株干物質(zhì)增量高于籽粒產(chǎn)量增量。本研究發(fā)現(xiàn)，獲得高產(chǎn)的玉米品種先玉1483在吐絲期與成熟期顯著增加了單株干物質(zhì)積累，但籽粒所占比例略有下降，表現(xiàn)出物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率降低的趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果一致。

較高的葉面積指數(shù)是玉米群體獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)，但葉面積指數(shù)過高反而會(huì)影響產(chǎn)量。高密度群體中的個(gè)體為了增強(qiáng)自身的競爭力， 形成了較大的葉面積，這種過度生長容易導(dǎo)致營養(yǎng)和能量的過度消耗，降低分配給生殖器官的物質(zhì)比例，從而使單株生產(chǎn)力下降，影響群體產(chǎn)量的提高；去除這些多余的葉片可使植物對(duì)獲取的有限物質(zhì)和能量進(jìn)行合理、優(yōu)化的分配，提高現(xiàn)存能量的利用率，獲得較高的籽粒產(chǎn)量。劉鐵寧等研究表明，在高密植條件下去除植株頂部2片葉，可有效調(diào)控玉米生育后期群體光合能力，能較好地協(xié)調(diào)高密度群體與個(gè)體的關(guān)系，從而獲得較高的籽粒產(chǎn)量；劉志全等在高密植條件下通過去除葉面積指數(shù)8以上的玉米群體的葉片，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的提升，并得出葉面積指數(shù)在5.5時(shí)產(chǎn)量最高。在本研究中，高產(chǎn)模式增大了單株葉面積，顯著提高了葉面積指數(shù)，使葉面積指數(shù)達(dá)到8以上，最終也獲得了較高的產(chǎn)量；雖然植株干物質(zhì)量增加，但籽粒所占的干物質(zhì)比下降，說明可能存在葉片冗余，在此基礎(chǔ)上去除葉片是否能夠繼續(xù)提高產(chǎn)量，有待于下一步的探究。

研究表明，在密植條件下玉米根冠結(jié)構(gòu)均受到抑制，葉面積與根長的消長變化趨勢(shì)相同，因此植株根冠比并沒有明顯差異；也有研究表明，根冠比是品種的特征性狀，在同一時(shí)期不受密度影響。本研究結(jié)果有所不同，增大種植密度后，即使優(yōu)化了水肥供給，2個(gè)品種的植株根冠比仍然顯著降低，主要在于密植對(duì)地上植株干物質(zhì)量沒有造成影響，而是顯著降低了根系干物質(zhì)量。根系干物質(zhì)量降低主要表現(xiàn)在土壤表層(0～20 cm)，而土壤深層(20～60 cm)根系無明顯變化，這與前人研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，植株在0～20 cm土層的根幅明顯下降，但根系活力明顯增大，具有更活躍的吸收能力，20～40 cm根條數(shù)顯著增多，局部根密度增大，與滴灌條件下水肥運(yùn)移特征比較吻合，這可能是植株干物質(zhì)量與產(chǎn)量增加的一個(gè)重要因素。

綜上所述，與農(nóng)戶模式相比，高產(chǎn)模式在增加種植密度的同時(shí)，通過淺埋滴灌水肥合理調(diào)控，保持了植株個(gè)體物質(zhì)生產(chǎn)能力，增大了葉面積指數(shù)，維持了較高的葉片活性，同時(shí)使根條數(shù)和根系活力顯著增加，從而獲得了較高的籽粒產(chǎn)量。