0 引言
玉米不仅是重要的粮食作物，而且是一种新型的清洁能源材料。在保障我国粮食安全和能源安全的大背景下，对玉米的高产稳产提出了更高的要求。山西省高海拔地区的早熟玉米种植占较大面积，在这些地区，通过更新栽培模式来弥补气候条件的相对不足来实现丰产是一条行之有效的途径。
以播种间距为例，我国主要有等行距种植、宽窄行种植和双株等行种植等3种模式[1]，其中等行种植是主要采用的模式。但随着种植密度增大，等行种植容易引起群体内的光、热分配不均，从而影响玉米产量[2]。而宽窄行栽培可延迟玉米生长后期功能叶衰老，改善冠层光环境，提高光能利用率，种群中各种气象因素的矛盾得到协调，最终实现增产[3-5]。
朴琳等的研究结果显示，宽窄行栽培方式通过改变玉米冠层干物质的空间分配与光合碳代谢能力，提高中、低层光能的截获，从而提高玉米籽粒的充实度，显著提高玉米籽粒的产量[6]。连彩云等的研究结果显示，在春玉米中，宽窄行种植能够提高春玉米叶面积指数，提高光合势，有利于后期干物质的积累，从而达到增产的目的[7]。Mashingaidze等评估了种植密度和空间安排对玉米产量、生长的影响，结果表明，窄行距（60 cm）比宽行距（75 cm或90 cm）模式下的玉米产量更高，杂草抑制效果更好[8]。Liu等的研究结果表明，宽窄行种植模式使玉米冠层光环境得到改善，光能利用效率显著增加，其中以40 cm + 90 cm行距为最佳[9]。Yang等通过2年的大豆玉米间作试验，发现玉米总生物量和籽粒产量与种植行距相关，窄行距40 cm和宽行距160 cm的间作等效比最高[10]。卢宪菊等在吉林沙地的试验结果显示，宽窄行大垄沟播与等行距小垄沟播相比，水分利用率能增加4.96%~8.56%，但在产量上无明显差别[11]。王庆杰等也指出，在我国东北，采用宽窄行栽培方式，可以有效地提高玉米的用水效率，是一种比较理想的栽培方式[12]。行距配置对玉米群体的冠层结构有较好的改善作用，但太小或太大都不利于玉米的生长发育。行距过小，茎秆较细，机械性能较弱，容易倒伏；行距太大虽然取得了较好的通风透光效果，但由于植株间距较短，导致种群间在受限空间内对养分资源的竞争，严重制约了玉米的生长发育，进而降低了产量[13-14]。王洪君等的研究表明，在半干旱地条件下，玉米以70 cm + 30 cm、80 cm + 30 cm两种行距种植可以获得最好的光能利用率，有效地提高了产量[15]。刘欣芳等的研究发现，宽窄行密植条件下，玉米的干物质积累和光能利用效率（LUE）均显著增加，并表现出一定的增产效果[16]。韩镁琪等指出，行距太小，冠层遮挡太多，导致冠层较低部位的通风和透光条件较差；行距较大，导致植物株距较短，在有限的空间里，对有限的土壤营养物质进行竞争，从而影响到作物的生长发育[17]。王佳旭等认为，宽窄行种植能够显著降低玉米倒伏率，提高玉米产量[18]。赵丽等前期实验发现，40 cm + 80 cm行距和全覆膜条件下，玉米的净光合速率、叶绿素含量均有较大幅度的提高[19]。Tokatlidis等研究表明，玉米单位产量的提高应该依赖于合理的种植密度，而不仅仅是增加单株产量[20]。
综上所述，合理密植是实现玉米高产的重要手段，然而在种植密度不断增加的情况下，群体中的植株会互相遮蔽，尤其是冠层的中部和下部的透光率会大幅降低，造成玉米叶片的早衰，从而造成玉米群体的光合性能的降低[21-22]。因此，改变玉米的种植模式，加大种植密度，并更好地利用光、温、水、气等资源，是公认的可以进一步提升玉米产量的途径[23~25]。目前的研究对种植方式和密度对玉米生长特性、产量和籽粒营养成分的变化情况讨论较多，但尚未见以先玉335为对象采用不同种植方式对其生长特性、群体生理指标、产量和籽粒主要营养成分影响的系统研究报道。此外，前人对玉米宽窄行栽培的研究，主要是针对东北黑土、棕壤及沙土，而对黄土区的宽窄行栽培还鲜见报道。为此，本项目以山西黄土区为研究对象，以先玉335品种为试验材料，采用宽窄行及等行距两种不同种植模式，研究不同种植模式对玉米生长与产量的影响，探讨山西早熟地区适宜的玉米种植模式及其原因。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
本研究以山西省农科院作物研究所为试验地，从2018年3月到2019年10月连续开展了该实验。该试验区位于太原-晋中-阳泉-忻州市交界处，海拔1270米，无霜期约120天，四月中至九月中末为初霜，年均降水500毫米，是我国北方地区最具代表性的早熟区旱地玉米示范基地。该区是典型的大陆性气候区，7、8、9月降水多（占全年降水量的60%)，年蒸发量1400毫米，春季干旱频发，年平均温度8.9 ℃，年平均积温2600 ℃，昼夜温差大。
试验区土地平整，肥力均衡，主要为壤质黄绵土。试验开始前0 cm～20 cm表层土壤有机质含量8.29 g/kg、全氮0.76 g/kg、全磷0.88 g/kg、全钾20.3 g/kg、碱解氮78.68 mg/kg、速效磷36.29 mg/kg、速效钾78.03 mg/kg，pH=8.2，容重1.16 g/cm3。
1.2 试验材料与试验设计
以先玉335为试验材料，宽窄行耕作方式为大行距65 cm，小行距35 cm，种植密度为75000 株/hm2。等行距方式为种植行距50 cm，不深松，不倒茬，其他管理同生产田。
本研究以3次随机区组为基础，设置36个样点，每个样点面积为38.7平方米。每年四月二十五日播种，底肥为西洋复合肥900 kg/hm2（肥力总量为45%以上，氮、磷、钾含量为20%，磷、钾含量为17%，钾含量为8%)，拔节期间追施300 kg/hm2（氮≥46%）。春天播种后，对玉米进行特殊的除草处理。9月25日，在田间进行采收，进行测种，统计收获量。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤环境测定
分别在播种前，幼苗期，拔节期，吐丝期和成熟期测定了土壤水分含量。取0 cm~10 cm、11 cm~20 cm，以环刀法进行3次测量。苗期以环刀法对0 cm~20 cm，21 cm~40 cm的土壤容重进行3次测定。用TYD-2型土体硬度仪对0 cm~20 cm，21 cm~40 cm的土体硬度进行测量。
1.3.2 农艺性状
（1）玉米干物质积累测定
在拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期和完熟期，分别进行采样，将茎、叶、穗分开，在105 ℃下杀青30分钟，然后在80 ℃下将其干燥到恒重，对其进行称重，测定干物质累积量。
（2）叶绿素含量和光合速率的测定
采用SPAD-502手持式叶绿素计在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和乳熟期等不同时期检测叶片的叶绿素含量，抽雄期前检测上部展开叶，抽雄后检测棒三叶。检测完成后，利用GFS-3000测定光合作用速率、气体交换等参数，并选取2019年的数据进行对比分析。
1.3.3 产量测定
在田间试验中，对玉米的穗行数、穗粒数、百粒重和水分含量等进行了测定，并以水分含量为14%进行籽粒产量计算。
1.4 数据处理与分析
数据处理以 Excel 2013为主，运用 SPSS17.0与 SAS9.4进行方差分析，并进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 宽窄行种植对土壤环境的影响
2.1.1 土壤含水量比较
对2019年度的宽窄行及等行距处理的土壤水分进行了5次测定。从图1可以看出，0 cm~10 cm土层中的土壤水分含量，在各测定时段宽窄行处理模式都比等行距处理的土壤水分含量高，平均提高2.35%。从以上结果可以看出，改种宽窄行后，可以有效地增加土壤的蓄水量。在11 cm~20 cm土层中，宽窄行栽培模式的土壤水分含量在各生育期都比等行距种植要高，平均提高6.51%，说明宽窄行栽培模式对土壤贮水、持水性能有一定的改善作用。
图1. 在播前、苗期、拔节期、吐丝期和成熟期，等行距和宽窄行种植玉米的土壤中的含水量对比。(a)为0 cm~10 cm土层，(b)为10 cm~20 cm土层。
Figure 1. Comparison of soil moisture content between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns in the sowing, seedling stage, jointing stage, silking stage and maturity stage, respectively. (a) in 0 cm–10 cm soil layer, (b) in 10 cm–20 cm soil layer.
2.1.2 土壤容重比较
在玉米幼苗期，测定了2019年度宽窄行、等行距不同种植模式下的土壤容重。表1的结果显示，宽窄行种植模式下0 cm~20 cm的土壤容重比等行距下降0.02 g/cm3，但两者之间没有明显的差别；在21 cm~40 cm的宽窄行种植模式下的土壤容重比等行距种植降低了0.13 g/cm3，两者之间存在着显著性差异。
表1 在0 cm~20 cm土层和21 cm~40 cm土层，等行距和宽窄行种植玉米的土壤容重（g/cm3）对比
Table 1 Comparison of soil bulk density (g/cm3) between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns in the 0 cm–20 cm soil layer and 21 cm–40 cm soil layer
注：不同小写字母表示同一品种处理间差异显著（P<0.05）。下表同。
2.1.3 土壤硬度比较
在玉米苗期，通过田间定位试验，测定了2019年度两种不同种植模式下的土壤硬度。表2的数据显示，宽窄行种植模式下0 cm~20 cm的土壤硬度比等行距的土壤硬度平均下降了12.3 N，但两者之间没有明显的差别；21 cm~40 cm土层的宽窄行种植模式下的土壤硬度比等行距的土壤硬度下降了35 N，两者之间存在着显著性差异。从以上结果可以看出，宽窄行保护性耕作对缓解土壤板结起到了很好的作用。
表 2 在0 cm~20 cm土层、21 cm~40 cm土层，等行距和宽窄行种植玉米的土壤硬度（N）对比
Table 2 Comparison of soil hardness (N) between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns in 0 cm–20 cm soil layer and 21 cm–40 cm soil layer
2.2 宽窄行种植对玉米生育进程的影响
2.2.1 干物质积累比较
表3 在拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期、完熟期，等行距和宽窄行种植玉米的玉米干物质积累量（g）对比
Table 3 Comparison of maize dry matter accumulation (g) between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns at jointing stage, tapping stage, filling stage, milking stage and ripening stage
干物质积累量对产量的影响很大，不同处理模式下的干物质积累情况如表4所示。从表3可以看出，在乳熟期与完熟期，宽窄行与等行距处理之间的干物质累积量差异显著。其中，在拔节期间，两种处理模式之间没有明显差别。抽雄期和灌浆期，宽窄行处理模式下玉米的干物质积累量比等行距要高，平均高出2.97%；而在乳熟期和完熟期，不同处理之间存在显著性差异，宽窄行配置的干物质积累量明显高于等行距。从以上结果可以看出，宽窄行合理配置玉米行距，优化植物生长空间，提高光、温等资源的有效利用，有利于提高作物干物质积累。
2.2.2 叶绿素含量比较
叶绿素是植物在光合作用中最主要的色素之一，也是植物在光合过程中所表现出的一个重要生理参数，其含量对植物的光合性能有直接的影响。从图3可以看出，随着生长过程的进行，叶片 SPAD值呈现出先升后降的趋势。在苗期，宽窄行与等行距两种种植类型间的差别不大；而在拔节期间，宽窄行种植模式下的叶片叶绿素含量较高，比等行距下叶绿素含量高出5.40%；从抽雄期到灌浆期，宽窄行种植比等行距对照分别高出4.01%、3.74%；在乳熟阶段，宽窄行和等行距间差异不显著。研究表明，宽窄行栽培可以在一定程度上增加玉米叶片的叶绿素含量，其原因可能在于：宽窄行栽培改变了玉米群体的冠层纵向结构，改善了较低的叶面光环境，增加了较低的叶面对光能的截获率，为叶绿素合成及光合作用提供了物质基础。
图3 在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和乳熟期，等行距和宽窄行种植玉米的叶片叶绿素含量对比
Figure 3 Comparison of chlorophyll content in leaves between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns at seedling stage, jointing stage, tasseling stage, filling stage and milk ripening stage
2.2.3 光合速率比较
叶片的净光合速率反映了植物在光合作用中所固定的CO2和生成的光合产物的量。从图4可以看出，随着生长进程的进行，玉米的净光合速率呈现出先上升后下降的趋势，而两种处理的最高值出现在抽雄期。在苗期，宽窄行配置与等行距之间无明显差异；在拔节期间，宽窄行处理的光合速率比等行距对照高5.88%；在抽雄期，宽窄行处理模式下的光合速率比等行距高5.91%；在灌浆阶段，两种处理之间存在着极显著的差异，其中，宽窄行处理的光合速率较等行距高14.28%；在乳熟阶段，各处理之间的差别不大。其原因可能在于：通过宽窄行的设计处理，可以有效地改善玉米群体的通风透光，增强中、下部叶片的光合特性，增大光合面积，实现对各层面光能的有效利用，实现对玉米群体内部光能的合理分配，协调群体与个体之间的相互关系，进而提高玉米的光能利用率与生产力。
图4 在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和乳熟期，等行距和宽窄行种植玉米的玉米叶片净光合速率对比
Figure 4 Comparison of net photosynthetic rate of leaves between equal row spacing and wide-narrow row planting patterns at seedling stage, jointing stage, tasseling stage, filling stage and milk ripening stage
2.3 宽窄行种植对玉米产量的影响
从表4中可以看出，各栽培方式之间玉米的穗数、穗行数无明显的差别。2018年，宽窄行处理的行粒数比等行距高6.92%；玉米产量表现为宽窄行种植显著高于等行距，高出10.83%。2019年，宽窄行处理行粒数比等行距高出7.78%；宽窄行种植模式下的千粒重比等行距高4.16%；玉米产量均显著高于等行距对照，高出12.35%。
表4 等行距和宽窄行种植玉米的产量信息对比，包括穗数（万穗/hm2）、穗行数（行/穗）、行粒数（粒/行）、千粒重（g）、产量（kg/hm2）等
Table 4 Comparison of yield information of maize between equal row spacing and wide and narrow rows, including ear number (10,000 ears /hm2), row number (row/ear), row grain number (grain/row), 1000-grain weight (g), yield (kg/hm2), etc
注：不同小写字母表示同一品种处理间差异显著（P<0.05）。
3 结论与讨论
首先，本研究结果表明，在0 cm~10 cm土层中，宽窄行种植模式的土壤水分含量比等行种植模式的土壤水分含量高2.35个百分点；与等行种植相比，11 cm~20 cm的土层中，宽窄行种植模式下的土壤水分含量增加了6.51%。在半干旱区，水分是制约玉米增产的一个关键因子，因此，在半干旱区，玉米的宽窄行种植模式很有可能是一种主要的种植模式。在宽窄行种植方式下，土壤的容重和土壤硬度都比等行距的要低得多，这表明在宽窄行中进行的深松作业，打破了土壤的犁底层，对土壤的物理和化学性质有了一定的改善，这样的土壤状况对玉米的根系生长有利，同时还能提高其根系的活性。
同时，我们还发现，宽窄行种植模式显著提高了玉米叶片的叶绿素含量和光合作用，其机制可能是通过改变群体的冠层纵向结构、改善下部叶的光照环境和提高下部叶对光能的吸收效率而实现的。
其次，试验结果显示，在2018年，宽窄行种植模式下玉米增产达10.83%；2019年宽窄行种植模式下的玉米增产幅度高达12.35%。这在很大程度上是因为光合作用效率增加，从而提高了物质生产力，另外，在作物生长中后期，采用宽窄行栽培还可增加植株的光合作用，延迟了叶片的衰老，加速了光合产物的转运。
综上所述，宽窄行种植能够明显地提高光能生产效率。这主要是因为宽窄行种植能够改善群体的通风透光，增强了中下部的光合性能，增大了光合面积，使得各个层面的光资源得到了充分的利用，使得玉米的光能在群体中的分配更为合理，更好地协调了群体与个体之间的关系，进而提高了玉米的光能利用率和生产效率。同时，宽窄行栽培还可降低土壤容重，增加土壤贮水容量，改善根系发育，促进土壤水肥热平衡，改善土壤生态环境。从总体上看，宽窄行种植下的叶片叶绿素积累、净光合能力均有较大幅度的提高，并能有效地提高资源利用效率，是一种良好的种植模式。宽窄行耕作区的种植模式，缩短了田间管理的时间，降低了生产成本。在玉米生产中，采用宽窄行间作方式，可节约成本，提高产量，提高经济效益，具有较好的推广应用价值。
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作者简介：原茶英（1966-），女，山西阳城人，高级农艺师，山西农业大学农学学士，主要从事农业技术推广工作。
