2021, Vol. 38
2. 沈阳农业大学, 沈阳 110084;
3. 朝阳市气象局, 辽宁 朝阳 122000;
4. 盘锦市气象服务中心, 辽宁 盘锦 124010
2. Shenyang Agricultural University, Shenyang 110084, China;
3. Chaoyang Meteorological Administration, Chaoyang 122000, China;
4. Panjin Meteorological Service Center, Panjin 124010, China
农业资源与环境学报·第38卷·第3期辽宁省是我国玉米种植的主要基地之一。2018年辽宁省玉米种植面积2.11×106 hm2，产量1.039×107 t，其中，辽西北5市（沈阳、铁岭、锦州、朝阳、阜新）2016—2018年玉米种植总面积占全省种植面积的68.1%[1]。近年来，针对辽宁玉米主要种植区秸秆还田方式不合理、影响出苗、农机农艺结合不佳等问题，集成创新了“玉米间隔耕作秸秆条带还田”技术[2-3]，在此基础上，增加玉米种植密度，构建不同的群体冠层结构，有利于改善玉米群体对光能资源的利用，有效提高玉米群体产量[4]。上述技术主要在辽宁铁岭开展了试验与应用示范研究。高产高效可持续发展的现代农业需要充分利用自然资源，这对气候资源高效利用提出了更高的要求。因此，评估玉米间隔耕作秸秆条带还田增密技术的光热资源利用效率，阐述光热资源利用效率提高的原因，对于促进辽宁玉米秸秆还田增密技术模式应用、实现玉米持续稳产具有重要的意义。
玉米间隔耕作秸秆条带还田增密集成技术将还田带与播种带分离，进行交错耕作，避免了作物与秸秆的直接接触，一定程度上缓解了传统还田方式下播种和出苗困难的问题。该技术兼具免耕与深耕等优点，通过深、免耕间隔作业，田间呈“虚实相间”的耕层结构，既能有效解决秸秆全层还田中播种层土壤环境恶化与氮素竞争的问题，同时也破解了旱地合理耕层构建和地力提升问题，可同时实现提地力、防径流、控水蚀、蓄水保墒的多重目标，最大限度降低秸秆还田的不利影响，是构建合理耕层、改善玉米播种环境的有效途径[2]，2019年该技术被农业农村部列为全国农业主推技术。采用玉米间隔耕作秸秆条带还田技术构建合理耕层、提升地力的同时，合理密植玉米，有利于发挥地力的作用，增加有机物质的积累，提高收获穗数与产量[4]。目前，亟待开展该集成创新模式的光热资源利用效率评估。
自20世纪90年代以来，我国关于光热资源利用效率评估研究屡见报道，有针对地域和作物的光热资源利用效率评估或变化特征分析，如河南省夏玉米和冬小麦[5-7]、陕西省玉米[8]、东北三省6种作物（玉米、水稻、春小麦、高粱、谷子和大豆）[9]、黑龙江大豆[10]、安徽双季稻[11]；有针对农业高产高效栽培技术的光热资源利用效率比较或评估，如玉米小麦间套作技术[12-13]、冬小麦-夏玉米与双季玉米种植模式[14]、冬小麦-夏玉米“双晚”种植模式[15]、冬小麦高产高效栽培模式[16]。在上述光热资源利用效率评估中，大多研究使用了光、热资源分别评估法，即分别使用光能利用率（光能生产效率）和热量利用效率（积温生产效率）2类评估指标，较少研究使用光热资源综合评估法，即采用光合资源利用率和光温资源利用率[5, 13, 16]。在计算中，光能利用率（%）一般采用籽粒产量与干物质燃烧热量乘积再除以生长期间太阳总辐射量进行计算[6, 8, 10]，光能生产效率（g·MJ-1）则使用籽粒产量与生长季单位面积太阳辐射量的比值计算[11, 15, 17]；热量利用效率和积温生产效率（kg·hm-2·℃-1·d-1）都是使用籽粒产量与生长季积温的比值计算。近年来，有学者开始关注两熟制作物的周年气候资源分配与利用研究[18-19]，为实现产量和资源利用效率双提升、促进两熟制种植模式可持续发展提供了理论依据。此外，还有研究开始关注作物的光能生产效率差和温度生产效率差，旨在明确农业生产条件和栽培措施对效率差的贡献率，以协同缩减产量差和效率差[20]。本研究借鉴以往研究经验，综合选取光热资源利用效率评估指标，对玉米间隔耕作秸秆条带还田增密集成技术开展光热资源利用效率科学评估，开展田间对比试验观测，从叶片尺度光合能力与生理参数、冠层尺度净光合累积、产量关键期地上干物质积累等方面阐述光热资源利用效率提高的原因，为玉米持续高效稳产增产提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究地点与技术模式研究地点位于辽宁省铁岭县蔡牛镇（42°21′ N，123°37′E），该研究区属温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温和降水量分别为6.3 ℃和675.6 mm。试验区的土壤为典型棕壤，0~20 cm土层有机质含量19.7 g·kg-1 [2]。玉米间隔耕作秸秆条带还田增密集成技术示范区面积6.7 hm2。在示范区和普通农户种植区分别选取45 m×12 m作为试验小区，设置3个重复，分别记作SF和CK处理。SF和CK处理播种日期为2019年4月26日，收获日期为2019年9月30日。收获期专家田间现场测产。SF与CK处理的主要技术要点如表 1所示。
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表 1 示范区（SF）与普通种植区（CK）处理的主要技术要点 Table 1 The main technical points of SF and CK treatment |
玉米间隔耕作秸秆条带还田高产栽培技术是在秋季玉米机收后，通过秸秆条带还田机将经过灭茬作业的玉米秸秆残茬归带混拌于0~30 cm土层中形成还田带，翌年春季在非还田带（即播种带）进行免耕播种，如此年际间交替作业。
1.2 资料来源2019年1月1日至12月31日铁岭（42° 18′ N，123°52′ E，海拔85.4 m）逐日平均气温和日照时数数据来源于辽宁省气象信息中心。
1.3 光热资源利用效率评估综合以往研究[6, 13-15, 17]，本研究从以下3个方面对玉米生产光热资源利用效率进行评估。
（1）光温资源利用率
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(1) |
式中：ERT为光温资源利用率，%；Y为单位面积作物籽粒产量，kg·hm-2；Yp为单位面积作物的光温生产潜力，kg·hm-2。计算方法参考文献[5]。
（2）光能利用率
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(2) |
式中：ER为光能利用率，%；H为粮食作物干质量热值，表示单位质量干物质燃烧时释放出的热量，MJ· kg-1，玉米为17.2 MJ·kg-1；
（3）热量利用效率
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(3) |
式中：HUE为热量利用效率，kg·hm-2·℃-1·d-1；
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(4) |
式中：Tmean指的是日均气温。
1.4 小气候及光合生理指标测定（1）小气候要素测定：在玉米试验区田间安装小气候观测塔，塔高4 m，观测塔上方配有标准小气候观测站，采集的气候要素包括：总辐射、光合有效辐射、平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、风速风向、降水量和水汽压等，时间步长为30 min。
（2）光合有效辐射测定：分别于2019年7月16日（孕穗期）和8月2日（籽粒形成-灌浆期）对SF和CK处理各层叶片接受到的光合有效辐射进行测定。使用ACCUPAR LP-80植物冠层分析仪同时测定SF与CK处理冠层顶层（冠层上方20 cm）、冠层不同叶位层（第1展开叶、第3展开叶、第5展开叶等，以此类推）的光合有效辐射，冠层上方取4个点的平均值，其他各层取12个点的平均值。
（3）开花吐丝期不同叶位叶片的光合生产能力（Pn×LAI）[21]测定：分别于2019年7月16日和8月2日对SF和CK处理各层叶片的净光合速率及叶片面积进行测定。使用LI-6400便携式光合作用仪测定定光强（1 500 μmol·m-2·s-1）下植株上层（年轻的新展开的叶片，第1~2片）、中层（穗位叶或穗位上下的叶）、下层（相对较老的叶）叶片净光合速率，每个处理选取6株，取平均值。使用长宽法原位测定叶片面积，基于播种密度换算为叶面积指数（LAI）。
（4）叶片光响应和CO2响应曲线测定：在玉米开花吐丝期选择晴朗天气上午进行穗位叶光曲线测定，选择3株叶片测定，将光梯度设置为2 000、1 800、1500、1200、1000、800、600、400、200、100、80、60、40、20、0 μmol·m-2·s-1，外接CO2小钢瓶，CO2浓度设为400 μL·L-1。穗位叶CO2响应曲线测定同样选择3个叶片进行，红蓝光源设为1 500 μmol·m-2·s-1，CO2浓度梯度为400、200、25、50、100、150、200、300、400、600、800、1 000 μL·L-1、1 200 μL·L-1。测定后分别使用光合作用的非直角双曲线方程（式5）[22]和Farquhar生化模型[23-24]对光曲线和CO2曲线进行拟合，由光曲线得到Pmax（最大净光合速率）和α（表观量子效率）两个参数，由CO2曲线得到Vc，max（最大羧化速率）和Jmax（最大电子传递速率）两个参数。
非直角双曲线模型：
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(5) |
式中：Pn代表净光合作用速率；I为光量子通量密度；α为初始量子效率，即光响应曲线在I=0时的斜率；Pmax为最大净光合速率；Rd为暗呼吸速率。
（5）开花吐丝期前后地上生物量累积测定：于玉米开花前10 d左右（2019年7月11日）和开花后14 d左右（2019年8月8日）取植株地上部分，每个处理取6株，带回实验室将玉米植株分离装袋，置于烘箱中，先105 ℃杀青1 h，之后80 ℃烘干至恒质量。比较两个处理开花期前后地上生物量累积值的差异。
1.5 冠层光合作用模拟使用以Leuning等[25]的多层模型为基础的冠层光合作用模型[26-27]对吐丝期至籽粒形成期冠层光合作用进行模拟，比较SF和CK处理的冠层光合能力。冠层光合模型包括3部分：冠层的辐射吸收、耦合单叶气孔导度-能量平衡-光合作用模型、冠层尺度模型。模型模拟的时间步长为30 min，输入数据包括总辐射、光合有效辐射、空气密度、空气中CO2浓度、气温、风速、叶面积指数、土壤含水量、饱和水汽压差、水汽压等。输出数据包括冠层光合、蒸腾、叶温、气孔导度（可区分阴阳叶片）。模型的详细描述及主要模拟过程参见文献[28]。
1.6 数据分析采用SPSS 24.0进行SF处理与CK处理光合有效辐射、光合生产能力、光合作用参数、地上生物量累积等数据的显著性检验（显著性水平设为0.05）。
2 结果与分析 2.1 玉米光热资源利用效率评估结果光热资源利用效率评估结果如表 2所示，2019年示范技术（SF）光温资源利用率、光能利用率、热量利用效率分别为54.2%、1.54% 和7.4 kg·hm-2·℃-1·d-1，较2019年农户技术（CK）分别提高了8.6、0.25个百分点和19.4%。
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表 2 2019年示范技术（SF）与农户技术（CK）光热资源利用效率比较 Table 2 Radiation and thermal use efficiency of demonstration technology(SF)and ordinary farmers′ technology(CK) |
由图 1可见，冠层上部（第1展开叶至第3展开叶）接受到的光合有效辐射SF和CK间无显著差异，冠层下部（第5展开叶至第9展开叶）接受到的光合有效辐射CK显著高于SF（P < 0.05，图 1），原因在于CK播种密度较SF小，冠层透光性更好。
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不同字母表示处理间在0.05水平差异显著。下同 The different lowercase letters indicate significant differences between SF and CK(P<0.05). The same below 图 1 孕穗期和粒籽形成期SF与CK处理各层叶片光合有效辐射对比 Figure 1 Photosynthetically effective radiation of each layer for maize canopy of SF and CK treatments at boot stage and grain formation stage |
通过测定定光强（1 500 μmol·m-2·s-1）下植物叶片的净光合作用速率和叶面积指数，比较了各层叶片的光合生产能力（图 2），结果显示，SF上、中、下三层叶片光合生产能力（Pn×LAI）均大于CK，且差异显著（P < 0.05）。由此可见，采用了间隔耕作秸秆条带还田高产栽培示范技术的玉米植株具有较强的光合生产能力，利于植株积累同化产物。
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图 2 孕穗期和籽粒形成期SF与CK处理定光强下各层叶片的光合生产能力对比 Figure 2 Photosynthetic capacity at a certain radiation of each layer for maize canopy of SF and CK treatments at boot stage |
通过测定玉米产量关键期穗位叶片的光响应与CO2响应曲线，利用光合作用的非直角双曲线方程和Farquhar生化模型拟合出四个光合参数，即最大净光合速率（Pmax）、表观量子效率（α）、最大羧化速率（Vc，max）、最大电子传递速率（Jmax）的数值，如表 3所示。两次测定结果均显示，SF处理Pmax、α、Vc，max、Jmax值均显著高于CK（P < 0.01），分别较CK处理高4.3%~ 24.5%、28.9%~62.2%、50.4%~78.2%、31.9%~70.4%，表明SF处理利于提高光合作用效率。
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表 3 孕穗期和籽粒形成期SF与CK处理叶片光合作用参数对比 Table 3 Comparing of photosynthesis parameters between SF and CK treatments at boot stage and grain formation stage |
应用冠层光合作用模型模拟了玉米吐丝期至籽粒形成期（2019年7月23日至8月8日）冠层光合作用的日变化。由图 3可见，冠层光合日变化呈现出单峰曲线，多数日期的峰值均出现在上午，SF处理的冠层净光合速率日最大值为50~60 μmol·m-2·s-1，而CK处理的冠层净光合速率日最大值仅为30~40 μmol·m-2·s-1。从冠层日净同化量（图 4）来看，SF处理吐丝期至籽粒形成期冠层日净同化量累积值为332 g C· m-2，较CK处理（245 g C· m-2）高35.5%。
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图 3 2019年SF与CK处理冠层净光合速率日变化对比 Figure 3 Diurnal variation of canopy net photosynthesis rate for SF and CK treatment in 2019 |
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图 4 2019年SF与CK处理冠层日净同化量对比 Figure 4 Canopy daily assimilation of SF and CK treatment in 2019 |
玉米株籽粒数与开花吐丝期前后4~5周同化物的生产有关，因此玉米开花吐丝期前后（通常指开花前10 d至开花后15 d）这段时间为“产量关键期”[29]。此阶段玉米生物量累积多意味着有充足的同化产物向植物各个器官分配，尤其是向贮藏器官分配。本研究分别于2019年7月11日和8月8日对玉米地上部分进行了取样测定，结果表明SF处理在开花吐丝期生物量累积值为947.3 g·m-2，比CK处理（793.1 g·m-2）提高了19.4%，且差异显著（P < 0.05，表 4）。
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表 4 SF与CK处理开花吐丝期前后地上生物量累积值对比 Table 4 Cumulated above-ground biomass during floweringsilking stage for SF and CK treatments |
本研究所用的光温资源利用率计算方法，是在王亚帆[13]研究的基础上改进而来，将原公式中的分子，即作物生物量，用单位面积的作物籽粒产量代替，原因在于作物生物量不是农业生产部门的常规观测因子，改为单位面积的作物籽粒产量后，数据易于获得，有利于计算与比较。光温资源利用率在以往研究中并不多见，该概念是将光温生产潜力作为一个地区可以利用的光温资源，其中光温生产潜力采用逐级订正法进行计算。王亚帆[13]使用作物生物量计算的小麦不同栽培模式光温利用率为52.7%~67.2%，比本研究玉米光温资源利用率的计算值（45.6%~54.2%）偏高，主要是由于作物差异以及计算时所使用的变量不同。光能利用率在以往资源利用效率评估中较为常用，胡毅等[30]对于光能利用率的计算，分子采用单位面积干物质收获量与单位干物质燃烧所放出的热量乘积，分母为作物全生育期单位面积的光合有效辐射，与其他文献计算方法并不一致，而其他文献中分子多使用籽粒产量进行计算，分母则使用太阳总辐射[6, 14]或光合有效辐射[9]。光能利用率的理论计算值一般可达6%~8%，但实际生产中仅为0.5%~1%，最大可达2%~ 3%。本研究中玉米的光能利用率为1.29%~1.54%，较豫北地区夏玉米光能利用率（0.42%~0.96%）[6]偏高。热量利用效率是资源利用效率评估中另一个较为常用的指标，文献中对该指标的定义较为一致，大多采用作物经济产量与作物生长期间有效积温的比值进行计算。本研究中玉米的热量利用效率为6.2~ 7.4 kg·hm-2·℃-1·d-1，高于豫北地区夏玉米热量利用效率（2.5~5.1 kg·hm-2·℃-1·d-1）[6]，也高于黄淮海地区冬小麦-夏玉米周年热量利用效率（3.1~3.6 kg·hm-2· ℃-1·d-1）[14]。
从本研究结果来看，对于SF处理来说，无论从叶片尺度还是冠层尺度，其光合性能均优于CK处理（图 2~图 4，表 3）。此外，SF处理玉米开花吐丝期前后地上生物量的累积量较CK提高19.4%。虽然，SF处理冠层中下部及下部叶片接受到的光合有效辐射较CK处理偏低，但其较强的冠层光合性能足以抵消掉中下部叶片辐射减少所带来的不利影响，最终使SF处理的光热资源利用效率高于CK处理。以往研究中，用玉米植株各叶位的净光合速率（Pn）乘以对应的叶面积指数（LAI）来反映各叶位的光合生产能力，玉米冠层内不同叶位的光合生产能力分布自上而下呈单峰不对称曲线形式[21]，本研究结果显示三层叶片光合生产能力的大小表现为中部叶片>上层叶片>下层叶片，符合冠层内不同叶位叶片的光合生产能力分布规律。
光曲线模型反映了净光合作用速率对光合有效辐射的响应，通过曲线模型拟合光合有效辐射与净光合速率的关系，可求出最大净光合速率、表观量子效率等光合生理参数。在众多光响应曲线模型中，非直角双曲线模型的使用频率最高[31-32]。表观量子效率（α）是反映作物净光合速率光响应特征的重要指标，能够反映作物在弱光下对光能的吸收、传递和利用的能力，理论上最大量子效率为0.08~0.125，但实际α值远小于理论上限，对于长势良好的作物，α值一般为0.04~0.07[33-34]。本研究中SF与CK处理的α值为0.037~0.060，与以往的研究结果[33-34]较为一致。最大净光合速率（Pmax）是衡量作物冠层光合能力的重要指标，与以往研究对正常生长条件下玉米所拟合出的Pmax值（28.8~52.1 μmol·m-2·s-1）[32, 35-36]相比，本研究的Pmax值（32.6~51.2 μmol·m-2·s-1）在合理范围内。光合作用对CO2浓度的响应研究中，Farquhar等[23]建立的生化模型被广泛地应用于植物的生理生态学研究中，根据此生化模型以及此后的修正模型[37-38]，可以计算出植物的最大羧化速率和电子传递速率[39]，这两个参数同时也是生态系统模型中的两个重要参数，用于计算叶片和冠层的同化速率。叶片最大羧化速率对冠层光合速率具有决定作用，提高叶片最大羧化速率是提高光能利用率的关键[40]。本研究结果显示，无论是Vc，max还是Jmax，SF处理的值均显著高于CK处理，从光合作用生理角度解释了SF处理比CK处理光热资源利用率高的原因。
本研究采用多层模型模拟了玉米吐丝期至籽粒形成期的冠层净光合速率，研究发现SF处理和CK处理在此期间的冠层净光合速率峰值分别为50~60 μmol·m-2·s-1和30~40 μmol·m-2·s-1，该值与Grant等[41]对玉米冠层净光合速率的模拟值较为一致，与基于涡度相关法观测到的玉米农田净生态系统生产力（NEP）的值[42]也有较好的一致性，但高于顾生浩等[43]基于三维冠层模型模拟的结果（玉米最大冠层净光合速率为19.6~26.2 μmol·m-2·s-1），不同模拟方法所产生的结果差异，一方面可能是因为三维光分布模型和二维多层模型的光分布计算结果存在较大差异；另一方面，多层模型没有考虑叶片光合生理特性的垂直差异可能也是模拟不确定性的原因。本研究只比较了SF与CK处理冠层净光合速率的模拟值，缺乏冠层净光合实测数据的验证，今后当条件具备时应结合涡度相关通量观测数据，对多层模型的模拟效果进行检验。
4 结论（1）玉米间隔耕作秸秆条带还田增密集成技术与农户技术相比，光热资源利用效率显著提高。
（2）示范区各层叶片光合生产能力和光合作用参数均显著大于农户技术。
（3）吐丝期至籽粒形成期示范区冠层日净同化量累积较农户技术高35.5%。
（4）开花吐丝期前后示范技术地上生物量累积显著高于农户技术（增幅19.4%），利于籽粒形成，提高株籽粒数与产量。
因此，玉米间隔耕作秸秆条带还田增密集成技术所采用的大垄双行冠层结构设计合理，叶片和冠层尺度光合能力均优于传统农户技术，产量关键期（开花吐丝期前后）地上生物量累积速度快，是一种能有效提高玉米光热资源利用效率的集成技术模式。
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