玉米密植條件下群體光合效率的變化規(guī)律研究

0引言

隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)，糧食需求不斷增加，如何有效提升作物產(chǎn)量和光合效率已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的重要課題。玉米作為全球重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量及光合效率對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。密植作為一種能促進(jìn)土地高效利用的種植方式，引起了越來(lái)越多科研人員的關(guān)注。

密植通過(guò)增加種植密度來(lái)實(shí)現(xiàn)單位面積產(chǎn)量的提升。然而，這種方式也加劇了作物之間的競(jìng)爭(zhēng)，尤其體現(xiàn)在對(duì)光照、養(yǎng)分和水分等資源的爭(zhēng)奪上，進(jìn)而引起了作物光合效率的變化。

1密植對(duì)作物光合能力的影響

密集種植技術(shù)通過(guò)提高單位土地面積中的作物種植密度，切實(shí)提高土地資源利用效率。然而，種植密度過(guò)高往往會(huì)加劇作物之間對(duì)光能的競(jìng)爭(zhēng)，從而對(duì)植物光合作用效能產(chǎn)生影響。玉米高密度栽培時(shí)，植株間光能供應(yīng)短缺，葉片底部及內(nèi)部區(qū)域的光照條件進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致光合作用效率降低。

適當(dāng)?shù)姆N植密度可有效增強(qiáng)葉片表層的光合效能，因?yàn)槊芗N植可以提高植物葉片面積指數(shù)（LAI，從而在較短時(shí)間內(nèi)提升單位面積的光合作用產(chǎn)出。為達(dá)到優(yōu)化此過(guò)程的自的，需要結(jié)合不同氣候及土壤條件對(duì)種植密度進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，并通過(guò)平衡光能、水分和營(yíng)養(yǎng)素的比例，實(shí)現(xiàn)較好的種植效果。

2玉米密植條件下群體光合效率變化規(guī)律

2.1密植對(duì)單株光合效率的影響

在密集種植的環(huán)境中，單株玉米的光合作用特性發(fā)生了顯著變化。由于鄰近植物個(gè)體之間的相互作用，單株玉米的葉面積及其生長(zhǎng)環(huán)境受到限制，葉片的光合作用效能降低。尤其在光能供應(yīng)不足的情況下，單株玉米的葉綠素轉(zhuǎn)化效率顯著下降，氣孔傳導(dǎo)率也隨之降低。這種變化使得每株植物的凈光合作用效率難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。然而，在適宜的種植密度范圍內(nèi)，單株玉米能夠保持較高的光能轉(zhuǎn)化效率。

2.2 密植對(duì)群體光合效率的影響

玉米密集種植模式在群體的光合作用效率及作用機(jī)制上呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。在過(guò)度密集的種植條件下，群落中葉片間的相互遮蔽使底層葉片難以充分利用光照，導(dǎo)致光合效率顯著下降。然而，在適宜的種植密度范圍內(nèi)，由于上層葉片對(duì)光能的吸收效率提高，整體群落的光合效率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。群體光合效率與個(gè)體光合效能之間存在密切聯(lián)系，這一現(xiàn)象還受到群體結(jié)構(gòu)及氣象因素的制約[1]。密植對(duì)群體光合效率的影響情況見(jiàn)表1。

2.3不同種植密度下群體光合效率對(duì)比分析

在不同的種植密度下，玉米種群的光合作用功能呈現(xiàn)出顯著差異。在稀疏栽培模式下，玉米植株間的距離較大，太陽(yáng)輻射能量分布相對(duì)均衡，單株植株的生長(zhǎng)環(huán)境較為優(yōu)越，光合效率顯著提升。隨著種植密度的增加，植株間對(duì)光能的競(jìng)爭(zhēng)逐漸加劇，群體光合作用能力開(kāi)始下降。在高密度種植條件下，群體對(duì)光能的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步下降，尤其是群體內(nèi)部葉片因光照條件不足，導(dǎo)致光合效率明顯降低[2]。

3玉米密植條件下群體光合效率影響因素分析

3.1 氣候因素

如表2所示，氣候因素對(duì)玉米群體光合效率的影響十分顯著，尤其是濕度、溫度和光照強(qiáng)度。在其他條件不變的情況下，當(dāng)溫度在 時(shí)，玉米的光合速率為 $32.4～＼upmu＼mathrm{mol}～＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ ；若溫度升高至 ，光合速率下降到 $25.8＼upmu＼mathrm{mol}＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}.$ 這表明當(dāng)溫度超出玉米適宜的生長(zhǎng)范圍，光合作用的進(jìn)程會(huì)受到抑制。

根據(jù)表2，在溫度為 、光照強(qiáng)度為$600～{＼upmu＼mathrm{mol}}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ 的條件下，當(dāng)濕度為 70% 時(shí)，玉米的氣孔導(dǎo)度為0.27mol ，光合速率為$32.4～＼upmu＼mathrm{mol}～＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ ；而當(dāng)濕度降至 40% 時(shí)，氣孔導(dǎo)度下降至 光合速率隨之降低至 $28.6＼upmu＼mathrm{mol}＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ 。在溫度為 濕度為 70% 的條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度為 $600＼upmu＼mathrm{mol}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ 時(shí)，玉米的光合效率最顯著，光合速率為 $32.4＼upmu＼mathrm{mol}＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ 在光照強(qiáng)度降至 $300＼upmu＼mathrm{mol＼cdotm^{-2}＼cdot s^{-1}}$ 時(shí)，光合速率下降至 $27.2＼upmu＼mathrm{mol}＼mathrm{CO}_{2}{＼cdot}＼mathrm{m}^{-2}{＼cdot}＼mathrm{s}^{-1}$ 0

3.2 土壤條件

土壤環(huán)境對(duì)玉米的光合效率具有決定性影響，其中土壤肥力直接決定了玉米對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收能力。充足的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素是玉米進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，這些物質(zhì)參與葉綠素的合成、光能轉(zhuǎn)換的酶促反應(yīng)等關(guān)鍵生理過(guò)程。如果土壤肥力不足，營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)匱乏，玉米的生長(zhǎng)發(fā)育將受到限制，光合作用效率也顯著降低。此外，土壤中水分的供應(yīng)對(duì)于玉米的生理合成作用也具有決定性影響。

在高密度種植條件下，土壤的滲透性能同樣至關(guān)重要。土壤濕度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致植物根系所需的氧氣供應(yīng)不足，從而影響玉米的生長(zhǎng)及光合作用效能。此外，土壤的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)植物根系的生長(zhǎng)，以及水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收具有顯著影響。疏松且通風(fēng)良好的土壤條件有助于促進(jìn)玉米根系的伸展和水分的吸收，進(jìn)而增強(qiáng)光能轉(zhuǎn)化效率。

3.3種植密度與群體結(jié)構(gòu)的關(guān)系

玉米種植密度及其群體結(jié)構(gòu)的適宜程度是影響光合效率的關(guān)鍵因素。隨著種植密度的增加，玉米植株間的距離變小，光能資源分布逐漸不均衡。在高密度種植條件中，群體頂層葉片往往遮蔽底層的葉片，造成底層葉片難以得到充分的陽(yáng)光照射，導(dǎo)致光合效率降低。

合理的種植密度既能保障每株玉米得到充足的發(fā)展空間，又能兼顧整體產(chǎn)量與品質(zhì)的平衡，防止因過(guò)度密植引發(fā)的光能資源競(jìng)爭(zhēng)。此外，群體結(jié)構(gòu)的合理性具有重要意義，在高密度種植條件下，群落內(nèi)葉片的排列形式及其垂直空間構(gòu)造是決定光能吸收效率的主要因素[3]

4玉米密植與光合效率優(yōu)化的潛在應(yīng)用

4.1種植密度與光合效率協(xié)同優(yōu)化

提高玉米產(chǎn)量的核心要點(diǎn)是協(xié)同優(yōu)化種植密度與光合效率，適宜的種植密度可增加單位土地面積上植株的數(shù)量，同時(shí)保障每株玉米在合理空間內(nèi)充分獲取光照、養(yǎng)分及水分資源，由此增強(qiáng)光能轉(zhuǎn)換效率。在高密度種植條件下，玉米的表層葉片可高效地吸收陽(yáng)光，但底層葉片往往受遮蔽效應(yīng)影響而光照不足。采用科學(xué)策略?xún)?yōu)化種植密度，可使葉片表面盡可能利用光照，弱化植株間對(duì)光能資源的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)種植密度與光合效率協(xié)同優(yōu)化。

在密集種植條件下，采取種植養(yǎng)護(hù)措施，進(jìn)行科學(xué)水肥管理和灌溉調(diào)控，同樣至關(guān)重要。適宜的王壤濕度與養(yǎng)分補(bǔ)充能明顯提升玉米光合效率，增進(jìn)其光能轉(zhuǎn)換水平。隨著玉米種植密度的提高，若能夠同步提高灌溉及施肥水平，單株玉米的固碳效率將顯著增加，以此帶動(dòng)群體的光合作用效能及產(chǎn)出水準(zhǔn)。依靠此類(lèi)技術(shù)途徑，可助力植物生理機(jī)能健全發(fā)展，提高玉米的產(chǎn)量[4]。采用高密度種植并優(yōu)化光合作用效能的方式，可明顯提升玉米產(chǎn)能，見(jiàn)表3。

4.2促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展與可持續(xù)種植

采取玉米密植栽培方法可有效提升單位面積產(chǎn)量，同時(shí)也有效推動(dòng)了生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[5]。隨著國(guó)土空間承載能力的持續(xù)降低，如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)階段對(duì)有限的土地資源進(jìn)行優(yōu)化配置，已成為亟待解決的核心問(wèn)題。合理的種植密度可有效提高單位土地的農(nóng)作物產(chǎn)量。依靠科學(xué)優(yōu)化密植策略，玉米在有限生態(tài)空間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)光能轉(zhuǎn)化效率與生物物質(zhì)合成效能的最大化，從而提升總體產(chǎn)量，并減少對(duì)耕地的消耗規(guī)模，實(shí)現(xiàn)土地資源科學(xué)合理且可持續(xù)的利用[6-7]

對(duì)種植密度進(jìn)行優(yōu)化可減少化肥農(nóng)藥用量，助力生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。科學(xué)調(diào)控種植密度并優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源投放，能顯著減少化學(xué)制品用量，抑制環(huán)境質(zhì)量退化，促進(jìn)土壤生態(tài)健康，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展。高密度種植模式還能有效提高水資源的利用效率。在合理的密植條件下，玉米種群可高效汲取土壤水分，降低水分的流失與浪費(fèi)。采用高密度種植技術(shù)，不僅能提升玉米光合效能與產(chǎn)出水平，還可減少對(duì)生態(tài)環(huán)境資源的過(guò)度消耗，推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8-9]。

4.3提高抗逆性與適應(yīng)性

全球氣候變化帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提出更為嚴(yán)苛的要求，提高玉米逆境耐受性與生態(tài)適應(yīng)性顯得尤為重要。探索增強(qiáng)作物耐受能力及其適應(yīng)性的途徑，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究的重點(diǎn)。適宜的種植密度可在一定程度上提升玉米群體的抗逆能力，保障其在惡劣生態(tài)環(huán)境中依舊可維持較高的光能轉(zhuǎn)化效率與產(chǎn)量水準(zhǔn)。采用密植栽培技術(shù)能有效提高玉米群體綜合適應(yīng)能力。當(dāng)在適宜的種植密度范圍內(nèi)，玉米的根際系統(tǒng)能更高效地汲取土壤水分及養(yǎng)分，以此提高其耐旱性及抵御病蟲(chóng)害的能力。在十旱、洪澇、高溫、低溫等惡劣氣候條件下，玉米高密度種植可優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)植株間的協(xié)同作用，提升整體抵御逆境的能力。

在高密度種植條件下，玉米群體光合效率明顯提升，進(jìn)而增強(qiáng)其抵御惡劣環(huán)境的能力。在高溫或干旱環(huán)境下，適宜的種植密度可減少植株間的資源競(jìng)爭(zhēng)，保證每株玉米都能充分獲取光照和水分，進(jìn)而提高其應(yīng)對(duì)極端氣候的能力[10-11]

5結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，群體光合效率受玉米密植的影響顯著，適度密植可實(shí)現(xiàn)群體光合效率的提升，助力玉米實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。適度密植要結(jié)合氣候、王壤等條件進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)光合能力及產(chǎn)量雙重提升。密植技術(shù)在生態(tài)農(nóng)業(yè)及抗逆性方面具有廣闊的應(yīng)用前景，未來(lái)的研究可進(jìn)一步剖析密植條件下不同環(huán)境因素對(duì)玉米光合特性的綜合影響，進(jìn)而為精準(zhǔn)種植提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐范例。

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（欄目編輯：王亦梁 翟媛媛 劉敏）