空氣CO2濃度升高對玉米產(chǎn)量的影響

[摘要]玉米作為我國主要的農(nóng)作物，其產(chǎn)量直接關系到種植戶的利益與國家糧食安全，因此加強對玉米增產(chǎn)措施的研究具備現(xiàn)實操作的實際意義。本文以“鄭單958”為研究對象，通過設置自然大氣（CK）和大氣CO2濃度升高（OTC）分別與水肥管理雨養(yǎng)不施氮、雨養(yǎng)施氮以及覆膜與不覆膜四種模式相結合的辦法測試。在深入分析結果的基礎上，對種植戶種植農(nóng)作物提出了具體參考建議。

[關鍵詞]玉米產(chǎn)量;CO2濃度;實驗

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

1 研究背景、目的和意義

玉米作為我國主要的農(nóng)作物，不僅承擔著滿足人們對飲食需要的任務，而且在畜牧業(yè)生產(chǎn)中和農(nóng)產(chǎn)品加工中比如飼料加工、糧油加工以及釀酒等產(chǎn)業(yè)發(fā)展中也發(fā)揮了重要作用，因此加強玉米產(chǎn)量的研究意義重大。近年來隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構的不斷調整，優(yōu)質高產(chǎn)玉米品種得到了有效的推廣，玉米產(chǎn)量也發(fā)生了翻天覆地的變化。在新中國成立初期，玉米的平均產(chǎn)量為961.5kg/hm2[1]，而2018年李登海培育的春玉米年產(chǎn)量突破13 500kg/hm2，夏玉米產(chǎn)量達12 345kg/hm2[2]，產(chǎn)量較新中國成立初期增加了13倍之多，玉米產(chǎn)量現(xiàn)在高居我國主要農(nóng)作物產(chǎn)量之首。

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術的不斷改進，許多傳統(tǒng)的種植方法逐漸被淘汰或改進，隨之產(chǎn)生的新的種植方法在作物增產(chǎn)提效方面發(fā)揮了重要作用，其中影響較為顯著的便是氮肥和地膜覆蓋措施的使用[3]。隨著地球溫室效應的不斷增加，在CO2濃度逐漸升高的情況下，研究氮肥和地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量的影響成為農(nóng)業(yè)專家和學者研究的重點。

在19世紀中期也就是工業(yè)革命初期，空氣中CO2的濃度約為270μmol·mol，但是隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在大氣中CO2的濃度約為400μmol·mol，濃度增長了48.1%?，F(xiàn)在每年仍在以2μmol·mol的速度在增加，預計到21世紀末，濃度將會達到700μmol·mol左右。CO2濃度的變化會引起空氣中碳循環(huán)的較大改變，會對全球氣候產(chǎn)生重大影響，而較多依賴光合作用的農(nóng)作物在此大環(huán)境下必然會受其影響。但是，造成產(chǎn)量的升高還是降低，或者是否會產(chǎn)生影響，學者有著不同的解讀：有相關學者認為CO2濃度升高對玉米產(chǎn)量極為不利[4];而也有學者認為濃度變化會尤其是濃度升高會在較大程度上提升玉米產(chǎn)量[5];還有學者認為CO2濃度的變化對農(nóng)作物產(chǎn)量不會產(chǎn)生影響[6]。

基于上述爭論，本文將重點研究CO2濃度增加是否會對玉米產(chǎn)量產(chǎn)生影響，該研究主要通過實驗測試的方式進行。

2 實驗材料及研究方法

本實驗將春玉米“鄭單958”作為田間玉米的研究對象，該品種具有抗逆性、植株矮小、莖稈粗壯等優(yōu)點，生命力較強。試驗田種植的該品種行寬分別為40cm和60cm，對應的壟高分別為15cm和5cm。玉米采用溝播壟作的方式種植，平均密度為7萬株/hm2。本研究通過設置自然大氣（CK）和大氣CO2濃度升高（OTC）分別與水肥管理雨養(yǎng)不施氮、雨養(yǎng)施氮以及覆膜與不覆膜四種模式相結合的辦法測試。大氣CO2濃度升高采用開頂式氣室控制，CO2濃度為700μmol·mol。

3 旱作玉米產(chǎn)量的測定及方法

在玉米成熟期內，在氣室內外分別采集6m2的玉米穗，取出完整玉米后按照采集區(qū)域的不同分別稱重，并分別從中挑選出15個籽粒飽滿、形狀規(guī)整，色澤較好，且具有代表性的玉米，脫粒后放于烘烤箱中烘烤至重量穩(wěn)定，再稱重，并計算產(chǎn)量。

4 研究結果及其分析

經(jīng)過測量，在OTC模式下雨養(yǎng)不施氮和雨養(yǎng)施氮以及覆膜和不覆膜分別比CK同種情況下玉米的產(chǎn)量增加了42%、37%、98%和12%（P<0.05）。并且經(jīng)過實驗的相關性分析，玉米產(chǎn)量與葉面積指數(shù)呈正向相關聯(lián)，葉面積越大，玉米產(chǎn)量越高。

其中雨養(yǎng)不施氮和雨養(yǎng)施氮情況下產(chǎn)量不增反降，這種結果的出現(xiàn)與氮肥的使用能有效增加產(chǎn)量的共識有一定的矛盾性。雖然氮肥能夠較大地增加農(nóng)作物產(chǎn)量，但氮肥的使用要控制在一等范圍，如果使用量超過280kg/hm2，作物產(chǎn)量不升反降，因此在日常田間種植時，控制好氮肥的使用量不僅會增加產(chǎn)量還會節(jié)約成本。

在本實驗中在CK模式下雨養(yǎng)不施氮CO2濃度升高玉米產(chǎn)量并沒有增加。這說明如果不添加任何肥料，僅增加空氣中CO2的濃度，并不能直接提升農(nóng)作物產(chǎn)量。即使會產(chǎn)生影響，也會在作物的生長過程中被作物自身的生長機制自行消化，從而無法產(chǎn)生顯性影響。

本實驗中OTC模式下大氣CO2濃度升高時玉米產(chǎn)量都有了顯著增長，但雨養(yǎng)不施氮的效果明顯高于雨養(yǎng)施氮的效果。這說明雨養(yǎng)情況下，再施以氮肥并不能增加作物產(chǎn)量，從而間接證明在OTC模式下，如果能夠保持農(nóng)作物豐富的水分同樣可以增加作物產(chǎn)量。

在OTC模式中，覆膜和不覆膜玉米產(chǎn)量出現(xiàn)了較大差異，這也與人們的日常認識有一定差異。通過實驗結果可知，在增加空氣CO2濃度的情況下，農(nóng)作物保持充裕的水分，其產(chǎn)量會出現(xiàn)較大幅度的增加，并且壟作覆蓋地膜是所有模式下產(chǎn)量最高的，因此本實驗結果意義重大，是耕作中應該注意的有效增產(chǎn)措施。

玉米產(chǎn)量與葉面積指數(shù)呈正向相關聯(lián)，葉面積越大，玉米產(chǎn)量越高。這種結果的出現(xiàn)與農(nóng)作物對光合作用的依賴是密切相關的。光合作用下，葉面積越大，所產(chǎn)生的光合效果就越充分，因此產(chǎn)量會相應增加，兩者之間呈正相關性。然而，葉面積并不是越大越好，因為面積增大到一定程度時，植株上面的葉片會擋住植株下部的葉片，從而使光合作用發(fā)揮得不充分，因此葉面積還要與植株密度相關聯(lián)，這樣才能有效保證農(nóng)作物的產(chǎn)量。

5 研究結果應用

上述實驗結果為田間玉米種植提供了重要的啟示意義和參考價值，基于此應該將實驗結果與作物種植有效結合，并在不斷的種植實踐中驗證實驗結果的可行性。

5.1 作物種植中氮肥的使用要適量

雨養(yǎng)不施氮和雨養(yǎng)施氮玉米產(chǎn)量并沒有增加，但并不是說氮肥對于農(nóng)作物的增產(chǎn)沒有效果。實際上，眾多研究表明氮、磷、鉀是莊稼三寶，但是使用的量一定要適中，如氮肥的使用要控制在280kg/hm2以內，超出該范圍不但不會使作物增產(chǎn)反而會降低產(chǎn)量，同時還會因為施用氮肥過多增加投入成本[7]。

5.2 作物種植要與覆膜相結合

在經(jīng)濟條件具備的情況下，作物種植要與覆膜相結合。實驗中在OTC模式下覆膜后玉米的產(chǎn)量增加的最為明顯，達到了98%，這也充分說明了CO2與覆膜相結合會較大增加農(nóng)作物產(chǎn)量。其主要原因是，覆膜會較好地保持水分與溫度，而CO2的增加又較大程度地提高了光合作用的轉化率，兩者的有效結合大大提高了作物產(chǎn)量。目前，我國北方地區(qū)對玉米覆膜的種植推廣并不廣泛，在山東的推廣率更是偏低，因此建議在試驗基地進行多次實驗，在確保實驗效果的基礎上可以通過逐步推廣的方式，引導種植戶使用。

5.3 作物種植要注意植株密度

植株密度會在較大程度上影響作物的產(chǎn)量[8]。由于目前種植戶多是憑借耕作經(jīng)驗對植株密度進行目測，難免會出現(xiàn)疏密不一的情況。因此，建議農(nóng)業(yè)專家在作物種植季節(jié)經(jīng)常走入田間地頭，針對不同的作物進行密度中的指導與普及，只有這樣才能逐漸在種植戶心中形成普遍性的認知，提高作物產(chǎn)量。

5.4 將CO2濃度的控制與作物覆膜種植相結合

在條件具備的基礎上，尤其是在現(xiàn)代化農(nóng)場中要將CO2濃度的控制與作物覆膜種植相結合?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向與出路，機械化操作、大農(nóng)業(yè)與規(guī)范化種植相結合是農(nóng)業(yè)轉型升級的必然趨勢。加強農(nóng)業(yè)種植當中的科學技術指導，尤其是專業(yè)知識的指導與運用必然會較大的提高產(chǎn)出效益。因此，建議在實驗基礎上加強對實驗結果的測試，在確認結果無誤的基礎上，用現(xiàn)代化設備在適度范圍內提高單位空間內的CO2濃度，并與覆膜種植技術相結合，從而大大提高作物產(chǎn)量。

參考文獻

[1] 宋建軍.淺析玉米高產(chǎn)施肥技術[J]農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2020， 2（1）：46.

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[3] 翁玉飛.河南地區(qū)玉米種植新技術及病蟲害防治[J]種子科技， 2019（6）：31.

[4] 房世波，沈斌，譚凱炎，等.大氣[CO2]和溫度升高對農(nóng)作物生理及生產(chǎn)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2010，18（5）：1116-1124.

[5] 郭艷亮，王曉琳，張曉媛，等.田間條件下模擬CO2濃度升高開頂式氣室的改進及其效果[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2017， 36（6）：1034-1043.

[6] 李長霞，李忠青，李洪，等.播種和主要氣象因子對長治地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2019（3）：44.

[7] 王玉紅，周新，沈東風，等.播期對河南不同熟期夏玉米生長發(fā)育與產(chǎn)量的影響[J].耕作與栽培，2019（4）：56.

[8] 朱永斌，白冰，劉昌新，等.氣候變化對我國農(nóng)作物產(chǎn)量影響及氣候損失估算[J].統(tǒng)計與決策，2019（6）：33.

收稿日期：2019-12-24

作者簡介：卜現(xiàn)美，女，農(nóng)藝師，研究方向為農(nóng)業(yè)。