寧夏中部干旱帶玉米高產(chǎn)、高光效生產(chǎn)存在問題、研究現(xiàn)狀及展望

摘要：玉米作為寧夏種植面積最大的糧食和飼料作物，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高效對促進農(nóng)民增收和畜牧業(yè)健康發(fā)展具有十分重要的作用。本文通過分析寧夏中部干旱帶不同年度降雨、溫度等氣候資源稟賦狀況，評估降雨、溫度、光照等資源對玉米生態(tài)適應、光能利用效率及產(chǎn)量的影響。通過關(guān)于該地區(qū)玉米育種、栽培文獻的整理分析，探討玉米品種、栽培措施、水肥管理對該地區(qū)玉米光合特性、產(chǎn)量的影響及對水肥光熱資源高效利用的機制，指出氣候干旱少雨、適應當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境玉米品種少、種植管理方式粗放是寧夏中部干旱帶玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要影響因素。總結(jié)了合理密植和高光效栽培是高產(chǎn)玉米的生理基礎(chǔ)和目前育種、栽培研究的熱點，闡明了玉米品種、種植模式、水肥管理對玉米光合效率及產(chǎn)量的協(xié)同作用機制。并指出鑒選和培育適宜當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的高抗耐旱耐密玉米新品種、研發(fā)集成配套水肥一體化、有機無機相結(jié)合培肥地力、病蟲害綠色防控等高產(chǎn)高效栽培技術(shù)模式，提高水、肥、光、熱資源協(xié)同利用效率是該地區(qū)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、產(chǎn)量潛力突破的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：玉米；品種；密植；高產(chǎn)；高光效；耕作方式

中圖分類號：S513.03；S513.04" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0022-09

玉米是全球總產(chǎn)量最高的作物，同時也是我國重要的糧食、飼料和工業(yè)作物，其產(chǎn)量直接關(guān)系著國家糧食安全，在我國國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。玉米籽粒和秸稈是畜牧業(yè)重要的飼草料，隨著寧夏畜牧業(yè)的快速發(fā)展，玉米需求量激增，價格及種植效益明顯上漲，農(nóng)民主動調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，玉米的種植面積不斷增加，成為寧夏地區(qū)第一大糧食作物［1］。據(jù)統(tǒng)計，寧夏回族自治區(qū)2021年玉米種植面積36.74萬hm2，占糧食作物播種面積的53.3%，總產(chǎn)達到263.39萬t，占糧食總產(chǎn)的71.5%［2］。玉米葉片高光效是高產(chǎn)的生理基礎(chǔ)，作為C4植物，其自身的光合效率具有較大的提升空間。通過采用優(yōu)良品種、合理密植增加葉面積指數(shù)、調(diào)整栽培株行距和行向、水肥管理等措施可以最大程度地利用光、水、肥、熱資源，達到玉米增產(chǎn)增效的目的［3］。因此，確定玉米光合效率和產(chǎn)量提高的潛在驅(qū)動因素不僅對糧食安全至關(guān)重要，而且對提高資源利用效率和環(huán)境可持續(xù)性具有重要意義。

寧夏中部干旱帶地處我國半干旱黃土高原向干旱風沙區(qū)過渡的農(nóng)牧交錯帶，有著顯著的溫帶大陸性特征，四季分明，晝夜溫差大，光照資源豐富，雨熱同季，春玉米生育期與雨季吻合，降雨資源利用率高。但是該地區(qū)氣候干旱少雨、土壤瘠薄、水土流失嚴重，保水保肥能力差，是玉米產(chǎn)量增進的主要限制因素［4］。本文通過分析寧夏中部干旱帶氣候資源狀況、玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況以及存在的問題，探討玉米品種、栽培技術(shù)、水肥管理等措施對本地區(qū)玉米光合特性、產(chǎn)量的影響，并針對目前玉米高光效生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀提出建議。

1 寧夏中部干旱帶玉米生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 氣候干旱少雨，光熱資源豐富

氣候變化對農(nóng)作物的影響主要表現(xiàn)為光照、熱量（溫度）、降水、蒸發(fā)量等因素變化。由圖1-a可知，寧夏中部干旱帶玉米生育期內(nèi)，氣溫高、蒸發(fā)量大、降水時空分布不均，易發(fā)生短期或階段性農(nóng)業(yè)干旱，造成玉米減產(chǎn)。5—9月是最主要的降水時期，占全年降水量的78%以上，鹽池縣、同心縣、海原縣5—9月多年平均降水量分別為234.58、205.48、327.58 mm。由圖1-b可知，鹽池縣、同心縣、海原縣7月平均氣溫最高分別為23.58、24.01、21.02 ℃，冬季1月平均氣溫最低分別為-7.64、-6.30、-6.30 ℃。受氣溫和降水影響，該區(qū)域潛在蒸散量表現(xiàn)為同心縣＞鹽池縣＞海原縣，最大值和最小值分別出現(xiàn)在7月和1月，同心縣潛在蒸散量的主要影響因素為溫度和風速，海原縣為風速和水汽壓，鹽池縣則以風速為主［5］。根據(jù)玉米生育期該區(qū)域多年平均降雨量、平均溫度分析，5月玉米苗期熱量和光照較好，降水不足和低溫影響出苗質(zhì)量；6月玉米拔節(jié)期持續(xù)高溫少雨；7月玉米抽雄后降水增多；8月全年平均降水量最高，玉米灌漿期水熱匹配較好；9月早霜和低溫影響灌漿完成，導致玉米減產(chǎn)。

日照充足、積溫值高，可以為玉米提供充足的光合條件，由圖1-c可知，鹽池縣、同心縣、海原縣5—9月平均日照時數(shù)為1 254.7、1 324.4、1 127.0 h，占全年日照時數(shù)的45.3%、45.3%、43.0%。玉米生育期內(nèi)同心、鹽池、海原三縣≥10 ℃ 積溫分別為3 153、3 044、2 704 ℃，玉米全生育期溫度適宜度從大到小依次為同心縣、鹽池縣、海原縣，數(shù)值分別為0.966、0.911和0.726，除海原縣海拔較高的區(qū)域外，積溫都能滿足玉米生長需要，降水量不足是影響本區(qū)域玉米產(chǎn)量的制約因子［6］。

由圖2可知，寧夏中部干旱帶玉米產(chǎn)量自2011年以來總體呈遞減趨勢，分析其原因是由于降水量減少、溫度升高、日照時數(shù)減少（圖2-b、圖2-c、圖 2-d）。鹽池縣、同心縣以及中部干旱帶玉米產(chǎn)量與年降水量呈正相關(guān)，受年降水量分布不均及滯后效應，相關(guān)系數(shù)分別為0.17、0.10、0.13，而海原縣的玉米產(chǎn)量與年降水量呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到 -0.53。鹽池縣、同心縣、海原縣和中部干旱帶玉米平均產(chǎn)量與年均溫都呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.19、-0.17、-0.36和-0.38；玉米產(chǎn)量與日照時數(shù)都呈正相關(guān)。有研究表明，降水量變化對寧夏中部干旱帶旱作玉米生產(chǎn)潛力的影響大于氣溫變化的影響，降水的多少及變率限制玉米的產(chǎn)量變化［6-7］。

綜上，玉米是寧夏中部干旱帶種植的主要糧飼作物之一，該地區(qū)光熱資源豐富，白天積累的光合同化產(chǎn)物因晝夜溫差大而夜間的消耗少，從而積累更多的光合產(chǎn)物，這也是中部干旱帶玉米顆粒飽滿、單位面積產(chǎn)量高的主要原因。但是該地區(qū)玉米生育期較長，蒸散量大，生育期降水無法滿足玉米需求，具有灌溉條件的黃灌區(qū)是玉米最適宜種植區(qū)，其中同心縣是寧夏春玉米產(chǎn)量最高的縣（市、區(qū)）之一［7］，而無灌溉條件的干旱區(qū)玉米產(chǎn)量易受干旱降水影響導致玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)，甚至絕收。

1.2 玉米種植面積占比高，產(chǎn)量低而不穩(wěn)

近年來，寧夏中部干旱帶玉米種植面積、總產(chǎn)呈增加趨勢，2022年種植面積是2005年的2.89倍，種植面積年均增長6.87%；總產(chǎn)是2005年的2.97倍，玉米總產(chǎn)年均增加7.30%（圖3）。紅寺堡區(qū)、鹽池縣、同心縣、海原縣玉米種植面積分別占農(nóng)作物總播種面積的49.07%、27.51%、40.68%、20.21%，分別占糧食作物播種面積的91.45%、35.98%、40.68%、32.32%。紅寺堡區(qū)、鹽池縣、同心縣、海原縣玉米總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的比值，多年平均分別為85.53%、67.37%、74.20%、45.74%［2］，并且近年來呈增加趨勢。

針對該地區(qū)光熱資源豐富、降水稀少的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，寧夏回族自治區(qū)人民政府通過在該區(qū)域興建一批揚黃灌溉、井灌、庫灌和窖灌水利設(shè)施，大力發(fā)展推廣高效節(jié)水、覆膜保墑及水肥一體化等旱作農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術(shù)，堅持壓夏增秋，優(yōu)化作物區(qū)域布局，不斷擴大玉米種植面積［8-9］。2021年夏季，寧夏遭遇嚴重干旱天氣，灌溉工程覆蓋區(qū)域的玉米長勢良好，抗旱減災效果明顯，但是旱地玉米抵御自然災害能力弱，減產(chǎn)嚴重。近年來中部干旱帶玉米產(chǎn)量雖然有所提高，但是玉米單產(chǎn)增加有限，紅寺堡區(qū)、鹽池縣、同心縣、海原縣的玉米單產(chǎn)多年平均為7 418.5、5 759.6、9 069.3、6 943.2 kg/hm2，中部干旱帶春玉米產(chǎn)量多年平均為7 477.7 kg/hm2［2］。有研究表明，在同心縣王團鎮(zhèn)的旱作節(jié)水高效農(nóng)業(yè)科技園區(qū)，單作玉米產(chǎn)量平均為11 965.4 kg/hm2，玉米大豆間作玉米產(chǎn)量平均為13 436.5 kg/hm2［10］，說明該地區(qū)玉米產(chǎn)量提升潛力空間依然很大。

1.3 高產(chǎn)耐旱品種少，配套種植技術(shù)滯后

目前寧夏中部干旱帶玉米品種同質(zhì)化嚴重，廣適、多抗的突破性品種缺乏；專用青貯玉米品種高稈大穗、穗位高、晚熟，倒伏風險大、干物質(zhì)積累不足、營養(yǎng)品質(zhì)差等問題突出［1］；具有高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、抗病、抗倒、保綠性好、適應性廣、早熟、脫水快、糧飼兼用等特點，適宜機械粒收的品種較少［11］。國內(nèi)現(xiàn)有品種的產(chǎn)量、抗逆性和適應性與寧夏中部干旱帶特殊生態(tài)環(huán)境不協(xié)調(diào)，對寧夏自主培育、適應性較好的玉米新品種的株型特征、葉片光合能力、產(chǎn)量和生物量高低以及耐密性指標體系等亟需系統(tǒng)研究。

該地區(qū)玉米種植方式較為粗放，高產(chǎn)配套種植技術(shù)滯后。平地種植、有灌溉條件的地方大水漫灌還占較大比例，造成水資源浪費，也加大了土壤鹽漬化風險。玉米種植過程中施肥量、施肥方式還待優(yōu)化，生產(chǎn)中存在化肥投入量和比例不合理問題，肥料和農(nóng)藥投入量分別達到429、12.2 kg/hm2［12］，并且多以氮肥為主，磷鉀肥施用量少，施肥方式粗放，基追肥比例不合理等現(xiàn)象導致肥料利用效率低、產(chǎn)量下降、經(jīng)濟效益降低［13］。夏海雪等對寧夏中南部不同類型旱地玉米施肥及生產(chǎn)狀況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)玉米生產(chǎn)中N、P2O5和K2O的平均投入量分別為323.7、210.1、28.6 kg/hm2，氮、磷肥施肥量明顯偏高，造成了肥料浪費和環(huán)境污染，鉀肥用量偏低；基追比大致為6 ∶4，追肥主要為尿素，追肥量處于兩個極端，大多數(shù)追肥量很高或者很低；以牛羊糞便為主的有機肥投入量偏低［14］，本文統(tǒng)計結(jié)論與之一致。

2 寧夏中部干旱帶玉米高產(chǎn)、高光效研究進展

2.1 不同品種對玉米高產(chǎn)、光合特性的影響

寧夏中部干旱帶充足的光照是影響玉米生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一。玉米產(chǎn)量、生物量主要來源于葉片的光合作用，葉面積和植株類型是決定玉米產(chǎn)量、生物量的重要因素，提高葉片凈光合速率、光能利用效率、光能截獲能力有利于積累更多的干物質(zhì)，這也是目前玉米品種改良實現(xiàn)高產(chǎn)的重要途徑［15］。玉米百粒重、穗粗、穗長等農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量密切相關(guān)，產(chǎn)量受玉米品種影響最大［16］。選育耐旱能力強、水分生產(chǎn)效率高的玉米品種是抗旱減災最為經(jīng)濟有效的途徑［17］。通過耐密玉米品種種植過程中精確的田間調(diào)控措施，提高葉面積指數(shù)和玉米群體光合作用，延長葉片持綠期，增加葉片等營養(yǎng)器官中干物質(zhì)的積累及其向籽粒中的分配是決定玉米最終產(chǎn)量的關(guān)鍵因素［15］。優(yōu)化玉米株型可以顯著改善冠層結(jié)構(gòu)，提高資源利用效率和玉米產(chǎn)量，株高、穗位高、節(jié)間長度、葉片數(shù)、葉夾角、葉向值、葉面積和葉面積空間密度是影響玉米冠層結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的主要形態(tài)特征；玉米吐絲時高產(chǎn)品種表現(xiàn)為光分布得到改善 （穗部透光率為 19.0%） 和冠層單位葉面積光截獲量［LIPA，51.7 MJ/（m2·d）］增加，而在中產(chǎn)、低產(chǎn)品種同期穗部的透光率分別為12.2%、15.9%，總LIPA 分別為37.2、29.00 MJ/（m2·d）。高產(chǎn)玉米品種具有較長的葉面積持續(xù)時間、更高的光合速率（尤其是在灌漿期）和總累積生物量；高產(chǎn)玉米品種的光、溫利用效率分別為 2.61%、1.37 g/（℃·d·m2），均顯著高于中產(chǎn)和低產(chǎn)品種；高產(chǎn)玉米品種的收獲指數(shù)（0.54）顯著高于中產(chǎn)玉米品種（0.52） 和低產(chǎn)玉米品種（0.48）［18］。不同類型玉米品種的冠層結(jié)構(gòu)、光合及灌漿特性存在明顯差異，寧夏46.48%的創(chuàng)高產(chǎn)品種是株型緊湊、光合能力強、籽粒灌漿速率高的中晚熟玉米品種［19］。玉米產(chǎn)量與凈光合速率、灌漿速率、透光率、葉綠素含量等指標呈極顯著正相關(guān)；緊湊型玉米品種，穗上部葉片上舉，莖葉夾角小，冠層透光率高，冠層光分布更合理，能減少對穗中下部葉片的遮陰，從而提高葉片的光能利用率［20］。不同玉米品種在寧夏中部干旱帶特殊環(huán)境下光合特性表現(xiàn)不同，該地區(qū)前期有研究表明，強盛12號、長城799、先鋒335等品種的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的日變化均值分別大于 18 μmol/（m2·s）、4.5 mmol/（m2·s）和 165 mmol/（m2·s），表現(xiàn)出較好的光合特性和生物學特性［21］。目前市場上售賣的主流玉米品種在優(yōu)化冠層結(jié)構(gòu)、提升光合利用效率等方面都有了很多提升，而寧夏本地培育適合當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的地方玉米品種中關(guān)于這方面的研究報道卻很少。

2.2 栽培技術(shù)對玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

光合產(chǎn)物是玉米籽粒產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，增加種植密度、改善種植方式是增加玉米群體光合速率、花后物質(zhì)生產(chǎn)與高效分配，提高有限水土資源利用效率和作物產(chǎn)量的有效途徑和關(guān)鍵措施之一［19］。適度增加玉米種植密度可提高葉面積指數(shù)、截光量、干物質(zhì)積累量和穗數(shù)，其群體光合速率不受影響甚至有所提高，進而可以增加單產(chǎn)［22］。但有研究表明種植密度增加會降低葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率和千粒重［23］。玉米產(chǎn)量持續(xù)增加需要構(gòu)建適宜群體，通過合理的群體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增產(chǎn)是玉米高效栽培的重要措施，而適宜的群體結(jié)構(gòu)需要一定密度條件下玉米行株距最優(yōu)配置；優(yōu)化行株距可改變玉米種植空間布局，改善群體冠層結(jié)構(gòu)、群體間通透條件、植株營養(yǎng)條件，合理的行株距可以讓植株得以充分發(fā)育，個體與群體間更協(xié)調(diào)均衡，有利于改善玉米田間微生態(tài)環(huán)境，使光、熱、水、氣資源利用效率增加［24］。合理的行株距配置還能延緩葉片功能期，提高吐絲后玉米干物質(zhì)積累量，促進玉米籽粒灌漿，是玉米產(chǎn)量增加的重要途徑［25］。不同玉米品種在寧夏特殊生態(tài)環(huán)境下的耐密性不同，隨著種植密度的增加，有效穗數(shù)增加，而穗粒數(shù)和千粒重明顯降低，如寧玉51號、寧1530在 10.5萬株/hm2 密度下產(chǎn)量最高，先玉335、寧單41號在9.75萬株/hm2密度下產(chǎn)量最高［26］。另有研究報道，寬窄行種植有利于改善玉米冠層結(jié)構(gòu)、提高光熱資源利用效率，延緩玉米生育后期功能葉衰老，促進籽粒灌漿，當密度增加至8.25萬株/hm2時，寬窄行種植方式具有較高的產(chǎn)量潛力［27］。

玉米產(chǎn)量與植株干物質(zhì)積累的速率呈顯著正相關(guān)，較高的干物質(zhì)積累量依靠強大的光合源，相關(guān)研究表明，產(chǎn)量與最大葉面積指數(shù)呈拋物線關(guān)系，最大葉面積指數(shù)為 3.9～11.4 時，產(chǎn)量均可達到" 15 000 kg/hm2 以上，但當產(chǎn)量達 16 500 kg/hm2 以上時，最大葉面積指數(shù)則為5.5～9.8，說明在一定范圍內(nèi)葉面積指數(shù)越高，物質(zhì)積累越多，但過高的葉面積指數(shù)同樣不能高產(chǎn)［28］。增密后增產(chǎn)的主要原因是玉米穗數(shù)、葉面積和生物量的增加。適度提高種植密度有利于構(gòu)建合理高效的光合群體結(jié)構(gòu)，增加玉米群體干物質(zhì)積累和提高籽粒產(chǎn)量。然而在實際生產(chǎn)中由于種植密度增加或種植方式不合理，易造成光分布不合理、冠層中下部葉片光照條件弱、光能截獲率降低，導致穗位葉及下部葉片早衰，直接影響了葉片光合性能，導致籽粒的灌漿進程減緩，碳同化能力和單株生產(chǎn)力降低；不同品種種植密度增加后，玉米花期植株形態(tài)、冠層光合特性發(fā)生變化，株高、穗位高、穗位系數(shù)隨種植密度增加而顯著增加，穗位葉面積、穗位葉光合能力、穗粒數(shù)等則顯著降低。例如，種植密度從4.5萬株/hm2增加到 12萬株/hm2，鄭單958、金秋119穗位葉面積分別降低20.63%、12.30%，穗位葉光合能力分別降低33.76%、33.31%，穗粒數(shù)分別降低21.55%、36.07%［29］。說明了種植密度過大會導致葉源、根源質(zhì)量性能差，不利于光合產(chǎn)物積累和土壤養(yǎng)分吸收、代謝，造成玉米莖稈細弱，倒伏風險大，制約了密植玉米產(chǎn)量的進一步提升。

寧夏中部干旱帶屬于單季覆膜玉米種植區(qū)，降水少、土壤瘠薄、生態(tài)環(huán)境脆弱，玉米栽培目標應以保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)為主，同時兼顧優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全、可持續(xù)等多目標協(xié)同發(fā)展［30］。在半干旱區(qū)玉米種植過程中，地膜覆蓋能顯著提高土壤含水量和溫度，促進葉片氣孔開放進而提高光合速率；地膜覆蓋具有增熱、保水效應，可促進玉米生長和根系對土壤水分的利用，將水分從土壤蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為作物蒸騰，從而改善光合作用和提高水分利用效率［31］。玉米栽培中采用可降解地膜覆蓋具有保墑、升溫、增產(chǎn)、水分利用高效且環(huán)保等多重作用，有研究表明，普通地膜覆蓋和降解地膜覆蓋處理4年平均增產(chǎn)8.59%和14.10%，秸稈覆蓋減產(chǎn)8.96%；普通地膜覆蓋和降解地膜覆蓋的水分利用效率分別提高10.3%和15.6%，秸稈覆蓋降低8.4%［32］。有研究表明，鹽池縣地膜覆蓋和礫石覆蓋具有較好的增溫效果，有利于提高玉米的出苗率和促進玉米拔節(jié)；最適宜的地表覆蓋措施為牲畜糞便覆蓋和礫石覆蓋，顯著提高了玉米的產(chǎn)量；地膜覆蓋和秸稈覆蓋的產(chǎn)量稍低［33］。分析其主要原因是試驗地土壤質(zhì)地為沙壤土，養(yǎng)分含量低，牲畜糞便覆蓋采用腐熟后的羊糞，在增溫集雨的同時還為玉米生長提供了大量的養(yǎng)分；秸稈覆蓋會降低地表溫度，并且秸稈腐解過程中激發(fā)了土壤微生物的活性［34-35］，由于秸稈碳氮比過高，腐解過程中土壤微生物增加了對土壤中氮的固持，導致與作物產(chǎn)生氮素競爭，因此秸稈還田時應增加氮肥施用［36］。另外，施用保水劑不僅能提高土壤的蓄水能力、改良土壤結(jié)構(gòu)，而且能有效減少土壤水分、速效養(yǎng)分流失，既提高了水資源利用效率又減輕了過量施肥對環(huán)境的污染［37］。

2.3 土壤水分對玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

影響干旱地區(qū)玉米產(chǎn)量的主要因素有耐旱品種、種植密度、追肥次數(shù)和灌溉次數(shù)［38］。土壤水分與玉米生長及光合特性之間有著密切的聯(lián)系，玉米葉片氣孔隨土壤水分虧缺程度出現(xiàn)不同程度的閉合，致使光合速率受限，降低葉片光合生產(chǎn)力，進而影響碳水化合物的合成、干物質(zhì)的運轉(zhuǎn)與積累，從而影響玉米產(chǎn)量及生物量［39］。干旱脅迫作為干旱地區(qū)作物生產(chǎn)主要的非生物脅迫之一，對玉米的生長發(fā)育產(chǎn)生了極大的傷害。在寧夏中部干旱帶無灌溉條件的農(nóng)田，土壤水分主要受降水影響，采取有效的耕作方法和集雨、蓄水、保墑、增溫措施，提高無效降水的有效轉(zhuǎn)化，增加土壤水庫有效蓄水量，可以提高作物的抗寒性、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率［40］。

干旱是限制玉米生產(chǎn)最重要的非生物脅迫因素，也是制約玉米生產(chǎn)的主要因素之一［41］。適度虧缺灌溉可促進根系的生長、耕層土壤對養(yǎng)分和水分的吸收利用，土壤水分虧缺降低了春玉米葉片的凈光合速率和蒸騰速率，葉片蒸騰速率對土壤水分虧缺較凈光合速率更為敏感，水分虧缺可提高葉片的水分利用效率［42］。不同生育時期的干旱脅迫會導致夏玉米葉面積指數(shù)和葉綠素含量降低，氣體交換受抑制，光合性能下降，光合同化物的積累與分配受阻，產(chǎn)量顯著降低，其中，抽雄期遭受干旱脅迫對夏玉米產(chǎn)量和光合特性的影響最大［43］。干旱脅迫下，玉米葉片中的色素含量、凈光合速率，氣孔導度、葉片相對含水量、滲透勢顯著降低，脯氨酸、超氧化物歧化酶、過氧化物酶等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量明顯升高［44］。穗粒數(shù)是決定玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，灌漿期是玉米對干旱最敏感的時期之一，也是玉米籽粒成形、產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，灌漿期干物質(zhì)積累對玉米籽粒產(chǎn)量的貢獻率達到78%～84%［13］，該時期遭受干旱會嚴重影響產(chǎn)量。

灌溉是保障寧夏中部干旱帶玉米高光效生產(chǎn)和高產(chǎn)的重要影響因素之一，不同灌溉方式和種植模式下玉米生育期葉片光合性能差異很大。滴灌條件下，青貯玉米的葉面積指數(shù)、凈光合速率、蒸騰速率、鮮生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量隨著灌溉定額的增大而增大［45］。有研究表明，寧夏中部干旱帶年參考作物騰發(fā)量為1 112 mm，玉米生育期需水量為596 mm［46］。玉米膜下滴灌灌溉制度為灌溉定額2 100 m3/hm2，灌水次數(shù)8次，其中苗期至拔節(jié)期灌水2次、拔節(jié)至抽穗期灌水2次、抽穗至灌漿期灌水3次、灌漿至成熟期灌水1次；在該灌溉制度下玉米產(chǎn)量為 14 451.45 kg/hm2，灌溉水生產(chǎn)效率為 6.88 kg/m3，水分生產(chǎn)效率為3.15 kg/m3［47］。畦灌和覆膜溝灌的最優(yōu)灌溉制度為全生育期灌水4次，灌水定額為 975 m3/hm2，灌溉定額為3 900m3/hm2，氣溫和光照度是影響玉米抽雄期光合速率和蒸騰速率日變化的主要因素，低灌水量處理的玉米光合速率峰值 28 μmol/（m2·s）出現(xiàn)在08：00，隨后隨時間推移不斷下降；高灌水量處理的玉米光合速率呈雙峰曲線，高峰分別出現(xiàn)在10：00和14：00，光合速率峰值高于低灌水量處理，并且蒸騰速率隨灌水的增加而增加，峰值從3.5 mmol/（m2·s）增加到 5.4 mmol/（m2·s）［46，48］。而在寧夏中部干旱帶鹽池縣揚黃灌區(qū)適宜滴灌次數(shù)為10～11次，灌水總額為 3 405～3 660 m3/hm2［49］。

壟溝覆膜集雨種植技術(shù)作為寧夏中部干旱帶地區(qū)一種常見且有效的集水農(nóng)藝措施，對玉米增產(chǎn)起到了積極作用，該技術(shù)由于壟和溝地形的改變以及地膜對土氣界面水汽交換的阻隔，對土壤水熱運動影響強烈，可起到增溫增墑的作用，能夠促進玉米生長，提高籽粒產(chǎn)量［50］。施用保水劑改善寧夏揚黃灌區(qū)沙質(zhì)土壤性質(zhì)，促進了玉米生長，提高了作物產(chǎn)量，增加了種植效益［33，51］。降水減少、土壤水分降低導致的土壤干旱脅迫造成玉米籽粒敗育的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，近年來越來越頻繁的旱災已經(jīng)成為寧夏中部干旱帶及南部山區(qū)玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)的重要原因。

2.4 施肥對玉米高產(chǎn)、高光效的影響

施肥不合理也是寧夏中部干旱帶玉米單位面積產(chǎn)量低的另一個主要因素，不同玉米品種的葉片生長、光合效率和籽粒產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的供應密切相關(guān)。葉面積和植株類型是決定生物量、產(chǎn)量的重要因素，二者都受氮素供應的調(diào)節(jié)；根系作為玉米吸收養(yǎng)分的重要源器官，在玉米產(chǎn)量形成過程中具有重要作用。氮素能緩解受旱玉米的產(chǎn)量損失，這與其明顯提高玉米氣生根的根長、根表面積及其占比呈顯著正相關(guān)，較大的淺層節(jié)根占比有利于提高玉米抗旱性。地上部緊湊的株型改善了密植群體內(nèi)部的光分布情況，緊湊的根型增強了玉米根系對深層土壤營養(yǎng)和水分的利用。不同層次根系分布有較大的變異性，根長密度隨層次加深而降低，肥料深施可以促進作物吸收，提高玉米葉片氮含量、葉綠素含量（SPAD值），促進光合干物質(zhì)的積累和分配，延緩玉米葉片衰老，增強灌漿能力；凈光合速率和平均灌漿速率分別提高32.9%和5.0%，生物量和玉米產(chǎn)量分別提高12.7%和13.8%，氮肥利用率達到了43.6%［52］。

由于寧夏中部干旱帶玉米常年連作，導致土壤生態(tài)惡化，加上土壤瘠薄、化學肥料的大量使用造成養(yǎng)分歸還不合理和有機肥料投入不足，土地的可持續(xù)生產(chǎn)能力急劇下降、玉米質(zhì)量徘徊不前的矛盾越發(fā)凸顯，已經(jīng)成為寧夏中部干旱帶玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要原因［13-14］。隨著玉米種植密度的增加，植株對土壤水肥的需求增大，種植密度與氮肥施用量的互作效應對玉米光合、生理特性、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有顯著影響。因此，合理的種植密度是構(gòu)建優(yōu)良玉米群體結(jié)構(gòu)、優(yōu)化群體生理指標的基礎(chǔ)，而適宜的氮肥用量則是充分發(fā)揮群體優(yōu)勢進行營養(yǎng)生長和生殖生長的物質(zhì)保障［19，53］。適量施氮能明顯提高春玉米葉片的光合性能，延緩穗位葉總?cè)~綠素的降解，延長光合作用持續(xù)期，優(yōu)化總?cè)~綠素、葉面積指數(shù)和光合勢在春玉米產(chǎn)量形成中的作用。同時，適量施氮能顯著增加地上部群體干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量，促進玉米對氮素的吸收與積累，降低土壤氮素殘留，提高氮肥表觀利用率［54］。氮肥后移可通過提高凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、葉片相對葉綠素含量，降低胞間CO2濃度，來增加玉米產(chǎn)量。與常規(guī)施氮不后移相比，氮肥后移20%和氮肥后移10%處理下，間作玉米籽粒產(chǎn)量分別提高28.5%、13.8%，生物產(chǎn)量分別提高23.8%、12.5%；單作玉米籽粒產(chǎn)量分別提高29.7%、13.3%，生物產(chǎn)量分別提高19.6%、10.3%［55］。氮肥后移20%、氮肥后移10%較常規(guī)施氮不后移處理玉米凈光合速率分別提高12.8%、6.0%，氣孔導度分別提高14.0%、6.9%，蒸騰速率分別提高20.5%、9.5%，胞間CO2濃度分別降低29.8%、13.1%［55］。施緩釋肥和追肥可以提高滴灌玉米生殖生長期葉面積指數(shù)，減緩SPAD值下降，進而促進干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量［13］。鹽池縣玉米水肥一體化試驗結(jié)果表明，N、P、K施用量為264.0、138.0、0 kg/hm2 時玉米產(chǎn)量表現(xiàn)最佳，經(jīng)濟效益較好［56］。施用生物質(zhì)炭能顯著增加氮肥利用效率、氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力，其中生物質(zhì)炭施用量為 6.75 t/hm2 時增加的最為明顯，較對照處理分別增加38.02%、18.79 kg/kg和23.54 kg/kg［57］。

玉米凈光合速率、氣孔導度隨土壤有機碳的增加而升高，胞間CO2濃度與土壤有機碳呈負相關(guān)；葉綠素隨土壤有機碳的增加而升高；穗長、穗粗，穗粒數(shù)、穗質(zhì)量，根、莖、葉、穗干質(zhì)量，分別隨土壤有機碳的增加而增加［58］。寧夏中部干旱帶大部分地區(qū)土壤貧瘠、肥力低下，施用有機肥和秸稈還田是常用的培肥地力措施，推薦有機肥施用量為3 000～4 500 kg/hm2，配施氮肥的用量為225～300 kg/hm2［59］。秸稈覆蓋還田可有效降低土壤容重，增加土壤有機質(zhì)含量，在玉米生殖生長期葉片長期保持較高的SPAD值，凈光合速率和葉片水分利用效率分別提高 11.5%～25.5%和4.7% ～14.8%，是干旱半干旱地區(qū)提高玉米產(chǎn)量和生物量的有效措施［60］。秸稈還田時需配施氮肥防止秸稈腐解過程中微生物對土壤氮素的固持，導致土壤微生物與作物對氮素的競爭［37］，改善土壤水肥狀況，寧夏干旱地區(qū)玉米秸稈還田量以9 000 kg/hm2為宜［61］，配施氮肥的合理用量為300～450 kg/hm2，可顯著提高0～100 cm土層土壤貯水量，調(diào)控土壤水熱環(huán)境和土壤碳氮比，增加穗粒數(shù)和百粒重，促進玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率增加［62-63］；在寧夏中部干旱區(qū)秸稈還田配施純氮 300 kg/hm2 處理改善土壤肥力效果最優(yōu)，玉米籽粒增產(chǎn)效果最佳，能實現(xiàn)增產(chǎn)增收［64］。寧夏中部干旱帶土壤沙化貧瘠，養(yǎng)分不足，限制了玉米的生長發(fā)育，利用周邊養(yǎng)殖場的灘羊、肉牛、奶牛等糞肥廢棄物可有效改善土壤質(zhì)量，提升土壤肥力和有機質(zhì)含量，即可有效消納養(yǎng)殖糞污，還可促進當?shù)赜衩椎膬?yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)和農(nóng)牧交錯區(qū)種養(yǎng)循環(huán)清潔生產(chǎn)［65］；與不施肥相比，施用奶牛糞肥后玉米抽雄期凈光合速率增加1.42%～15.49%、氣孔導度增加40%～60%、胞間CO2濃度增加29.02%～65.70%、蒸騰速率增加21.73%～55.59%、葉綠素含量增加12.79%～44.23%［66］。但不同類型有機肥、秸稈還田、畜牧糞便廢棄物的施用量和施用方式對調(diào)控玉米群體光合生理特征以及增產(chǎn)潛力還缺乏系統(tǒng)研究。

3 展望

未來可充分利用寧夏中部干旱帶氣候資源稟賦，解決玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)和灘羊、肉牛、奶牛等畜牧業(yè)快速發(fā)展對玉米秸稈生物量需求增加的問題，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定籽粒玉米、糧飼兼用玉米的種植面積，大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)青貯玉米，集成配套綠色高產(chǎn)高效技術(shù)模式，以推進良種、良法、良田和農(nóng)機農(nóng)藝深度融合。

3.1 篩選培育抗旱高產(chǎn)玉米品種

研究適宜寧夏中部干旱帶特殊生態(tài)環(huán)境的高產(chǎn)、高抗、高光效玉米新品種的植株形態(tài)特征、光合特性和生理機制，系統(tǒng)開展自主培育、篩選優(yōu)質(zhì)抗病、節(jié)水耐旱、耐土壤貧瘠、適應性好、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及成熟脫水快、適合機收的種質(zhì)資源和玉米新品種。

3.2 研發(fā)玉米高光效種植模式

基于玉米“擴行距、縮株距、保密度”的生產(chǎn)原則和壟溝覆膜、秸稈還田、寬窄行、一穴多株等種植方法，增加畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和穗粒重，提高玉米高光效物質(zhì)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化能力，培育高質(zhì)量抗倒群體，對適合寧夏中部干旱帶生態(tài)環(huán)境的自主培育玉米品種的密植閾值、耐密植原理進行深層次研究，構(gòu)建適合當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境玉米品種的最佳株行距、穴株數(shù)及不同品種豐產(chǎn)的耐密性指標體系，解決玉米種植密度增加后引起的水、氮脅迫導致玉米群體光合效率不高、產(chǎn)量不穩(wěn)等制約玉米產(chǎn)業(yè)提速增效的問題。

3.3 提升土壤水肥供應能力

堅持把“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全、可持續(xù)”要求貫穿于玉米生產(chǎn)全過程，開展綠色高效栽培技術(shù)模式集成研究，實施種養(yǎng)結(jié)合的循環(huán)農(nóng)業(yè)，提高畜牧糞便廢棄物還田、秸稈還田、有機肥利用水平，增加土壤有機質(zhì)，提升土壤肥力。利用揚黃及庫、井、窖水源，配套推廣水肥一體化等高效節(jié)水種植技術(shù)，研發(fā)和應用適宜玉米高密種植的土壤培肥、抗旱保墑豐產(chǎn)等關(guān)鍵種植模式，提升土壤養(yǎng)分、光溫資源利用效率，實現(xiàn)增產(chǎn)增效、節(jié)本增效、提質(zhì)增效，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型玉米生產(chǎn)體系。

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