（1）研究背景及意义

随着全球人口持续增长，粮食需求量不断增加。在耕地面积不能扩大甚至减少的社会背景下，提高粮食单产是解决粮食短缺、保障粮食安全的重要农业措施。密植是提高现代作物单产的重要途径之一（白彩云等，2010；李淑华等，2013）。合理密植能有效提高单位面积作物产量，但是，不科学的密植会导致个体间的水分、养分、空间、光照等资源竞争，导致叶片光合速率降低，进而影响作物个体的生长发育和群体经济产量（李涛等，2012）。合理密植可以实现作物植株个体功能与群体结构协同增益（肖继兵等，2018），是玉米增产增效的关键农业措施之一（Tollenaar et al，2002；赵久然等，2007）。光合作用是作物产量形成的关键基础，研究种植密度对光合作用的影响，是确定玉米合理密植的理论基础。有研究表明，种植密度对高产玉米穗位叶片的P影响不明显（闫艳艳等，2019）。但也有研究认为，中密度处理（9.75万株·hm-2）的玉米全生育期净光合速率较高（魏廷邦等，2019）。高密度下（13.50万株·hm-2），玉米穗位叶片的光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率均降低（吴含玉等，2019）。也有研究表明，玉米的净光合速率随着种植密度的增加，呈现先增加后减少或持续增加的变化趋势（马国胜等，2008；张吉旺等，2002）。同时，随着气候变暖趋势加剧，温度变化影响着作物增产潜力的提升。叶片温度反映了植物对气温的响应，是影响植物光合作用的重要因素。植物光合作用对叶片温度的响应已得到了广泛研究（Liu Y，2020），植物光合作用最适叶片温度为30～40℃（Kattge J et al，2010），但是植物光合作用最适宜叶片温度还受到物种、气候、土壤等环境因素的影响。

随着我国居民饮食多样性的提高，甜玉米作为粮菜两用的新型作物，需求量逐渐提高，种植面积逐年增加。甜玉米是我国南方重要的优势高效作物之一（罗军等，2014），其在干热河谷农业产业结构调整优化和农业增产增效方面发挥着重要作用。甜玉米是典型的C4作物，是一种高光效高产量作物（马国胜等，2002），光合作用是其产量形成的重要生理过程（Godfray H C J et al，2010；Shukri F et al，2014）。干热河谷区光热资源充足，是我国南方甜玉米高产高效种植的重要生产基地，但是从叶片光合作用水平研究该区域甜玉米合理密植措施的报道较少。同时，在全球气候变暖的背景下，生态环境较脆弱的干热河谷区的农业增产增效受到温度变化的严重冲击（Lobell D B et al，2012；杨沈斌等，2010），而研究叶片温度对合理密植甜玉米叶片光合作用，明确区域应对气候变暖的农业模式的报道较少。研究干热河谷甜玉米光合特性对种植株距和叶片温度的响应，对维持区域甜玉米产量稳定、进一步提高产量潜力以及甜玉米生产应对气候变化具有重要意义。利用光合仪（如Li-6400）可直接测定甜玉米的光响应曲线，通过分析光响应曲线，可以提取出甜玉米光合作用的基本特征，如光饱和点、光补偿点、气孔导度、最大净光合速率等光合参数（李建查等，2018）。因此，本研究在大田条件下选择正常生长的甜玉米作为研究对象，通过叶片局部控温试验（钟楚等，2012），利用Li-6400光合仪测定并分析了3个株距水平（20cm、30cm、40cm）的甜玉米穗位叶片光合作用在3个叶片温度梯度下（20℃、30℃、40℃）的光响应特征。

（2）材料与方法

供试甜玉米品种为正甜68，于2020年1月6日移栽，4月27日收获。采用大垄双行种植方式，垄宽为100cm，行距为60cm。试验设3个株距：20cm、30cm、40cm；3个叶片温度：20℃、30℃、40℃。采用完全区组设计，每个处理3个重复，共9个小区，小区面积为14.4m2（12m×1.2m）；在甜玉米灌浆期，每个小区选择3株长势一致的植株测定穗位叶片，在不同叶温下测定光合作用光响应参数。生育期甜玉米纯氮施用量为232kg·hm-2，以纯氮60%、P2O5128kg·hm-2和K2O 128kg·hm-2为底肥（复合肥N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），拔节期和抽穗期均随水滴施纯氮20%为追肥（尿素N46%）。化肥管理、农药管理等其他田间管理措施均一致。

在甜玉米灌浆期，选择晴朗无风的上午9：00—11：00，利用Li-6400光合测定仪进行穗位叶的光合特征值测定，采用2cm×3cm标准叶室，利用LED光源将光合有效辐射（PAR）设定为1800、1500、1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0μmol·m-2·s-1，叶片光诱导后测定每个光合有效辐射下的叶光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、光补偿点（LCP）、光饱和点（LSP）、最大净光合速率（Pnmax）、最大蒸腾速率（Trmax）、最大水分利用效率（WUEmax）等光合指标测定。叶片水分利用效率WUE=Pn/Ir（夏江宝等，2011）；气孔限制值Ls=1-Ci/Ca，其中Ci/Ca（许大全，1997）为胞间CO2浓度与环境CO2浓度的比值，由光合仪直接获取。

在甜玉米采收期，每个小区随机选取5株代表性植株，按照茎、叶、果穗分类测定鲜重（精确到0.01g），然后分别装入纸袋，放入105℃条件下烘箱杀青30min后，在75℃条件下恒温烘干至恒量后测定生物量（精确到0.01g）。用甜玉米鲜果穗质量计算其经济产量。群体水利用效率（WUE，kg·m-3）为甜玉米群体经济产量即果穗鲜重（kg·hm-2）与单位面积灌水量（m3·hm-2）的比值。

应用Spss 19.0软件对试验数据进行方差分析和回归分析。采用双曲线修正模型（陈卫英等，2012）拟合不同土壤含水量下甜玉米光合速率的光响应曲线，并计算其光响应特征参数。

（3）结果与分析

通过多元方差分析（表5-19）发现，种植株距对甜玉米穗位叶的Pn有极显著影响，对Gs、Tr和WUE有显著影响；叶片温度对甜玉米穗位叶的Pn、Gs、Tr和WUE有极显著影响，对Ci和Ls有显著影响；光照强度对甜玉米穗位叶的Pn、Gs、Tr、WUE、Ci和Ls有极显著影响。可见，光照对甜玉米叶片光合特征发挥主导作用，叶片温度次之，株距对甜玉米叶片光合特征影响较弱。株距与叶片温度之间存在明显互作效应，并对甜玉米穗位叶的Pn、Gs、Tr和WUE有极显著影响；叶片温度与光照强度之间存在明显互作效应，并对甜玉米穗位叶的Pn有极显著影响，对Ci、Ls、Tr和WUE有显著影响。

表5-19　甜玉米穗位叶片光合作用对种植株距、叶片温度及光照的响应特征的方差分析（F值）

注：*：P＜0.05；**：P＜0.01，下同

不同种植株距对甜玉米穗位叶Pn、Gs、Tr和WUE有显著影响，Ci和Ls的影响不显著（表5-20）。株距为40cm时，甜玉米穗位叶Pn显著高于20cm和30cm，而株距为20cm与30cm之间的穗位叶Pn差异不显著；甜玉米穗位叶Gs显著高于20cm，而株距为20cm与30cm之间的Gs差异不显著，30cm与40cm之间的Gs差异也不显著；甜玉米穗位叶WUE显著高于30cm，而株距为20cm与30cm之间的WUE差异不显著，20cm与40cm之间的WUE差异也不显著。株距为30cm的甜玉米穗位叶Tr显著高于20cm和40cm，20cm与40cm之间的Tr差异也不显著。种植株距为40cm时，甜玉米穗位叶光补偿点、光饱和点、最大Pn、最大Tr以及获得最大Tr的光照强度均较高，WUE较低，但它们在不同株距之间的差异均不显著；获得最大WUE的光照强度显著高于20cm和30cm，且其在株距为20cm与30cm之间差异不显著（表5-21）。在不同种植株距条件下，随着光照强度的增加甜玉米穗位叶WUE均最先达到最大值，随后Pn达到最大值，Tr最后达到最大值。可见，在叶片水平上，株距为40cm的叶片的Pn、LSP、Pnmax均较高，Tr较低，WUE较高。通过对个体生物量和群体经济产量分析发现，在个体水平上（表5-22），株距为40cm的叶片生物量和总生物量显著最高。在群体水平上，株距为40cm的密度最低，群体经济产量最低，群体WUE也最低；株距为20cm的群体密度最高，群体经济产量最高，群体WUE最高。

表5-20　种植株距对甜玉米穗位叶光合特征的影响

注：同列不同字母表示差异显著（P＜0.05），下同

表5-21　不同种植株距下甜玉米穗位叶光合作用光响应特征

表5-22　种植株距对甜玉米个体生物量、群体产量的影响

不同叶片温度对甜玉米穗位叶Pn、Gs、Ci、Tr、Ls和WUE均有显著影响（表5-23）。随着叶片温度增加，甜玉米穗位叶Pn、Gs和Tr均明显增加，WUE明显降低；叶片温度为40℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs和Tr均显著高于20℃和30℃的，20℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs和Tr均显著高于30℃；叶片温度为20℃的甜玉米穗位叶Ls和WUE明显最高。

随着叶片温度增加，甜玉米穗位叶LCP、LSP、Pnmax、Trmax及其达最大值时的光照强度（LSP-Tr）、WUE达最大值时的光照强度（LSP-WUE）均呈现增加趋势，WUE呈现降低趋势，但差异均未达显著水平。叶片温度为40℃时，甜玉米穗位叶LCP、LSP、Pnmax、获得最大Tr的光照强度（LSP-Tr）以及获得最大WUE的光照强度（LSP-WUE）均较高，但它们在不同叶片温度之间的差异均不显著；叶片温度为40℃的甜玉米穗位叶最大Tr显著高于20℃，20℃与30℃之间以及30℃与40℃之间的甜玉米穗位叶Trmax差异不显著；叶片温度为20℃的甜玉米穗位叶WUEmax显著高于30℃和40℃，而30℃与40℃之间差异不显著（表5-24）。不同叶片温度下，随着光照强度的增加甜玉米穗位叶WUE均最先达到最大值，Pn随后达到最大值，Tr最后达到最大值。

表5-23　叶片温度对甜玉米穗位叶光合特征的影响(www.daowen.com)

表5-24　不同叶片温度下甜玉米穗位叶光合作用光响应特征

株距与叶片温度对甜玉米穗位叶的Pn、Gs、Tr和WUE有显著互作效应（表5-25），对Ls互作效应不显著。30cm×40℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs和Tr明显最高，20cm×40℃次之，40cm×40℃又次之，40cm×30℃、20cm×30℃和30cm×30℃又次之，40cm×20℃和20cm×20℃又次之，30cm×20℃最低。40cm×20℃的甜玉米穗位叶WUE明显最高，20cm×20℃次之，其他处理的甜玉米穗位叶WUE均较低，且差异不显著。

表5-25　种植株距与叶片温度交互作用对甜玉米穗位叶光合特征的影响

续表5-25

根据特征根大于1的原则，提取得到2个主成分，主成分1和主成分2的方差贡献率分别为71.23%、25.11%（表5-26），2个主成分的累计方差贡献率达到96.33%，即提取的2个主成分可以解释全部指标96.33%的信息，可认为2个主成分基本反映了6个指标所涵盖的大部分信息，可以用来反映甜玉米植株光合特征的变异性。从各主成分的载荷可以看出（表5-27），2个主成分可以解释＞90%的指标有Ci和Ls；＞80%的指标有Pn、Gs和WUE；＞70%的指标有Tr。指标Ci、Ls、Pn、Gs和WUE在第一成分上有较高载荷，相关性较强，第一成分集中反映了光合作用气体交换情况；指标Tr在第二成分上有较高载荷，相关性较强，第二成分集中反映了光合作用水分交换情况。各主成分得分及综合得分显示（表5-28），30cm×40℃综合得分最高，20cm×40℃综合得分次之，表明30cm×40℃的甜玉米穗位叶可以获得较好光合特征，20cm×40℃次之。根据主成分1和主成分2得分计算各组试验光合特征的综合得分Fi，计算公式为：Fi=（0.71×F1+0.25×F2）/0.96，式中F1和F2分别为主成分1和主成分2的得分（高春华等，2019）。

表5-26　主成分的特征根及贡献率

表5-27　光和参数在各主成分中的因子负荷量

表5-28　不同处理光和参数指标主成分得分及综合得分

由图5-10（a）可以看出，不同株距与叶片温度处理对甜玉米穗位片光响应过程有显著影响。不同处理甜玉米穗位叶Pn均随光照强度增强先迅速增大，然后缓慢增大至最大Pn并趋于稳定，之后Pn存在降低趋势，但20cm×40℃和30cm×40℃穗位叶Pn随光照强度增强而增大至最大Pn后没有出现降低趋势。不同处理最大Pn大小为：30cm×20℃＜20cm×20℃＜40cm×20℃＜30cm×30℃＜20cm×30℃＜40cm×30℃＜40cm×40℃＜20cm×40℃＜30cm×40℃，不同处理之间叶温越高其最大Pn越高。不同处理光饱和点大小为：20cm×30℃（1092.44μmol·m-2·s-1）＜30cm×30℃（1226.95μmol·m-2·s-1）＜40cm×30℃（1273.40μmol·m-2·s-1）＜30cm×20℃（1256.84μmol·m-2·s-1）＜20cm×20℃（1304.39μmol·m-2·s-1）＜40cm×20℃（1369.61μmol·m-2·s-1）＜40cm×40℃（1389.85μmol·m-2·s-1）＜20cm×40℃（1431.19μmol·m-2·s-1）＜30cm×40℃（1581.78μmol·m-2·s-1）。不同处理甜玉米穗位叶Tr（d）变化趋势与Pn一致，Gs（b）变化趋势与Pn和Tr变化趋势均一致，这与Pn和Tr均同时受到气孔调控有关。不同处理甜玉米穗位叶Ci（c）均随光照强度增强先迅速降低，之后趋于稳定；不同处理甜玉米穗位叶Ls（e）均随光照强度增强先迅速增大，之后趋于稳定。不同处理甜玉米穗位叶WUE（f）均随光照强度增强先迅速增大至最大WUE，之后趋于稳定。不同处理最大WUE大小为：40cm×20℃＞20cm×20℃＞30cm×20℃＞30cm×30℃＞20cm×30℃＞40cm×30℃＞40cm×40℃＞20cm×40℃＞30cm×40℃，不同处理之间叶温越低其最大WUE越高。

图5-10　不同株距与叶片温度下甜玉米穗位叶光合光响应特征

（4）讨论

有研究表明，随着玉米种植密度的增加Ci升高，而Gs、Tr、Pn和WUE降低，高密度种植（9.75万株·hm-2）明显降低了叶片的光合能力（贾倩民，2018）。以大豆为研究对象也得出一致的研究结果，随着种植密度的增加，其净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）均表现出先增后降的变化趋势，胞间CO2浓度（Ci）则随着密度的增加呈现出先降后增的趋势（张永强等，2015）。虽然有研究发现在不同玉米植株不同叶位叶片的光合速率表现为中位叶＞上位叶＞下位叶（王庆成等，2001），但在不同栽培密度条件，不同部位叶片均随着密度增加其光合速率（Pn）降低（胡萌等，2010；段巍巍等，2007），而高密度条件下，作物主要通过调控中上部叶片的光合能力来补偿下部叶片由于相互遮挡造成的光合损失，有效保障干物质积累量，从而提高玉米产量（李娜，2018）。本研究同样发现，种植株距对甜玉米穗位叶的Pn有极显著影响，对Gs、Tr和WUE的影响达显著水平；株距为40cm（种植密度最低为3.96万株·hm-2）的甜玉米穗位叶Pn、Gs、WUE、LSP、Pnmax以及个体生物量均高于株距为30cm（5.28万株·hm-2）和20cm（7.92万株·hm-2）。这表明，在叶片水平，株距越大，种植密度越低，叶片的Pn较高，WUE越高，且个体水平的经济产量和生物量越大。但是，作物生产是一个群体过程，在群体水平，株距越大，种植密度越低，经济产量就越低，植株棵间无效蒸腾越大，群体WUE就越低。在干热河谷甜玉米生产中，应该合理密植，株距为20cm（7.92万株·hm-2）可能是干热河谷甜玉米生产较适宜的种植株距。

随着叶片温度增加，甜玉米穗位叶Pn、Gs、和Tr均明显增加，WUE明显降低；甜玉米穗位叶LCP、LSP、Pnmax、Trmax及其达最大值时的光照强度、WUE达最大值时的光照强度均呈现增加趋势，WUE呈现降低趋势，但差异均未达显著水平；叶片温度为40℃的甜玉米穗位叶光合特征最佳，这与Kattge J等研究结果一致（Godfray H C J et al，2010）。全球气候变化背景下，生态环境极其脆弱的干热河谷区对气候变暖响应极其敏感（闫昕旸等，2019），高温将有利于提高区域甜玉米叶片光合生产力，但叶片水分利用效率将呈现降低趋势，植株耗水量可能会持续增加。同时，气候变暖还可能加剧干热河谷的干旱化程度（徐芳等，2018），进一步加剧水资源短缺，干热河谷甜玉米生产将可能面临解决增产潜力逐渐提高与作物水利用效率逐渐降低的生产矛盾的艰巨挑战。有研究表明，在气候变暖条件下，植物生产力提高（Rustad L E et al，2001），全球尺度上表现为NPP增加（徐小锋等，2007），这与本研究结果一致。气孔是控制植物叶片与外界环境进行水、气交换的重要通道，控制着植物光合作用对CO2的吸收和蒸腾作用水分的散失，调节着水分利用效率（赵平等，2000；刘慧霞等，2009）。随着叶片温度的升高，植株增加气孔导度，促进叶片水、气交换过程，增加了蒸腾作用水分散失，适当降低叶片水平的水分利用效率，以持续提高叶片净光合速率，当Pn达到最大值时，叶片水分利用效率较低。可见，叶片高温条件有利于提高Pn，叶片低温条件有利于提高WUE，甜玉米在叶片水平可能会充分利用高温条件，以降低水分利用效率为代价，提高叶片Pn，进而提升个体生产力。有研究表明，水分利用效率可直观地表示气孔的水、气调节能力，水分利用效率高也说明植物对环境有较强的竞争能力（上官周平等，2008）。虽然，随着叶片温度的升高，叶片水平的水分利用效率降低，个体竞争力降低，但叶片净光合速率增加，且作物生产本就是一个群体过程，应当降低个体的竞争能力，提高群体经济产量（赵松岭等，1997）。研究还发现，不论是在不同种植株距条件下，还是在不同叶片温度条件下，随着光照强度的增加甜玉米穗位叶WUE均最先达到最大值，Pn随后，Tr最后达到最大值。有研究表明，光合作用与蒸腾作用呈现非线性关系，以光合速率达最高时的蒸腾速率为临界值，超出该值即为奢侈蒸腾（王会肖等，2003）。这表明，随着光照强度的增强，植株利用奢侈蒸腾适当降低了叶片水平的水分利用效率，以持续提高叶片净光合速率，因此，当Pn达到最大值时，随着光照强度持续增强，Tr持续增加，导致叶片无效蒸腾增加，无效地降低了叶片水平的水分利用效率。

光照对甜玉米叶片光合特征发挥主导作用，叶片温度次之，株距对甜玉米叶片光合特征影响较弱，且株距与叶片温度和叶片温度与光照强度之间均存在显著互作效应。这与光照和温度是光合作用所必需的生理条件有关。30cm×40℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs和Tr明显最高，WUE最低，且30cm×40℃的主成分综合得分最高，20cm×40℃次之。这表明，甜玉米净光合速率具有明显的密度温度光强耦合效应，30cm×40℃甜玉米具有较好叶片光合特征。深入分析株距与叶片温度交互作用下的光响应过程发现，30cm×40℃的甜玉米Pnmax、LCP、Gsmax、Trmax均最大，WUEmax最低，20cm×40℃次之，但其机理不清楚，有待进一步深入研究。这表明，种植株距为30cm和20cm的甜玉米穗位叶片光合特征有较强的高温高光强适应性，随着光照强度增强和叶片温度的增加，植株适当降低叶片水平的水分利用效率，以持续提高叶片净光合速率，促进叶片光合速率最大化。在全球变化背景下，甜玉米合理密植（株距为30cm和20cm）可有利于其适应高温高光强环境，还能适当提高群体密度，提高群体经济产量，该种植模式可能为干热河谷及相似地区优化农业模式应对气候变暖提供理论和实践依据。

（5）结论

在叶片水平，株距越大，种植密度越低，叶片的Pn较高，WUE越高，且个体水平的经济产量和生物量越大。但是，作物生产是一个群体过程，在群体水平，株距越大，种植密度越低，经济产量就越低，植株棵间无效蒸腾越大，群体WUE就越低。因此，在当下的气候条件下，种植株距为20cm（7.92万株·hm-2）可能是干热河谷甜玉米生产较为适宜的种植模式。叶片高温条件有利于提高Pn，叶片低温条件有利于提高WUE，甜玉米在叶片水平可能会充分利用高温条件，以降低水分利用效率和个体竞争力为代价，提高叶片Pn，进而提升个体生产力和群体经济产量。但本研究发现，甜玉米种植株距与叶片温度之间存在显著互作效应，30cm×40℃的甜玉米穗位叶Pn、Gs、Tr、Pnmax、LSP、Gsmax、Trmax均最大，WUE最低，且30cm×40℃的主成分综合得分最高，20cm×40℃次之。因此，在气候变暖背景下，甜玉米合理密植［株距为30cm（5.28万株·hm-2）和20cm（7.92万株·hm-2）］可能有利于其适应高温高光强环境，还能适当提高群体密度，提高群体经济产量，该种植模式可能为干热河谷及相似地区优化农业模式应对气候变暖提供理论和实践依据。同时，在全球气候变化背景下，生态环境极其脆弱的干热河谷区对气候变暖响应极其敏感，区域干旱化程度也可能进一步加剧，干热河谷甜玉米生产将可能面临解决增产潜力逐渐提高与作物水利用效率逐渐降低的生产矛盾的艰巨挑战。