超高產(chǎn)夏玉米群體質(zhì)量與個(gè)體生理功能研究.pdf

1、我國(guó)長(zhǎng)期面臨“人多地少和糧食單產(chǎn)水平較低”的雙重壓力,而(超)高產(chǎn)是解決我國(guó)糧食問題的根本途徑。系統(tǒng)研究超高產(chǎn)夏玉米的物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量形成規(guī)律及群體質(zhì)量與個(gè)體功能特性,將有助于我們對(duì)玉米高產(chǎn)潛力的理解,可為夏玉米大面積高產(chǎn)與突破技術(shù)途徑提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。 本研究以采用強(qiáng)化栽培措施連續(xù)3年產(chǎn)量超過18000 kg·hm-2之夏玉米(其中2005年創(chuàng)造了產(chǎn)量19348 kg·hm-2的夏玉米高產(chǎn)紀(jì)錄)產(chǎn)量形成為平臺(tái),對(duì)超高產(chǎn)栽培

2、模式(SYCS)和傳統(tǒng)栽培模式(CCS)的夏玉米進(jìn)行比較分析,較為系統(tǒng)地研究了超高產(chǎn)夏玉米的群體質(zhì)量與個(gè)體光合、營(yíng)養(yǎng)生理生態(tài)機(jī)制。本研究在國(guó)家玉米工程技術(shù)研究中心(山東)和作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用田間生理生態(tài)研究為主,室內(nèi)生理生化分析為輔的方法,從群體和個(gè)體兩個(gè)層面,系統(tǒng)研究了超高產(chǎn)夏玉米的群體質(zhì)量與個(gè)體光合、營(yíng)養(yǎng)生理生態(tài)機(jī)制。通過研究,明確了超高產(chǎn)夏玉米的群體質(zhì)量與個(gè)體功能特征,建立了夏玉米超高產(chǎn)“群體結(jié)構(gòu)與個(gè)體功能協(xié)同增益

3、”理論模式與技術(shù)體系,構(gòu)建了超高產(chǎn)玉米量化指標(biāo)體系。主要研究結(jié)果與結(jié)論如下： 1、超高產(chǎn)夏玉米的群體質(zhì)量特征 以單位生長(zhǎng)積溫衡量的SYCS玉米產(chǎn)量顯著高于CCS,表現(xiàn)為SYCS玉米比CCS具有更高的光合效率和光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化能力。SYCS玉米干物質(zhì)生產(chǎn)速率優(yōu)勢(shì)明顯,生長(zhǎng)速率峰值在時(shí)間上表現(xiàn)出“早發(fā)”的特點(diǎn)；最大相對(duì)生長(zhǎng)速率、達(dá)到最大生長(zhǎng)速率的生長(zhǎng)量以及起始勢(shì)均顯著高于CCS,尤其是活躍生長(zhǎng)時(shí)間比CCS多15 d以上。SYCS

4、玉米粒葉比均達(dá)0.25 kg·m-2以上,在提高粒葉比前提下增加密度,“擴(kuò)庫(kù)強(qiáng)源”使單位葉面積負(fù)荷更多籽粒來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量突破。SYCS玉米的收獲指數(shù)高達(dá)0.532-0.542,說明其源庫(kù)關(guān)系在較高密度群體內(nèi)具有較好的協(xié)調(diào)性,群體質(zhì)量較高。 在保證較高密度前提下,提高群體整齊度可較好協(xié)調(diào)個(gè)體產(chǎn)量潛力與群體高產(chǎn)的關(guān)系,通過提高群體整齊度改善群體質(zhì)量是今后超高產(chǎn)栽培的主攻方向之一。2種模式玉米農(nóng)藝性狀中,穗粒數(shù)變異最大,其次是莖粗,說明密

5、度增加對(duì)個(gè)體莖穗發(fā)育影響較大,這也是造成高產(chǎn)田和生產(chǎn)田產(chǎn)量差異顯著的主要原因。穗粒數(shù)的變異來源于穗行數(shù)和穗粒數(shù)的共同作用,對(duì)變異貢獻(xiàn)較大的是行粒數(shù)。所以,在高密度群體中需要平衡碳氮代謝、減少籽粒敗育,可提高行粒數(shù)的整齊度增加籽粒密度,進(jìn)一步提高單位面積產(chǎn)量。玉米需要更高肥料投入。SYCS玉米產(chǎn)量是CCS的2.5-3.5倍,而肥料投入為其3倍以上。SYCS形成100kg子粒N:P2O5:K2O=2.10:1.79:3.74,而CCS則為2

6、.00:1.57:1.92,表明超SYCS玉米對(duì)鉀、磷肥的相對(duì)需求比例明顯變大,氮肥需求則降低。 2、超高產(chǎn)夏玉米的個(gè)體生理功能特征 以單位生長(zhǎng)積溫衡量的SYCS玉米個(gè)體生物量顯著高于CCS。SYCS玉米子粒灌漿表現(xiàn)出啟動(dòng)慢,降低慢,速率相對(duì)平緩,活躍灌漿時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。與CCS相比,SYCS玉米子粒產(chǎn)量形成并不具備灌漿速率上的優(yōu)勢(shì),峰值具有“時(shí)滯”效應(yīng)且下降慢,而活躍生長(zhǎng)期長(zhǎng)達(dá)60 d以上(比CCS高14 d以上),終極

7、生長(zhǎng)量高。SYCS玉米子粒灌漿時(shí)間長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的關(guān)鍵,前期高的灌漿速率并不是高產(chǎn)的性狀,而可能是植株后期衰老加速的預(yù)示。壯株延衰,延長(zhǎng)灌漿時(shí)間促粒重是實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)的關(guān)鍵。 SYCS玉米群體中個(gè)體光合性能改善主要是光合高值持續(xù)期長(zhǎng),不在于灌漿前期光合強(qiáng)度高低。在高密度條件下,玉米的光競(jìng)爭(zhēng)策略不是提高光合速率而是擴(kuò)大個(gè)體葉面積并維持較長(zhǎng)時(shí)間以截獲更多光能。光合速率與氣孔導(dǎo)度的顯著正相關(guān)表明灌漿后期降低因肥水等非生物逆境造成的氣孔限制有

8、利于高產(chǎn)。于乳熟期和蠟熟期測(cè)定的光合日變化特性表明,SYCS玉米在粒重形成前期的光合與光能利用日變化單元并不高,其優(yōu)勢(shì)的凸顯是在粒重形成后期,這表明光合強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間之間存在一種權(quán)衡關(guān)系,協(xié)調(diào)這二者乘積達(dá)到最佳范圍是超高產(chǎn)栽培的重要內(nèi)容。 開花后葉片保持較高氮素含量,是延緩衰老,維持較高生理活性是實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)的重要原因之一。在高密度條件下,玉米的光競(jìng)爭(zhēng)策略是在擴(kuò)大個(gè)體葉面積并維持較長(zhǎng)時(shí)間的同時(shí)保持葉片較高的氮素含量以同化更多光能。

9、開花后30 d是SYCS和CCS玉米葉片氮素含量減少的界點(diǎn),這可作為超高產(chǎn)玉米花后氮肥運(yùn)籌的依據(jù)。 超高產(chǎn)玉米花粒期葉片具有較強(qiáng)的抗氧化能力。花粒期植株葉片表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化能力,以CAT和POD活性氧清除機(jī)制為主,SOD途徑不存在優(yōu)勢(shì)；特別是開花后50 d,超高產(chǎn)玉米的膜質(zhì)過氧化程度顯著低于常規(guī)生產(chǎn)處理的玉米。超高產(chǎn)玉米較高的抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)活性主要得益于葉片含較高的可溶性蛋,酶本身的比活力并不高,功能性蛋白在花粒期降解緩慢是

10、超高產(chǎn)玉米延緩衰老的主要策略。 3、超高產(chǎn)夏玉米的“群體結(jié)構(gòu)與個(gè)體功能協(xié)同增益”理論模式的建立 建立了夏玉米超高產(chǎn)“群體結(jié)構(gòu)與個(gè)體功能協(xié)同增益”理論模式。其理論核心是：作物生產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)空間尺度上的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)“超補(bǔ)償”機(jī)制與個(gè)體功能時(shí)間尺度上的生物學(xué)和生理學(xué)“超補(bǔ)償”機(jī)制相協(xié)同,即通過株行距科學(xué)配置,增加群體密度以補(bǔ)償個(gè)體的功能性減產(chǎn),通過肥水合理運(yùn)籌,延長(zhǎng)個(gè)體的生理功能高值持續(xù)期以超補(bǔ)償群體的結(jié)構(gòu)性增產(chǎn),二者協(xié)同“擴(kuò)

11、庫(kù)強(qiáng)源”,實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)。在實(shí)踐中采用“以目標(biāo)產(chǎn)量定品種,以緊湊株型保障高密度,大小行對(duì)角錯(cuò)株種植提高整齊度以優(yōu)化群體,強(qiáng)化開花后肥水運(yùn)籌,改善個(gè)體光合功能,壯株延衰提高粒重”的技術(shù)路線。主要挖潛途徑包括2個(gè)方面： (1)以增加密度為保障的“群體結(jié)構(gòu)性挖潛”； (2)以提高整齊度和強(qiáng)化開花后肥水運(yùn)籌為保障的“個(gè)體功能性挖潛”。 4、超高產(chǎn)夏玉米量化指標(biāo)體系的構(gòu)建 構(gòu)建了產(chǎn)量15 000 kg·hm-2以上夏玉米基本量化指標(biāo)體