跨区域条件下玉米生长与光、氮匹配的生理生态机制

Maize (Zea mays L.) is widely distributed for a large span in China where climate resources, especially solar radiation resources change very significantly. Maize population and solar radiation do not match well and the utilization efficiency of solar radiation is low. In addition, farmers apply excessive nitrogen fertilizer and nitrogen use efficiency is very low in China, and the problem of nitrogen and solar radiation not synergistic in maize population limited the achievement of high yield and high efficiency in China. In this study, cross-regional and shading methods will be adopted to achieve different solar radiation conditions. Under these different solar radiation conditions experiments about different solar radiation use efficiency cultivars and densities will be carried out to study (1) the effects of solar radiation on maize growth, and the responses of different maize cultivars to solar radiation under different planting densities and the optimum densities and population structures of cultivars under different solar radiation conditions. Based on optimum densities experiments about different nitrogen use efficiency cultivars and different nitrogen fertilizer levels will be conducted to study (2) the distribution of nitrogen in maize population and its effects on maize growth and the quantitative matching relationship of maize growth and nitrogen; (3) the physiological mechanism of matching maize growth and nitrogen and solar radiation, and the possibilities for increasing maize yield and resource use efficiency and the establishment of an evaluation system for matching solar radiation and nitrogen. This study will provide theoretical support for guiding high yield, and high solar radiation and nitrogen efficiency under the cross-regional conditions.

我国玉米分布广、跨度大，气候资源尤其是光辐射资源差异巨大，玉米群体与光辐射匹配度不高、光辐射资源利用效率低，同时，我国玉米氮肥施用过量、氮利用率低，玉米群体内部氮素与光辐射不协同的问题突出，限制了我国玉米高产高效的实现。针对以上问题，本研究采用跨区域与遮阴的方法设置不同光辐射梯度，在此基础上开展不同光辐射利用效率品种与密度试验，研究（1）光辐射因子对玉米生长发育的影响，分析不同类型品种随群体密度的变化对光辐射资源的响应，明确不同光辐射条件下不同基因型品种的最优群体结构。在最优群体密度条件下设置不同氮素利用效率品种的氮肥梯度试验，研究（2）氮在玉米群体中的分布特征及对玉米生长发育的影响，建立玉米生长与氮素匹配的定量关系；（3）光氮协同与匹配的生理学机制及其对提高玉米产量与资源利用效率的可能性及程度，建立光氮匹配的评价体系。该研究将为跨区域条件下玉米产量和光氮利用效率的协同提高提供理论基础。

我国玉米种植范围广，区域间光辐射资源差异大，合理匹配区域玉米群体与光资源之间的关系，有助于提高光辐射资源利用率；同时，协调玉米群体内的光、氮平衡有助于实现玉米高产高效，对于合理的氮肥施用及保障绿色生产具有重要意义。通过四年的研究，本研究明确了玉米对光辐射资源的响应机制及其匹配原理；构建了光氮匹配的定量关系模型，重点关注不同品种的响应差异。首先，通过跨区域多点联网试验明确了光辐射低的东部区域适宜的玉米种植密度较低，为8.9万株/公顷，光辐射最高的西部区域适宜的玉米种植密度最高，达到13.4万株/公顷。优化匹配玉米种植密度和光辐射资源相较实际密度可以使玉米产量提升10.9%-20.2%。进一步在光辐射最高的区域（新疆奇台和宁夏银川）设置遮荫试验，验证了跨区试验的结果，即高的光辐射可以容纳更高的种植密度，同时明确了玉米品种的差异会导致对光辐射响应的不同，相同光辐射条件下，对光辐射变化不敏感的品种产量更高，导致不同辐射条件下玉米产量变化的主要原因是物质积累与分配、株型、光合特征以及灌浆特性等。此外，光辐射变化后根系的变化也会影响玉米产量，弱光环境下具有较大根系的玉米品种，可以迅速调整根系以补偿地上部生长有利于产量的形成。收集整理氮肥相关文献数据显示氮素吸收与籽粒产量显著相关，但随产量增加生产每吨籽粒需氮量降低，成熟期籽粒N浓度降低。定点试验表明上部叶片直立且吐丝后氮素吸收高的玉米品种可以协调优化冠层中光辐射和氮的分布。玉米冠层中氮素浓度存在垂直分布趋势，而比叶氮分布先增加后减小。当比叶氮开始下降时，光照条件好可以改善光的分布从而调动氮的优化分布，保持较高的消氮系数和光氮匹配系数，XY335由于具有这样的特性较DH618产量高7%。当玉米养分需求被满足时，光氮匹配系数对于产量的促进作用更重要。因此，在适宜的氮素供应下，通过选择合适的品种并匹配合理的种植密度，可以优化玉米冠层内光、氮的分布从而实现高产高效。