宽幅精准种植与最优高播量通过优化冠层结构与辐射利用提高冬小麦产量

《Field Crops Research》：Wide-precision planting with optimal high sowing rate improves winter wheat yield by optimizing canopy structure and radiation use

　　

背景或问题：全球变暖和极端天气条件常导致冬小麦播种延迟，增加播量是常用的应对措施。过高的播量常伴随激烈的种内竞争、次优的冠层光分布和产量停滞。宽幅精准种植因其改变植物间光竞争而具有提升产量的潜力。
目的或研究问题：本研究的核心科学问题是，优化群体结构是否能够突破高播量下冬小麦的产量瓶颈，以及这种效应是通过冠层结构协调而非单叶光合作用增强实现的。
方法：本研究于2023–2024和2024–2025年冬小麦生长季开展，采用裂区设计。主区为种植方式：宽幅精准种植（WS）和均匀条带种植；副区为播量：150 kg ha^-1（D1），225 kg ha^-1（D2），和300 kg ha^-1（D3）。测定指标包括分蘖能力、叶面积指数（LAI）、消光系数（K）、冠层光截获比例（fPAR_i）、相对叶绿素含量（SPAD）、净光合速率（Pn）、地上干物质积累和产量。采用结构方程模型（SEM）解析种植方式和播量调控产量的路径。
结果：WS通过增加分蘖数和LAI分别8.47%和9.33%提高了fPAR_i，并通过降低K值5.22%进一步优化了冠层结构。产量提升主要通过增加穗数8.25%实现，同时保持了千粒重，最终使籽粒产量增加10.13%。结果表明，产量的提高是通过冠层结构改善辐射利用效率，即结构-功能协同实现的，而非单叶光合性能的增强。籽粒产量随播量增加而提高，但增产幅度逐渐减小。D2较D1增产13.98%，D3较D2增产7.19%。然而，过高的播量抑制了WS对冬小麦的增产促进作用。WS-D2处理组合的产量显著高于单独D2（9.29%）或单独WS（10.66%）处理。在两种种植方式下，WS-D2与D3处理间无显著差异。
结论：宽幅精准种植与最优播量（D2）相结合是通过改善群体结构提高冬小麦籽粒产量的最有效策略。
意义与价值：本研究强调了协调种植方式与播量以优化群体结构的重要性。因此，WS-D2策略为在气候变化条件下提高冬小麦生产力提供了一种实用高效的途径。

冬小麦产量受全球粮食安全影响巨大，尤其在华北平原，其产量波动关乎国家粮食供需格局。在气候变暖背景下，为避免冬前旺长，该区域常通过推迟播种来管理冬小麦，但晚播会缩短生育期并抑制分蘖形成。为此，不得不提高播种量。然而，传统的高播量窄行种植易导致群体过密，引发冠层透光性下降、通风不良、茎秆变弱及倒伏风险增加等问题。宽幅精准种植通过在保持高播量的同时优化植株平面分布，能够有效缓解高密度种植的负面影响。其原理是将播种带宽增加，从而保障植株间有适宜间距，改善通风透光条件，并通过调整空间布局来优化冠层结构，最终提高产量。

作物基于入射太阳辐射的最大产量潜力取决于冠层截获效率和辐射利用效率。对于大多数作物冠层，绿色叶面积指数的提高通常伴随着光截获能力的增强。叶片水平的光合反应体现在作物水平的辐射利用效率上。因此，增强冬小麦冠层内光合辐射的分布是增产的重要策略。在此背景下，宽幅精准种植相较于均匀条带种植能显著改善冠层光截获特性。研究表明，WS处理的叶面积指数（LAI）可提高10.4–11.3%，对应的冠层光合有效辐射（PAR）截获量增加11.1–12.4%。WS通过增强上层冠层捕获PAR的能力来促进地上部生物量的积累。增加播种带宽显著增强了冠层内的光传输，尤其在拔节至抽穗的关键期，为穗分化和籽粒形成提供了充足辐射。WS处理显著降低了消光系数（K），表明冬小麦叶片在WS下具有更直立的空间构型，有效减少了上层叶片对中下层叶片的遮荫。当冠层以窄而直立的叶片为主导时，植株间的光条件和气体交换得到改善，显著增强了中下层冠层的固碳能力，从而改善冠层光合性能，延长高效光合持续期，最终促进干物质的持续积累。值得注意的是，WS虽不一定增加干物质总量，但能确保更多同化物分配至籽粒，从而提高产量。因此，明确WS对小麦生产力的潜在效应至关重要。

近年来，WS在华北平原被广泛用于通过优化种植方式改善作物冠层光截获和光能利用效率，促进小麦增产。在高播量条件下优化空间配置和群体光能利用已成为实现高产稳产的重要研究方向。然而，关于高播量下WS对冠层光截获、光合效率及产量的影响仍不明确，其关键调控环节和作用机制尚未被充分阐明。既往研究多关注种植方式或播量等单因素效应，对耦合条件下群体结构、光合生理与产量之间的内在联系认识不足，尤其缺乏机理阐释。因此，本研究旨在通过田间试验，从冠层结构和光能利用的角度评估不同播量水平下WS对冬小麦生长和产量的影响，并分析其在缓解高播量竞争、突破产量平台方面的潜在机制。具体目标为：（i）量化种植模式和播量对冠层结构、光截获和光合特性的影响；（ii）运用SEM解析这些因素影响产量的路径；（iii）确定高产冬小麦生产的最优种植模式与播量组合。研究成果旨在为发展高播量、资源协调的高效冬小麦栽培方法提供理论依据和技术支持。

研究于2023–2024和2024–2025年冬小麦生长季，在山东省德州市齐河县小麦产业研究院进行。试验地属半湿润大陆性气候。研究采用裂区设计，主区为种植方式（WS与US），副区为播量（D1， D2， D3）。主要测定指标包括分蘖动态、LAI、冠层光分布（K， fPAR_i）、叶绿素相对含量（SPAD）、净光合速率（Pn）、干物质积累及产量构成因素和最终籽粒产量。

WS和增加播量均促进了单茎数的增加。与US相比，在D1、D2和D3条件下，WS处理在两个生长季的单茎数分别提高了11.33%、8.56%和6.73%。LAI随播量增加呈上升趋势，且WS处理在两个生长季的LAI均显著高于US处理。WS通过提高分蘖数和LAI增加了冠层光截获比例（fPAR_i），同时显著降低了消光系数（K），表明其改善了冠层光分布，使光在冠层内更均匀地渗透。在光合特性方面，WS处理在多个生育时期提高了叶片的SPAD值和Pn，但这种优势在较高播量下有所减弱。地上部干物质积累量随播量增加而提高，且WS处理通常高于US处理。最终，WS处理通过显著增加穗数，同时保持千粒重，实现了籽粒产量的提高。产量随播量增加而增加，但D3较D2的增产幅度小于D2较D1的增产幅度，表明高播量存在增产边际效应。关键的是，WS与D2播量的组合（WS-D2）获得了最高的籽粒产量，显著高于单独的D2或WS处理，且与最高播量D3处理无显著差异，表明WS-D2是兼顾高产与资源高效的最佳组合。

结构方程模型（SEM）分析揭示了产量形成的调控路径。种植方式和播量主要通过影响群体结构（单茎数、LAI）和冠层结构（K值）来调控冠层光截获（fPAR_i），进而通过促进干物质积累和优化分配（收获指数）最终影响籽粒产量。其中，冠层结构优化（表现为K值降低）在WS增产路径中起到了关键的协调作用，它增强了冠层内光合有效辐射的传递和利用。然而，在高播量（D3）下，由于群体过大，WS对群体结构和冠层光分布的优化作用受到限制，导致其增产效应减弱。这进一步证实了通过WS优化冠层结构以提升辐射利用效率是增产的重要机制，但该机制的发挥需要适宜的群体密度作为前提。

讨论部分指出，本研究证实了WS通过优化冠层结构来改善光分布和提高辐射利用效率，从而实现增产，且这种效应在最优播量（D2）下最为显著。高播量虽然通过增加穗数贡献了产量，但也加剧了冠层郁闭和光竞争，削弱了WS的结构优化效益。因此，单纯依赖增加播量来补偿晚播损失存在局限性。将WS与最优播量（D2）相结合，能够在不依赖过高群体数量的前提下，通过塑造更合理的冠层空间结构和更高效的光能利用体系来实现高产，这为应对气候变化下的晚播问题提供了更优的农艺策略。研究强调了在追求高产时，应注重种植方式与播量的协同调控，以实现群体结构、光合生产力和产量的协同优化。

结论部分总结道：冬小麦产量主要由播量通过改变穗数来决定。宽幅精准种植通过优化冠层结构来调控产量。WS通过增加单茎数和叶面积指数，同时降低消光系数，改善了冠层光分布，并增强了有效冠层的辐射截获。然而，在高播量条件下，这种结构优化效应显著减弱。SEM结果进一步表明，冠层结构优化是WS增产的关键路径。因此，宽幅精准种植与最优播量（D2）相结合是通过改善群体结构提高冬小麦籽粒产量的最有效策略。