糧食作物生產系統定量調控理論與技術模式

趙 明 周寶元 馬 瑋 李從鋒 丁在松 孫雪芳

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糧食作物生產系統定量調控理論與技術模式

趙 明*周寶元 馬 瑋 李從鋒 丁在松 孫雪芳

中國農業科學院作物科學研究所/ 農業部作物生理生態與栽培重點開放實驗室, 北京 100081

當今作物生產正在向高產、高效、環境友好等多目標協同方向發展, 進一步深化和完善作物生產調控理論與技術體系是實現多元化目標協同, 促進作物生產可持續發展的重要途徑。本文對當前作物生產調控理論與技術的研究進展進行了總結, 并結合當今作物生產發展形勢, 在全面總結前人成果和筆者30余年研究結果的基礎上, 提出了從作物生產系統的整體性角度出發, 通過定量分析作物生產系統氣候、土壤、作物三要素的協同關系, 將“氣候-作物”、“土壤-作物”和“群體-個體”三者協同優化的作物高產高效調控途徑, 構建了作物生產系統氣候-土壤-作物“三協同”定量優化體系, 并對其生產應用和未來發展進行了探討與展望, 以期為實現我國主要糧食作物高產高效可持續生產提供理論指導。

作物生產系統; 氣候; 土壤; 作物; 協同優化

進入21世紀以來, 作物生產已從單純追求產量轉向“高產、優質、高效、生態、安全”多目標協同發展, 特別是高產與光溫水肥等資源高效利用的結合已成為農業綠色可持續發展的主導方向。生產目標的轉變必然導致作物生產過程的變化, 以適應當前的生產發展形勢。然而, 作物生產系統是一個作物-環境-社會相互交織的復雜系統, 作物生產的高產和高效通常是矛盾的、難以協調統一的整體。近30年來, 雖然我國糧食產量由于機械化、精確灌溉、化學肥料等技術的應用有了大幅度的增長[1], 但是生產中濫用化肥農藥、不合理耕作導致土壤耕層惡化、品種多亂雜等現象日益加劇, 造成光熱肥水資源與作物生長發育不協調[2-4], 土壤耕層狀況與支撐高產群體能力不協調[5-6], 作物群體與個體、源庫器官不協調[7-8], 高產不穩產、豐產不高效、產量不平衡等問題日益突出。要解決制約當前生產的突出問題, 實現作物生產系統綠色可持續發展, 必須加強作物生產系統理論指導, 用系統論的觀點, 把作物生產過程看作一個系統, 即作物生產系統, 深入研究作物生產系統各要素的相互作用規律, 并探求適宜的調控措施, 定量優化各要素之間的協同關系, 充分挖掘作物生產系統的生產潛能與高效協調功能。本文總結當前作物生產調控理論與技術, 并提出了基于作物生產系統整體構成的“氣候-土壤-作物”協同定量調控體系, 以期為實現作物高產高效可持續生產提供理論依據。

1 作物產量與品質形成分析理論

1.1 作物產量形成分析理論

產量的形成是作物群體物質生產過程中的最終結果, 也是作物栽培學研究的主題。作物產量分析理論在深入認識作物產量形成的內在規律、探索作物高產的限制因素以及作物高產實踐中發揮著重要的指導作用。自1928年Mason和Maskell提出了“源庫”學說后, 在近代作物栽培的理論探討中, 常以源、庫、流三因素的關系來闡明作物產量形成的規律, 探索實現高產的技術途徑, 進而挖掘作物的產量潛力。

王志敏等[9]將近100年來產量分析概括為3條研究路線, 即發育分析(產量構成因素)、生長與物質生產分析(光合性能)、源庫關系分析, 并認為這3條路線應該整合統一。產量構成理論將禾谷類作物的產量分解為穗數、單穗粒數和粒重[10], 讓人們可以直觀地了解產量構成因素, 并從這些因素的變化中了解產量的形成規律。光合性能理論指出作物的光合生產力取決于單位土地面積的光合面積、光合速率、光合時間、呼吸消耗和經濟系數5個方面, 對作物群體的物質生產和分配過程進行定量描述[11-12], 并將它們與經濟產量聯系起來[13], 即產量 = (光合面積×光合時間×光合速率–呼吸消耗)×經濟系數, 揭示了產量形成的本質。源庫理論將物質生產與產量形成緊密聯系起來, 系統考慮產量形成, 避免了光合性能和產量構成分析各自的片面性, 同時提出了源指標(葉面積指數、光合勢、光合速率、凈同化率和葉源量等)、庫指標(單位面積穗數、單位面積粒數、潛在庫容和籽粒充實度等)以及源庫關系指標(粒葉比、勢粒比、勢容比以及潛在庫源比等), 借助生理學和分子生物學方法對作物源庫調節機制和源庫關系進行了深入研究[14-17]。然而, 這3個理論各存在一定的不足, 產量構成理論僅從作物庫方面強調了產量構成因素, 而與產量的物質來源聯系不緊密; 光合性能理論只強調了作物群體的物質生產, 忽略了產品器官在物質分配中的主導作用, 光合作用與產量之間的關系不清楚; 源庫理論雖然將二者聯系起來, 但關于源庫關系的解析不夠系統, 不能對作物產量的形成做出全面系統的解釋。

我國科學家在作物高產理論方面開展了廣泛的研究, 取得了重要的進展。曹顯祖等[18]在水稻上證明限制產量提高有多種類型并存, 指出作物高產存在源限制型、庫限制型和源庫共同限制型。凌啟鴻等[19-20]提出了作物群體質量概念, 確立花后物質積累量作為群體質量的核心指標, 認為水稻高產更高產的方向是既有高的最適葉面積指數(源), 又有高的粒葉比(源/庫)。張洪程等[21-22]揭示了不同類型水稻品種葉齡進程與產量形成對應關系, 系統闡明了優化水稻群體生長動態, 精確穩定前期生長量, 合理增加中期高效光合生產量, 增強后期物質生產積累能力、籽粒灌漿充實能力和群體支撐能力的高產形成規律。于振文等[23-24]系統研究了高產條件下小麥旗葉與根系衰老的生理機制, 闡明了小麥衰老的生理特點及其與粒重形成的關系, 探索出延長緩衰期、保持較長光合速率高值期, 增加開花至成熟階段的干物質積累及其向穗部的分配, 提高粒重的高產栽培途徑。董樹亭等[25-27]深入研究了玉米群體光合性能與產量形成的關系, 提出了增強花后群體光合能力, 延長群體光合高值持續期, 減少群體呼吸消耗的高產途徑。趙明等[28]將玉米高產實現途徑歸結為結構性、功能性和結構與功能同步3條挖潛途徑, 其中結構性挖潛途徑是通過構建密植優化群體結構, 增庫、增源定向栽培; 功能性挖潛途徑是通過提高群體質量, 保證后期光合物質的長期快速積累; 結構功能同步挖潛途徑是在合理密植的情況下, 提高植株個體活力, 實現群體和個體功能協調, 達到“穩穗、足粒和高結實率”。在綜合分析產量分析三理論內在聯系的基礎上, 趙明提出了產量分析的“三合結構”模式[29], 將各理論有機地結合起來, 系統地闡述了作物源與庫各因素間的內在聯系, 并建立了相應的定量表達公式[30], 彌補了各理論獨立存在的不足, 為作物產量定量化分析提供了新的思路和方法。王志敏等[9]進一步將產量與資源利用效率相聯系, 建立了基于資源利用效率的產量分析模式, 即產量=單位面積可供資源(投入)量×資源截獲率×資源轉化效率×收獲指數, 為分析產量與各種資源效率的關系提供了范式。

1.2 作物品質形成分析理論

作物品質主要受遺傳因素決定, 但其他因素如栽培措施、土壤情況、環境條件等對作物品質的影響也較大。源庫理論反映了同化物輸入與輸出的特點, 是作物產量和品質形成的基礎, 因此協調源庫關系也是作物品質形成的關鍵。

淀粉、蛋白質和脂類等是評價作物營養品質的主要指標。研究表明, 小麥、水稻籽粒的淀粉積累速率決定于同化器官向籽粒供應同化物的能力(源限制)和籽粒本身的淀粉合成能力(庫限制), 且籽粒的淀粉合成能力與品種及籽粒中可溶性碳水化合物含量密切相關[31-32]。陳潔等[32]分析了水稻植株氮素積累與轉運的生理過程, 認為水稻籽粒蛋白質積累速率由源限制的氮源(花前植株同化氮素和花后貯存氮素的轉運)和庫限制的氮素積累速率決定。趙俊曄、王小燕和石玉等[33-35]系統研究了小麥品質生理, 提出增加拔節至開花期植株氮素積累量, 促進灌漿中后期蛋白質降解, 及營養器官貯存氮素向籽粒的轉移, 調節籽粒適宜氮/硫比, 提高谷蛋白大聚合體含量及谷蛋白與醇溶蛋白含量比值, 改善蛋白質品質的途徑。李文峰等[36]認為, 由于植株積累氮素和棉籽積累的碳水化合物組成了棉籽油分, 因此棉子油分的含量是由棉籽干物質積累速率和油分合成速率共同決定。

生態環境對作物淀粉、蛋白質的形成有非常重要的作用。研究表明, 小麥籽粒淀粉含量主要受開花至成熟期日均溫與總降雨量的影響, 蛋白質含量受開花期至成熟期的平均日較差、日平均溫度、積溫、總降雨量和總日照時數等氣候因子的影響[37]; 高溫通過抑制淀粉合成過程中某些酶失活, 從而抑制玉米籽粒淀粉合成[38]。李文峰等[39]認為影響棉籽油分含量的主要因子為品種、溫度、太陽輻射和施氮量。

2 作物與環境協同調控理論

作物生長發育狀況與其所在地區的生態條件密切相關[40-42]。然而, 作物生長過程中各種環境條件(光、熱、水、肥、氣、土壤等)具有時空變化的特點, 作物栽培的目的就是通過各種措施使作物與資源變化相吻合, 充分合理地利用有限的資源, 提高作物產量和資源利用效率。

2.1 作物與氣候協同調控理論

作物品種、播期、生育期等與光、溫、水資源的匹配度是影響作物生長發育及產量與品質形成的主要因素[42]。雖然光溫水等生態條件是人為不可控的條件, 但可通過調節作物播/收期、品種等措施調控生長季光溫水等分配, 協調光溫水與作物生長發育的關系, 促進作物產量潛力和資源利用效率提升[43]。

前人開展了大量關于作物生長與光溫資源匹配機理的研究, 并探索了資源高效利用的調控途徑。在北方春玉米區, 李少昆等[44-45]通過10余年系統研究探明了高產群體生長發育與區域光輻射量和積溫的定量匹配關系, 提出了密植高產群體質量指標及控倒防衰、提高整齊度的光溫匹配調控途徑。在黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟制下, 王樹安[46]在北部資源虧缺區建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術模式, 將冬小麥播種期推遲至10月中旬, 夏玉米收獲期推遲至9月底至10月初, 周年產量達到15,000 kg hm–2以上, 光溫資源生產力分別提高64%和124%。另外, 河北農業大學[47-49]探明了海河平原高產小麥冬前積溫和行距配置的光溫利用效應, 揭示了高產玉米生育期調配的光溫利用規律, 提出了小麥“減溫、勻株”和玉米“搶時、延收”的光溫高效利用途徑。河南農業大學[50-52]探明了黃淮區小麥、玉米高產群體生育和資源利用特征, 提出了小麥“品種播期雙改”、玉米“延時收獲”的周年資源高效利用途徑, 發揮小麥冬前分蘗成穗的優勢, 充分利用玉米收獲至小麥播種前的資源, 實現周年光熱水資源高效利用。王志敏等[53-54]揭示了干旱脅迫下小麥非葉器官光合耐逆機制, 闡明了增加非葉光合面積, 構建大群體、小株型結構, 拔節前控水促根下扎, 充分發揮深層種子根的“根系泵”作用的水分高效利用機制。董樹亭等[38,55-56]揭示了生態因素對玉米生長發育和產量品質形成的影響, 明確了花后高溫寡照是限制黃淮海地區產量提高的關鍵因素, 提出了改套種為直播、適時晚收、延長灌漿時間的栽培理論。趙明等[43,57-58]探明了氣候因子對玉米源庫性能的影響機制, 建立了葉面積系數動態變化的積溫模型, 為作物產量性能與氣候因素協同的定量化研究提供了范式。在南方稻麥和雙季稻兩熟區, 許軻等[59]通過分期播種試驗, 研究了播期與品種類型對水稻產量、生育期及溫光資源利用的影響, 根據區域溫光資源特征初步確定了不同類型品種適宜播種期。張洪程等[60-61]在探明粳稻溫光利用優勢的基礎上提出將雙季晚稻的秈稻品種改成具有較高耐寒性、分蘗力較強的粳稻品種, 發揮粳稻生育期較秈稻長的優勢, 充分利用晚稻季光溫資源, 提升周年產量和溫光資源利用率的理論與技術途徑。

2.2 作物與土壤協同調控理論

在大田環境中土壤理化特性時空變化較大, 直接影響作物的生長發育與產量形成。土壤容重是表征土壤物理環境及資源狀態的一個重要的指標[62]。土壤容重的增加造成作物根系難以下扎伸展, 影響根系對水分和養分的吸收, 增加了根系早衰, 造成地上部減產[6,63]。

土壤耕作可以優化調整土壤結構, 為作物生長與建成創造一個優良的環境[64]。20世紀80年代以來, 在我國主要農區, 常采用免耕或機械淺層旋耕的耕作方式, 大大提高了生產效率, 但導致了土壤耕層變淺, 并產生堅硬的犁底層, 阻礙根系向深層土壤下扎[5-6]。張洪程等[65-66]在江蘇六大農區5~11年的連續定位研究中, 以少免耕等輕簡耕作栽培方式下作物前期早發而中后期早衰的特點闡明了土根系統中養分與根系向土表富集、中后期土壤養分供應減弱與根系活力下降, 導致植株光合生產能力減弱的早衰機理。2008年國家玉米產業技術體系對全國玉米主產區土壤耕層狀況調查探明, 我國主要玉米田土壤耕層存在著“耕層淺、犁底層堅實、耕層有效土量少”等特點。近年來, 深松或深翻耕作作為一種有效的土壤改良耕作措施得到廣泛應用。研究表明, 深松(翻)可打破犁底層, 顯著改善耕層土壤結構, 使根系在縱向擴充生長空間, 以滿足對地上部分營養物質和水分的供應[67-68]。趙明等[67-69]探明了條帶深旋耕作對土壤理化特性、作物根系生長發育及產量性能指標的調控效應, 并創新了玉米條帶深旋密植精播一體化技術, 顯著改善土壤耕層環境, 大大提高生產效率。王立春等[70-71]經多年定位試驗研究闡明了苗帶緊行間松、松緊兼備型耕層模式對土壤水、氣調節機制, 通過全面深松和苗帶局部重鎮壓的方式來滿足春玉米生長對耕層土壤的生態需求。然而, 大量研究表明, 沒有一種耕作方式能夠適用于所有的土壤環境, 土壤耕作方式不同對土壤的理化及生物特性影響不同[72]。

作物生長發育所必需的各種速效養分主要來自土壤, 而肥料是土壤養分的主要來源, 因此協調作物生長發育與土壤養分及施肥的關系是進一步挖掘作物產量潛力的關鍵。凌啟鴻等[20]和張洪程等[21]探明了葉齡模式與水肥調控的關系, 提出水稻精確定量施肥技術途徑, 解決了高產水稻總施氮量精確定量及各生育期定量施用問題。于振文等[23-24,34]探明了小麥生長發育與氮肥吸收的同步關系, 提出了氮肥后移, 增加追肥氮比例, 延緩后期衰老, 提高粒重的技術途徑。趙明等[73-74]提出通過滴灌分期施肥和深施緩釋肥的方式實現氮肥后移, 維持玉米花后較高的氮素積累能力和光合生產能力, 同步提高產量和氮肥利用效率的理論與技術途徑。張福鎖等[75-76]根據各種養分資源特征進行養分管理, 綜合利用各種養分資源, 從過去以“(肥料)投入-(作物)產出關系”的黑箱管理逐漸走向對土壤-作物-環境系統養分過程的實時定量化調控, 并建立了小麥、玉米、水稻等主要作物的養分資源綜合管理技術體系, 顯著提高了作物產量、肥料資源利用效率及生態效益。

3 作物生產調控技術

如上所述, 協調作物“源、庫、流”的關系, 使作物群體和個體的發展達到源足、庫大、流暢, 才可能獲得高產。然而, 作為一個有機整體, 作物的各個性狀相互聯系、相互制約。對于作物產量與品質的提升, 必須明確突破的技術途徑, 并通過精確的調控措施實現作物物質生產因素與產量構成因素間的高效協調。

3.1 產量形成調控技術

近年來, 我國作物栽培科學家通過一線研究建立了一批高產栽培技術體系。例如, 張洪程等[77]針對高密度毯狀小苗秧質弱、植傷趨重導致超級稻生育不充分而制約潛力發揮的問題, 通過“三控”(控種、控水、化控)標準化育秧、“三因”(因種、因地、因苗)精確化機插與“三早”(早促、早控、早攻)模式化調控等關鍵技術創新, 構建了超級稻機械化高產栽培技術體系。章秀福等[78]建立水稻“壟畦高密、擴庫強源”超高產模式, 通過壟畦栽培, 寬行窄株密植, 優化群體結構, 改善群體通透條件; 以水調肥、調氣, 強根健株, 實現增穗增粒的水稻雙季超高產。王法宏等[79]建立冬小麥“壟溝立體種植”超高產模式, 壟溝種植改善土壤理化性狀, 改善群體冠層結構, 增加了單位面積的麥穗容納量和邊行優勢, 延緩后期衰老, 有利于穗粒數和千粒重的提高。趙明等[80]針對密植導致倒伏、早衰等限制玉米產量潛力發揮的問題, 從同步改善土壤耕層環境與冠層結構角度出發, 創新了“三改”深松和“三調”密植關鍵技術, 建立了“深耕層-密冠層”、“控株型-促根系”及“培地力-高肥效”的密植高產高效技術模式。李少昆等[81]創新了以耐密品種、合理密植、群體質量調控為核心, 配套精量點播、滴水出苗、化學調控、機械施肥、綠色防控、秸稈還田、機械收獲、烘干收儲等關鍵技術, 構建了玉米密植高產全程機械化綠色生產技術體系。董志強等[82]針對東北春玉米低溫冷害導致生育期推遲、密植高產群體倒伏早衰的問題, 以控株增密和抗逆防衰為目標, 建立了展六葉和展九葉兩次噴施化控劑的“雙重定向”化控技術, 在逆境條件下維持較高的產量和光溫利用效率。

3.2 資源高效利用技術

在光溫水資源高效利用方面, 河北農業大學[47-49]針對華北地區一年兩熟光溫水資源緊張導致周年產量潛力挖掘不足的問題, 建立小麥“勻株密植晚播”、玉米“搶時增密延收”技術及兩熟“減灌降耗提效”水分高效利用技術, 實現周年光溫水資源優化配置與高效利用。河南農業大學[50-52]針對黃淮區光溫等資源特點, 提出了小麥“雙改技術”與夏玉米“延衰技術”, 創建出小麥-夏玉米兩熟高產栽培技術體系, 實現周年光熱資源高效利用和小麥夏玉米均衡增產。王志敏等[53-54]建立了冬小麥“四統一”高產技術模式, 通過調整灌溉次數和施肥結構, 構建大群體發揮主莖大蘗優勢、非葉綠色器官的光合耐逆機能和初生根持續吸收功能, 實現小麥種植高產、高效、低耗和簡化。楊建昌等[83]建立了水稻干濕交替節水灌溉技術, 全生育期進行輕干-濕交替灌溉, 減少灌溉次數和灌水量, 提高產量和水分利用效率。

在提高化肥利用率方面也取得了一些成果, 如測土配方施肥、氮肥深施、平衡施肥、水肥一體化等技術, 在一定程度上減緩了肥料用量的增加, 提高了肥料利用效率。于振文等[23-24]針對我國小麥生產中氮肥過量, 且底施比例過大導致氮肥利用率低的問題, 建立了冬小麥氮肥后移技術, 通過減少底肥氮數量、增加追肥氮比例, 生育前中期低定額后期控制灌溉, 精量施用氮、硫、磷、鉀肥, 減少了土壤氮素淋溶, 提高了水肥利用率。楊建昌等[84]和黃見良等[85]建立水稻實時實地氮肥管理技術, 根據目標產量確定總氮肥用量及生育各階段氮肥分配比例, 關鍵生育時期根據水稻葉色值(SPAD或LCC)適當調整氮肥用量, 解決后期倒伏和早衰問題, 顯著提高水稻產量和氮肥利用效率。張福鎖等[75-76,86]建立了土壤-作物綜合管理技術, 基于土壤養分實時監測和作物養分需求特征進行根層養分調控, 在不增加氮肥用量的同時提高作物產量。另外, 近年來大田作物緩/控釋肥等新型肥料的研究迅速發展, 被認為是減少肥料損失、提高肥料利用率的有效措施[74-87]。

3.3 精確定量栽培技術

張洪程等[21]創立了生育進程、群體動態指標、栽培技術措施“三定量”與作業次數、調控時期、投入數量“三適宜”為核心的水稻豐產精確定量栽培技術體系, 使水稻生產管理“生育依模式、診斷有指標、調控按規范、措施能定量”。曹衛星等[88-89]圍繞作物主要生長指標的特征光譜波段和光譜參數、定量監測模型、實時調控方法、監測診斷產品等開展了深入系統的研究, 集成建立了基于反射光譜的作物生長光譜監測與定量診斷技術體系, 實現了作物生長與生產力預測的數字化及作物管理方案設計的精確化。趙明等[80]建立了玉米全生育期產量性能各指標定量化動態標準, 研發出冠層系統的實時監測與管理決策專用軟件(玉米生長定量化動態分析及其高產高效管理系統), 實現了玉米合理冠層的定量化和動態監測及調控。

4 作物生產系統定量調控體系

綜上所述, 前人關于作物生產調控理論與技術方面進行了大量的研究探索, 取得了重大進展, 形成了一批有代表性的成果, 在一定程度上大大提高了作物產量和資源利用效率。然而, 目前大部分研究往往僅從作物生產某一方面揭示產量與品質形成規律及其與環境的關系, 并進行相應栽培技術的創新, 缺乏從作物生產系統整體角度出發進行的系統化研究, 未形成系統的作物生產理論與技術體系, 難以適應當前的生產發展形勢, 作物生產調控理論與技術亟須進一步深化與完善。為此, 筆者在歸納總結前人研究與本人30多年研究結果的基礎上, 于2016年全國青年作物栽培與學術研討會上提出了作物生產系統“氣候-土壤-作物”協同定量調控體系, 簡稱“三協同”調控體系(圖1), 其核心是從作物生產系統整體出發, 建立“氣候-土壤-作物”之間定量化指標, 并通過相應的調控措施協同優化三者之間的關系, 使整個作物生產系統的功能高效協調。

圖1 作物生產系統“三協同”定量優化體系示意圖

Ra: radiation; AT: accumulated temperature; DR: distribution ratio; TPPE: photothermic production potential equivalence; DM: dry matter.

4.1“三協同”定量調控體系構成特點

作物生產系統是以氣候、土壤和農作物為物質基礎, 通過采取多種調控技術措施, 以獲取作物某一部分的產量為目的, 同時兼顧經濟、社會和生態效益, 有利于農業可持續發展的生產系統[90]。筆者在深入分析作物生產系統的整體性、有序性和綜合性特征, 及系統內作物與氣候、土壤的供求機制與關系調控的基礎上, 建立了“三協同”調控體系。

“三協同”調控體系具有系統性特點。作物生產系統的功能主要取決于系統的整體性、有序性和綜合性, 及系統內作物與氣候、土壤的供求機制與關系調控[91]。為構建更加合理的作物生產系統結構, 促進系統功能不斷提升, 可將作物生產系統分為“氣候-作物”、“土壤-作物”、“群體-個體”3個子系統(圖1)。根據邏輯關系又將其分為3個層次, “氣候-作物”系統為第一層次, “土壤-作物”系統為第二層次, “群體-個體”系統為第三層次, 3個子系統有機結合構成“三協同”體系。

“三協同”調控體系具有可定量特點。作物生產系統通過物質循環和能量交換形成作物與作物、作物與環境、環境與環境作用關系[90], 這些過程可通過某種手段精確定量, 其中氣候-作物協同以光溫資源分配率與利用效率的“兩率”為核心定量化指標, 土壤-作物協同以土壤供給力與冠層生產力的“兩力”為核心定量化指標, 群體-個體協同以作物群體內部與個體器官間結構功能的“兩體”為核心定量化指標。以作物產量、光溫水肥資源利用效率及經濟效益等定量指標構建作物生產系統協同性的綜合評價體系。

“三協同”調控體系具有可調節特點。在認識作物生產系統各要素相互作用規律基礎上, 可通過構建合理的調控措施, 使作物生產系統各個組成部分之間協調平衡、相互促進, 總體功能不斷提升。氣候-作物協同主要通過調節作物生長季光熱資源的配置與利用以實現光溫高效利用; 土壤-作物協同通過改良土壤結構和肥水控制實現高產高效同步; 群體-個體協同通過品種、種植方式調控確保群體與個體及個體器官間協同, 實現產量潛力挖掘。

4.2“三協同”定量調控指標

4.2.1 氣候-作物協同定量調控指標 氣候-作物協同定量調控以提高季節間光溫資源分配率與季節內光溫資源利用率的“兩率”為核心。首先, 在季節間資源有效分配方面, 筆者通過分析三大糧食作物主產區34個試驗點7年定位試驗產量和氣候因素數據, 探明了氣候因子與作物產量的定量關系, 創立了以積溫為主, 兼顧輻射和降水分配的季節間資源優化配置定量指標, 并建立了相應的計算公式[92]。

積溫分配率(TDR) = 單季積溫量(Tx)/周年積溫總量(T) (1)

輻射分配率(RDR) = 單季輻射量(Rx)/周年輻射總量(R) (2)

降雨分配率(PDR) = 單季降雨量(Px)/周年降雨總量(P) (3)

積溫比值(TR) = 第一季積溫量(T1)/第二季積溫量(T2) (4)

輻射比值(RR) = 第一季輻射量(R1)/第二季輻射量(R2) (5)

降雨比值(PR) = 第一季降雨量(P1)/第二季降雨量(P2) (6)

在季節內資源高效利用方面, 筆者通過分析年際間、地區間生態條件的差異及其資源與產量的定量關系, 在2007年首次提出了表征季節內資源利用效率的“光溫生產潛力當量”的概念, 即TPPE =/TPPy (TPPE為光溫生產潛力當量,為作物實際產量, TPPy為光溫生產潛力)[93]; 為表征資源變化與作物需求匹配關系, 提出了季節內積溫滿足率(TSR)的概念及相應公式。

通過分析全國不同區域的不同兩熟模式的播期調控試驗和產量差分析(= 293), 明確了不同兩熟模式周年季節間有效積溫、輻射分配(表1)[92,94]; 同時進一步明確了季節內三大作物光溫生產潛力當量值(圖2), 這些指標為作物資源高效利用的定量調控提供指導。

表1 不同種植模式積溫、輻射優化分配表

W-M: 傳統冬小麥-夏玉米模式; D-D: 冬小麥-夏玉米雙晚模式; W-R: 冬小麥-水稻模式; M-M: 雙季玉米模式; M-R: 春玉米-晚稻模式; R-R: 雙季稻模式; r-r: 再生稻模式。

W-M: traditional winter wheat-summer maize; D-D: double delay of winter wheat-summer maize; W-R: winter wheat-rice; M-M: double maize; M-R: spring maize-late rice; R-R: double rice; r-r: ratoon rice.

圖2 三大作物不同產量水平光溫生產潛力當量值

4.2.2 土壤-作物協同定量調控指標 作物產量決定于冠層生產力與耕層供給力“兩力”的平衡, 冠層耕層的同步優化是密植高產的主要途徑。“兩力”構成的原則是構建耕層-冠層、土壤-作物協調優化的體系, 耕層供給力與作物冠層生產力匹配。以提高耕層供給力為核心, 挖掘冠層作物生產力, 以最終提高產量實現高產高效。

首先, 利用研發的作物耐密性鑒定方法, 解析土壤基礎地力、目標產量與作物種植密度的定量關系(=abx)[95], 基于作物土壤基礎產量(土壤供給力)與高產高效目標產量(冠層生產力)的差值(圖3,D)確定實現目標產量的作物群體容納量與養分供給量。根據產量與密度定量關系確定密度增量, 根據產量與養分定量關系(百千克籽粒需養分量)確定施肥量, 實現基于土壤基礎地力的高產高效定量栽培。

進而利用35年肥效長期監測平臺揭示不合理耕作導致土壤犁底層上移(2.8~4.9 cm)、容重增加(7%~35%)、有機質質量變差(腐殖化和脂族化程度高而疏水化程度低)、貧鉀富磷、耕層土壤酸化(pH下降1.3~1.5)、真菌/細菌比值降低(碳源不足)等關聯變化是主產區農田地力下降、高產支撐力不足的主要機制[70-71]。由此提出“培肥地力、減量施肥”的豐產高效技術策略, 及深厚耕層構建與有機物料輸入相結合的地力提升途徑。同時, 利用自主研發的根-土空間分布取樣方法與分析體系[67-69]對不同作物生產系統農民田塊和高產高效田塊長期定位試驗分析, 明確了兩熟區高產高效農田比農民田塊土壤耕層厚度增加28%~35%, 容重降低18%~20%, 有機質含量提高13%~20%, 氮磷鉀含量平均提高19%~30% (表2)。同時, 提出以容重、貫穿阻力為核心的土壤結構生產力指標及氮磷鉀與有機質含量空間分布為核心的養分生產力指標來確定土壤供給力。

圖3 土壤-作物協同定量優化模式圖

表2 不同區域不同田塊土壤理化特征

4.2.3 “群體-個體”協同定量調控指標 作物冠層結構是作物個體、群體產量性能數量與質量的綜合體現。作物理想冠層的本質特征是群體總庫容量(群體總粒數)大、花后物質積累量高, 這就要求在前中期保持適宜葉面積系數, 提高成穗率和結實率, 后期增大光合勢、提高凈同化能力和物質運轉與分配效率。因此, 優化協調個體與群體以及葉源系統與庫容系統之間的關系對作物高產高效栽培具有重要意義。

筆者在多年試驗研究的基礎上, 確定了“群體-個體”協同定量優化的核心為協調作物群體內部及個體葉穗系統、物質生產與分配的關系[96]。該分析模式主要包括以下3個方面。一是, 明確了作物產量形成是根、莖、葉、穗4個系統相互依存, 在根莖的吸收與支撐能力保障的前提下, 其中葉系統光合物質生產能力與穗系統籽粒形成的光合產物分配是挖掘產量潛力的關鍵。二是, 基于系統間關系分析作物產量與葉穗系統定量關系, 構建了葉穗系統協同定量公式(Y = MALI×D×MNAR×HI = EN× GN×GW)及三大作物高產高效群體葉穗系統指標體系(表3)[30], 其中等式左邊(MALI×D×MNAR×HI)表示葉系統光合物質生產過程, 等式右邊(EN×GN× GW)表示穗系統產量形成過程, 其中MLAI和MNAR指標為生育期內某一時段的平均值, 可以作為生長過程的動態變量進行實時監測與調控; 三是, 研究表明高產高效群體具有較高的后期物質生產能力, 花后干物質積累量/生育期總干物質積累量為: 玉米0.62、小麥0.45、水稻0.51。在此基礎上, 提出了通過高效物質分配與高效結實機制以挖掘作物后期物質生產能力為核心的挖潛技術途徑, 根據作物花后干物質積累量/生育期總干物質積累量比值指標來選擇確定具體技術措施, 如氮肥后移、深松改良土壤、優化種植方式及水肥一體化等, 調控后期養分供應和群體的光分布, 維持個體較高的光合速率, 延緩衰老, 從而維持群體高效物質生產功能, 提高作物產量。

表3 高產高效群體結構和功能參數

Y: 產量; MLAI: 平均葉面積指數; D: 生育期天數; MNAR: 凈同化率; HI: 收獲指數; EN: 單位面積穗數; GN: 穗粒數; GW: 粒重。

Y: grain yield; MLAI: mean leaf area index; D: growth days; MNAR: mean net assimilation rate; HI: harvest index; EN: ear no. per m2; GN: grain number per ear; GW: 1000-kernels weight.

4.3“氣候-土壤-作物”協同互作途徑

以上建立的氣候-作物、土壤-作物和群體-個體協同定量指標, 可分別從光溫資源定量配置、基礎地力與目標產量協調、源庫產量平衡等3個方面指導作物品種與播期合理搭配、地力培肥與肥水調控、群體結構與功能優化等“三協同”調控技術創新。進而通過三類技術組裝構建生產技術模式, 每個模式均包括氣候-作物、土壤-作物和群體-個體三方面的調控技術。由于各類別都有多個單項技術, 通過三類技術的組裝可形成多種搭配組合, 利用通徑分析和主成分分析對技術的優先序和互作效應進行評價[8]。在闡明三類技術的協同互作機制基礎上, 篩選出區域適宜的作物豐產高效生產技術模式, 進行大田示范驗證與推廣應用。

4.4“三協同”定量調控體系應用與效益評價

4.4.1 “三協同”定量調控體系應用 以黃淮海冬小麥-夏玉米周年高產高效種植模式為例, 介紹“三協同”定量調控體系在作物生產實踐中的應用, 為實現作物“高產、優質、高效、生態、安全”生產提供新思路。

針對黃淮海地區周年光溫資源區域差異大、利用效率低, 常年免耕或淺旋耕導致土壤容重增加, 秸稈還田難導致播種質量差等交織并存的問題, 基于“三協同”調控體系指導, 創新光溫配置、秸稈還田培肥、改行調密等技術, 在北部集成以小麥冬前積溫調減-玉米后期積溫調增、兩季秸稈還田培肥和減耗節水、小麥縮行距勻株距密植等關鍵技術為核心的小麥-玉米調溫節水、勻株密植技術模式; 在中部集成以小麥早播增溫-玉米晚收增產、兩季統籌培肥補灌、小麥寬行稀植-玉米窄行密植等關鍵技術為核心的小麥早播稀植、玉米密植晚收周年灌溉模式; 在南部集成以小麥稀植早播-玉米增密晚收、簡耕覆蓋保水等關鍵技術為核心的小麥簡耕覆蓋、玉米免耕密植周年雨養模式。在河南、河北兩省分別示范3套模式, 較傳統模式產量提高8.1%~12.2%, 光溫生產效率提高6.9%~11.3%, 水分生產效率提高9.2%~14.1%, 經濟效益增加2205元 km–2, 實現兩季均衡增產增效。

4.4.2 “三協同”定量調控體系效益評價 國家糧食豐產科技工程項目組在優化調整柯布-道格拉斯生產函數、DEA-Malmquist指數法等評價模型基礎上, 建立了糧食生產全要素評價專用模型(Y=e), 依據該模型可對“三協同”定量調控體系指導構建的技術模式進行全要素(包括種子、化肥、農藥、水電、柴油、機械、人工等)生產率、土地利用率、氣候資源利用效率和經濟效益等進行評價。應用生命周期評價方法(Life Cycle Assessment, LCA)對技術模式的整地播種、田間管理和收獲等環節的資源消耗、物質投入及環境排放進行評價。

5 作物生產系統調控體系研究展望

經過長期的作物生產研究與實踐, 我國在水稻、小麥和玉米等主要糧食作物研究中, 已經建立了豐富的栽培技術體系, 在確保糧食安全和農民增收中發揮了巨大的作用, 但生產中尚缺乏基于作物生產系統整體性的系統化、定量化作物栽培理論與技術, 在一定程度上限制了作物高產高效優質等多目標的實現。筆者在基于前人研究和本人30多年研究結果的基礎上構建的作物生產系統氣候-土壤-作物“三協同”定量優化體系, 通過定量分析作物生產過程與氣候、土壤等環境因素的內在關系, 將“氣候-作物”、“土壤-作物”和“群體-個體”三者協同優化, 形成了系統的作物生產理論體系, 彌補了現有理論與技術的不足, 為未來作物生產調控理論與技術的創新提供了思路。然而, 如何將現有的理論與技術與這一體系高度融合, 進一步完善該理論體系, 并有效應用于生產實踐, 尚有待更深入的研究與探討。

氣候-土壤-作物“三協同”定量調控理論初步建立了光溫資源定量配置、基礎地力與目標產量協調、源庫產量平衡3個方面的定量指標, 分別指導作物品種布局與播/收期調整、地力培肥與肥水調控、群體結構與功能等調控技術創新。然而, 氣候-土壤-作物“三協同”定量調控理論還需要進一步完善, 在氣候-作物協同方面, 需要進一步闡明作物生長發育各階段與光溫資源匹配關系及其定量指標; 在土壤-作物協同方面, 加強研究作物產量形成與土壤生物特性和水肥動態變化的關系及其定量指標; 在群體-個體協同方面, 從不同器官及其組織形態與功能、關鍵生理與分子調控機制方面認識群體與個體協同關系; 在氣候-土壤-作物三者協同方面, 闡明三者協同調控機制, 建立相應的定量調控指標; 加強“三協同”技術體系在作物品質形成方面的指導; 加強該理論模式指導高產高效關鍵技術創新和區域特色技術模式集成, 對整個體系的經濟效益、社會效益和生態效益進行評價。

致謝: 特別感謝吉林省農業科學院王立春研究員和王永軍研究員、河南師范大學李春喜教授、河南農業大學尹鈞教授、河北農業大學李雁鳴教授、山東省農業科學院張賓研究員、天津市農業技術推廣站侯海鵬研究員、天津農學院葛均筑博士對本項研究工作的大力支持。

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Theoretical and technical models of quantitative regulation in food crop production system

ZHAO Ming*, ZHOU Bao-Yuan, MA Wei, LI Cong-Feng, DING Zai-Song, and SUN Xue-Fang

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

Multi-objective collaborative development of crop production with high yield, high efficiency, and environmental friendliness is more important in China. Further improving theoretical models of crop system is a main way to adapt multi-objective coordinated development, and promote the sustainable development of crop production. In this paper, we reviewed current theoretical and technical regulation approaches for crop system. Meanwhile, according to the current crop production developing condition and previous researches, a new model “Three Collaboration Theory and Technology System” was established based on the overall composition of crop system, which can collaboratively optimize the relationship of “climate-crops”, “soil-crops”, and “population-individual” simultaneously. The application and perspective of such model were discussed.

crop production system; climate; soil; crop; collaborative optimization

2018-06-12;

2019-01-12;

2019-02-11.

10.3724/SP.J.1006.2019.83051

趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752

本研究由國家重點研發計劃項目(2016YFD0300207), 國家科技支撐計劃項目(2006BAD02A13, 2013BAD07B00)和國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-02-12)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300207), the National Science and Technology Support Project (2006BAD02A13, 2013BAD07B00), and the China Agriculture Research System (CARS-02-12).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190210.1114.002.html