夏玉米產(chǎn)量與光溫生產(chǎn)效率差異分析——以山東省為例

王洪章，劉鵬，董樹(shù)亭，張吉旺，趙斌，任佰朝

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夏玉米產(chǎn)量與光溫生產(chǎn)效率差異分析——以山東省為例

王洪章，劉鵬，董樹(shù)亭，張吉旺，趙斌，任佰朝

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018）

【目的】研究夏玉米各產(chǎn)量層次之間的物質(zhì)生產(chǎn)及資源利用能力，量化山東省夏玉米籽粒產(chǎn)量與光、溫資源利用效率的差異，明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和栽培措施對(duì)產(chǎn)量差及效率差的貢獻(xiàn)率，探討產(chǎn)量差、效率差協(xié)同縮減的可能性，為縮小夏玉米產(chǎn)量差距、提升資源利用效率提供理論依據(jù)。【方法】本試驗(yàn)于2017—2018年在山東省泰安、淄博和煙臺(tái)3市進(jìn)行，針對(duì)山東夏玉米生產(chǎn)調(diào)研出的問(wèn)題，在同一地塊采用綜合管理模式，從合理密植、優(yōu)化肥水、增產(chǎn)增效的角度設(shè)計(jì)了4種管理模式，模擬超高產(chǎn)水平（SH）、高產(chǎn)高效水平（HH）、農(nóng)戶(hù)水平（FP）和基礎(chǔ)產(chǎn)量水平（CK）4個(gè)產(chǎn)量層次，定量分析不同產(chǎn)量層次之間的產(chǎn)量差及光溫資源生產(chǎn)效率差。結(jié)合光溫生產(chǎn)潛力分析和作物產(chǎn)量性能分析，探究產(chǎn)量差和效率差的影響因素及縮差增效途徑。【結(jié)果】當(dāng)前山東省夏玉米光溫潛力與超高產(chǎn)水平、超高產(chǎn)水平與高產(chǎn)高效水平、高產(chǎn)高效水平與農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平、農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平與基礎(chǔ)產(chǎn)量水平之間的產(chǎn)量差分別為5.85、0.82、1.90、1.35t·hm-2，光能生產(chǎn)效率差分別為1.74、0.15、0.28、0.45 g·MJ-1，溫度生產(chǎn)效率差分別為1.09、0.10、0.17、0.28 kg·hm-2·℃-1；當(dāng)前不可控因素對(duì)產(chǎn)量差和光、溫生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率分別為58.49%和66.09%，可控因素對(duì)產(chǎn)量差和光、溫生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率分別為41.51%和33.91%，地域差異因素對(duì)產(chǎn)量差、光能生產(chǎn)效率差和溫度生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率分別為1.98%、2.49%和3.24%；產(chǎn)量差與光溫資源生產(chǎn)效率差之間有顯著相關(guān)性；SH和HH處理較FP處理和CK有較高的地上部生物量、生育期平均葉面積指數(shù)（MLAI）和冠層光能截獲率。【結(jié)論】當(dāng)前山東省夏玉米農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平與光溫潛力水平之間的產(chǎn)量差、光能生產(chǎn)效率差、溫度生產(chǎn)效率差分別為8.56 t·hm-2、2.17 g·MJ-1、1.35 kg·hm-2·℃-1，產(chǎn)量與光、溫資源利用效率仍有較大的提升空間。玉米籽粒產(chǎn)量差和光、溫資源利用效率差顯著相關(guān)，在現(xiàn)有農(nóng)戶(hù)管理措施的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高產(chǎn)高效管理模式（種植密度增加1.5×104株·hm-2，適當(dāng)增加施肥量，將一次性施肥改為于播種期、大喇叭口期、開(kāi)花期和乳熟期采用水肥一體化方式分次施肥）能夠縮小產(chǎn)量差距1.90 t·hm-2，提高光、溫資源生產(chǎn)效率14.74%和14.41%，是協(xié)同縮差增效的有效技術(shù)途徑。

夏玉米；產(chǎn)量；光溫生產(chǎn)效率；差距

0 引言

【研究意義】“產(chǎn)量差”的研究工作自1974年由國(guó)際水稻研究所（IRRI）開(kāi)展后，逐漸成為作物研究的重要領(lǐng)域[1-2]。黃淮海區(qū)域作為我國(guó)玉米的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，種植面積和總產(chǎn)量分別占全國(guó)玉米的32.7%和35.0%，在保證國(guó)家糧食安全上具有重要意義。該區(qū)域光溫資源豐富，夏玉米光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量達(dá)到了31.15 t·hm-2，遠(yuǎn)高于其他夏玉米產(chǎn)區(qū)[3]。2005年，李登海曾創(chuàng)造了21.10 t·hm-2的中國(guó)夏玉米高產(chǎn)紀(jì)錄；2015年德州大面積高產(chǎn)田也達(dá)到了12.03 t·hm-2的產(chǎn)量水平。而2016年山東省夏玉米平均產(chǎn)量只有6.44 t·hm-2，與光溫潛力產(chǎn)量、高產(chǎn)紀(jì)錄產(chǎn)量、大面積高產(chǎn)高效產(chǎn)量仍有24.71、14.66、5.59 t·hm-2的產(chǎn)量差距。【前人研究進(jìn)展】由于當(dāng)前眾多不合理的因素，黃淮海夏玉米區(qū)存在較大產(chǎn)量差的同時(shí)，資源利用效率差距也較大。光、溫生產(chǎn)效率是衡量產(chǎn)量及資源利用率的重要標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)中光能利用率只有1%—2%，遠(yuǎn)低于作物理論最大光能利用率5%—6%[4]。在目前作物葉面積指數(shù)和收獲指數(shù)難以繼續(xù)增加的情況下，若想進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量就必須提高生物量，提升作物光能利用率成為關(guān)鍵[5]。產(chǎn)量差、資源利用效率差的研究為探尋產(chǎn)量限制因子，縮小產(chǎn)量差、資源利用效率差，進(jìn)而提高農(nóng)戶(hù)產(chǎn)量提供了很好的技術(shù)支持[6]。如何確認(rèn)差距限制因素，有效降低限制程度成為人們的關(guān)注點(diǎn)[7]。當(dāng)前根據(jù)研究目標(biāo)和尺度大致可將限制因素分為氣候因素、品種和栽培措施因素、土壤因素、社會(huì)因素等幾個(gè)方面。其中光照和溫度通過(guò)影響作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)而影響作物的物質(zhì)生產(chǎn)[8]。氣象因子對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率約為8%，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上屬于不可控因素[9]。但可以通過(guò)選擇優(yōu)良品種、確定合理密度、優(yōu)化施肥等栽培措施來(lái)構(gòu)建高光效群體，進(jìn)而縮減產(chǎn)量差距和效率差距[10]。【本研究切入點(diǎn)】前人從選用優(yōu)良品種[11]、增加種植密度[12]、優(yōu)化肥水管理措施[13]、完熟期收獲[14]和生態(tài)環(huán)境[15]等多方面探明了上述因素提高夏玉米產(chǎn)量和資源利用效率3%—40%，但在實(shí)際生產(chǎn)中尚有47%的增產(chǎn)潛力有待進(jìn)一步挖掘[6]。此外，當(dāng)前產(chǎn)量差、效率差協(xié)同縮減的可行性缺乏理論支持，不同因素對(duì)于產(chǎn)量差、效率差的貢獻(xiàn)率鮮有定量。因此，通過(guò)量化夏玉米不同產(chǎn)量層次之間的產(chǎn)量差、效率差，及明確二者之間的關(guān)系，探明產(chǎn)量差、效率差的縮減途徑，對(duì)于提高產(chǎn)量與資源利用效率具有重大意義。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在同一地塊根據(jù)國(guó)際常用的綜合管理模式，在當(dāng)前常見(jiàn)的農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)和超高產(chǎn)生產(chǎn)模式以外，針對(duì)黃淮海夏玉米生產(chǎn)調(diào)研出的問(wèn)題，從合理密植、優(yōu)化肥水、增產(chǎn)增效的角度設(shè)計(jì)了高產(chǎn)高效綜合管理方案，利用作物產(chǎn)量性能分析方法，結(jié)合光溫生產(chǎn)潛力分析，量化山東省夏玉米產(chǎn)量與資源利用效率的差異，明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和栽培方式對(duì)產(chǎn)量差及效率差的貢獻(xiàn)率，探討產(chǎn)量差、效率差協(xié)同縮減的可能性，以期為縮小夏玉米產(chǎn)量差距、提升資源利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017—2018年在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)（35°58′41″N，116°58′22″E，海拔85 m）、淄博市桓臺(tái)縣果里鎮(zhèn)（36°24′15″N，118°0′7″E，海拔24 m）和煙臺(tái)市萊州市西由鎮(zhèn)（37°21′10″N，119°57′5″E，海拔6 m）進(jìn)行。3處試驗(yàn)點(diǎn)均地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，試驗(yàn)期間具體溫度、輻射及降雨量詳見(jiàn)圖1。作物種植體系為冬小麥/夏玉米一年兩熟，于小麥?zhǔn)斋@后深耕（25 cm）滅茬，耙耱整平，播種。室內(nèi)試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)供試品種為登海605，在同一地塊結(jié)合密度和肥水管理設(shè)置超高產(chǎn)、高產(chǎn)高效、農(nóng)戶(hù)和基礎(chǔ)產(chǎn)量4種管理模式，分別模擬超高產(chǎn)水平（SH）、高產(chǎn)高效水平（HH）、農(nóng)戶(hù)水平（FP）和基礎(chǔ)產(chǎn)量水平（CK）4個(gè)產(chǎn)量層次，試驗(yàn)具體種植密度和肥料運(yùn)籌詳見(jiàn)表1。所用氮肥為包膜緩控尿素（PU，含N 42%）和普通尿素（U，含N 46%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 51%），有機(jī)肥料為山東友邦肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的商品有機(jī)肥（含有機(jī)碳（干基）304 g·kg-1、P2O531.2 g·kg-1、K2O30.4 g·kg-1、C/N 為11.2），具體用量依其含量計(jì)算。試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積300 m2，3次重復(fù)。各試驗(yàn)區(qū)之間設(shè)立1.5 m的緩沖區(qū)。生長(zhǎng)期根據(jù)土壤墑情采用微噴帶統(tǒng)一灌溉，遇澇及時(shí)排水。按正常田間管理進(jìn)行良好的病蟲(chóng)害防治。試驗(yàn)期間具體生育進(jìn)程詳見(jiàn)表2。

表1 各處理種植密度及肥料運(yùn)籌

圖1 試驗(yàn)期間泰安、淄博和煙臺(tái)的降水量、平均溫度和太陽(yáng)輻射

表2 試驗(yàn)點(diǎn)夏玉米生育進(jìn)程

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生態(tài)資源測(cè)定與計(jì)算 氣象數(shù)據(jù)取自當(dāng)?shù)貧庀缶郑鶕?jù)生育階段的光照時(shí)數(shù)和平均溫度計(jì)算輻射量和活動(dòng)積溫。總輻射由日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)?ngstr?m-Prescott公式[16]計(jì)算；參考嚴(yán)定春等[17]的方法計(jì)算≥10℃的有效積溫。

1.3.2 光合有效輻射強(qiáng)度（PAR）的測(cè)定 采用SUNSCAN冠層分析儀（Delta-T，英國(guó)）分別于大喇叭口期（V12）、開(kāi)花期（VT）、灌漿期（R2）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）選擇晴朗無(wú)云的天氣，于10：00—13：00測(cè)定冠層內(nèi)的PAR。為消除時(shí)間誤差，每次均采取往返測(cè)定法，分別測(cè)定冠層上方20 cm處的入射PAR（I0）和冠層底部（地表處）的PAR（I）。光能截獲率（RIE）按照RIE=(I0-I)/I0×100%計(jì)算。生育期平均光能截獲率RIEave取上述測(cè)定時(shí)期的平均值。某一階段的截獲量（IPRA）按照IPAR=PAR× RIEave計(jì)算。

1.3.3 地上部生物量的測(cè)定 每個(gè)處理在VT和成熟期（R6）期選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株5株，按莖稈、葉片、籽粒、雄穗、苞葉、穗軸器官分開(kāi)，于烘箱105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，稱(chēng)量各部分干重，并計(jì)算群體干物質(zhì)積累量。

1.3.4 各產(chǎn)量層次產(chǎn)量的測(cè)定及產(chǎn)量差的計(jì)算 光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量（YRT）和光溫生產(chǎn)潛力生物量（BRT）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑓⒄召?lài)榮生等[18]提出的修訂參數(shù)計(jì)算得到。

于成熟期每個(gè)處理內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)9 m2（5 m×1.8 m）小區(qū)果穗全部收獲，進(jìn)行考種，并計(jì)算產(chǎn)量。分別得到超高產(chǎn)水平產(chǎn)量（YSH）、高產(chǎn)高效水平產(chǎn)量（YHH）、農(nóng)戶(hù)水平產(chǎn)量（YFP）和基礎(chǔ)產(chǎn)量水平產(chǎn)量（YCK）用于產(chǎn)量差（YG）的計(jì)算。

試驗(yàn)點(diǎn)產(chǎn)量差（YGs）=YFPmax-YFP；

產(chǎn)量差Ⅰ（YGⅠ）=YRT-YSH；

產(chǎn)量差Ⅱ（YGⅡ）=YSH-YHH；

產(chǎn)量差Ⅲ（YGⅢ）=YHH-YFP；

產(chǎn)量差Ⅳ（YGⅣ）=YFP-YCK；

總產(chǎn)量差（YGt）=YRT-YCK。

1.3.5 各產(chǎn)量層次光、溫生產(chǎn)效率及效率差的計(jì)算 根據(jù)光能生產(chǎn)效率（g·MJ-1）=生育期地上部生物產(chǎn)量（t·hm-2）/單位面積的太陽(yáng)輻射截獲總量（MJ·m-2）×102；溫度生產(chǎn)效率（kg·hm-2·℃-1）=單位面積地上部生物產(chǎn)量（t·hm-2）/生育期間有效積溫（℃）×103計(jì)算，分別得到潛在光能生產(chǎn)效率（RERT）、超高產(chǎn)水平光能生產(chǎn)效率（RESH）、高產(chǎn)高效光能生產(chǎn)效率（REHH）、農(nóng)戶(hù)水平光能生產(chǎn)效率（REFP）、基礎(chǔ)產(chǎn)量水平光能生產(chǎn)效率（RECK）和潛在溫度生產(chǎn)效率（TERT）、超高產(chǎn)水平溫度生產(chǎn)效率（TESH）、高產(chǎn)高效溫度生產(chǎn)效率（TEHH）、農(nóng)戶(hù)水平溫度生產(chǎn)效率（TEFP）、基礎(chǔ)產(chǎn)量水平溫度生產(chǎn)效率（TECK），用于光能生產(chǎn)效率差和溫度生產(chǎn)效率差的計(jì)算。

試驗(yàn)點(diǎn)光能生產(chǎn)效率差（REGs）=REFPmax-REFP；

光能生產(chǎn)效率差Ⅰ（REGⅠ）=RERT-RESH；

光能生產(chǎn)效率差Ⅱ（REGⅡ）=RESH-REHH；

光能生產(chǎn)效率差Ⅲ（REGⅢ）=REHH-REFP；

光能生產(chǎn)效率差Ⅳ（REGⅣ）=REFP-RECK；

光能生產(chǎn)總效率差（REGt）=RERT-RECK。

試驗(yàn)點(diǎn)溫度生產(chǎn)效率差（TEGs）=TEFPmax-TEFP；

溫度生產(chǎn)效率差Ⅰ（TEGⅠ）=TERT-TESH；

溫度生產(chǎn)效率差Ⅱ（TEGⅡ）=TESH-TEHH；

溫度生產(chǎn)效率差Ⅲ（TEGⅢ）=TEHH-TEFP；

溫度生產(chǎn)效率差Ⅳ（TEGⅣ）=TEFP-TECK；

溫度生產(chǎn)總效率差（TEGt）=TERT-TECK。

1.3.6 各因素對(duì)產(chǎn)量差及光溫資源生產(chǎn)效率差貢獻(xiàn)率的計(jì)算 本研究中，當(dāng)前不可控因素包括積溫、輻射、降雨等生態(tài)資源因素和高溫、干旱、陰雨寡照等環(huán)境逆境等人為不可改變的氣象因子；可控因素包括能夠改變土壤結(jié)構(gòu)和群體特征，進(jìn)而影響夏玉米生產(chǎn)性能的措施，包括肥料投入、田間管理、農(nóng)藝水平等。

地域差異因素對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率（%）=YGs/YGt× 100；

當(dāng)前不可控因素對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率（%）=YGⅠ/YGt×100；

大量資源投入對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率（%）=YGⅡ/YGt×100；

優(yōu)化栽培措施對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率（%）=YGⅢ/YGt×100；

當(dāng)前農(nóng)藝水平對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率（%）=YGIV/ YGt×100。

地域差異因素對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率（%）=EGs/ EGt×100；

當(dāng)前不可控因素對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率（%）=EGⅠ/EGt×100；

大量資源投入對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率（%）=EGⅡ/EGt×100；

優(yōu)化栽培措施對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率（%）=EGⅢ/EGt×100；

當(dāng)前農(nóng)藝水平對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率（%）=EGIV/ EGt×100。

1.3.7 作物產(chǎn)量性能分析 分別于V12、VT、R2、R3和R5期選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5株植株，定株測(cè)定5次葉面積，并參照張賓等[19]方法計(jì)算產(chǎn)量性能，求出玉米的全生育期平均葉面積系數(shù)（MLAI）和平均凈同化率（MNAR）。Y=MLAI×D×MNAR×HI，式中，MLAI為全生育期平均葉面積系數(shù)，D為生育期天數(shù)，MNAR為平均凈同化率，HI為收獲指數(shù)，Y為產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與作圖

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用DPS 16.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以L(fǎng)SD法檢驗(yàn)差異顯著性（α=0.05）；采用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同產(chǎn)量層次夏玉米群體生物量的差異

不同產(chǎn)量層次夏玉米地上部生物積累量差異顯著，總體趨勢(shì)為SH＞HH＞FP＞CK（圖2）。2017年，三試驗(yàn)點(diǎn)SH、HH、FP處理的花前干物質(zhì)積累量較CK分別提高了39.69%、35.88%、28.40%（泰安），46.74%、42.64%、27.92%（淄博）和45.84%、42.51%、25.26%（煙臺(tái)）；花后干物質(zhì)積累量較CK分別提高了83.77%、60.69%、39.54%（泰安），64.90%、54.02%、28.28%（淄博）和75.00%、61.10%、36.93%（煙臺(tái)）；總干物質(zhì)積累量較CK分別提高了64.90%、50.07%、34.77%（泰安），57.61%、49.45%、28.14%（淄博）和63.14%、53.54%、32.18%（煙臺(tái)）。2018年，三試驗(yàn)點(diǎn)SH、HH、FP處理的花前干物質(zhì)積累量較CK分別提高了43.32%、40.67%、30.26%（泰安），34.35%、24.93%、17.59%（淄博）和27.07%、18.13%、13.01%（煙臺(tái)）；花后干物質(zhì)積累量較CK分別提高了74.02%、64.80%、33.60%（泰安），76.72%、63.61%、36.50%（淄博）和82.97%、66.51%、42.92%（煙臺(tái)）；總干物質(zhì)積累量較CK分別提高了61.38%、54.86%、32.22%（泰安），58.03%、46.55%、28.16%（淄博）和56.87%、43.93%、28.96%（煙臺(tái)）。

圖2 不同產(chǎn)量層次夏玉米地上部生物量的差異

隨產(chǎn)量水平的提升，花后干物質(zhì)積累量占總干物質(zhì)積累量的比例逐漸增大。2017年，三試驗(yàn)點(diǎn)SH、HH、FP處理的花后干物質(zhì)積累量占總干物質(zhì)積累量的比例較CK分別提高了11.44%、7.08%、3.54%（泰安），4.63%、3.06%、0.11%（淄博）和7.27%、4.92%、3.59%（煙臺(tái)）；2018年分別提高了7.83%、6.42%、1.04%（泰安），11.83%、11.64%、6.51%（淄博）和16.64%、15.69%、10.83%（煙臺(tái)）。

2.2 不同產(chǎn)量層次夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量差的定量

山東省平均光溫生產(chǎn)潛力為18.12 t·hm-2，SH、HH、FP處理和CK分別實(shí)現(xiàn)了YRT的67.72%、63.19%、52.76%和45.31%，YCK與YRT之間產(chǎn)量差距達(dá)到了9.91 t·hm-2，是YRT的54.69%（表3）。5個(gè)產(chǎn)量層次之間的產(chǎn)量差分別為5.86、0.82、1.90和1.35 t·hm-2，表現(xiàn)為YGI＞YGIII＞YGIV＞YGII。2017年淄博和煙臺(tái)的FP處理較泰安分別存在0.17 t·hm-2和0.12 t·hm-2的產(chǎn)量差距，2018年，泰安和淄博的FP處理較煙臺(tái)分別存在0.81 t·hm-2和0.15 t·hm-2的產(chǎn)量差距，說(shuō)明地域之間同樣存在產(chǎn)量差。

2.3 不同產(chǎn)量層次夏玉米光合性能參數(shù)的差異

4個(gè)產(chǎn)量層次的MLAI差異顯著（＜0.05），均表現(xiàn)為SH＞HH＞FP＞CK（表4）。2017年三試驗(yàn)點(diǎn)SH、HH、FP處理的MLAI較CK分別提高了48.79%、41.53%、20.97%（泰安），54.22%、48.59%、20.48%（淄博）和39.86%、24.56%、17.79%（煙臺(tái)）；2018年分別提高了41.06%、33.33%、22.36%（泰安），51.61%、42.34%、20.56%（淄博）和48.92%、38.10%、23.81%（煙臺(tái)）。與MLAI表現(xiàn)不同，SH和HH處理的MNAR顯著低于FP和CK處理（＜0.05）。2017年泰安、淄博和煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)SH、HH處理的MLAI較FP處理分別降低了20.17%、19.12%，2.67%、3.83%和16.12%、12.16%；2018年分別降低了12.15%、11.51%，2.05%、2.05%和17.70%、17.22%。較CK在2017年分別降低了20.73%、19.79%，11.65%、12.71%和23.58%、19.97%；在2018年分別降低了9.13%、8.47%，5.30%、5.30%和8.34%、7.80%。HI在各產(chǎn)量層次之間無(wú)明顯差異（＞0.05）。由此可見(jiàn)，SH和HH處理具有較高籽粒產(chǎn)量的主要原因在于其生育期具有較大的MLAI，而FP和CK處理雖然具有較高的MNAR，但仍無(wú)法抵消其MLAI大幅降低帶來(lái)的損失。

表3 不同產(chǎn)量層次夏玉米籽粒產(chǎn)量及各級(jí)產(chǎn)量差

表4 不同產(chǎn)量層次夏玉米光合性能參數(shù)的差異

MLAI：平均葉面積指數(shù)；MNAR：平均凈同化率；D：生育期天數(shù)；HI：收獲指數(shù)。同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平

MLAI: Mean leaf area index; MANR: Mean net assimilation rate; D: Total days; HI:Harvest index. Values followed by different letters in a column are significantly different between treatments at 0.05 level

2.4 不同產(chǎn)量層次夏玉米冠層光能截獲的差異

由圖3可見(jiàn)，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，夏玉米群體的光能截獲率表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在VT期達(dá)到峰值。全生育期中，SH、HH和FP處理的光能截獲率較CK分別提高16.18%、15.01%和5.31%。且自乳熟期差異進(jìn)一步增大，R5期CK的光能截獲率只有SH、HH和FP處理的63.08%、67.34%和82.75%，導(dǎo)致生育后期4個(gè)產(chǎn)量層次之間平均光能截獲率差異顯著（＜0.05）。表明SH和HH栽培模式能夠在全生育期，尤其是生育后期保持較高的光合有效輻射截獲率，進(jìn)而使得夏玉米群體獲得更高的光能截獲量。

圖3 不同產(chǎn)量層次夏玉米光能截獲率的差異

2.5 不同產(chǎn)量層次夏玉米光溫資源生產(chǎn)效率及效率差定量

不同產(chǎn)量層次的光、溫生產(chǎn)效率之間差異顯著，山東省夏玉米理論光照和溫度生產(chǎn)效率分別為4.07 g·MJ-1和2.53 kg·hm-2·℃-1，SH、HH、FP、CK分別實(shí)現(xiàn)了潛在光能生產(chǎn)效率和潛在溫度生產(chǎn)效率的57.23%、53.47%、46.66%、35.70%和57.07%、53.31%、46.54%、35.61%（表5—6）。各級(jí)效率差之間表現(xiàn)為EGI＞EGIV＞EGIII＞EGII。淄博光能生產(chǎn)效率高于泰安和煙臺(tái)試驗(yàn)點(diǎn)，煙臺(tái)溫度生產(chǎn)效率高于泰安和淄博試驗(yàn)點(diǎn)，說(shuō)明地域之間存在效率差距。

2.6 各因素對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率

3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)各因素貢獻(xiàn)率差異趨勢(shì)一致，總體表現(xiàn)為當(dāng)前不可控因素＞可控因素＞地域差異因素，貢獻(xiàn)率分別為58.49%、41.51%和1.98%。當(dāng)前各可控因素貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為優(yōu)化栽培措施＞當(dāng)前農(nóng)藝水平＞大量資源投入，貢獻(xiàn)率分別占當(dāng)前可控因素的46.94%、33.86%和19.20%（表7）。

表5 不同產(chǎn)量層次夏玉米光能生產(chǎn)效率和效率差距

表6 不同產(chǎn)量層次夏玉米溫度生產(chǎn)效率和效率差距

表7 各因素對(duì)于產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率

2.7 各因素對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率

當(dāng)前不可控因素、可控因素和地域差異因素對(duì)于光、溫資源利用效率差異的貢獻(xiàn)率與對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率趨勢(shì)一致，三因素貢獻(xiàn)率分別為66.09%、33.91%和2.49%、3.24%。在可控因素當(dāng)中，大量資源投入、優(yōu)化栽培措施和當(dāng)前農(nóng)藝水平對(duì)效率差的貢獻(xiàn)率與對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率趨勢(shì)有所不同，表現(xiàn)為當(dāng)前農(nóng)藝水平＞優(yōu)化栽培措施＞大量資源投入，分別占當(dāng)前可控因素的50.91%、31.76%、17.33%（表8）。

2.8 夏玉米產(chǎn)量差與效率差相關(guān)性分析

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)前夏玉米不同產(chǎn)量層次之間產(chǎn)量差與光、溫資源生產(chǎn)效率差均呈正相關(guān)關(guān)系，符合一元線(xiàn)性方程，隨著產(chǎn)量差的縮減，光、溫資源生產(chǎn)效率差同樣會(huì)進(jìn)一步縮減。

表8 各因素對(duì)于光、溫資源生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率

圖4 山東省夏玉米產(chǎn)量差與光溫資源生產(chǎn)效率差的關(guān)系

3 討論

在農(nóng)業(yè)用地日益緊張、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)嚴(yán)峻的大背景下，為保證未來(lái)的糧食安全，作物產(chǎn)量的提高取決于縮小產(chǎn)量差的能力[6]。光能和溫度是作物生產(chǎn)的原始驅(qū)動(dòng)力[20]，如何高效利用是當(dāng)前作物產(chǎn)量差研究的重點(diǎn)。當(dāng)前產(chǎn)量差縮減的限制因素并不是光、溫資源不足，而是利用效率低[5]。前人研究認(rèn)為，當(dāng)前農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平與區(qū)域試驗(yàn)之間的產(chǎn)量差為4.5 t·hm-2，實(shí)現(xiàn)了潛力產(chǎn)量的48.2%，仍有45%—70%的提升空間[21-23]。現(xiàn)有產(chǎn)量差是由多方面原因造成的，氣候因素對(duì)于產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率為31.5%，光照、氣溫是造成產(chǎn)量差異的主要因子[24-25]；優(yōu)良品種及栽培措施對(duì)于產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率為48%—72%[26]。在實(shí)際生產(chǎn)中，短時(shí)間內(nèi)難以消除現(xiàn)有產(chǎn)量與模擬潛在產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差距，但消除農(nóng)戶(hù)與區(qū)域試驗(yàn)之間的產(chǎn)量差距則是現(xiàn)實(shí)可行的[27]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前山東省農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平與超高產(chǎn)水平之間的產(chǎn)量差、光能、溫度利用效率差分別為2.72 t·hm-2、0.43 g·MJ-1、0.27 kg·hm-2·℃-1；與高產(chǎn)高效水平之間的產(chǎn)量差、光能、溫度利用效率差為1.90 t·hm-2、0.28 g·MJ-1、0.17 kg·hm-2·℃-1。當(dāng)前可控因素對(duì)于產(chǎn)量差和光、溫資源生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了41.51%和33.91%，這部分產(chǎn)量差距可通過(guò)現(xiàn)有條件的改善進(jìn)一步縮減。其中優(yōu)化栽培措施對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率為19.48%，居當(dāng)前可控因素的首位；對(duì)光、溫資源生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率為10.77%，占當(dāng)前可控因素的第二位。由此可見(jiàn)，通過(guò)適度增加種植密度和合理肥料運(yùn)籌結(jié)合，來(lái)優(yōu)化現(xiàn)有的栽培措施，是大幅縮減產(chǎn)量差距跟效率差距的正確方向。按當(dāng)前山東省夏玉米種植面積計(jì)算，消除FP與HH之間的這部分差距可提升光、溫生產(chǎn)效率10%以上，全省可增加玉米產(chǎn)量6.3×106t。

小農(nóng)戶(hù)種植作為我國(guó)的主要農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式[28]，農(nóng)戶(hù)當(dāng)前的農(nóng)藝水平受其文化水平、收入水平等的影響，同時(shí)糧食價(jià)格、生產(chǎn)成本及農(nóng)技推廣都影響農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)上的成本投入及生產(chǎn)效率高低[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前農(nóng)藝水平對(duì)產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率為14.05%，對(duì)光、溫資源生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率為17.27%。這部分差距主要是當(dāng)前從事玉米生產(chǎn)的農(nóng)戶(hù)管理水平?jīng)Q定的。運(yùn)用國(guó)家宏觀(guān)調(diào)控及農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣提升當(dāng)前農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平可縮減0.45 g·MJ-1的光能生產(chǎn)效率差距和0.28 kg·hm-2·℃-1的溫度生產(chǎn)效率差距，縮小產(chǎn)量差距1.35 t·hm-2。通過(guò)不計(jì)成本的資源投入可進(jìn)一步縮小產(chǎn)量差距0.82 t·hm-2，但伴隨著過(guò)量的肥料施用，成本以及環(huán)境代價(jià)必定隨之升高，這在當(dāng)前可控因素中占比最低，實(shí)現(xiàn)效益也會(huì)最差。除此以外，區(qū)域環(huán)境差異對(duì)于產(chǎn)量差的貢獻(xiàn)率為1.98%，對(duì)光、溫生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率為2.49%和3.24%，消除這部分差距對(duì)區(qū)域尺度上全面增產(chǎn)增效具有重要意義。而當(dāng)前生產(chǎn)中不可控因素對(duì)于產(chǎn)量差、光能和溫度生產(chǎn)效率差的貢獻(xiàn)率分別為58.49%和66.09%，由此形成了5.85 t·hm-2的產(chǎn)量差距、1.74 g·MJ-1的光能生產(chǎn)效率差距和1.09 kg·hm-2·℃-1的溫度生產(chǎn)效率差距。這以現(xiàn)有的品種和技術(shù)無(wú)法對(duì)其產(chǎn)生影響，消除這部分差距是未來(lái)社會(huì)各界共同努力的方向。

作物產(chǎn)量的形成有上述眾多的影響因素，光能利用是關(guān)鍵[30]。作物光能利用率是由群體對(duì)光能的截獲量和截獲光能的轉(zhuǎn)化率兩方面決定的[31]。夏玉米本身就具有高光效的特點(diǎn)[32]，因此提升玉米群體的光能截獲量是提高玉米光能利用率進(jìn)而增加產(chǎn)量的根本途徑[33]。當(dāng)前高產(chǎn)田多是高投入、高產(chǎn)量、低效率的生產(chǎn)模式，高產(chǎn)夏玉米群體為提高光溫利用率，往往通過(guò)大量的肥水投入，爭(zhēng)取更大的群體葉面積，以此獲取更大的光能截獲[34-35]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量差與光溫資源利用效率差呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明兩者之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在縮小產(chǎn)量差的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與光溫資源利用效率協(xié)同提升。本研究中通過(guò)優(yōu)化栽培模式構(gòu)建的高產(chǎn)高效（HH）夏玉米群體全生育期的MLAI較FP處理增加了21.9%，這使得HH較FP處理的光能截獲率增加9.3%，溫度利用效率提高14.4%。這是HH模式能夠縮減產(chǎn)量差距19.48%，光、溫生產(chǎn)效率差距縮減10.77%的根本原因。同時(shí)HH模式相對(duì)于超高產(chǎn)（SH）模式降低化肥施用量30%，減輕環(huán)境壓力的同時(shí)節(jié)約了生產(chǎn)成本，是一種綠色高效的高產(chǎn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是實(shí)現(xiàn)協(xié)同縮差增效的合理生產(chǎn)方式。

4 結(jié)論

當(dāng)前山東省夏玉米農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)水平與光溫潛力水平之間的產(chǎn)量差、光能生產(chǎn)效率差、溫度生產(chǎn)效率差分別為8.56 t·hm-2、2.17 g·MJ-1、1.35 kg·hm-2·℃-1，產(chǎn)量與光、溫資源利用效率仍有較大的提升空間。玉米籽粒產(chǎn)量差和光、溫資源利用效率差顯著相關(guān)，在現(xiàn)有農(nóng)戶(hù)管理措施的基礎(chǔ)上，應(yīng)用高產(chǎn)高效管理模式（種植密度增加1.5×104株/hm2，適當(dāng)增加施肥量，將一次性施肥改為于播種期、大喇叭口期、開(kāi)花期和乳熟期采用水肥一體化方式分次施肥）能夠縮小產(chǎn)量差距1.90 t·hm-2，提高光、溫資源生產(chǎn)效率14.74%和14.41%，是協(xié)同縮差增效的有效技術(shù)途徑。

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Analysis of Gap between Yield and Radiation Production Efficiency and Temperature Production Efficiency in Summer Maize: Taking Shandong Province as an example

WANG Hongzhang, LIU Peng, DONG ShuTing, ZHANG JiWang, ZHAO Bin, REN Baizhao

(College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shandong)

【Objective】 In the present study, the biomass production and resource availability among yield levels were studied to quantify the gap of yield, radiation production efficiency and temperature production efficiency of summer maize in Shandong province. This study aimed to clarify the contribution rate of agricultural production conditions and cultivation measures to yield gap and efficiency gap, and to explore the possibility of synergistic narrow the yield gap and efficiency gap, so as to provide a theoretical basis for closing yield gap and improving resource utilization efficiency. 【Method】The experiment was conducted in Taian, Zibo and Yantai in Shandong province from 2017 to 2018. Based on the investigation of summer maize production in Shandong province, four management models were designed in consideration of appropriate increase of plant density, optimization of fertilizer and water, increase of yield and efficiency with the same integrated management. The four yield levels, including super high yield (SH), high yield and high efficiency (HH), farmer level (FP) and basic production level (CK), were simulated. And the gap of yield, radiation production efficiency and temperature production efficiency of different yield levels were analyzed. With the integrative analysis of radiation-temperature production potential and crop yield performance, the factors affecting gap of yield and efficiency and the way closing yield gap and increasing efficiency were explored in the present study. 【Result】At present, the yield gap between radiation temperature potential level and super high yield level, super high yield level and high yield high efficiency level, high yield and high efficiency level and farmer production level, farmer production level and basic production level of summer maize in Shandong province were 5.85, 0.82, 1.90 and 1.35 t·hm-2, respectively; the radiation production efficiency gap were 1.74, 0.15, 0.28 and 0.45 g·MJ-1, respectively; and the temperature production efficiency gap were 1.09, 0.10, 0.17 and 0.28 kg·hm-2·℃-1, respectively. the current uncontrollable factors contributed 58.49% to yield gap, and contributed 66.09% to light and temperature production efficiency. And geographical difference factors contributed 1.98% to yield gap, contributed 2.49% to radiation production efficiency, and contributed 3.24% to temperature production efficiency. there was a significant correlation between the yield gap and the production efficiency gap. SH and HH had higher biomass, mean leaf area index (MLAI) and canopy light energy interception rate than FP and CK. 【Conclusion】 At present, the gap of yield, the radiation production efficiency, and the temperature production efficiency between the farmer production level and the radiation temperature potential level of summer maize in Shandong province were 8.56 t·hm-2, 2.17 g·MJ-1, and 1.35 kg·hm-2·℃-1, respectively, so there was room for improvement in yield and utilization efficiency of radiation and temperature resources. There was a significant correlation between the yield gap and the production efficiency gap, on the basis of existing farmer management measures, the application of high-yield and high-efficiency management mode (increase the plant density of 15 000 plant·hm-2, and increasing the amount of fertilization appropriately, changing the one-time fertilization into the sub-fertilization mode with water and fertilizer integration during the stage of sowing, spike formation, flowering, and milking) could narrow the yield gap by 1.90 t·hm-2and increase the production efficiency of radiation and temperature resources by 14.74% and 14.41%, respectively, which was an effective technical way to synergistic close yield gap and increase efficiency.

summer maize; yield; radiation and temperature production efficiency; gap

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.006

2018-12-11；

2019-01-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300106）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31071358，31301274）、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（SDAIT02-08）

王洪章，E-mail：whz3707@163.com。 通信作者劉鵬，E-mail：liupengsdau@126.com

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）