綜合農藝管理推動玉米縮差增效

李從鋒，王志剛，王永軍，齊華，顧萬榮，張仁和，周文彬，趙明

·導讀·

綜合農藝管理推動玉米縮差增效

李從鋒1，王志剛2，王永軍3，齊華4，顧萬榮5，張仁和6，周文彬1，趙明1

（1中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081；2內蒙古農業大學農學院，呼和浩特 010020；3吉林省農業科學院農業資源與環境研究所， 長春 130033；4沈陽農業大學農學院，沈陽 110866；5東北農業大學農學院，哈爾濱 150030；6西北農林科技大學農學院，陜西楊凌，712100）

當前，世界糧食單產徘徊不前，現有耕地糧食產量難以保障持續增長的剛性需求。據預測，糧食總產需增加70%—100%，才能滿足2050年的世界糧食需求[1-2]，未來糧食增產和環境安全將主要依靠單產和資源效率的協同提升[3]。縮小不同作物種植系統的單產差距，是進一步提高單產的主攻方向。準確定量作物產量和效率潛力以及產量與效率差異特征，確定產量差、效率差形成的主控因子，對主要糧食作物可持續增產具有重要作用[4]。

產量差的研究始于20世紀70年代中期，通常將作物光溫理論產量、高產紀錄產量、試驗站產量和農戶產量之間的產量差異定義為產量差[5-7]。近年來，作物產量差研究愈加受到全球科學家的關注，作物學領域重要期刊《Field Crops Research》出版了“Yield Gap（產量差）”研究專刊（2013），闡述研究的重點在于定量揭示產量差幅度和空間變異特征，分析其主要限制因子以及縮小產量差的栽培管理措施。以玉米為例，發達國家由于栽培管理水平相對較高，玉米產量提升空間較小，如美國內布拉斯加州玉米產量的提升幅度僅為11%[8]，而在發展中國家玉米的產量提升幅度高達60%—70%[9]；在非洲的熱帶玉米種植區，由于栽培管理條件較差、養分嚴重缺乏、水分脅迫以及病蟲害的影響，玉米產量的提升潛力高達80%以上[6]。中國學者定量了玉米生產體系產量潛力及產量差的區域特征，確定了影響作物實際產量和生產潛力之間產量差的資源制約因子及限制程度[10-12]。

國內外學者對作物產量差的限制因子也進行了大量研究，對美國玉米產量增加的原因分析表明，自20世紀30年代以來，美國玉米產量增長的50%—60%歸功于玉米雜種優勢的利用，而40%—50%歸功于農田管理、肥料和栽培技術的提高，如施肥量、灌溉量、播種密度的增加和機械化程度的提高等[13]。針對主要作物產量提升的研究表明，通過改善養分管理和增加灌溉量，大部分農作物產量可增加45%—70%[14]。但總體而言，產量差限制因素解析比較復雜，各種方法都存在不同的缺陷，在解析產量差限制因素時，應將田間試驗方法、數理統計方法和作物生長模型相結合，充分利用作物生長模型的優勢解析不同要素對作物產量的限制程度。利用APSIM模型對東北春玉米的研究認為，農學因素是限制當地玉米產量提升的主要因素，通過改善農學因素如提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產品種可有效縮小產量差達40%[15]；通過Hybrid-Maize 模型對內蒙古地區產量差分析表明，該區域較大的產量差主要是因為栽培管理措施不當，縮小產量差可通過栽培技術改良、技術簡化和技術入戶來逐步實現[16]。CHEN等[17]在《Nature》上發文，指出中國農戶玉米、氮肥利用率遠低于高產高效體系，土壤-作物系統綜合管理氮肥偏生產力（1 kg氮肥生產的籽粒）達56—59 kg N·kg-1。

中國學者還對不同生產模式下的氮肥和水分利用效率等進行了定量化分析，提出土壤-作物綜合管理策略提升資源效率的潛力，氮肥生產效率從1 kg氮肥生產26 kg糧食增加到57 kg，同時實現了作物高產與資源高效的目標[18]。密植條件下，產量增益主要是由于綜合措施對春玉米耐密性的優化及群體資源效率的提升[19]，高產高效管理模式能夠在縮小玉米產量差距10%—20%的同時提高水氮利用效率50%以上，綜合栽培管理是實現產量與水氮利用效率協同提升的有效途徑[20-21]；秸稈還田方式通過調控耕層土壤養分周轉，對春玉米穩產和改善水氮利用效率具有重要作用[22]。冠根協同管理模式下春玉米產量增加主要歸因于根系生長增強，促進了根系和冠層之間的水分和養分運輸，很大程度上減少高密度下植株間的競爭，這可能是未來東北地區玉米可持續發展的關鍵途徑[23]。

近年來，關于效率差的研究多以不同生產模式或單項技術條件下養分、水分等資源效率差異及其生理機制為主，而針對我國東北春玉米區域內生態類型多樣、玉米品種熟期跨度大、旱作雨養區自然資源差異大的特點，不同生態區產量差與效率差的定量特征如何，造成產量與光溫肥水效率差異的主控因子有哪些，產量與效率層次差異形成的驅動機制是什么，如何通過技術組合優化消減產量與效率的層次差異，這些問題迫切需要通過系統的研究來回答。“十三五”以來，依托國家重點研發計劃項目的“東北春玉米產量與效率層次差異形成機制與豐產增效途徑（2016YFD0300103）”等課題，圍繞春玉米產量與效率差異定量化、機制解析、途徑探索及綜合栽培管理開展了一系列研究。

《中國農業科學》以“綜合農藝管理與春玉米縮差增效”專題形式刊發6篇文章，其中，“主要栽培措施對北方春玉米產量貢獻的定量評估”一文明確了當前生產中5項主要栽培措施對春玉米產量貢獻的優先序為種植密度、養分管理、品種耐密性、防病（兼化控）、耕作方式，定量了其對產量的貢獻率，指出產量和資源效率協同提高15%—20%的技術途徑[24]。“不同栽培技術因子對雨養春玉米產量與氮素效率差異的影響”一文探明了吉林省玉米主產區種植密度、耕作方式、氮素管理、品種在普通農戶、高產高效和超高產3個產量水平中對產量與氮素效率貢獻的大小、優先序以及技術因子的協同效應，明確了農戶水平下氮素管理對產量的貢獻率居首位，高產水平下種植密度和土壤耕作對產量貢獻較大[25]。“優化栽培措施對春玉米密植群體冠層結構及產量形成的調控效應”一文闡述了4種春玉米密植群體優化栽培模式下的冠層結構特征、冠層調控機制及對產量提高的貢獻，發現冠根綜合優化模式增產主要是因為增加了密植群體中下部光能截獲和光合碳代謝能力、促進了花后冠層物質生產及籽粒灌漿所致[26]。“不同株型玉米冠層光氮分布、衰老特征及光能利用對增密的響應”發現緊湊株型玉米密植時能較好協同優化冠層光氮空間分布、延緩群體冠層花后中下層葉片衰老、促進群體花后干物質和氮素積累，實現縮差增效[27]。“耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產量的影響”進一步證明，在遼寧省，秸稈條帶翻耕還田方式促進了作物根系形態發育及耕層空間分布、增加了干物質積累并優化了成熟期干物質向果穗的分配，有利于獲得高產[28]。“化學調控和氮肥對高密度下春玉米光熱水利用效率和產量的影響”一文解析了高密度下化學調控和氮肥對玉米光合特性、籽粒灌漿及光熱水利用效率的影響，確定了高密度條件下200 kg·hm-2施氮量和七葉期化控顯著改善了玉米的光合特性，促進了光熱水利用效率和產量協同提高[29]。上述論文豐富和發展了玉米產量差與效率差研究的相關理論與實踐，希望這些研究能為推動我國春玉米豐產增效協同發展提供有益的借鑒。

[1] TESTER M, LANGRIDGE P. Breeding technologies to increase crop production in a changing world., 2010, 327(5967): 818-822.

[2] FAO U N.. Rome: High- Level Expert Forum, 2009.

[3] WART J V, KERSEBAUM K C, PENG S, MILNER M, CASSMAN K G. Estimating crop yield potential at regional to national scales., 2013, 143(1): 34-43.

[4] 楊曉光, 劉志娟. 作物產量差研究進展. 中國農業科學, 2014, 47(14): 2731-2741.

YANG X G, LIU Z J.Advances in research on crop yield gaps., 2014, 47(14): 2731-2741. (in Chinese)

[5] DATTA S K.. New York (USA): Wiley-Interscience Productions, 1981.

[6] LOBELL D B, CASSMAN K G, FIELD C B. Crop yield gaps: Their importance, magnitudes, and causes., 2009, 34(1): 179-204.

[7] 李少昆, 王崇桃. 玉米生產技術創新?擴散. 北京: 科學出版社, 2010.

LI S K, WANG C T.. Beijing: Science Press, 2010. (in Chinese)

[8] GRASSINI P, THORBURN J, BURR C, CASSMAN K G. High-yield irrigated maize in the Western U.S. Corn Belt: I. On-farm yield, yield potential, and impact of agronomic practices., 2011, 120: 142-150.

[9] PINGALI P L, PANDEY S.. CIMMYT, Mexico, 2001: 1-24.

[10] LIANG W L, CARBERRY P, WANG G Y, LU R H. Quantifying the yield gap in wheat-maize cropping systems of the Hebei Plain, China., 2011, 124(2): 180-185.

[11] 李克南, 楊曉光, 劉園, 荀欣, 劉志娟, 王靜, 呂碩, 王恩利. 華北地區冬小麥產量潛力分布特征及其影響因素. 作物學報, 2012, 38(8): 1483-1493.

LI K N, YANG X G, LIU Y, XUN X, LIU Z J, WANG J, Lü S, WANG E L. Distribution characteristics of winter wheat yield and its influenced factors in North China., 2012, 38(8): 1483-1493. (in Chinese)

[12] MENG Q F, HOU P, WU L, CHEN X P, CUI Z L, ZHANG F S. Understanding production potentials and yield gaps in intensive maize production in China., 2013, 143(1): 91-97.

[13] EGLI D B. Comparison of corn and soybean yields in the United States: historical trends and future prospects., 2008, 100: 79-88.

[14] Foley J A, Ramankutty N, Brauman K A, Emily S C, Gerber J S, Johnston M, Mueller N D, O’Connell C, Ray D K, West P C, Balzer C, Bennett E M, Carpenter S R, Hill J, Monfreda C, Polasky S, Rockstr?m J, Sheehan J, Siebert S, Tilman D, Zaks D P. Solutions for a cultivated planet., 2011, 478: 337-342.

[15] 劉志娟, 楊曉光, 呂碩, 王靜, LIN X M. 東北三省春玉米產量差時空分布特征. 中國農業科學, 2017, 50(9): 1606-1616.

LIU Z J, YANG X G, Lü S, WANG J, LIN X M. Spatial-temporal variations of yield gaps of spring maize in Northeast China., 2017, 50(9): 1606-1616. (in Chinese)

[16] 李雅劍, 王志剛, 高聚林, 孫繼穎, 于曉芳, 胡樹平, 余少波, 梁紅偉, 裴寬. 基于密度聯網試驗和Hybrid-Maize 模型的內蒙古玉米產量差和生產潛力評估. 中國生態農業學報, 2016, 24(7): 935-943.

LI Y J, WANG Z G, GAO J L, SUN J Y, YU X F, HU S P, YU S B, LIANG H W, PEI K. Understanding yield gap and production potential based on networked variety-density tests and Hybrid-Maize model in maize production areas of Inner Mongolia., 2016, 24(7): 935-943. (in Chinese)

[17] CHEN X P, CUI Z L, FAN M S, Vitousek P, ZHAO M, MA W Q, WANG Z L, ZHANG W J, YAN X Y, YANG J C, DENG X P, GAO Q, ZHANG Q, GUO S W, REN J, LI S Q, YE Y L, WANG Z H, HUANG J L, TANG Q Y, SUN Y X, PENG X L, ZHANG J W, HE M R, ZHU Y J, XUE J Q, WANG G L, WU L, AN N, WU L Q, MA L, ZHANG W F, ZHANG F S. Producing more grain with lower environmental costs., 2014, 514(7523): 486-489.

[18] CHEN X P, CUI Z L, VITOUSEK P M, CASSMAN K G, MATSON P A, BAI J S, MENG Q F, HOU P, YUE S C, ROMHELD V, ZHANG F S. Integrated soil-crop system management for food security., 2011, 108(16): 6399-6404.

[19] 樸琳, 任紅, 展茗, 曹湊貴, 齊華, 趙明, 李從鋒. 栽培措施及其互作對北方春玉米產量及耐密性的調控作用. 中國農業科學, 2017, 50(11): 1982-1994.

PIAO L, REN H, ZHAN M, CAO C G, QI H, ZHAO M, LI C F.Effect of cultivation measures and their interactions on grain yield and density resistance of spring maize., 2017, 50(11): 1982-1994. (in Chinese)

[20] 王洪章, 劉鵬, 賈緒存, 李靜, 任昊, 董樹亭, 張吉旺, 趙斌. 不同栽培管理條件下夏玉米產量與肥料利用效率的差異解析. 作物學報, 2019, 45(10):1544-1553.

WANG H Z, LIU P, JIA X C, LI J, REN H, DONG S T, ZHANG J W, ZHAO B. Analysis of differences in summer maize yield and fertilizer use efficiency under different cultivation managements., 2019, 45(10): 1544-1553. (in Chinese)

[21] 張仁和, 胡富亮, 楊曉欽, 高杰, 郝引川, 張興華, 薛吉全. 不同栽培模式對旱地春玉米光合特性和水分利用率的影響. 作物學報, 2013, 39(9): 1619-1627.

ZHANG R H, HU F L, YANG X Q, GAO J, HAO Y C, ZHANG X H, XUE J Q. Effects of different cultivation patterns on photosynthetic characteristics and water use efficiency in dryland spring maize., 2013, 39(9): 1619-1627. (in Chinese)

[22] Sui P X, Tian P, Lian H L, Wang Z Y, Ma Z Q, Qi H, Mei N, Sun Y, Wang Y Y, Su Y H, Meng G X, Jiang Y. Straw incorporation management affects maize grain yield through regulating nitrogen uptake, water use efficiency, and root distribution., 2020, 10: 324.

[23] PIAO L, LI M, XIAO J L, GU W R, ZHAN M, CAO C G, ZHAO M, LI C F. Effects of soil tillage and canopy optimization on grain yield, root growth, and water use efficiency of rainfed maize in Northeast China., 2019, 9: 336．

[24] 楊哲, 于勝男, 高聚林, 田甜, 孫繼穎, 魏淑麗, 胡樹平, 李榮發, 李從鋒, 王志剛. 主要栽培措施對北方春玉米產量貢獻的定量評估. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3024-3035.

YANG Z, YU S N, GAO J L, TIAN T, SUN J Y, WEI S L, HU S P, LI R F, LI C F, WANG Z G. Quantitative evaluation of the contribution of main management factors to grain yield of spring maize in North China., 2020, 53(15): 3024-3035. (in Chinese)

[25] 曹玉軍, 姚凡云, 王丹, 呂艷杰, 劉小丹, 王立春, 王永軍, 李從鋒. 不同栽培技術因子對雨養春玉米產量與氮素效率差異的影響. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3036-3047.

CAO Y J YAO F Y, WANG D, Lü Y J, LIU X D, WANG L C, WANG Y J, LI C F. Effects of different agronomy factors on yield gap and nitrogen efficiency gap of spring maize under rain-fed conditions., 2020, 53(15): 3036-3047. (in Chinese)

[26] 樸琳, 李波, 陳喜昌, 丁在松, 張宇, 趙明, 李從鋒. 優化栽培措施對春玉米密植群體冠層結構及產量形成的調控效應. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3048-3058.

Piao L, li B, chen X C, DING Z s, ZHANG Y, Zhao M, LI C F. Regulation effects of improved cultivation measures on canopy structure and yield formation of dense spring maize population., 2020, 53(15): 3048-3058. (in Chinese)

[27] 柏延文, 張宏軍, 朱亞利, 鄭學慧, 楊梅, 李從鋒, 張仁和. 不同株型玉米冠層光氮分布、衰老特征及光能利用對增密的響應. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3059-3070.

BAI Y W, ZHANG H J, ZHU Y L, ZHENG X H, YANG M, LI C F, ZHANG R H. Responses of canopy radiation and nitrogen distribution, leaf senescence and radiation use efficiency on increased planting density of different variety types of maize., 2020, 53(15): 3059-3070. (in Chinese)

[28] 姜英, 王崢宇, 廉宏利, 王美佳, 蘇業涵, 田平, 隋鵬祥, 馬梓淇, 王英儼, 孟廣鑫, 孫悅, 李從鋒, 齊華. 耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產量的影響. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3071-3082.

JIANG Y, WANG Z y, LIAN H l, WANG M j, SU Y h, TIAN P, SUI P x, MA Z q, WANG Y y, MENG G x, SUN Y, LI C f, QI H. Effects of tillage and straw incorporation method on root trait at silking stage and grain yield of spring maize in Northeast China., 2020, 53(15): 3071-3082. (in Chinese)

[29] 劉笑鳴, 顧萬榮, 李從鋒, 張立國, 王明泉, 龔士琛, 陳喜昌, 李彩鳳, 魏湜, 李文華. 化學調控和氮肥對高密度下春玉米光熱水利用效率和產量的影響. 中國農業科學, 2020, 53(15): 3083-3094.

LIU X M, GU W R, LI C F, ZHANG L G, WANG M Q, GONG S C, CHEN X C, LI C F, WEI S, LI W H. Effects of chemical regulation and nitrogen fertilizer on radiation, heat and water utilization efficiency and yield of spring maize under dense planting condition., 2020, 53(15): 3083-3094. (in Chinese)

Integrated Agronomic Management Close the Gap of Yield and Resource Use Efficiency for Maize Production

LI CongFeng1, WANG ZhiGang2, WANG YongJun3, QI Hua4, GU WanRong5, ZHANG RenHe6, ZHOU WenBin1, ZHAO Ming1

(1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010020;3Institute of Agricultural Resources and Environment, Jilin Academy of Agriculture Sciences, Changchun 130033;4College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866;5College of Agronomy, Northeast Agricultural University, Harbin 150030;6College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.15.003

2020-07-01；

2020-07-26

國家重點研發計劃（2016YFD0300103）、國家玉米產業技術體系專項（CARS-02-12）、國家自然科學基金（31971852）

李從鋒，E-mail：licongfeng@caas.cn

（責任編輯 楊鑫浩）