李從鋒，王志剛，王永軍，齊華，顧萬榮，張仁和，周文彬，趙明

·導(dǎo)讀·

綜合農(nóng)藝管理推動(dòng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010020；3吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 長春 130033；4沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866；5東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；6西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌，712100）

當(dāng)前，世界糧食單產(chǎn)徘徊不前，現(xiàn)有耕地糧食產(chǎn)量難以保障持續(xù)增長的剛性需求。據(jù)預(yù)測，糧食總產(chǎn)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(chǎn)和環(huán)境安全將主要依靠單產(chǎn)和資源效率的協(xié)同提升[3]?？s小不同作物種植系統(tǒng)的單產(chǎn)差距，是進(jìn)一步提高單產(chǎn)的主攻方向。準(zhǔn)確定量作物產(chǎn)量和效率潛力以及產(chǎn)量與效率差異特征，確定產(chǎn)量差、效率差形成的主控因子，對(duì)主要糧食作物可持續(xù)增產(chǎn)具有重要作用[4]。

產(chǎn)量差的研究始于20世紀(jì)70年代中期，通常將作物光溫理論產(chǎn)量、高產(chǎn)紀(jì)錄產(chǎn)量、試驗(yàn)站產(chǎn)量和農(nóng)戶產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差異定義為產(chǎn)量差[5-7]。近年來，作物產(chǎn)量差研究愈加受到全球科學(xué)家的關(guān)注，作物學(xué)領(lǐng)域重要期刊《Field Crops Research》出版了“Yield Gap（產(chǎn)量差）”研究?？?013），闡述研究的重點(diǎn)在于定量揭示產(chǎn)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(chǎn)量差的栽培管理措施。以玉米為例，發(fā)達(dá)國家由于栽培管理水平相對(duì)較高，玉米產(chǎn)量提升空間較小，如美國內(nèi)布拉斯加州玉米產(chǎn)量的提升幅度僅為11%[8]，而在發(fā)展中國家玉米的產(chǎn)量提升幅度高達(dá)60%—70%[9]；在非洲的熱帶玉米種植區(qū)，由于栽培管理?xiàng)l件較差、養(yǎng)分嚴(yán)重缺乏、水分脅迫以及病蟲害的影響，玉米產(chǎn)量的提升潛力高達(dá)80%以上[6]。中國學(xué)者定量了玉米生產(chǎn)體系產(chǎn)量潛力及產(chǎn)量差的區(qū)域特征，確定了影響作物實(shí)際產(chǎn)量和生產(chǎn)潛力之間產(chǎn)量差的資源制約因子及限制程度[10-12]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物產(chǎn)量差的限制因子也進(jìn)行了大量研究，對(duì)美國玉米產(chǎn)量增加的原因分析表明，自20世紀(jì)30年代以來，美國玉米產(chǎn)量增長的50%—60%歸功于玉米雜種優(yōu)勢(shì)的利用，而40%—50%歸功于農(nóng)田管理、肥料和栽培技術(shù)的提高，如施肥量、灌溉量、播種密度的增加和機(jī)械化程度的提高等[13]。針對(duì)主要作物產(chǎn)量提升的研究表明，通過改善養(yǎng)分管理和增加灌溉量，大部分農(nóng)作物產(chǎn)量可增加45%—70%[14]。但總體而言，產(chǎn)量差限制因素解析比較復(fù)雜，各種方法都存在不同的缺陷，在解析產(chǎn)量差限制因素時(shí)，應(yīng)將田間試驗(yàn)方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和作物生長模型相結(jié)合，充分利用作物生長模型的優(yōu)勢(shì)解析不同要素對(duì)作物產(chǎn)量的限制程度。利用APSIM模型對(duì)東北春玉米的研究認(rèn)為，農(nóng)學(xué)因素是限制當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)量提升的主要因素，通過改善農(nóng)學(xué)因素如提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種可有效縮小產(chǎn)量差達(dá)40%[15]；通過Hybrid-Maize 模型對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)產(chǎn)量差分析表明，該區(qū)域較大的產(chǎn)量差主要是因?yàn)樵耘喙芾泶胧┎划?dāng)，縮小產(chǎn)量差可通過栽培技術(shù)改良、技術(shù)簡化和技術(shù)入戶來逐步實(shí)現(xiàn)[16]。CHEN等[17]在《Nature》上發(fā)文，指出中國農(nóng)戶玉米、氮肥利用率遠(yuǎn)低于高產(chǎn)高效體系，土壤-作物系統(tǒng)綜合管理氮肥偏生產(chǎn)力（1 kg氮肥生產(chǎn)的籽粒）達(dá)56—59 kg N·kg-1。

中國學(xué)者還對(duì)不同生產(chǎn)模式下的氮肥和水分利用效率等進(jìn)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(chǎn)效率從1 kg氮肥生產(chǎn)26 kg糧食增加到57 kg，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了作物高產(chǎn)與資源高效的目標(biāo)[18]。密植條件下，產(chǎn)量增益主要是由于綜合措施對(duì)春玉米耐密性的優(yōu)化及群體資源效率的提升[19]，高產(chǎn)高效管理模式能夠在縮小玉米產(chǎn)量差距10%—20%的同時(shí)提高水氮利用效率50%以上，綜合栽培管理是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與水氮利用效率協(xié)同提升的有效途徑[20-21]；秸稈還田方式通過調(diào)控耕層土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)，對(duì)春玉米穩(wěn)產(chǎn)和改善水氮利用效率具有重要作用[22]。冠根協(xié)同管理模式下春玉米產(chǎn)量增加主要?dú)w因于根系生長增強(qiáng)，促進(jìn)了根系和冠層之間的水分和養(yǎng)分運(yùn)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(qū)玉米可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵途徑[23]。

近年來，關(guān)于效率差的研究多以不同生產(chǎn)模式或單項(xiàng)技術(shù)條件下養(yǎng)分、水分等資源效率差異及其生理機(jī)制為主，而針對(duì)我國東北春玉米區(qū)域內(nèi)生態(tài)類型多樣、玉米品種熟期跨度大、旱作雨養(yǎng)區(qū)自然資源差異大的特點(diǎn)，不同生態(tài)區(qū)產(chǎn)量差與效率差的定量特征如何，造成產(chǎn)量與光溫肥水效率差異的主控因子有哪些，產(chǎn)量與效率層次差異形成的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是什么，如何通過技術(shù)組合優(yōu)化消減產(chǎn)量與效率的層次差異，這些問題迫切需要通過系統(tǒng)的研究來回答?！笆濉币詠?，依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的“東北春玉米產(chǎn)量與效率層次差異形成機(jī)制與豐產(chǎn)增效途徑（2016YFD0300103）”等課題，圍繞春玉米產(chǎn)量與效率差異定量化、機(jī)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(nóng)業(yè)科學(xué)》以“綜合農(nóng)藝管理與春玉米縮差增效”專題形式刊發(fā)6篇文章，其中，“主要栽培措施對(duì)北方春玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)的定量評(píng)估”一文明確了當(dāng)前生產(chǎn)中5項(xiàng)主要栽培措施對(duì)春玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)的優(yōu)先序?yàn)榉N植密度、養(yǎng)分管理、品種耐密性、防?。婊兀⒏鞣绞?，定量了其對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，指出產(chǎn)量和資源效率協(xié)同提高15%—20%的技術(shù)途徑[24]?！安煌耘嗉夹g(shù)因子對(duì)雨養(yǎng)春玉米產(chǎn)量與氮素效率差異的影響”一文探明了吉林省玉米主產(chǎn)區(qū)種植密度、耕作方式、氮素管理、品種在普通農(nóng)戶、高產(chǎn)高效和超高產(chǎn)3個(gè)產(chǎn)量水平中對(duì)產(chǎn)量與氮素效率貢獻(xiàn)的大小、優(yōu)先序以及技術(shù)因子的協(xié)同效應(yīng)，明確了農(nóng)戶水平下氮素管理對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率居首位，高產(chǎn)水平下種植密度和土壤耕作對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大[25]?！皟?yōu)化栽培措施對(duì)春玉米密植群體冠層結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應(yīng)”一文闡述了4種春玉米密植群體優(yōu)化栽培模式下的冠層結(jié)構(gòu)特征、冠層調(diào)控機(jī)制及對(duì)產(chǎn)量提高的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)冠根綜合優(yōu)化模式增產(chǎn)主要是因?yàn)樵黾恿嗣苤踩后w中下部光能截獲和光合碳代謝能力、促進(jìn)了花后冠層物質(zhì)生產(chǎn)及籽粒灌漿所致[26]?！安煌晷陀衩坠趯庸獾植?、衰老特征及光能利用對(duì)增密的響應(yīng)”發(fā)現(xiàn)緊湊株型玉米密植時(shí)能較好協(xié)同優(yōu)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(jìn)群體花后干物質(zhì)和氮素積累，實(shí)現(xiàn)縮差增效[27]?！案骱徒斩掃€田方式對(duì)東北春玉米吐絲期根系特征及產(chǎn)量的影響”進(jìn)一步證明，在遼寧省，秸稈條帶翻耕還田方式促進(jìn)了作物根系形態(tài)發(fā)育及耕層空間分布、增加了干物質(zhì)積累并優(yōu)化了成熟期干物質(zhì)向果穗的分配，有利于獲得高產(chǎn)[28]?！盎瘜W(xué)調(diào)控和氮肥對(duì)高密度下春玉米光熱水利用效率和產(chǎn)量的影響”一文解析了高密度下化學(xué)調(diào)控和氮肥對(duì)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(jìn)了光熱水利用效率和產(chǎn)量協(xié)同提高[29]。上述論文豐富和發(fā)展了玉米產(chǎn)量差與效率差研究的相關(guān)理論與實(shí)踐，希望這些研究能為推動(dòng)我國春玉米豐產(chǎn)增效協(xié)同發(fā)展提供有益的借鑒。

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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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300103）、國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（CARS-02-12）、國家自然科學(xué)基金（31971852）

李從鋒，E-mail：licongfeng@caas.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）