玉米超高产精确栽培研究进展

景立权， 袁建华， 赵福成，3， 陆大雷， 陆卫平

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏 扬州 225009;2.江苏省农业科学院粮食作物研究所，江苏 南京210014;3.浙江省东阳玉米研究所，浙江 东阳 322100)

粮食是社会稳定的基础，在有限的土地资源和水资源，异常的气候变化(高温干旱、生长季节缩短、低温寡照等)导致仅靠传统的栽培模式无法继续增产的情况下［1-3］，如何提高全球粮食产量养活未来世界更多人口已成为全世界各国政府关注的焦点［4-5］，粮食成了重要的战略性物资［6］。据报道，中国玉米连续8年增产(2004～2011年)，近年来玉米在中国粮食增产中的作用达55%［7］，玉米已超过水稻成为中国种植面积最大的作物［8］。自2006年中国开始实施玉米高产群体创建活动以来，单产达到15 000 kg/hm2的地块不断增加(2006年18块，2007年21块，2008年41块，2009年45块，2010年38块)，有效展示了玉米进一步大幅度增产的潜力［9］。近年来玉米产量水平不断提高不但得益于施肥和改良品种［10-11］，还与玉米高产超高产群体的形成与栽培措施有着密切关系［12-13］。美国从1930年到1990年粮食增产中，相对于遗传因子的改良，农艺栽培措施同样作出了较大的贡献［14］。Tollenaar等［14］指出近30年来美国杂交玉米品种的高产潜力几乎没有增长，玉米总产的提高主要得益于农艺措施的改良。大量研究结果表明玉米产量和杂交优势的发挥受制于环境因子及其影响下的生理性状［15-17］。确定高产超高产群体质量指标及其生物学规律，利用现代农业信息技术等手段，采取精确栽培管理的方法满足作物水肥需求的栽培模式，必将代替传统的规范化和模式化栽培方式，成为未来作物栽培管理的发展方向［18］。本文概述玉米高产超高产群体质量研究进展，阐述精确栽培模式研究现状，对其在玉米高产超高产上的应用提出建议，旨在为其在生产上的推广提供理论依据。

1 玉米高产超高产的概念

超高产一词正式使用始于日本。为解决未来人口粮食危机，1981年，日本农林水产省开始实施题为“超高产水稻开发及栽培技术确立”的大型合作研究项目，提出比对照品种增产50%为超高产品种［19］。超高产是一个相对概念，习惯认为超高产就是高产再高产，或产量有较大幅度的突破［19-20］。因此，也有学者反对使用超高产一词，认为随着时代的不同，高产标准自然也不同，超高产的概念不准确［21］。超高产是对高产品种的超高产潜力的挖掘，一个品种的超高产潜力被定义为这个品种生长在最适合的田块上，整个生育周期不受水和营养物质的限制，并且病虫害得到很好控制下的产量为本品种的超高产产量［22］，超高产是作物品种在一定生态区域和栽培条件下诸多综合因素和谐互作的结果。20世纪90年代学者认为作物产量水平比高产提高30%为超高产［23］。“十五”期间国家“863”计划提出的超高产作物品种指标是在现有水平上增产15% ～20%以上。囿于品种、栽培技术、环境条件、气候、地力等因素，中国尚未出台玉米高产超高产的统一界定标准。目前，中国夏玉米高产为9 000 kg/hm2左右，李潮海等［24］认为一般将玉米产量比高产提高1/3以上视为超高产，即大于或等于12 000 kg/hm2为超高产。任洪［25］认为超高产玉米杂交种是指产量在12 000 kg/hm2以上或产量超过对照品种20%以上的玉米高产良种。杨今胜等［26］以产量大于或等于15 000 kg/hm2为夏玉米超高产的判定标准。目前，全国玉米栽培专家普遍认为，在目前生产条件下，玉米单产超过15 000 kg/hm2或比同生育期主栽对照品种增产20%即为超高产水平［27-28］。

2 玉米高产超高产精确栽培

2.1 栽培指标的精确化

2.1.1 轻量化精确定量栽培 21世纪初，在作物叶龄模式和群体质量指标2项研究成果的基础上，凌启鸿提出了轻量化精确定量栽培的理论与技术，总结了轻量化精确定量栽培技术的概念，指出作物精确定量轻简栽培是以适宜的最少作业次数，在最适宜的生育时期，用最适宜的物化技术数量，即在“三适宜”上的精确定量［29］。采用轻量化精确定量栽培技术能保证作物高产优质，同时又能省工、节约资源、减少污染，达到高产优质高效生态安全的综合目标［29］。在水稻上的研究结果表明轻量化精确定量栽培包括精确确定基本苗数、施肥比例和施肥量并根据作物叶龄模式准确确定最佳作业模式和最少作业次数。确定适宜的高产超高产群体质量指标，参照作物叶龄模式，选择最优调控时机及措施，达到作物高产超高产目的，是轻量化精确定量栽培技术的核心。轻量化精确定量栽培的理论与技术在中国水稻上的研究较为成熟，主要表现在对稻田氮肥与灌溉水实施精确定量使用，已有多个关于水稻高产超高产群体的报道［30-31］。在国外也有通过精确灌溉取得玉米高产超高产的研究［32-33］。中国自主创新形成的水稻精确定量轻简栽培理论和技术体系，已达到具有普遍指导意义和广泛适用性的程度［29］，但在玉米生产上的应用还须进一步探索和研究。

2.1.2 玉米高产超高产群体质量指标 作物群体包括数量和质量2方面的含义，作物产量是作物群体与个体生产能力博弈的结果。作物群体早在20世纪50年代就已经成为诸多农学家学术争鸣的焦点［34］。1960年前后，靠扩大群体数量期待达到作物高产的失败及学者们的大量结果研究表明，要提高作物产量并不是群体的数量越大越好。随后，上海植物生理研究所殷宏章课题组开始研究作物群体结构，提出了群体概念、内容及群体与个体的矛盾等，引起了学术上强烈反响，并深刻地推动了这一领域发展，促进了作物生产［34］。直到20 世纪80 ～90 年代，凌启鸿等［35］鲜明地提出了群体质量的概念及提高作物群体质量是主攻作物单产的基本途径的论断，并先后在水稻、小麦、玉米等作物上开展研究，取得了巨大的成功。凌启鸿等指出群体质量是各项指标中最优化的数值，高产群体质量指标就是指能不断优化群体结构，实现高产更高产的各项形态、生理指标［34-35］。高产超高产群体质量指标具体包括:(1)提高灌浆期群体干物质积累;(2)在群体最大叶面积期达到最适叶面积值(LAI);(3)在实现适宜叶面积值的同时尽可能扩大库;(4)提高粒/叶比;(5)提高有效叶面积率和高效叶面积率;(6)壮秆和合理茎枝结构;(7)提高根系活力的质量指标［35］。20 世纪90 年代，陆卫平［36］较详细地研究了玉米高产群体质量指标及相关调控技术:(1)提高花后物质积累量是玉米高产群体质量的本质指标;(2)控制吐丝期适宜的LAI值(春玉米为5.10±1.00，夏玉米为4.83±1.10);(3)并在此基础上提高总粒数和粒叶比(最大值为2.03)，减少空秆叶面积，增大倒7～5叶叶面积，增加茎粗、茎鞘重，增加气生根量等。

新世纪以来随着新的耐密、多抗性品种的出现，玉米最高产量屡被刷新，2005年出现中国玉米单产最高纪录(21 043.5 kg/hm2，山东莱州)［37］，同时生产上也涌现出越来越多的15 000 kg/hm2玉米高产田块［27］。异于前期的玉米高产超高产群体特征也被许多学者报道，表1表明，近年来的超高产群体多呈现较大的群体密度和干物质积累，最大群体密度达1hm2112 500株，全国高产田平均密度为1hm295 850株。中国普通玉米的现行种植密度在1 hm260 000株左右，而在同纬度的西北欧，适宜的普通玉米种植密度为 1 hm2100 000株［44］。

表1 玉米高产超高产群体质量Table 1 Population quality of super high yield maize

而超高产群体干物质总积累量也多高于30 000 kg/hm2。与20世纪90年代相比，近年来超高产群体叶面积指数、粒叶比也有较大的提高，叶面积指数最高达8.2，全国平均7.3;粒叶比最高达3.22，在2.50以上的居多。Ratricio等［45］的研究结果也表明增加种植密度和延长杂交种的成熟期是获得玉米超高产的2个重要途径。综上所述，大群体、高积累、多转化和较长的灌浆期是当前玉米高产超高产群体形成的基础。

2.1.3 调控途径精确化 玉米高产超高产群体质量的研究，促进了玉米高产超高产群体质量指标的形成。很多学者又试图通过栽培途径精确地调控群体达到这些指标。相对于温、光、水，栽培专家更倾向于通过肥料的运筹对玉米群体实施调控。从氮肥调控的栽培措施入手则容易敲开精确定量栽培技术的大门［29］。大量研究结果表明，玉米产量并不随氮肥施入量的提高而一直增加，过度施肥可能产生严重的负面效应。张瑞富等［46］的研究结果表明，在 300 kg/hm2(种肥、拔节肥、大口肥的比例为1∶3∶6)施氮水平下，干物质转移效率和子粒产量最大。过量氮肥的施用导致玉米收获后土壤硝态氮累积量达到121～221 kg/hm2，残留率可达30% ～65%，影响玉米根系“趋肥性”生物学潜力的发挥，也造成了氮肥的大量损失［47］。过量氮肥的施用污染了环境，严重影响了全球大气氮循环［48］，污染了地表水，造成富营养化，排放大量温室气体等［49-51］。为控制过量施氮对作物生长发育的不利影响，在集约化农业生产中对氮肥的施用需要精准调控［52］。Ju等［52］总结出施氮量的数学表达式:N施氮量=N需氮量－N氮流失量+N土壤含氮量。Varinderpal等［53］根据不同基因型玉米叶的颜色与叶色表(Leaf colour chart)对比，准确判断并管理玉米的需氮量，也获得了高产。Blackmer等［54］阐述了通过遥感技术精确探测玉米群体氮营养情况，从而通过准确的氮肥运筹以提高产量。美国诸多学者研究了将主动式传感器(Active sensors)安装在农机上以实时探测玉米氮营养状况并做出精确回应，达到精确施氮的目的［55-57］。此外群体对氮肥的吸收还跟季节、地形、海拔、土壤的电导性等诸多因素有关，Nicolas等［58］研究结果表明高土壤电导性、低海拔、有斜坡的地势更利于玉米对氮肥的吸收。Ziadi等［59］的研究结果表明氮、磷在玉米植株内的积累存在相互协作的作用，增施氮有利于玉米对磷肥的吸收，生产中可以通过探测磷的积累量来诊断氮的积累量。Gilles等［60］进一步指出，利用最上部叶片为材料诊断植株氮盈亏的方法会更加准确。

2.2 栽培管理的精确化

作物超高产栽培指标及其生物学规律的研究，为作物精确栽培管理奠定了基础。随着现代作物栽培学与新兴学科领域的交叉与融合，不同于凌启鸿提出的轻量化精确定量栽培技术，曹卫星等［18］将系统科学与信息技术应用于作物栽培学，并对作物栽培学所涉及的对象和过程进行数字化设计、信息化感知、动态化模拟，从而实现作物栽培管理的定量化与精确化。赵春江等［61］提出“数字植物”的概念，指出广义的“数字植物”是一个开放式的信息服务和共享平台，该平台可实现对植物生命系统和农业生产系统行为的感知和认知，“数字植物”是数字农业的基础。针对数字农业的发展趋势和应用前景，近20年来，美国、加拿大、荷兰、法国等发达国家十分重视建立基于农作系统模型和地理信息系统(GIS)技术的数字化农业生产实验系统，并在示范应用中获得了突出的社会、经济和生态效益［62］。

美国、加拿大等国家基于地理信息系统的精确农业变量施肥技术与农机结合后，使肥料利用率和施肥增产效益提高到较理想的水平，其氮肥当季利用率可达60%以上，而中国江苏省的利率用只有30%左右［63］。近年来，中国也有学者深入地研究了精确栽培管理的方法。马彦平等［64］试图应用具有方便、快捷、准确等优点的数字图法代替蒙法等测量玉米面积，取得了成功。孙钦平等［65］利用可见光光谱形成的数字图像对施用有机肥后的玉米氮营养进行诊断，结果表明图像的红光值是较好的进行营养诊断的数字图像。赵春江等［66］利用数学模型模拟玉米叶片的三维形态，进而实现玉米株型的矢量化。陈青春等［67］的研究结果表明，水稻穗肥施用前地上部植株氮积累量与光谱仪冠层光谱参数的定量关系，可为水稻精确追氮提供决策依据。基于作物生长发育规律，综合遗传潜力、环境效应和技术调控之间因果关系的作物生长模型是模拟作物生长状况、预测生产潜力的有效工具［68］。黄彦等［69］将遥感与作物生长模型相耦合，较准确地对冬小麦生长进行了预测。将包括遥感(RS)、GIS、全球定位系统(GPS)与决策支持系统(DSS)等在内的农业信息技术引入传统施肥中，是精确稻作的核心内容［63］。黄彦等［69］和高辉等［70］利用VB6.0与MapObject2.2开发的精确施肥信息系统为姜堰、泰州等水稻定量施肥决策提供了信息技术支撑。张淑杰等［71］利用WOFOST模型对辽宁省干旱地区玉米产量进行模拟，结果表明正常年份和一般干旱年份玉米产量的模拟能力较好。综合以上研究成果，围绕作物精确栽培的关键技术及应用系统，南京农业大学以小麦、水稻为主要对象，在作物栽培方案的定量设计、作物生长指标的光谱诊断、作物生产力形成的模拟预测等3个领域取得了显著的研究进展，已进入生产应用推广阶段［18］。

3 玉米超高产精确栽培研究存在的问题及展望

3.1 精确栽培存在的问题

相对于小麦、水稻，精确栽培管理在中国玉米方面的研究相对落后。而被美国广泛应用于生产实际的最具代表性的CERES模型中，被首先发表的就是CERES-玉米模型［72］。此外，玉米高产超高产基础理论及群体质量指标等的研究相对滞后［73］。各地或同一地区不同年份的研究结果差距较大。在决定玉米超高产群体形成的诸多生理生态因素中，到底哪一个因素最关键，尚不明确。这些问题严重阻碍了新时期玉米超高产技术的发展，导致其在生产上的推广无“法”可依，严重阻碍中国各地玉米的进一步增产。

3.2 精确栽培研究展望

应深入研究玉米高产超高产群体质量特征及生物学基础规律，包括群体需肥规律、最佳群体密度、干物质积累、叶面积指数、可溶性糖含量、氮磷钾积累量及碳氮比等及其生物学过程及其机理。从光合作用过程、养分摄取、同化物分配、蒸腾作用过程、生长和呼吸作用、叶片的生长与扩展、形态发育与衰老等主要生理过程建立生长模拟模型［74］，进一步改进和完善不同生产条件下作物栽培方案的精确设计、作物生长状况的精确诊断、作物生产力的精确预测等核心关键技术，不断提高其适用性和准确性，从而实现对玉米生长与生产系统的全程化智慧管理［18］。借助精确农作理论及方法在水稻、小麦上的应用体系，逐渐向玉米拓展，加快其在玉米高产超高产栽培管理上的推广应用。

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