基于Hybrid-Maize 模型的3个生态地点玉米产量潜力评估*

白金顺，尤 飞

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引言

玉米是我国第一大粮食作物，在保障粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。近年来，在政策和科技等因素的综合作用下，我国粮食产量实现“十二连增”，玉米产量也连年攀升[1]，然而，近10年来的玉米单产增长速率仍然低于科学界对满足我国未来玉米消费所需产量增加速率的预测值2%[2]，同时，我国玉米总产是世界上仅次于美国的第二大生产国，而玉米单产水平仅有美国的53%[3]。因而，提高和挖掘玉米产量潜力仍然是未来玉米栽培学科持续关注的重要方向之一。

产量潜力是指品种在适应的环境中当水分、养分胁迫和土壤毒害、杂草和病虫害的影响被完全消除时所能取得的产量[4]。自20世纪80年代我国出现吨粮田以来，高产典型不断出现，特别是近10年来，玉米高产记录被不断刷新，且在全国范围内的高产重现性也得到极大提高[5]。通过高产成果的总结，各地纷纷提出了相应的玉米高产技术与措施，并开始广泛地应用到玉米生产实践，如农业农村部推广的“一增四改”关键技术，山东省推广的“双晚”技术，吉林省推广的“缩株增密”技术等[5]，因而，定量地理解与认识这些高产措施对玉米产量潜力影响及其时空变化特征将有助于这些措施在玉米生产中有效地发挥作用。

作物生长模型是对于作物、环境与管理3者之间关系的系统、定量的数学模拟，它是量化作物产量潜力的常用方法，也是作物管理和科学研究的一项重要工具[6]。前人利用相关玉米模型(如CERES-Maize模型)开展玉米生产潜力评估[7]和玉米单产对气候变化的响应等相关研究[8]，对提高玉米与环境间互作关系的认识起到了积极作用。Hybrid-Maize模型是2004年由美国内布拉斯加州林肯大学集合现有作物通用模型(如：INTERCOM模型)和玉米专用模型(如CERES-Maize模型)两者的优点基础上开发的玉米生长模拟模型[9-10]，因其能够敏感反映玉米对环境条件的响应和准确模拟优化管理条件下的产量潜力，近年来在世界各地被广泛应用[11-12]。我国科学家也对模型在不同的地区开展了模型校验及产量潜力评估等工作[13-14]，而对目前生产玉米主推栽培技术的增产潜力及基于模型的玉米高产体系定量设计关注较少。

文章选取位于分别华北和西北的3个代表性地点(北京，泰安和榆林)为研究对象，定量评价当前生产中主推的代表性玉米高产技术(直播、晚收和增密)对玉米产量潜力的影响，设计构建不同地点的玉米高产栽培体系，以期为玉米高产措施的合理应用和玉米高产体系的设计构建提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 Hybrid-Maize模型

Hybrid-Maize玉米生长模型是美国内布拉斯加州林肯大学科研团队自主研发的基于过程模拟的机理模型[9-10]，其主要特点是综合集成了国际常用的作物通用型和玉米专用型两类作物模型优势模块儿，更能敏感反映玉米产量潜力对光温变化的响应，同时加入一些实用新模块，且在接近玉米生产潜力的田块儿中进行了校验，克服了已有作物模型难以用于高产玉米生产体系模拟的缺点。能用于模拟在无限制或水分限制条件下的玉米潜在生长、发育、光合同化、同化物分配和产量形成。它以每日为步长，温度是玉米生长发育、冠层光合、器官生长和维持呼吸的驱动因子，模拟无限制因子条件的玉米产量潜力时需要输入的主要参数包括不低于10年的每日气象数据(太阳辐射、最高温度、最低温度)，玉米有效生长积温(GDD)和管理(播种日期、播种深度和种植密度)信息。该模型可用于评价某一地区不同管理措施(品种、播期和密度)相互组合下的长期产量潜力，对于确定合理的高产栽培措施配置具有重要作用。目前是美国玉米带和印度尼西亚以及国际植物营养研究所支持的“全球玉米”计划中玉米高产的重要管理工具，同时也是全球“产量差地图”研究项目中玉米产量潜力模拟的主要手段。

1.2 研究地点

为研究不同生态区玉米高产措施增产潜力，该文选择分别位于华北地区北部的北京(北纬39.8°，东经116.5°，海拔31m)、华北地区南部的泰安(北纬36.2°，东经117.2°，海拔128m)和西北地区的榆林(北纬38.3°，东经109.8°，海拔1 157m)作为研究地点。北京属北温带半湿润大陆性季风气候，全年无霜期180～200d，年平均日照时数在2 000～2 800h之间，春夏玉米均可种植。泰安属暖温带温润性季风气候，年平均日照数2 342～3 413h之间，无霜期平均195～241d，是典型的夏玉米种植区。榆林属暖温带至中温带半干旱大陆性季风气候，日差较大，无霜期短，光能资源丰富，年日照时数2 600～2 900h，是典型的春玉米种植区。

1.3 情景模拟

模型模拟所需的各地30年气象数据来自国家气象局，其中，泰安和榆林点的太阳辐射数据由日照时数广泛使用的AP模型计算而来[15]。玉米品种选择大面积推广应用的郑单958，其生长发育的信息根据前期的实验结果获得，在该研究中成熟期GDD设置为1 612，吐丝期GDD设置为813，除模拟增密措施和高产设计模式外，密度均以为5.5万株/hm2为模拟输入。播种深度统一设置为5cm，其他管理信息输入依据研究地点和分析目的进行相应设置。

该研究在进行“直播、晚收、增密”3种玉米高产技术进行产量潜力模拟时，因榆林是典型的北方春玉米种植区且无霜期较短，播期和收获期调节窗口较小，因而，对直播和晚收措施的模拟主要针对北京和泰安点进行模拟，具体日期的设置参考当前的生产实际，套播日期统一设定为6月5日，直播日期在北京为6月15日，在泰安为6月20日。根据前期模拟测试和田间研究结果，郑单958在北京和泰安的收获期大致在9月底至10月初的范围内，在该研究中对晚收措施的数据分析窗口也设置在9月20—30日之间，以5 d为间隔分段分析，模拟时的播种期设置均为直播日期。在模拟密度效应时，根据我国目前生产品种的耐密特性，密度的范围设置在5.5万～9.5万株/hm2之间，以0.5万株/hm2间隔递增模拟，播期的设置参考当前生产实际情况。

在进行不同研究地点基于模型的玉米高产体系构建时，设置对照模式和高产设计模式两类模拟情景，对照体系为各地当前管理方式，主要根据文献报道和个人农户调研经验确定，北京当前模式为6月15日播种、5.5万株/hm2和生理成熟期收获。泰安为6月5日播种、5.5万株/hm2和生理成熟期收获。榆林为4月20日播种、5.5万株/hm2和生理成熟期收获。不同地点的玉米高产设计模式主要依据模型对不同高产措施增产效应的模拟结果进行优化组合设置。

图1 套种改为直播对北京和泰安玉米产量潜力的影响

图2 不同地点的产量潜力随模拟播种时期的变化

2 结果与分析

2.1 “套种改为直播”的产量潜力变化

为探明“套种改为直播”措施对玉米产量潜力及玉米生长季光温资源配置的影响，该研究以当前生产上广泛使用的主导玉米品种郑单958和当前生产密度(5.5万株/hm2)作为管理信息输入进行30年的长期模型模拟。结果表明(图1)，在套种条件下，泰安长期平均模拟产量潜力为12.3t/hm2，而北京的长期平均模拟产量潜力为11.1t/hm2，两者的产量差距主要与玉米生长季太阳总辐射差异有关(表1)； 套种改为直播后，北京和泰安两地的产量潜力分别提高18%和20%。可见，直播措施是华北地区提高产量潜力的有效途径。

对玉米生长季光温资源配置情况的分析结果表明(表1)，套种改为直播后，玉米总生育期明显延长，在北京和泰安分别延长17d和18d。玉米营养生长季天数略有缩短(1～2d)，而生殖生长天数明显延长，在北京和泰安分别延长18d和20d。玉米生育期变化主要与套种改为直播后总生育期和生殖生长期平均温度明显下降，而营养生长季温度升高密切相关，同时玉米生育期的总太阳辐射量略有增加，整体上，光温资源的配置有利于前期玉米冠层的快速构建，后期有效灌浆时期有效延长，从而促进生物量和产量增加。

为进一步明确和展示不同地点通过播期调整对产量潜力影响的动态变化和最佳播期的选择，开展连续每5d为一周期的不同地点的长期产量潜力随播期变化的模拟。该研究从能够保证种子正常发芽的温度开始模拟，模拟的播种窗口在北京和泰安为4月15日到6月20日。结果如图2所示，整体而言，泰安的同播期产量潜力略优于北京，主要与两地太阳总辐射量差异有关(表1)。两地模拟产量潜力随玉米播期调整的变化规律基本一致，均表现为在5月20号之前，播期的调整对于产量潜力的变化影响甚微，而从此之后开始呈类指数增长趋势，在6月5号左右最为明显，在6月5—15号之间，每晚播1d，可以增长籽粒产量潜力约150kg/hm2。然而，模型模拟结果显示，如果播种期设置为6月20日，从长期的历史气象年型来看在北京玉米生长季发生霜冻的概率在26%，泰安的霜冻概率为15%(数据未列出)。因而，我们选择在北京的最晚播期应在6月15日(霜冻概率为4%)之前完成，而在泰安在此时播种是没有霜冻风险的，所以泰安可以适当晚3～4d左右播种。

表1 套种改为直播措施对北京和泰安玉米生长季光温资源配置的影响

地点播种产量潜力(t/hm2)生物量(t/hm2)天数(d)总辐射(MJ/m2)平均气温(℃)吐丝前吐丝后生育期吐丝前吐丝后生育期北京套种长期平均11.1217.2248541021 67126.124.925.5变异系数(%)985977354直播长期平均13.3118.5247721191 77626.621.123.3变异系数(%)966191384128泰安套种长期平均12.3219.7249551041 92825.924.625.2变异系数(%)894967354直播长期平均14.5620.8947751222 05126.520.923变异系数(%)11942013113108

2.2 “晚收”对产量潜力的影响

生产上因紧凑型玉米品种有“假熟”现象，农民收获时玉米并未达到生理成熟，限制了玉米产量潜力的发挥。而适时晚收可延长灌浆时间，利于玉米高产。该研究利用作物模拟模型对不同收获时期的玉米产量潜力变化动态进行了模拟，并对不同的产量年型进行了划分，结果表明(图3)，在北京和泰安的模拟结果类似，不同年型的玉米产量潜力均随玉米收获日期的推迟呈增加趋势，其中，高产年份和中产年份玉米产量潜力均随收获期推迟呈直线增加趋势，而对低产年份而言，不同地点表现不同，在北京，延迟收获对玉米产量潜力增加明显，呈直线增长趋势。而在泰安，9月25日后延迟收获对产量潜力影响较小。因而，整体而言，对于郑单958而言，如果是直播(6月15日播种)，成熟一般在9月底到10月初，从9月20号开始，大概每晚收获1d，产量潜力能够增加100～200kg/hm2。

图3 北京(左图)和泰安(右图)直播玉米产量潜力随玉米收获日期的在不同产量年份间变化

图4 模拟玉米产量潜力在不同地点随密度增长的反应

2.3 “增密”对产量潜力的影响

增加密度是挖掘玉米产量潜力最经济有效且易于推广的增产措施。该研究选取北京、泰安、榆树3个研究地点在当前的管理条件情况下(郑单958，播期按当前水平)开展了产量潜力随密度增加的动态响应模拟，结果表明(图4)，榆林的玉米产量潜力明显高于北京和泰安，这与近几年榆林出现的大面积玉米高产田情况相吻合。随着密度的增加产量潜力整体上均表现为由快速增加然后趋缓规律，但不同地点产量潜力对密度增加的响应速度有所差异，从5.5万/hm2增长到7万株/hm2密度的阶段，北京、泰安和榆林的密度每增加1 000株/hm2的增产效应分别为107kg/hm2、129kg/hm2和156kg/hm2，在密度高于7万株/hm2后，北京、泰安和榆林的密度每增加1 000株/hm2的增产效应分别降为44kg/hm2、51kg/hm2和63kg/hm2。这一数据与其他人所表述的增密的增产效果相似[16]。说明增密是提高玉米产量潜力的有效措施，以郑单958为例，在当前的生产条件下，北京和泰安的玉米合理种植密度应控制在7.5万～8万株/hm2，而榆林因具备更好的光照条件且昼夜温差大，能容纳相对更高的种植密度，推荐合理密度在8.5 万～9万株/hm2。进一步增密后增产潜力不大，且在实际的生产条件下，过高的种植密度来还会带来更大的病虫害压力和倒伏风险等问题。

表2 3个研究地点的措施优化的增产潜力对比

地点栽培模式播期(月/日)密度(1 000株/hm2)模型模拟产量潜力 (t/hm2)增产(%)平均标准差80%产量潜力北京直播(当前)06/155512.6 1.2 10.1 直播+增密06/158014.5 1.4 11.6 15 泰安套播(当前)06/055512.3 1.0 9.9 套播+增密06/058014.9 1.4 11.9 21 直播06/205514.6 1.6 11.6 18 直播+增密06/208017.4 2.0 13.9 41 榆林直播(当前)04/205515.0 1.8 12.0 直播+增密04/209018.7 2.0 15.0 25

2.4 不同增产措施在不同地点的贡献的分析

伴随着玉米产量水平的不断提高，基于不同增产措施综合的高产技术体系构建是充分提高挖掘玉米产量潜力的关键途径。然而，如何在明确作物、环境与技术相互作用关系的基础上进行栽培技术的定量设计是构建高产技术体系的难点。该研究探索利用玉米生长模型在定量评估当前主推增产措施增产效应的基础上，通过技术定量模拟组装设计形成了不同研究地点玉米高产技术体系。结果表明(表2)，在当前生产条件下，不同研究地点的产量潜力为12～15t/hm2(平均值为13t/hm2)，其年际变异在1～1.8t/hm2(平均值为1.4t/hm2)，约占产量潜力本身的10%左右。与不同研究地点的光温条件相适应，不同地点的高产体系技术组合方式有所不同，对于生产上广泛应用的相对耐密品种郑单958而言，在北京，主要采取的增产措施是在直播的基础上增密，其增产潜力为15%； 而在榆林，增密的增产潜力25%； 在泰安，直播的增产潜力有18%，而增密的潜力有21%，两者优化结合可增产43%。在国际上一般认为品种光温产量潜力的80%为相对比较经济可实现的目标产量。从表1中可以看出，在当前的生产措施下，长期平均产量潜力的80%在10～12t/hm2，但如果通过措施优化，其产量潜力可提高到11.6～15.0t/hm2，为当前玉米大田平均生产水平的2倍以上。可见，通过玉米高产技术体系的定量设计，不同研究地点的玉米产量潜力均有显著提高，研究推荐的高产技术组合对目前玉米主推增产技术的区域应用具体指导意义，同时，该研究对不同生产模式下玉米产量潜力的定量结果也有助于在实际生产中指导匹配目标产量的水、肥资源管理，实现玉米高产高效协同提高。

3 结论与讨论

3.1 结论

该研究利用Hybrid-Maize玉米生长模型，以目前大面积应用的玉米品种郑单958为例，对当前生产上3种主要玉米高产措施(直播、晚收和增密)的增产潜力进行了定量分析，并依据不同生态区3个地点(北京、泰安和榆林)的环境条件和生产现状针对性地设计构建了玉米高产管理模式。主要结论如下：(1)播期调整是华北平原一项重要的增产措施，套种改直播措施在北京和泰安分别能理论增产18%和19%； (2)适时晚收是有效挖掘玉米产量潜力的关键措施，在直播条件下，每晚收1d，在北京和泰安玉米产量理论上能分别增加214kg/hm2和204kg/hm2； (3)合理密植可显著提高玉米产量潜力，其理论增产潜力在该研究的不同环境条件下为15%～25%； (4)定量设计的玉米高产管理模式具有较高产量潜力，与当前的生产技术相比，产量潜力可以增加15%～41%。总体而言，Hybrid-Maize模型是理论指导不同生态区玉米高产管理措施应用的有效手段，将有助于在更大尺度上实现玉米高产技术体系定量设计。

3.2 讨论

实现玉米定量设计栽培是玉米栽培学科未来发展的重要方向[5]，Hybrid-Maize模型具有敏感反映玉米生长对环境条件响应和准确模拟优化管理条件下玉米产量潜力的优点，可系统量化玉米—措施—环境3者的相互关系。该研究中利用该模型在量化分析不同研究地点产量潜力对主要玉米高产措施动态响应的基础上，设计构建了较当前生产模式具有更高产量潜力的玉米高产新模式，研究结果对于促进不同玉米高产管理措施的区域合理应用和理论构建玉米高产技术模式具有重要的理论认识和实践指导意义。然而，在该研究的模拟中品种输入参数选择了生产上应用面积最大的玉米品种郑单958，对不同品种选择影响玉米产量潜力效果尚不清楚。因而，广泛收集我国不同区域主栽玉米品种参数开展不同区域的管理措施模拟和高产模式构建将是值得关注的重要方向。同时，作物模型本身是对简化的真实世界的再现，但并不能完全代替真实世界，应更多将其作为启发式的理论指导工具，在实际应用过程中需与水肥、植保等其他管理措施相结合，例如在高密度种植下倒伏和病虫害问题的有效控制措施。另外，目前该模型已在我国华北[16-17]、东北[18]和西北[14]地区进行了田间校验工作，但在其他区域的田间模拟校验工作仍然缺少，在这些区域的模拟分析结果应谨慎对待。