我国玉米超高产研究现状与展望

刘月娥 徐田军 蔡万涛 吕天放 张勇 薛洪贺 王荣焕 赵久然

（北京市农林科学院玉米研究所, 北京 100097）

2050年，地球人口预计将达到85-100亿，要满足全球粮食需求，预计作物产量将比2006年提高50%-110%［1-3]。玉米作为第一大粮食作物，对保障粮食安全意义重大，也是目前产需缺口最大的谷物。在我国，玉米对粮食增产的贡献率高达60%，居粮食作物之首［4-5]。

在耕地资源日趋紧张的形势下，未来我国粮食扩大面积的空间有限，产能提升的主要途径是提高单产水平，玉米是单产提升潜力最大的作物。2023年中央一号文件明确提出要全力抓好粮食生产，开展吨粮田建设，实施玉米单产提升工程。产量潜力能够反映品种的最大生产力，是作物在没有生物和非生物胁迫的环境下所能获得的产量［6]，最大限度地挖掘作物产量潜力，充分发挥品种的遗传潜力和管理技术水平是实现大面积高产的阶梯，为作物产量继续提高提供可能的途径。高产纪录（超高产）是玉米品种选育、生产条件和管理技术的最高水平的体现，与世界玉米最高产量相比，我国玉米产量潜力提升空间依然很大。产量潜力挖掘和实现的过程，可以为玉米产业的发展提供切实的研究平台。

1 我国玉米超高产研究的政策支持

实现玉米高产是保证我国粮食安全的基础，是农业生产中永恒的课题。我国借鉴美国玉米高产竞赛的经验，为提升玉米综合生产能力，自2006年开始，农业农村部玉米专家指导组及全国玉米栽培学组倡导和组织全国性的玉米小面积高产创建和高产潜力挖掘探索活动，要求单产达到15000 kg/hm2（1000 kg/亩）以上的超高产水平。这项活动也被列为农业农村部“加快玉米生产发展的工作方案”中的一项增产措施。为了更好地进行超高产研究，做好超高产田的测产验收工作，统一规范测产验收办法，农业农村部玉米专家指导组、中国作物学会玉米专业委员会和中国作物学会栽培委员会玉米学组联合制定了“关于玉米高产、超高产田测产验收办法和标准”，并派专家到现场严格测产验收。

为促进我国粮食生产稳定发展，农业农村部决定将2008年作为“全国粮食高产创建活动年”，组织制定了《全国粮食高产创建活动年工作方案》。大力推进玉米高产创建活动，努力实现玉米生产的新突破。要求把高产创建作为今后玉米生产的中心工作，作为提高玉米综合生产能力的重要抓手和推进专业化服务的关键举措。并在24个玉米主产省建立150个万亩集中连片高产示范点，通过集约资源、集成技术、集中力量，力争东北、华北和黄淮海示范点玉米单产达到800 kg以上，其他地区示范点亩产600 kg，示范点所在县玉米总产较前3年平均增10%以上。开展高产创建有利于充分发挥技术推广的示范带动作用、充分挖掘我国粮食生产潜力进而形成科技兴粮的合力。

2016年，为适应农业供求形势和发展环境新变化，农业农村部将打造高产创建“升级版”——绿色高产高效创建。不单纯追求高产，还要追求效益的提升，更要体现绿色的内涵。绿色发展理念将贯穿于粮棉油糖生产的全过程，以县为单元整建制推进，辐射带动区域性绿色高产高效。同时，开展绿色增产模式攻关，突破制约粮食生产的资源瓶颈、技术瓶颈和效益瓶颈，集成组装节种节水节肥节药技术模式。

2023年，中央一号文件对抓好粮食和重要农产品稳产保供做出全面部署。要求全力抓好粮食生产，千方百计稳住面积、主攻单产、力争多增产。开展吨粮田创建，实施玉米单产提升工程，努力提高粮食单产；2023年3月14日，农业农村部办公厅、国家发展改革办公厅印发了《玉米单产提升工程实施方案》的通知。在东北、西北和黄淮海3大玉米主产区的19个县实施玉米单产提升工程300万亩。

2 我国玉米超高产情况

玉米作为C4植物，其高产潜力大，单产潜力居禾谷类作物之首。高产纪录是实现最高理论产量的希望［7]，对高产纪录玉米产量形成的生理生态机制进行研究有助于对产量潜力的理解，是实现大面积高产的阶梯，也可能为将来产量继续提高提供途径。玉米专家组长赵久然研究员认为现阶段超高产玉米的单产水平应达到15000 kg/hm2（1000 kg/亩）以上［8-9]。

美国作为全球第一大玉米生产国和出口国，其玉米单产水平和科技水平最为先进。美国的小面积高产纪录是由美国国家玉米种植者协会（NCGA）举办的全国性的玉米高产竞赛（NCYC）创造。NCYC集合了众多玉米种植者的智慧，持续创新和优化玉米种植方法，不断创造新的玉米高产纪录［10-13]。美国首次玉米高产竞赛于1920年在依阿华州举行，随后逐渐扩大到全国。目前，美国高产竞赛规则日趋完善，已成为美国各大种子公司展示和宣传各自品种、玉米种植者充分利用优良品种和配套栽培技术措施挖掘玉米品种产量潜力的重要平台，在促进美国玉米快速发展中起到了重要作用［14]。目前NCYC的产量最高纪录是大卫·胡拉（David Hula）于2019年创造的38000.75 kg/hm2（2533.4 kg/亩，14%含水量）。

根据正式发布、并有专家组测产结果的超高产田块，2005年以前，全国先后涌现出36块单产达到15000 kg/hm2（1000 kg/亩）的玉米高产田。2006-2007年，共有39块产量达15000 kg/hm2（1000 kg/亩）以上的玉米高产田。2008年全国共涌现出41块产量15000 kg/hm2（1000 kg/亩）以上的玉米高产田，全国各地也陆续出现玉米最高产纪录。

我国夏玉米的高产纪录是李登海团队在山东莱州创建，他们利用自育紧凑型玉米新品种，先后7次创造全国夏玉米高产纪录，2次创造世界夏玉米高产纪录。李登海团队在1979年首次打破全国夏玉米单产纪录，玉米产量为776.9 kg/亩。1988年亩产量首次突破1000 kg，首次打破世界夏玉米单产纪录。2005年，再次打破世界夏玉米单产纪录，玉米产量为1402.86 kg/亩（表1）。

表1 我国玉米历年高产纪录Table 1 The high yield record of maize in China

我国玉米的最高产量纪录（春玉米高产纪录）由中国农业科学院作物科学研究所栽培与生理创新团队2020年在新疆奇台创建，该团队从2009年以来一直在新疆奇台开展春玉米超高产研究，多次突破我国玉米高产纪录，玉米高产纪录从2009年的1360.1 kg/亩突破至2020年的1663.25 kg/亩，实现了303.15 kg的产量提升。但我国高产纪录与美国最高产量纪录（2533.4 kg/亩）仍存在870.1 kg/亩的差距，说明我国玉米育种及生产管理水平与美国相比还存在很大的提升空间（表1）。

3 玉米超高产研究对我国玉米大面积高产的启示和借鉴

3.1 高产玉米田的环境优势

我国自1980年以来，随着农业生产条件改善和技术水平不断提高，在新疆、陕西、内蒙古、吉林、河北、北京、山东等省（市、区）陆续创造出了春玉米和夏玉米单季亩产吨粮（1000 kg/亩）的高产典型，2020年我国玉米高产纪录达到1663.3 kg/亩（新疆奇台），这些都为高产田建设提供了初步的经验。北京市农林科学院赵久然团队通过分析2006-2010年全国159块超高产田的分布情况发现，玉米产量的形成受生态环境条件的影响，大多数高产田分布在中高纬度（40°-43°N），或中高海拔（1000-1500 m）地区，这些地区具有昼夜温差大、光照充足等利于高产的自然条件［15-17]。较高的太阳辐射有利于干物质积累［18-19]、籽粒灌浆，延长籽粒灌浆期［20]，植株的茎秆强度较强，不易发生倒伏［21]，利于玉米产量的提高。玉米生长与光温匹配是实现高产的重要条件，光辐射较高的地区可以承担更大的玉米群体，利于提高种植密度，进而提高玉米产量［22]，较高的昼夜温差利于降低玉米夜间呼吸消耗［23]，提高产量［24-25]。

3.2 品种特性

玉米高产，品种是关键。在玉米高产潜力突破的过程中，品种的更新起到了非常重要的作用。在新品种不断选育的过程中，玉米的株型发生了很大的变化，由原来的平展型过渡到现在的紧凑型玉米。当前我国玉米生产中有一定推广规模（≥10万亩）的品种约1000个，但能够创出超高产水平的品种不多，那么能够创造高产纪录的品种具有什么样的特点？

首先，选择株型紧凑的玉米品种。Liu等［26]通过选择不同年份获得高产纪录的6个品种（SC704、郑单958、先玉335、良玉66、登海618和MC670），进行高产纪录重演试验。研究发现，在产量提升过程中，玉米品种的株型更加紧凑。紧凑型玉米比较耐密，其增产主要得益于密植条件下，较高的群体光合和合理的冠层光辐射分布与截获［27-29]，具有更高的花后光合势和灌浆期光合速率，最大灌浆速率显著提高，花后物质积累量、群体粒数和千粒重显著提高，空秆和秃尖减少，利于产量提高［16,26,30]。登海618和MC670是紧凑型玉米品种，具有耐密抗倒的高产品质，分别在2013年和2020年创造了我国亩产1511.74 kg和1663.25 kg玉米单产最高纪录，是全国最高产的玉米新品种。

第二，选择生育期较长（中熟/中晚熟）的品种。选择不同熟期品种是影响玉米籽粒产量的重要因素，产量和生育期在一定范围内呈正相关关系，适当延长生育期可增加光能利用时间，获得较高产量［31-33]。已有研究发现，玉米品种熟期在早熟至中晚熟时，熟期与产量呈正相关。在东北地区，当玉米为晚熟品种时，因不能正常成熟，熟期与产量呈负相关［34]。所以，在超高产田适宜选择中熟或中晚熟品种。

第三，选择综合抗性好的品种。超产田玉米增密后群体内部对有限资源的竞争增加，同时个体生理发生变化，个体之间的竞争加剧，玉米后期容易发生倒伏。并且在玉米生长期间，各种病虫草害（茎腐病、丝黑穗病、苗期病害、叶斑病、锈病、玉米螟等）和极端天气（高温、干旱、台风等）造成玉米减产，为了降低损失，选用综合抗性好的品种是最经济有效的方法，较强的抗病性能够保证在产量形成关键期（灌浆期）仍可保持尽可能多的绿叶面积［16]，进而获得高产。

第四，选用水肥利用效率高的品种。选用水肥高效型高产品种是实现玉米高产稳产、节本增效的重要技术途径。不同基因型玉米品种的水肥利用效率差异显著［35-42]。而作物本身的水肥利用效率的高低是由其遗传特性、环境因素和管理水平交互影响的结果，作物的遗传特性对其具有明显影响。通过遗传育种改良作物不仅提升了作物产量潜力，也提高了作物水肥利用效率［43-44]。选择水肥利用效率高和产量潜力大的优良品种是实现玉米高产稳产、提高水肥利用效率、减少用量、降低环境污染、实现农业可持续发展的重要技术途径。

第五，选用物质转运率较高的品种。研究表明，玉米籽粒产量在很大程度上取决于后期的光合生产能力，生育后期的光合生产物积累是玉米超高产栽培产量的主要来源［45-46]，选用物质转运率较高的品种更有利于获得较高的籽粒产量，但贡献率应该控制在适宜的比例，贡献率低，不利于籽粒充实，贡献率过高，籽粒“库”对有机物质的竞争力增强，影响“源”与“库”协调关系，导致叶片早衰，影响后期光合生产［45,47]。

3.3 栽培技术

栽培技术的优化是玉米实现产量提高的又一重要因素。其中，密植是提高单位面积产量获得高产的重要技术手段［48]。随着紧凑型玉米品种的选育及推广，提高了玉米品种的耐密性［30,49]，冠层结构的优化增加了适宜种植密度及光截获能力［50]，利于延缓叶片的衰老，提高生育后期叶片的持绿性［51]，提高了花后光合生产能力［52]，为产量的形成提供更多的物质基础［53]。在我国，普通大田玉米的种植密度为4000株/亩，高产田的种植密度都在5000株/亩以上［16]，而玉米超高产的实现主要是由于亩穗数和单穗重均有提高，2020年，中国农业科学院作物科学研究所栽培与生理创新团队创造了1663.25 kg/亩的最高产纪录，其中最高产田每亩穗数达到8600穗，远远高于普通大田的收获穗数，可见增加种植密度进而提高收获穗数对产量提高的重要性。国内外实践生产研究表明，合理密植可以使得群体和个体之间协调发展，个体间的平衡（个体之间没有太大的竞争）是组成强大群体的前提［54-55]。在满足物质生产需求的前提下，改善群体结构，增加生殖器官物质分配比例，减少光合产物向非生殖器官中冗余，是提高收获指数和产量的重要途径［56-57]。

水肥调控是玉米获得高产的另一个重要手段［30,58-59]，超产田玉米增密后群体内部对有限资源的竞争增加，同时个体生理发生变化，如根生物量减少，获得资源的能力降低［60]。所以，仅靠增密并不能有效的增产，需要田间投入协同增强以减轻密植带来的群体压力［60-62]。在我国，玉米超高产多是在大密度、高肥水的条件下实现［63-65]。陈国平等［17]总结了中国高产田平均施氮量为 485.3 kg/hm2，景立权等［66]对超高产夏玉米研究发现450 kg/hm2施氮水平处理下产量最高，而美国高产田平均为 300 kg/hm2。肥料施用不合理，不仅增加生产成本，大量未被利用的活性氮排放到环境中，引发一系列的环境污染问题。在全球范围内，农田排放占人为来源CH4和N2O排放量的52%和84%，导致大气负担不断增加［67-68]。在我国，农业温室气体排放占全国氧化亚氮（N2O）排放量的70%以上，占甲烷（CH4）排放量约50%［69]。过量施氮不能增产且会造成肥料浪费和环境负效应，在一定程度上阻碍了农业的绿色发展。在保证产量目标实现的前提下，如何通过合理的栽培技术手段，减肥增效是一个亟待解决的关键问题。研究发现，超高产田在合理提升密度的基础上，以“减控总肥量、分段供氮、花前重施磷钾”为主要原则的养分管理技术模式，延缓了玉米生育后期叶片的衰老，保证了后期干物质积累，在显著增加收获穗数的同时，保证千粒重和穗粒数不降低，在生产中稳定实现了高产水平，同时实现了氮磷钾养分的高效利用［62]。

在我国，玉米超高产多是在水分完全充足的条件下实现［63-64]。我国的超高产田存在灌水量较大的问题。Zhang等［70]在新疆奇台超高田开展水分试验发现，综合考虑粮食产量、经济效益和生态效益，干旱地区滴灌地膜覆盖的最佳灌水量为540 mm。每间隔6 d进行灌水有利于维持60 cm以上土层良好的土壤水分环境，减少土壤水分蒸发和蒸散量，产量最高，WUE最高［70]。而水资源短缺是制约我国很多地区粮食产量潜力挖掘和生产稳定性提升的主要因素，在全球范围内，农业灌溉消耗了72%的淡水资源，水资源利用效率非常低，仅为45%左右［71]，而中国农业灌溉用水超过90%，农业用水效率仅为发达国家的一半［72]，高用水量和低用水效率导致水资源危机进一步加剧［73]。为了提高玉米产量和水分利用效率一些学者讨论了各种节水灌溉技术以减少农业用水［74-77]。研究了使用秸秆覆盖、地膜覆盖和耕作来增加土壤水分和降雨储存［78-79]，进而提高玉米产量。节约灌溉用水，提高水分利用效率是农业可持续发展的有效途径。

密植与水肥投入的平衡发展是玉米增产增效的核心问题［80]，水肥一体化是提高玉米产量与水肥利用率的关键技术措施，水肥一体能够精准地实现“总量控制，分期施肥”的肥料管理技术，有效的向农作物提供水肥，有利于我国玉米产量和资源利用效率的协同提升。

4 大面积高产创建（1000 kg/亩以上）的技术要点

小面积高产纪录是实现大面积高产的阶梯，为大面积高产创建提供了技术支持。李少昆团队在总结小面积高产纪录经验的基础上，2014年在万亩（700 hm2）连片田块创造1227.6 kg/亩的全国玉米大面积高产纪录［81]，2017 年在1100亩（面积为 73.3 hm2）连片田块进行机械籽粒收获测产，平均产量达到1229.8 kg/亩［82]。总结连片高产田的种植经验发现，大面积高产田以耐密宜机收品种、高密度种植、群体质量调控栽培为核心，集成精细整地、高质量种子与精量播种、化学调控、机械施肥、绿色防控等关键技术［82]。种植技术要点如下：

（1）品种选择是关键。玉米要想获得高产，品种的选择是关键，应选择国家或省市自治区审定、品种筛选试验推荐的耐密、抗倒、抗病、适应机械精量点播的中熟/中晚熟优良玉米品种。

（2）增密种植。增密是玉米高产的有效途径，高产创建的种植密度要在传统种植密度的基础上适度增加。其中，西北地区光照条件较好，新疆保苗密度可为6500-7500株/亩。黄淮海夏玉米区留苗4500-5000株/亩。具体密度依据各品种耐密性和熟期确定。增密种植要注意防止倒伏，要选择抗倒伏品种和进行水肥调控。对于蹲苗时间短、有旺长趋势、多年出现倒伏的地块以及种植密度过高的田块，在6-9片展叶时喷施玉米专用生长调节剂，如吨田宝、玉黄金等，控制基部节间长度，增强茎秆强度，预防倒伏。

（3）精量播种，提高群体的整齐度。玉米高产，需要提高玉米群体的整齐度。一定选用发芽率≥96%、种子发芽势高的精品种子，可对购买的种子根据大小进行分级，使用播种机精准播种，保证出苗整齐度。有滴灌条件的地块，采取播后1-2 d滴水出苗，进一步提高玉米保苗率及群体整齐度。

（4）水肥调控。根据玉米产量目标和地力水平进行测土配方施肥，使用各级土肥站经测土推荐的配方或配方专用肥。在有条件的地区，施优质粗有机肥2-3 t/亩或精制有机肥1 t/亩左右；全部磷肥、30%-40%的氮肥（如有种肥可相应减少用量）和70%钾肥作基肥，剩余的肥料结合第二次中耕和开沟时机械追施。基肥结合整地全层施肥，追肥在头水前侧追施。滴灌地块采取水肥一体化运筹，在每次滴水时随水施滴灌专用肥或其他速效肥料。生育期间灌水2-3次，头水适当晚浇，有利于玉米蹲苗扎根抗倒，最佳时期一般在中午叶片卷叶、早晚展开时。

（5）适时晚收，提高籽粒成熟度。春玉米在完熟后收获，夏玉米根据下茬小麦播种时间的需要，合理确定玉米适宜收获时间。在不影响下茬小麦适期播种的情况下，适当推迟玉米收获时间，延长籽粒灌浆、提高籽粒成熟度和粒重，实现增产增收。

（6）病虫害绿色防控。选择抗/耐本地主要病虫害的品种；针对所在区域病虫害类型选择种衣剂包衣，预防苗期病虫害；在玉米生长期间使用杀菌剂控制病害。在玉米出苗后至灌浆期，地边悬挂频振式杀虫灯抓玉米螟、棉铃虫和地老虎蛾，一盏灯管理面积50 亩左右；另悬挂紫光杀虫灯诱杀害虫成虫，每盏灯约管理500亩。

5 展望

坚持问题导向和目标导向，立足我国玉米主产区，进一步聚焦单产水平提升和农民增产增收，以及绿色增产等协调发展是未来我国玉米高产研究的主要方向。2023年中央一号文件提到实施玉米单产提升工程，若要实现我国玉米产量的普遍提升，首先我们应该解决品种的问题，高产耐密新品种的选育是我国玉米单产水平进一步提升的关键。应加快种质创新，选育多抗、广适、高产稳产、高光效的矮秆紧凑型玉米品种，为玉米的高产稳产，稳定供给提供保障；选育抗旱节水、耐瘠薄高肥效品种，提高资源高效利用；挖掘抗病虫性状，选育抗病、抗虫品种，减少农药使用和农药残留；提高种子发芽率和种子活力，提高大田生产的整齐度和一致性。其次是集成玉米栽培技术，培肥地力、优化施肥和灌溉技术，进一步提高土壤有机质的含量和玉米的肥水分利用效率，在突破产量的同时提高种植收益，为我国玉米的普遍高产保驾护航。现在高产田应用的密植高产水肥一体化技术可以根据玉米的水肥需求规律定时定量精准实施，在增产的同时，实现了水肥的高效利用。再次是加强农田基础设施建设，提高我国玉米抗灾防灾能力和粮食产能、支撑全国粮食产量稳定增产。

在此基础上，进一步通过高产潜力挖掘和小面积超高产创建实现单产纪录的突破。我国玉米高产纪录有望在未来3年内突破1700 kg/亩，未来10年内突破2000 kg/亩，缩小与美国最高产纪录的差距。同时，总结高产经验并进行大面积示范推广，全面提升我国大田玉米产量和种植效益。至2030年，我国万亩连片示范田有望在东北玉米区突破1200 kg/亩、在西北灌溉玉米区突破1500 kg/亩、在黄淮海夏播玉米区突破1000 kg/亩，有望达到、超过或与美国的大面积玉米高产田相当的水平。