黑龍港流域夏玉米產量提升限制因素

徐麗娜，陶洪斌，黃收兵，明 博，王 璞，*

(1.中國農業大學農學與生物技術學院，北京 100093;2.河南科技學院生命科技學院，新鄉 453003)

黑龍港地區是我國重要的糧食產區，該地區以冬小麥和夏玉米一年兩茬種植為主，中國農業大學吳橋實驗站多年的科學攻關，使該地區的糧食產量大幅增加。“六五”期間，吳橋實驗站形成了小麥抗逆豐產技術成果，使河北省黑龍港區域的冬小麥生產擺脫和減輕了鹽、堿、干熱風和倒伏因子的制約，冬小麥單產提高55%以上。“七五”期間，把冬小麥-夏玉米一年兩茬作為一個系統統一統籌管理，建立了“噸糧田技術”。“八五”期間，針對華北地區水資源緊缺的現實，研究形成“冬小麥節水高產高效栽培技術”。這一套技術在冬小麥生育期間澆1—2次水的條件下產量達到6000—7500 kg/hm2。“九五”期間，四統一小麥在節水高產的基礎上，節省氮肥30%—50%，將高水分效應，高氮肥效率和高光能效率有機統一。“十五”期間，在“冬小麥-夏玉米”一年兩茬節水省肥超高產技術體系基礎上形成超噸糧技術體系。目前，該地區小麥玉米一年兩茬耕作傳統下，小麥產量在節水省肥條件下能達9750 kg/hm2左右，未來增產難度相對較大。進一步提高周年產量主要潛力在夏玉米，“十二五”面臨的挑戰是如何提高夏玉米的產量，實現周年“噸半糧”的技術大突破。

高產目標下的作物群體要求通過精確的調控措施實現物質生產因素與產量構成因素間的高效協調［1］。因此，在每一種生態條件下，產量構成三因素都存在一個理想的平衡點。可以說產量因素的平衡具有生態學的穩定性［2］。分析多點噸糧田資料可見，所有畝產噸糧的地塊其千粒重均在300 g以上，變動幅度為310—390 g，達到噸糧的穗粒數變化幅度在550—800粒，穗數在61500—96000株/hm2［3］。這說明，在特定的氣候條件下，雖然產量構成三因素相互矛盾相互制約，但三者乘積最大就能達到高產，同時也說明三者又是相互補償協調促進的。在具體的生態區域下，到底如何使得三者乘積最大，從而使產量進一步提高是首先要明確的問題，本文在多年研究的基礎上著重從產量構成和物質生產方面來分析黑龍港地區夏玉米產量的制約因素，以期挖掘夏玉米產量潛力，增加周年產量。

1 試驗站基本情況

中國農業大學吳橋實驗站位于河北省滄州市東南部吳橋縣溝店鋪鄉。地處北緯37°29'— 37°47'，東經116°19'—116°42'。海拔14—22.6 m。屬于半濕潤易旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12℃，無霜期192 d，全年≥0℃積溫4862.9℃。日照2692.7 h，降水量562 mm，降水量年內和年際變率大，干旱和突發性洪澇災害發生頻繁。種植制度以一年兩熟為主，要實現小麥-玉米周年高產，目前進一步提高玉米產量是難點所在［4］。

為了分析黑龍港流域夏玉米產量進一步提高的限制因子，整理了從2001年到2010年本課題組在吳橋實驗站所做的試驗結果。試驗地基礎地力情況如下:土壤質地多數為輕壤，pH＞8，試驗地有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀跨度較大，說明所涉及地塊代表了不同的地力情況，分析結果具有一定的代表性(表1)。

表1 試驗地基本條件Table 1 The basic conditions of test land

2 數據來源及分析

數據共涉及11個地塊，產量及產量構成三因素基本情況如下:產量范圍是從5355—11475 kg/hm2;穗數為45900—110610穗/hm2不等，每穗粒數從253到618粒，千粒重從222.9—357 g(表2)。用SAS 8.0對產量及其產量構成三因素進行相關分析，回歸分析和通徑分析，以期找出制約產量提高的限制因子。

表2 吳橋地區夏玉米產量及產量構成三因素取值范圍Table 2 The value range of the yield and yield components of summer maize in WuQiao station

3 結果分析

3.1 不同產量水平下群體特征比較

將所有數據平均值進行比較可見，不同產量水平下，產量構成三因素、干物質積累和葉面積指數不同:表現為隨著產量水平的增加，穗數、千粒重、干物質積累量和葉面積指數均呈現增加趨勢，而穗粒數呈現先升高后下降的趨勢(表3)。在＞10500 kg/hm2的情況下，除穗粒數以外，其他所列指標并未出現最大值，說明該地區夏玉米產量生產潛力還有待進一步挖掘。

表3 吳橋地區夏玉米不同產量水平下三因素及群體干物質葉面積指數平均值比較Table 3 The average value of yield and yield components，dry weight accumulation，max leaf area index in different level of yield

3.2 產量與構成三因素關系分析及解釋

由表4可見，產量與穗數和千粒重極顯著正相關，穗數與穗粒數成極顯著負相關，而產量和穗粒數成正相關但相關性不顯著，穗粒數與千粒重呈不顯著負相關。這說明，在目前產量水平下，隨著穗數和千粒重的增加，產量極顯著提高，而穗粒數并不是制約產量提高的主要因素。隨著穗數的增加，穗粒數呈極顯著減少趨勢，而千粒重減少幅度不明顯，同樣穗粒數增加的同時，千粒重的降低也不顯著。進一步對產量及其三因素通徑分析，產量和產量構成三因素的線性回歸方程為:y= －114.70132+0.11389x1+1.17305x2+2.26858x3，其中F=37.98＊＊(P＜0.0001)達極顯著水平。這說明做產量和產量三構成因素的通徑分析是有意義的。簡單相關顯示產量與穗粒數相關性不顯著，但直接通徑系數產量與產量構成三因素之間均達到極顯著相關。穗粒數與產量的關系似乎存在矛盾，但實際上簡單相關只是反映了數字的表面現象，但通徑分析則是反映了事物的因果關系。

因此，從多年試驗數據統計可知，產量三要素中，穗數、穗粒數和千粒重對產量的貢獻均較大，穗數和穗粒數之間是相互制約的。目前，農民生產上多采用機器播種，密度已經相對較高，因此，在較低的密度和產量水平上，增加株數能使產量大幅增加，但在再高產的道路上，一味增加密度給生產帶來了一系列問題:倒伏、早衰、千粒重降低、病蟲害嚴重等。因此，在＞11250 kg/hm2的基礎上，密度對產量的貢獻相對較小。增加單位面積的穗粒數和千粒重是高產的關鍵所在。

表4 吳橋地區夏玉米產量及產量構成因素相關分析Table 4 Correlation coefficient between yield and yield component

3.3 產量與群體發育情況的關系

由圖1可知，地上部總的生物量與產量呈二次曲線關系，相關系數達到極顯著水平。說明，在吳橋地區，地上部生物量仍有增加的余地，產量沒有達到最大值;同樣，葉面積指數與產量的關系也呈現二次曲線關系，產量隨著最大葉面積指數的增加呈現增加趨勢，圖中產量并未達到最大值，在再高產過程中，地上部總生物量和葉面積指數增加的余地又有多大?從圖中可知，在葉面積指數達到10.3時，產量達到最大值為11775 kg/hm2，此時收獲指數太低，造成大量能源浪費。但在最大葉面積指數從6增加到10的過程中，產量增加幅度不足1500 kg/hm2。可見，單純增加單位面積葉片的數量來獲得高產的思路行不通，相反不利于產量提高，這就需要另外尋找途徑通過提高葉片的質量來增加產量。趙明提出作物超高產的兩種挖掘途徑:結構性挖掘和功能性挖掘。并指出，在作物生產實踐中。應根據作物自身的生長特點以及技術本身的難易程度合理選擇兩大途徑，最終實現群體整體生產力的提高［5］。

4 結論與討論

4.1 產量構成因素之間的關系

對產量與產量構成三因素之間的關系，不同的研究者得出的結論不同。李明等研究表明，穗數是影響寒地玉米產量的主要因素，穗粒數次之，粒重對產量的貢獻最小［6］。崔彥宏研究了春玉米不同群體產量的構成因素，認為畝穗數較小時，群體大小在相當程度上決定著產量水平的高低。但在適宜密度范圍內，穗粒數和千粒重對產量的決定作用增大并上升為主要因素［7］。陳國平等研究認為，穗粒數是高產田產量的決定因素，千粒重和產量沒有明顯相關性［8］。柯福來也指出，提高群體粒數可能是高產玉米品種產量進一步提高的關鍵［9］。千粒重雖然是品種的遺傳特性決定，但受外界條件的影響也較大。從時序來看，千粒重是構成產量的最后一個因素，其損失將無法通過其他因素來彌補。因此，必須給粒重以高度重視。在小麥上也得出同樣的結論，單位面積穗數達到一定范圍時，其增產效應便達臨界值，進一步增產須轉為重視穗粒重的提高［10-11］。本文分析結果顯示:在黑龍港地區，夏玉米產量構成三因素均有進一步提升的余地，產量潛力很大。在目前產量水平上，再高產群體依靠穗數增產的潛力很小，穗數增加的過程中，穗子變小，穗粒數和千粒重均降低，造成最終產量較低，應當穩定在一定適宜的密度下，注重單位面積的穗粒數和粒重的提高。在穗數確定的情況下，穗粒數相對穩定，增加粒重成為再高產重要因素。

圖1 吳橋地區夏玉米產量與干物質和最大葉面積指數的關系Fig.1 The relationship between yield and dry matter max，leaf area index

4.2 物質生產及轉運之間的關系

產量構成理論在分析產量形成過程中存在一定的局限性，未與物質的生產和轉運以及環境條件相聯系。玉米的高產必須在一定條件下處理好植物生長發育與環境條件、群體生產與個體發育、個體內部各器官之間的矛盾。物質生產和轉運是產量形成的基礎，陳傳永等認為提高種植密度，增加光合勢在后期的分配比例和花后凈同化率，是玉米高產的重要途徑，但不同品種對密度的反應不同［12-13］。Widdicombe和Hashemi也強調玉米產量主要來源于花后葉片的光合同化物，花前同化物對籽粒產量的影響小于10%［14-15］。另一方面，物質的轉運對產量貢獻巨大。在作物生產發展歷程中，收獲指數一直不斷上升，但目前各種作物的收獲指數已達到或接近其最高值［16］。Lorenz等分析認為，在近10年內美國玉米產量的提高，主要是由秸稈產量的增加［17］。數據統計結果顯示，隨著地上部總的生物量和葉面積指數的增加，玉米產量也隨之增加，但增加的余地較小，最大葉面積指數從6增加到10的過程中，產量增加幅度不足1500 kg/hm2(圖1)，而隨著地上部總生物量的增加產量增加，但經濟系數迅速下降，造成資源浪費，再高產過程中應穩定在適宜的葉面積指數和最大地上部總生物量的基礎上，提高單位面積穗粒數和千粒重。這就需要采取措施在一定穗數的基礎上穩定穗粒數，同時延長灌漿時間、增強灌漿速率增加千粒重。兩方面途徑:首先提高葉片質量(比如葉片厚度，比葉重等指標高)，增強葉片功能，尤其是花后葉片的光合同化能力，合成更多的同化物，另一方面，提高花前的轉運比例，尤其是莖稈中物質的轉運。因此，莖稈和葉片的質量是再高產實現的關鍵技術突破點。

4.3 根系土壤之間物質交流

產量的高低還受很多其他因素影響。很多學者均認為是黑龍港地區的氣候因素影響了此地區夏玉米的高產［3，18-19］。在此生態區7—8月份降雨占全年總降雨的70%—80%以上，夏玉米籽粒形成期正處在這段雨量充沛集中的時期，易引起“夏澇”［19］。月降雨量超過200 mm將會造成土壤濕度過大，缺氧，降低根系生理活動能力，減少養分吸收，破壞植物正常的生理代謝活動，從而影響到穗粒數。雨季高峰期耕層土壤積水嚴重，通透性差，影響玉米根系和地上部發育［20］。高產群體花后氮素積累量較大，花前花后比例能到達48∶52左右，但吳橋花后氮素積累相對較少，花前占到整個生育總吸氮量的60%—75%，可能是因為土壤板結、通透性能差，影響了根土復合體的功能，使得花后根系的吸收能力受到了限制。同時雨量、雨日過多，除直接影響降水外，還會帶來陽光不足，易導致光合產物供應不足、倒伏、病害發生等，造成籽粒大量敗育。我國耕層土壤“淺、實、少”的問題日益嚴重，即土壤耕層明顯變淺，土壤結構緊實，有效耕層土壤量顯著減少［21］。針對這種情況，采取深松的方法能有效緩解土壤的板結問題。研究表明，深松能打破犁底層，降低土壤容重、使根分支大大增加、使玉米粒數和粒重的提高獲得高產。因此，在超高產的途徑中，探索根系生長發育動態及其與地上部的關系至關重要。根系的研究較為困難，一直被研究者認為是“黑箱”，也使得地下部的研究滯后于地上部。但進一步挖掘產量必須搞清楚地上和地下兩方面的關系，搞清楚“根系—土壤”復合體的結構和功能。

5 研究展望

黑龍港地區是典型的小麥-玉米兩作區，周年產量進一步提高的關鍵在夏玉米。在目前研究的基礎上，進一步提高產量要搞清楚如下問題:

(1)本地區的氣候特征在開花前后陰雨寡照，葉片光合能力受到影響，造成了穗粒數形成決定期的“源”不足，不利用夏玉米的籽粒發育，灌漿速率受到限制，因此，需要進一步加強逆境栽培技術的研究。一些研究者主張提前播期，躲避災害天氣或推遲收獲時期，延長灌漿時間增加產量。但提前播期就意味著要早收小麥，在生產上是否能夠實現;另外推遲收獲來延長灌漿時間的方法是否會因為后期溫度降低對產量增加不利等問題，還有待進一步研究。

(2)另外，該地區多年不合理的耕作方式，使得土壤耕層太淺，嚴重影響了玉米根系生長發育，使生育后期吸收功能減弱，不利于產量形成。因此，一些學者認為，大力推廣深松技術，能有效緩解土壤問題，是產量提高的有效途徑，但目前對“根系-土壤”復合體的結構和功能研究較少;另外，深松的時間和機器間是否配套問題有待進一步研究。

［1］ Zhang B，Zhao M，Dong Z Q，Chen C Y，Sun R.“Three Combination Structure”quantitative expression and high yield analysis in crops.Acta Agronomica Sinica，2007，33(10):1674-1681.

［2］ Wang Z M，Fang B T.A review on theoretical models and development of yield analysis in crop production system.Journal of China Agricultural University，2009，14(1):1-7.

［3］ Han P，Zhang Y X，Guo C G，Zhao H C.The developmental situation and techniques of maize yield reach 200kg/mu.Journal of Maize Sciences，2000，8(4):87-91.

［4］ Wang P，Lu B，Wang S A，Lu L Q，Wang R Z，Yu G J.Study on the super high-yield techniques of winter wheat-summer maize cropping system in Wuqiao，Hebei.Journal of Agricultural Science and Technology，2000，2(3):12-15.

［5］ Zhao M，Li J G，Zhang B，Dong Z Q，Wang M Y.The compensatory mechanism in exploring crop production potential.Acta Agronomica Sinica，2006，32(10):1566-1573.

［6］ Li M，Yang K J，Liu G，Xu J X，Liu J H.Study on high-yield components of maize in cold region.Journal of Northeast Agricultural University，2005，36(5):553-555.

［7］ Cui Y H.Relations of yield and yield components in different populations of spring corn.Journal of Agricultural University of Hebei，1992，15(1):14-18.

［8］ Chen G P，Wang R H，Zhao J R.Analysis on yield structural model and key factors of maize high-yield Plots.Journal of Maize Sciences，2009，17(4):89-93.

［9］ Ke F L，Ma X L，Huang R D，Wang C H，Xu A B.Characteristics of yield components and formation mechanism of high-yield maize hybrids.Journal of Maize Sciences，2010，18(2):65-69.

［10］ Slafer G A，Calderini D F，Miralles D J.Yield components and compensation in wheat:opportunities for further increasing yield potential//Reynolds M P，Rajaram S，McNab A，eds.Increasing Yield Potential Wheat:Breaking the Barriers.Mexico:CIMMYT，1996:101-133.

［11］ Guo T C，He D X，Wang Z H.The development of spike kernel weight in wheat//Study of Spike Kernel Weight in Wheat.Beijing:Chinese Agriculture Press，1995:1-15.

［12］ Chen C Y，Hou Y H，Sun R，Zhu P，Dong Z Q，Zhao M.Effects of planting density on yield performance and density-tolerance analysis for maize hybrids.Acta Agronomica Sinica，2010，36(7):1153-1160.

［13］ Widdicombe W D，Thelen K D.Row width and plant density effects on corn grain production in the northern corn belt.Agronomy Journal，2002，94(5):1020-1023.

［14］ Hashemi A M，Herbert S J，Putnam D H.Yield response of corn to crowding stress.Agronomy Journal，2005，97(3):839-846.

［15］ Simmons S R，Jones R J.Contributions of pre-silking assimilate to grain yield in maize.Crop Science，1985，25(6):1004-1006.

［16］ Xie G H，Han D Q，Wang X Y，Lü R H.Harvest index and residue factor of cereal crops in China.Journal of China Agricultural University，2011，16(1):1-8.

［17］ Lorenz A J，Gustafson T J，Coors J G，De Leon N.Breeding maize for a bioeconomy:a literature survey examining harvest index and stover yield and their relationship to grain yield.Crop Science Society of America，2010，50(1):1-12.

［18］ Chen J Z，Xiao H X，Xi G C.The effect of ecoclimatical factors on grain weight of summer-sowing maize in Heilonggang river valley.Agricultural Meteorology，1999，20(3):19-23.

［19］ Chen J Z，Xiao H X.Effects of ecoclimatical factors on grain number of summer maize in Heilonggang Area.Journal of Hebei Agricultural Sciences，2000，4(3):23-27.

［20］ Wang S A.Introduction of Each Crop Cultivation Science(North Version).Beijing:China Agriculture Press，1995:154.

［21］ Zhang S H，Li S K.Domestic and Foreign Corn Industrial Technology Development Report.Beijing:China Agricultural Science and Technology Press，2009.

參考文獻:

［1］ 張賓，趙明，董志強，陳傳永，孫銳.作物產量“三合結構”定量表達及高產分析.作物學報，2007，33(10):1674-1681.

［2］ 王志敏，方保停.論作物生產系統產量分析的理論模式及其發展.中國農業大學學報，2009，14(1):1-7.

［3］ 韓萍，張玉欣，郭長貴，趙化春.玉米噸糧田的發展概況及技術措施.玉米科學，2000，8(4):87-91.

［4］ 王璞，盧布，王樹安，魯來清，王潤正，于國建.河北吳橋小麥-玉米一年兩作超高產探索.中國農業科技導報，2000，2(3):12-15.

［5］ 趙明，李建國，張賓，董志強，王美云.論作物高產挖潛的補償機制.作物學報，2006，32(10):1566-1573.

［6］ 李明，楊克軍，劉剛，徐金星，劉錦紅.寒地高產玉米產量構成因素分析.東北農業大學學報，2005，36(5):553-555.

［7］ 崔彥宏.春玉米不同群體產量構成因素分析.河北農業大學學報，1992，15(1):14-18.

［8］ 陳國平，王榮煥，趙久然.玉米高產田的產量結構模式及關鍵因素分析.玉米科學，2009，17(4):89-93.

［9］ 柯福來，馬興林，黃瑞冬，王傳海，徐安波.高產玉米品種的產量結構特點及形成機制.玉米科學，2010，18(2):65-69.

［11］ 郭天財，賀德先，王志和.小麥穗粒重研究進展 //小麥穗粒重研究.北京:中國農業出版社，1995:1-15.

［12］ 陳傳永，侯玉虹，孫銳，朱平，董志強，趙明.密植對不同玉米品種產量性能的影響及其耐密性分析.作物學報，2010，36(7):1153-1160.

［16］ 謝光輝，韓東倩，王曉玉，呂潤海.中國禾谷類大田作物收獲指數和秸稈系數.中國農業大學學報，2011，16(1):1-8.

［18］ 陳建忠，肖荷霞，席國成.黑龍港流域氣象生態因子對夏玉米粒重的影響.中國農業氣象，1999，20(3):19-23.

［19］ 陳建忠，肖荷霞.黑龍港流域氣象生態因子對夏玉米穗粒數的影響.河北農業科學，2000，4(3):23-27.

［20］ 王樹安.作物栽培學各論.中國農業出版社，1995:154.

［21］ 張世煌，李少昆.國內外玉米產業技術發展報告.北京:中國農業科學技術出版社，2009:106-109.