基于Hybrid-Maize 模型的3個生態地點玉米產量潛力評估*

白金順，尤 飛

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物，在保障糧食安全方面發揮著舉足輕重的作用。近年來，在政策和科技等因素的綜合作用下，我國糧食產量實現“十二連增”，玉米產量也連年攀升[1]，然而，近10年來的玉米單產增長速率仍然低于科學界對滿足我國未來玉米消費所需產量增加速率的預測值2%[2]，同時，我國玉米總產是世界上僅次于美國的第二大生產國，而玉米單產水平僅有美國的53%[3]。因而，提高和挖掘玉米產量潛力仍然是未來玉米栽培學科持續關注的重要方向之一。

產量潛力是指品種在適應的環境中當水分、養分脅迫和土壤毒害、雜草和病蟲害的影響被完全消除時所能取得的產量[4]。自20世紀80年代我國出現噸糧田以來，高產典型不斷出現，特別是近10年來，玉米高產記錄被不斷刷新，且在全國范圍內的高產重現性也得到極大提高[5]。通過高產成果的總結，各地紛紛提出了相應的玉米高產技術與措施，并開始廣泛地應用到玉米生產實踐，如農業農村部推廣的“一增四改”關鍵技術，山東省推廣的“雙晚”技術，吉林省推廣的“縮株增密”技術等[5]，因而，定量地理解與認識這些高產措施對玉米產量潛力影響及其時空變化特征將有助于這些措施在玉米生產中有效地發揮作用。

作物生長模型是對于作物、環境與管理3者之間關系的系統、定量的數學模擬，它是量化作物產量潛力的常用方法，也是作物管理和科學研究的一項重要工具[6]。前人利用相關玉米模型(如CERES-Maize模型)開展玉米生產潛力評估[7]和玉米單產對氣候變化的響應等相關研究[8]，對提高玉米與環境間互作關系的認識起到了積極作用。Hybrid-Maize模型是2004年由美國內布拉斯加州林肯大學集合現有作物通用模型(如：INTERCOM模型)和玉米專用模型(如CERES-Maize模型)兩者的優點基礎上開發的玉米生長模擬模型[9-10]，因其能夠敏感反映玉米對環境條件的響應和準確模擬優化管理條件下的產量潛力，近年來在世界各地被廣泛應用[11-12]。我國科學家也對模型在不同的地區開展了模型校驗及產量潛力評估等工作[13-14]，而對目前生產玉米主推栽培技術的增產潛力及基于模型的玉米高產體系定量設計關注較少。

文章選取位于分別華北和西北的3個代表性地點(北京，泰安和榆林)為研究對象，定量評價當前生產中主推的代表性玉米高產技術(直播、晚收和增密)對玉米產量潛力的影響，設計構建不同地點的玉米高產栽培體系，以期為玉米高產措施的合理應用和玉米高產體系的設計構建提供理論依據與技術參考。

1 材料與方法

1.1 Hybrid-Maize模型

Hybrid-Maize玉米生長模型是美國內布拉斯加州林肯大學科研團隊自主研發的基于過程模擬的機理模型[9-10]，其主要特點是綜合集成了國際常用的作物通用型和玉米專用型兩類作物模型優勢模塊兒，更能敏感反映玉米產量潛力對光溫變化的響應，同時加入一些實用新模塊，且在接近玉米生產潛力的田塊兒中進行了校驗，克服了已有作物模型難以用于高產玉米生產體系模擬的缺點。能用于模擬在無限制或水分限制條件下的玉米潛在生長、發育、光合同化、同化物分配和產量形成。它以每日為步長，溫度是玉米生長發育、冠層光合、器官生長和維持呼吸的驅動因子，模擬無限制因子條件的玉米產量潛力時需要輸入的主要參數包括不低于10年的每日氣象數據(太陽輻射、最高溫度、最低溫度)，玉米有效生長積溫(GDD)和管理(播種日期、播種深度和種植密度)信息。該模型可用于評價某一地區不同管理措施(品種、播期和密度)相互組合下的長期產量潛力，對于確定合理的高產栽培措施配置具有重要作用。目前是美國玉米帶和印度尼西亞以及國際植物營養研究所支持的“全球玉米”計劃中玉米高產的重要管理工具，同時也是全球“產量差地圖”研究項目中玉米產量潛力模擬的主要手段。

1.2 研究地點

為研究不同生態區玉米高產措施增產潛力，該文選擇分別位于華北地區北部的北京(北緯39.8°，東經116.5°，海拔31m)、華北地區南部的泰安(北緯36.2°，東經117.2°，海拔128m)和西北地區的榆林(北緯38.3°，東經109.8°，海拔1 157m)作為研究地點。北京屬北溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年無霜期180～200d，年平均日照時數在2 000～2 800h之間，春夏玉米均可種植。泰安屬暖溫帶溫潤性季風氣候，年平均日照數2 342～3 413h之間，無霜期平均195～241d，是典型的夏玉米種植區。榆林屬暖溫帶至中溫帶半干旱大陸性季風氣候，日差較大，無霜期短，光能資源豐富，年日照時數2 600～2 900h，是典型的春玉米種植區。

1.3 情景模擬

模型模擬所需的各地30年氣象數據來自國家氣象局，其中，泰安和榆林點的太陽輻射數據由日照時數廣泛使用的AP模型計算而來[15]。玉米品種選擇大面積推廣應用的鄭單958，其生長發育的信息根據前期的實驗結果獲得，在該研究中成熟期GDD設置為1 612，吐絲期GDD設置為813，除模擬增密措施和高產設計模式外，密度均以為5.5萬株/hm2為模擬輸入。播種深度統一設置為5cm，其他管理信息輸入依據研究地點和分析目的進行相應設置。

該研究在進行“直播、晚收、增密”3種玉米高產技術進行產量潛力模擬時，因榆林是典型的北方春玉米種植區且無霜期較短，播期和收獲期調節窗口較小，因而，對直播和晚收措施的模擬主要針對北京和泰安點進行模擬，具體日期的設置參考當前的生產實際，套播日期統一設定為6月5日，直播日期在北京為6月15日，在泰安為6月20日。根據前期模擬測試和田間研究結果，鄭單958在北京和泰安的收獲期大致在9月底至10月初的范圍內，在該研究中對晚收措施的數據分析窗口也設置在9月20—30日之間，以5 d為間隔分段分析，模擬時的播種期設置均為直播日期。在模擬密度效應時，根據我國目前生產品種的耐密特性，密度的范圍設置在5.5萬～9.5萬株/hm2之間，以0.5萬株/hm2間隔遞增模擬，播期的設置參考當前生產實際情況。

在進行不同研究地點基于模型的玉米高產體系構建時，設置對照模式和高產設計模式兩類模擬情景，對照體系為各地當前管理方式，主要根據文獻報道和個人農戶調研經驗確定，北京當前模式為6月15日播種、5.5萬株/hm2和生理成熟期收獲。泰安為6月5日播種、5.5萬株/hm2和生理成熟期收獲。榆林為4月20日播種、5.5萬株/hm2和生理成熟期收獲。不同地點的玉米高產設計模式主要依據模型對不同高產措施增產效應的模擬結果進行優化組合設置。

圖1 套種改為直播對北京和泰安玉米產量潛力的影響

圖2 不同地點的產量潛力隨模擬播種時期的變化

2 結果與分析

2.1 “套種改為直播”的產量潛力變化

為探明“套種改為直播”措施對玉米產量潛力及玉米生長季光溫資源配置的影響，該研究以當前生產上廣泛使用的主導玉米品種鄭單958和當前生產密度(5.5萬株/hm2)作為管理信息輸入進行30年的長期模型模擬。結果表明(圖1)，在套種條件下，泰安長期平均模擬產量潛力為12.3t/hm2，而北京的長期平均模擬產量潛力為11.1t/hm2，兩者的產量差距主要與玉米生長季太陽總輻射差異有關(表1)； 套種改為直播后，北京和泰安兩地的產量潛力分別提高18%和20%。可見，直播措施是華北地區提高產量潛力的有效途徑。

對玉米生長季光溫資源配置情況的分析結果表明(表1)，套種改為直播后，玉米總生育期明顯延長，在北京和泰安分別延長17d和18d。玉米營養生長季天數略有縮短(1～2d)，而生殖生長天數明顯延長，在北京和泰安分別延長18d和20d。玉米生育期變化主要與套種改為直播后總生育期和生殖生長期平均溫度明顯下降，而營養生長季溫度升高密切相關，同時玉米生育期的總太陽輻射量略有增加，整體上，光溫資源的配置有利于前期玉米冠層的快速構建，后期有效灌漿時期有效延長，從而促進生物量和產量增加。

為進一步明確和展示不同地點通過播期調整對產量潛力影響的動態變化和最佳播期的選擇，開展連續每5d為一周期的不同地點的長期產量潛力隨播期變化的模擬。該研究從能夠保證種子正常發芽的溫度開始模擬，模擬的播種窗口在北京和泰安為4月15日到6月20日。結果如圖2所示，整體而言，泰安的同播期產量潛力略優于北京，主要與兩地太陽總輻射量差異有關(表1)。兩地模擬產量潛力隨玉米播期調整的變化規律基本一致，均表現為在5月20號之前，播期的調整對于產量潛力的變化影響甚微，而從此之后開始呈類指數增長趨勢，在6月5號左右最為明顯，在6月5—15號之間，每晚播1d，可以增長籽粒產量潛力約150kg/hm2。然而，模型模擬結果顯示，如果播種期設置為6月20日，從長期的歷史氣象年型來看在北京玉米生長季發生霜凍的概率在26%，泰安的霜凍概率為15%(數據未列出)。因而，我們選擇在北京的最晚播期應在6月15日(霜凍概率為4%)之前完成，而在泰安在此時播種是沒有霜凍風險的，所以泰安可以適當晚3～4d左右播種。

表1 套種改為直播措施對北京和泰安玉米生長季光溫資源配置的影響

地點播種產量潛力(t/hm2)生物量(t/hm2)天數(d)總輻射(MJ/m2)平均氣溫(℃)吐絲前吐絲后生育期吐絲前吐絲后生育期北京套種長期平均11.1217.2248541021 67126.124.925.5變異系數(%)985977354直播長期平均13.3118.5247721191 77626.621.123.3變異系數(%)966191384128泰安套種長期平均12.3219.7249551041 92825.924.625.2變異系數(%)894967354直播長期平均14.5620.8947751222 05126.520.923變異系數(%)11942013113108

2.2 “晚收”對產量潛力的影響

生產上因緊湊型玉米品種有“假熟”現象，農民收獲時玉米并未達到生理成熟，限制了玉米產量潛力的發揮。而適時晚收可延長灌漿時間，利于玉米高產。該研究利用作物模擬模型對不同收獲時期的玉米產量潛力變化動態進行了模擬，并對不同的產量年型進行了劃分，結果表明(圖3)，在北京和泰安的模擬結果類似，不同年型的玉米產量潛力均隨玉米收獲日期的推遲呈增加趨勢，其中，高產年份和中產年份玉米產量潛力均隨收獲期推遲呈直線增加趨勢，而對低產年份而言，不同地點表現不同，在北京，延遲收獲對玉米產量潛力增加明顯，呈直線增長趨勢。而在泰安，9月25日后延遲收獲對產量潛力影響較小。因而，整體而言，對于鄭單958而言，如果是直播(6月15日播種)，成熟一般在9月底到10月初，從9月20號開始，大概每晚收獲1d，產量潛力能夠增加100～200kg/hm2。

圖3 北京(左圖)和泰安(右圖)直播玉米產量潛力隨玉米收獲日期的在不同產量年份間變化

圖4 模擬玉米產量潛力在不同地點隨密度增長的反應

2.3 “增密”對產量潛力的影響

增加密度是挖掘玉米產量潛力最經濟有效且易于推廣的增產措施。該研究選取北京、泰安、榆樹3個研究地點在當前的管理條件情況下(鄭單958，播期按當前水平)開展了產量潛力隨密度增加的動態響應模擬，結果表明(圖4)，榆林的玉米產量潛力明顯高于北京和泰安，這與近幾年榆林出現的大面積玉米高產田情況相吻合。隨著密度的增加產量潛力整體上均表現為由快速增加然后趨緩規律，但不同地點產量潛力對密度增加的響應速度有所差異，從5.5萬/hm2增長到7萬株/hm2密度的階段，北京、泰安和榆林的密度每增加1 000株/hm2的增產效應分別為107kg/hm2、129kg/hm2和156kg/hm2，在密度高于7萬株/hm2后，北京、泰安和榆林的密度每增加1 000株/hm2的增產效應分別降為44kg/hm2、51kg/hm2和63kg/hm2。這一數據與其他人所表述的增密的增產效果相似[16]。說明增密是提高玉米產量潛力的有效措施，以鄭單958為例，在當前的生產條件下，北京和泰安的玉米合理種植密度應控制在7.5萬～8萬株/hm2，而榆林因具備更好的光照條件且晝夜溫差大，能容納相對更高的種植密度，推薦合理密度在8.5 萬～9萬株/hm2。進一步增密后增產潛力不大，且在實際的生產條件下，過高的種植密度來還會帶來更大的病蟲害壓力和倒伏風險等問題。

表2 3個研究地點的措施優化的增產潛力對比

地點栽培模式播期(月/日)密度(1 000株/hm2)模型模擬產量潛力 (t/hm2)增產(%)平均標準差80%產量潛力北京直播(當前)06/155512.6 1.2 10.1 直播+增密06/158014.5 1.4 11.6 15 泰安套播(當前)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(當前)04/205515.0 1.8 12.0 直播+增密04/209018.7 2.0 15.0 25

2.4 不同增產措施在不同地點的貢獻的分析

伴隨著玉米產量水平的不斷提高，基于不同增產措施綜合的高產技術體系構建是充分提高挖掘玉米產量潛力的關鍵途徑。然而，如何在明確作物、環境與技術相互作用關系的基礎上進行栽培技術的定量設計是構建高產技術體系的難點。該研究探索利用玉米生長模型在定量評估當前主推增產措施增產效應的基礎上，通過技術定量模擬組裝設計形成了不同研究地點玉米高產技術體系。結果表明(表2)，在當前生產條件下，不同研究地點的產量潛力為12～15t/hm2(平均值為13t/hm2)，其年際變異在1～1.8t/hm2(平均值為1.4t/hm2)，約占產量潛力本身的10%左右。與不同研究地點的光溫條件相適應，不同地點的高產體系技術組合方式有所不同，對于生產上廣泛應用的相對耐密品種鄭單958而言，在北京，主要采取的增產措施是在直播的基礎上增密，其增產潛力為15%； 而在榆林，增密的增產潛力25%； 在泰安，直播的增產潛力有18%，而增密的潛力有21%，兩者優化結合可增產43%。在國際上一般認為品種光溫產量潛力的80%為相對比較經濟可實現的目標產量。從表1中可以看出，在當前的生產措施下，長期平均產量潛力的80%在10～12t/hm2，但如果通過措施優化，其產量潛力可提高到11.6～15.0t/hm2，為當前玉米大田平均生產水平的2倍以上。可見，通過玉米高產技術體系的定量設計，不同研究地點的玉米產量潛力均有顯著提高，研究推薦的高產技術組合對目前玉米主推增產技術的區域應用具體指導意義，同時，該研究對不同生產模式下玉米產量潛力的定量結果也有助于在實際生產中指導匹配目標產量的水、肥資源管理，實現玉米高產高效協同提高。

3 結論與討論

3.1 結論

該研究利用Hybrid-Maize玉米生長模型，以目前大面積應用的玉米品種鄭單958為例，對當前生產上3種主要玉米高產措施(直播、晚收和增密)的增產潛力進行了定量分析，并依據不同生態區3個地點(北京、泰安和榆林)的環境條件和生產現狀針對性地設計構建了玉米高產管理模式。主要結論如下：(1)播期調整是華北平原一項重要的增產措施，套種改直播措施在北京和泰安分別能理論增產18%和19%； (2)適時晚收是有效挖掘玉米產量潛力的關鍵措施，在直播條件下，每晚收1d，在北京和泰安玉米產量理論上能分別增加214kg/hm2和204kg/hm2； (3)合理密植可顯著提高玉米產量潛力，其理論增產潛力在該研究的不同環境條件下為15%～25%； (4)定量設計的玉米高產管理模式具有較高產量潛力，與當前的生產技術相比，產量潛力可以增加15%～41%。總體而言，Hybrid-Maize模型是理論指導不同生態區玉米高產管理措施應用的有效手段，將有助于在更大尺度上實現玉米高產技術體系定量設計。

3.2 討論

實現玉米定量設計栽培是玉米栽培學科未來發展的重要方向[5]，Hybrid-Maize模型具有敏感反映玉米生長對環境條件響應和準確模擬優化管理條件下玉米產量潛力的優點，可系統量化玉米—措施—環境3者的相互關系。該研究中利用該模型在量化分析不同研究地點產量潛力對主要玉米高產措施動態響應的基礎上，設計構建了較當前生產模式具有更高產量潛力的玉米高產新模式，研究結果對于促進不同玉米高產管理措施的區域合理應用和理論構建玉米高產技術模式具有重要的理論認識和實踐指導意義。然而，在該研究的模擬中品種輸入參數選擇了生產上應用面積最大的玉米品種鄭單958，對不同品種選擇影響玉米產量潛力效果尚不清楚。因而，廣泛收集我國不同區域主栽玉米品種參數開展不同區域的管理措施模擬和高產模式構建將是值得關注的重要方向。同時，作物模型本身是對簡化的真實世界的再現，但并不能完全代替真實世界，應更多將其作為啟發式的理論指導工具，在實際應用過程中需與水肥、植保等其他管理措施相結合，例如在高密度種植下倒伏和病蟲害問題的有效控制措施。另外，目前該模型已在我國華北[16-17]、東北[18]和西北[14]地區進行了田間校驗工作，但在其他區域的田間模擬校驗工作仍然缺少，在這些區域的模擬分析結果應謹慎對待。