不同生態類型玉米品種生產潛力比較分析

鐘昌松，呂巨智，石達金，范繼征，閆飛燕，盧生喬，弓 雪，陳 坤，劉亞利，張述寬

(1.廣西農業科學院玉米研究所，廣西 南寧 530007；2.廣西農業科學院，廣西 南寧 530007)

【研究意義】玉米是我國第一大糧食作物和飼料來源作物，對我國糧食安全和工業發展發揮著重要的保障作用。廣西是我國熱帶玉米主產區，玉米播種面積占廣西糧食播種面積的18.4%～20.4%，總產量占廣西糧食總產量的17.1%～18.4%，但平均單產長期徘徊在4500 kg/hm2，與全國平均單產約6000 kg/hm2[1-2]相比，產量水平較低。從生態氣候環境看，廣西屬于亞熱帶季風氣候，光熱資源豐富，雨量充沛，復種指數高，是我國少數的幾個玉米一年兩熟乃至三熟地區之一，糧食生產潛力極大。廣西玉米常規種植密度為48 000～54 000株/hm2，與北方玉米密度(67 500～90 000株/hm2)差距較大，是廣西玉米產量水平顯著低于北方生態區域的重要原因。因此，在充分利用廣西光熱資源的基礎上，挖掘和提高玉米產量潛力，縮小潛在產量和實際產量之間的差距，是廣西玉米產業持續重點關注的方向。【前人研究進展】玉米產量潛力通常指某地區在現有光照、熱量資源和最適水肥供應條件下，玉米優良品種所能實現的最高產量，也是該地區灌溉農田玉米可能達到的產量上限[3]。在實際生產中，品種、種植密度、養分、土壤、雜草、病蟲害和氣候環境等因素均會影響玉米產量潛力的實現。王榮煥等[4]研究指出，玉米生產中品種布局應在考慮熟期時兼顧產量、籽粒灌漿和脫水特性。徐晨等[5]研究提出，吉林省西部半干旱地區高產玉米的適宜灌溉定額參考值為170 mm。劉正等[6]研究認為，通過優化綜合農藝管理措施可顯著增加夏玉米的氮磷鉀養分積累量、干物質量和產量。王玉等[7]通過優化行距配置挖掘玉米密植潛力，提出甘肅綠洲灌區高產潛力發揮的理想種植模式為密度97 500株/hm2搭配寬窄行56 cm×24 cm。劉思華等[8]研究顯示，積溫和高溫是影響湖南春玉米光溫生產潛力和產量差的關鍵因素。在挖掘玉米高產潛力的研究中，計算機模擬技術(Hybrid-Maize模型)通過利用長期氣象數據和短期田間試驗數據來評價玉米產量潛力和生長發育情況[9-10]，并在玉米產量潛力估算[11-12]、生育進程模擬[13]、水資源脅迫條件下產量潛力[14]及氣候變化對玉米產量潛力影響[15]等方面獲得了很好的應用效果。【本研究切入點】隨著我國玉米產業的發展和高產記錄的刷新，不斷有北方生態區域高產耐密型玉米品種在廣西進行試種和推廣，但成效不明顯。而目前鮮見在廣西亞熱帶環境條件下針對北方和廣西兩個生態類型玉米品種生長特性和高產機理進行比較研究的報道。【擬解決的關鍵問題】以我國北方和廣西生態區域具有較大推廣面積的玉米品種為材料，參考北方高產玉米增密栽培措施，從玉米葉面積指數變化規律、干物質積累特性、產量形成和Hybrid-Maize模型產量潛力等角度，分析兩種生態類型玉米品種的高產潛力和限制性因素，為合理利用廣西自然資源挖掘和提高廣西玉米產量潛力提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點設在廣西農業科學院玉米研究所試驗基地(東經22°36′43″，北緯108°13′59″)，海拔300 m，試驗區年均降水量約943.9 mm，年均有效積溫(GDD)約4592.5 ℃，年均日照約1310.5 h。試驗地土質為黃壤。2012-2018年氣象數據來自試驗基地氣象觀測站(2011年11月起建成運轉,圖1)。

1.2 試驗材料

參試品種為北方生態區域代表性品種先玉335(XY335)和登海11(DH11)，廣西生態區域代表性品種桂單688(GD688)和迪卡008(DK008)。各品種的生長發育信息見表1。

表1 參試玉米品種及其生長發育信息

1.3 試驗設計

在2010-2012年連續3年不同生態類型玉米品種增密產量潛力比較試驗的基礎上，利用收集的氣象數據(2012-2018年)和參試品種的生長發育信息，2019-2020年重新進行綜合評價分析，并采用HybridMaize軟件計算模擬玉米光溫生產潛力，同時結合田間試驗結果綜合評估分析不同生態類型玉米品種在廣西的產量潛力。

1.3.1 試驗設計 采用完全隨機區組設計，種植密度設A1(52 500株/hm2)和A2(75 000株/hm2)兩個水平，3次重復，每小區8行，行距60 cm，行長8 m。底肥施尿素150 kg/hm2和磷酸二銨300 kg/hm2；拔節期追肥尿素225 kg/hm2、磷酸二銨150 kg/hm2和硫酸鉀112.5 kg/hm2。其他田間管理措施與當地大田生產一致。

1.3.2 Hybrid-Maize模型產量潛力評估 基于試驗基地2012-2018年氣象數據和品種生長發育信息，利用Hybrid-Maize模型對不同生態類型玉米品種的產量潛力進行模擬評估。北方和廣西生態區域玉米品種分別選擇已經大面積推廣的XY335和DK008為代表。模型輸入的氣象數據主要包括日最高溫度、日最低溫度、平均相對濕度、降水量和太陽輻射等。為保證產量潛力比對的一致性，密度按試驗設計輸入，春季播種期為4月11日，秋季播種期為8月7日。根據品種生長發育信息，DK008春季的GDD為1750 ℃，秋季的GDD為1410 ℃；XY335春季的GDD為1610 ℃，秋季的GDD為1270 ℃；播種深度統一設為5 cm；水分需求量設為無水分限制(充分灌溉)。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生育進程、農藝性狀與產量觀測 調查播期、出苗期、抽雄期、吐絲期和生理成熟期(籽粒灌漿期)等；按區試標準調查穗長、行數、行粒數和千粒重等產量性狀；每小區實收中間2行測產，并折算成標準水含量14%的產量。

1.4.2 葉面積計算 在拔節期、大口期、吐絲期、吐絲后15 d、吐絲后45 d和收獲期，分別用長寬系數法測定葉面積，計算葉面積指數(LAI)[16]，并比較各品種不同生育期的LAI變化規律。

1.4.3 干物質重計算 在拔節期、吐絲期和收獲期，分別取3株代表性植株，按不同器官(葉片、葉鞘、莖稈、雄穗、苞葉、穗軸和籽粒)分類并稱量鮮重。105 ℃殺青30 min后，80 ℃烘干至恒重，稱量并記錄各器官的干物質重量。參考仝錦的[17]方法計算各生育階段的干物質積累量。

播種期-拔節期的干物質積累量=拔節期地上部干物質總重-播種期地上部干物質總重

拔節期-開花期的干物質積累量=開花期地上部干物質總重-拔節期地上部干物質總重

開花期-成熟期的干物質積累量=成熟期地上部干物質總重-開花期地上部干物質總重

其中,播種期玉米苗尚未長出，地上部干物質總重設為0。

1.4.4 產量潛力和產量潛力實現效率估算 根據Hybrid-Maize模型計算獲得各品種的產量潛力后，計算產量潛力實現效率(%)=實際產量×100÷模擬產量潛力，其中實際產量為玉米品種田間試驗的平均產量。

1.5 統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行統計和制圖，以DPS 7.05進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 LAI的變化規律

利用多項式回歸分析法分別對兩個生態類型品種的LAI和生育時期進行動態模擬(圖2～3)，擬合效果以4次和5次多項式最佳，不同年份、不同生態類型品種和種植密度間多項式的R2在0.9651～0.9996。根據擬合曲線，各品種的ILA變化趨勢可分為緩慢增長期、快速增長期、穩定期和快速下降期4個階段。不同生態類型玉米品種的ILA,max及其到達時間不同，品種XY335和DH11在吐絲期前后達到ILA,max，GD688和DK008則在吐絲期至吐絲后15 d達到ILA,max，峰值維持期也相對較長。不同生態類型玉米品種的ILA衰減速度也不一致，其中，XY335和DH11的ILA在吐絲初期即開始衰減，衰減速度相對較快，春季ILA在吐絲期40～45 d衰減至0，秋季ILA在吐絲期35～40 d衰減至0，而GD688和DK008的ILA在吐絲期50 d后仍保持一定面積綠葉，尤其DK008的持綠性最佳。

各生育時期玉米品種的ILA排序表現為：拔節期DH11>XY335>GD688>DK008，大喇叭口期GD688>DH11>DK008>XY335，吐絲期GD688>DH11≥DK008>XY335，生理成熟期DK008>GD688>DH11=XY335。從圖3可看出，在玉米生長的起始階段，XY335和DH11的ILA具備一定的葉面積優勢，其后逐漸被GD688和DK008趕超，且差異呈擴大趨勢；從吐絲期至生理成熟期，GD688和DK008的ILA表現優于XY335和DH11。可見，廣西生態類型玉米品種具有較北方生態類型品種更大的葉面積優勢。

2.2 干物質積累特性分析

由表2可知，種植密度從52 500株/hm2增加至75 000株/hm2時，在開花期和成熟期，玉米品種的葉片、莖+鞘、苞葉+軸、籽粒的干物質重及總干物質重等指標在3個年份多數表現為減小態勢。不同密度條件下，單個年份表現差異顯著(P<0.05，下同)的是2010年成熟期的葉片重和莖+鞘重、2011年開花期的莖+鞘重和總干物質重，以及2012年成熟期的籽粒重和總干物質重，其余指標差異不顯著(P>0.05，下同)；在密度與品種間互作(D×V)方面，同一生育時期同類型器官的干物質重也無顯著差異。

表2 不同種植密度對不同生態類型玉米品種干物質積累量的影響

從表2還可看出，XY335和DH11品種間開花期的穗重連續兩年(2010和2011年)表現差異顯著，成熟期的莖+鞘重、籽粒重和總干物質重在單個年份(2010年)表現差異顯著，其余指標無顯著差異；而進行XY335和DH11與GD688和DK008的品種間比較，其開花期的葉片重、莖+鞘重和總干物質重及成熟期的葉片重、莖+鞘重、苞葉+軸重、籽粒重和總干物質重均呈顯著或極顯著差異(P<0.01，下同)。其中，成熟期GD688和DK008的葉片重和莖+鞘重極顯著大于XY335和DH11，成熟期GD688和DK008的莖+鞘重也明顯大于其開花期的莖+鞘重，而成熟期XY335和DH11的葉片重和莖+鞘重與其開花期相比有所減小。可見，廣西生態類型玉米品種的干物質生產水平總體上高于北方生態類型玉米品種。從圖4～5也可看出，同一生態類型玉米品種的干物質生產水平較接近，但廣西生態類型玉米品種的干物質生產能力明顯高于北方生態類型玉米品種。

從圖4～5還可看出，在播種期—拔節期階段，3個年份中僅2012年75 000株/hm2密度條件下品種間(V)的干物質積累量表現較大差異，該階段其余品種間(V)的干物質積累量無明顯差異；在拔節期—開花期階段，3個年份中品種間(V)的干物質積累量無顯著差異；在開花期—成熟期階段，DK008和GD688的干物質積累量顯著大于XY335和DH11，各品種排序為DK008>GD688>XY335>DH11；其中2010年52 500和75 000株/hm2及2011年52 500株/hm2種植密度條件下，XY335開花期—成熟期階段的干物質積累量均顯著大于DH11。此外，對開花期—成熟期和拔節期—開花期兩個階段的干物質積累量進行比較，2010年的DH11及2012年的XY335和DH11在開花期—成熟期階段的干物質積累量較拔節期—開花期階段明顯減少，尤其是75 000株/hm2密度條件下減小幅度較明顯，而GD688和DK008的干物質積累量則表現較明顯的增加態勢。綜上所述，在玉米開花期前，不同生態類型玉米品種的干物質積累水平較接近，差異主要表現在開花—成熟期階段；此外，比較花前和花后兩個階段干物質積累量，花后干物質積累對GD688和DK008的貢獻更大。

2.3 產量性狀表現

由表3可知，種植密度從52 500株/hm2增加至75 000株/hm2時，不同玉米品種的穗長、穗粗、穗粒數和千粒重在3個年份多數均表現出減小態勢，僅2012年試驗中DK008的千粒重和產量有一定程度增加，產量水平表現最佳(6.76 t/hm2)；不同密度間，穗長、穗粗和穗粒數連續3年試驗均表現顯著或極顯著差異(其中穗長均呈極顯著差異)，而千粒重和產量連續3年試驗無顯著差異，表明增加種植密度對穗長、穗粗和穗粒數存在顯著的負面影響，對增加產量效果不顯著；不同品種間，千粒重和產量連續3年試驗表現出顯著或極顯著差異(其中千粒重均表現極顯著差異)，穗粗有2年試驗表現出顯著或極顯著差異，穗長和穗粒數分別有1年表現極顯著差異；密度與品種間互作方面，產量及其構成因子連續3年試驗均無顯著差異。綜上所述，不同生態類型玉米品種的產量差異較大，而在廣西生態區域通過大幅度增加種植密度來提高參試品種的產量水平，效果不明顯。

表3 不同種植密度對兩個生態類型玉米品種產量及其構成因子的影響

對上述玉米產量、吐絲期和吐絲后15 d葉面積指數、拔節期—開花期和開花期—成熟期的干物質積累量、開花期和成熟期的植株干物質重等進行相關分析，結果(圖5～6)表明，產量與開花期—成熟期干物質積累量、成熟期植株干物質重呈極顯著相關，與拔節期—開花期干物質積累量、吐絲期和吐絲后15 d葉面積指數及開花期植株干物質重相關不顯著。可見，玉米產量形成與開花期—成熟期的干物質積累量和成熟期的植株干物質重關系較密切。

2.4 基于Hybrid-Maize模型的玉米產量潛力分析

基于試驗基地2012-2018年氣象數據和品種田間試驗數據，以XY335和DK008分別代表北方和廣西生態區域玉米品種，利用Hybrid-Maize模型比較分析兩個生態類型玉米品種春季和秋季的產量潛力。由表4可知，在春季，在52 500和75 000株/hm2密度條件下，DK008的產量潛力分別為7880～10 440和8980～12 150 kg/hm2，平均為8780和10 051 kg/hm2；XY335的產量潛力分別為6380～8620和7210～10 200 kg/hm2，平均為7277和8318 kg/hm2；與同等密度條件下的品種試驗產量相比，DK008春季分別實現了產量潛力的73.45%和67.26%，XY335分別實現了產量潛力的87.80%和72.00%。在秋季，在52 500和75 000株/hm2密度條件下，DK008的產量潛力分別為7020～8810和8430～10 630 kg/hm2，平均為7938和9577 kg/hm2；XY335的產量潛力分別為5390～7190和6590～8850 kg/hm2，平均為6391和7838 kg/hm2；與同等密度條件下的試驗產量相比，XY335秋季分別實現了產量潛力的89.42%和76.00%，而試驗設計上DK008缺少秋季同期同區域試驗結果，因此未做秋季實現產量潛力效果分析。可見，在春秋兩季兩個密度條件下，DK008的產量潛力比XY335高20.60%～24.20%，說明廣西生態類型玉米品種的產量潛力較北方生態類型高。

表4 基于2012-2018年氣象數據的不同玉米品種產量潛力比較

由表4可知，當密度從52 500株/hm2增加至75 000株/hm2時，DK008和XY335的產量潛力增幅為14.30%～22.65%，其中春季增幅分別為14.47%和14.30%，秋季分別為20.64%和22.64%，說明在廣西生態區域秋季適當增加玉米種植密度可能會獲得更高的產量收益；當密度從52 500株/hm2增加至75 000株/hm2時，與3年田間試驗平均產量結果相比，兩個生態類型玉米品種的產量潛力實現效率下降6.20%～15.90%，但北方生態類型玉米品種的實現效率較廣西生態類型高4.75%～14.34%，即北方生態類型玉米品種可能具有更高的生產效率。

3 討 論

探索玉米生產潛力、縮小實際產量與光溫產量潛力的差距是玉米研究的重要方向和任務。同一品種在不同生態區域生產潛力不同，選擇適宜的品種是玉米獲得高產穩產的首要選擇。已有研究指出，明確不同生態類型區域的氣候變化規律，有利于在生產上合理選用產量潛力更大的品種、充分利用當地光溫資源和有效規避自然風險[13，18]。王榮煥等[4]研究表明，玉米生產上合理布局品種需要充分考慮品種熟期、籽粒灌漿和脫水特性，熱量資源不足地區宜選擇生育期和灌漿期短、灌漿和脫水快的早中熟品種，熱量資源充足地區則宜選擇生育期和灌漿期長、產量潛力大的中晚熟品種。本研究課題組前期研究也表明，季節間氣候變化對廣西一年兩熟玉米的產量、株高、穗長、禿尖長、穗粗、行粒數和千粒重等主要農藝性狀及春季和秋季玉米的播期選擇影響較大，生產上應選擇適宜熟期的玉米品種[19]。綜合本研究結果和前人研究成果，在廣西生態區域，廣西生態類型玉米品種的實際產量和產量潛力均優于北方生態類型玉米品種，二者在ILA,max及其到達時間、ILA,max維持峰值時間、ILA衰退速度、干物質積累特性和產量潛力等方面也存在較明顯差異。本研究指出，北方生態類型玉米品種在產量潛力實現效率上具有優勢，較廣西生態類型玉米品種高4.75%～14.34%；GD688和DK008成熟期的莖+鞘重與開花期相比增幅極大，XY335和DH11成熟期的葉片重和莖+鞘重與開花期相比有所減小，說明XY335和DH11的干物質轉運效率更充分且可能是北方生態類型品種產量潛力實現效率較高的潛在因素。因此，在廣西生態區域進行玉米品種布局仍應首選廣西生態類型玉米品種，但廣西生態類型玉米品種有待改良以提高產量潛力實現效率。

合理密植是提高玉米生產潛力的重要舉措[20-21]。丁相鵬等[16]研究表明，種植密度從67 500株/hm2增加至82 500株/hm2時，群體的ILA和總光合勢顯著增加，群體透光率降低，光能截獲增加，有利于促進光合產物的積累與轉運，最終使玉米群體產量顯著增加。黃淮海地區玉米的種植密度為90 000株/hm2時可充分發揮生長潛能，獲得高產[22-23]。但也有研究指出，高密度種植會引起植株間葉片相互遮陰，競爭水分、養分和光照等限制性資源，從而影響產量表現[24-26]。本研究結果表明，增加種植密度后兩個生態類型品種的Hybrid-Maize產量潛力均有較大增幅；3年的田間試驗結果表明，在廣西生態區域參考北方高產玉米種植密度標準增加種植密度對玉米穗長、穗粗和穗粒數會產生顯著的負面影響，對提高玉米產量潛力效果不明顯；兩種生態類型玉米品種在耐密性上均表現不佳，究其原因，除與品種因素和土壤條件有關外，還與廣西常年實行一年兩熟甚至三熟的耕作制度及頻繁消耗地力但缺乏養護措施有較大關系。侯鵬等[27]研究也認為，耕層障礙等土壤條件也是限制玉米產量潛力實現程度的重要因素。因此，本研究認為，通過增加種植密度來提高玉米產量潛力，除需進一步改良和提高品種的耐密特性外，還應綜合考慮土壤地力和耕作制度等限制因素。

Hybrid-Maize模型在美國[28-29]、南亞[30]和我國[31-32]大部分地區獲得了很好的驗證和應用。劉毅等[9]利用Hybrid-Maize模型在黃土旱塬的模擬結果與實際觀測值較接近，在指導春玉米高產栽培上具有較好應用效果。但Hybrid-Maize模型僅基于玉米生長發育的理想狀況(玉米生長不受養分、水分和病蟲草害脅迫，僅考慮光照和熱量資源對玉米生長和產量形成影響)模擬玉米光溫生產潛力，在其他區域的田間模擬校驗應用較少，對模擬分析結果應謹慎對待[33]。本研究利用Hybrid-Maize模型模擬的ILA動態曲線較平緩，但實際試驗中XY335和DH11的ILA到達ILA,max后，峰值維持時間相對更短，ILA衰減速度也更快，二者的ILA曲線存在明顯差異。此外，XY335和DH11在廣西生態區域較易感南方銹病等客觀因素也未能在模型中得到反映。因此，本研究認為，Hybrid-Maize模型并不能完全反映玉米生產實際情況及準確評價玉米生長實際情況，但對研究本地區玉米光溫生產潛力，摸清本地區玉米實際產量和產量潛力差距，調整品種選育方向，精確指導完善玉米高產高效栽培技術措施具有重要意義。

4 小 結

在玉米生產上合理布局品種時應充分考慮品種的生態適應性，在廣西生態區域仍應首選廣西生態類型玉米品種。增加種植密度是提高玉米生產潛力的重要舉措，廣西生態區域玉米品種的高產耐密特性仍需進一步改良和提高。