我國玉米超高產研究現狀與展望

劉月娥 徐田軍 蔡萬濤 呂天放 張勇 薛洪賀 王榮煥 趙久然

（北京市農林科學院玉米研究所, 北京 100097）

2050年，地球人口預計將達到85-100億，要滿足全球糧食需求，預計作物產量將比2006年提高50%-110%［1-3]。玉米作為第一大糧食作物，對保障糧食安全意義重大，也是目前產需缺口最大的谷物。在我國，玉米對糧食增產的貢獻率高達60%，居糧食作物之首［4-5]。

在耕地資源日趨緊張的形勢下，未來我國糧食擴大面積的空間有限，產能提升的主要途徑是提高單產水平，玉米是單產提升潛力最大的作物。2023年中央一號文件明確提出要全力抓好糧食生產，開展噸糧田建設，實施玉米單產提升工程。產量潛力能夠反映品種的最大生產力，是作物在沒有生物和非生物脅迫的環境下所能獲得的產量［6]，最大限度地挖掘作物產量潛力，充分發揮品種的遺傳潛力和管理技術水平是實現大面積高產的階梯，為作物產量繼續提高提供可能的途徑。高產紀錄（超高產）是玉米品種選育、生產條件和管理技術的最高水平的體現，與世界玉米最高產量相比，我國玉米產量潛力提升空間依然很大。產量潛力挖掘和實現的過程，可以為玉米產業的發展提供切實的研究平臺。

1 我國玉米超高產研究的政策支持

實現玉米高產是保證我國糧食安全的基礎，是農業生產中永恒的課題。我國借鑒美國玉米高產競賽的經驗，為提升玉米綜合生產能力，自2006年開始，農業農村部玉米專家指導組及全國玉米栽培學組倡導和組織全國性的玉米小面積高產創建和高產潛力挖掘探索活動，要求單產達到15000 kg/hm2（1000 kg/畝）以上的超高產水平。這項活動也被列為農業農村部“加快玉米生產發展的工作方案”中的一項增產措施。為了更好地進行超高產研究，做好超高產田的測產驗收工作，統一規范測產驗收辦法，農業農村部玉米專家指導組、中國作物學會玉米專業委員會和中國作物學會栽培委員會玉米學組聯合制定了“關于玉米高產、超高產田測產驗收辦法和標準”，并派專家到現場嚴格測產驗收。

為促進我國糧食生產穩定發展，農業農村部決定將2008年作為“全國糧食高產創建活動年”，組織制定了《全國糧食高產創建活動年工作方案》。大力推進玉米高產創建活動，努力實現玉米生產的新突破。要求把高產創建作為今后玉米生產的中心工作，作為提高玉米綜合生產能力的重要抓手和推進專業化服務的關鍵舉措。并在24個玉米主產省建立150個萬畝集中連片高產示范點，通過集約資源、集成技術、集中力量，力爭東北、華北和黃淮海示范點玉米單產達到800 kg以上，其他地區示范點畝產600 kg，示范點所在縣玉米總產較前3年平均增10%以上。開展高產創建有利于充分發揮技術推廣的示范帶動作用、充分挖掘我國糧食生產潛力進而形成科技興糧的合力。

2016年，為適應農業供求形勢和發展環境新變化，農業農村部將打造高產創建“升級版”——綠色高產高效創建。不單純追求高產，還要追求效益的提升，更要體現綠色的內涵。綠色發展理念將貫穿于糧棉油糖生產的全過程，以縣為單元整建制推進，輻射帶動區域性綠色高產高效。同時，開展綠色增產模式攻關，突破制約糧食生產的資源瓶頸、技術瓶頸和效益瓶頸，集成組裝節種節水節肥節藥技術模式。

2023年，中央一號文件對抓好糧食和重要農產品穩產保供做出全面部署。要求全力抓好糧食生產，千方百計穩住面積、主攻單產、力爭多增產。開展噸糧田創建，實施玉米單產提升工程，努力提高糧食單產；2023年3月14日，農業農村部辦公廳、國家發展改革辦公廳印發了《玉米單產提升工程實施方案》的通知。在東北、西北和黃淮海3大玉米主產區的19個縣實施玉米單產提升工程300萬畝。

2 我國玉米超高產情況

玉米作為C4植物，其高產潛力大，單產潛力居禾谷類作物之首。高產紀錄是實現最高理論產量的希望［7]，對高產紀錄玉米產量形成的生理生態機制進行研究有助于對產量潛力的理解，是實現大面積高產的階梯，也可能為將來產量繼續提高提供途徑。玉米專家組長趙久然研究員認為現階段超高產玉米的單產水平應達到15000 kg/hm2（1000 kg/畝）以上［8-9]。

美國作為全球第一大玉米生產國和出口國，其玉米單產水平和科技水平最為先進。美國的小面積高產紀錄是由美國國家玉米種植者協會（NCGA）舉辦的全國性的玉米高產競賽（NCYC）創造。NCYC集合了眾多玉米種植者的智慧，持續創新和優化玉米種植方法，不斷創造新的玉米高產紀錄［10-13]。美國首次玉米高產競賽于1920年在依阿華州舉行，隨后逐漸擴大到全國。目前，美國高產競賽規則日趨完善，已成為美國各大種子公司展示和宣傳各自品種、玉米種植者充分利用優良品種和配套栽培技術措施挖掘玉米品種產量潛力的重要平臺，在促進美國玉米快速發展中起到了重要作用［14]。目前NCYC的產量最高紀錄是大衛·胡拉（David Hula）于2019年創造的38000.75 kg/hm2（2533.4 kg/畝，14%含水量）。

根據正式發布、并有專家組測產結果的超高產田塊，2005年以前，全國先后涌現出36塊單產達到15000 kg/hm2（1000 kg/畝）的玉米高產田。2006-2007年，共有39塊產量達15000 kg/hm2（1000 kg/畝）以上的玉米高產田。2008年全國共涌現出41塊產量15000 kg/hm2（1000 kg/畝）以上的玉米高產田，全國各地也陸續出現玉米最高產紀錄。

我國夏玉米的高產紀錄是李登海團隊在山東萊州創建，他們利用自育緊湊型玉米新品種，先后7次創造全國夏玉米高產紀錄，2次創造世界夏玉米高產紀錄。李登海團隊在1979年首次打破全國夏玉米單產紀錄，玉米產量為776.9 kg/畝。1988年畝產量首次突破1000 kg，首次打破世界夏玉米單產紀錄。2005年，再次打破世界夏玉米單產紀錄，玉米產量為1402.86 kg/畝（表1）。

表1 我國玉米歷年高產紀錄Table 1 The high yield record of maize in China

我國玉米的最高產量紀錄（春玉米高產紀錄）由中國農業科學院作物科學研究所栽培與生理創新團隊2020年在新疆奇臺創建，該團隊從2009年以來一直在新疆奇臺開展春玉米超高產研究，多次突破我國玉米高產紀錄，玉米高產紀錄從2009年的1360.1 kg/畝突破至2020年的1663.25 kg/畝，實現了303.15 kg的產量提升。但我國高產紀錄與美國最高產量紀錄（2533.4 kg/畝）仍存在870.1 kg/畝的差距，說明我國玉米育種及生產管理水平與美國相比還存在很大的提升空間（表1）。

3 玉米超高產研究對我國玉米大面積高產的啟示和借鑒

3.1 高產玉米田的環境優勢

我國自1980年以來，隨著農業生產條件改善和技術水平不斷提高，在新疆、陜西、內蒙古、吉林、河北、北京、山東等省（市、區）陸續創造出了春玉米和夏玉米單季畝產噸糧（1000 kg/畝）的高產典型，2020年我國玉米高產紀錄達到1663.3 kg/畝（新疆奇臺），這些都為高產田建設提供了初步的經驗。北京市農林科學院趙久然團隊通過分析2006-2010年全國159塊超高產田的分布情況發現，玉米產量的形成受生態環境條件的影響，大多數高產田分布在中高緯度（40°-43°N），或中高海拔（1000-1500 m）地區，這些地區具有晝夜溫差大、光照充足等利于高產的自然條件［15-17]。較高的太陽輻射有利于干物質積累［18-19]、籽粒灌漿，延長籽粒灌漿期［20]，植株的莖稈強度較強，不易發生倒伏［21]，利于玉米產量的提高。玉米生長與光溫匹配是實現高產的重要條件，光輻射較高的地區可以承擔更大的玉米群體，利于提高種植密度，進而提高玉米產量［22]，較高的晝夜溫差利于降低玉米夜間呼吸消耗［23]，提高產量［24-25]。

3.2 品種特性

玉米高產，品種是關鍵。在玉米高產潛力突破的過程中，品種的更新起到了非常重要的作用。在新品種不斷選育的過程中，玉米的株型發生了很大的變化，由原來的平展型過渡到現在的緊湊型玉米。當前我國玉米生產中有一定推廣規模（≥10萬畝）的品種約1000個，但能夠創出超高產水平的品種不多，那么能夠創造高產紀錄的品種具有什么樣的特點？

首先，選擇株型緊湊的玉米品種。Liu等［26]通過選擇不同年份獲得高產紀錄的6個品種（SC704、鄭單958、先玉335、良玉66、登海618和MC670），進行高產紀錄重演試驗。研究發現，在產量提升過程中，玉米品種的株型更加緊湊。緊湊型玉米比較耐密，其增產主要得益于密植條件下，較高的群體光合和合理的冠層光輻射分布與截獲［27-29]，具有更高的花后光合勢和灌漿期光合速率，最大灌漿速率顯著提高，花后物質積累量、群體粒數和千粒重顯著提高，空稈和禿尖減少，利于產量提高［16,26,30]。登海618和MC670是緊湊型玉米品種，具有耐密抗倒的高產品質，分別在2013年和2020年創造了我國畝產1511.74 kg和1663.25 kg玉米單產最高紀錄，是全國最高產的玉米新品種。

第二，選擇生育期較長（中熟/中晚熟）的品種。選擇不同熟期品種是影響玉米籽粒產量的重要因素，產量和生育期在一定范圍內呈正相關關系，適當延長生育期可增加光能利用時間，獲得較高產量［31-33]。已有研究發現，玉米品種熟期在早熟至中晚熟時，熟期與產量呈正相關。在東北地區，當玉米為晚熟品種時，因不能正常成熟，熟期與產量呈負相關［34]。所以，在超高產田適宜選擇中熟或中晚熟品種。

第三，選擇綜合抗性好的品種。超產田玉米增密后群體內部對有限資源的競爭增加，同時個體生理發生變化，個體之間的競爭加劇，玉米后期容易發生倒伏。并且在玉米生長期間，各種病蟲草害（莖腐病、絲黑穗病、苗期病害、葉斑病、銹病、玉米螟等）和極端天氣（高溫、干旱、臺風等）造成玉米減產，為了降低損失，選用綜合抗性好的品種是最經濟有效的方法，較強的抗病性能夠保證在產量形成關鍵期（灌漿期）仍可保持盡可能多的綠葉面積［16]，進而獲得高產。

第四，選用水肥利用效率高的品種。選用水肥高效型高產品種是實現玉米高產穩產、節本增效的重要技術途徑。不同基因型玉米品種的水肥利用效率差異顯著［35-42]。而作物本身的水肥利用效率的高低是由其遺傳特性、環境因素和管理水平交互影響的結果，作物的遺傳特性對其具有明顯影響。通過遺傳育種改良作物不僅提升了作物產量潛力，也提高了作物水肥利用效率［43-44]。選擇水肥利用效率高和產量潛力大的優良品種是實現玉米高產穩產、提高水肥利用效率、減少用量、降低環境污染、實現農業可持續發展的重要技術途徑。

第五，選用物質轉運率較高的品種。研究表明，玉米籽粒產量在很大程度上取決于后期的光合生產能力，生育后期的光合生產物積累是玉米超高產栽培產量的主要來源［45-46]，選用物質轉運率較高的品種更有利于獲得較高的籽粒產量，但貢獻率應該控制在適宜的比例，貢獻率低，不利于籽粒充實，貢獻率過高，籽粒“庫”對有機物質的競爭力增強，影響“源”與“庫”協調關系，導致葉片早衰，影響后期光合生產［45,47]。

3.3 栽培技術

栽培技術的優化是玉米實現產量提高的又一重要因素。其中，密植是提高單位面積產量獲得高產的重要技術手段［48]。隨著緊湊型玉米品種的選育及推廣，提高了玉米品種的耐密性［30,49]，冠層結構的優化增加了適宜種植密度及光截獲能力［50]，利于延緩葉片的衰老，提高生育后期葉片的持綠性［51]，提高了花后光合生產能力［52]，為產量的形成提供更多的物質基礎［53]。在我國，普通大田玉米的種植密度為4000株/畝，高產田的種植密度都在5000株/畝以上［16]，而玉米超高產的實現主要是由于畝穗數和單穗重均有提高，2020年，中國農業科學院作物科學研究所栽培與生理創新團隊創造了1663.25 kg/畝的最高產紀錄，其中最高產田每畝穗數達到8600穗，遠遠高于普通大田的收獲穗數，可見增加種植密度進而提高收獲穗數對產量提高的重要性。國內外實踐生產研究表明，合理密植可以使得群體和個體之間協調發展，個體間的平衡（個體之間沒有太大的競爭）是組成強大群體的前提［54-55]。在滿足物質生產需求的前提下，改善群體結構，增加生殖器官物質分配比例，減少光合產物向非生殖器官中冗余，是提高收獲指數和產量的重要途徑［56-57]。

水肥調控是玉米獲得高產的另一個重要手段［30,58-59]，超產田玉米增密后群體內部對有限資源的競爭增加，同時個體生理發生變化，如根生物量減少，獲得資源的能力降低［60]。所以，僅靠增密并不能有效的增產，需要田間投入協同增強以減輕密植帶來的群體壓力［60-62]。在我國，玉米超高產多是在大密度、高肥水的條件下實現［63-65]。陳國平等［17]總結了中國高產田平均施氮量為 485.3 kg/hm2，景立權等［66]對超高產夏玉米研究發現450 kg/hm2施氮水平處理下產量最高，而美國高產田平均為 300 kg/hm2。肥料施用不合理，不僅增加生產成本，大量未被利用的活性氮排放到環境中，引發一系列的環境污染問題。在全球范圍內，農田排放占人為來源CH4和N2O排放量的52%和84%，導致大氣負擔不斷增加［67-68]。在我國，農業溫室氣體排放占全國氧化亞氮（N2O）排放量的70%以上，占甲烷（CH4）排放量約50%［69]。過量施氮不能增產且會造成肥料浪費和環境負效應，在一定程度上阻礙了農業的綠色發展。在保證產量目標實現的前提下，如何通過合理的栽培技術手段，減肥增效是一個亟待解決的關鍵問題。研究發現，超高產田在合理提升密度的基礎上，以“減控總肥量、分段供氮、花前重施磷鉀”為主要原則的養分管理技術模式，延緩了玉米生育后期葉片的衰老，保證了后期干物質積累，在顯著增加收獲穗數的同時，保證千粒重和穗粒數不降低，在生產中穩定實現了高產水平，同時實現了氮磷鉀養分的高效利用［62]。

在我國，玉米超高產多是在水分完全充足的條件下實現［63-64]。我國的超高產田存在灌水量較大的問題。Zhang等［70]在新疆奇臺超高田開展水分試驗發現，綜合考慮糧食產量、經濟效益和生態效益，干旱地區滴灌地膜覆蓋的最佳灌水量為540 mm。每間隔6 d進行灌水有利于維持60 cm以上土層良好的土壤水分環境，減少土壤水分蒸發和蒸散量，產量最高，WUE最高［70]。而水資源短缺是制約我國很多地區糧食產量潛力挖掘和生產穩定性提升的主要因素，在全球范圍內，農業灌溉消耗了72%的淡水資源，水資源利用效率非常低，僅為45%左右［71]，而中國農業灌溉用水超過90%，農業用水效率僅為發達國家的一半［72]，高用水量和低用水效率導致水資源危機進一步加劇［73]。為了提高玉米產量和水分利用效率一些學者討論了各種節水灌溉技術以減少農業用水［74-77]。研究了使用秸稈覆蓋、地膜覆蓋和耕作來增加土壤水分和降雨儲存［78-79]，進而提高玉米產量。節約灌溉用水，提高水分利用效率是農業可持續發展的有效途徑。

密植與水肥投入的平衡發展是玉米增產增效的核心問題［80]，水肥一體化是提高玉米產量與水肥利用率的關鍵技術措施，水肥一體能夠精準地實現“總量控制，分期施肥”的肥料管理技術，有效的向農作物提供水肥，有利于我國玉米產量和資源利用效率的協同提升。

4 大面積高產創建（1000 kg/畝以上）的技術要點

小面積高產紀錄是實現大面積高產的階梯，為大面積高產創建提供了技術支持。李少昆團隊在總結小面積高產紀錄經驗的基礎上，2014年在萬畝（700 hm2）連片田塊創造1227.6 kg/畝的全國玉米大面積高產紀錄［81]，2017 年在1100畝（面積為 73.3 hm2）連片田塊進行機械籽粒收獲測產，平均產量達到1229.8 kg/畝［82]。總結連片高產田的種植經驗發現，大面積高產田以耐密宜機收品種、高密度種植、群體質量調控栽培為核心，集成精細整地、高質量種子與精量播種、化學調控、機械施肥、綠色防控等關鍵技術［82]。種植技術要點如下：

（1）品種選擇是關鍵。玉米要想獲得高產，品種的選擇是關鍵，應選擇國家或省市自治區審定、品種篩選試驗推薦的耐密、抗倒、抗病、適應機械精量點播的中熟/中晚熟優良玉米品種。

（2）增密種植。增密是玉米高產的有效途徑，高產創建的種植密度要在傳統種植密度的基礎上適度增加。其中，西北地區光照條件較好，新疆保苗密度可為6500-7500株/畝。黃淮海夏玉米區留苗4500-5000株/畝。具體密度依據各品種耐密性和熟期確定。增密種植要注意防止倒伏，要選擇抗倒伏品種和進行水肥調控。對于蹲苗時間短、有旺長趨勢、多年出現倒伏的地塊以及種植密度過高的田塊，在6-9片展葉時噴施玉米專用生長調節劑，如噸田寶、玉黃金等，控制基部節間長度，增強莖稈強度，預防倒伏。

（3）精量播種，提高群體的整齊度。玉米高產，需要提高玉米群體的整齊度。一定選用發芽率≥96%、種子發芽勢高的精品種子，可對購買的種子根據大小進行分級，使用播種機精準播種，保證出苗整齊度。有滴灌條件的地塊，采取播后1-2 d滴水出苗，進一步提高玉米保苗率及群體整齊度。

（4）水肥調控。根據玉米產量目標和地力水平進行測土配方施肥，使用各級土肥站經測土推薦的配方或配方專用肥。在有條件的地區，施優質粗有機肥2-3 t/畝或精制有機肥1 t/畝左右；全部磷肥、30%-40%的氮肥（如有種肥可相應減少用量）和70%鉀肥作基肥，剩余的肥料結合第二次中耕和開溝時機械追施。基肥結合整地全層施肥，追肥在頭水前側追施。滴灌地塊采取水肥一體化運籌，在每次滴水時隨水施滴灌專用肥或其他速效肥料。生育期間灌水2-3次，頭水適當晚澆，有利于玉米蹲苗扎根抗倒，最佳時期一般在中午葉片卷葉、早晚展開時。

（5）適時晚收，提高籽粒成熟度。春玉米在完熟后收獲，夏玉米根據下茬小麥播種時間的需要，合理確定玉米適宜收獲時間。在不影響下茬小麥適期播種的情況下，適當推遲玉米收獲時間，延長籽粒灌漿、提高籽粒成熟度和粒重，實現增產增收。

（6）病蟲害綠色防控。選擇抗/耐本地主要病蟲害的品種；針對所在區域病蟲害類型選擇種衣劑包衣，預防苗期病蟲害；在玉米生長期間使用殺菌劑控制病害。在玉米出苗后至灌漿期，地邊懸掛頻振式殺蟲燈抓玉米螟、棉鈴蟲和地老虎蛾，一盞燈管理面積50 畝左右；另懸掛紫光殺蟲燈誘殺害蟲成蟲，每盞燈約管理500畝。

5 展望

堅持問題導向和目標導向，立足我國玉米主產區，進一步聚焦單產水平提升和農民增產增收，以及綠色增產等協調發展是未來我國玉米高產研究的主要方向。2023年中央一號文件提到實施玉米單產提升工程，若要實現我國玉米產量的普遍提升，首先我們應該解決品種的問題，高產耐密新品種的選育是我國玉米單產水平進一步提升的關鍵。應加快種質創新，選育多抗、廣適、高產穩產、高光效的矮稈緊湊型玉米品種，為玉米的高產穩產，穩定供給提供保障；選育抗旱節水、耐瘠薄高肥效品種，提高資源高效利用；挖掘抗病蟲性狀，選育抗病、抗蟲品種，減少農藥使用和農藥殘留；提高種子發芽率和種子活力，提高大田生產的整齊度和一致性。其次是集成玉米栽培技術，培肥地力、優化施肥和灌溉技術，進一步提高土壤有機質的含量和玉米的肥水分利用效率，在突破產量的同時提高種植收益，為我國玉米的普遍高產保駕護航。現在高產田應用的密植高產水肥一體化技術可以根據玉米的水肥需求規律定時定量精準實施，在增產的同時，實現了水肥的高效利用。再次是加強農田基礎設施建設，提高我國玉米抗災防災能力和糧食產能、支撐全國糧食產量穩定增產。

在此基礎上，進一步通過高產潛力挖掘和小面積超高產創建實現單產紀錄的突破。我國玉米高產紀錄有望在未來3年內突破1700 kg/畝，未來10年內突破2000 kg/畝，縮小與美國最高產紀錄的差距。同時，總結高產經驗并進行大面積示范推廣，全面提升我國大田玉米產量和種植效益。至2030年，我國萬畝連片示范田有望在東北玉米區突破1200 kg/畝、在西北灌溉玉米區突破1500 kg/畝、在黃淮海夏播玉米區突破1000 kg/畝，有望達到、超過或與美國的大面積玉米高產田相當的水平。