黑龙港流域夏玉米产量提升限制因素

2013-12-20徐丽娜陶洪斌黄收兵

生态学报 2013年1期

徐丽娜，陶洪斌，黄收兵，明博，王璞，*

(1.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100093;2.河南科技学院生命科技学院，新乡 453003)

黑龙港地区是我国重要的粮食产区，该地区以冬小麦和夏玉米一年两茬种植为主，中国农业大学吴桥实验站多年的科学攻关，使该地区的粮食产量大幅增加。“六五”期间，吴桥实验站形成了小麦抗逆丰产技术成果，使河北省黑龙港区域的冬小麦生产摆脱和减轻了盐、碱、干热风和倒伏因子的制约，冬小麦单产提高55%以上。“七五”期间，把冬小麦-夏玉米一年两茬作为一个系统统一统筹管理，建立了“吨粮田技术”。“八五”期间，针对华北地区水资源紧缺的现实，研究形成“冬小麦节水高产高效栽培技术”。这一套技术在冬小麦生育期间浇1—2次水的条件下产量达到6000—7500 kg/hm2。“九五”期间，四统一小麦在节水高产的基础上，节省氮肥30%—50%，将高水分效应，高氮肥效率和高光能效率有机统一。“十五”期间，在“冬小麦-夏玉米”一年两茬节水省肥超高产技术体系基础上形成超吨粮技术体系。目前，该地区小麦玉米一年两茬耕作传统下，小麦产量在节水省肥条件下能达9750 kg/hm2左右，未来增产难度相对较大。进一步提高周年产量主要潜力在夏玉米，“十二五”面临的挑战是如何提高夏玉米的产量，实现周年“吨半粮”的技术大突破。

高产目标下的作物群体要求通过精确的调控措施实现物质生产因素与产量构成因素间的高效协调［1］。因此，在每一种生态条件下，产量构成三因素都存在一个理想的平衡点。可以说产量因素的平衡具有生态学的稳定性［2］。分析多点吨粮田资料可见，所有亩产吨粮的地块其千粒重均在300 g以上，变动幅度为310—390 g，达到吨粮的穗粒数变化幅度在550—800粒，穗数在61500—96000株/hm2［3］。这说明，在特定的气候条件下，虽然产量构成三因素相互矛盾相互制约，但三者乘积最大就能达到高产，同时也说明三者又是相互补偿协调促进的。在具体的生态区域下，到底如何使得三者乘积最大，从而使产量进一步提高是首先要明确的问题，本文在多年研究的基础上着重从产量构成和物质生产方面来分析黑龙港地区夏玉米产量的制约因素，以期挖掘夏玉米产量潜力，增加周年产量。

1 试验站基本情况

中国农业大学吴桥实验站位于河北省沧州市东南部吴桥县沟店铺乡。地处北纬37°29'— 37°47'，东经116°19'—116°42'。海拔14—22.6 m。属于半湿润易旱大陆性季风气候，年平均气温12℃，无霜期192 d，全年≥0℃积温4862.9℃。日照2692.7 h，降水量562 mm，降水量年内和年际变率大，干旱和突发性洪涝灾害发生频繁。种植制度以一年两熟为主，要实现小麦-玉米周年高产，目前进一步提高玉米产量是难点所在［4］。

为了分析黑龙港流域夏玉米产量进一步提高的限制因子，整理了从2001年到2010年本课题组在吴桥实验站所做的试验结果。试验地基础地力情况如下:土壤质地多数为轻壤，pH＞8，试验地有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾跨度较大，说明所涉及地块代表了不同的地力情况，分析结果具有一定的代表性(表1)。

表1 试验地基本条件Table 1 The basic conditions of test land

2 数据来源及分析

数据共涉及11个地块，产量及产量构成三因素基本情况如下:产量范围是从5355—11475 kg/hm2;穗数为45900—110610穗/hm2不等，每穗粒数从253到618粒，千粒重从222.9—357 g(表2)。用SAS 8.0对产量及其产量构成三因素进行相关分析，回归分析和通径分析，以期找出制约产量提高的限制因子。

表2 吴桥地区夏玉米产量及产量构成三因素取值范围Table 2 The value range of the yield and yield components of summer maize in WuQiao station

3 结果分析

3.1 不同产量水平下群体特征比较

将所有数据平均值进行比较可见，不同产量水平下，产量构成三因素、干物质积累和叶面积指数不同:表现为随着产量水平的增加，穗数、千粒重、干物质积累量和叶面积指数均呈现增加趋势，而穗粒数呈现先升高后下降的趋势(表3)。在＞10500 kg/hm2的情况下，除穗粒数以外，其他所列指标并未出现最大值，说明该地区夏玉米产量生产潜力还有待进一步挖掘。

表3 吴桥地区夏玉米不同产量水平下三因素及群体干物质叶面积指数平均值比较Table 3 The average value of yield and yield components，dry weight accumulation，max leaf area index in different level of yield

3.2 产量与构成三因素关系分析及解释

由表4可见，产量与穗数和千粒重极显著正相关，穗数与穗粒数成极显著负相关，而产量和穗粒数成正相关但相关性不显著，穗粒数与千粒重呈不显著负相关。这说明，在目前产量水平下，随着穗数和千粒重的增加，产量极显著提高，而穗粒数并不是制约产量提高的主要因素。随着穗数的增加，穗粒数呈极显著减少趋势，而千粒重减少幅度不明显，同样穗粒数增加的同时，千粒重的降低也不显著。进一步对产量及其三因素通径分析，产量和产量构成三因素的线性回归方程为:y= －114.70132+0.11389x1+1.17305x2+2.26858x3，其中F=37.98＊＊(P＜0.0001)达极显著水平。这说明做产量和产量三构成因素的通径分析是有意义的。简单相关显示产量与穗粒数相关性不显著，但直接通径系数产量与产量构成三因素之间均达到极显著相关。穗粒数与产量的关系似乎存在矛盾，但实际上简单相关只是反映了数字的表面现象，但通径分析则是反映了事物的因果关系。

因此，从多年试验数据统计可知，产量三要素中，穗数、穗粒数和千粒重对产量的贡献均较大，穗数和穗粒数之间是相互制约的。目前，农民生产上多采用机器播种，密度已经相对较高，因此，在较低的密度和产量水平上，增加株数能使产量大幅增加，但在再高产的道路上，一味增加密度给生产带来了一系列问题:倒伏、早衰、千粒重降低、病虫害严重等。因此，在＞11250 kg/hm2的基础上，密度对产量的贡献相对较小。增加单位面积的穗粒数和千粒重是高产的关键所在。

表4 吴桥地区夏玉米产量及产量构成因素相关分析Table 4 Correlation coefficient between yield and yield component

3.3 产量与群体发育情况的关系

由图1可知，地上部总的生物量与产量呈二次曲线关系，相关系数达到极显著水平。说明，在吴桥地区，地上部生物量仍有增加的余地，产量没有达到最大值;同样，叶面积指数与产量的关系也呈现二次曲线关系，产量随着最大叶面积指数的增加呈现增加趋势，图中产量并未达到最大值，在再高产过程中，地上部总生物量和叶面积指数增加的余地又有多大?从图中可知，在叶面积指数达到10.3时，产量达到最大值为11775 kg/hm2，此时收获指数太低，造成大量能源浪费。但在最大叶面积指数从6增加到10的过程中，产量增加幅度不足1500 kg/hm2。可见，单纯增加单位面积叶片的数量来获得高产的思路行不通，相反不利于产量提高，这就需要另外寻找途径通过提高叶片的质量来增加产量。赵明提出作物超高产的两种挖掘途径:结构性挖掘和功能性挖掘。并指出，在作物生产实践中。应根据作物自身的生长特点以及技术本身的难易程度合理选择两大途径，最终实现群体整体生产力的提高［5］。

4 结论与讨论

4.1 产量构成因素之间的关系

对产量与产量构成三因素之间的关系，不同的研究者得出的结论不同。李明等研究表明，穗数是影响寒地玉米产量的主要因素，穗粒数次之，粒重对产量的贡献最小［6］。崔彦宏研究了春玉米不同群体产量的构成因素，认为亩穗数较小时，群体大小在相当程度上决定着产量水平的高低。但在适宜密度范围内，穗粒数和千粒重对产量的决定作用增大并上升为主要因素［7］。陈国平等研究认为，穗粒数是高产田产量的决定因素，千粒重和产量没有明显相关性［8］。柯福来也指出，提高群体粒数可能是高产玉米品种产量进一步提高的关键［9］。千粒重虽然是品种的遗传特性决定，但受外界条件的影响也较大。从时序来看，千粒重是构成产量的最后一个因素，其损失将无法通过其他因素来弥补。因此，必须给粒重以高度重视。在小麦上也得出同样的结论，单位面积穗数达到一定范围时，其增产效应便达临界值，进一步增产须转为重视穗粒重的提高［10-11］。本文分析结果显示:在黑龙港地区，夏玉米产量构成三因素均有进一步提升的余地，产量潜力很大。在目前产量水平上，再高产群体依靠穗数增产的潜力很小，穗数增加的过程中，穗子变小，穗粒数和千粒重均降低，造成最终产量较低，应当稳定在一定适宜的密度下，注重单位面积的穗粒数和粒重的提高。在穗数确定的情况下，穗粒数相对稳定，增加粒重成为再高产重要因素。

图1 吴桥地区夏玉米产量与干物质和最大叶面积指数的关系Fig.1 The relationship between yield and dry matter max，leaf area index

4.2 物质生产及转运之间的关系

产量构成理论在分析产量形成过程中存在一定的局限性，未与物质的生产和转运以及环境条件相联系。玉米的高产必须在一定条件下处理好植物生长发育与环境条件、群体生产与个体发育、个体内部各器官之间的矛盾。物质生产和转运是产量形成的基础，陈传永等认为提高种植密度，增加光合势在后期的分配比例和花后净同化率，是玉米高产的重要途径，但不同品种对密度的反应不同［12-13］。Widdicombe和Hashemi也强调玉米产量主要来源于花后叶片的光合同化物，花前同化物对籽粒产量的影响小于10%［14-15］。另一方面，物质的转运对产量贡献巨大。在作物生产发展历程中，收获指数一直不断上升，但目前各种作物的收获指数已达到或接近其最高值［16］。Lorenz等分析认为，在近10年内美国玉米产量的提高，主要是由秸秆产量的增加［17］。数据统计结果显示，随着地上部总的生物量和叶面积指数的增加，玉米产量也随之增加，但增加的余地较小，最大叶面积指数从6增加到10的过程中，产量增加幅度不足1500 kg/hm2(图1)，而随着地上部总生物量的增加产量增加，但经济系数迅速下降，造成资源浪费，再高产过程中应稳定在适宜的叶面积指数和最大地上部总生物量的基础上，提高单位面积穗粒数和千粒重。这就需要采取措施在一定穗数的基础上稳定穗粒数，同时延长灌浆时间、增强灌浆速率增加千粒重。两方面途径:首先提高叶片质量(比如叶片厚度，比叶重等指标高)，增强叶片功能，尤其是花后叶片的光合同化能力，合成更多的同化物，另一方面，提高花前的转运比例，尤其是茎秆中物质的转运。因此，茎秆和叶片的质量是再高产实现的关键技术突破点。

4.3 根系土壤之间物质交流

产量的高低还受很多其他因素影响。很多学者均认为是黑龙港地区的气候因素影响了此地区夏玉米的高产［3，18-19］。在此生态区7—8月份降雨占全年总降雨的70%—80%以上，夏玉米籽粒形成期正处在这段雨量充沛集中的时期，易引起“夏涝”［19］。月降雨量超过200 mm将会造成土壤湿度过大，缺氧，降低根系生理活动能力，减少养分吸收，破坏植物正常的生理代谢活动，从而影响到穗粒数。雨季高峰期耕层土壤积水严重，通透性差，影响玉米根系和地上部发育［20］。高产群体花后氮素积累量较大，花前花后比例能到达48∶52左右，但吴桥花后氮素积累相对较少，花前占到整个生育总吸氮量的60%—75%，可能是因为土壤板结、通透性能差，影响了根土复合体的功能，使得花后根系的吸收能力受到了限制。同时雨量、雨日过多，除直接影响降水外，还会带来阳光不足，易导致光合产物供应不足、倒伏、病害发生等，造成籽粒大量败育。我国耕层土壤“浅、实、少”的问题日益严重，即土壤耕层明显变浅，土壤结构紧实，有效耕层土壤量显著减少［21］。针对这种情况，采取深松的方法能有效缓解土壤的板结问题。研究表明，深松能打破犁底层，降低土壤容重、使根分支大大增加、使玉米粒数和粒重的提高获得高产。因此，在超高产的途径中，探索根系生长发育动态及其与地上部的关系至关重要。根系的研究较为困难，一直被研究者认为是“黑箱”，也使得地下部的研究滞后于地上部。但进一步挖掘产量必须搞清楚地上和地下两方面的关系，搞清楚“根系—土壤”复合体的结构和功能。

5 研究展望

黑龙港地区是典型的小麦-玉米两作区，周年产量进一步提高的关键在夏玉米。在目前研究的基础上，进一步提高产量要搞清楚如下问题:

(1)本地区的气候特征在开花前后阴雨寡照，叶片光合能力受到影响，造成了穗粒数形成决定期的“源”不足，不利用夏玉米的籽粒发育，灌浆速率受到限制，因此，需要进一步加强逆境栽培技术的研究。一些研究者主张提前播期，躲避灾害天气或推迟收获时期，延长灌浆时间增加产量。但提前播期就意味着要早收小麦，在生产上是否能够实现;另外推迟收获来延长灌浆时间的方法是否会因为后期温度降低对产量增加不利等问题，还有待进一步研究。

(2)另外，该地区多年不合理的耕作方式，使得土壤耕层太浅，严重影响了玉米根系生长发育，使生育后期吸收功能减弱，不利于产量形成。因此，一些学者认为，大力推广深松技术，能有效缓解土壤问题，是产量提高的有效途径，但目前对“根系-土壤”复合体的结构和功能研究较少;另外，深松的时间和机器间是否配套问题有待进一步研究。

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