不同生态类型玉米品种生产潜力比较分析

钟昌松，吕巨智，石达金，范继征，闫飞燕，卢生乔，弓 雪，陈 坤，刘亚利，张述宽

(1.广西农业科学院玉米研究所，广西 南宁 530007；2.广西农业科学院，广西 南宁 530007)

【研究意义】玉米是我国第一大粮食作物和饲料来源作物，对我国粮食安全和工业发展发挥着重要的保障作用。广西是我国热带玉米主产区，玉米播种面积占广西粮食播种面积的18.4%～20.4%，总产量占广西粮食总产量的17.1%～18.4%，但平均单产长期徘徊在4500 kg/hm2，与全国平均单产约6000 kg/hm2[1-2]相比，产量水平较低。从生态气候环境看，广西属于亚热带季风气候，光热资源丰富，雨量充沛，复种指数高，是我国少数的几个玉米一年两熟乃至三熟地区之一，粮食生产潜力极大。广西玉米常规种植密度为48 000～54 000株/hm2，与北方玉米密度(67 500～90 000株/hm2)差距较大，是广西玉米产量水平显著低于北方生态区域的重要原因。因此，在充分利用广西光热资源的基础上，挖掘和提高玉米产量潜力，缩小潜在产量和实际产量之间的差距，是广西玉米产业持续重点关注的方向。【前人研究进展】玉米产量潜力通常指某地区在现有光照、热量资源和最适水肥供应条件下，玉米优良品种所能实现的最高产量，也是该地区灌溉农田玉米可能达到的产量上限[3]。在实际生产中，品种、种植密度、养分、土壤、杂草、病虫害和气候环境等因素均会影响玉米产量潜力的实现。王荣焕等[4]研究指出，玉米生产中品种布局应在考虑熟期时兼顾产量、籽粒灌浆和脱水特性。徐晨等[5]研究提出，吉林省西部半干旱地区高产玉米的适宜灌溉定额参考值为170 mm。刘正等[6]研究认为，通过优化综合农艺管理措施可显著增加夏玉米的氮磷钾养分积累量、干物质量和产量。王玉等[7]通过优化行距配置挖掘玉米密植潜力，提出甘肃绿洲灌区高产潜力发挥的理想种植模式为密度97 500株/hm2搭配宽窄行56 cm×24 cm。刘思华等[8]研究显示，积温和高温是影响湖南春玉米光温生产潜力和产量差的关键因素。在挖掘玉米高产潜力的研究中，计算机模拟技术(Hybrid-Maize模型)通过利用长期气象数据和短期田间试验数据来评价玉米产量潜力和生长发育情况[9-10]，并在玉米产量潜力估算[11-12]、生育进程模拟[13]、水资源胁迫条件下产量潜力[14]及气候变化对玉米产量潜力影响[15]等方面获得了很好的应用效果。【本研究切入点】随着我国玉米产业的发展和高产记录的刷新，不断有北方生态区域高产耐密型玉米品种在广西进行试种和推广，但成效不明显。而目前鲜见在广西亚热带环境条件下针对北方和广西两个生态类型玉米品种生长特性和高产机理进行比较研究的报道。【拟解决的关键问题】以我国北方和广西生态区域具有较大推广面积的玉米品种为材料，参考北方高产玉米增密栽培措施，从玉米叶面积指数变化规律、干物质积累特性、产量形成和Hybrid-Maize模型产量潜力等角度，分析两种生态类型玉米品种的高产潜力和限制性因素，为合理利用广西自然资源挖掘和提高广西玉米产量潜力提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点设在广西农业科学院玉米研究所试验基地(东经22°36′43″，北纬108°13′59″)，海拔300 m，试验区年均降水量约943.9 mm，年均有效积温(GDD)约4592.5 ℃，年均日照约1310.5 h。试验地土质为黄壤。2012-2018年气象数据来自试验基地气象观测站(2011年11月起建成运转,图1)。

1.2 试验材料

参试品种为北方生态区域代表性品种先玉335(XY335)和登海11(DH11)，广西生态区域代表性品种桂单688(GD688)和迪卡008(DK008)。各品种的生长发育信息见表1。

表1 参试玉米品种及其生长发育信息

1.3 试验设计

在2010-2012年连续3年不同生态类型玉米品种增密产量潜力比较试验的基础上，利用收集的气象数据(2012-2018年)和参试品种的生长发育信息，2019-2020年重新进行综合评价分析，并采用HybridMaize软件计算模拟玉米光温生产潜力，同时结合田间试验结果综合评估分析不同生态类型玉米品种在广西的产量潜力。

1.3.1 试验设计 采用完全随机区组设计，种植密度设A1(52 500株/hm2)和A2(75 000株/hm2)两个水平，3次重复，每小区8行，行距60 cm，行长8 m。底肥施尿素150 kg/hm2和磷酸二铵300 kg/hm2；拔节期追肥尿素225 kg/hm2、磷酸二铵150 kg/hm2和硫酸钾112.5 kg/hm2。其他田间管理措施与当地大田生产一致。

1.3.2 Hybrid-Maize模型产量潜力评估 基于试验基地2012-2018年气象数据和品种生长发育信息，利用Hybrid-Maize模型对不同生态类型玉米品种的产量潜力进行模拟评估。北方和广西生态区域玉米品种分别选择已经大面积推广的XY335和DK008为代表。模型输入的气象数据主要包括日最高温度、日最低温度、平均相对湿度、降水量和太阳辐射等。为保证产量潜力比对的一致性，密度按试验设计输入，春季播种期为4月11日，秋季播种期为8月7日。根据品种生长发育信息，DK008春季的GDD为1750 ℃，秋季的GDD为1410 ℃；XY335春季的GDD为1610 ℃，秋季的GDD为1270 ℃；播种深度统一设为5 cm；水分需求量设为无水分限制(充分灌溉)。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生育进程、农艺性状与产量观测 调查播期、出苗期、抽雄期、吐丝期和生理成熟期(籽粒灌浆期)等；按区试标准调查穗长、行数、行粒数和千粒重等产量性状；每小区实收中间2行测产，并折算成标准水含量14%的产量。

1.4.2 叶面积计算 在拔节期、大口期、吐丝期、吐丝后15 d、吐丝后45 d和收获期，分别用长宽系数法测定叶面积，计算叶面积指数(LAI)[16]，并比较各品种不同生育期的LAI变化规律。

1.4.3 干物质重计算 在拔节期、吐丝期和收获期，分别取3株代表性植株，按不同器官(叶片、叶鞘、茎秆、雄穗、苞叶、穗轴和籽粒)分类并称量鲜重。105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒重，称量并记录各器官的干物质重量。参考仝锦的[17]方法计算各生育阶段的干物质积累量。

播种期-拔节期的干物质积累量=拔节期地上部干物质总重-播种期地上部干物质总重

拔节期-开花期的干物质积累量=开花期地上部干物质总重-拔节期地上部干物质总重

开花期-成熟期的干物质积累量=成熟期地上部干物质总重-开花期地上部干物质总重

其中,播种期玉米苗尚未长出，地上部干物质总重设为0。

1.4.4 产量潜力和产量潜力实现效率估算 根据Hybrid-Maize模型计算获得各品种的产量潜力后，计算产量潜力实现效率(%)=实际产量×100÷模拟产量潜力，其中实际产量为玉米品种田间试验的平均产量。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行统计和制图，以DPS 7.05进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 LAI的变化规律

利用多项式回归分析法分别对两个生态类型品种的LAI和生育时期进行动态模拟(图2～3)，拟合效果以4次和5次多项式最佳，不同年份、不同生态类型品种和种植密度间多项式的R2在0.9651～0.9996。根据拟合曲线，各品种的ILA变化趋势可分为缓慢增长期、快速增长期、稳定期和快速下降期4个阶段。不同生态类型玉米品种的ILA,max及其到达时间不同，品种XY335和DH11在吐丝期前后达到ILA,max，GD688和DK008则在吐丝期至吐丝后15 d达到ILA,max，峰值维持期也相对较长。不同生态类型玉米品种的ILA衰减速度也不一致，其中，XY335和DH11的ILA在吐丝初期即开始衰减，衰减速度相对较快，春季ILA在吐丝期40～45 d衰减至0，秋季ILA在吐丝期35～40 d衰减至0，而GD688和DK008的ILA在吐丝期50 d后仍保持一定面积绿叶，尤其DK008的持绿性最佳。

各生育时期玉米品种的ILA排序表现为：拔节期DH11>XY335>GD688>DK008，大喇叭口期GD688>DH11>DK008>XY335，吐丝期GD688>DH11≥DK008>XY335，生理成熟期DK008>GD688>DH11=XY335。从图3可看出，在玉米生长的起始阶段，XY335和DH11的ILA具备一定的叶面积优势，其后逐渐被GD688和DK008赶超，且差异呈扩大趋势；从吐丝期至生理成熟期，GD688和DK008的ILA表现优于XY335和DH11。可见，广西生态类型玉米品种具有较北方生态类型品种更大的叶面积优势。

2.2 干物质积累特性分析

由表2可知，种植密度从52 500株/hm2增加至75 000株/hm2时，在开花期和成熟期，玉米品种的叶片、茎+鞘、苞叶+轴、籽粒的干物质重及总干物质重等指标在3个年份多数表现为减小态势。不同密度条件下，单个年份表现差异显著(P<0.05，下同)的是2010年成熟期的叶片重和茎+鞘重、2011年开花期的茎+鞘重和总干物质重，以及2012年成熟期的籽粒重和总干物质重，其余指标差异不显著(P>0.05，下同)；在密度与品种间互作(D×V)方面，同一生育时期同类型器官的干物质重也无显著差异。

表2 不同种植密度对不同生态类型玉米品种干物质积累量的影响

从表2还可看出，XY335和DH11品种间开花期的穗重连续两年(2010和2011年)表现差异显著，成熟期的茎+鞘重、籽粒重和总干物质重在单个年份(2010年)表现差异显著，其余指标无显著差异；而进行XY335和DH11与GD688和DK008的品种间比较，其开花期的叶片重、茎+鞘重和总干物质重及成熟期的叶片重、茎+鞘重、苞叶+轴重、籽粒重和总干物质重均呈显著或极显著差异(P<0.01，下同)。其中，成熟期GD688和DK008的叶片重和茎+鞘重极显著大于XY335和DH11，成熟期GD688和DK008的茎+鞘重也明显大于其开花期的茎+鞘重，而成熟期XY335和DH11的叶片重和茎+鞘重与其开花期相比有所减小。可见，广西生态类型玉米品种的干物质生产水平总体上高于北方生态类型玉米品种。从图4～5也可看出，同一生态类型玉米品种的干物质生产水平较接近，但广西生态类型玉米品种的干物质生产能力明显高于北方生态类型玉米品种。

从图4～5还可看出，在播种期—拔节期阶段，3个年份中仅2012年75 000株/hm2密度条件下品种间(V)的干物质积累量表现较大差异，该阶段其余品种间(V)的干物质积累量无明显差异；在拔节期—开花期阶段，3个年份中品种间(V)的干物质积累量无显著差异；在开花期—成熟期阶段，DK008和GD688的干物质积累量显著大于XY335和DH11，各品种排序为DK008>GD688>XY335>DH11；其中2010年52 500和75 000株/hm2及2011年52 500株/hm2种植密度条件下，XY335开花期—成熟期阶段的干物质积累量均显著大于DH11。此外，对开花期—成熟期和拔节期—开花期两个阶段的干物质积累量进行比较，2010年的DH11及2012年的XY335和DH11在开花期—成熟期阶段的干物质积累量较拔节期—开花期阶段明显减少，尤其是75 000株/hm2密度条件下减小幅度较明显，而GD688和DK008的干物质积累量则表现较明显的增加态势。综上所述，在玉米开花期前，不同生态类型玉米品种的干物质积累水平较接近，差异主要表现在开花—成熟期阶段；此外，比较花前和花后两个阶段干物质积累量，花后干物质积累对GD688和DK008的贡献更大。

2.3 产量性状表现

由表3可知，种植密度从52 500株/hm2增加至75 000株/hm2时，不同玉米品种的穗长、穗粗、穗粒数和千粒重在3个年份多数均表现出减小态势，仅2012年试验中DK008的千粒重和产量有一定程度增加，产量水平表现最佳(6.76 t/hm2)；不同密度间，穗长、穗粗和穗粒数连续3年试验均表现显著或极显著差异(其中穗长均呈极显著差异)，而千粒重和产量连续3年试验无显著差异，表明增加种植密度对穗长、穗粗和穗粒数存在显著的负面影响，对增加产量效果不显著；不同品种间，千粒重和产量连续3年试验表现出显著或极显著差异(其中千粒重均表现极显著差异)，穗粗有2年试验表现出显著或极显著差异，穗长和穗粒数分别有1年表现极显著差异；密度与品种间互作方面，产量及其构成因子连续3年试验均无显著差异。综上所述，不同生态类型玉米品种的产量差异较大，而在广西生态区域通过大幅度增加种植密度来提高参试品种的产量水平，效果不明显。

表3 不同种植密度对两个生态类型玉米品种产量及其构成因子的影响

对上述玉米产量、吐丝期和吐丝后15 d叶面积指数、拔节期—开花期和开花期—成熟期的干物质积累量、开花期和成熟期的植株干物质重等进行相关分析，结果(图5～6)表明，产量与开花期—成熟期干物质积累量、成熟期植株干物质重呈极显著相关，与拔节期—开花期干物质积累量、吐丝期和吐丝后15 d叶面积指数及开花期植株干物质重相关不显著。可见，玉米产量形成与开花期—成熟期的干物质积累量和成熟期的植株干物质重关系较密切。

2.4 基于Hybrid-Maize模型的玉米产量潜力分析

基于试验基地2012-2018年气象数据和品种田间试验数据，以XY335和DK008分别代表北方和广西生态区域玉米品种，利用Hybrid-Maize模型比较分析两个生态类型玉米品种春季和秋季的产量潜力。由表4可知，在春季，在52 500和75 000株/hm2密度条件下，DK008的产量潜力分别为7880～10 440和8980～12 150 kg/hm2，平均为8780和10 051 kg/hm2；XY335的产量潜力分别为6380～8620和7210～10 200 kg/hm2，平均为7277和8318 kg/hm2；与同等密度条件下的品种试验产量相比，DK008春季分别实现了产量潜力的73.45%和67.26%，XY335分别实现了产量潜力的87.80%和72.00%。在秋季，在52 500和75 000株/hm2密度条件下，DK008的产量潜力分别为7020～8810和8430～10 630 kg/hm2，平均为7938和9577 kg/hm2；XY335的产量潜力分别为5390～7190和6590～8850 kg/hm2，平均为6391和7838 kg/hm2；与同等密度条件下的试验产量相比，XY335秋季分别实现了产量潜力的89.42%和76.00%，而试验设计上DK008缺少秋季同期同区域试验结果，因此未做秋季实现产量潜力效果分析。可见，在春秋两季两个密度条件下，DK008的产量潜力比XY335高20.60%～24.20%，说明广西生态类型玉米品种的产量潜力较北方生态类型高。

表4 基于2012-2018年气象数据的不同玉米品种产量潜力比较

由表4可知，当密度从52 500株/hm2增加至75 000株/hm2时，DK008和XY335的产量潜力增幅为14.30%～22.65%，其中春季增幅分别为14.47%和14.30%，秋季分别为20.64%和22.64%，说明在广西生态区域秋季适当增加玉米种植密度可能会获得更高的产量收益；当密度从52 500株/hm2增加至75 000株/hm2时，与3年田间试验平均产量结果相比，两个生态类型玉米品种的产量潜力实现效率下降6.20%～15.90%，但北方生态类型玉米品种的实现效率较广西生态类型高4.75%～14.34%，即北方生态类型玉米品种可能具有更高的生产效率。

3 讨 论

探索玉米生产潜力、缩小实际产量与光温产量潜力的差距是玉米研究的重要方向和任务。同一品种在不同生态区域生产潜力不同，选择适宜的品种是玉米获得高产稳产的首要选择。已有研究指出，明确不同生态类型区域的气候变化规律，有利于在生产上合理选用产量潜力更大的品种、充分利用当地光温资源和有效规避自然风险[13，18]。王荣焕等[4]研究表明，玉米生产上合理布局品种需要充分考虑品种熟期、籽粒灌浆和脱水特性，热量资源不足地区宜选择生育期和灌浆期短、灌浆和脱水快的早中熟品种，热量资源充足地区则宜选择生育期和灌浆期长、产量潜力大的中晚熟品种。本研究课题组前期研究也表明，季节间气候变化对广西一年两熟玉米的产量、株高、穗长、秃尖长、穗粗、行粒数和千粒重等主要农艺性状及春季和秋季玉米的播期选择影响较大，生产上应选择适宜熟期的玉米品种[19]。综合本研究结果和前人研究成果，在广西生态区域，广西生态类型玉米品种的实际产量和产量潜力均优于北方生态类型玉米品种，二者在ILA,max及其到达时间、ILA,max维持峰值时间、ILA衰退速度、干物质积累特性和产量潜力等方面也存在较明显差异。本研究指出，北方生态类型玉米品种在产量潜力实现效率上具有优势，较广西生态类型玉米品种高4.75%～14.34%；GD688和DK008成熟期的茎+鞘重与开花期相比增幅极大，XY335和DH11成熟期的叶片重和茎+鞘重与开花期相比有所减小，说明XY335和DH11的干物质转运效率更充分且可能是北方生态类型品种产量潜力实现效率较高的潜在因素。因此，在广西生态区域进行玉米品种布局仍应首选广西生态类型玉米品种，但广西生态类型玉米品种有待改良以提高产量潜力实现效率。

合理密植是提高玉米生产潜力的重要举措[20-21]。丁相鹏等[16]研究表明，种植密度从67 500株/hm2增加至82 500株/hm2时，群体的ILA和总光合势显著增加，群体透光率降低，光能截获增加，有利于促进光合产物的积累与转运，最终使玉米群体产量显著增加。黄淮海地区玉米的种植密度为90 000株/hm2时可充分发挥生长潜能，获得高产[22-23]。但也有研究指出，高密度种植会引起植株间叶片相互遮阴，竞争水分、养分和光照等限制性资源，从而影响产量表现[24-26]。本研究结果表明，增加种植密度后两个生态类型品种的Hybrid-Maize产量潜力均有较大增幅；3年的田间试验结果表明，在广西生态区域参考北方高产玉米种植密度标准增加种植密度对玉米穗长、穗粗和穗粒数会产生显著的负面影响，对提高玉米产量潜力效果不明显；两种生态类型玉米品种在耐密性上均表现不佳，究其原因，除与品种因素和土壤条件有关外，还与广西常年实行一年两熟甚至三熟的耕作制度及频繁消耗地力但缺乏养护措施有较大关系。侯鹏等[27]研究也认为，耕层障碍等土壤条件也是限制玉米产量潜力实现程度的重要因素。因此，本研究认为，通过增加种植密度来提高玉米产量潜力，除需进一步改良和提高品种的耐密特性外，还应综合考虑土壤地力和耕作制度等限制因素。

Hybrid-Maize模型在美国[28-29]、南亚[30]和我国[31-32]大部分地区获得了很好的验证和应用。刘毅等[9]利用Hybrid-Maize模型在黄土旱塬的模拟结果与实际观测值较接近，在指导春玉米高产栽培上具有较好应用效果。但Hybrid-Maize模型仅基于玉米生长发育的理想状况(玉米生长不受养分、水分和病虫草害胁迫，仅考虑光照和热量资源对玉米生长和产量形成影响)模拟玉米光温生产潜力，在其他区域的田间模拟校验应用较少，对模拟分析结果应谨慎对待[33]。本研究利用Hybrid-Maize模型模拟的ILA动态曲线较平缓，但实际试验中XY335和DH11的ILA到达ILA,max后，峰值维持时间相对更短，ILA衰减速度也更快，二者的ILA曲线存在明显差异。此外，XY335和DH11在广西生态区域较易感南方锈病等客观因素也未能在模型中得到反映。因此，本研究认为，Hybrid-Maize模型并不能完全反映玉米生产实际情况及准确评价玉米生长实际情况，但对研究本地区玉米光温生产潜力，摸清本地区玉米实际产量和产量潜力差距，调整品种选育方向，精确指导完善玉米高产高效栽培技术措施具有重要意义。

4 小 结

在玉米生产上合理布局品种时应充分考虑品种的生态适应性，在广西生态区域仍应首选广西生态类型玉米品种。增加种植密度是提高玉米生产潜力的重要举措，广西生态区域玉米品种的高产耐密特性仍需进一步改良和提高。