徐麗娜，陶洪斌，黃收兵，明 博，王 璞，*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100093;2.河南科技學(xué)院生命科技學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003)

黑龍港地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)以冬小麥和夏玉米一年兩茬種植為主，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站多年的科學(xué)攻關(guān)，使該地區(qū)的糧食產(chǎn)量大幅增加?！傲濉逼陂g，吳橋?qū)嶒?yàn)站形成了小麥抗逆豐產(chǎn)技術(shù)成果，使河北省黑龍港區(qū)域的冬小麥生產(chǎn)擺脫和減輕了鹽、堿、干熱風(fēng)和倒伏因子的制約，冬小麥單產(chǎn)提高55%以上。“七五”期間，把冬小麥-夏玉米一年兩茬作為一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一統(tǒng)籌管理，建立了“噸糧田技術(shù)”?！鞍宋濉逼陂g，針對(duì)華北地區(qū)水資源緊缺的現(xiàn)實(shí)，研究形成“冬小麥節(jié)水高產(chǎn)高效栽培技術(shù)”。這一套技術(shù)在冬小麥生育期間澆1—2次水的條件下產(chǎn)量達(dá)到6000—7500 kg/hm2?！熬盼濉逼陂g，四統(tǒng)一小麥在節(jié)水高產(chǎn)的基礎(chǔ)上，節(jié)省氮肥30%—50%，將高水分效應(yīng)，高氮肥效率和高光能效率有機(jī)統(tǒng)一。“十五”期間，在“冬小麥-夏玉米”一年兩茬節(jié)水省肥超高產(chǎn)技術(shù)體系基礎(chǔ)上形成超噸糧技術(shù)體系。目前，該地區(qū)小麥玉米一年兩茬耕作傳統(tǒng)下，小麥產(chǎn)量在節(jié)水省肥條件下能達(dá)9750 kg/hm2左右，未來(lái)增產(chǎn)難度相對(duì)較大。進(jìn)一步提高周年產(chǎn)量主要潛力在夏玉米，“十二五”面臨的挑戰(zhàn)是如何提高夏玉米的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)周年“噸半糧”的技術(shù)大突破。

高產(chǎn)目標(biāo)下的作物群體要求通過精確的調(diào)控措施實(shí)現(xiàn)物質(zhì)生產(chǎn)因素與產(chǎn)量構(gòu)成因素間的高效協(xié)調(diào)［1］。因此，在每一種生態(tài)條件下，產(chǎn)量構(gòu)成三因素都存在一個(gè)理想的平衡點(diǎn)?？梢哉f(shuō)產(chǎn)量因素的平衡具有生態(tài)學(xué)的穩(wěn)定性［2］。分析多點(diǎn)噸糧田資料可見，所有畝產(chǎn)噸糧的地塊其千粒重均在300 g以上，變動(dòng)幅度為310—390 g，達(dá)到噸糧的穗粒數(shù)變化幅度在550—800粒，穗數(shù)在61500—96000株/hm2［3］。這說(shuō)明，在特定的氣候條件下，雖然產(chǎn)量構(gòu)成三因素相互矛盾相互制約，但三者乘積最大就能達(dá)到高產(chǎn)，同時(shí)也說(shuō)明三者又是相互補(bǔ)償協(xié)調(diào)促進(jìn)的。在具體的生態(tài)區(qū)域下，到底如何使得三者乘積最大，從而使產(chǎn)量進(jìn)一步提高是首先要明確的問題，本文在多年研究的基礎(chǔ)上著重從產(chǎn)量構(gòu)成和物質(zhì)生產(chǎn)方面來(lái)分析黑龍港地區(qū)夏玉米產(chǎn)量的制約因素，以期挖掘夏玉米產(chǎn)量潛力，增加周年產(chǎn)量。

1 試驗(yàn)站基本情況

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站位于河北省滄州市東南部吳橋縣溝店鋪鄉(xiāng)。地處北緯37°29'— 37°47'，東經(jīng)116°19'—116°42'。海拔14—22.6 m。屬于半濕潤(rùn)易旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12℃，無(wú)霜期192 d，全年≥0℃積溫4862.9℃。日照2692.7 h，降水量562 mm，降水量年內(nèi)和年際變率大，干旱和突發(fā)性洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁。種植制度以一年兩熟為主，要實(shí)現(xiàn)小麥-玉米周年高產(chǎn)，目前進(jìn)一步提高玉米產(chǎn)量是難點(diǎn)所在［4］。

為了分析黑龍港流域夏玉米產(chǎn)量進(jìn)一步提高的限制因子，整理了從2001年到2010年本課題組在吳橋?qū)嶒?yàn)站所做的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)地基礎(chǔ)地力情況如下:土壤質(zhì)地多數(shù)為輕壤，pH＞8，試驗(yàn)地有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀跨度較大，說(shuō)明所涉及地塊代表了不同的地力情況，分析結(jié)果具有一定的代表性(表1)。

表1 試驗(yàn)地基本條件Table 1 The basic conditions of test land

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析

數(shù)據(jù)共涉及11個(gè)地塊，產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成三因素基本情況如下:產(chǎn)量范圍是從5355—11475 kg/hm2;穗數(shù)為45900—110610穗/hm2不等，每穗粒數(shù)從253到618粒，千粒重從222.9—357 g(表2)。用SAS 8.0對(duì)產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成三因素進(jìn)行相關(guān)分析，回歸分析和通徑分析，以期找出制約產(chǎn)量提高的限制因子。

表2 吳橋地區(qū)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成三因素取值范圍Table 2 The value range of the yield and yield components of summer maize in WuQiao station

3 結(jié)果分析

3.1 不同產(chǎn)量水平下群體特征比較

將所有數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比較可見，不同產(chǎn)量水平下，產(chǎn)量構(gòu)成三因素、干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)不同:表現(xiàn)為隨著產(chǎn)量水平的增加，穗數(shù)、千粒重、干物質(zhì)積累量和葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而穗粒數(shù)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)(表3)。在＞10500 kg/hm2的情況下，除穗粒數(shù)以外，其他所列指標(biāo)并未出現(xiàn)最大值，說(shuō)明該地區(qū)夏玉米產(chǎn)量生產(chǎn)潛力還有待進(jìn)一步挖掘。

表3 吳橋地區(qū)夏玉米不同產(chǎn)量水平下三因素及群體干物質(zhì)葉面積指數(shù)平均值比較Table 3 The average value of yield and yield components，dry weight accumulation，max leaf area index in different level of yield

3.2 產(chǎn)量與構(gòu)成三因素關(guān)系分析及解釋

由表4可見，產(chǎn)量與穗數(shù)和千粒重極顯著正相關(guān)，穗數(shù)與穗粒數(shù)成極顯著負(fù)相關(guān)，而產(chǎn)量和穗粒數(shù)成正相關(guān)但相關(guān)性不顯著，穗粒數(shù)與千粒重呈不顯著負(fù)相關(guān)。這說(shuō)明，在目前產(chǎn)量水平下，隨著穗數(shù)和千粒重的增加，產(chǎn)量極顯著提高，而穗粒數(shù)并不是制約產(chǎn)量提高的主要因素。隨著穗數(shù)的增加，穗粒數(shù)呈極顯著減少趨勢(shì)，而千粒重減少幅度不明顯，同樣穗粒數(shù)增加的同時(shí)，千粒重的降低也不顯著。進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)量及其三因素通徑分析，產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成三因素的線性回歸方程為:y= －114.70132+0.11389x1+1.17305x2+2.26858x3，其中F=37.98＊＊(P＜0.0001)達(dá)極顯著水平。這說(shuō)明做產(chǎn)量和產(chǎn)量三構(gòu)成因素的通徑分析是有意義的。簡(jiǎn)單相關(guān)顯示產(chǎn)量與穗粒數(shù)相關(guān)性不顯著，但直接通徑系數(shù)產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成三因素之間均達(dá)到極顯著相關(guān)。穗粒數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系似乎存在矛盾，但實(shí)際上簡(jiǎn)單相關(guān)只是反映了數(shù)字的表面現(xiàn)象，但通徑分析則是反映了事物的因果關(guān)系。

因此，從多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，產(chǎn)量三要素中，穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)均較大，穗數(shù)和穗粒數(shù)之間是相互制約的。目前，農(nóng)民生產(chǎn)上多采用機(jī)器播種，密度已經(jīng)相對(duì)較高，因此，在較低的密度和產(chǎn)量水平上，增加株數(shù)能使產(chǎn)量大幅增加，但在再高產(chǎn)的道路上，一味增加密度給生產(chǎn)帶來(lái)了一系列問題:倒伏、早衰、千粒重降低、病蟲害嚴(yán)重等。因此，在＞11250 kg/hm2的基礎(chǔ)上，密度對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。增加單位面積的穗粒數(shù)和千粒重是高產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

表4 吳橋地區(qū)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)分析Table 4 Correlation coefficient between yield and yield component

3.3 產(chǎn)量與群體發(fā)育情況的關(guān)系

由圖1可知，地上部總的生物量與產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平。說(shuō)明，在吳橋地區(qū)，地上部生物量仍有增加的余地，產(chǎn)量沒有達(dá)到最大值;同樣，葉面積指數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)系也呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系，產(chǎn)量隨著最大葉面積指數(shù)的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，圖中產(chǎn)量并未達(dá)到最大值，在再高產(chǎn)過程中，地上部總生物量和葉面積指數(shù)增加的余地又有多大?從圖中可知，在葉面積指數(shù)達(dá)到10.3時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值為11775 kg/hm2，此時(shí)收獲指數(shù)太低，造成大量能源浪費(fèi)。但在最大葉面積指數(shù)從6增加到10的過程中，產(chǎn)量增加幅度不足1500 kg/hm2。可見，單純?cè)黾訂挝幻娣e葉片的數(shù)量來(lái)獲得高產(chǎn)的思路行不通，相反不利于產(chǎn)量提高，這就需要另外尋找途徑通過提高葉片的質(zhì)量來(lái)增加產(chǎn)量。趙明提出作物超高產(chǎn)的兩種挖掘途徑:結(jié)構(gòu)性挖掘和功能性挖掘。并指出，在作物生產(chǎn)實(shí)踐中。應(yīng)根據(jù)作物自身的生長(zhǎng)特點(diǎn)以及技術(shù)本身的難易程度合理選擇兩大途徑，最終實(shí)現(xiàn)群體整體生產(chǎn)力的提高［5］。

4 結(jié)論與討論

4.1 產(chǎn)量構(gòu)成因素之間的關(guān)系

對(duì)產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成三因素之間的關(guān)系，不同的研究者得出的結(jié)論不同。李明等研究表明，穗數(shù)是影響寒地玉米產(chǎn)量的主要因素，穗粒數(shù)次之，粒重對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最?。?］。崔彥宏研究了春玉米不同群體產(chǎn)量的構(gòu)成因素，認(rèn)為畝穗數(shù)較小時(shí)，群體大小在相當(dāng)程度上決定著產(chǎn)量水平的高低。但在適宜密度范圍內(nèi)，穗粒數(shù)和千粒重對(duì)產(chǎn)量的決定作用增大并上升為主要因素［7］。陳國(guó)平等研究認(rèn)為，穗粒數(shù)是高產(chǎn)田產(chǎn)量的決定因素，千粒重和產(chǎn)量沒有明顯相關(guān)性［8］?？赂?lái)也指出，提高群體粒數(shù)可能是高產(chǎn)玉米品種產(chǎn)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵［9］。千粒重雖然是品種的遺傳特性決定，但受外界條件的影響也較大。從時(shí)序來(lái)看，千粒重是構(gòu)成產(chǎn)量的最后一個(gè)因素，其損失將無(wú)法通過其他因素來(lái)彌補(bǔ)。因此，必須給粒重以高度重視。在小麥上也得出同樣的結(jié)論，單位面積穗數(shù)達(dá)到一定范圍時(shí)，其增產(chǎn)效應(yīng)便達(dá)臨界值，進(jìn)一步增產(chǎn)須轉(zhuǎn)為重視穗粒重的提高［10-11］。本文分析結(jié)果顯示:在黑龍港地區(qū)，夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成三因素均有進(jìn)一步提升的余地，產(chǎn)量潛力很大。在目前產(chǎn)量水平上，再高產(chǎn)群體依靠穗數(shù)增產(chǎn)的潛力很小，穗數(shù)增加的過程中，穗子變小，穗粒數(shù)和千粒重均降低，造成最終產(chǎn)量較低，應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定在一定適宜的密度下，注重單位面積的穗粒數(shù)和粒重的提高。在穗數(shù)確定的情況下，穗粒數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，增加粒重成為再高產(chǎn)重要因素。

圖1 吳橋地區(qū)夏玉米產(chǎn)量與干物質(zhì)和最大葉面積指數(shù)的關(guān)系Fig.1 The relationship between yield and dry matter max，leaf area index

4.2 物質(zhì)生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運(yùn)之間的關(guān)系

產(chǎn)量構(gòu)成理論在分析產(chǎn)量形成過程中存在一定的局限性，未與物質(zhì)的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)以及環(huán)境條件相聯(lián)系。玉米的高產(chǎn)必須在一定條件下處理好植物生長(zhǎng)發(fā)育與環(huán)境條件、群體生產(chǎn)與個(gè)體發(fā)育、個(gè)體內(nèi)部各器官之間的矛盾。物質(zhì)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運(yùn)是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，陳傳永等認(rèn)為提高種植密度，增加光合勢(shì)在后期的分配比例和花后凈同化率，是玉米高產(chǎn)的重要途徑，但不同品種對(duì)密度的反應(yīng)不同［12-13］。Widdicombe和Hashemi也強(qiáng)調(diào)玉米產(chǎn)量主要來(lái)源于花后葉片的光合同化物，花前同化物對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響小于10%［14-15］。另一方面，物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)巨大。在作物生產(chǎn)發(fā)展歷程中，收獲指數(shù)一直不斷上升，但目前各種作物的收獲指數(shù)已達(dá)到或接近其最高值［16］。Lorenz等分析認(rèn)為，在近10年內(nèi)美國(guó)玉米產(chǎn)量的提高，主要是由秸稈產(chǎn)量的增加［17］。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著地上部總的生物量和葉面積指數(shù)的增加，玉米產(chǎn)量也隨之增加，但增加的余地較小，最大葉面積指數(shù)從6增加到10的過程中，產(chǎn)量增加幅度不足1500 kg/hm2(圖1)，而隨著地上部總生物量的增加產(chǎn)量增加，但經(jīng)濟(jì)系數(shù)迅速下降，造成資源浪費(fèi)，再高產(chǎn)過程中應(yīng)穩(wěn)定在適宜的葉面積指數(shù)和最大地上部總生物量的基礎(chǔ)上，提高單位面積穗粒數(shù)和千粒重。這就需要采取措施在一定穗數(shù)的基礎(chǔ)上穩(wěn)定穗粒數(shù)，同時(shí)延長(zhǎng)灌漿時(shí)間、增強(qiáng)灌漿速率增加千粒重。兩方面途徑:首先提高葉片質(zhì)量(比如葉片厚度，比葉重等指標(biāo)高)，增強(qiáng)葉片功能，尤其是花后葉片的光合同化能力，合成更多的同化物，另一方面，提高花前的轉(zhuǎn)運(yùn)比例，尤其是莖稈中物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，莖稈和葉片的質(zhì)量是再高產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)突破點(diǎn)。

4.3 根系土壤之間物質(zhì)交流

產(chǎn)量的高低還受很多其他因素影響。很多學(xué)者均認(rèn)為是黑龍港地區(qū)的氣候因素影響了此地區(qū)夏玉米的高產(chǎn)［3，18-19］。在此生態(tài)區(qū)7—8月份降雨占全年總降雨的70%—80%以上，夏玉米籽粒形成期正處在這段雨量充沛集中的時(shí)期，易引起“夏澇”［19］。月降雨量超過200 mm將會(huì)造成土壤濕度過大，缺氧，降低根系生理活動(dòng)能力，減少養(yǎng)分吸收，破壞植物正常的生理代謝活動(dòng)，從而影響到穗粒數(shù)。雨季高峰期耕層土壤積水嚴(yán)重，通透性差，影響玉米根系和地上部發(fā)育［20］。高產(chǎn)群體花后氮素積累量較大，花前花后比例能到達(dá)48∶52左右，但吳橋花后氮素積累相對(duì)較少，花前占到整個(gè)生育總吸氮量的60%—75%，可能是因?yàn)橥寥腊褰Y(jié)、通透性能差，影響了根土復(fù)合體的功能，使得花后根系的吸收能力受到了限制。同時(shí)雨量、雨日過多，除直接影響降水外，還會(huì)帶來(lái)陽(yáng)光不足，易導(dǎo)致光合產(chǎn)物供應(yīng)不足、倒伏、病害發(fā)生等，造成籽粒大量敗育。我國(guó)耕層土壤“淺、實(shí)、少”的問題日益嚴(yán)重，即土壤耕層明顯變淺，土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，有效耕層土壤量顯著減少［21］。針對(duì)這種情況，采取深松的方法能有效緩解土壤的板結(jié)問題。研究表明，深松能打破犁底層，降低土壤容重、使根分支大大增加、使玉米粒數(shù)和粒重的提高獲得高產(chǎn)。因此，在超高產(chǎn)的途徑中，探索根系生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)及其與地上部的關(guān)系至關(guān)重要。根系的研究較為困難，一直被研究者認(rèn)為是“黑箱”，也使得地下部的研究滯后于地上部。但進(jìn)一步挖掘產(chǎn)量必須搞清楚地上和地下兩方面的關(guān)系，搞清楚“根系—土壤”復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和功能。

5 研究展望

黑龍港地區(qū)是典型的小麥-玉米兩作區(qū)，周年產(chǎn)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵在夏玉米。在目前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高產(chǎn)量要搞清楚如下問題:

(1)本地區(qū)的氣候特征在開花前后陰雨寡照，葉片光合能力受到影響，造成了穗粒數(shù)形成決定期的“源”不足，不利用夏玉米的籽粒發(fā)育，灌漿速率受到限制，因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)逆境栽培技術(shù)的研究。一些研究者主張?zhí)崆安テ?，躲避?zāi)害天氣或推遲收獲時(shí)期，延長(zhǎng)灌漿時(shí)間增加產(chǎn)量。但提前播期就意味著要早收小麥，在生產(chǎn)上是否能夠?qū)崿F(xiàn);另外推遲收獲來(lái)延長(zhǎng)灌漿時(shí)間的方法是否會(huì)因?yàn)楹笃跍囟冉档蛯?duì)產(chǎn)量增加不利等問題，還有待進(jìn)一步研究。

(2)另外，該地區(qū)多年不合理的耕作方式，使得土壤耕層太淺，嚴(yán)重影響了玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育，使生育后期吸收功能減弱，不利于產(chǎn)量形成。因此，一些學(xué)者認(rèn)為，大力推廣深松技術(shù)，能有效緩解土壤問題，是產(chǎn)量提高的有效途徑，但目前對(duì)“根系-土壤”復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和功能研究較少;另外，深松的時(shí)間和機(jī)器間是否配套問題有待進(jìn)一步研究。

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