趙 明 周寶元 馬 瑋 李從鋒 丁在松 孫雪芳

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糧食作物生產(chǎn)系統(tǒng)定量調(diào)控理論與技術(shù)模式

趙 明*周寶元 馬 瑋 李從鋒 丁在松 孫雪芳

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/ 農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

當(dāng)今作物生產(chǎn)正在向高產(chǎn)、高效、環(huán)境友好等多目標(biāo)協(xié)同方向發(fā)展, 進(jìn)一步深化和完善作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù)體系是實(shí)現(xiàn)多元化目標(biāo)協(xié)同, 促進(jìn)作物生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文對(duì)當(dāng)前作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié), 并結(jié)合當(dāng)今作物生產(chǎn)發(fā)展形勢(shì), 在全面總結(jié)前人成果和筆者30余年研究結(jié)果的基礎(chǔ)上, 提出了從作物生產(chǎn)系統(tǒng)的整體性角度出發(fā), 通過(guò)定量分析作物生產(chǎn)系統(tǒng)氣候、土壤、作物三要素的協(xié)同關(guān)系, 將“氣候-作物”、“土壤-作物”和“群體-個(gè)體”三者協(xié)同優(yōu)化的作物高產(chǎn)高效調(diào)控途徑, 構(gòu)建了作物生產(chǎn)系統(tǒng)氣候-土壤-作物“三協(xié)同”定量?jī)?yōu)化體系, 并對(duì)其生產(chǎn)應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了探討與展望, 以期為實(shí)現(xiàn)我國(guó)主要糧食作物高產(chǎn)高效可持續(xù)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

作物生產(chǎn)系統(tǒng); 氣候; 土壤; 作物; 協(xié)同優(yōu)化

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái), 作物生產(chǎn)已從單純追求產(chǎn)量轉(zhuǎn)向“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”多目標(biāo)協(xié)同發(fā)展, 特別是高產(chǎn)與光溫水肥等資源高效利用的結(jié)合已成為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。生產(chǎn)目標(biāo)的轉(zhuǎn)變必然導(dǎo)致作物生產(chǎn)過(guò)程的變化, 以適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)發(fā)展形勢(shì)。然而, 作物生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)作物-環(huán)境-社會(huì)相互交織的復(fù)雜系統(tǒng), 作物生產(chǎn)的高產(chǎn)和高效通常是矛盾的、難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一的整體。近30年來(lái), 雖然我國(guó)糧食產(chǎn)量由于機(jī)械化、精確灌溉、化學(xué)肥料等技術(shù)的應(yīng)用有了大幅度的增長(zhǎng)[1], 但是生產(chǎn)中濫用化肥農(nóng)藥、不合理耕作導(dǎo)致土壤耕層惡化、品種多亂雜等現(xiàn)象日益加劇, 造成光熱肥水資源與作物生長(zhǎng)發(fā)育不協(xié)調(diào)[2-4], 土壤耕層狀況與支撐高產(chǎn)群體能力不協(xié)調(diào)[5-6], 作物群體與個(gè)體、源庫(kù)器官不協(xié)調(diào)[7-8], 高產(chǎn)不穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)不高效、產(chǎn)量不平衡等問(wèn)題日益突出。要解決制約當(dāng)前生產(chǎn)的突出問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)系統(tǒng)綠色可持續(xù)發(fā)展, 必須加強(qiáng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)理論指導(dǎo), 用系統(tǒng)論的觀點(diǎn), 把作物生產(chǎn)過(guò)程看作一個(gè)系統(tǒng), 即作物生產(chǎn)系統(tǒng), 深入研究作物生產(chǎn)系統(tǒng)各要素的相互作用規(guī)律, 并探求適宜的調(diào)控措施, 定量?jī)?yōu)化各要素之間的協(xié)同關(guān)系, 充分挖掘作物生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)潛能與高效協(xié)調(diào)功能。本文總結(jié)當(dāng)前作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù), 并提出了基于作物生產(chǎn)系統(tǒng)整體構(gòu)成的“氣候-土壤-作物”協(xié)同定量調(diào)控體系, 以期為實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 作物產(chǎn)量與品質(zhì)形成分析理論

1.1 作物產(chǎn)量形成分析理論

產(chǎn)量的形成是作物群體物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中的最終結(jié)果, 也是作物栽培學(xué)研究的主題。作物產(chǎn)量分析理論在深入認(rèn)識(shí)作物產(chǎn)量形成的內(nèi)在規(guī)律、探索作物高產(chǎn)的限制因素以及作物高產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要的指導(dǎo)作用。自1928年Mason和Maskell提出了“源庫(kù)”學(xué)說(shuō)后, 在近代作物栽培的理論探討中, 常以源、庫(kù)、流三因素的關(guān)系來(lái)闡明作物產(chǎn)量形成的規(guī)律, 探索實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的技術(shù)途徑, 進(jìn)而挖掘作物的產(chǎn)量潛力。

王志敏等[9]將近100年來(lái)產(chǎn)量分析概括為3條研究路線, 即發(fā)育分析(產(chǎn)量構(gòu)成因素)、生長(zhǎng)與物質(zhì)生產(chǎn)分析(光合性能)、源庫(kù)關(guān)系分析, 并認(rèn)為這3條路線應(yīng)該整合統(tǒng)一。產(chǎn)量構(gòu)成理論將禾谷類(lèi)作物的產(chǎn)量分解為穗數(shù)、單穗粒數(shù)和粒重[10], 讓人們可以直觀地了解產(chǎn)量構(gòu)成因素, 并從這些因素的變化中了解產(chǎn)量的形成規(guī)律。光合性能理論指出作物的光合生產(chǎn)力取決于單位土地面積的光合面積、光合速率、光合時(shí)間、呼吸消耗和經(jīng)濟(jì)系數(shù)5個(gè)方面, 對(duì)作物群體的物質(zhì)生產(chǎn)和分配過(guò)程進(jìn)行定量描述[11-12], 并將它們與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量聯(lián)系起來(lái)[13], 即產(chǎn)量 = (光合面積×光合時(shí)間×光合速率–呼吸消耗)×經(jīng)濟(jì)系數(shù), 揭示了產(chǎn)量形成的本質(zhì)。源庫(kù)理論將物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量形成緊密聯(lián)系起來(lái), 系統(tǒng)考慮產(chǎn)量形成, 避免了光合性能和產(chǎn)量構(gòu)成分析各自的片面性, 同時(shí)提出了源指標(biāo)(葉面積指數(shù)、光合勢(shì)、光合速率、凈同化率和葉源量等)、庫(kù)指標(biāo)(單位面積穗數(shù)、單位面積粒數(shù)、潛在庫(kù)容和籽粒充實(shí)度等)以及源庫(kù)關(guān)系指標(biāo)(粒葉比、勢(shì)粒比、勢(shì)容比以及潛在庫(kù)源比等), 借助生理學(xué)和分子生物學(xué)方法對(duì)作物源庫(kù)調(diào)節(jié)機(jī)制和源庫(kù)關(guān)系進(jìn)行了深入研究[14-17]。然而, 這3個(gè)理論各存在一定的不足, 產(chǎn)量構(gòu)成理論僅從作物庫(kù)方面強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)量構(gòu)成因素, 而與產(chǎn)量的物質(zhì)來(lái)源聯(lián)系不緊密; 光合性能理論只強(qiáng)調(diào)了作物群體的物質(zhì)生產(chǎn), 忽略了產(chǎn)品器官在物質(zhì)分配中的主導(dǎo)作用, 光合作用與產(chǎn)量之間的關(guān)系不清楚; 源庫(kù)理論雖然將二者聯(lián)系起來(lái), 但關(guān)于源庫(kù)關(guān)系的解析不夠系統(tǒng), 不能對(duì)作物產(chǎn)量的形成做出全面系統(tǒng)的解釋。

我國(guó)科學(xué)家在作物高產(chǎn)理論方面開(kāi)展了廣泛的研究, 取得了重要的進(jìn)展。曹顯祖等[18]在水稻上證明限制產(chǎn)量提高有多種類(lèi)型并存, 指出作物高產(chǎn)存在源限制型、庫(kù)限制型和源庫(kù)共同限制型。凌啟鴻等[19-20]提出了作物群體質(zhì)量概念, 確立花后物質(zhì)積累量作為群體質(zhì)量的核心指標(biāo), 認(rèn)為水稻高產(chǎn)更高產(chǎn)的方向是既有高的最適葉面積指數(shù)(源), 又有高的粒葉比(源/庫(kù))。張洪程等[21-22]揭示了不同類(lèi)型水稻品種葉齡進(jìn)程與產(chǎn)量形成對(duì)應(yīng)關(guān)系, 系統(tǒng)闡明了優(yōu)化水稻群體生長(zhǎng)動(dòng)態(tài), 精確穩(wěn)定前期生長(zhǎng)量, 合理增加中期高效光合生產(chǎn)量, 增強(qiáng)后期物質(zhì)生產(chǎn)積累能力、籽粒灌漿充實(shí)能力和群體支撐能力的高產(chǎn)形成規(guī)律。于振文等[23-24]系統(tǒng)研究了高產(chǎn)條件下小麥旗葉與根系衰老的生理機(jī)制, 闡明了小麥衰老的生理特點(diǎn)及其與粒重形成的關(guān)系, 探索出延長(zhǎng)緩衰期、保持較長(zhǎng)光合速率高值期, 增加開(kāi)花至成熟階段的干物質(zhì)積累及其向穗部的分配, 提高粒重的高產(chǎn)栽培途徑。董樹(shù)亭等[25-27]深入研究了玉米群體光合性能與產(chǎn)量形成的關(guān)系, 提出了增強(qiáng)花后群體光合能力, 延長(zhǎng)群體光合高值持續(xù)期, 減少群體呼吸消耗的高產(chǎn)途徑。趙明等[28]將玉米高產(chǎn)實(shí)現(xiàn)途徑歸結(jié)為結(jié)構(gòu)性、功能性和結(jié)構(gòu)與功能同步3條挖潛途徑, 其中結(jié)構(gòu)性挖潛途徑是通過(guò)構(gòu)建密植優(yōu)化群體結(jié)構(gòu), 增庫(kù)、增源定向栽培; 功能性挖潛途徑是通過(guò)提高群體質(zhì)量, 保證后期光合物質(zhì)的長(zhǎng)期快速積累; 結(jié)構(gòu)功能同步挖潛途徑是在合理密植的情況下, 提高植株個(gè)體活力, 實(shí)現(xiàn)群體和個(gè)體功能協(xié)調(diào), 達(dá)到“穩(wěn)穗、足粒和高結(jié)實(shí)率”。在綜合分析產(chǎn)量分析三理論內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上, 趙明提出了產(chǎn)量分析的“三合結(jié)構(gòu)”模式[29], 將各理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái), 系統(tǒng)地闡述了作物源與庫(kù)各因素間的內(nèi)在聯(lián)系, 并建立了相應(yīng)的定量表達(dá)公式[30], 彌補(bǔ)了各理論獨(dú)立存在的不足, 為作物產(chǎn)量定量化分析提供了新的思路和方法。王志敏等[9]進(jìn)一步將產(chǎn)量與資源利用效率相聯(lián)系, 建立了基于資源利用效率的產(chǎn)量分析模式, 即產(chǎn)量=單位面積可供資源(投入)量×資源截獲率×資源轉(zhuǎn)化效率×收獲指數(shù), 為分析產(chǎn)量與各種資源效率的關(guān)系提供了范式。

1.2 作物品質(zhì)形成分析理論

作物品質(zhì)主要受遺傳因素決定, 但其他因素如栽培措施、土壤情況、環(huán)境條件等對(duì)作物品質(zhì)的影響也較大。源庫(kù)理論反映了同化物輸入與輸出的特點(diǎn), 是作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ), 因此協(xié)調(diào)源庫(kù)關(guān)系也是作物品質(zhì)形成的關(guān)鍵。

淀粉、蛋白質(zhì)和脂類(lèi)等是評(píng)價(jià)作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的主要指標(biāo)。研究表明, 小麥、水稻籽粒的淀粉積累速率決定于同化器官向籽粒供應(yīng)同化物的能力(源限制)和籽粒本身的淀粉合成能力(庫(kù)限制), 且籽粒的淀粉合成能力與品種及籽粒中可溶性碳水化合物含量密切相關(guān)[31-32]。陳潔等[32]分析了水稻植株氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的生理過(guò)程, 認(rèn)為水稻籽粒蛋白質(zhì)積累速率由源限制的氮源(花前植株同化氮素和花后貯存氮素的轉(zhuǎn)運(yùn))和庫(kù)限制的氮素積累速率決定。趙俊曄、王小燕和石玉等[33-35]系統(tǒng)研究了小麥品質(zhì)生理, 提出增加拔節(jié)至開(kāi)花期植株氮素積累量, 促進(jìn)灌漿中后期蛋白質(zhì)降解, 及營(yíng)養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移, 調(diào)節(jié)籽粒適宜氮/硫比, 提高谷蛋白大聚合體含量及谷蛋白與醇溶蛋白含量比值, 改善蛋白質(zhì)品質(zhì)的途徑。李文峰等[36]認(rèn)為, 由于植株積累氮素和棉籽積累的碳水化合物組成了棉籽油分, 因此棉子油分的含量是由棉籽干物質(zhì)積累速率和油分合成速率共同決定。

生態(tài)環(huán)境對(duì)作物淀粉、蛋白質(zhì)的形成有非常重要的作用。研究表明, 小麥籽粒淀粉含量主要受開(kāi)花至成熟期日均溫與總降雨量的影響, 蛋白質(zhì)含量受開(kāi)花期至成熟期的平均日較差、日平均溫度、積溫、總降雨量和總?cè)照諘r(shí)數(shù)等氣候因子的影響[37]; 高溫通過(guò)抑制淀粉合成過(guò)程中某些酶失活, 從而抑制玉米籽粒淀粉合成[38]。李文峰等[39]認(rèn)為影響棉籽油分含量的主要因子為品種、溫度、太陽(yáng)輻射和施氮量。

2 作物與環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論

作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況與其所在地區(qū)的生態(tài)條件密切相關(guān)[40-42]。然而, 作物生長(zhǎng)過(guò)程中各種環(huán)境條件(光、熱、水、肥、氣、土壤等)具有時(shí)空變化的特點(diǎn), 作物栽培的目的就是通過(guò)各種措施使作物與資源變化相吻合, 充分合理地利用有限的資源, 提高作物產(chǎn)量和資源利用效率。

2.1 作物與氣候協(xié)同調(diào)控理論

作物品種、播期、生育期等與光、溫、水資源的匹配度是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量與品質(zhì)形成的主要因素[42]。雖然光溫水等生態(tài)條件是人為不可控的條件, 但可通過(guò)調(diào)節(jié)作物播/收期、品種等措施調(diào)控生長(zhǎng)季光溫水等分配, 協(xié)調(diào)光溫水與作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系, 促進(jìn)作物產(chǎn)量潛力和資源利用效率提升[43]。

前人開(kāi)展了大量關(guān)于作物生長(zhǎng)與光溫資源匹配機(jī)理的研究, 并探索了資源高效利用的調(diào)控途徑。在北方春玉米區(qū), 李少昆等[44-45]通過(guò)10余年系統(tǒng)研究探明了高產(chǎn)群體生長(zhǎng)發(fā)育與區(qū)域光輻射量和積溫的定量匹配關(guān)系, 提出了密植高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)及控倒防衰、提高整齊度的光溫匹配調(diào)控途徑。在黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟制下, 王樹(shù)安[46]在北部資源虧缺區(qū)建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術(shù)模式, 將冬小麥播種期推遲至10月中旬, 夏玉米收獲期推遲至9月底至10月初, 周年產(chǎn)量達(dá)到15,000 kg hm–2以上, 光溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%。另外, 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)[47-49]探明了海河平原高產(chǎn)小麥冬前積溫和行距配置的光溫利用效應(yīng), 揭示了高產(chǎn)玉米生育期調(diào)配的光溫利用規(guī)律, 提出了小麥“減溫、勻株”和玉米“搶時(shí)、延收”的光溫高效利用途徑。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[50-52]探明了黃淮區(qū)小麥、玉米高產(chǎn)群體生育和資源利用特征, 提出了小麥“品種播期雙改”、玉米“延時(shí)收獲”的周年資源高效利用途徑, 發(fā)揮小麥冬前分蘗成穗的優(yōu)勢(shì), 充分利用玉米收獲至小麥播種前的資源, 實(shí)現(xiàn)周年光熱水資源高效利用。王志敏等[53-54]揭示了干旱脅迫下小麥非葉器官光合耐逆機(jī)制, 闡明了增加非葉光合面積, 構(gòu)建大群體、小株型結(jié)構(gòu), 拔節(jié)前控水促根下扎, 充分發(fā)揮深層種子根的“根系泵”作用的水分高效利用機(jī)制。董樹(shù)亭等[38,55-56]揭示了生態(tài)因素對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的影響, 明確了花后高溫寡照是限制黃淮海地區(qū)產(chǎn)量提高的關(guān)鍵因素, 提出了改套種為直播、適時(shí)晚收、延長(zhǎng)灌漿時(shí)間的栽培理論。趙明等[43,57-58]探明了氣候因子對(duì)玉米源庫(kù)性能的影響機(jī)制, 建立了葉面積系數(shù)動(dòng)態(tài)變化的積溫模型, 為作物產(chǎn)量性能與氣候因素協(xié)同的定量化研究提供了范式。在南方稻麥和雙季稻兩熟區(qū), 許軻等[59]通過(guò)分期播種試驗(yàn), 研究了播期與品種類(lèi)型對(duì)水稻產(chǎn)量、生育期及溫光資源利用的影響, 根據(jù)區(qū)域溫光資源特征初步確定了不同類(lèi)型品種適宜播種期。張洪程等[60-61]在探明粳稻溫光利用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出將雙季晚稻的秈稻品種改成具有較高耐寒性、分蘗力較強(qiáng)的粳稻品種, 發(fā)揮粳稻生育期較秈稻長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì), 充分利用晚稻季光溫資源, 提升周年產(chǎn)量和溫光資源利用率的理論與技術(shù)途徑。

2.2 作物與土壤協(xié)同調(diào)控理論

在大田環(huán)境中土壤理化特性時(shí)空變化較大, 直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成。土壤容重是表征土壤物理環(huán)境及資源狀態(tài)的一個(gè)重要的指標(biāo)[62]。土壤容重的增加造成作物根系難以下扎伸展, 影響根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收, 增加了根系早衰, 造成地上部減產(chǎn)[6,63]。

土壤耕作可以?xún)?yōu)化調(diào)整土壤結(jié)構(gòu), 為作物生長(zhǎng)與建成創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的環(huán)境[64]。20世紀(jì)80年代以來(lái), 在我國(guó)主要農(nóng)區(qū), 常采用免耕或機(jī)械淺層旋耕的耕作方式, 大大提高了生產(chǎn)效率, 但導(dǎo)致了土壤耕層變淺, 并產(chǎn)生堅(jiān)硬的犁底層, 阻礙根系向深層土壤下扎[5-6]。張洪程等[65-66]在江蘇六大農(nóng)區(qū)5~11年的連續(xù)定位研究中, 以少免耕等輕簡(jiǎn)耕作栽培方式下作物前期早發(fā)而中后期早衰的特點(diǎn)闡明了土根系統(tǒng)中養(yǎng)分與根系向土表富集、中后期土壤養(yǎng)分供應(yīng)減弱與根系活力下降, 導(dǎo)致植株光合生產(chǎn)能力減弱的早衰機(jī)理。2008年國(guó)家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系對(duì)全國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)土壤耕層狀況調(diào)查探明, 我國(guó)主要玉米田土壤耕層存在著“耕層淺、犁底層堅(jiān)實(shí)、耕層有效土量少”等特點(diǎn)。近年來(lái), 深松或深翻耕作作為一種有效的土壤改良耕作措施得到廣泛應(yīng)用。研究表明, 深松(翻)可打破犁底層, 顯著改善耕層土壤結(jié)構(gòu), 使根系在縱向擴(kuò)充生長(zhǎng)空間, 以滿(mǎn)足對(duì)地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的供應(yīng)[67-68]。趙明等[67-69]探明了條帶深旋耕作對(duì)土壤理化特性、作物根系生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量性能指標(biāo)的調(diào)控效應(yīng), 并創(chuàng)新了玉米條帶深旋密植精播一體化技術(shù), 顯著改善土壤耕層環(huán)境, 大大提高生產(chǎn)效率。王立春等[70-71]經(jīng)多年定位試驗(yàn)研究闡明了苗帶緊行間松、松緊兼?zhèn)湫透麑幽Ｊ綄?duì)土壤水、氣調(diào)節(jié)機(jī)制, 通過(guò)全面深松和苗帶局部重鎮(zhèn)壓的方式來(lái)滿(mǎn)足春玉米生長(zhǎng)對(duì)耕層土壤的生態(tài)需求。然而, 大量研究表明, 沒(méi)有一種耕作方式能夠適用于所有的土壤環(huán)境, 土壤耕作方式不同對(duì)土壤的理化及生物特性影響不同[72]。

作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的各種速效養(yǎng)分主要來(lái)自土壤, 而肥料是土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源, 因此協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)發(fā)育與土壤養(yǎng)分及施肥的關(guān)系是進(jìn)一步挖掘作物產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵。凌啟鴻等[20]和張洪程等[21]探明了葉齡模式與水肥調(diào)控的關(guān)系, 提出水稻精確定量施肥技術(shù)途徑, 解決了高產(chǎn)水稻總施氮量精確定量及各生育期定量施用問(wèn)題。于振文等[23-24,34]探明了小麥生長(zhǎng)發(fā)育與氮肥吸收的同步關(guān)系, 提出了氮肥后移, 增加追肥氮比例, 延緩后期衰老, 提高粒重的技術(shù)途徑。趙明等[73-74]提出通過(guò)滴灌分期施肥和深施緩釋肥的方式實(shí)現(xiàn)氮肥后移, 維持玉米花后較高的氮素積累能力和光合生產(chǎn)能力, 同步提高產(chǎn)量和氮肥利用效率的理論與技術(shù)途徑。張福鎖等[75-76]根據(jù)各種養(yǎng)分資源特征進(jìn)行養(yǎng)分管理, 綜合利用各種養(yǎng)分資源, 從過(guò)去以“(肥料)投入-(作物)產(chǎn)出關(guān)系”的黑箱管理逐漸走向?qū)ν寥?作物-環(huán)境系統(tǒng)養(yǎng)分過(guò)程的實(shí)時(shí)定量化調(diào)控, 并建立了小麥、玉米、水稻等主要作物的養(yǎng)分資源綜合管理技術(shù)體系, 顯著提高了作物產(chǎn)量、肥料資源利用效率及生態(tài)效益。

3 作物生產(chǎn)調(diào)控技術(shù)

如上所述, 協(xié)調(diào)作物“源、庫(kù)、流”的關(guān)系, 使作物群體和個(gè)體的發(fā)展達(dá)到源足、庫(kù)大、流暢, 才可能獲得高產(chǎn)。然而, 作為一個(gè)有機(jī)整體, 作物的各個(gè)性狀相互聯(lián)系、相互制約。對(duì)于作物產(chǎn)量與品質(zhì)的提升, 必須明確突破的技術(shù)途徑, 并通過(guò)精確的調(diào)控措施實(shí)現(xiàn)作物物質(zhì)生產(chǎn)因素與產(chǎn)量構(gòu)成因素間的高效協(xié)調(diào)。

3.1 產(chǎn)量形成調(diào)控技術(shù)

近年來(lái), 我國(guó)作物栽培科學(xué)家通過(guò)一線研究建立了一批高產(chǎn)栽培技術(shù)體系。例如, 張洪程等[77]針對(duì)高密度毯狀小苗秧質(zhì)弱、植傷趨重導(dǎo)致超級(jí)稻生育不充分而制約潛力發(fā)揮的問(wèn)題, 通過(guò)“三控”(控種、控水、化控)標(biāo)準(zhǔn)化育秧、“三因”(因種、因地、因苗)精確化機(jī)插與“三早”(早促、早控、早攻)模式化調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新, 構(gòu)建了超級(jí)稻機(jī)械化高產(chǎn)栽培技術(shù)體系。章秀福等[78]建立水稻“壟畦高密、擴(kuò)庫(kù)強(qiáng)源”超高產(chǎn)模式, 通過(guò)壟畦栽培, 寬行窄株密植, 優(yōu)化群體結(jié)構(gòu), 改善群體通透條件; 以水調(diào)肥、調(diào)氣, 強(qiáng)根健株, 實(shí)現(xiàn)增穗增粒的水稻雙季超高產(chǎn)。王法宏等[79]建立冬小麥“壟溝立體種植”超高產(chǎn)模式, 壟溝種植改善土壤理化性狀, 改善群體冠層結(jié)構(gòu), 增加了單位面積的麥穗容納量和邊行優(yōu)勢(shì), 延緩后期衰老, 有利于穗粒數(shù)和千粒重的提高。趙明等[80]針對(duì)密植導(dǎo)致倒伏、早衰等限制玉米產(chǎn)量潛力發(fā)揮的問(wèn)題, 從同步改善土壤耕層環(huán)境與冠層結(jié)構(gòu)角度出發(fā), 創(chuàng)新了“三改”深松和“三調(diào)”密植關(guān)鍵技術(shù), 建立了“深耕層-密冠層”、“控株型-促根系”及“培地力-高肥效”的密植高產(chǎn)高效技術(shù)模式。李少昆等[81]創(chuàng)新了以耐密品種、合理密植、群體質(zhì)量調(diào)控為核心, 配套精量點(diǎn)播、滴水出苗、化學(xué)調(diào)控、機(jī)械施肥、綠色防控、秸稈還田、機(jī)械收獲、烘干收儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù), 構(gòu)建了玉米密植高產(chǎn)全程機(jī)械化綠色生產(chǎn)技術(shù)體系。董志強(qiáng)等[82]針對(duì)東北春玉米低溫冷害導(dǎo)致生育期推遲、密植高產(chǎn)群體倒伏早衰的問(wèn)題, 以控株增密和抗逆防衰為目標(biāo), 建立了展六葉和展九葉兩次噴施化控劑的“雙重定向”化控技術(shù), 在逆境條件下維持較高的產(chǎn)量和光溫利用效率。

3.2 資源高效利用技術(shù)

在光溫水資源高效利用方面, 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)[47-49]針對(duì)華北地區(qū)一年兩熟光溫水資源緊張導(dǎo)致周年產(chǎn)量潛力挖掘不足的問(wèn)題, 建立小麥“勻株密植晚播”、玉米“搶時(shí)增密延收”技術(shù)及兩熟“減灌降耗提效”水分高效利用技術(shù), 實(shí)現(xiàn)周年光溫水資源優(yōu)化配置與高效利用。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[50-52]針對(duì)黃淮區(qū)光溫等資源特點(diǎn), 提出了小麥“雙改技術(shù)”與夏玉米“延衰技術(shù)”, 創(chuàng)建出小麥-夏玉米兩熟高產(chǎn)栽培技術(shù)體系, 實(shí)現(xiàn)周年光熱資源高效利用和小麥夏玉米均衡增產(chǎn)。王志敏等[53-54]建立了冬小麥“四統(tǒng)一”高產(chǎn)技術(shù)模式, 通過(guò)調(diào)整灌溉次數(shù)和施肥結(jié)構(gòu), 構(gòu)建大群體發(fā)揮主莖大蘗優(yōu)勢(shì)、非葉綠色器官的光合耐逆機(jī)能和初生根持續(xù)吸收功能, 實(shí)現(xiàn)小麥種植高產(chǎn)、高效、低耗和簡(jiǎn)化。楊建昌等[83]建立了水稻干濕交替節(jié)水灌溉技術(shù), 全生育期進(jìn)行輕干-濕交替灌溉, 減少灌溉次數(shù)和灌水量, 提高產(chǎn)量和水分利用效率。

在提高化肥利用率方面也取得了一些成果, 如測(cè)土配方施肥、氮肥深施、平衡施肥、水肥一體化等技術(shù), 在一定程度上減緩了肥料用量的增加, 提高了肥料利用效率。于振文等[23-24]針對(duì)我國(guó)小麥生產(chǎn)中氮肥過(guò)量, 且底施比例過(guò)大導(dǎo)致氮肥利用率低的問(wèn)題, 建立了冬小麥氮肥后移技術(shù), 通過(guò)減少底肥氮數(shù)量、增加追肥氮比例, 生育前中期低定額后期控制灌溉, 精量施用氮、硫、磷、鉀肥, 減少了土壤氮素淋溶, 提高了水肥利用率。楊建昌等[84]和黃見(jiàn)良等[85]建立水稻實(shí)時(shí)實(shí)地氮肥管理技術(shù), 根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)量確定總氮肥用量及生育各階段氮肥分配比例, 關(guān)鍵生育時(shí)期根據(jù)水稻葉色值(SPAD或LCC)適當(dāng)調(diào)整氮肥用量, 解決后期倒伏和早衰問(wèn)題, 顯著提高水稻產(chǎn)量和氮肥利用效率。張福鎖等[75-76,86]建立了土壤-作物綜合管理技術(shù), 基于土壤養(yǎng)分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和作物養(yǎng)分需求特征進(jìn)行根層養(yǎng)分調(diào)控, 在不增加氮肥用量的同時(shí)提高作物產(chǎn)量。另外, 近年來(lái)大田作物緩/控釋肥等新型肥料的研究迅速發(fā)展, 被認(rèn)為是減少肥料損失、提高肥料利用率的有效措施[74-87]。

3.3 精確定量栽培技術(shù)

張洪程等[21]創(chuàng)立了生育進(jìn)程、群體動(dòng)態(tài)指標(biāo)、栽培技術(shù)措施“三定量”與作業(yè)次數(shù)、調(diào)控時(shí)期、投入數(shù)量“三適宜”為核心的水稻豐產(chǎn)精確定量栽培技術(shù)體系, 使水稻生產(chǎn)管理“生育依模式、診斷有指標(biāo)、調(diào)控按規(guī)范、措施能定量”。曹衛(wèi)星等[88-89]圍繞作物主要生長(zhǎng)指標(biāo)的特征光譜波段和光譜參數(shù)、定量監(jiān)測(cè)模型、實(shí)時(shí)調(diào)控方法、監(jiān)測(cè)診斷產(chǎn)品等開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究, 集成建立了基于反射光譜的作物生長(zhǎng)光譜監(jiān)測(cè)與定量診斷技術(shù)體系, 實(shí)現(xiàn)了作物生長(zhǎng)與生產(chǎn)力預(yù)測(cè)的數(shù)字化及作物管理方案設(shè)計(jì)的精確化。趙明等[80]建立了玉米全生育期產(chǎn)量性能各指標(biāo)定量化動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn), 研發(fā)出冠層系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理決策專(zhuān)用軟件(玉米生長(zhǎng)定量化動(dòng)態(tài)分析及其高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)), 實(shí)現(xiàn)了玉米合理冠層的定量化和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及調(diào)控。

4 作物生產(chǎn)系統(tǒng)定量調(diào)控體系

綜上所述, 前人關(guān)于作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究探索, 取得了重大進(jìn)展, 形成了一批有代表性的成果, 在一定程度上大大提高了作物產(chǎn)量和資源利用效率。然而, 目前大部分研究往往僅從作物生產(chǎn)某一方面揭示產(chǎn)量與品質(zhì)形成規(guī)律及其與環(huán)境的關(guān)系, 并進(jìn)行相應(yīng)栽培技術(shù)的創(chuàng)新, 缺乏從作物生產(chǎn)系統(tǒng)整體角度出發(fā)進(jìn)行的系統(tǒng)化研究, 未形成系統(tǒng)的作物生產(chǎn)理論與技術(shù)體系, 難以適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)發(fā)展形勢(shì), 作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù)亟須進(jìn)一步深化與完善。為此, 筆者在歸納總結(jié)前人研究與本人30多年研究結(jié)果的基礎(chǔ)上, 于2016年全國(guó)青年作物栽培與學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出了作物生產(chǎn)系統(tǒng)“氣候-土壤-作物”協(xié)同定量調(diào)控體系, 簡(jiǎn)稱(chēng)“三協(xié)同”調(diào)控體系(圖1), 其核心是從作物生產(chǎn)系統(tǒng)整體出發(fā), 建立“氣候-土壤-作物”之間定量化指標(biāo), 并通過(guò)相應(yīng)的調(diào)控措施協(xié)同優(yōu)化三者之間的關(guān)系, 使整個(gè)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的功能高效協(xié)調(diào)。

圖1 作物生產(chǎn)系統(tǒng)“三協(xié)同”定量?jī)?yōu)化體系示意圖

Ra: radiation; AT: accumulated temperature; DR: distribution ratio; TPPE: photothermic production potential equivalence; DM: dry matter.

4.1“三協(xié)同”定量調(diào)控體系構(gòu)成特點(diǎn)

作物生產(chǎn)系統(tǒng)是以氣候、土壤和農(nóng)作物為物質(zhì)基礎(chǔ), 通過(guò)采取多種調(diào)控技術(shù)措施, 以獲取作物某一部分的產(chǎn)量為目的, 同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益, 有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)系統(tǒng)[90]。筆者在深入分析作物生產(chǎn)系統(tǒng)的整體性、有序性和綜合性特征, 及系統(tǒng)內(nèi)作物與氣候、土壤的供求機(jī)制與關(guān)系調(diào)控的基礎(chǔ)上, 建立了“三協(xié)同”調(diào)控體系。

“三協(xié)同”調(diào)控體系具有系統(tǒng)性特點(diǎn)。作物生產(chǎn)系統(tǒng)的功能主要取決于系統(tǒng)的整體性、有序性和綜合性, 及系統(tǒng)內(nèi)作物與氣候、土壤的供求機(jī)制與關(guān)系調(diào)控[91]。為構(gòu)建更加合理的作物生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 促進(jìn)系統(tǒng)功能不斷提升, 可將作物生產(chǎn)系統(tǒng)分為“氣候-作物”、“土壤-作物”、“群體-個(gè)體”3個(gè)子系統(tǒng)(圖1)。根據(jù)邏輯關(guān)系又將其分為3個(gè)層次, “氣候-作物”系統(tǒng)為第一層次, “土壤-作物”系統(tǒng)為第二層次, “群體-個(gè)體”系統(tǒng)為第三層次, 3個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成“三協(xié)同”體系。

“三協(xié)同”調(diào)控體系具有可定量特點(diǎn)。作物生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)物質(zhì)循環(huán)和能量交換形成作物與作物、作物與環(huán)境、環(huán)境與環(huán)境作用關(guān)系[90], 這些過(guò)程可通過(guò)某種手段精確定量, 其中氣候-作物協(xié)同以光溫資源分配率與利用效率的“兩率”為核心定量化指標(biāo), 土壤-作物協(xié)同以土壤供給力與冠層生產(chǎn)力的“兩力”為核心定量化指標(biāo), 群體-個(gè)體協(xié)同以作物群體內(nèi)部與個(gè)體器官間結(jié)構(gòu)功能的“兩體”為核心定量化指標(biāo)。以作物產(chǎn)量、光溫水肥資源利用效率及經(jīng)濟(jì)效益等定量指標(biāo)構(gòu)建作物生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同性的綜合評(píng)價(jià)體系。

“三協(xié)同”調(diào)控體系具有可調(diào)節(jié)特點(diǎn)。在認(rèn)識(shí)作物生產(chǎn)系統(tǒng)各要素相互作用規(guī)律基礎(chǔ)上, 可通過(guò)構(gòu)建合理的調(diào)控措施, 使作物生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間協(xié)調(diào)平衡、相互促進(jìn), 總體功能不斷提升。氣候-作物協(xié)同主要通過(guò)調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)季光熱資源的配置與利用以實(shí)現(xiàn)光溫高效利用; 土壤-作物協(xié)同通過(guò)改良土壤結(jié)構(gòu)和肥水控制實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效同步; 群體-個(gè)體協(xié)同通過(guò)品種、種植方式調(diào)控確保群體與個(gè)體及個(gè)體器官間協(xié)同, 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量潛力挖掘。

4.2“三協(xié)同”定量調(diào)控指標(biāo)

4.2.1 氣候-作物協(xié)同定量調(diào)控指標(biāo) 氣候-作物協(xié)同定量調(diào)控以提高季節(jié)間光溫資源分配率與季節(jié)內(nèi)光溫資源利用率的“兩率”為核心。首先, 在季節(jié)間資源有效分配方面, 筆者通過(guò)分析三大糧食作物主產(chǎn)區(qū)34個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)7年定位試驗(yàn)產(chǎn)量和氣候因素?cái)?shù)據(jù), 探明了氣候因子與作物產(chǎn)量的定量關(guān)系, 創(chuàng)立了以積溫為主, 兼顧輻射和降水分配的季節(jié)間資源優(yōu)化配置定量指標(biāo), 并建立了相應(yīng)的計(jì)算公式[92]。

積溫分配率(TDR) = 單季積溫量(Tx)/周年積溫總量(T) (1)

輻射分配率(RDR) = 單季輻射量(Rx)/周年輻射總量(R) (2)

降雨分配率(PDR) = 單季降雨量(Px)/周年降雨總量(P) (3)

積溫比值(TR) = 第一季積溫量(T1)/第二季積溫量(T2) (4)

輻射比值(RR) = 第一季輻射量(R1)/第二季輻射量(R2) (5)

降雨比值(PR) = 第一季降雨量(P1)/第二季降雨量(P2) (6)

在季節(jié)內(nèi)資源高效利用方面, 筆者通過(guò)分析年際間、地區(qū)間生態(tài)條件的差異及其資源與產(chǎn)量的定量關(guān)系, 在2007年首次提出了表征季節(jié)內(nèi)資源利用效率的“光溫生產(chǎn)潛力當(dāng)量”的概念, 即TPPE =/TPPy (TPPE為光溫生產(chǎn)潛力當(dāng)量,為作物實(shí)際產(chǎn)量, TPPy為光溫生產(chǎn)潛力)[93]; 為表征資源變化與作物需求匹配關(guān)系, 提出了季節(jié)內(nèi)積溫滿(mǎn)足率(TSR)的概念及相應(yīng)公式。

通過(guò)分析全國(guó)不同區(qū)域的不同兩熟模式的播期調(diào)控試驗(yàn)和產(chǎn)量差分析(= 293), 明確了不同兩熟模式周年季節(jié)間有效積溫、輻射分配(表1)[92,94]; 同時(shí)進(jìn)一步明確了季節(jié)內(nèi)三大作物光溫生產(chǎn)潛力當(dāng)量值(圖2), 這些指標(biāo)為作物資源高效利用的定量調(diào)控提供指導(dǎo)。

表1 不同種植模式積溫、輻射優(yōu)化分配表

W-M: 傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米模式; D-D: 冬小麥-夏玉米雙晚模式; W-R: 冬小麥-水稻模式; M-M: 雙季玉米模式; M-R: 春玉米-晚稻模式; R-R: 雙季稻模式; r-r: 再生稻模式。

W-M: traditional winter wheat-summer maize; D-D: double delay of winter wheat-summer maize; W-R: winter wheat-rice; M-M: double maize; M-R: spring maize-late rice; R-R: double rice; r-r: ratoon rice.

圖2 三大作物不同產(chǎn)量水平光溫生產(chǎn)潛力當(dāng)量值

4.2.2 土壤-作物協(xié)同定量調(diào)控指標(biāo) 作物產(chǎn)量決定于冠層生產(chǎn)力與耕層供給力“兩力”的平衡, 冠層耕層的同步優(yōu)化是密植高產(chǎn)的主要途徑。“兩力”構(gòu)成的原則是構(gòu)建耕層-冠層、土壤-作物協(xié)調(diào)優(yōu)化的體系, 耕層供給力與作物冠層生產(chǎn)力匹配。以提高耕層供給力為核心, 挖掘冠層作物生產(chǎn)力, 以最終提高產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。

首先, 利用研發(fā)的作物耐密性鑒定方法, 解析土壤基礎(chǔ)地力、目標(biāo)產(chǎn)量與作物種植密度的定量關(guān)系(=abx)[95], 基于作物土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量(土壤供給力)與高產(chǎn)高效目標(biāo)產(chǎn)量(冠層生產(chǎn)力)的差值(圖3,D)確定實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)量的作物群體容納量與養(yǎng)分供給量。根據(jù)產(chǎn)量與密度定量關(guān)系確定密度增量, 根據(jù)產(chǎn)量與養(yǎng)分定量關(guān)系(百千克籽粒需養(yǎng)分量)確定施肥量, 實(shí)現(xiàn)基于土壤基礎(chǔ)地力的高產(chǎn)高效定量栽培。

進(jìn)而利用35年肥效長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)平臺(tái)揭示不合理耕作導(dǎo)致土壤犁底層上移(2.8~4.9 cm)、容重增加(7%~35%)、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量變差(腐殖化和脂族化程度高而疏水化程度低)、貧鉀富磷、耕層土壤酸化(pH下降1.3~1.5)、真菌/細(xì)菌比值降低(碳源不足)等關(guān)聯(lián)變化是主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田地力下降、高產(chǎn)支撐力不足的主要機(jī)制[70-71]。由此提出“培肥地力、減量施肥”的豐產(chǎn)高效技術(shù)策略, 及深厚耕層構(gòu)建與有機(jī)物料輸入相結(jié)合的地力提升途徑。同時(shí), 利用自主研發(fā)的根-土空間分布取樣方法與分析體系[67-69]對(duì)不同作物生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)民田塊和高產(chǎn)高效田塊長(zhǎng)期定位試驗(yàn)分析, 明確了兩熟區(qū)高產(chǎn)高效農(nóng)田比農(nóng)民田塊土壤耕層厚度增加28%~35%, 容重降低18%~20%, 有機(jī)質(zhì)含量提高13%~20%, 氮磷鉀含量平均提高19%~30% (表2)。同時(shí), 提出以容重、貫穿阻力為核心的土壤結(jié)構(gòu)生產(chǎn)力指標(biāo)及氮磷鉀與有機(jī)質(zhì)含量空間分布為核心的養(yǎng)分生產(chǎn)力指標(biāo)來(lái)確定土壤供給力。

圖3 土壤-作物協(xié)同定量?jī)?yōu)化模式圖

表2 不同區(qū)域不同田塊土壤理化特征

4.2.3 “群體-個(gè)體”協(xié)同定量調(diào)控指標(biāo) 作物冠層結(jié)構(gòu)是作物個(gè)體、群體產(chǎn)量性能數(shù)量與質(zhì)量的綜合體現(xiàn)。作物理想冠層的本質(zhì)特征是群體總庫(kù)容量(群體總粒數(shù))大、花后物質(zhì)積累量高, 這就要求在前中期保持適宜葉面積系數(shù), 提高成穗率和結(jié)實(shí)率, 后期增大光合勢(shì)、提高凈同化能力和物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)與分配效率。因此, 優(yōu)化協(xié)調(diào)個(gè)體與群體以及葉源系統(tǒng)與庫(kù)容系統(tǒng)之間的關(guān)系對(duì)作物高產(chǎn)高效栽培具有重要意義。

筆者在多年試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上, 確定了“群體-個(gè)體”協(xié)同定量?jī)?yōu)化的核心為協(xié)調(diào)作物群體內(nèi)部及個(gè)體葉穗系統(tǒng)、物質(zhì)生產(chǎn)與分配的關(guān)系[96]。該分析模式主要包括以下3個(gè)方面。一是, 明確了作物產(chǎn)量形成是根、莖、葉、穗4個(gè)系統(tǒng)相互依存, 在根莖的吸收與支撐能力保障的前提下, 其中葉系統(tǒng)光合物質(zhì)生產(chǎn)能力與穗系統(tǒng)籽粒形成的光合產(chǎn)物分配是挖掘產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵。二是, 基于系統(tǒng)間關(guān)系分析作物產(chǎn)量與葉穗系統(tǒng)定量關(guān)系, 構(gòu)建了葉穗系統(tǒng)協(xié)同定量公式(Y = MALI×D×MNAR×HI = EN× GN×GW)及三大作物高產(chǎn)高效群體葉穗系統(tǒng)指標(biāo)體系(表3)[30], 其中等式左邊(MALI×D×MNAR×HI)表示葉系統(tǒng)光合物質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程, 等式右邊(EN×GN× GW)表示穗系統(tǒng)產(chǎn)量形成過(guò)程, 其中MLAI和MNAR指標(biāo)為生育期內(nèi)某一時(shí)段的平均值, 可以作為生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控; 三是, 研究表明高產(chǎn)高效群體具有較高的后期物質(zhì)生產(chǎn)能力, 花后干物質(zhì)積累量/生育期總干物質(zhì)積累量為: 玉米0.62、小麥0.45、水稻0.51。在此基礎(chǔ)上, 提出了通過(guò)高效物質(zhì)分配與高效結(jié)實(shí)機(jī)制以挖掘作物后期物質(zhì)生產(chǎn)能力為核心的挖潛技術(shù)途徑, 根據(jù)作物花后干物質(zhì)積累量/生育期總干物質(zhì)積累量比值指標(biāo)來(lái)選擇確定具體技術(shù)措施, 如氮肥后移、深松改良土壤、優(yōu)化種植方式及水肥一體化等, 調(diào)控后期養(yǎng)分供應(yīng)和群體的光分布, 維持個(gè)體較高的光合速率, 延緩衰老, 從而維持群體高效物質(zhì)生產(chǎn)功能, 提高作物產(chǎn)量。

表3 高產(chǎn)高效群體結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)

Y: 產(chǎn)量; MLAI: 平均葉面積指數(shù); D: 生育期天數(shù); MNAR: 凈同化率; HI: 收獲指數(shù); EN: 單位面積穗數(shù); GN: 穗粒數(shù); GW: 粒重。

Y: grain yield; MLAI: mean leaf area index; D: growth days; MNAR: mean net assimilation rate; HI: harvest index; EN: ear no. per m2; GN: grain number per ear; GW: 1000-kernels weight.

4.3“氣候-土壤-作物”協(xié)同互作途徑

以上建立的氣候-作物、土壤-作物和群體-個(gè)體協(xié)同定量指標(biāo), 可分別從光溫資源定量配置、基礎(chǔ)地力與目標(biāo)產(chǎn)量協(xié)調(diào)、源庫(kù)產(chǎn)量平衡等3個(gè)方面指導(dǎo)作物品種與播期合理搭配、地力培肥與肥水調(diào)控、群體結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化等“三協(xié)同”調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新。進(jìn)而通過(guò)三類(lèi)技術(shù)組裝構(gòu)建生產(chǎn)技術(shù)模式, 每個(gè)模式均包括氣候-作物、土壤-作物和群體-個(gè)體三方面的調(diào)控技術(shù)。由于各類(lèi)別都有多個(gè)單項(xiàng)技術(shù), 通過(guò)三類(lèi)技術(shù)的組裝可形成多種搭配組合, 利用通徑分析和主成分分析對(duì)技術(shù)的優(yōu)先序和互作效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。在闡明三類(lèi)技術(shù)的協(xié)同互作機(jī)制基礎(chǔ)上, 篩選出區(qū)域適宜的作物豐產(chǎn)高效生產(chǎn)技術(shù)模式, 進(jìn)行大田示范驗(yàn)證與推廣應(yīng)用。

4.4“三協(xié)同”定量調(diào)控體系應(yīng)用與效益評(píng)價(jià)

4.4.1 “三協(xié)同”定量調(diào)控體系應(yīng)用 以黃淮海冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)高效種植模式為例, 介紹“三協(xié)同”定量調(diào)控體系在作物生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用, 為實(shí)現(xiàn)作物“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全”生產(chǎn)提供新思路。

針對(duì)黃淮海地區(qū)周年光溫資源區(qū)域差異大、利用效率低, 常年免耕或淺旋耕導(dǎo)致土壤容重增加, 秸稈還田難導(dǎo)致播種質(zhì)量差等交織并存的問(wèn)題, 基于“三協(xié)同”調(diào)控體系指導(dǎo), 創(chuàng)新光溫配置、秸稈還田培肥、改行調(diào)密等技術(shù), 在北部集成以小麥冬前積溫調(diào)減-玉米后期積溫調(diào)增、兩季秸稈還田培肥和減耗節(jié)水、小麥縮行距勻株距密植等關(guān)鍵技術(shù)為核心的小麥-玉米調(diào)溫節(jié)水、勻株密植技術(shù)模式; 在中部集成以小麥早播增溫-玉米晚收增產(chǎn)、兩季統(tǒng)籌培肥補(bǔ)灌、小麥寬行稀植-玉米窄行密植等關(guān)鍵技術(shù)為核心的小麥早播稀植、玉米密植晚收周年灌溉模式; 在南部集成以小麥稀植早播-玉米增密晚收、簡(jiǎn)耕覆蓋保水等關(guān)鍵技術(shù)為核心的小麥簡(jiǎn)耕覆蓋、玉米免耕密植周年雨養(yǎng)模式。在河南、河北兩省分別示范3套模式, 較傳統(tǒng)模式產(chǎn)量提高8.1%~12.2%, 光溫生產(chǎn)效率提高6.9%~11.3%, 水分生產(chǎn)效率提高9.2%~14.1%, 經(jīng)濟(jì)效益增加2205元 km–2, 實(shí)現(xiàn)兩季均衡增產(chǎn)增效。

4.4.2 “三協(xié)同”定量調(diào)控體系效益評(píng)價(jià) 國(guó)家糧食豐產(chǎn)科技工程項(xiàng)目組在優(yōu)化調(diào)整柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)、DEA-Malmquist指數(shù)法等評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上, 建立了糧食生產(chǎn)全要素評(píng)價(jià)專(zhuān)用模型(Y=e), 依據(jù)該模型可對(duì)“三協(xié)同”定量調(diào)控體系指導(dǎo)構(gòu)建的技術(shù)模式進(jìn)行全要素(包括種子、化肥、農(nóng)藥、水電、柴油、機(jī)械、人工等)生產(chǎn)率、土地利用率、氣候資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法(Life Cycle Assessment, LCA)對(duì)技術(shù)模式的整地播種、田間管理和收獲等環(huán)節(jié)的資源消耗、物質(zhì)投入及環(huán)境排放進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 作物生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)控體系研究展望

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的作物生產(chǎn)研究與實(shí)踐, 我國(guó)在水稻、小麥和玉米等主要糧食作物研究中, 已經(jīng)建立了豐富的栽培技術(shù)體系, 在確保糧食安全和農(nóng)民增收中發(fā)揮了巨大的作用, 但生產(chǎn)中尚缺乏基于作物生產(chǎn)系統(tǒng)整體性的系統(tǒng)化、定量化作物栽培理論與技術(shù), 在一定程度上限制了作物高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)等多目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。筆者在基于前人研究和本人30多年研究結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)建的作物生產(chǎn)系統(tǒng)氣候-土壤-作物“三協(xié)同”定量?jī)?yōu)化體系, 通過(guò)定量分析作物生產(chǎn)過(guò)程與氣候、土壤等環(huán)境因素的內(nèi)在關(guān)系, 將“氣候-作物”、“土壤-作物”和“群體-個(gè)體”三者協(xié)同優(yōu)化, 形成了系統(tǒng)的作物生產(chǎn)理論體系, 彌補(bǔ)了現(xiàn)有理論與技術(shù)的不足, 為未來(lái)作物生產(chǎn)調(diào)控理論與技術(shù)的創(chuàng)新提供了思路。然而, 如何將現(xiàn)有的理論與技術(shù)與這一體系高度融合, 進(jìn)一步完善該理論體系, 并有效應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐, 尚有待更深入的研究與探討。

氣候-土壤-作物“三協(xié)同”定量調(diào)控理論初步建立了光溫資源定量配置、基礎(chǔ)地力與目標(biāo)產(chǎn)量協(xié)調(diào)、源庫(kù)產(chǎn)量平衡3個(gè)方面的定量指標(biāo), 分別指導(dǎo)作物品種布局與播/收期調(diào)整、地力培肥與肥水調(diào)控、群體結(jié)構(gòu)與功能等調(diào)控技術(shù)創(chuàng)新。然而, 氣候-土壤-作物“三協(xié)同”定量調(diào)控理論還需要進(jìn)一步完善, 在氣候-作物協(xié)同方面, 需要進(jìn)一步闡明作物生長(zhǎng)發(fā)育各階段與光溫資源匹配關(guān)系及其定量指標(biāo); 在土壤-作物協(xié)同方面, 加強(qiáng)研究作物產(chǎn)量形成與土壤生物特性和水肥動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系及其定量指標(biāo); 在群體-個(gè)體協(xié)同方面, 從不同器官及其組織形態(tài)與功能、關(guān)鍵生理與分子調(diào)控機(jī)制方面認(rèn)識(shí)群體與個(gè)體協(xié)同關(guān)系; 在氣候-土壤-作物三者協(xié)同方面, 闡明三者協(xié)同調(diào)控機(jī)制, 建立相應(yīng)的定量調(diào)控指標(biāo); 加強(qiáng)“三協(xié)同”技術(shù)體系在作物品質(zhì)形成方面的指導(dǎo); 加強(qiáng)該理論模式指導(dǎo)高產(chǎn)高效關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和區(qū)域特色技術(shù)模式集成, 對(duì)整個(gè)體系的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。

致謝: 特別感謝吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院王立春研究員和王永軍研究員、河南師范大學(xué)李春喜教授、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)尹鈞教授、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)李雁鳴教授、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張賓研究員、天津市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站侯海鵬研究員、天津農(nóng)學(xué)院葛均筑博士對(duì)本項(xiàng)研究工作的大力支持。

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Theoretical and technical models of quantitative regulation in food crop production system

ZHAO Ming*, ZHOU Bao-Yuan, MA Wei, LI Cong-Feng, DING Zai-Song, and SUN Xue-Fang

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

Multi-objective collaborative development of crop production with high yield, high efficiency, and environmental friendliness is more important in China. Further improving theoretical models of crop system is a main way to adapt multi-objective coordinated development, and promote the sustainable development of crop production. In this paper, we reviewed current theoretical and technical regulation approaches for crop system. Meanwhile, according to the current crop production developing condition and previous researches, a new model “Three Collaboration Theory and Technology System” was established based on the overall composition of crop system, which can collaboratively optimize the relationship of “climate-crops”, “soil-crops”, and “population-individual” simultaneously. The application and perspective of such model were discussed.

crop production system; climate; soil; crop; collaborative optimization

2018-06-12;

2019-01-12;

2019-02-11.

10.3724/SP.J.1006.2019.83051

趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300207), 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD02A13, 2013BAD07B00)和國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(CARS-02-12)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300207), the National Science and Technology Support Project (2006BAD02A13, 2013BAD07B00), and the China Agriculture Research System (CARS-02-12).

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190210.1114.002.html