景立權(quán), 袁建華, 趙福成,3, 陸大雷, 陸衛(wèi)平
(1.揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 揚(yáng)州 225009;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,江蘇 南京210014;3.浙江省東陽(yáng)玉米研究所,浙江 東陽(yáng) 322100)
糧食是社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ),在有限的土地資源和水資源,異常的氣候變化(高溫干旱、生長(zhǎng)季節(jié)縮短、低溫寡照等)導(dǎo)致僅靠傳統(tǒng)的栽培模式無(wú)法繼續(xù)增產(chǎn)的情況下[1-3],如何提高全球糧食產(chǎn)量養(yǎng)活未來(lái)世界更多人口已成為全世界各國(guó)政府關(guān)注的焦點(diǎn)[4-5],糧食成了重要的戰(zhàn)略性物資[6]。據(jù)報(bào)道,中國(guó)玉米連續(xù)8年增產(chǎn)(2004~2011年),近年來(lái)玉米在中國(guó)糧食增產(chǎn)中的作用達(dá)55%[7],玉米已超過(guò)水稻成為中國(guó)種植面積最大的作物[8]。自2006年中國(guó)開(kāi)始實(shí)施玉米高產(chǎn)群體創(chuàng)建活動(dòng)以來(lái),單產(chǎn)達(dá)到15 000 kg/hm2的地塊不斷增加(2006年18塊,2007年21塊,2008年41塊,2009年45塊,2010年38塊),有效展示了玉米進(jìn)一步大幅度增產(chǎn)的潛力[9]。近年來(lái)玉米產(chǎn)量水平不斷提高不但得益于施肥和改良品種[10-11],還與玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體的形成與栽培措施有著密切關(guān)系[12-13]。美國(guó)從1930年到1990年糧食增產(chǎn)中,相對(duì)于遺傳因子的改良,農(nóng)藝栽培措施同樣作出了較大的貢獻(xiàn)[14]。Tollenaar等[14]指出近30年來(lái)美國(guó)雜交玉米品種的高產(chǎn)潛力幾乎沒(méi)有增長(zhǎng),玉米總產(chǎn)的提高主要得益于農(nóng)藝措施的改良。大量研究結(jié)果表明玉米產(chǎn)量和雜交優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮受制于環(huán)境因子及其影響下的生理性狀[15-17]。確定高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)及其生物學(xué)規(guī)律,利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)等手段,采取精確栽培管理的方法滿足作物水肥需求的栽培模式,必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的規(guī)范化和模式化栽培方式,成為未來(lái)作物栽培管理的發(fā)展方向[18]。本文概述玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量研究進(jìn)展,闡述精確栽培模式研究現(xiàn)狀,對(duì)其在玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)上的應(yīng)用提出建議,旨在為其在生產(chǎn)上的推廣提供理論依據(jù)。
超高產(chǎn)一詞正式使用始于日本。為解決未來(lái)人口糧食危機(jī),1981年,日本農(nóng)林水產(chǎn)省開(kāi)始實(shí)施題為“超高產(chǎn)水稻開(kāi)發(fā)及栽培技術(shù)確立”的大型合作研究項(xiàng)目,提出比對(duì)照品種增產(chǎn)50%為超高產(chǎn)品種[19]。超高產(chǎn)是一個(gè)相對(duì)概念,習(xí)慣認(rèn)為超高產(chǎn)就是高產(chǎn)再高產(chǎn),或產(chǎn)量有較大幅度的突破[19-20]。因此,也有學(xué)者反對(duì)使用超高產(chǎn)一詞,認(rèn)為隨著時(shí)代的不同,高產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)自然也不同,超高產(chǎn)的概念不準(zhǔn)確[21]。超高產(chǎn)是對(duì)高產(chǎn)品種的超高產(chǎn)潛力的挖掘,一個(gè)品種的超高產(chǎn)潛力被定義為這個(gè)品種生長(zhǎng)在最適合的田塊上,整個(gè)生育周期不受水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的限制,并且病蟲害得到很好控制下的產(chǎn)量為本品種的超高產(chǎn)產(chǎn)量[22],超高產(chǎn)是作物品種在一定生態(tài)區(qū)域和栽培條件下諸多綜合因素和諧互作的結(jié)果。20世紀(jì)90年代學(xué)者認(rèn)為作物產(chǎn)量水平比高產(chǎn)提高30%為超高產(chǎn)[23]?!笆濉逼陂g國(guó)家“863”計(jì)劃提出的超高產(chǎn)作物品種指標(biāo)是在現(xiàn)有水平上增產(chǎn)15% ~20%以上。囿于品種、栽培技術(shù)、環(huán)境條件、氣候、地力等因素,中國(guó)尚未出臺(tái)玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)的統(tǒng)一界定標(biāo)準(zhǔn)。目前,中國(guó)夏玉米高產(chǎn)為9 000 kg/hm2左右,李潮海等[24]認(rèn)為一般將玉米產(chǎn)量比高產(chǎn)提高1/3以上視為超高產(chǎn),即大于或等于12 000 kg/hm2為超高產(chǎn)。任洪[25]認(rèn)為超高產(chǎn)玉米雜交種是指產(chǎn)量在12 000 kg/hm2以上或產(chǎn)量超過(guò)對(duì)照品種20%以上的玉米高產(chǎn)良種。楊今勝等[26]以產(chǎn)量大于或等于15 000 kg/hm2為夏玉米超高產(chǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)。目前,全國(guó)玉米栽培專家普遍認(rèn)為,在目前生產(chǎn)條件下,玉米單產(chǎn)超過(guò)15 000 kg/hm2或比同生育期主栽對(duì)照品種增產(chǎn)20%即為超高產(chǎn)水平[27-28]。
2.1.1 輕量化精確定量栽培 21世紀(jì)初,在作物葉齡模式和群體質(zhì)量指標(biāo)2項(xiàng)研究成果的基礎(chǔ)上,凌啟鴻提出了輕量化精確定量栽培的理論與技術(shù),總結(jié)了輕量化精確定量栽培技術(shù)的概念,指出作物精確定量輕簡(jiǎn)栽培是以適宜的最少作業(yè)次數(shù),在最適宜的生育時(shí)期,用最適宜的物化技術(shù)數(shù)量,即在“三適宜”上的精確定量[29]。采用輕量化精確定量栽培技術(shù)能保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì),同時(shí)又能省工、節(jié)約資源、減少污染,達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生態(tài)安全的綜合目標(biāo)[29]。在水稻上的研究結(jié)果表明輕量化精確定量栽培包括精確確定基本苗數(shù)、施肥比例和施肥量并根據(jù)作物葉齡模式準(zhǔn)確確定最佳作業(yè)模式和最少作業(yè)次數(shù)。確定適宜的高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo),參照作物葉齡模式,選擇最優(yōu)調(diào)控時(shí)機(jī)及措施,達(dá)到作物高產(chǎn)超高產(chǎn)目的,是輕量化精確定量栽培技術(shù)的核心。輕量化精確定量栽培的理論與技術(shù)在中國(guó)水稻上的研究較為成熟,主要表現(xiàn)在對(duì)稻田氮肥與灌溉水實(shí)施精確定量使用,已有多個(gè)關(guān)于水稻高產(chǎn)超高產(chǎn)群體的報(bào)道[30-31]。在國(guó)外也有通過(guò)精確灌溉取得玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)的研究[32-33]。中國(guó)自主創(chuàng)新形成的水稻精確定量輕簡(jiǎn)栽培理論和技術(shù)體系,已達(dá)到具有普遍指導(dǎo)意義和廣泛適用性的程度[29],但在玉米生產(chǎn)上的應(yīng)用還須進(jìn)一步探索和研究。
2.1.2 玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo) 作物群體包括數(shù)量和質(zhì)量2方面的含義,作物產(chǎn)量是作物群體與個(gè)體生產(chǎn)能力博弈的結(jié)果。作物群體早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)成為諸多農(nóng)學(xué)家學(xué)術(shù)爭(zhēng)鳴的焦點(diǎn)[34]。1960年前后,靠擴(kuò)大群體數(shù)量期待達(dá)到作物高產(chǎn)的失敗及學(xué)者們的大量結(jié)果研究表明,要提高作物產(chǎn)量并不是群體的數(shù)量越大越好。隨后,上海植物生理研究所殷宏章課題組開(kāi)始研究作物群體結(jié)構(gòu),提出了群體概念、內(nèi)容及群體與個(gè)體的矛盾等,引起了學(xué)術(shù)上強(qiáng)烈反響,并深刻地推動(dòng)了這一領(lǐng)域發(fā)展,促進(jìn)了作物生產(chǎn)[34]。直到20 世紀(jì)80 ~90 年代,凌啟鴻等[35]鮮明地提出了群體質(zhì)量的概念及提高作物群體質(zhì)量是主攻作物單產(chǎn)的基本途徑的論斷,并先后在水稻、小麥、玉米等作物上開(kāi)展研究,取得了巨大的成功。凌啟鴻等指出群體質(zhì)量是各項(xiàng)指標(biāo)中最優(yōu)化的數(shù)值,高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)就是指能不斷優(yōu)化群體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)更高產(chǎn)的各項(xiàng)形態(tài)、生理指標(biāo)[34-35]。高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)具體包括:(1)提高灌漿期群體干物質(zhì)積累;(2)在群體最大葉面積期達(dá)到最適葉面積值(LAI);(3)在實(shí)現(xiàn)適宜葉面積值的同時(shí)盡可能擴(kuò)大庫(kù);(4)提高粒/葉比;(5)提高有效葉面積率和高效葉面積率;(6)壯稈和合理莖枝結(jié)構(gòu);(7)提高根系活力的質(zhì)量指標(biāo)[35]。20 世紀(jì)90 年代,陸衛(wèi)平[36]較詳細(xì)地研究了玉米高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)及相關(guān)調(diào)控技術(shù):(1)提高花后物質(zhì)積累量是玉米高產(chǎn)群體質(zhì)量的本質(zhì)指標(biāo);(2)控制吐絲期適宜的LAI值(春玉米為5.10±1.00,夏玉米為4.83±1.10);(3)并在此基礎(chǔ)上提高總粒數(shù)和粒葉比(最大值為2.03),減少空稈葉面積,增大倒7~5葉葉面積,增加莖粗、莖鞘重,增加氣生根量等。
新世紀(jì)以來(lái)隨著新的耐密、多抗性品種的出現(xiàn),玉米最高產(chǎn)量屢被刷新,2005年出現(xiàn)中國(guó)玉米單產(chǎn)最高紀(jì)錄(21 043.5 kg/hm2,山東萊州)[37],同時(shí)生產(chǎn)上也涌現(xiàn)出越來(lái)越多的15 000 kg/hm2玉米高產(chǎn)田塊[27]。異于前期的玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體特征也被許多學(xué)者報(bào)道,表1表明,近年來(lái)的超高產(chǎn)群體多呈現(xiàn)較大的群體密度和干物質(zhì)積累,最大群體密度達(dá)1hm2112 500株,全國(guó)高產(chǎn)田平均密度為1hm295 850株。中國(guó)普通玉米的現(xiàn)行種植密度在1 hm260 000株左右,而在同緯度的西北歐,適宜的普通玉米種植密度為 1 hm2100 000株[44]。
表1 玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量Table 1 Population quality of super high yield maize
而超高產(chǎn)群體干物質(zhì)總積累量也多高于30 000 kg/hm2。與20世紀(jì)90年代相比,近年來(lái)超高產(chǎn)群體葉面積指數(shù)、粒葉比也有較大的提高,葉面積指數(shù)最高達(dá)8.2,全國(guó)平均7.3;粒葉比最高達(dá)3.22,在2.50以上的居多。Ratricio等[45]的研究結(jié)果也表明增加種植密度和延長(zhǎng)雜交種的成熟期是獲得玉米超高產(chǎn)的2個(gè)重要途徑。綜上所述,大群體、高積累、多轉(zhuǎn)化和較長(zhǎng)的灌漿期是當(dāng)前玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體形成的基礎(chǔ)。
2.1.3 調(diào)控途徑精確化 玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量的研究,促進(jìn)了玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量指標(biāo)的形成。很多學(xué)者又試圖通過(guò)栽培途徑精確地調(diào)控群體達(dá)到這些指標(biāo)。相對(duì)于溫、光、水,栽培專家更傾向于通過(guò)肥料的運(yùn)籌對(duì)玉米群體實(shí)施調(diào)控。從氮肥調(diào)控的栽培措施入手則容易敲開(kāi)精確定量栽培技術(shù)的大門[29]。大量研究結(jié)果表明,玉米產(chǎn)量并不隨氮肥施入量的提高而一直增加,過(guò)度施肥可能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。張瑞富等[46]的研究結(jié)果表明,在 300 kg/hm2(種肥、拔節(jié)肥、大口肥的比例為1∶3∶6)施氮水平下,干物質(zhì)轉(zhuǎn)移效率和子粒產(chǎn)量最大。過(guò)量氮肥的施用導(dǎo)致玉米收獲后土壤硝態(tài)氮累積量達(dá)到121~221 kg/hm2,殘留率可達(dá)30% ~65%,影響玉米根系“趨肥性”生物學(xué)潛力的發(fā)揮,也造成了氮肥的大量損失[47]。過(guò)量氮肥的施用污染了環(huán)境,嚴(yán)重影響了全球大氣氮循環(huán)[48],污染了地表水,造成富營(yíng)養(yǎng)化,排放大量溫室氣體等[49-51]。為控制過(guò)量施氮對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的不利影響,在集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)氮肥的施用需要精準(zhǔn)調(diào)控[52]。Ju等[52]總結(jié)出施氮量的數(shù)學(xué)表達(dá)式:N施氮量=N需氮量-N氮流失量+N土壤含氮量。Varinderpal等[53]根據(jù)不同基因型玉米葉的顏色與葉色表(Leaf colour chart)對(duì)比,準(zhǔn)確判斷并管理玉米的需氮量,也獲得了高產(chǎn)。Blackmer等[54]闡述了通過(guò)遙感技術(shù)精確探測(cè)玉米群體氮營(yíng)養(yǎng)情況,從而通過(guò)準(zhǔn)確的氮肥運(yùn)籌以提高產(chǎn)量。美國(guó)諸多學(xué)者研究了將主動(dòng)式傳感器(Active sensors)安裝在農(nóng)機(jī)上以實(shí)時(shí)探測(cè)玉米氮營(yíng)養(yǎng)狀況并做出精確回應(yīng),達(dá)到精確施氮的目的[55-57]。此外群體對(duì)氮肥的吸收還跟季節(jié)、地形、海拔、土壤的電導(dǎo)性等諸多因素有關(guān),Nicolas等[58]研究結(jié)果表明高土壤電導(dǎo)性、低海拔、有斜坡的地勢(shì)更利于玉米對(duì)氮肥的吸收。Ziadi等[59]的研究結(jié)果表明氮、磷在玉米植株內(nèi)的積累存在相互協(xié)作的作用,增施氮有利于玉米對(duì)磷肥的吸收,生產(chǎn)中可以通過(guò)探測(cè)磷的積累量來(lái)診斷氮的積累量。Gilles等[60]進(jìn)一步指出,利用最上部葉片為材料診斷植株氮盈虧的方法會(huì)更加準(zhǔn)確。
作物超高產(chǎn)栽培指標(biāo)及其生物學(xué)規(guī)律的研究,為作物精確栽培管理奠定了基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代作物栽培學(xué)與新興學(xué)科領(lǐng)域的交叉與融合,不同于凌啟鴻提出的輕量化精確定量栽培技術(shù),曹衛(wèi)星等[18]將系統(tǒng)科學(xué)與信息技術(shù)應(yīng)用于作物栽培學(xué),并對(duì)作物栽培學(xué)所涉及的對(duì)象和過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、信息化感知、動(dòng)態(tài)化模擬,從而實(shí)現(xiàn)作物栽培管理的定量化與精確化。趙春江等[61]提出“數(shù)字植物”的概念,指出廣義的“數(shù)字植物”是一個(gè)開(kāi)放式的信息服務(wù)和共享平臺(tái),該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生命系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)行為的感知和認(rèn)知,“數(shù)字植物”是數(shù)字農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。針對(duì)數(shù)字農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景,近20年來(lái),美國(guó)、加拿大、荷蘭、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視建立基于農(nóng)作系統(tǒng)模型和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的數(shù)字化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并在示范應(yīng)用中獲得了突出的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[62]。
美國(guó)、加拿大等國(guó)家基于地理信息系統(tǒng)的精確農(nóng)業(yè)變量施肥技術(shù)與農(nóng)機(jī)結(jié)合后,使肥料利用率和施肥增產(chǎn)效益提高到較理想的水平,其氮肥當(dāng)季利用率可達(dá)60%以上,而中國(guó)江蘇省的利率用只有30%左右[63]。近年來(lái),中國(guó)也有學(xué)者深入地研究了精確栽培管理的方法。馬彥平等[64]試圖應(yīng)用具有方便、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字圖法代替蒙法等測(cè)量玉米面積,取得了成功。孫欽平等[65]利用可見(jiàn)光光譜形成的數(shù)字圖像對(duì)施用有機(jī)肥后的玉米氮營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行診斷,結(jié)果表明圖像的紅光值是較好的進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)診斷的數(shù)字圖像。趙春江等[66]利用數(shù)學(xué)模型模擬玉米葉片的三維形態(tài),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)玉米株型的矢量化。陳青春等[67]的研究結(jié)果表明,水稻穗肥施用前地上部植株氮積累量與光譜儀冠層光譜參數(shù)的定量關(guān)系,可為水稻精確追氮提供決策依據(jù)?;谧魑锷L(zhǎng)發(fā)育規(guī)律,綜合遺傳潛力、環(huán)境效應(yīng)和技術(shù)調(diào)控之間因果關(guān)系的作物生長(zhǎng)模型是模擬作物生長(zhǎng)狀況、預(yù)測(cè)生產(chǎn)潛力的有效工具[68]。黃彥等[69]將遙感與作物生長(zhǎng)模型相耦合,較準(zhǔn)確地對(duì)冬小麥生長(zhǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。將包括遙感(RS)、GIS、全球定位系統(tǒng)(GPS)與決策支持系統(tǒng)(DSS)等在內(nèi)的農(nóng)業(yè)信息技術(shù)引入傳統(tǒng)施肥中,是精確稻作的核心內(nèi)容[63]。黃彥等[69]和高輝等[70]利用VB6.0與MapObject2.2開(kāi)發(fā)的精確施肥信息系統(tǒng)為姜堰、泰州等水稻定量施肥決策提供了信息技術(shù)支撐。張淑杰等[71]利用WOFOST模型對(duì)遼寧省干旱地區(qū)玉米產(chǎn)量進(jìn)行模擬,結(jié)果表明正常年份和一般干旱年份玉米產(chǎn)量的模擬能力較好。綜合以上研究成果,圍繞作物精確栽培的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng),南京農(nóng)業(yè)大學(xué)以小麥、水稻為主要對(duì)象,在作物栽培方案的定量設(shè)計(jì)、作物生長(zhǎng)指標(biāo)的光譜診斷、作物生產(chǎn)力形成的模擬預(yù)測(cè)等3個(gè)領(lǐng)域取得了顯著的研究進(jìn)展,已進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用推廣階段[18]。
相對(duì)于小麥、水稻,精確栽培管理在中國(guó)玉米方面的研究相對(duì)落后。而被美國(guó)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的最具代表性的CERES模型中,被首先發(fā)表的就是CERES-玉米模型[72]。此外,玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)基礎(chǔ)理論及群體質(zhì)量指標(biāo)等的研究相對(duì)滯后[73]。各地或同一地區(qū)不同年份的研究結(jié)果差距較大。在決定玉米超高產(chǎn)群體形成的諸多生理生態(tài)因素中,到底哪一個(gè)因素最關(guān)鍵,尚不明確。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了新時(shí)期玉米超高產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,導(dǎo)致其在生產(chǎn)上的推廣無(wú)“法”可依,嚴(yán)重阻礙中國(guó)各地玉米的進(jìn)一步增產(chǎn)。
應(yīng)深入研究玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)群體質(zhì)量特征及生物學(xué)基礎(chǔ)規(guī)律,包括群體需肥規(guī)律、最佳群體密度、干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)、可溶性糖含量、氮磷鉀積累量及碳氮比等及其生物學(xué)過(guò)程及其機(jī)理。從光合作用過(guò)程、養(yǎng)分?jǐn)z取、同化物分配、蒸騰作用過(guò)程、生長(zhǎng)和呼吸作用、葉片的生長(zhǎng)與擴(kuò)展、形態(tài)發(fā)育與衰老等主要生理過(guò)程建立生長(zhǎng)模擬模型[74],進(jìn)一步改進(jìn)和完善不同生產(chǎn)條件下作物栽培方案的精確設(shè)計(jì)、作物生長(zhǎng)狀況的精確診斷、作物生產(chǎn)力的精確預(yù)測(cè)等核心關(guān)鍵技術(shù),不斷提高其適用性和準(zhǔn)確性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米生長(zhǎng)與生產(chǎn)系統(tǒng)的全程化智慧管理[18]。借助精確農(nóng)作理論及方法在水稻、小麥上的應(yīng)用體系,逐漸向玉米拓展,加快其在玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)栽培管理上的推廣應(yīng)用。
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