王洪章，劉鵬，董樹亭，張吉旺，趙斌，任佰朝

?

夏玉米產量與光溫生產效率差異分析——以山東省為例

王洪章，劉鵬，董樹亭，張吉旺，趙斌，任佰朝

（山東農業(yè)大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

【目的】研究夏玉米各產量層次之間的物質生產及資源利用能力，量化山東省夏玉米籽粒產量與光、溫資源利用效率的差異，明確農業(yè)生產條件和栽培措施對產量差及效率差的貢獻率，探討產量差、效率差協同縮減的可能性，為縮小夏玉米產量差距、提升資源利用效率提供理論依據?！痉椒ā勘驹囼炗?017—2018年在山東省泰安、淄博和煙臺3市進行，針對山東夏玉米生產調研出的問題，在同一地塊采用綜合管理模式，從合理密植、優(yōu)化肥水、增產增效的角度設計了4種管理模式，模擬超高產水平（SH）、高產高效水平（HH）、農戶水平（FP）和基礎產量水平（CK）4個產量層次，定量分析不同產量層次之間的產量差及光溫資源生產效率差。結合光溫生產潛力分析和作物產量性能分析，探究產量差和效率差的影響因素及縮差增效途徑?！窘Y果】當前山東省夏玉米光溫潛力與超高產水平、超高產水平與高產高效水平、高產高效水平與農戶生產水平、農戶生產水平與基礎產量水平之間的產量差分別為5.85、0.82、1.90、1.35t·hm-2，光能生產效率差分別為1.74、0.15、0.28、0.45 g·MJ-1，溫度生產效率差分別為1.09、0.10、0.17、0.28 kg·hm-2·℃-1；當前不可控因素對產量差和光、溫生產效率差的貢獻率分別為58.49%和66.09%，可控因素對產量差和光、溫生產效率差的貢獻率分別為41.51%和33.91%，地域差異因素對產量差、光能生產效率差和溫度生產效率差的貢獻率分別為1.98%、2.49%和3.24%；產量差與光溫資源生產效率差之間有顯著相關性；SH和HH處理較FP處理和CK有較高的地上部生物量、生育期平均葉面積指數（MLAI）和冠層光能截獲率?！窘Y論】當前山東省夏玉米農戶生產水平與光溫潛力水平之間的產量差、光能生產效率差、溫度生產效率差分別為8.56 t·hm-2、2.17 g·MJ-1、1.35 kg·hm-2·℃-1，產量與光、溫資源利用效率仍有較大的提升空間。玉米籽粒產量差和光、溫資源利用效率差顯著相關，在現有農戶管理措施的基礎上，應用高產高效管理模式（種植密度增加1.5×104株·hm-2，適當增加施肥量，將一次性施肥改為于播種期、大喇叭口期、開花期和乳熟期采用水肥一體化方式分次施肥）能夠縮小產量差距1.90 t·hm-2，提高光、溫資源生產效率14.74%和14.41%，是協同縮差增效的有效技術途徑。

夏玉米；產量；光溫生產效率；差距

0 引言

【研究意義】“產量差”的研究工作自1974年由國際水稻研究所（IRRI）開展后，逐漸成為作物研究的重要領域[1-2]。黃淮海區(qū)域作為我國玉米的優(yōu)勢產區(qū)，種植面積和總產量分別占全國玉米的32.7%和35.0%，在保證國家糧食安全上具有重要意義。該區(qū)域光溫資源豐富，夏玉米光溫生產潛力產量達到了31.15 t·hm-2，遠高于其他夏玉米產區(qū)[3]。2005年，李登海曾創(chuàng)造了21.10 t·hm-2的中國夏玉米高產紀錄；2015年德州大面積高產田也達到了12.03 t·hm-2的產量水平。而2016年山東省夏玉米平均產量只有6.44 t·hm-2，與光溫潛力產量、高產紀錄產量、大面積高產高效產量仍有24.71、14.66、5.59 t·hm-2的產量差距?！厩叭搜芯窟M展】由于當前眾多不合理的因素，黃淮海夏玉米區(qū)存在較大產量差的同時，資源利用效率差距也較大。光、溫生產效率是衡量產量及資源利用率的重要標準，當前實際生產中光能利用率只有1%—2%，遠低于作物理論最大光能利用率5%—6%[4]。在目前作物葉面積指數和收獲指數難以繼續(xù)增加的情況下，若想進一步提高作物產量就必須提高生物量，提升作物光能利用率成為關鍵[5]。產量差、資源利用效率差的研究為探尋產量限制因子，縮小產量差、資源利用效率差，進而提高農戶產量提供了很好的技術支持[6]。如何確認差距限制因素，有效降低限制程度成為人們的關注點[7]。當前根據研究目標和尺度大致可將限制因素分為氣候因素、品種和栽培措施因素、土壤因素、社會因素等幾個方面。其中光照和溫度通過影響作物的生長環(huán)境進而影響作物的物質生產[8]。氣象因子對產量差的貢獻率約為8%，在農業(yè)生產上屬于不可控因素[9]。但可以通過選擇優(yōu)良品種、確定合理密度、優(yōu)化施肥等栽培措施來構建高光效群體，進而縮減產量差距和效率差距[10]?！颈狙芯壳腥朦c】前人從選用優(yōu)良品種[11]、增加種植密度[12]、優(yōu)化肥水管理措施[13]、完熟期收獲[14]和生態(tài)環(huán)境[15]等多方面探明了上述因素提高夏玉米產量和資源利用效率3%—40%，但在實際生產中尚有47%的增產潛力有待進一步挖掘[6]。此外，當前產量差、效率差協同縮減的可行性缺乏理論支持，不同因素對于產量差、效率差的貢獻率鮮有定量。因此，通過量化夏玉米不同產量層次之間的產量差、效率差，及明確二者之間的關系，探明產量差、效率差的縮減途徑，對于提高產量與資源利用效率具有重大意義。【擬解決的關鍵問題】本研究在同一地塊根據國際常用的綜合管理模式，在當前常見的農戶生產和超高產生產模式以外，針對黃淮海夏玉米生產調研出的問題，從合理密植、優(yōu)化肥水、增產增效的角度設計了高產高效綜合管理方案，利用作物產量性能分析方法，結合光溫生產潛力分析，量化山東省夏玉米產量與資源利用效率的差異，明確農業(yè)生產條件和栽培方式對產量差及效率差的貢獻率，探討產量差、效率差協同縮減的可能性，以期為縮小夏玉米產量差距、提升資源利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2018年在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鎮(zhèn)（35°58′41″N，116°58′22″E，海拔85 m）、淄博市桓臺縣果里鎮(zhèn)（36°24′15″N，118°0′7″E，海拔24 m）和煙臺市萊州市西由鎮(zhèn)（37°21′10″N，119°57′5″E，海拔6 m）進行。3處試驗點均地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，試驗期間具體溫度、輻射及降雨量詳見圖1。作物種植體系為冬小麥/夏玉米一年兩熟，于小麥收獲后深耕（25 cm）滅茬，耙耱整平，播種。室內試驗在山東農業(yè)大學作物生物學國家重點實驗室進行。

1.2 試驗設計

本試驗供試品種為登海605，在同一地塊結合密度和肥水管理設置超高產、高產高效、農戶和基礎產量4種管理模式，分別模擬超高產水平（SH）、高產高效水平（HH）、農戶水平（FP）和基礎產量水平（CK）4個產量層次，試驗具體種植密度和肥料運籌詳見表1。所用氮肥為包膜緩控尿素（PU，含N 42%）和普通尿素（U，含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O 51%），有機肥料為山東友邦肥業(yè)科技有限公司生產的商品有機肥（含有機碳（干基）304 g·kg-1、P2O531.2 g·kg-1、K2O30.4 g·kg-1、C/N 為11.2），具體用量依其含量計算。試驗為隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積300 m2，3次重復。各試驗區(qū)之間設立1.5 m的緩沖區(qū)。生長期根據土壤墑情采用微噴帶統一灌溉，遇澇及時排水。按正常田間管理進行良好的病蟲害防治。試驗期間具體生育進程詳見表2。

表1 各處理種植密度及肥料運籌

圖1 試驗期間泰安、淄博和煙臺的降水量、平均溫度和太陽輻射

表2 試驗點夏玉米生育進程

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生態(tài)資源測定與計算 氣象數據取自當地氣象局，根據生育階段的光照時數和平均溫度計算輻射量和活動積溫?？傒椛溆扇照諘r數數據根據?ngstr?m-Prescott公式[16]計算；參考嚴定春等[17]的方法計算≥10℃的有效積溫。

1.3.2 光合有效輻射強度（PAR）的測定 采用SUNSCAN冠層分析儀（Delta-T，英國）分別于大喇叭口期（V12）、開花期（VT）、灌漿期（R2）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）選擇晴朗無云的天氣，于10：00—13：00測定冠層內的PAR。為消除時間誤差，每次均采取往返測定法，分別測定冠層上方20 cm處的入射PAR（I0）和冠層底部（地表處）的PAR（I）。光能截獲率（RIE）按照RIE=(I0-I)/I0×100%計算。生育期平均光能截獲率RIEave取上述測定時期的平均值。某一階段的截獲量（IPRA）按照IPAR=PAR× RIEave計算。

1.3.3 地上部生物量的測定 每個處理在VT和成熟期（R6）期選取長勢一致的植株5株，按莖稈、葉片、籽粒、雄穗、苞葉、穗軸器官分開，于烘箱105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，稱量各部分干重，并計算群體干物質積累量。

1.3.4 各產量層次產量的測定及產量差的計算 光溫生產潛力產量（YRT）和光溫生產潛力生物量（BRT）根據經驗模型，參照賴榮生等[18]提出的修訂參數計算得到。

于成熟期每個處理內隨機選取3個9 m2（5 m×1.8 m）小區(qū)果穗全部收獲，進行考種，并計算產量。分別得到超高產水平產量（YSH）、高產高效水平產量（YHH）、農戶水平產量（YFP）和基礎產量水平產量（YCK）用于產量差（YG）的計算。

試驗點產量差（YGs）=YFPmax-YFP；

產量差Ⅰ（YGⅠ）=YRT-YSH；

產量差Ⅱ（YGⅡ）=YSH-YHH；

產量差Ⅲ（YGⅢ）=YHH-YFP；

產量差Ⅳ（YGⅣ）=YFP-YCK；

總產量差（YGt）=YRT-YCK。

1.3.5 各產量層次光、溫生產效率及效率差的計算 根據光能生產效率（g·MJ-1）=生育期地上部生物產量（t·hm-2）/單位面積的太陽輻射截獲總量（MJ·m-2）×102；溫度生產效率（kg·hm-2·℃-1）=單位面積地上部生物產量（t·hm-2）/生育期間有效積溫（℃）×103計算，分別得到潛在光能生產效率（RERT）、超高產水平光能生產效率（RESH）、高產高效光能生產效率（REHH）、農戶水平光能生產效率（REFP）、基礎產量水平光能生產效率（RECK）和潛在溫度生產效率（TERT）、超高產水平溫度生產效率（TESH）、高產高效溫度生產效率（TEHH）、農戶水平溫度生產效率（TEFP）、基礎產量水平溫度生產效率（TECK），用于光能生產效率差和溫度生產效率差的計算。

試驗點光能生產效率差（REGs）=REFPmax-REFP；

光能生產效率差Ⅰ（REGⅠ）=RERT-RESH；

光能生產效率差Ⅱ（REGⅡ）=RESH-REHH；

光能生產效率差Ⅲ（REGⅢ）=REHH-REFP；

光能生產效率差Ⅳ（REGⅣ）=REFP-RECK；

光能生產總效率差（REGt）=RERT-RECK。

試驗點溫度生產效率差（TEGs）=TEFPmax-TEFP；

溫度生產效率差Ⅰ（TEGⅠ）=TERT-TESH；

溫度生產效率差Ⅱ（TEGⅡ）=TESH-TEHH；

溫度生產效率差Ⅲ（TEGⅢ）=TEHH-TEFP；

溫度生產效率差Ⅳ（TEGⅣ）=TEFP-TECK；

溫度生產總效率差（TEGt）=TERT-TECK。

1.3.6 各因素對產量差及光溫資源生產效率差貢獻率的計算 本研究中，當前不可控因素包括積溫、輻射、降雨等生態(tài)資源因素和高溫、干旱、陰雨寡照等環(huán)境逆境等人為不可改變的氣象因子；可控因素包括能夠改變土壤結構和群體特征，進而影響夏玉米生產性能的措施，包括肥料投入、田間管理、農藝水平等。

地域差異因素對產量差的貢獻率（%）=YGs/YGt× 100；

當前不可控因素對產量差的貢獻率（%）=YGⅠ/YGt×100；

大量資源投入對產量差的貢獻率（%）=YGⅡ/YGt×100；

優(yōu)化栽培措施對產量差的貢獻率（%）=YGⅢ/YGt×100；

當前農藝水平對產量差的貢獻率（%）=YGIV/ YGt×100。

地域差異因素對效率差的貢獻率（%）=EGs/ EGt×100；

當前不可控因素對效率差的貢獻率（%）=EGⅠ/EGt×100；

大量資源投入對效率差的貢獻率（%）=EGⅡ/EGt×100；

優(yōu)化栽培措施對效率差的貢獻率（%）=EGⅢ/EGt×100；

當前農藝水平對效率差的貢獻率（%）=EGIV/ EGt×100。

1.3.7 作物產量性能分析 分別于V12、VT、R2、R3和R5期選取長勢一致的5株植株，定株測定5次葉面積，并參照張賓等[19]方法計算產量性能，求出玉米的全生育期平均葉面積系數（MLAI）和平均凈同化率（MNAR）。Y=MLAI×D×MNAR×HI，式中，MLAI為全生育期平均葉面積系數，D為生育期天數，MNAR為平均凈同化率，HI為收獲指數，Y為產量。

1.4 數據分析與作圖

采用Microsoft Excel 2016進行數據處理；采用DPS 16.05進行數據統計分析，以LSD法檢驗差異顯著性（α=0.05）；采用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結果

2.1 不同產量層次夏玉米群體生物量的差異

不同產量層次夏玉米地上部生物積累量差異顯著，總體趨勢為SH＞HH＞FP＞CK（圖2）。2017年，三試驗點SH、HH、FP處理的花前干物質積累量較CK分別提高了39.69%、35.88%、28.40%（泰安），46.74%、42.64%、27.92%（淄博）和45.84%、42.51%、25.26%（煙臺）；花后干物質積累量較CK分別提高了83.77%、60.69%、39.54%（泰安），64.90%、54.02%、28.28%（淄博）和75.00%、61.10%、36.93%（煙臺）；總干物質積累量較CK分別提高了64.90%、50.07%、34.77%（泰安），57.61%、49.45%、28.14%（淄博）和63.14%、53.54%、32.18%（煙臺）。2018年，三試驗點SH、HH、FP處理的花前干物質積累量較CK分別提高了43.32%、40.67%、30.26%（泰安），34.35%、24.93%、17.59%（淄博）和27.07%、18.13%、13.01%（煙臺）；花后干物質積累量較CK分別提高了74.02%、64.80%、33.60%（泰安），76.72%、63.61%、36.50%（淄博）和82.97%、66.51%、42.92%（煙臺）；總干物質積累量較CK分別提高了61.38%、54.86%、32.22%（泰安），58.03%、46.55%、28.16%（淄博）和56.87%、43.93%、28.96%（煙臺）。

圖2 不同產量層次夏玉米地上部生物量的差異

隨產量水平的提升，花后干物質積累量占總干物質積累量的比例逐漸增大。2017年，三試驗點SH、HH、FP處理的花后干物質積累量占總干物質積累量的比例較CK分別提高了11.44%、7.08%、3.54%（泰安），4.63%、3.06%、0.11%（淄博）和7.27%、4.92%、3.59%（煙臺）；2018年分別提高了7.83%、6.42%、1.04%（泰安），11.83%、11.64%、6.51%（淄博）和16.64%、15.69%、10.83%（煙臺）。

2.2 不同產量層次夏玉米產量及產量差的定量

山東省平均光溫生產潛力為18.12 t·hm-2，SH、HH、FP處理和CK分別實現了YRT的67.72%、63.19%、52.76%和45.31%，YCK與YRT之間產量差距達到了9.91 t·hm-2，是YRT的54.69%（表3）。5個產量層次之間的產量差分別為5.86、0.82、1.90和1.35 t·hm-2，表現為YGI＞YGIII＞YGIV＞YGII。2017年淄博和煙臺的FP處理較泰安分別存在0.17 t·hm-2和0.12 t·hm-2的產量差距，2018年，泰安和淄博的FP處理較煙臺分別存在0.81 t·hm-2和0.15 t·hm-2的產量差距，說明地域之間同樣存在產量差。

2.3 不同產量層次夏玉米光合性能參數的差異

4個產量層次的MLAI差異顯著（＜0.05），均表現為SH＞HH＞FP＞CK（表4）。2017年三試驗點SH、HH、FP處理的MLAI較CK分別提高了48.79%、41.53%、20.97%（泰安），54.22%、48.59%、20.48%（淄博）和39.86%、24.56%、17.79%（煙臺）；2018年分別提高了41.06%、33.33%、22.36%（泰安），51.61%、42.34%、20.56%（淄博）和48.92%、38.10%、23.81%（煙臺）。與MLAI表現不同，SH和HH處理的MNAR顯著低于FP和CK處理（＜0.05）。2017年泰安、淄博和煙臺試驗點SH、HH處理的MLAI較FP處理分別降低了20.17%、19.12%，2.67%、3.83%和16.12%、12.16%；2018年分別降低了12.15%、11.51%，2.05%、2.05%和17.70%、17.22%。較CK在2017年分別降低了20.73%、19.79%，11.65%、12.71%和23.58%、19.97%；在2018年分別降低了9.13%、8.47%，5.30%、5.30%和8.34%、7.80%。HI在各產量層次之間無明顯差異（＞0.05）。由此可見，SH和HH處理具有較高籽粒產量的主要原因在于其生育期具有較大的MLAI，而FP和CK處理雖然具有較高的MNAR，但仍無法抵消其MLAI大幅降低帶來的損失。

表3 不同產量層次夏玉米籽粒產量及各級產量差

表4 不同產量層次夏玉米光合性能參數的差異

MLAI：平均葉面積指數；MNAR：平均凈同化率；D：生育期天數；HI：收獲指數。同列數據后不同小寫字母表示處理間差異達0.05顯著水平

MLAI: Mean leaf area index; MANR: Mean net assimilation rate; D: Total days; HI:Harvest index. Values followed by different letters in a column are significantly different between treatments at 0.05 level

2.4 不同產量層次夏玉米冠層光能截獲的差異

由圖3可見，隨著生育進程的推進，夏玉米群體的光能截獲率表現出先升高后降低的趨勢，在VT期達到峰值。全生育期中，SH、HH和FP處理的光能截獲率較CK分別提高16.18%、15.01%和5.31%。且自乳熟期差異進一步增大，R5期CK的光能截獲率只有SH、HH和FP處理的63.08%、67.34%和82.75%，導致生育后期4個產量層次之間平均光能截獲率差異顯著（＜0.05）。表明SH和HH栽培模式能夠在全生育期，尤其是生育后期保持較高的光合有效輻射截獲率，進而使得夏玉米群體獲得更高的光能截獲量。

圖3 不同產量層次夏玉米光能截獲率的差異

2.5 不同產量層次夏玉米光溫資源生產效率及效率差定量

不同產量層次的光、溫生產效率之間差異顯著，山東省夏玉米理論光照和溫度生產效率分別為4.07 g·MJ-1和2.53 kg·hm-2·℃-1，SH、HH、FP、CK分別實現了潛在光能生產效率和潛在溫度生產效率的57.23%、53.47%、46.66%、35.70%和57.07%、53.31%、46.54%、35.61%（表5—6）。各級效率差之間表現為EGI＞EGIV＞EGIII＞EGII。淄博光能生產效率高于泰安和煙臺試驗點，煙臺溫度生產效率高于泰安和淄博試驗點，說明地域之間存在效率差距。

2.6 各因素對產量差的貢獻率

3個試驗點各因素貢獻率差異趨勢一致，總體表現為當前不可控因素＞可控因素＞地域差異因素，貢獻率分別為58.49%、41.51%和1.98%。當前各可控因素貢獻率表現為優(yōu)化栽培措施＞當前農藝水平＞大量資源投入，貢獻率分別占當前可控因素的46.94%、33.86%和19.20%（表7）。

表5 不同產量層次夏玉米光能生產效率和效率差距

表6 不同產量層次夏玉米溫度生產效率和效率差距

表7 各因素對于產量差的貢獻率

2.7 各因素對效率差的貢獻率

當前不可控因素、可控因素和地域差異因素對于光、溫資源利用效率差異的貢獻率與對產量差的貢獻率趨勢一致，三因素貢獻率分別為66.09%、33.91%和2.49%、3.24%。在可控因素當中，大量資源投入、優(yōu)化栽培措施和當前農藝水平對效率差的貢獻率與對產量差的貢獻率趨勢有所不同，表現為當前農藝水平＞優(yōu)化栽培措施＞大量資源投入，分別占當前可控因素的50.91%、31.76%、17.33%（表8）。

2.8 夏玉米產量差與效率差相關性分析

由圖4可見，當前夏玉米不同產量層次之間產量差與光、溫資源生產效率差均呈正相關關系，符合一元線性方程，隨著產量差的縮減，光、溫資源生產效率差同樣會進一步縮減。

表8 各因素對于光、溫資源生產效率差的貢獻率

圖4 山東省夏玉米產量差與光溫資源生產效率差的關系

3 討論

在農業(yè)用地日益緊張、國際競爭形勢嚴峻的大背景下，為保證未來的糧食安全，作物產量的提高取決于縮小產量差的能力[6]。光能和溫度是作物生產的原始驅動力[20]，如何高效利用是當前作物產量差研究的重點。當前產量差縮減的限制因素并不是光、溫資源不足，而是利用效率低[5]。前人研究認為，當前農戶生產水平與區(qū)域試驗之間的產量差為4.5 t·hm-2，實現了潛力產量的48.2%，仍有45%—70%的提升空間[21-23]?，F有產量差是由多方面原因造成的，氣候因素對于產量差的貢獻率為31.5%，光照、氣溫是造成產量差異的主要因子[24-25]；優(yōu)良品種及栽培措施對于產量差的貢獻率為48%—72%[26]。在實際生產中，短時間內難以消除現有產量與模擬潛在產量之間的產量差距，但消除農戶與區(qū)域試驗之間的產量差距則是現實可行的[27]。本試驗研究發(fā)現，當前山東省農戶生產水平與超高產水平之間的產量差、光能、溫度利用效率差分別為2.72 t·hm-2、0.43 g·MJ-1、0.27 kg·hm-2·℃-1；與高產高效水平之間的產量差、光能、溫度利用效率差為1.90 t·hm-2、0.28 g·MJ-1、0.17 kg·hm-2·℃-1。當前可控因素對于產量差和光、溫資源生產效率差的貢獻率分別達到了41.51%和33.91%，這部分產量差距可通過現有條件的改善進一步縮減。其中優(yōu)化栽培措施對產量差的貢獻率為19.48%，居當前可控因素的首位；對光、溫資源生產效率差的貢獻率為10.77%，占當前可控因素的第二位。由此可見，通過適度增加種植密度和合理肥料運籌結合，來優(yōu)化現有的栽培措施，是大幅縮減產量差距跟效率差距的正確方向。按當前山東省夏玉米種植面積計算，消除FP與HH之間的這部分差距可提升光、溫生產效率10%以上，全省可增加玉米產量6.3×106t。

小農戶種植作為我國的主要農業(yè)經營模式[28]，農戶當前的農藝水平受其文化水平、收入水平等的影響，同時糧食價格、生產成本及農技推廣都影響農戶生產上的成本投入及生產效率高低[29]。本研究發(fā)現，當前農藝水平對產量差的貢獻率為14.05%，對光、溫資源生產效率差的貢獻率為17.27%。這部分差距主要是當前從事玉米生產的農戶管理水平決定的。運用國家宏觀調控及農業(yè)技術推廣提升當前農戶生產水平可縮減0.45 g·MJ-1的光能生產效率差距和0.28 kg·hm-2·℃-1的溫度生產效率差距，縮小產量差距1.35 t·hm-2。通過不計成本的資源投入可進一步縮小產量差距0.82 t·hm-2，但伴隨著過量的肥料施用，成本以及環(huán)境代價必定隨之升高，這在當前可控因素中占比最低，實現效益也會最差。除此以外，區(qū)域環(huán)境差異對于產量差的貢獻率為1.98%，對光、溫生產效率差的貢獻率為2.49%和3.24%，消除這部分差距對區(qū)域尺度上全面增產增效具有重要意義。而當前生產中不可控因素對于產量差、光能和溫度生產效率差的貢獻率分別為58.49%和66.09%，由此形成了5.85 t·hm-2的產量差距、1.74 g·MJ-1的光能生產效率差距和1.09 kg·hm-2·℃-1的溫度生產效率差距。這以現有的品種和技術無法對其產生影響，消除這部分差距是未來社會各界共同努力的方向。

作物產量的形成有上述眾多的影響因素，光能利用是關鍵[30]。作物光能利用率是由群體對光能的截獲量和截獲光能的轉化率兩方面決定的[31]。夏玉米本身就具有高光效的特點[32]，因此提升玉米群體的光能截獲量是提高玉米光能利用率進而增加產量的根本途徑[33]。當前高產田多是高投入、高產量、低效率的生產模式，高產夏玉米群體為提高光溫利用率，往往通過大量的肥水投入，爭取更大的群體葉面積，以此獲取更大的光能截獲[34-35]。本試驗研究發(fā)現，產量差與光溫資源利用效率差呈顯著正相關，說明兩者之間有較強的關聯性，在縮小產量差的同時可以實現產量與光溫資源利用效率協同提升。本研究中通過優(yōu)化栽培模式構建的高產高效（HH）夏玉米群體全生育期的MLAI較FP處理增加了21.9%，這使得HH較FP處理的光能截獲率增加9.3%，溫度利用效率提高14.4%。這是HH模式能夠縮減產量差距19.48%，光、溫生產效率差距縮減10.77%的根本原因。同時HH模式相對于超高產（SH）模式降低化肥施用量30%，減輕環(huán)境壓力的同時節(jié)約了生產成本，是一種綠色高效的高產農業(yè)生產模式，是實現協同縮差增效的合理生產方式。

4 結論

當前山東省夏玉米農戶生產水平與光溫潛力水平之間的產量差、光能生產效率差、溫度生產效率差分別為8.56 t·hm-2、2.17 g·MJ-1、1.35 kg·hm-2·℃-1，產量與光、溫資源利用效率仍有較大的提升空間。玉米籽粒產量差和光、溫資源利用效率差顯著相關，在現有農戶管理措施的基礎上，應用高產高效管理模式（種植密度增加1.5×104株/hm2，適當增加施肥量，將一次性施肥改為于播種期、大喇叭口期、開花期和乳熟期采用水肥一體化方式分次施肥）能夠縮小產量差距1.90 t·hm-2，提高光、溫資源生產效率14.74%和14.41%，是協同縮差增效的有效技術途徑。

[1] Lobell D B, Cassman K G, Field C B. Crop yield gaps: Their importance, magnitudes, and causes., 2009, 34(1): 179-204.

[2] 楊曉光, 劉志娟. 作物產量差研究進展. 中國農業(yè)科學, 2014, 47(14): 2731-2741.

YANG X G, LIU Z J. Advances in research on crop yield gaps., 2014, 47(14): 2731-2741. (in Chinese)

[3] 李少昆, 王崇桃. 玉米高產潛力·途徑. 北京: 科學出版社, 2010.

LI S K, WANG C T.. Beijing: Science Press, 2010. (in Chinese)

[4] Loomis R S, Williams W A. Maximum crop productivity: An extimate., 1963, 3(1): 67-72.

[5] 程建峰, 沈允鋼. 作物高光效之管見. 作物學報, 2010, 36(8): 1235-1247.

CHENG J F, SHEN Y G. My humble opinions on high photosynthetic efficiency of crop., 2010, 36(8): 1235-1247. (in Chinese)

[6] 劉?；? 陳新平, 崔振嶺, 孟慶鋒, 趙明. 三大糧食作物產量潛力與產量差研究進展. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2015, 23(5): 525-534.

LIU B H, CHEN X P, CUI Z L, MENG Q F, ZHAO M. Research advance in yield potential and yield gap of three major cereal crops., 2015, 23(5): 525-534. (in Chinese)

[7] 王曉煜, 楊曉光, 呂碩, 陳阜. 全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅻ. 氣候變暖對黑龍江寒地水稻安全種植區(qū)域和冷害風險的影響. 中國農業(yè)科學, 2016, 49(10): 1859-1871.

WANG X Y, YANG X G, Lü S, CHEN F. The possible effects of global warming on cropping systems in China Ⅻ. The possible effects of climate warming on geographical shift in safe planting area of rice in cold areas and the risk analysis of chilling damage., 2016, 49(10): 1859-1871. (in Chinese)

[8] Ramankutty N, Foley J A, Norman J, McSweeney K. The global distribution of cultivable lands: current patterns and sensitivity to possible climate change., 2002, 11(5): 377-392.

[9] Liu Z J, Yang X G, Lin X M, Hubbard K G, Lv S, Wang J. Maize yield gaps caused by non-controllable, agronomic, and socioeconomic factors in a changing climate of Northeast China., 2016, 541: 756-764.

[10] Foley J A, Ramankutty N, Brauman K A, Cassidy E S, Gerber G S, Johnston M, Mueller N D, O’Connell C, Ray D K, West P C, Balzer C, Bennett E M, Carpenter S R, Hill J, Monfreda C, Polasky S, Rockstr?m J, Sheehan J, Siebert S, Tilman D, Zaks D P M. Solutions for a cultivated planet., 2011, 478(7369): 337-342.

[11] 劉志娟, 楊曉光, 呂碩, 王靜, LIN X M. 東北三省春玉米產量差時空分布特征. 中國農業(yè)科學, 2017, 50(9): 1606-1616.

LIU Z J, YANG X G, Lü S, WANG J, LIN X M. Spatial-temporal variations of yield gaps of spring maize in northeast China., 2017, 50(9): 1606-1616. (in Chinese)

[12] 徐宗貴, 孫磊, 王浩, 王淑蘭, 王小利, 李軍. 種植密度對旱地不同株型春玉米品種光合特性與產量的影響. 中國農業(yè)科學, 2017, 50(13): 2463-2475.

XU Z G, SUN L, WANG H, WANG S L, WANG X L, LI J. Effects of different planting densities on photosynthetic characteristics and yield of different variety types of spring maize on dryland., 2017, 50(13): 2463-2475. (in Chinese)

[13] 劉恩科, 趙秉強, 胡昌浩, 李秀英, 李燕婷. 長期施氮、磷、鉀化肥對玉米產量及土壤肥力的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2007, 13(5): 789-794.

LIU E K, ZHAO B Q, HU C H, LI X Y, LI Y T. Effects of long-term nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer applications on maize yield and soil fertility., 2007, 13(5): 789-794. (in Chinese)

[14] 張萬旭, 明博, 王克如, 劉朝巍, 侯鵬, 陳江魯, 張國強, 楊京京, 車淑玲, 謝瑞芝, 李少昆. 基于品種熟期和籽粒脫水特性的機收粒玉米適宜播期與收獲期分析. 中國農業(yè)科學, 2018, 51(10): 1890-1898.

ZHANG W X, MING B, WANG K R, LIU C W, HOU P, CHEN J L, ZHANG G Q, YANG J J, CHE S L, XIE R Z, LI S K. Analysis of sowing and harvesting allocation of maize based on cultivar maturity and grain dehydration characteristics., 2018, 51(10): 1890-1898. (in Chinese)

[15] 鄭洪建, 董樹亭, 王空軍, 郭玉秋, 胡昌浩, 張吉旺. 生態(tài)因素對玉米品種產量影響及調控的研究. 作物學報, 2001, 27(6): 862-868.

ZHENG H J, DONG S T, WANG K J, GUO Y Q, HU C H, ZHANG J W. Effects of ecological factors on maize (L.) yield of different varieties and corresponding regulative measure., 2001, 27(6): 862-868. (in Chinese)

[16] Angstrom A. Solar and terrestrial radiation., 1924, 50: 121-125.

[17] Yan D, Zhu Y, Cao W. A knowledge model for selection of suitable variety in rice production., 2004, 27(4): 20-25.

[18] 賴榮生, 余海龍, 黃菊瑩. 作物氣候生產潛力計算模型研究述評. 江蘇農業(yè)科學, 2014, 42(5): 11-14.

LAI R S, YU H L, HUANG J Y. Review on the calculation model of crop climate production potential., 2014, 42(5): 11-14. (in Chinese)

[19] 張賓, 趙明, 董志強, 陳傳永, 孫銳. 作物產量“三合結構”定量表達及高產分析. 作物學報, 2007, 33(10): 1674-1681.

ZHANG B, ZHAO M, DONG Z Q, CHEN C Y, SUN R. “Three Combination Structure” quantitative expression and high yield analysis in crops., 2007, 33(10): 1674-1681. (in Chinese)

[20] 許大全. 光合速率, 光合效率與作物產量. 生物學通報, 1999(8): 8-10.

XU D Q. Photosynthetic rate, photosynthetic efficiency with crop yield., 1999(8): 8-10. (in Chinese)

[21] Meng Q F, Hou P, Wu L, CHEN X P, CUI Z L, ZHANG F S. Understanding production potentials and yield gaps in intensive maize production in China., 2013, 143(S): 91-97.

[22] Mueller N D, Gerber J S, Johnston M, Ray D K, Ramankutty N, Foley J A. Corrigendum: Closing yield gaps through nutrient and water management., 2013, 494(7437): 390-390.

[23] 范蘭, 呂昌河, 于伯華, 王濤. 華北平原小麥-玉米兩作生產潛力與產量差. 中國農學通報, 2016, 32(9): 33-40.

FAN L, Lü C H, YU B H, WANG T. Yield potential and yield gap of wheat-maize cropping system in the North China Plain., 2016, 32(9): 33-40. (in Chinese)

[24] 孫宏勇, 張喜英, 陳素英, 王彥梅, 邵立威, 高麗娜. 氣象因子變化對華北平原夏玉米產量的影響. 中國農業(yè)氣象, 2009, 30(2): 215-218.

SUN H Y, ZHANG X Y, CHEN S Y, WANG Y M, SHAO L W, GAO L N. Effect of meteorological factors on grain yield of summer maize in the North China Plain., 2009, 30(2): 215-218. (in Chinese)

[25] 劉淑云, 董樹亭, 胡昌浩, 白萍, 呂新. 玉米產量和品質與生態(tài)環(huán)境的關系. 作物學報, 2005, 31(5): 571-576.

LIU S Y, DONG S T, HU C H, BAI P, Lü X. Relationship between ecological environment and maize yield and quality., 2005, 31(5): 571-576. (in Chinese)

[26] 劉偉, 呂鵬, 蘇凱, 楊今勝, 張吉旺, 董樹亭, 劉鵬, 孫慶泉. 種植密度對夏玉米產量和源庫特性的影響. 應用生態(tài)學報, 2010, 21(7): 1737-1743.

LIU W, Lü P, SU K, YANG J S, ZHANG J W, DONG S T, LIU P, SUN Q Q. Effects of planting density on the grain yield and source-sink characteristics of summer maize., 2010, 21(7): 1737-1743. (in Chinese)

[27] 趙鵬飛. 小麥/玉米輪作體系農戶產量差定量及其縮減途徑[D]. 北京: 中國農業(yè)大學, 2016.

ZHAO P F. Quantifying and closing yield gaps for winter wheat and summer maize rotation in smallholder farming system[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016. (in Chinese)

[28] Zhang W, Cao G, Li X, Zhang H Y, Wang C, Liu Q Q, Chen X P, Cui Z L, Shen J B, Jiang R F, Mi G H, Miao Y X, Zhang F S, Dou Z X. Closing yield gaps in China by empowering smallholder farmers., 2016, 537(7622): 671-674.

[29] Shen J B, Cui Z L, Miao Y X, MI G H, ZHANG H Y, FAN M S, ZHANG C C, JIANG R F, ZHANG W F, LI H G, CHEN X P, LI X L, ZHANG F S. Transforming agriculture in China: From solely high yield to both high yield and high resource use efficiency., 2013, 2(1): 1-8.

[30] 崔曉朋, 郭家選, 劉秀位, 張喜英, 孫宏勇. 不同種植模式對夏玉米光能利用率和產量的影響. 華北農學報, 2013, 28(5): 231-238.

CUI X P, GUO J X, LIU X W, ZHANG X Y, SUN H Y. Effect of different planting patterns on radiation use efficiency and yield of summer maize., 2013, 28(5): 231-238. (in Chinese)

[31] 盧其堯. 我國水稻生產光溫潛力的探討. 農業(yè)氣象, 1980(1): 1-12.

LU Q Y. Discussion on the potential of light and temperature in rice production in China., 1980(1): 1-12. (in Chinese)

[32] Sun H Y, Zhang X Y, Chen S Y, PEI D, LIU C M. Effects of harvest and sowing time on the performance of the rotation of winter wheat–summer maize in the North China Plain., 2007, 25(3): 239-247.

[33] Tollenaar R A E M, Lee E. Yield potential, yield stability and stress tolerance in maize., 2002, 75(2): 161-169.

[34] 許靖, 劉淑萍, 孫志梅, 靳小利, 彭正萍, 張闊, 沙曉晴. 不同產量水平的玉米田養(yǎng)分利用效應比較. 中國土壤與肥料, 2011(4): 30-34.

XU J, LIU S P, SUN Z M, JIN X L, PENG Z P, ZHANG K, SHA X Q. Comparison of nutrient use efficiency in maize field of different yields levels., 2011(4): 30-34. (in Chinese)

[35] 謝瑞芝, 李潮海, 周蘇玫, 張根峰. 超高產夏玉米生長機制研究. 河南農業(yè)大學學報, 1999, 33(1): 11-16.

XIE R Z, LI C H, ZHOU S M, ZHANG G F. Study on growth mechanism of super-high yield summer maize., 1999, 33(1): 11-16. (in Chinese)

Analysis of Gap between Yield and Radiation Production Efficiency and Temperature Production Efficiency in Summer Maize: Taking Shandong Province as an example

WANG Hongzhang, LIU Peng, DONG ShuTing, ZHANG JiWang, ZHAO Bin, REN Baizhao

(College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shandong)

【Objective】 In the present study, the biomass production and resource availability among yield levels were studied to quantify the gap of yield, radiation production efficiency and temperature production efficiency of summer maize in Shandong province. This study aimed to clarify the contribution rate of agricultural production conditions and cultivation measures to yield gap and efficiency gap, and to explore the possibility of synergistic narrow the yield gap and efficiency gap, so as to provide a theoretical basis for closing yield gap and improving resource utilization efficiency. 【Method】The experiment was conducted in Taian, Zibo and Yantai in Shandong province from 2017 to 2018. Based on the investigation of summer maize production in Shandong province, four management models were designed in consideration of appropriate increase of plant density, optimization of fertilizer and water, increase of yield and efficiency with the same integrated management. The four yield levels, including super high yield (SH), high yield and high efficiency (HH), farmer level (FP) and basic production level (CK), were simulated. And the gap of yield, radiation production efficiency and temperature production efficiency of different yield levels were analyzed. With the integrative analysis of radiation-temperature production potential and crop yield performance, the factors affecting gap of yield and efficiency and the way closing yield gap and increasing efficiency were explored in the present study. 【Result】At present, the yield gap between radiation temperature potential level and super high yield level, super high yield level and high yield high efficiency level, high yield and high efficiency level and farmer production level, farmer production level and basic production level of summer maize in Shandong province were 5.85, 0.82, 1.90 and 1.35 t·hm-2, respectively; the radiation production efficiency gap were 1.74, 0.15, 0.28 and 0.45 g·MJ-1, respectively; and the temperature production efficiency gap were 1.09, 0.10, 0.17 and 0.28 kg·hm-2·℃-1, respectively. the current uncontrollable factors contributed 58.49% to yield gap, and contributed 66.09% to light and temperature production efficiency. And geographical difference factors contributed 1.98% to yield gap, contributed 2.49% to radiation production efficiency, and contributed 3.24% to temperature production efficiency. there was a significant correlation between the yield gap and the production efficiency gap. SH and HH had higher biomass, mean leaf area index (MLAI) and canopy light energy interception rate than FP and CK. 【Conclusion】 At present, the gap of yield, the radiation production efficiency, and the temperature production efficiency between the farmer production level and the radiation temperature potential level of summer maize in Shandong province were 8.56 t·hm-2, 2.17 g·MJ-1, and 1.35 kg·hm-2·℃-1, respectively, so there was room for improvement in yield and utilization efficiency of radiation and temperature resources. There was a significant correlation between the yield gap and the production efficiency gap, on the basis of existing farmer management measures, the application of high-yield and high-efficiency management mode (increase the plant density of 15 000 plant·hm-2, and increasing the amount of fertilization appropriately, changing the one-time fertilization into the sub-fertilization mode with water and fertilizer integration during the stage of sowing, spike formation, flowering, and milking) could narrow the yield gap by 1.90 t·hm-2and increase the production efficiency of radiation and temperature resources by 14.74% and 14.41%, respectively, which was an effective technical way to synergistic close yield gap and increase efficiency.

summer maize; yield; radiation and temperature production efficiency; gap

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.006

2018-12-11；

2019-01-31

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0300106）、國家自然科學基金（31071358，31301274）、山東省現代農業(yè)產業(yè)技術體系項目（SDAIT02-08）

王洪章，E-mail：whz3707@163.com。 通信作者劉鵬，E-mail：liupengsdau@126.com

（責任編輯 楊鑫浩）