粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式

ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9

http://zwxb.chinacrops.org/

E-mail: zwxb301@caas.cn DOI: 10.3724/SP.J.1006.2019.83051

粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式

赵 明* 周宝元 马 玮 李从锋 丁在松 孙雪芳

中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态与栽培重点开放实验室, 北京 100081

摘 要: 当今作物生产正在向高产、高效、环境友好等多目标协同方向发展, 进一步深化和完善作物生产调控理论与技术体系是实现多元化目标协同, 促进作物生产可持续发展的重要途径。本文对当前作物生产调控理论与技术的研究进展进行了总结, 并结合当今作物生产发展形势, 在全面总结前人成果和笔者30余年研究结果的基础上, 提出了从作物生产系统的整体性角度出发, 通过定量分析作物生产系统气候、土壤、作物三要素的协同关系, 将“气候-作物”、“土壤-作物”和“群体-个体”三者协同优化的作物高产高效调控途径, 构建了作物生产系统气候-土壤-作物“三协同”定量优化体系, 并对其生产应用和未来发展进行了探讨与展望, 以期为实现我国主要粮食作物高产高效可持续生产提供理论指导。

关键词: 作物生产系统; 气候; 土壤; 作物; 协同优化

Theoretical and technical models of quantitative regulation in food crop pro-duction 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

Abstract: 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 de-veloping 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. Keywords: crop production system; climate; soil; crop; collaborative optimization

进入21世纪以来, 作物生产已从单纯追求产量转向“高产、优质、高效、生态、安全”多目标协同发展, 特别是高产与光温水肥等资源高效利用的结合已成为农业绿色可持续发展的主导方向。生产目标的转变必然导致作物生产过程的变化, 以适应当前的生产发展形势。然而, 作物生产系统是一个作物-环境-社会相互交织的复杂系统, 作物生产的

高产和高效通常是矛盾的、难以协调统一的整体。近30年来, 虽然我国粮食产量由于机械化、精确灌溉、化学肥料等技术的应用有了大幅度的增长[1], 但是生产中滥用化肥农药、不合理耕作导致土壤耕层恶化、品种多乱杂等现象日益加剧, 造成光热肥水资源与作物生长发育不协调[2-4], 土壤耕层状况与支撑高产群体能力不协调[5-6], 作物群体与个体、源库

本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300207), 国家科技支撑计划项目(2006BAD02A13, 2013BAD07B00)和国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-02-12)资助。

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).

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通信作者(Corresponding author): 赵明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752

Received(收稿日期): 2018-06-12; Accepted(接受日期): 2019-01-12; Published online(网络出版日期): 2019-02-11. URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190210.1114.002.html

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器官不协调[7-8], 高产不稳产、丰产不高效、产量不平衡等问题日益突出。要解决制约当前生产的突出问题, 实现作物生产系统绿色可持续发展, 必须加强作物生产系统理论指导, 用系统论的观点, 把作物生产过程看作一个系统, 即作物生产系统, 深入研究作物生产系统各要素的相互作用规律, 并探求适宜的调控措施, 定量优化各要素之间的协同关系, 充分挖掘作物生产系统的生产潜能与高效协调功能。本文总结当前作物生产调控理论与技术, 并提出了基于作物生产系统整体构成的“气候-土壤-作物”协同定量调控体系, 以期为实现作物高产高效可持续生产提供理论依据。

1 作物产量与品质形成分析理论

1.1 作物产量形成分析理论

产量的形成是作物群体物质生产过程中的最终结果, 也是作物栽培学研究的主题。作物产量分析理论在深入认识作物产量形成的内在规律、探索作物高产的限制因素以及作物高产实践中发挥着重要的指导作用。自1928年Mason和Maskell提出了“源库”学说后, 在近代作物栽培的理论探讨中, 常以源、库、流三因素的关系来阐明作物产量形成的规律, 探索实现高产的技术途径, 进而挖掘作物的产量潜力。

王志敏等[9]将近100年来产量分析概括为3条研究路线, 即发育分析(产量构成因素)、生长与物质生产分析(光合性能)、源库关系分析, 并认为这3条路线应该整合统一。产量构成理论将禾谷类作物的产量分解为穗数、单穗粒数和粒重[10], 让人们可以直观地了解产量构成因素, 并从这些因素的变化中了解产量的形成规律。光合性能理论指出作物的光合生产力取决于单位土地面积的光合面积、光合速率、光合时间、呼吸消耗和经济系数5个方面, 对作物群体的物质生产和分配过程进行定量描述[11-12], 并将它们与经济产量联系起来[13], 即产量 = (光合面积×光合时间×光合速率–呼吸消耗)×经济系数, 揭示了产量形成的本质。源库理论将物质生产与产量形成紧密联系起来, 系统考虑产量形成, 避免了光合性能和产量构成分析各自的片面性, 同时提出了源指标(叶面积指数、光合势、光合速率、净同化率和叶源量等)、库指标(单位面积穗数、单位面积粒数、潜在库容和籽粒充实度等)以及源库关系指标(粒叶比、势粒比、势容比以及潜在库源比等), 借助生理学和分子生物学方法对作物源库调节机制和源库

关系进行了深入研究[14-17]。然而, 这3个理论各存在一定的不足, 产量构成理论仅从作物库方面强调了产量构成因素, 而与产量的物质来源联系不紧密; 光合性能理论只强调了作物群体的物质生产, 忽略了产品器官在物质分配中的主导作用, 光合作用与产量之间的关系不清楚; 源库理论虽然将二者联系起来, 但关于源库关系的解析不够系统, 不能对作物产量的形成做出全面系统的解释。

我国科学家在作物高产理论方面开展了广泛的研究, 取得了重要的进展。曹显祖等[18]在水稻上证明限制产量提高有多种类型并存, 指出作物高产存在源限制型、库限制型和源库共同限制型。凌启鸿等[19-20]提出了作物群体质量概念, 确立花后物质积累量作为群体质量的核心指标, 认为水稻高产更高产的方向是既有高的最适叶面积指数(源), 又有高的粒叶比(源/库)。张洪程等[21-22]揭示了不同类型水稻品种叶龄进程与产量形成对应关系, 系统阐明了优化水稻群体生长动态, 精确稳定前期生长量, 合理增加中期高效光合生产量, 增强后期物质生产积累能力、籽粒灌浆充实能力和群体支撑能力的高产形成规律。于振文等[23-24]系统研究了高产条件下小麦旗叶与根系衰老的生理机制, 阐明了小麦衰老的生理特点及其与粒重形成的关系, 探索出延长缓衰期、保持较长光合速率高值期, 增加开花至成熟阶段的干物质积累及其向穗部的分配, 提高粒重的高产栽培途径。董树亭等[25-27]深入研究了玉米群体光合性能与产量形成的关系, 提出了增强花后群体光合能力, 延长群体光合高值持续期, 减少群体呼吸消耗的高产途径。赵明等[28]将玉米高产实现途径归结为结构性、功能性和结构与功能同步3条挖潜途径, 其中结构性挖潜途径是通过构建密植优化群体结构, 增库、增源定向栽培; 功能性挖潜途径是通过提高群体质量, 保证后期光合物质的长期快速积累; 结构功能同步挖潜途径是在合理密植的情况下, 提高植株个体活力, 实现群体和个体功能协调, 达到。在综合分析产量分析三理论内在联系的基础上, 赵明提出了产量分析的[29], 将各理论有机地结合起来, 系统地阐述了作物源与库各因素间的内在联系, 并建立了相应的定量表达公式[30], 弥补了各理论独立存在的不足, 为作物产量定量化分析提供了新的思路和方法。王志敏等[9]进一步将产量与资源利用效率相联系, 建立了基于资源利用效率的产量分析模式,

“稳穗、足粒和高结实率”“三合结构”模式第4期

赵明等: 粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式 487

即产量=单位面积可供资源(投入)量×资源截获率×资源转化效率×收获指数, 为分析产量与各种资源效率的关系提供了范式。

1.2 作物品质形成分析理论

作物品质主要受遗传因素决定, 但其他因素如栽培措施、土壤情况、环境条件等对作物品质的影响也较大。源库理论反映了同化物输入与输出的特点, 是作物产量和品质形成的基础, 因此协调源库关系也是作物品质形成的关键。

淀粉、蛋白质和脂类等是评价作物营养品质的主要指标。研究表明, 小麦、水稻籽粒的淀粉积累速率决定于同化器官向籽粒供应同化物的能力(源限制)和籽粒本身的淀粉合成能力(库限制), 且籽粒的淀粉合成能力与品种及籽粒中可溶性碳水化合物含量密切相关[31-32]。陈洁等[32]分析了水稻植株氮素积累与转运的生理过程, 认为水稻籽粒蛋白质积累速率由源限制的氮源(花前植株同化氮素和花后贮存氮素的转运)和库限制的氮素积累速率决定。赵俊晔、王小燕和石玉等[33-35]系统研究了小麦品质生理, 提出增加拔节至开花期植株氮素积累量, 促进灌浆中后期蛋白质降解, 及营养器官贮存氮素向籽粒的转移, 调节籽粒适宜氮/硫比, 提高谷蛋白大聚合体含量及谷蛋白与醇溶蛋白含量比值, 改善蛋白质品质的途径。李文峰等[36]认为, 由于植株积累氮素和棉籽积累的碳水化合物组成了棉籽油分, 因此棉子油分的含量是由棉籽干物质积累速率和油分合成速率共同决定。

生态环境对作物淀粉、蛋白质的形成有非常重要的作用。研究表明, 小麦籽粒淀粉含量主要受开花至成熟期日均温与总降雨量的影响, 蛋白质含量受开花期至成熟期的平均日较差、日平均温度、积温、总降雨量和总日照时数等气候因子的影响[37]; 高温通过抑制淀粉合成过程中某些酶失活, 从而抑制玉米籽粒淀粉合成[38]。李文峰等[39]认为影响棉籽油分含量的主要因子为品种、温度、太阳辐射和施氮量。

2 作物与环境协同调控理论

作物生长发育状况与其所在地区的生态条件密切相关[40-42]。然而, 作物生长过程中各种环境条件(光、热、水、肥、气、土壤等)具有时空变化的特点, 作物栽培的目的就是通过各种措施使作物与资源变化相吻合, 充分合理地利用有限的资源, 提高作物

产量和资源利用效率。

2.1 作物与气候协同调控理论

作物品种、播期、生育期等与光、温、水资源的匹配度是影响作物生长发育及产量与品质形成的主要因素[42]。虽然光温水等生态条件是人为不可控的条件, 但可通过调节作物播/收期、品种等措施调控生长季光温水等分配, 协调光温水与作物生长发育的关系, 促进作物产量潜力和资源利用效率提升[43]。

前人开展了大量关于作物生长与光温资源匹配机理的研究, 并探索了资源高效利用的调控途径。在北方春玉米区, 李少昆等[44-45]通过10余年系统研究探明了高产群体生长发育与区域光辐射量和积温的定量匹配关系, 提出了密植高产群体质量指标及控倒防衰、提高整齐度的光温匹配调控途径。在黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟制下, 王树安[46]在北部资源亏缺区建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式, 将冬小麦播种期推迟至10月中旬, 夏玉米收获期推迟至9月底至10月初, 周年产量达到15,000 kg hm–2以上, 光温资源生产力分别提高64%和124%。另外, 河北农业大学[47-49]探明了海河平原高产小麦冬前积温和行距配置的光温利用效应, 揭示了高产玉米生育期调配的光温利用规律, 提出了小麦“减温、匀株”和玉米“抢时、延收”的光温高效利用途径。河南农业大学[50-52]探明了黄淮区小麦、玉米高产群体生育和资源利用特征, 提出了小麦“品种播期双改”、玉米“延时收获”的周年资源高效利用途径, 发挥小麦冬前分蘖成穗的优势, 充分利用玉米收获至小麦播种前的资源, 实现周年光热水资源高效利用。王志敏等[53-54]揭示了干旱胁迫下小麦非叶器官光合耐逆机制, 阐明了增加非叶光合面积, 构建大群体、小株型结构, 拔节前控水促根下扎, 充分发挥深层种子根的“根系泵”作用的水分高效利用机制。董树亭等[38,55-56]揭示了生态因素对玉米生长发育和产量品质形成的影响, 明确了花后高温寡照是限制黄淮海地区产量提高的关键因素, 提出了改套种为直播、适时晚收、延长灌浆时间的栽培理论。赵明等[43,57-58]探明了气候因子对玉米源库性能的影响机制, 建立了叶面积系数动态变化的积温模型, 为作物产量性能与气候因素协同的定量化研究提供了范式。在南方稻麦和双季稻两熟区, 许轲等[59]通过分期播种试验, 研究了播期与品种类型对水稻产量、生育期及温光资源利用的影响, 根据区域温光资源特征初步确定了不同类型品种适宜播种期。张洪程

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等[60-61]在探明粳稻温光利用优势的基础上提出将双季晚稻的籼稻品种改成具有较高耐寒性、分蘖力较强的粳稻品种, 发挥粳稻生育期较籼稻长的优势, 充分利用晚稻季光温资源, 提升周年产量和温光资源利用率的理论与技术途径。

2.2 作物与土壤协同调控理论

在大田环境中土壤理化特性时空变化较大, 直接影响作物的生长发育与产量形成。土壤容重是表征土壤物理环境及资源状态的一个重要的指标[62]。土壤容重的增加造成作物根系难以下扎伸展, 影响根系对水分和养分的吸收, 增加了根系早衰, 造成地上部减产[6,63]。

土壤耕作可以优化调整土壤结构, 为作物生长与建成创造一个优良的环境[64]。20世纪80年代以来, 在我国主要农区, 常采用免耕或机械浅层旋耕的耕作方式, 大大提高了生产效率, 但导致了土壤耕层变浅, 并产生坚硬的犁底层, 阻碍根系向深层土壤下扎[5-6]。张洪程等[65-66]在江苏六大农区5~11年的连续定位研究中, 以少免耕等轻简耕作栽培方式下作物前期早发而中后期早衰的特点阐明了土根系统中养分与根系向土表富集、中后期土壤养分供应减弱与根系活力下降, 导致植株光合生产能力减弱的早衰机理。2008年国家玉米产业技术体系对全国玉米主产区土壤耕层状况调查探明, 我国主要玉米田土壤耕层存在着“耕层浅、犁底层坚实、耕层有效土量少”等特点。近年来, 深松或深翻耕作作为一种有效的土壤改良耕作措施得到广泛应用。研究表明, 深松(翻)可打破犁底层, 显著改善耕层土壤结构, 使根系在纵向扩充生长空间, 以满足对地上部分营养物质和水分的供应[67-68]。赵明等[67-69]探明了条带深旋耕作对土壤理化特性、作物根系生长发育及产量性能指标的调控效应, 并创新了玉米条带深旋密植精播一体化技术, 显著改善土壤耕层环境, 大大提高生产效率。王立春等[70-71]经多年定位试验研究阐明了苗带紧行间松、松紧兼备型耕层模式对土壤水、气调节机制, 通过全面深松和苗带局部重镇压的方式来满足春玉米生长对耕层土壤的生态需求。然而, 大量研究表明, 没有一种耕作方式能够适用于所有的土壤环境, 土壤耕作方式不同对土壤的理化及生物特性影响不同[72]。

作物生长发育所必需的各种速效养分主要来自土壤, 而肥料是土壤养分的主要来源, 因此协调作物生长发育与土壤养分及施肥的关系是进一步挖掘

作物产量潜力的关键。凌启鸿等[20]和张洪程等[21]探明了叶龄模式与水肥调控的关系, 提出水稻精确定量施肥技术途径, 解决了高产水稻总施氮量精确定量及各生育期定量施用问题。于振文等[23-24,34]探明了小麦生长发育与氮肥吸收的同步关系, 提出了氮肥后移, 增加追肥氮比例, 延缓后期衰老, 提高粒重的技术途径。赵明等[73-74]提出通过滴灌分期施肥和深施缓释肥的方式实现氮肥后移, 维持玉米花后较高的氮素积累能力和光合生产能力, 同步提高产量和氮肥利用效率的理论与技术途径。张福锁等[75-76]根据各种养分资源特征进行养分管理, 综合利用各种养分资源, 从过去以“(肥料)投入-(作物)产出关系”的黑箱管理逐渐走向对土壤-作物-环境系统养分过程的实时定量化调控, 并建立了小麦、玉米、水稻等主要作物的养分资源综合管理技术体系, 显著提高了作物产量、肥料资源利用效率及生态效益。 3 作物生产调控技术

如上所述, 协调作物“源、库、流”的关系, 使作物群体和个体的发展达到源足、库大、流畅, 才可能获得高产。然而, 作为一个有机整体, 作物的各个性状相互联系、相互制约。对于作物产量与品质的提升, 必须明确突破的技术途径, 并通过精确的调控措施实现作物物质生产因素与产量构成因素间的高效协调。

3.1 产量形成调控技术

近年来, 我国作物栽培科学家通过一线研究建立了一批高产栽培技术体系。例如, 张洪程等[77]针对高密度毯状小苗秧质弱、植伤趋重导致超级稻生育不充分而制约潜力发挥的问题, 通过“三控”(控种、控水、化控)标准化育秧、“三因”(因种、因地、因苗)精确化机插与“三早”(早促、早控、早攻)模式化调控等关键技术创新, 构建了超级稻机械化高产栽培技术体系。章秀福等[78]建立水稻“垄畦高密、扩库强源”超高产模式, 通过垄畦栽培, 宽行窄株密植, 优化群体结构, 改善群体通透条件; 以水调肥、调气, 强根健株, 实现增穗增粒的水稻双季超高产。王法宏等[79]建立冬小麦“垄沟立体种植”超高产模式, 垄沟种植改善土壤理化性状, 改善群体冠层结构, 增加了单位面积的麦穗容纳量和边行优势, 延缓后期衰老, 有利于穗粒数和千粒重的提高。赵明等[80]针对密植导致倒伏、早衰等限制玉米产量潜力发挥的问题, 从同步改善土壤耕层环境与冠层结构

第4期

赵明等: 粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式 489

角度出发, 创新了“三改”深松和“三调”密植关键技术, 建立了“深耕层-密冠层”、“控株型-促根系”及“培地力-高肥效”的密植高产高效技术模式。李少昆等[81]创新了以耐密品种、合理密植、群体质量调控为核心, 配套精量点播、滴水出苗、化学调控、机械施肥、绿色防控、秸秆还田、机械收获、烘干收储等关键技术, 构建了玉米密植高产全程机械化绿色生产技术体系。董志强等[82]针对东北春玉米低温冷害导致生育期推迟、密植高产群体倒伏早衰的问题, 以控株增密和抗逆防衰为目标, 建立了展六叶和展九叶两次喷施化控剂的“双重定向”化控技术, 在逆境条件下维持较高的产量和光温利用效率。

3.2 资源高效利用技术

在光温水资源高效利用方面, 河北农业大学[47-49]

针对华北地区一年两熟光温水资源紧张导致周年产量潜力挖掘不足的问题, 建立小麦“匀株密植晚播”、玉米“抢时增密延收”技术及两熟“减灌降耗提效”水分高效利用技术, 实现周年光温水资源优化配置与高效利用。河南农业大学[50-52]针对黄淮区光温等资源特点, 提出了小麦“双改技术”与夏玉米“延衰技术”, 创建出小麦-夏玉米两熟高产栽培技术体系, 实现周年光热资源高效利用和小麦夏玉米均衡增产。王志敏等[53-54]建立了冬小麦“四统一”高产技术模式, 通过调整灌溉次数和施肥结构, 构建大群体发挥主茎大蘖优势、非叶绿色器官的光合耐逆机能和初生根持续吸收功能, 实现小麦种植高产、高效、低耗和简化。杨建昌等[83]建立了水稻干湿交替节水灌溉技术, 全生育期进行轻干-湿交替灌溉, 减少灌溉次数和灌水量, 提高产量和水分利用效率。

在提高化肥利用率方面也取得了一些成果, 如测土配方施肥、氮肥深施、平衡施肥、水肥一体化等技术, 在一定程度上减缓了肥料用量的增加, 提高了肥料利用效率。于振文等[23-24]针对我国小麦生产中氮肥过量, 且底施比例过大导致氮肥利用率低的问题, 建立了冬小麦氮肥后移技术, 通过减少底肥氮数量、增加追肥氮比例, 生育前中期低定额后期控制灌溉, 精量施用氮、硫、磷、钾肥, 减少了土壤氮素淋溶, 提高了水肥利用率。杨建昌等[84]和黄见良等[85]建立水稻实时实地氮肥管理技术, 根据目标产量确定总氮肥用量及生育各阶段氮肥分配比例, 关键生育时期根据水稻叶色值(SPAD或LCC)适当

调整氮肥用量, 解决后期倒伏和早衰问题, 显著提高水稻产量和氮肥利用效率。张福锁等[75-76,86]建立了土壤-作物综合管理技术, 基于土壤养分实时监测和作物养分需求特征进行根层养分调控, 在不增加氮肥用量的同时提高作物产量。另外, 近年来大田作物缓/控释肥等新型肥料的研究迅速发展, 被认为是减少肥料损失、提高肥料利用率的有效措施[74-87]。

3.3 精确定量栽培技术

张洪程等[21]创立了生育进程、群体动态指标、栽培技术措施“三定量”与作业次数、调控时期、投入数量“三适宜”为核心的水稻丰产精确定量栽培技术体系, 使水稻生产管理“生育依模式、诊断有指标、调控按规范、措施能定量”。曹卫星等[88-89]围绕作物主要生长指标的特征光谱波段和光谱参数、定量监测模型、实时调控方法、监测诊断产品等开展了深入系统的研究, 集成建立了基于反射光谱的作物生长光谱监测与定量诊断技术体系, 实现了作物生长与生产力预测的数字化及作物管理方案设计的精确化。赵明等[80]建立了玉米全生育期产量性能各指标定量化动态标准, 研发出冠层系统的实时监测与管理决策专用软件(玉米生长定量化动态分析及其高产高效管理系统), 实现了玉米合理冠层的定量化和动态监测及调控。

4 作物生产系统定量调控体系

综上所述, 前人关于作物生产调控理论与技术方面进行了大量的研究探索, 取得了重大进展, 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产量和资源利用效率。然而, 目前大部分研究往往仅从作物生产某一方面揭示产量与品质形成规律及其与环境的关系, 并进行相应栽培技术的创新, 缺乏从作物生产系统整体角度出发进行的系统化研究, 未形成系统的作物生产理论与技术体系, 难以适应当前的生产发展形势, 作物生产调控理论与技术亟须进一步深化与完善。为此, 笔者在归纳总结前人研究与本人30多年研究结果的基础上, 于2016年全国青年作物栽培与学术研讨会上提出了作物生产系统“气候-土壤-作物”协同定量调控体系, 简称“三协同”调控体系(图1), 其核心是从作物生产系统整体出发, 建立“气候-土壤-作物”之间定量化指标, 并通过相应的调控措施协同优化三者之间的关系, 使整个作物生产系统的功能高效协调。

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作 物 学 报 第45卷

图1 作物生产系统“三协同”定量优化体系示意图

Fig. 1 “Three Collaboration” theoretical models of crop production system

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

4.1 “三协同”定量调控体系构成特点

作物生产系统是以气候、土壤和农作物为物质基础, 通过采取多种调控技术措施, 以获取作物某一部分的产量为目的, 同时兼顾经济、社会和生态效益, 有利于农业可持续发展的生产系统[90]。笔者在深入分析作物生产系统的整体性、有序性和综合性特征, 及系统内作物与气候、土壤的供求机制与关系调控的基础上, 建立了“三协同”调控体系。

“三协同”调控体系具有系统性特点。作物生产系统的功能主要取决于系统的整体性、有序性和综合性, 及系统内作物与气候、土壤的供求机制与关系调控[91]。为构建更加合理的作物生产系统结构, 促进系统功能不断提升, 可将作物生产系统分为“气候-作物”、“土壤-作物”、“群体-个体”3个子系统(图1)。根据逻辑关系又将其分为3个层次, “气候-作物”系统为第一层次, “土壤-作物”系统为第二层次, “群体-个体”系统为第三层次, 3个子系统有机结合构成“三协同”体系。

“三协同”调控体系具有可定量特点。作物生产系统通过物质循环和能量交换形成作物与作物、作物与环境、环境与环境作用关系[90], 这些过程可通过某种手段精确定量, 其中气候-作物协同以光温资源分配率与利用效率的“两率”为核心定量化指标, 土壤-作物协同以土壤供给力与冠层生产力的“两力”为核心定量化指标, 群体-个体协同以作物群体内部与个体器官间结构功能的“两体”为核心定量化指标。以作物产量、光温水肥资源利用效率及经济效益等定量指标构建作物生产系统协同性的综合评价体系。

“三协同”调控体系具有可调节特点。在认识作物生产系统各要素相互作用规律基础上, 可通过构建合理的调控措施, 使作物生产系统各个组成部分之间协调平衡、相互促进, 总体功能不断提升。气候-作物协同主要通过调节作物生长季光热资源的配置与利用以实现光温高效利用; 土壤-作物协同通过改良土壤结构和肥水控制实现高产高效同步; 群体-个体协同通过品种、种植方式调控确保群体与个体及个体器官间协同, 实现产量潜力挖掘。

4.2 “三协同”定量调控指标

4.2.1 气候-作物协同定量调控指标 气候-作物协同定量调控以提高季节间光温资源分配率与季节内光温资源利用率的“两率”为核心。首先, 在季节间资源有效分配方面, 笔者通过分析三大粮食作物主产区34个试验点7年定位试验产量和气候因素数据, 探明了气候因子与作物产量的定量关系, 创立了以积温为主, 兼顾辐射和降水分配的季节间资源优化配置定量指标, 并建立了相应的计算公式[92]。

积温分配率(TDR) = 单季积温量(Tx)/周年积温

总量(T) (1)

辐射分配率(RDR) = 单季辐射量(Rx)/周年辐射

总量(R) (2)

降雨分配率(PDR) = 单季降雨量(Px)/周年降雨

总量(P) (3)

积温比值(TR) = 第一季积温量(T1)/第二季积

温量(T2) (4)

辐射比值(RR) = 第一季辐射量(R1)/第二季辐

射量(R2) (5)

第4期

赵明等: 粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式 491 降雨比值(PR) = 第一季降雨量(P1)/第二季降在季节内资源高效利用方面, 笔者通过分析年际间、地区间生态条件的差异及其资源与产量的定量关系, 在2007年首次提出了表征季节内资源利用效率的“光温生产潜力当量”的概念, 即TPPE = Y/TPPy (TPPE为光温生产潜力当量, Y为作物实际产量, TPPy为光温

生产潜力)[93]; 为表征资源变化与作物需求匹配关系,

通过分析全国不同区域的不同两熟模式的播期调控试验和产量差分析(N = 293), 明确了不同两熟模式周年季节间有效积温、辐射分配(表1)[92,94]; 同时进一步明确了季节内三大作物光温生产潜力当量值(图2), 这些指标为作物资源高效利用的定量调控提供指导。

雨量(P2) (6) 提出了季节内积温满足率(TSR)的概念及相应公式。

表1 不同种植模式积温、辐射优化分配表

Table 1 Accumulated temperature and radiation for different cropping systems

模式 Cropping system

积温 Accumulated temperature 周年总量 Annual amount (°C)

两季比值 Ratio of two seasons

46:54

周年总量

Annual amount (MJ m–2)

4169.5±145.9 4336.6±300.9 4490.1±116.9 3428.7±103.5 3381.3±197.2 3455.3±272.5

辐射 Radiation

两季比值 Ratio of two seasons

60:40 58:42 53:47 58:42 55:45 54:46

W-M 5330.3±79.3

D-D 5275.1±139.8 43:57 W-R 5237.7±100.1 36:64 M-M 4974.3±151.9 50:50 M-R 5439.7±53.0

54:46

R-R 5645.3±272.5 48:52 r-r 5250.1±156.1 71:29

R-R: 双季稻模式; r-r: 再生稻模式。

3420.2±160.5 72:28

W-M: 传统冬小麦-夏玉米模式; D-D: 冬小麦-夏玉米双晚模式; W-R: 冬小麦-水稻模式; M-M: 双季玉米模式; M-R: 春玉米-晚稻模式; 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.

力)与高产高效目标产量(冠层生产力)的差值(图3, Y)确定实现目标产量的作物群体容纳量与养分供给量。根据产量与密度定量关系确定密度增量, 根据产量与养分定量关系(百千克籽粒需养分量)确定施肥量, 实现基于土壤基础地力的高产高效定量栽培。

进而利用35年肥效长期监测平台揭示不合理耕作导致土壤犁底层上移(2.8~4.9 cm)、容重增加(7%~35%)、有机质质量变差(腐殖化和脂族化程度高

图2 三大作物不同产量水平光温生产潜力当量值

Fig. 2 Photothermic production potential equivalence of wheat, maize, and rice with different levels of yield

而疏水化程度低)、贫钾富磷、耕层土壤酸化(pH下降1.3~1.5)、真菌/细菌比值降低(碳源不足)等关联变化是主产区农田地力下降、高产支撑力不足的主要机制[70-71]。由此提出“培肥地力、减量施肥”的丰产高效技术策略, 及深厚耕层构建与有机物料输入相结合的地力提升途径。同时, 利用自主研发的根-土空间分布取样方法与分析体系[67-69]对不同作物生产系统农民田块和高产高效田块长期定位试验分析, 明确了两熟区高产高效农田比农民田块土壤耕层厚度增加28%~35%, 容重降低18%~20%, 有机质含量提高13%~20%, 氮磷钾含量平均提高19%~30% (表2)。同时, 提出以容重、贯穿阻力为核心的土壤结构生产力指标及氮磷钾与有机质含量空间分布为核心的养分生产力指标来确定土壤供给力。

4.2.2 土壤-作物协同定量调控指标 作物产量决定于冠层生产力与耕层供给力“两力”的平衡, 冠层耕层的同步优化是密植高产的主要途径。“两力”构成的原则是构建耕层-冠层、土壤-作物协调优化的体系, 耕层供给力与作物冠层生产力匹配。以提高耕层供给力为核心, 挖掘冠层作物生产力, 以最终提高产量实现高产高效。

首先, 利用研发的作物耐密性鉴定方法, 解析土壤基础地力、目标产量与作物种植密度的定量关系(y = abxxc)[95], 基于作物土壤基础产量(土壤供给

492

作 物 学 报 第45卷

图3 土壤-作物协同定量优化模式图

Fig. 3 Models of collaboration quantitative optimization between soil and crop

表2 不同区域不同田块土壤理化特征

Table 2 Soil physical and chemical characteristics of different plots at different districts

东北春玉米区

土壤特征 Soil characteristics

Spring maize in Northeast China一般农田

高产高效

黄淮海小麦-玉米区 Wheat/maize in the Huang-Huai-Hai Plain 一般农田

高产高效

Farmers’ fieldOptimized field

长江中下游稻作区 Rice in Yangtze Plain 一般农田

高产高效

Farmers’ field Optimized field

物理特征Physical characteristics

耕层深

Depth of topsoil (cm) 容重

Soil volume weight (g cm–3) 耕层有效土量

Effective amount of tilling soil(×10 kg hm)

化学特征Chemical characteristics

有机质

Organic matter (%) 全氮

Total nitrogen (%) 速效磷

Available phosphorus (mg kg–1)速效钾

Available potassium (mg kg–1)

1.81–4.61

6

–2

Farmers’ field Optimized field

15.1 26.5 17.2 27.3 14.5 25.0 1.43 1.21 1.37 1.16 1.54 1.28

1.97 3.15 2.21 3.07 2.01 3.18

2.63–6.67 0.78–1.26 1.12–1.68 0.95–2.45 2.01–3.81

0.08–0.32 0.21–0.52 0.03–0.09 0.08–0.15 0.06–0.13 0.12–0.17 4–10 8–15 2.8–7.8 6.7–13.2 2.8–6.7 5.5–8.5 92–136 116–251 91–136 141–215 53–102 76–142

4.2.3 “群体-个体”协同定量调控指标 作物冠层结构是作物个体、群体产量性能数量与质量的综合体现。作物理想冠层的本质特征是群体总库容量(群体总粒数)大、花后物质积累量高, 这就要求在前中期保持适宜叶面积系数, 提高成穗率和结实率, 后期增大光合势、提高净同化能力和物质运转与分配效率。因此, 优化协调个体与群体以及叶源系统与库容系统之间的关系对作物高产高效栽培具有重要意义。

笔者在多年试验研究的基础上, 确定了“群体-个体”协同定量优化的核心为协调作物群体内部及

个体叶穗系统、物质生产与分配的关系[96]。该分析模式主要包括以下3个方面。一是, 明确了作物产量形成是根、茎、叶、穗4个系统相互依存, 在根茎的吸收与支撑能力保障的前提下, 其中叶系统光合物质生产能力与穗系统籽粒形成的光合产物分配是挖掘产量潜力的关键。二是, 基于系统间关系分析作物产量与叶穗系统定量关系, 构建了叶穗系统协同定量公式(Y = MALI×D×MNAR×HI = EN× GN×GW)及三大作物高产高效群体叶穗系统指标体系(表3)[30], 其中等式左边(MALI×D×MNAR×HI)表示叶系统光合物质生产过程, 等式右边(EN×GN×

第4期

赵明等: 粮食作物生产系统定量调控理论与技术模式 493 GW)表示穗系统产量形成过程, 其中MLAI和MNAR指标为生育期内某一时段的平均值, 可以作为生长过程的动态变量进行实时监测与调控; 三是, 研究表明高产高效群体具有较高的后期物质生产能力, 花后干物质积累量/生育期总干物质积累量为: 玉米0.62、小麦0.45、水稻0.51。在此基础上, 提出了通过高效物质分配与高效结实机制以挖掘作物

后期物质生产能力为核心的挖潜技术途径, 根据作物花后干物质积累量/生育期总干物质积累量比值指标来选择确定具体技术措施, 如氮肥后移、深松改良土壤、优化种植方式及水肥一体化等, 调控后期养分供应和群体的光分布, 维持个体较高的光合速率, 延缓衰老, 从而维持群体高效物质生产功能, 提高作物产量。

表3 高产高效群体结构和功能参数

Table 3 Structures and function parameters of populations with high yield and high efficiency

作物 Crop

叶系统 Leaf system MLAI MNAR HI

穗系统 Spike system

EN (×104 hm–2)

8.69 7.98 691.0 373.4

产量

Grain yield

GN (No. ear–1) GW (g)

(kg hm–2)

411.3 443.8 32.0 129.7

342.8 13121.3 362.6 12408.4 45.0 10110.2 22.5 11306.8

春玉米 Spring maize 4.29 5.94 0.49 夏玉米 Summer maize 3.42 6.07 0.52 冬小麦 Winter wheat 2.72 5.19 0.46 水稻 Rice

3.81 3.94 0.51

Y: 产量; MLAI: 平均叶面积指数; D: 生育期天数; MNAR: 净同化率; HI: 收获指数; EN: 单位面积穗数; GN: 穗粒数; 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 “气候-土壤-作物”协同互作途径

以上建立的气候-作物、土壤-作物和群体-个体协同定量指标, 可分别从光温资源定量配置、基础地力与目标产量协调、源库产量平衡等3个方面指导作物品种与播期合理搭配、地力培肥与肥水调控、群体结构与功能优化等“三协同”调控技术创新。进而通过三类技术组装构建生产技术模式, 每个模式均包括气候-作物、土壤-作物和群体-个体三方面的调控技术。由于各类别都有多个单项技术, 通过三类技术的组装可形成多种搭配组合, 利用通径分析和主成分分析对技术的优先序和互作效应进行评价[8]。在阐明三类技术的协同互作机制基础上, 筛选出区域适宜的作物丰产高效生产技术模式, 进行大田示范验证与推广应用。

前积温调减-玉米后期积温调增、两季秸秆还田培肥和减耗节水、小麦缩行距匀株距密植等关键技术为核心的小麦-玉米调温节水、匀株密植技术模式; 在中部集成以小麦早播增温-玉米晚收增产、两季统筹培肥补灌、小麦宽行稀植-玉米窄行密植等关键技术为核心的小麦早播稀植、玉米密植晚收周年灌溉模式; 在南部集成以小麦稀植早播-玉米增密晚收、简耕覆盖保水等关键技术为核心的小麦简耕覆盖、玉米免耕密植周年雨养模式。在河南、河北两省分别示范3套模式, 较传统模式产量提高8.1%~12.2%, 光温生产效率提高6.9%~11.3%, 水分生产效率提高9.2%~14.1%, 经济效益增加2205元 km–2, 实现两季均衡增产增效。

4.4.2 “三协同”定量调控体系效益评价 国家粮食丰产科技工程项目组在优化调整柯布-道格拉斯生产函数、DEA-Malmquist指数法等评价模型基础上, 建立了粮食生产全要素评价专用模型(Yt = Ae t

KtxLtMt), 依据该模型可对“三协同”定量调控

4.4 “三协同”定量调控体系应用与效益评价

4.4.1 “三协同”定量调控体系应用 以黄淮海冬小麦-夏玉米周年高产高效种植模式为例, 介绍“三协同”定量调控体系在作物生产实践中的应用, 为实现作物“高产、优质、高效、生态、安全”生产提供新思路。

针对黄淮海地区周年光温资源区域差异大、利用效率低, 常年免耕或浅旋耕导致土壤容重增加, 秸秆还田难导致播种质量差等交织并存的问题, 基于“三协同”调控体系指导, 创新光温配置、秸秆还田培肥、改行调密等技术, 在北部集成以小麦冬

体系指导构建的技术模式进行全要素(包括种子、化肥、农药、水电、柴油、机械、人工等)生产率、土地利用率、气候资源利用效率和经济效益等进行评价。应用生命周期评价方法(Life Cycle Assess-ment, LCA)对技术模式的整地播种、田间管理和收获等环节的资源消耗、物质投入及环境排放进行评价。

494

作 物 学 报 第45卷

5 作物生产系统调控体系研究展望

经过长期的作物生产研究与实践, 我国在水稻、小麦和玉米等主要粮食作物研究中, 已经建立了丰富的栽培技术体系, 在确保粮食安全和农民增收中发挥了巨大的作用, 但生产中尚缺乏基于作物生产系统整体性的系统化、定量化作物栽培理论与技术, 在一定程度上限制了作物高产高效优质等多目标的实现。笔者在基于前人研究和本人30多年研究结果的基础上构建的作物生产系统气候-土壤-作物“三协同”定量优化体系, 通过定量分析作物生产过程与气候、土壤等环境因素的内在关系, 将“气候-作物”、“土壤-作物”和“群体-个体”三者协同优化, 形成了系统的作物生产理论体系, 弥补了现有理论与技术的不足, 为未来作物生产调控理论与技术的创新提供了思路。然而, 如何将现有的理论与技术与这一体系高度融合, 进一步完善该理论体系, 并有效应用于生产实践, 尚有待更深入的研究与探讨。

气候-土壤-作物“三协同”定量调控理论初步建立了光温资源定量配置、基础地力与目标产量协调、源库产量平衡3个方面的定量指标, 分别指导作物品种布局与播/收期调整、地力培肥与肥水调控、群体结构与功能等调控技术创新。然而, 气候-土壤-作物“三协同”定量调控理论还需要进一步完善, 在气候-作物协同方面, 需要进一步阐明作物生长发育各阶段与光温资源匹配关系及其定量指标; 在土壤-作物协同方面, 加强研究作物产量形成与土壤生物特性和水肥动态变化的关系及其定量指标; 在群体-个体协同方面, 从不同器官及其组织形态与功能、关键生理与分子调控机制方面认识群体与个体协同关系; 在气候-土壤-作物三者协同方面, 阐明三者协同调控机制, 建立相应的定量调控指标; 加强“三协同”技术体系在作物品质形成方面的指导; 加强该理论模式指导高产高效关键技术创新和区域特色技术模式集成, 对整个体系的经济效益、社会效益和生态效益进行评价。

致谢: 特别感谢吉林省农业科学院王立春研究员和王永军研究员、河南师范大学李春喜教授、河南农业大学尹钧教授、河北农业大学李雁鸣教授、山东省农业科学院张宾研究员、天津市农业技术推广站侯海鹏研究员、天津农学院葛均筑博士对本项研究工作的大力支持。

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