基于Hybrid-maize模型的吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量潛力研究*

曹玉軍呂艷杰王曉慧魏雯雯姚凡云劉春光王立春王永軍**

（1. 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春 130033；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 哈爾濱 150030）

基于Hybrid-maize模型的吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量潛力研究*

曹玉軍1，2呂艷杰1王曉慧1魏雯雯1姚凡云1劉春光1王立春1王永軍1**

（1. 吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春 130033；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 哈爾濱 150030）

為挖掘玉米產(chǎn)量潛力，進(jìn)一步提升玉米綜合生產(chǎn)能力，利用在東北地區(qū)已驗(yàn)證的 Hybrid-maize模型及多年氣象數(shù)據(jù)對(duì)吉林省不同生態(tài)類型區(qū)［東部濕潤(rùn)生態(tài)區(qū)（樺甸）、中部半濕潤(rùn)生態(tài)區(qū)（公主嶺）、西部半干旱生態(tài)區(qū)（乾安）］不同品種、播期和密度及其相互組合下的玉米產(chǎn)量潛力進(jìn)行模擬，并對(duì)影響玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的因素進(jìn)行定量分析，同時(shí)考慮產(chǎn)量潛力變異情況及品種本身的生產(chǎn)特性，構(gòu)建了吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米高產(chǎn)體系。研究結(jié)果表明： 1）改變播期是一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施，不同生態(tài)區(qū)的表現(xiàn)不同，濕潤(rùn)區(qū)應(yīng)選擇早播，播種日期在4月20日左右較適宜，而半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)應(yīng)盡量晚播，適宜播期應(yīng)在5月中旬左右。2）不同生態(tài)區(qū)對(duì)密度的容納能力表現(xiàn)為濕潤(rùn)區(qū)（樺甸）＞半濕潤(rùn)區(qū)（公主嶺）＞半干旱區(qū)（乾安），3個(gè)地區(qū)的適宜密度分別為90 000株·hm-2、80 000株·hm-2和75 000株·hm-2左右。3）選用生育期更長(zhǎng)的品種表現(xiàn)出了較高的增產(chǎn)潛力，生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域生態(tài)條件，盡量選擇晚熟品種，在當(dāng)前播期條件下半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)品種生育期內(nèi)需要的有效生長(zhǎng)積溫（GDD）可增至1 600 ℃以上。4）與當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)相比，將播期、密度、品種三者優(yōu)化組合，高產(chǎn)體系長(zhǎng)期平均產(chǎn)量潛力可增產(chǎn) 14.39％～29.23％。本研究可為吉林省玉米高產(chǎn)措施的正確應(yīng)用提供理論依據(jù)，為玉米產(chǎn)量大面積提升提供技術(shù)參考。

Hybrid-maize模型 生態(tài)區(qū) 玉米 產(chǎn)量潛力 高產(chǎn)栽培體系 吉林省

吉林省是我國(guó)重要的玉米生產(chǎn)基地，玉米種植面積達(dá) 340多萬 hm2，總產(chǎn) 2 800余萬 t，單產(chǎn)達(dá)kg·hm-2，其種植面積、總產(chǎn)量分別占全國(guó)的12％和15％［1］，單產(chǎn)、人均占有量、商品量、調(diào)出量、出口量連續(xù)多年居全國(guó)首位［2］，為保障國(guó)家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。由于耕地資源限制及種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，吉林省玉米播種面積增加的可能性已經(jīng)不大，未來玉米產(chǎn)量增加將主要依靠提高單產(chǎn)，因此充分發(fā)掘玉米生產(chǎn)潛力、提高單產(chǎn)是穩(wěn)步提升吉林省玉米綜合生產(chǎn)力的有效途徑［3-4］。作物生產(chǎn)潛力是指一個(gè)地區(qū)的作物在理想環(huán)境下所能達(dá)到的最高理論產(chǎn)量，一般把光溫生產(chǎn)潛力作為一個(gè)地區(qū)的作物產(chǎn)量上限［5］。它是科學(xué)評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)糧食生產(chǎn)能力和發(fā)展前景的重要指標(biāo)，對(duì)評(píng)價(jià)該地區(qū)糧食生產(chǎn)能力和人口承載能力，進(jìn)而指導(dǎo)糧食生產(chǎn)具有重要的參考價(jià)值［6-7］。

近年來在政策和科技支撐下，玉米高產(chǎn)潛力得到了進(jìn)一步提升，高產(chǎn)典型不斷出現(xiàn)，示范面積也不斷加大［8-9］。但過去高產(chǎn)研究中產(chǎn)量潛力的突破主要是采取不同栽培措施或不同水肥用量實(shí)現(xiàn)［10-13］，但對(duì)影響過程和原因關(guān)注不夠，對(duì)高產(chǎn)潛力挖掘的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)體系形成還處在探索階段，從而導(dǎo)致某些單一研究結(jié)果難以形成規(guī)律性結(jié)論［14］。作物生長(zhǎng)模擬模型是對(duì)作物品種、環(huán)境和作物管理措施交互作用下作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)過程的定量化描述和預(yù)測(cè)，已成為當(dāng)前作物科學(xué)研究、管理和決策分析的重要工具［5-6，15］。

前人利用相關(guān)模型對(duì)不同地區(qū)的玉米生產(chǎn)潛力進(jìn)行了較多的驗(yàn)證與應(yīng)用，如吳紹洪等［16］利用 PS123模型模擬了黑龍江省海倫市的玉米光溫生產(chǎn)潛力；王靜等［17］利用前人在東北地區(qū)已驗(yàn)證的 APSIM 模型研究了黑龍江省春玉米不同水平產(chǎn)量潛力及產(chǎn)量差的時(shí)空分布； 李軍、戴明宏等［18-19］分別在黃土高原地區(qū)和華北平原地區(qū)對(duì)CERES-Maize模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用模型對(duì)當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)潛力進(jìn)行了估算與分析。上述模型的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了積極的作用，但這些模型的主要缺陷在于需要輸入?yún)?shù)較多，且所需的某些作物特性數(shù)據(jù)不易獲取，在一定程度上限制了這些模型的應(yīng)用。

近年來，Hybrid-maize模型在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛，該模型的產(chǎn)生基于大量的田間試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)，對(duì)光溫資源環(huán)境變化較為敏感，需要輸入的參數(shù)少，模擬準(zhǔn)確度高［20］。其主要的應(yīng)用包括： 利用長(zhǎng)期的氣象數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)目標(biāo)地點(diǎn)的產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量潛力變異；評(píng)價(jià)不同品種、播期和密度相互組合下可獲得的產(chǎn)量，用于確定合理栽培措施配置； 用于理解現(xiàn)有的玉米高產(chǎn)原因和低產(chǎn)的限制因素。該模型在黃土旱塬及東北平原等其他地區(qū)的適應(yīng)性前人已經(jīng)過校驗(yàn)和應(yīng)用［6，21-23］，但前人的研究多是對(duì)模型在不同區(qū)域適應(yīng)性的驗(yàn)證、產(chǎn)量潛力及產(chǎn)量差評(píng)估等。本文利用在東北地區(qū)已驗(yàn)證的Hybrid-maize模型對(duì)吉林省不同生態(tài)區(qū)的玉米產(chǎn)量潛力進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)影響玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的因素進(jìn)行定量的分析，進(jìn)而構(gòu)建吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米高產(chǎn)體系，以期為吉林省玉米高產(chǎn)措施的正確應(yīng)用和玉米高產(chǎn)由點(diǎn)到面的突破提供理論與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 Hybrid-maize模型介紹

Hybrid-maize模型是由美國(guó)內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在2004年研發(fā)出的玉米生長(zhǎng)模型。其顯著特點(diǎn)是將以往國(guó)際上有代表性的兩種玉米生長(zhǎng)模擬方法進(jìn)行擬合，進(jìn)而優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而產(chǎn)生出“雜種優(yōu)勢(shì)”效果［18］。該模型用于模擬玉米在水分限制（雨養(yǎng)）與無水分限制（灌溉）條件下的玉米潛在生長(zhǎng)、發(fā)育、光合同化、同化物分配和產(chǎn)量形成。它以每日為步長(zhǎng)，溫度為玉米生長(zhǎng)發(fā)育、冠層光合、器官生長(zhǎng)和維持呼吸的驅(qū)動(dòng)因子，這些模擬特點(diǎn)使玉米生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境條件的變化具有更為敏感的響應(yīng)，同時(shí)需要輸入較少的參數(shù)。模型所需主要?dú)庀髷?shù)據(jù)包括當(dāng)年或長(zhǎng)期的每日太陽(yáng)輻射、最高氣溫、最低氣溫、降雨量、平均風(fēng)速與平均相對(duì)濕度，氣象數(shù)據(jù)來源為試驗(yàn)點(diǎn)所在地區(qū)氣象站，模擬時(shí)需要輸入玉米播種日期、播種密度與品種生育期內(nèi)需要的有效生長(zhǎng)積溫（GDD）。該模型在美國(guó)［24-25］、印度尼西亞［26］和中國(guó)的很多地區(qū)已得到廣泛的驗(yàn)證和應(yīng)用［21-23］。

1.2 研究地點(diǎn)及情景模擬

為了理解吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米產(chǎn)量潛力的時(shí)空變異特性，本研究選擇不同生態(tài)區(qū)具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行模擬： 濕潤(rùn)生態(tài)類型區(qū)，東部樺甸（42°34′N ，127°02′E），北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2 379 h，年平均氣溫3.7 ℃，10 ℃以上活動(dòng)積溫2 731 ℃，平均無霜期125 d，年平均降水748.1 mm，且多集中于7、8月份； 半干旱生態(tài)類型區(qū)，西部乾安（45o01′N，124°02′E），中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光熱資源充足，年平均日照時(shí)數(shù)2 867 h，年均氣溫5.6 ℃，活動(dòng)積溫2 885 ℃，平均無霜期146 d，年均降水量不足400 mm，蒸發(fā)量1 875 mm； 半濕潤(rùn)生態(tài)類型區(qū)，中部公主嶺（43o24′N，125o18′E），屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均日照時(shí)數(shù)2 712 h，年平均氣溫 5.5 ℃，活動(dòng)積溫 2 770 ℃，年平均降水量594.8 mm，平均無霜期144 d。模型所需氣象數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)點(diǎn)當(dāng)?shù)貧庀笳?，?10年（2004—2013年）的數(shù)據(jù)。太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)由日照時(shí)數(shù)計(jì)算而來，蒸發(fā)量數(shù)據(jù)由平均風(fēng)速利用模型計(jì)算獲得，其他管理信息輸入依據(jù)研究地點(diǎn)和分析目的進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

本研究設(shè)置 2種模擬措施： 高產(chǎn)體系構(gòu)建措施與當(dāng)前管理措施（對(duì)照）。當(dāng)前管理措施（依據(jù)有關(guān)農(nóng)民栽培管理水平的相關(guān)報(bào)道及農(nóng)戶調(diào)查）： 品種為吉林省不同生態(tài)區(qū)廣泛種植的玉米品種‘先玉335’，全生育期GDD為1 518 ℃，播種日期為4月30日，種植密度為60 000株·hm-2。高產(chǎn)體系構(gòu)建措施： 1）播期研究自4月20日開始，每10 d進(jìn)行一次模擬，濕潤(rùn)區(qū)至5月20日，半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)至5月30日，其種植密度設(shè)為 60 000株·hm-2，品種 GDD= 1 518 ℃； 2）不同生態(tài)區(qū)密度研究均設(shè)5個(gè)梯度，分別為45 000株·hm-2、60 000株·hm-2、75 000株·hm-2、90 000株·hm-2、105 000株·hm-2，播種日期設(shè)為4 月30日，品種GDD為1 518 ℃； 3）不同生育期品種研究設(shè)4個(gè)梯度，分別為GDD=1 100 ℃、1 300 ℃、1 500 ℃、1 700 ℃，播種日期設(shè)為4月30日，種植密度設(shè)為60 000株·hm-2。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

用 Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖，SPSS軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 播期優(yōu)化對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

為了詳細(xì)探明吉林省不同生態(tài)區(qū)通過播期調(diào)整引起光溫配置變化對(duì)玉米產(chǎn)量潛力的影響，并確定不同生態(tài)區(qū)的最佳播期，本研究利用不同生態(tài)區(qū) 10年的長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入，對(duì)設(shè)定的當(dāng)前品種和種植密度下播期改變的產(chǎn)量潛力進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，不同生態(tài)區(qū)在播種窗口隨播期改變產(chǎn)量的效應(yīng)情況存在明顯的不同（圖1）。位于吉林省東部濕潤(rùn)區(qū)的樺甸因整個(gè)生育期氣溫較低，所以對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)使用品種的播種日期選擇范圍較小，模擬結(jié)果表明，在濕潤(rùn)區(qū)的樺甸4月20日播種產(chǎn)量最高，隨著播期推遲產(chǎn)量潛力逐漸降低，如果播期推遲至 5月20日，受霜凍的影響，玉米生育期明顯縮短，長(zhǎng)期平均產(chǎn)量比4月20日播種降低1.60 t·hm-2。在半濕潤(rùn)公主嶺地區(qū)，隨著播期推遲產(chǎn)量逐漸增加，5月20日產(chǎn)量達(dá)最高，主要是因?yàn)樯成L(zhǎng)期較低的溫度延長(zhǎng)了籽粒灌漿持續(xù)期（表 1），從而使籽粒產(chǎn)量增加，如果播期推遲至5月30日，雖然籽粒灌漿時(shí)間明顯延長(zhǎng)，但可能受霜凍和總輻射量降低的影響，玉米產(chǎn)量下降。而在西部半干旱區(qū)的乾安同樣適宜晚播，5月30日比4月30日播種產(chǎn)量高2.0 t·hm-2，但霜凍的風(fēng)險(xiǎn)率達(dá) 60％，所以適時(shí)推遲播期可以增加產(chǎn)量，但推遲太晚其產(chǎn)量變異較大。

2.2 群體密度增加對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

圖1　吉林省不同生態(tài)區(qū)在當(dāng)前品種和密度下播期改變的玉米產(chǎn)量潛力模擬效應(yīng)Fig. 1 Simulated maize yield potentials for different planting dates under the current variety and density in differentecological regions of Jilin Province圖中H、G、Q分別表示濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)，下同。 H，G and Q in the figures mean the humid region，semi-humid region and semi-arid region，respectively. The same below.

表1　吉林省不同生態(tài)區(qū)當(dāng)前種植密度和品種下不同播期氣象條件的變化及其對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量潛力的影響Table 1 Effect of planting date on maize growth and yield potential under the current variety and planting density，and on weather conditions in different ecological regions of Jilin Province

圖2　吉林省不同生態(tài)區(qū)在當(dāng)前品種和播期條件下密度改變的玉米產(chǎn)量潛力模擬效應(yīng)Fig. 2 Simulated yield potentials for different planting densities under the current variety and planting date in different ecological regions in Jilin Province

表2　吉林省不同生態(tài)區(qū)氣象條件的變化和種植密度對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量潛力的影響Table 2 Effect of planting densities on maize growth and yield potential and weather conditions in different ecological regions in Jilin Province

增密是擴(kuò)庫(kù)增源的重要措施，也是增加產(chǎn)量潛力的重要手段。在當(dāng)前玉米品種和播期條件下，通過調(diào)控密度來探討增加產(chǎn)量潛力的可能性，結(jié)果如圖 2和表 2所示。玉米產(chǎn)量潛力隨著種植密度的增加而增加，當(dāng)密度增加到一定程度后產(chǎn)量潛力開始下降，不同生態(tài)區(qū)產(chǎn)量潛力對(duì)密度的反應(yīng)有所差別。濕潤(rùn)區(qū)90 000株·hm-2時(shí)產(chǎn)量潛力最高，比 75 000株·hm-2種植密度高0.5 t·hm-2； 半濕潤(rùn)區(qū)同樣也是90 000株·hm-2時(shí)產(chǎn)量潛力最高，但與75 000株·hm-2密度之間差異較??； 而在半干旱區(qū)域的乾安，玉米產(chǎn)量潛力在75 000株·hm-2時(shí)達(dá)最高，進(jìn)一步增密玉米產(chǎn)量潛力逐漸下降。從收獲指數(shù)上也可以反映出玉米產(chǎn)量潛力對(duì)密度變化的響應(yīng)，即在適宜的密度范圍內(nèi)，隨著密度的增加各生態(tài)區(qū)玉米收獲指數(shù)呈升高趨勢(shì)，各地區(qū)均以75 000株·hm-2種植密度為最高，繼續(xù)增加密度，收獲指數(shù)明顯下降。同時(shí)隨著密度的增加玉米產(chǎn)量變異也呈增大趨勢(shì)，種植密度越大產(chǎn)量變異越大。不同生態(tài)區(qū)不同種植密度的產(chǎn)量潛力均表現(xiàn)為濕潤(rùn)區(qū)樺甸最高，半干旱區(qū)乾安最低，這與在當(dāng)前品種和播期條件下樺甸地區(qū)的生育期平均溫度較低，玉米生育期更長(zhǎng)，有更多的光輻射有關(guān)。

綜上可知，吉林省不同生態(tài)區(qū)對(duì)玉米高密度的容納能力表現(xiàn)為濕潤(rùn)區(qū)（樺甸）＞半濕潤(rùn)區(qū)＞（公主嶺）＞半干旱區(qū)（乾安）。在當(dāng)前生產(chǎn)條件下對(duì)密度增加的產(chǎn)量反應(yīng)看，各地區(qū)的種植密度在 75 000～90 000株·hm-2之間較合理，最高不要超過90 000株·hm-2。

2.3 不同生育期品種選擇對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

不同熟期品種的選擇對(duì)生物量和產(chǎn)量的積累具有顯著影響，合理的品種選擇對(duì)促進(jìn)玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有重要意義。本部分以當(dāng)前的播種日期和種植密度作為管理輸入，研究不同熟期品種選擇對(duì)不同生態(tài)區(qū)光溫資源利用和產(chǎn)量潛力的變化，結(jié)果如圖 3和表3所示。盡管所選試驗(yàn)地點(diǎn)的緯度差異不大，但不同生態(tài)區(qū)對(duì)品種熟期的選擇范圍還是有所差異。冷涼濕潤(rùn)區(qū)的樺甸由于整個(gè)生育期積溫較低，因此可適應(yīng)的品種生育期選擇范圍較窄，在當(dāng)前的播種日期，其品種GDD應(yīng)為1 400～1 500 ℃較合理，當(dāng)GDD超過1 600 ℃時(shí)，霜凍風(fēng)險(xiǎn)達(dá)100％，導(dǎo)致產(chǎn)量迅速下降。而在半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)的公主嶺和乾安兩地可容納的品種GDD可至1 700 ℃，產(chǎn)量潛力分別高達(dá)16.4 t·hm-2和15.6 t·hm-2，但此時(shí)分別有50％ 和 40％的霜凍風(fēng)險(xiǎn)。總體而言，不同生態(tài)區(qū)隨著品種熟期的延長(zhǎng)產(chǎn)量潛力呈增加趨勢(shì)，同樣的品種在公主嶺地區(qū)產(chǎn)量潛力更高，可能是因?yàn)樯趦?nèi)公主嶺地區(qū)太陽(yáng)總輻射量較其他地區(qū)偏高。在適宜范圍內(nèi)，樺甸地區(qū)GDD平均每增加100 ℃，品種生育期可延長(zhǎng)19 d左右，產(chǎn)量潛力增加約1.83 t·hm-2； 公主嶺和乾安地區(qū)，隨著品種GDD的增加產(chǎn)量增加速率基本相同，平均每增加 100 ℃，生育期可延長(zhǎng)12 d左右，產(chǎn)量潛力增加約1.70 t·hm-2。

圖3　吉林省不同生態(tài)區(qū)不同玉米品種在當(dāng)前種植密度和播期下的產(chǎn)量潛力模擬效應(yīng)Fig. 3 Simulated yield potential of different maize varieties under the current planting date and planting density in different ecological regions in Jilin Province

表3　吉林省不同生態(tài)區(qū)不同生育期玉米品種在當(dāng)前種植密度和播期條件下生長(zhǎng)和產(chǎn)量潛力及氣象情況Table 3 Growth and yield potential of different maize varieties under the current planting date and density and weather conditions in different ecological regions in Jilin Province

2.4 吉林省不同生態(tài)區(qū)玉米高產(chǎn)體系構(gòu)建

綜合以上單一措施研究不同地點(diǎn)的產(chǎn)量潛力效應(yīng)變化情況，以產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量潛力變異為主要依據(jù)，同時(shí)考慮實(shí)際操作的可行性及品種本身的生產(chǎn)特性，對(duì)吉林省不同生態(tài)區(qū)的高產(chǎn)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過模型模擬對(duì)不同生態(tài)區(qū)單一措施不同方案的對(duì)比表明（表 4），在濕潤(rùn)區(qū)（樺甸），主要以早播和增加密度為主要手段，高產(chǎn)方案最終可確定為： 播期 4 月 20日，品種選擇為當(dāng)前品種‘先玉 335’，GDD 1 518 ℃，種植密度為90 000株·hm-2。而在半濕潤(rùn)區(qū)（公主嶺）和半干旱區(qū)（乾安），為充分利用其好的光溫資源，使用當(dāng)前品種主要以推遲播期為主要手段，兩地區(qū)播期應(yīng)推遲到 5月中旬左右，種植密度分別在80 000株·hm-2和75 000株·hm-2左右。若以當(dāng)前生產(chǎn)的播種日期，生產(chǎn)上選用生育期更長(zhǎng)的品種將有助于玉米產(chǎn)量潛力的進(jìn)一步提升。通過模型模擬表明： 半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)地區(qū)品種 GDD可延長(zhǎng)至半干旱區(qū)可更高。模擬結(jié)果顯示與當(dāng)前的體系相比（表4），高產(chǎn)體系長(zhǎng)期平均產(chǎn)量潛力可以增加產(chǎn)量 14.39％～29.23％，其中以濕潤(rùn)區(qū)的增產(chǎn)潛力最小，這與其生育期間的熱量較低，可調(diào)控的空間較小有關(guān)。而半濕潤(rùn)和半干旱區(qū)因其優(yōu)化了播期、品種和密度，表現(xiàn)出較高的增產(chǎn)潛力，尤其以優(yōu)化品種增產(chǎn)幅度最大，因此生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)氣候條件盡可能選用生育期長(zhǎng)、適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定系數(shù)高的品種來進(jìn)一步提高玉米的產(chǎn)量潛力。

表4　吉林省不同生態(tài)區(qū)的玉米高產(chǎn)體系設(shè)計(jì)及增產(chǎn)潛力Table 4 Design for high-yield systems and yield potential of maize in different ecological regions in Jilin Province

3 討論

播期是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一［27］，播期不同引起作物生長(zhǎng)的光溫條件不同，而溫度和光照又是影響生育期的主要生態(tài)因子［28-29］。前人研究表明，推遲播期后所帶來的溫度變化是影響玉米生育期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短及產(chǎn)量高低的主要原因［30］。本研究從播期情景模擬的結(jié)果可以看出，半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)隨播期推遲，雖然全生育期縮短，總輻射量減少，但生育后期溫度降低，使作物生殖生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，從而截獲更多的光照資源，因此推遲播期有利于產(chǎn)量潛力的提高。而濕潤(rùn)區(qū)由于整個(gè)生育期氣溫較低，雖然低溫使入射的光輻射較高，但是生殖生長(zhǎng)期間的低溫（＜19 ℃）可能會(huì)嚴(yán)重影響玉米葉片的光合作用和籽粒的灌漿進(jìn)程［31］，且隨著播期推遲生物量減少，收獲指數(shù)下降，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低，同時(shí)也驗(yàn)證了前人關(guān)于播期改變帶來溫度變化是影響玉米產(chǎn)量變化的結(jié)論［30］。因此濕潤(rùn)區(qū)不同于其他地區(qū)，在生產(chǎn)上要提早播種，以便充分利用有限的熱量資源。

種植密度是影響作物產(chǎn)量最敏感的因素之一［32］，合理的密度是構(gòu)建良好群體結(jié)構(gòu)，充分利用光熱資源的基礎(chǔ)，有利于玉米群體源庫(kù)比協(xié)調(diào)發(fā)展［33］。在當(dāng)前品種和播期條件下，吉林省不同生態(tài)區(qū)對(duì)密度的模擬效應(yīng)表明： 種植密度小于 75 000株·hm-2時(shí)，隨著密度的增加，收獲指數(shù)呈增加趨勢(shì)，而增加密度主要是增加了源的供應(yīng)，說明源是限制因子； 當(dāng)種植密度大于75 000株·hm-2時(shí)收獲指數(shù)開始降低，說明密度增加導(dǎo)致了庫(kù)成為限制因子。進(jìn)一步增密后各地區(qū)增產(chǎn)潛力不大，在半干旱地區(qū)，當(dāng)密度超過75 000株·hm-2時(shí)，產(chǎn)量便開始下降，在實(shí)際的生產(chǎn)條件下，過高的種植密度會(huì)帶來更大病蟲害和倒伏等風(fēng)險(xiǎn)。

最好的玉米品種是能夠充分利用當(dāng)?shù)厮泄鉁刭Y源的品種，理論上生長(zhǎng)季較長(zhǎng)的品種無疑是好的選擇［34］，尤其生殖生長(zhǎng)季越長(zhǎng)，光輻射截獲就越多，產(chǎn)量和收獲指數(shù)就越高［35］； 生長(zhǎng)期較短的品種會(huì)因葉面積指數(shù)較小，減少光輻射的截獲，導(dǎo)致生物量減少和收獲指數(shù)的降低［34］。但在高緯度的東北地區(qū)，前期溫度低，后期光溫資源下降較快，生長(zhǎng)季長(zhǎng)的品種可能會(huì)在生殖生長(zhǎng)季遇到不利的氣象條件，使產(chǎn)量變異較大，穩(wěn)產(chǎn)性下降［36］。本研究不同品種情景模擬結(jié)果表明，適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的品種可能是長(zhǎng)期產(chǎn)量潛力最好的品種，生長(zhǎng)季過長(zhǎng)的品種會(huì)因生長(zhǎng)后期氣象條件變異，其產(chǎn)量潛力變異也會(huì)增大。因此，在當(dāng)前吉林省不同生態(tài)區(qū)的生產(chǎn)條件下，品種選擇應(yīng)因地制宜，盡可能選擇中晚熟、晚熟品種。

綜合以上分析，從播期模擬結(jié)果可知，產(chǎn)量偏低的主要原因是灌漿時(shí)間短引起的庫(kù)容不足，提高產(chǎn)量需要擴(kuò)庫(kù)，在熱量資源充足的地區(qū)推遲播期具有擴(kuò)庫(kù)的作用； 而在當(dāng)前播期條件下，增加密度也是擴(kuò)庫(kù)強(qiáng)源的重要手段，但過高密度會(huì)使庫(kù)成為新的限制因子，生產(chǎn)上可以通過推遲播期和適當(dāng)增密相結(jié)合的策略充分利用后期的光溫資源，延長(zhǎng)籽粒灌漿持續(xù)期，進(jìn)而滿足庫(kù)的需求； 如果選用長(zhǎng)生育期的品種不僅可以增加庫(kù)容量，而且保證不降低源強(qiáng)度，但前提是保證玉米生育期所需有效積溫比較穩(wěn)定，玉米能夠正常成熟，形成較高產(chǎn)量。因此，最佳策略是將品種、播期和密度結(jié)合起來，通過適時(shí)播種和增加密度來改變籽粒的灌漿速率或灌漿持續(xù)期，通過選擇生育期長(zhǎng)的品種來增加前期生物量，為后期生殖生長(zhǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，前者有利于關(guān)鍵時(shí)期的籽粒建成和后期灌漿，后者有利于生育后期葉片的緩慢衰老和光合產(chǎn)物的有效轉(zhuǎn)移。上述研究與分析均表明了Hybrid-maize模型在高產(chǎn)體系構(gòu)建中的作用，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)踐參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本研究以產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量潛力變異為主要依據(jù)，同時(shí)考慮實(shí)際操作的可行性及品種本身的生產(chǎn)特性，對(duì)吉林省不同生態(tài)區(qū)的玉米增產(chǎn)潛力進(jìn)行了定量分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了不同生態(tài)區(qū)的玉米高產(chǎn)體系，主要結(jié)論如下： 1）改變播期是一項(xiàng)重要的增產(chǎn)措施，但不同生態(tài)區(qū)的表現(xiàn)不同。通過模型模擬分析得出，在濕潤(rùn)區(qū)應(yīng)選擇早播，播種日期在4月20日左右比較適宜； 而半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)的適宜播種期應(yīng)在 5月中旬左右。2）從不同地點(diǎn)在當(dāng)前播期和品種條件下對(duì)增加密度的反應(yīng)來看，濕潤(rùn)區(qū)的適宜密度為 90 000株·hm-2左右，半濕潤(rùn)區(qū)的適宜密度在80 000株·hm-2左右，而半干旱區(qū)密度不應(yīng)超過75 000株·hm-2。3）在當(dāng)前的播期和密度條件下，適應(yīng)各地區(qū)生態(tài)條件的當(dāng)前品種（GDD=1 500 ℃左右）可能是長(zhǎng)期產(chǎn)量潛力最好的品種，但是選用生育期更長(zhǎng)的品種將有更高的產(chǎn)量潛力。4）將以上幾種管理措施進(jìn)行優(yōu)化結(jié)合，與當(dāng)前的生產(chǎn)技術(shù)相比，高產(chǎn)體系產(chǎn)量增產(chǎn)潛力為14.39％～29.23％。

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Analysis of yield potential of maize in different ecological regions in Jilin Province using Hybrid-maize model*

CAO Yujun1，2，LYU Yanjie1，WANG Xiaohui1，WEI Wenwen1，YAO Fanyun1，LIU Chunguang1，WANG Lichun1， WANG Yongjun1**
（1. Institute of Agricultural Resources and Environment，Jilin Academy of Agricultural Sciences / State Engineering Laboratory of Maize，Changchun 130033，China； 2. College of Agriculture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Jilin Province is an major maize production area in China and it significantly contributes to national food security. Because of limited cultivatable land and adjustment of planting structure，the potential to increase maize planting area in Jilin Province is limited. Future increase in maize yield will mainly rely on yield improvement per cultivated unit area. Thus fully promoting the potential of maize production and per unit area yield constitutes an effective way of comprehensively improving maize productivity in Jilin Province. In this study，the Hybrid-maize model validated in Northeast China and long-term meteoro-logical data combined with results of experiments of different maize varieties，sowing dates and planting densities were used to simulate maize potential yield in different ecological regions ［humid region（Huadian），semi-humid region（Gongzhuling） and semi-arid ecological region（Qian’an）］ in Jilin Province. At the same time，the driving factors of high and stable maize yield were analyzed based on potential yield variations and production characteristics of maize varieties. Finally，a high-yield system of maize was established. The main results of the study showed that： 1） Changing sowing date was a critical measure for yield increase. However，there were differences in performance among different ecological regions. Early sowing was required in humid region（Huadian），and the appropriate sowing date was about April 20. In contrast，late sowing was required in the other two ecological regions，with proper sowing times in mid-May. 2） The order of maize tolerance to high planting density for the different ecological regions in Jilin Province was： humid region（Huadian） ＞ semi-humid region（Gongzhuling） ＞ semi-arid region（Qian’an）. The suitable densities in the three regions were 90 000，80 000 and 75 000 plants·hm-2，respectively. 3） Variety with longer growth period had higher yield potential. In practice，late-maturing variety selection depended on different regional ecological conditions. In semi-humid and semi-arid regions，it was necessary to increase GDD varieties to over 1 600 ℃ under current sowing date conditions. 4） According to the above results，the comprehensively optimized management measure for high-yield system was established，and the simulated long-term average yield potential of high-yield system increased by 14.39％-29.23％ compared with the current production system. The study provided theoretical basis for proper cultivation measures of high-yield crop varieties. It also provided technical reference for large-scale production of maize in Jilin Province.

Hybrid-maize model； Ecological region； Maize； Yield potential； High-yield system； Jilin Province

Dec. 20，2015； accepted Mar. 28，2016

S126； S513

A

1671-3990（2016）07-0926-09

10.13930/j.cnki.cjea.160156

* 國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2013BAD07B02）、國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS02-17）和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20150519010JH，LFGC14217）資助

** 通訊作者： 王永軍，主要研究方向?yàn)樽魑锷砩鷳B(tài)。E-mail： yjwang2004@126.com

曹玉軍，主要從事玉米生理生態(tài)研究。E-mail： caoyujun828@163.com

2015-12-20 接受日期： 2016-03-28

* Funded by the National Key Technology R&D Program of China（2013BAD07B02），the National Modern Agriculture Industry Technology System（CARS02-17） and the Science and Technology Development Plan of Jilin Province（20150519010JH，LFGC14217）

** Corresponding author，E-mail： yjwang2004@126.com