夏玉米高产攻关研究进展

2010-04-03郑兰村

大麦与谷类科学 2010年4期

郑兰村

(河南武警总队农副业基地，河南焦作 454000)

作物“超高产”是继“高产”之后出现的新概念，可理解为通过育种技术手段, 在一定的地区, 实现作物品种的高产超高产, 即在现有产量水平较高的基础上选育产量水平更高的新品种, 这类新品种的产量潜力应比现有的高产品种提高30% 以上, 同时其他农艺性状与品质相当于或优于现有高产品种, 超高产育种的研究历史较短, 最早是1980年日本在水稻育种的“逆7- 5- 3 计划”中首次提出了超高产一词。

20世纪60年代美国开始高产竞赛， 20世纪80年代以来, 作物超高产研究越来越受到许多国家的重视, 探索作物超高产技术已成为世界农业发展的趋势。我国从20世纪 90年代以后开始热衷于高产攻关,2008年我国最高产量为陕西榆林，产量为1326.4kg/667m2，2009年在农四师七十一团八连609号条田试验示范种植的0.67hm2高产玉米新品种郑单958，获得单产1342.85kg/667m2的高产。在2008年的玉米高产攻关中,河南省农科院的玉米品种郑单2718在滑县的1hm2高产攻关，经专家验收，实产为921.67kg/667m2；河南农业大学的豫单2670在浚县的1.03hm2高产攻关，经专家验收，实产为924.26kg/667m2；6.93hm2高产攻关，经专家验收，实产为784.4kg/667m2；新乡市农科院的新单26号，1.02hm2高产攻关，经专家验收，实产为924.9kg/667m2；浚县农科所的浚009，1hm2高产攻关，经专家验收，实产为975.69kg/667m2；6.67hm2示范方，经专家验收，实产为946.44kg/667m2。然而高产攻关目前只在部分试验田里实现，而大田生产中的产量却和高产攻关田相差甚远，需要深入研究高产田与一般田的差异，以便利于大面积产量的大幅度提高。

未来几十年世界将面临粮食持续短缺的问题[1]，因为自20世纪90年代以来世界粮食增长速率明显减缓[2]。中国人口不断增加，而人均耕地面积不断减少，粮食安全问题日趋严峻。已有证据表明，高产田对中国粮食总产的贡献率为54.1%[3]，保障中国未来的粮食安全必须依赖单产的提高。玉米是中国三大粮食作物之一，作为C4 作物，具有光合生产效率高和产量潜力大的特点。

超高产技术是保障我国未来粮食安全的技术核心, 除需育种栽培技术突破外,还必须根据我国的生态、经济、社会条件, 从宏观上建立我国粮食超高产发展系统, 进而实现粮食安全、增加农民收入与改善生态环境。因此, 加快粮食超高产宏观与微观理论技术体系的研究, 具有重大的理论价值和实践意义。

1 高产田研究情况

1.1 根茎

超高产夏玉米群体叶面积增速快,最大叶面积系数高,稳定期长,因此耗水量大,耗水强度高。全生育期耗水总量600mm 左右,其中蒸腾耗水约占70%左右,棵间蒸发占30%左右。夏玉米苗期阶段耗水

主要以棵间蒸发为主, 占73 %左右, 蒸腾占27 %左右,穗期以后逐渐转为蒸腾为主,花粒期阶段蒸腾占该阶段耗水总量的77%左右[4]。

茎节长度与群体正相关，与穗部经济性状负线性相关，而茎节粗度和重量与群体负线性相关；与穗部经济性状正线性相关，不同群体地下节根层数、条数差异不大，地上节根条数极显著差异，将影响中上部节间的性状。地上节根条数与穗重，粒多，粒重正线性相关，茎节长度、粗度、重量及节根条数是玉米高产栽培中的重要质量指标。

1.2 叶面积、干物重

玉米光合作用的主要器官是叶片，可以认为玉米干物质积累绝大部分来自叶片。作物经济产量的高低是由生物产量即干物质积累所决定的，同时又受经济系数的制约,玉米叶片作为玉米有机物质生产的主要器官, 其叶面积大小及光合作用的强弱对玉米的生长发育有重要影响。在形态上, 叶片生长的主要时期是苗期到大喇叭口期,这也是玉米叶片生长的主要时期; 在功能上, 叶片长成后,叶片光合作用大小及持续时间的长短对玉米生长是很重要的[5]。

超高产群体叶面积发展动态为花前快,花后稳,蜡熟期衰减缓[6]。

关于干物质的积累高产玉米和普通玉米都出现了较大变化, 但均符合“慢、快、慢”的S 型生长曲线。苗期到大喇叭口期, 由于生长中心在根上, 此时叶面积较小, 生产的有机物质较少且主要供给根系生长, 地上部的干物质积累呈现慢增长。从大喇叭口期到乳熟期, 生长中心主要在地上部器官, 逐步从茎叶转到穗子、籽粒灌浆上, 这时气温较高, 光照强, 叶面积也较大, 光合作用强, 地上物质积累呈现较快增长。从乳熟期到蜡熟期, 气温下降, 绿叶面积也减小, 叶片光合作用减弱, 除了穗子的干物质增加较快外, 其他地上部器官的物质积累均呈现下降趋势, 所以地上部物质的积累出现了平缓增长[7,8]

高产和超高产品种的物质生产在生育中期和后期，玉米植株个体干物质积累呈S形曲线变化；玉米干物质在各器官的分配随生长中心的转移而发生变化，小喇叭口以前干物质主要分配在叶片，之后转为茎叶；散粉后，各器官干物质开始向籽粒转移。高产品种子粒产量主要来源于生育后期叶片制造的光合产物即成为光合产物的分配中心，并与抽雄后具有较高的叶面积指数且持续时间较长密切相关[9]。李登海总结多年的高产经验认为产量15000kg/hm2的夏玉米密度不能低于75000株/hm2[10,11]。超高产玉米品种的苞叶和茎鞘中干物质向籽粒运转率较高,茎鞘中积累的干物质对玉米籽粒的贡献率最大[12]。

1.3 籽粒灌浆

灌浆是玉米生长发育过程中极为重要的生育阶段。玉米的产量受灌浆阶段的干物质积累量的影响较大。灌浆速率受基因型和环境条件的共同影响[13]。

Jorge[14]认为过去30 年玉米产量的提高主要是籽粒灌浆时间延长的结果，建议把灌浆时间作为高产玉米选择的有效指标。对籽粒产量形成的Richards 解析表明，籽粒灌浆启动快且高灌浆速率持续时间和生长活跃期(50d 以上)长的杂交种更容易实现高产。产量15000kg/hm2以上3 个杂交种表现出灌浆前期净光合速率、PEPCase 活性和RuBPCase活性较高，后期净光合速率、叶面积指数和可溶性蛋白含量下降缓慢的特点，整个灌浆期间叶绿素a/b 比值始终较高。净光合速率和叶面积的高值持续期分别达50d 和60d 以上[15]。

超高产玉米品种的籽粒灌浆速率高值持续期显著高于对照品种[16]; 灌浆时间的长短和灌浆速率决定了玉米灌浆时期的干物质积累量[17]。玉米籽粒灌浆速率高值持续期的长短对粒重起决定性作用。延长灌浆过程持续天数,对增加粒重有重要意义。

适当延长灌浆过程持续天数,提高灌浆速率对提高粒重有重要意义。灌浆速率和灌浆过程持续天数均与粒重呈显著相关. 试验结果表明,在生产上适当延长灌浆持续天数,提高灌浆速率对增加粒重有重要意义。玉米籽粒中胚乳占粒重的80%～85%,因此,提高灌浆期胚乳细胞数对提高粒重非常重要[18]。

1.4 生理生态

光合作用是产量形成的基础，作物干物质90%以上来源于光合作用产物。玉米光合特性一直是作物生理生态领域研究的热点。产量15000kg/hm2以上高产品种表现出灌浆前期净光合速率、PEPCase 活性和RuBPCase 活性较高，后期净光合速率、叶面积指数和可溶性蛋白含量下降缓慢的特点，整个灌浆期间叶绿素a/b 比值始终较高[15]。

超高产品种和普通品种SOD、POD、和CAT活性的变化趋势基本相同，超高产品种SOD、POD、和CAT活性显著高于普通品种，而叶绿素和MDA含量显著低于普通品种[19]。

提高产量需要提高后期叶片的光合能力，即保持后期适宜的叶面积指数和较高的叶绿素含量。玉米生育后期具有一个光合效率高、功能期较长的高产群体是获得高产的重要保证。

超高产群体光合势总量适度,经济产量形成期的阶段光合势高;群体光合速率高而稳;群体呼吸占群体光合的比率较低;净同化率与群体叶面积乘积高[20]。

1.5 高产田产量构成

在产量性状上，超高产玉米与普通玉米相比，穗长增加，每穗粒数，百粒重都有所增加。高产玉米杂交种具有单位面积粒数和千粒重均高的双重优势; 在穗部性状中, 穗行数对产量的影响较大, 相对于大穗型品种, 中大穗玉米杂交种更易获得高产, 而小穗型品种则难以获得较高的产量。大穗型杂交种的发育特点为前弱后强, 后期虽有机物生产多, 但由于较大的植株和叶面积呼吸消耗得多, 从而籽粒积累的物质少, 减少了收获指数。中小穗杂交种后期根、叶生理活性下降快, 干物质生产少。中大穗杂交种根叶生长动态合理,能有效利用自然资源, 生产能力强, 且源库协调, 所以产量高[21]。

陈国平等在对2006至2007年全国出现的39块玉米超高产田分析后发现产量在15000kg/hm2以上高产田的产量结构式79725～84630穗/hm2，每穗560～588粒，千粒重347～359g,穗粒重200g左右[22]。