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1、1玉米“三协同”定量优化与高产高效技术创新2017-08-18第十五届全国玉米栽学术研讨会(哈尔滨）汇报人：赵明单位：中国农科院作物科学研究所三协同定量优化内涵气候-作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤-作物协同与改土增密技术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效23（一）理论-技术为学科高级阶段理论理论- -技术性技术性技术-理论性技术性经验性现代现代传统传统高产高产高产高产优质优质高产高产优质优质高效高效高产高产优质优质高效高效生态生态安全安全作物生长发育及其与环境和措施作物生长发育及其与环境和措施关系关系，
2、通过栽培技术调节有效过程，实，通过栽培技术调节有效过程，实现高产、优质、高效、生态、安全。现高产、优质、高效、生态、安全。一、学科理论探索与三协同提出一、学科理论探索与三协同提出统领性统领性局部性局部性枝节性枝节性土壤E2措施M作物G.定量化定量化层次化层次化G.E.MG.E.M栽培学栽培学理论与技术体系理论与技术体系（二）G.E.M是学科理论探索的核心气候E1从G.E.M探索统领性理论与技术从生产系统的气候、土壤和作物的三大要素出发,围绕着玉米高产高效协同提高，将分解为可调控的三个关系.即：气候-作物，土壤-作物，群体-个体“三协同”的定量优化理论研究，并进行技术创新，构建区域特色的技术模式
3、。（三）从三大要素到三个层次“三协同三协同”定量化与层次化定量化与层次化气候-作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤-作物协同与改土增密技术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效6（一）三协同的可定量化选择构建多层次的定量化技术体系是挖掘化作物生产系统的“三协同”高产高效潜力根本出路。选择定量化标准：5性性因素主因素主导性导性计量可行计量可行性性指导操作性指导操作性变量连续性变量连续性气候-作物温光主导生育期和产量积温总量与比值季节性与环节配置等间隔性播期与多品种土壤-作物土壤生产力基础地力与产量差值增产增效目标定
4、量栽培多层次地力基础与动态密度群体个体群体结构与功能产量性能7因素定量化不同产量的动态定量指标软件多层次产量指标动态设计5 5性性3 3层次层次生产实用性生产实用性调节播期布局品种指导冠层耕层优化栽培指导产量层次差和缩差途径二、“三协同”层次化与定量化二、“三协同”层次化与定量化“三协同”理论理论体系框架定量分析系统指标体系构建“三位一体”技术关键技术创新技术模式集成高产高效协同1、气候-作物协同分析系统资源配置定量-积温分配、产量当量（二）“三协同”层次化分析2、土壤-作物协同分析系统土壤供给力与冠层生产力差值定量3、作物器官协同分析系统产量性能定量群体-个体、叶-穗4、“三调三增”关键技术
5、调光温增效率的资源优化配置调肥力增群体的深松密植精播调器官增潜力的深施缓释肥5、“三位一体”技术模式春玉米夏玉米双季玉米玉米栽培创新小组玉米栽培创新小组气候气候- -作物协同作物协同土壤土壤- -作物协同作物协同群体群体- -个体协同个体协同两熟资源优化配置与土壤-根系互作周年资源高效利用与新型种植模式冠层耕层协同优化与群体光氮互作品种环境互作与配套栽培技术高光效群体构建与高产栽培生理中国农业科学院作物科学研究所栽培与耕作中心玉米栽培创新组研究体系（三）“三协同”课题的任务分工课题组与合作单位共同努力，取得显著成效课题组与合作单位共同努力，取得显著成效 。“三协同”定量化与层次化气候气候- -
6、作物协同与新模式构建作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤-作物协同与改土增密技术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效10（一） 构建协同定量优化理论体统11最优利用原则最优利用原则系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配季节内作物高效利用季节内作物高效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力最优利用原则最优利用原则系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配
7、季节内作物高效利用季节内作物高效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配季节内作物高效利用季节内作物高效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力1 1、确定、确定原则原则：提出了周年资源“季节间有效分配”与“季节内高效利用”协同的“资源最优利用原则”三、气候三、气候- -作物协同与新模式构建作物协同与新模式构建2 2、季节间季节间积温
8、分配定量指标体系：积温分配定量指标体系：有效积温分配：积温分配率TDR=(t1, t2)/T；有效积温比值：TR=t1/t2；t为单季有效积温总量，T为周年积温总量明确了不同高产高效两熟模式季节间有效积温、辐射分配指标。表征季节内资源利用效率的“光温生产潜力当量” （TPPE=Y/TPPy，Y为作物实际产量，TPPy为光温生产潜力），水稻、玉米和小麦超高产当量值。玉米的光温生产潜力及当量值高表明玉米具有较高的潜力。00.20.40.60.81W-MD-DM-MM-RW-MD-DW-RW-RM-RR-Rr-r玉米小麦水稻光温生产潜力当量C4C3图3不同两熟模式中作物光温生产潜力当量4 4、季节内
9、季节内高效利用高效利用定量指标定量指标体系：体系：131 1、品种优化与合理布局的品种优化与合理布局的资源资源匹配匹配技术技术（二） 创新关键技术增产11%，光温利用效率显著提高。技术原理：技术原理：选择光能利用率高、氮高效品种；根据多年气象资料和品种所需积温量确定播期和区域品种布局。技术特点：技术特点：按玉米产量潜力当量为70%的原则确定，根据当地积温总量，选择分配不同熟性品种播期：4.22播期：4.11播期：4.4技术效果：技术效果：142 2、冬小麦、冬小麦- -夏玉米双晚双增技术夏玉米双晚双增技术15缩C3延C4根据两季积温分配比值43:57，单季产量潜力当量50%原则调整小麦播期和玉
10、米收获期。小麦晚播10天，调配5%光温给玉米，增加播量，保证群体。玉米晚收10天，充分利用剩余光热资源，机械收获籽粒。技术特点：技术特点：技术原理：技术原理：技术效果技术效果16模式季节产量（kg hm-2）产值（Yuan hm-2）成本（Yuan hm-2）效益（Yuan hm-2）传统模式冬小麦9004.1 22510.4 11558.0 10952.4 夏玉米10261.5 21549.2 7513.0 14036.2 周年19265.6 44059.5 19071.0 24988.5 双晚双高冬小麦8914.5 22286.3 11858.0 10428.3 夏玉米11374.5 23
11、886.5 7813.0 16073.4 周年20289.0 46172.7 19671.0 26501.7 双晚双高模式比传统模式肥水效率提高11%，光、温资源生产效率均提高5%，产量提高1023.4 kg/km2；产值增加2113.2元/ km2；效益提高了1513.2元/ km2。利用C4高光合和品种的温度反应特点，根据两季积温分配，单季产量潜力当量50%原则进行C4作物玉米搭配种植。两季不同熟期品种的配置：短+长中+中两季玉米均采取宽窄行（40+80cm）种植，上下茬两季错位种植。技术特点：技术特点：技术原理：技术原理：以以C4C4替替C3C3173 3、双季玉米周年高产高效种植技术、
12、双季玉米周年高产高效种植技术43%57%双季青贮玉米种养结合模式示范双季青贮玉米种养结合模式示范北方热量限制两熟区为畜牧业发展提供重要的青贮玉米绿色饲料北方热量限制两熟区为畜牧业发展提供重要的青贮玉米绿色饲料, 推进粮改饲推进粮改饲及玉米供给侧改革及玉米供给侧改革，种植业种植业-养殖业种养结合的发展养殖业种养结合的发展。山东东营山东东营天津宁河天津宁河北京通州北京通州河北邢台河北邢台“三协同三协同”定量化与层次化定量化与层次化气候气候- -作物协同与新模式构建作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤土壤- -作物协同与改土增密技术作物协同与改土增密技
13、术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效19生态措施作物冠层穗系统叶系统茎系统耕层产量构成物质生产支撑运转吸收合成根系统根际环境土壤条件营养水分供给1、土壤、土壤-作物核心地位作物核心地位四、土壤四、土壤- -作物协同与改土增密技术作物协同与改土增密技术（一）（一） 构建协同定量优化理论体统构建协同定量优化理论体统WUE土壤供给力作物生产力生态保障肥水调节土壤结构特性土壤营养特性叶系统物质生产特性穗系统物质容纳特性茎系统支撑运输特性根系统吸收运转特性合理密植与种植方式土壤改良与耕作RUENUE土壤-作物协同合理布局与播期合理施肥与灌水建立土壤供给力与作物冠层生
14、产力为核心“土壤作物”协同优化基本构架。212 2、“两力差”、“两力差” 构成要素构成要素22不同农田耕层特征：不同农田耕层特征：高产高效田比障碍农田土壤耕层加深40%，容重降低20%，有机质含量提高40%，氮磷钾含量提高30-50%。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土壤化学生产力来确定土壤供给力。利用自主研发的根-土空间分布取样方法与分析体系研究了高产高效理想耕层与植株深层根系分布特征。通过耕层基础产量与目标产量的差值，结合渐密分析方法（专利号），确定最适密度及冠层定量指标，根据增量的肥水消耗，建立了定量肥水调控方法。（4 4）土壤供给力与作物
15、生产协同优化方法）土壤供给力与作物生产协同优化方法密度产量差值产量差值定量设计定量设计耕层基础产量冠层目标产量产量冠层冠层耕层协同优化协同优化冠层增量yy=abxxc密度产量差值产量差值定量设计定量设计耕层基础产量冠层目标产量产量冠层冠层耕层协同优化协同优化冠层增量yy=abxxc一次作业同时完成播种带的行内推茬清垄、苗带深层施肥、小双行交错精量播种，提高作业效率和播种质量，优化播种带土壤环境，增加了群体容纳量500株/亩。深松宽度为10-20cm，深度25-30cm减小了驱动动力50马力（125降低75）10-15cm小双行交错单粒精量播种N水效率分别提高12.1%和21.5%平均增产8.8
16、%-15.4%。1 1、玉米推茬清垄小双行密植精播技术、玉米推茬清垄小双行密植精播技术技术特点：技术特点：（二）创新了调肥力增群体的改土密植技术技术原理：技术原理：567891011Density(104Pls ha-1)4567891011Yield(Mg ha-1)5.06.07.08.09.010.011.012.013.0SSTCT20092010AB作物学报, 2013, 39(6):1069-1077技术效果：技术效果：15.43.66.54.513.60.05.73.0(%)10.0322.7456.06.60.441047.602.54常规常规11.6344.7484.86.9
17、0.501048.032.61深松深松YGWGNENHIDMNARMLAI处理处理15.43.66.54.513.60.05.73.0(%)10.0322.7456.06.60.441047.602.54常规常规11.6344.7484.86.90.501048.032.61深松深松YGWGNENHIDMNARMLAI处理处理有效增加群体最大容纳量650株/亩，对产量性能各指标具有共正向调节效应，特别是对收获指数(HI)、平均净同化率(MNAR)和穗粒数（GN）效果显著，增产8.8%15.4%25 召开现场会召开现场会以夏玉米推茬清垄深松精量播以夏玉米推茬清垄深松精量播种一体化技术为核心，种一
18、体化技术为核心，20142014年年6 6月在山东泰安召开全国夏播现月在山东泰安召开全国夏播现场会，并在多点进行示范，增场会，并在多点进行示范，增产产12%12%以上。以上。示范点处理亩穗数（万/hm2）穗粒数千粒重（g）产量（t/ hm2）增幅（%）河南滑县CK5.7610326.1511.2-SS6.1621339.6812.914.7河北辛集CK5.9595261.269.2-SS6.5593274.1510.514.0天津武清CK5.3540390.3811.2-SS6.8480384.7312.612.82015年年6月月 通州通州夏玉米播种现场会夏玉米播种现场会2016年年6月月
19、通州通州夏玉米播种现场会夏玉米播种现场会2016年4月辽宁召开全国春播培训会2017年年4月月 通辽通辽春玉米播种培训会春玉米播种培训会将肥料随玉米播种深施，肥料缓慢释放，满足玉米后期需肥，促进根系发育和活力，延缓植株衰老，提高花后光合物质生产能力。2 2、玉米“促根防衰”深施缓释肥技术玉米“促根防衰”深施缓释肥技术技术特点：技术特点：技术原理：技术原理：与传统施肥方式比，花后干物质量提高18.7%，产量提高13.4%，氮肥农学效率提高27.9%。选用缓释肥，利用玉米条带深松精量播种机，肥料随深松刀施于种子正下方8-10cm处，肥料深施深度为12-15cm。技术效果：技术效果：“三协同”定量化
20、与层次化气候-作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤-作物协同与改土增密技术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效32MLAIDMNARHIENGNGWMLAI：生育期内平均叶面积指数；MNAR：平均净同化率; D: 有效生育期产量性能方程：叶系统光合性能等于穗系统产量构成五、群体五、群体- -个体协同与产量层次挖潜个体协同与产量层次挖潜图4基于群体-个体产量分析框架结构分配功能结实图5基于作物体系产量形成机制框架（一）（一） 构建协同定量优化理论体统构建协同定量优化理论体统1、定量化体系构架：通过对作物产量与叶穗
21、系统内在关系的分析，构建了叶穗系统协同定量公式（Y=MALIDMNARHI=ENGNGW=Y）。提出作物实现高产高效调节过程的生理机制（图4、5）。33明确了春玉米和夏玉米产量与效率从农民水平到高产高效水平主要依靠发挥叶系统MALI和后期物质生产，高产群体花后干物质积累量占生育期总干物质积累量比值为0.62，穗系统通过高效物质分配与高效结实增加EN和GN。2、明确了高产高效定量指标、明确了高产高效定量指标1、创建了密植双行与肥水一体化融合技术创建了密植双行与肥水一体化融合技术密度增加密度增加10%、氮肥效率提高氮肥效率提高24.1%、水分效率提高水分效率提高35.4%、产量产量提高提高15.4
22、%，有效防止倒伏早衰有效防止倒伏早衰，实现密植高产实现密植高产。相关专利：相关专利：（ZL2011 1 0021389.4，ZL2007 2 0190042.1，ZL2007 20190043.6）（二）（二） 创新关键技术创新关键技术“三协同”定量化与层次化气候-作物协同与新模式构建三四一二汇汇 报报 提提 纲纲群体-个体协同与产量层次挖潜五土壤-作物协同与改土增密技术六学科理论探索与三协同提出学科理论探索与三协同提出三协同定量优化主要成效三协同定量优化主要成效36（一）取得科技成效（一）取得科技成效1 1、获取相关科技成果、获取相关科技成果六、“三协同”定量优化研究主要成效六、“三协同”定
23、量优化研究主要成效2 2、出版相关专著与论文、出版相关专著与论文3 3、高度评价与引入教课书、高度评价与引入教课书纳入全国农业院校统编教材新内容作物栽培学导论董钻主编2017年成果评价构建了粮食作物生产系统“三协同”理论体系，创新了关键技术与技术模式，整体达到国际先进水平。其中在“三协同”定量化理论分析体系和关键技术创新等方面居国际领先水平。（97.1)（二）集成技术模式（二）集成技术模式基于“三协同”理论指导，创新选品种调播期的资源匹配、培地力增密度的改土密植、防衰老促灌浆的定向调控三个层次协同（气候-作物、土壤作物和群体-个体）共性关键技术，并根据不同作物生产体系的生产问题与特点，构建区域
24、特色的“资源匹配-改土增密-定向调控”三位一体的技术体系。模式模式1 1 春玉米“春玉米“品种优化品种优化- -深松密植深松密植- -深施减氮深施减氮” 技术模式技术模式模式模式2 2 小麦小麦- -玉米“玉米“双晚双增双晚双增- -深松密植深松密植- -抗逆化控抗逆化控”技术模式”技术模式模式模式3 3 小麦小麦- -玉米寄籽玉米寄籽- -机收粒技术模式机收粒技术模式模式模式4 4 双季玉米“双季玉米“资源匹配资源匹配- -错位种植错位种植- -深松抗倒深松抗倒” 技术模式技术模式（三)对专项设计指导(理论部分)资源优化资源优化 配置配置与新模式构建与新模式构建产量效率层次差异机理与途径气候
25、变化响应机制气候变化响应机制与适应性栽培与适应性栽培产量性能方程：42任务1：粮食作物产量与效率层次差异及其丰产增效机制（1项一期）:重点进行粮食作物四产量水平（光温生产潜力、高产纪录、大面积高产、现实产量）两个效率要（肥、水利用效率）（1）差异规律：尺度与区域间差异的幅度与变化特征；（2）形成机制：生产、生态、生理的差异形成机制；（3）障碍控制：因素制约与关键技术互作机制；（4）技术途径：缩小差异的丰产增效调控途径。MLAIDMNARHIENGNGW2017/8/22最优利用原则最优利用原则系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配季节内作物高效利用季节内作物高
26、效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力最优利用原则最优利用原则系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配季节内作物高效利用季节内作物高效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力系统周年最大量输出系统周年最大量输出季节间资源有效分配季节间资源有效分配季节内作物高效利用季节内作物高效利用光照光照积温积温降水降水生态资源输入浪费最少利用最多生态资源输入浪费最少利用最多生产资料输
27、入生产资料输入肥料肥料灌溉灌溉劳动力劳动力任务2：粮食作物资源优化配置及其丰产增效协同调控机制（1项一期）：重点开展粮食主产区不同生产体系的光温与肥水资源的（1）空间分异：区域粮食产能空间分异的资源和生产要素驱动机制；（2）协调过程：不同熟制模式要素季节间配置和在季节内群体结构、功能的动态适应与协调过程与机制；（3）响应机制：高效利用的生理生态调控机理；（4）技术途径：不同尺度有提高光能利用效率（RUE）、水分利用效率（WUE）和养分利用效率（NUE）的技术途径。任务3：气候变化的作物响应机制及其环境代价（3项二期）：重点进行气候变化条件下粮食作物（1）影响程度：气候变化对粮食作物产量、品质、
28、资源利用效率生产的影响及其环境代价；（2）调控过程：利影响的农田管理和生物学调控过程与关键调控机制;（3）适应机制：不同区域粮食作物适应气候变化的生理生态调控机制；（4）技术途径：可持续丰产增效、环境友好的新型耕作与栽培途径。45本团队针对玉米高产高效多目标同步提高的要求基于生产系统基本构成特点，构建了“气候-作物”、“土壤-作物”和“群体-个体”三协同定量优化理论体系，并通过创新的关键技术及模式构建，有效地解决了玉米生产中光热肥水资源与作物需求不协调、土壤条件与支撑高产群体能力不协调、作物体内源库器官不协调等导致作物高产不稳产、高产不高效的问题，实现高产高产+ +高效高效+ +生态生态综合目标提高.有效地推动了玉米栽培学科理论建设和技术创新。结结 语语46谢谢！46