Nature Communications│我院孟庆锋教授课题组揭示我国玉米实现大面积高产的栽培学机制，助力国家玉米单产提升工程

2023年5月6日，《自然-通讯》杂志在线发表了中国农业大学农学院孟庆锋教授课题组最新研究成果—“China can be self-sufficient in maize production by 2030 with optimal crop management”。研究团队通过多年大规模田间研究，建立了玉米实现大面积高产的栽培技术途径，助力国家实施玉米单产提升工程和千亿斤粮食产能提升行动。这项研究还在理论上解析了玉米地上冠层-天气-地下土壤支撑的耦合机制，回答了未来十年我国玉米增产的主要调控技术途径。博士研究生罗宁为该论文第一作者，孟庆锋教授为论文通讯作者。

玉米（Zea mays L.）是我国第一大作物，年总产量占全球23%。近年来我国玉米进口快速增长，2021年达到2835万吨的峰值。由于耕地面积有限，我国玉米生产能否通过持续提高单产来实现自给自足，对于保障全球粮食安全具有重要意义。欧美等国家和地区研究发现，种植密度是玉米单产提升关键指标，密度是协调品种-环境-管理措施之间的纽带。高密度种植造成植株间光能、水分、养分的竞争加剧。在我国特定生态和生产条件下，协调株间竞争与资源利用的矛盾，是实现增密增产的关键，也是全球作物高产生态生理研究领域的热点和重点问题。

为破解上述科学和生产问题，团队在总结151个田间试验2242组数据基础上，构建了基于品种、天气、管理等指标覆盖我国玉米主产区的OPD-RF机器学习模型，开展理论框架设计。理论设计表明，当前全国平均优化种植为每公顷7.8万株。在优化密度条件下，全国玉米产量为每公顷11.7吨。与当前农民产量水平相比（每公顷6.0吨），优化种植密度可以使我国玉米产量接近翻一番。优化密度和产量在四大玉米主产区之间存在一定差异。

图1优化密度和产量的理论设计

为进一步验证上述理论结果的实际可行性，2017至2020年期间，团队在我国主要玉米生态区开展了87个田间试验（地点×年份），进一步证实了玉米增密增产潜力。结果表明，田间优化密度与理论设计结果一致，平均密度是每公顷7.8万株，也实现了相似的产量水平。

图2田间试验验证优化密度和产量

田间研究发现，与对照处理相比，采用优化种植密度和高产栽培品种，产量平均提高21%，也几乎是当前我国农民生产平均产量的两倍。进一步分析表明，品种改良和优化密度对产量提升的贡献分别是5.9%和7.3%，密度和品种互作对产量提升的贡献是7.4%。

图3产量提高来自优化的品种和密度及两者的相互作用

采用本研究的优化种植密度，2030s年我国玉米总产将达4.92亿吨，能够实现玉米生产和需求的自给自足。在未来，通过栽培技术的进步，结合优良品种的使用和土壤质量提升等综合手段，能够大幅缓解气候变化的影响。

图4基于不同情景的玉米密度和产量预测

总结：通过大面积田间试验数据，证实当前我国玉米的最佳种植密度为每公顷7.8万株，对应产量为每公顷11.7吨，较当前农民产量增加一倍左右。在未来，采用优化的栽培措施，结合优良品种，能够满足我玉米生产和需求的自给自足。在当前全球粮食增产缓慢甚至停滞的大背景下，该研究结果为粮食单产持续提升提供了新案例。

致谢：王璞教授对该研究进行了全程指导，论文的第一和通讯单位均为中国农业大学。中国农业大学农学院博士研究生罗宁为论文第一作者，孟庆锋教授为论文通讯作者。中国农业大学土地科学与技术学院冯璞玉副教授、澳大利亚新南威尔士大学刘德立研究员、德国波茨坦气候影响研究所Christoph Müller博士、中国农业大学农学院博士研究生屈子人和硕士生于永洪共同参与了此项研究。该研究得到了河北省重点研发计划（22326408D）、国家重点研发计划（2016YFD0300300）和中国农业大学“人才培育发展支持计划”项目资助。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38355-2