基于粒收新品种协同氮肥优化的低能耗可持续高产玉米体系
2024年5月7日，Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊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—“Enhancing sustainability in the new variety-based low emergy system for maize production by nitrogen optimization”。研究团队联合河南农业大学农学院，山东省农业科学院作物研究所，通过在华北平原开展的三年三点田间定位试验，提出了一种基于玉米新品种协同氮肥优化的低能耗可持续生高产体系（LES）。LES田间产量11.2 Mg ha-1，氮肥用量平均为157 kg ha-1。与当前农户系统（CFS）相比，LES减少了 33.0-39.3% 的氮足迹和碳足迹、生态和人类健康成本，提高了18.2%的可持续性。在读博士生屈子人，已毕业博士生罗宁，河南农业大学农学院郭家萌副教授为论文共同第一作者，孟庆锋教授为通讯作者。
近年来，机械化粒收的生产需求推动玉米体系转型升级，转型需要新品种驱动。自绿色革命以来，玉米产量提高主要得益于品种高生物量累积。同时，气候变暖导致无霜期延长也为长熟期品种积累高生物量提供了有利条件。然而，玉米机械化粒收要求籽粒生理成熟后有足够时间或积温脱水，以降低籽粒含水量，需要中短熟期品种。中短熟期品种也具有独特优势：（1）由于生育期在一定程度上缩短，生长过程中遭受高温、干旱等非生物胁迫几率降低。与传统品种相比，产量潜力不一定显著下降。（2）较短的生育期可能会降低氮肥素需求，有利于化学肥料减施。综合生产过程来看，以中短熟期品种应用为基础的玉米体系，由于具有高产、低氮投入、机械化籽粒收获等特点，具有实现绿色可持续发展的潜力。本研究综合回答以下科学问题：（1）与农户传统相比，LES使用了中短生育期粒收新品种，能否实现较高或类似的产量水平？（2）基于新品种的LES体系减少化学氮肥投入的生理机制是什么？（3）LES能否同时实现生态系统环境、社会经济效益和可持续性的协调统一？
研究结果发现，过去二十多年（2000-2020）LES新品种（京科系列）平均产量潜力为12.5 Mg ha-1，仅比传统品种ZD958低0.7 Mg ha-1（图1）。然而，随时间推移，两品种间产量潜力差异逐渐缩小，近六年（2015-2020）两品种产量潜力相似（11.5 -11.8 Mg ha-1），无显著差异。在田间试验中，两品种实现产量为11.2–11.6 Mg ha-1。
图 1 试验点位置、品种产量潜力变化和试验期间籽粒产量与施氮量关系
与传统品种相比，LES新品种生育期缩短了5.3天，优化施氮量为157 kg ha-1，比CFS低42%。两品种在生理成熟期氮素田间吸收总量相似，但新品种叶片和籽粒氮浓度更高，茎秆氮浓度降低（图2）。进一步通过15N示踪试验，发现新品种吐丝期至生理成熟期茎秆氮再转运效率高达38.9%，比传统品种高5.4%。
图2 玉米新品种和传统品种在生理成熟期的生物量、氮吸收、氮浓度
由于在相似高产水平下，大幅度降低了氮肥投入，实现了机械化籽粒收获，降低了生产过程能耗等，LES系统可持续性综合提高了18.2%，同时显著降低碳和氮足迹、生态和人类健康成本33%以上（图3）。
图3不同体系的综合评价
研究建立了基于粒收新品种协同氮肥优化的低能耗可持续高产玉米体系，中国农业大学农学院王璞教授对研究全程指导，山东省农业科学院作物研究所徐杰博士对田间研究等给予特别帮助。研究获国家重点研发计划、河北省重点研发计划、中国农业大学2115人才发展计划、拼多多-中国农业大学科研基金等项目资助。团队近些年围绕基于大数据算法的高产作物体系设计与实现、基于生理过程理解的高温干旱逆境栽培调控、作物肥水高效利用等方向取得了一系列进展，相关研究发表在Nature Communications等知名刊物。