以下文章來源于南北學(xué)苑 ，作者劉丙新

      最近10年美國玉米單產(chǎn)增速放緩甚至接近停滯的現(xiàn)象與思考，先看幾張圖表，再思考以下幾個(gè)問題。

圖1 美國玉米單產(chǎn)變化趨勢1866-2022年

圖2 美國玉米單產(chǎn)變化趨勢 1950-2023年

 圖3 美國玉米單產(chǎn)變化及趨勢模型 1980-2023年

圖4 美國玉米單產(chǎn)變化 1994-2022年

圖5美國玉米、大豆、小麥單產(chǎn)增速放緩

      現(xiàn)象規(guī)律：整體上從1936至今，美國玉米單產(chǎn)創(chuàng)造了奇跡。且單產(chǎn)還在持續(xù)增加。不同年份時(shí)間段單產(chǎn)趨勢的變化（斜率）不太一致。

      1866-1936年（圖1），開放授粉到農(nóng)家種時(shí)代，產(chǎn)量幾乎沒有變化；

      1937-1955年（圖1），雙交種時(shí)代，每年增加0.8 bushels/acre。主要原因是Pioneer, Funk,和DeKalb專業(yè)公司專門生產(chǎn)商業(yè)種子，提高了種子質(zhì)量，品種的耐旱性、抗倒伏、耐密性都有了提高，還有化肥的使用。

      1956-2022年（圖1），單交種時(shí)代，每年增加1.89 bushels/acre。得益于品種改良、氮肥、殺蟲劑、農(nóng)業(yè)機(jī)械化以及土壤和作物管理、轉(zhuǎn)基因性轉(zhuǎn)等因素。

      2013-2023年（圖3、圖4），單產(chǎn)增加幅度放緩為約每年1.05 bushels/acre。

      2013年美國大豆、小麥和玉米一樣單產(chǎn)增速都明顯放緩（圖5）

      一、思考及問題：

      什么原因?qū)е?013年以來美國玉米單產(chǎn)增速放緩甚至接近停滯了？未來趨勢如何？單產(chǎn)是否還能持續(xù)以較高水平持續(xù)增加？

      二、對(duì)我們育種的啟示？

      單產(chǎn)增加趨勢的斜率（趨勢線）主要是由雜交種、害蟲防治、土壤管理、機(jī)械化、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等農(nóng)業(yè)技術(shù)的重點(diǎn)變化引起的。趨勢線的逐年偏離（變化）主要是由生長條件的逐年變化引起的（例如天氣和病蟲害）?？蹿厔荩瑫r(shí)間段短的話需要非常慎重，因?yàn)閭€(gè)別特殊年份的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致對(duì)預(yù)估產(chǎn)生很大的影響。比如2012年到干旱導(dǎo)致大幅減產(chǎn)。一般分析從1956年以后的時(shí)間段，因?yàn)樵摃r(shí)間段占了當(dāng)時(shí)和現(xiàn)在玉米產(chǎn)量變化的93%。

      美國從1996年開始推廣轉(zhuǎn)基因玉米，到2008年普及率超過80%。2007年Schill預(yù)測由于抗蟲、耐除草劑的轉(zhuǎn)基因推廣，到2030年玉米單產(chǎn)將達(dá)到300蒲式耳每英畝。但實(shí)際上美國農(nóng)業(yè)部-國家統(tǒng)計(jì)局的單產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，過去的25年（1996-2020年），單產(chǎn)趨勢基本還是每年每英畝1.9蒲式耳的增產(chǎn)（圖1），產(chǎn)量趨勢線沒有明顯變化。反映了目前使用的轉(zhuǎn)基因性狀并沒有真正提高遺傳產(chǎn)量潛力，這些性狀只是保護(hù)了雜交種的內(nèi)在產(chǎn)量潛力，同時(shí)有可能減少農(nóng)民對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的依賴。從圖3和圖4中，明顯看到從2013到2022年單產(chǎn)增幅放緩很明顯。分析原因主要有2個(gè)：

      1、自2006年以來，玉米需求的增加，尤其是乙醇需求的增加，導(dǎo)致美國玉米種植面積增加。2006-2023年平均種植面積8240萬英畝，比1990-2005年平均約7040萬英畝，增加了約17%。且增加主要來自堪薩斯州、北達(dá)科他州、南達(dá)科他州、內(nèi)布拉斯加州和明尼蘇達(dá)州等低產(chǎn)量地區(qū)，影響美國全國玉米平均產(chǎn)量。據(jù)估計(jì)，2006年之后增加的面積使美國平均玉米產(chǎn)量下降了2.2蒲式耳，也導(dǎo)致了美國玉米產(chǎn)量趨勢估計(jì)的小幅下降。

      2、Scott Irwin（University of Illinois）指出實(shí)際產(chǎn)量受氣候影響比較大，Thompson-style回歸模型考慮到了時(shí)間趨勢、玉米種植比例，主要種植季節(jié)的降雨、溫度等因素。該模型解釋了美國玉米平均產(chǎn)量98%的變化。實(shí)際情況以及使用模型分析剔除天氣影響后，2013年以后單產(chǎn)趨勢變化沒有統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化，2013年以后實(shí)際單產(chǎn)偏低，沒有按照趨勢增產(chǎn)，很大的原因是天氣不利于生長，而不是玉米生產(chǎn)技術(shù)影響。

      其他原因：美國農(nóng)業(yè)部的測量方法發(fā)生了變化；種植戶計(jì)算投入產(chǎn)出收益，放緩了化肥農(nóng)藥的投入等

      未來趨勢如何？單產(chǎn)是否還能持續(xù)以較高水平直線增加？

      1950年以后美國玉米單產(chǎn)持續(xù)以1.9蒲式耳每年每英畝的增速增長，原因有很多，主要有原來單產(chǎn)基數(shù)低、化肥、遺傳改良育種、高質(zhì)量種子、機(jī)械化、除草劑殺蟲劑殺菌劑等農(nóng)藥、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、種植管理技術(shù)等綜合原因。智種網(wǎng)之前分享過一些文章表明，過去幾十年的品種在理想環(huán)境下單株產(chǎn)量潛力幾乎沒有變化，主要變化是新品種更加耐密、更適合新氣候及種植環(huán)境下的非生物脅迫，灌漿期延長等變化。李少昆老師的圖表也顯示美國玉米單產(chǎn)的增加很大程度上由于種植密度的提升。湯繼華老師團(tuán)隊(duì)最近幾年的重點(diǎn)方向也是奔著每畝6000-7000株/畝測試和推廣努力。

      美國玉米種植密度目前多數(shù)在6000株多一點(diǎn)，平均約5700株/畝。美國歷年高產(chǎn)競賽獲勝者的種植密度多分布在5700-7300株/畝。未來主要種植密度能增加多少呢？目前美國玉米種植行距主流是30英寸（76cm），而玉米的株距極限是5英寸（約12.7cm）,株距再小就會(huì)影響產(chǎn)量。按照行距76cm，株距12.7cm，密度約6900株/畝。個(gè)人推測美國玉米如果要繼續(xù)增加密度超過7000株/畝，只能縮小行距，比如寬窄行，寬行30英寸，窄行距20英寸等措施。由于變更種植模式，需要播種、收獲機(jī)械配套導(dǎo)致最近密度增加趨緩；再加上種質(zhì)資源、育種改良長期以來都是在傳統(tǒng)76cm的行距下完成，可能沒有適宜窄行距更高密度下的品種也是原因之一。

      70年以來玉米的收獲指數(shù)基本是0.52，未來繼續(xù)提高單產(chǎn)大概率也是繼續(xù)增加單位面積的生物能。而增加種植密度能更高效合理地利用光熱、水分、肥料等資源。推測在種植密度低于8150株/畝以前，美國玉米單產(chǎn)大概率還是以較高增速持續(xù)增加，8000-12000株需要實(shí)現(xiàn)矮稈玉米，株高大概率在170-210cm之間。

      圖表出自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院李少昆老師PPT

      對(duì)我們育種的啟示？

      耐密育種：在我們主流株距是60-65cm，密度達(dá)到7000-7500株/畝以前（極限株距15㎝），最主要的育種方向就是耐密育種。

      適宜未來種植模式和環(huán)境：要充分考慮8-10年以后需求和種植模式的變化，選育、測試階段就要采取8年之后的種植模式。

      以上純屬個(gè)人基于有限信息的分析和思考，不同區(qū)域要充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況速度來制定合理的育種方向，比如耐低度鹽堿，坡地山區(qū)肯定和平原地塊的好地是不一樣的。

      最后，美國玉米最近10年單產(chǎn)增速放緩的原因猜測是否有主流品種的雜優(yōu)模式單一，種質(zhì)遺傳背景同質(zhì)化有關(guān)系，也懷疑是否有可能和大量使用單倍體育種有關(guān)系。留待有了解情況的老師指點(diǎn)交流。

      部分參考資料：

      1蒲式耳/英畝＝0.062719012噸/公頃＝4.18126749公斤/畝

      春節(jié)專輯|未來玉米產(chǎn)量提高的機(jī)會(huì)（1）https://mp.weixin.qq.com/s/QlC6xwnbqlq-T_YDVOxgag

      Historical Corn Grain Yields in the U.S.      February 2023 https://www.agry.purdue.edu/ext/corn/news/timeless/yieldtrends.html?ref=thedailyeudemon.com