第四节     作物产量的潜力

在充分理想条件下所能形成的产量，即作物产量的潜力得到充分发挥时所能达到的产量，称为潜在生产力或理论生产力，在具体的生产条件下所能形成的产量，称为现实生产力。不断提高作物产量，是作物栽培学研究的目标和发展方向。

一、作物产量潜力

作物单位面积产量究竟能达到多高水平，也就是作物的生产能力究竟有多大?这是人们特别是农业工作者十分关心的问题。在1991年召开的“作物产量的生理和决定”国际学术研讨会上，美国学者G.Still提出了作物产量的4个“A”即：Al为绝对产量(Absolute yield)，A2为可达到的产量(Attainable yield)，A3为合算产量(Affordable yield)，A4为实际产量(Actual yield)。绝对产量是在充分理想条件下所能形成的产量，即作物产量的潜力得到充分发挥时所能达到的产量，称为潜在生产力或理论生产力，其决定于品种(基因型)的遗传潜力；可达到的产量是往往受环境条件的种种制约；合算的产量取决于栽培管理的经济条件和效益；而实际的产量是在具体的生产条件下所能形成的产量，它与前三种产量的差距往往是很大的。他提出运用科学技术应当缩小以上四者的差距，使实际产量逐渐与绝对产量接近。对于作物生产潜力的大小有多种估算方法，最常用的是根据对太阳辐射的光能利用率进行估算。

（一）光合生产潜力的估算

1.第一种估算方法

太阳辐射能进入地球大气后，能量是相当大的，这些射到地面作物群体上的太阳能有三个去向，一是被反射掉一部分，二是漏射到地面被土壤吸收一部分，三是被作物群体利用的部分。在被作物吸收的这部分当中也并不能全部用于光合作用，能够用于光合作用的部分(光合有效辐射)约占总辐射的47%，其余的一半多转化成热而散失于空气中。还有光合有效辐射也不能全部转化到光合产物中，据测定，光合作用的最大转化效率为28%。

    假设在最优条件下，按反射和漏射占15%，光合有效辐射占总辐射的47%，最大光合作用转化效率为28%，呼吸消耗占50%，非光合器官吸收10%，那么：

         最大光能利用率＝(1-0.15)×0.47×0.28×(1-0.5)×(1-0.1)＝5%

也就是说，太阳总辐射的最大利用率的理论值为5%左右。国内外不少学者也大致得出了5%～6%的结论。目前我国见诸文字报道的粮食作物单产最高纪录有：湖南l亩水稻亩产891.5公斤；青海3.9亩小麦亩产1013公斤；吉林13.5亩玉米，亩产l113公斤。这些创高产的纪录，其光能利用率比较高。目前我国农田的平均光能利用率仅为0.32%～0.4%，全世界农田平均为0.2%，地球上水陆植物平均仅有0.1%，可见作物产量还有很大的潜力可挖。

2.第二种估算方法

R.S.Loomis等(1963)在探讨光合生产力上限时，假设了一种理想环境条件，即除了太阳辐射以外，所有其他生态因子均处于最适水平，作物达到完全覆盖，叶片光合作用的量子效率达最大值，这时作物产量的高低仅取决于太阳辐射。作物光合作用所利用的光合有效辐射(PAR)约占太阳总辐射的44%。据Moon计算，大气质量为2时，光合有效辐射(400～700nm)区间的量子数在每焦耳总辐射中的估计值为2.064µE（µ爱因斯坦）。若太阳总辐射为2093.4J/c㎡·d，群体反射为5%～10%（平均8.33），非光合色素吸收10%，呼吸损失占33%，量子转化率为还原1个C0₂分子需要10个光量子或每还原1µmol C0₂需要10个µE，那么，光合生产潜力(日生产率)的计算如下：

    总辐射：2093.4J/cm²·d

    光合有效辐射(PAR)：921.1J/cm²·d(占44%)

    总量子数：4320µE/cm²·d(2093.4J×2.064µE/J)(400～700m)

    反射损失：360µE/cm²·d(占8.33%)

    非光合色素吸收：432µE/m²·d(占10%)

    用于光合总量子数：3528µE/cm²·d

    生产的(CH₂O) 353µmol/cm²·d （还原1个C0₂分子需要10个光量子或每还原1µmol C0₂需要10个µE）

    呼吸损失(CH₂O )：116µmol/cm²·d(占33%)

    净生产(CH₂O )：237µmol/cm²·d=2.37mol/m²·d（1µmol=10-6mol）

    净干物质生产：71.1g/m²·d(2.37mol/m²·d ×30g)(1mol CH₂O为30g)=3.3964µg/J

根据上述推算，在太阳总辐射值为2093.4J/cm²·d的地区，其光合生产潜力为71.1g/m²·d。由此可以换算出每焦耳太阳辐射生产净干物质3.3964µg，这是一个非常有用的数值，可用来估算不同辐射量下的光合生产潜力。如果净干物质占总干物质的92%(无机成分占8%)，则作物生产潜力为77g/m²·d。光合作用最初产物是葡萄糖，1mol CH₂O的产热量为468.922kJ，按上述干物质生产量:

光能利用率=(237µmol×10-6 ×468.922×103)/2093.4=5.3%(占总辐射的比率)

或5.3%/0.44=12%(占光合有效辐射的比率)。

     目前，实际生产中的光能利用率仅为0.5%～1.5%，可实现的理想最高利用率为3%～5%，每公顷产量可达到l5000～22500kg(汤佩松，1982)。

    黄秉维(1985)在估算年光合生产潜力时，提出了估算系数0.123，即由总辐射换算光合生产潜力的系数，其估算公式为

Pf=0.123Q(Q为每cm²年总辐射量cal/cm²·a ，lcal=4.1868J；Pf为干物质生产量，斤/亩)。

或Pf=220.3Q(Q为每cm²年总辐射量kJ/cm²·a ，Pf为干物质生产量kg/hm²)。

3.太阳辐射资源

    全年太阳辐射量的分布，因纬度、季节、太阳日照时数和地势的不同有很大差异。从全国来说，青藏高原最多，可达779千焦/cm²·年；四川盆地最少，为335～449千焦/cm²·年；多数地区为586千焦/cm²·年。山西省太阳辐射量的分布，一般呈由南向北递增的趋势，如晋南盆地为502～523千焦/cm²·年，晋北盆地为586～603千焦/cm²·年。全年太阳辐射量中只有在作物可生长季节内的才可以被作物利用。山西不同地区气候差异较大。不同地区可利用的太阳辐射能不同。无霜期最短的地区(75～80d)只能利用当地全年太阳辐射量的21%～22%；无霜期最长的地区(205d)可利用当地全年太阳辐射量的56.4%。但由于每种作物在不同地区的生育期有限，而且受温度、降雨等因素的影响，所以各种作物只能利用其生育期间的那部分辐射资源。因此，在作物生产上，采用合理的种植制度和种植方式，改善栽培条件，就能较充分地利用当地的太阳辐射资源。

(二)温度资源和光温生产潜力

温度虽然不是作物生长发育的源，但是，作物的生理代谢、生化反应及生长发育均受温度所制约，特别是光合速率随温度变化而有很大不同。作物的每一生命活动过程都限制在一定的温度范围内，并有最低、最适、最高温度界限，在最适温度下，作物生长发育良好。但是，作物在系统发育过程中形成了适应不同地区温度等环境条件的生态型，因而能在较宽的温度范围内生长。通常，温带禾谷类作物在3～5℃时萌动，10℃以上活跃生长；C₄作物和C₃作物水稻开始生长的界限温度为12～15℃，生长最适温度，前者为25～35℃，后者为20～25℃，C₄作物在成熟阶段对早霜十分敏感。孙惠南(1985)对光合生产潜力的温度订正时，采用了无霜期这一指标。无霜期的物理意义较明确，即温度降到0℃时出现霜冻，作物在出现霜冻前已受冷害或冻害，最低温度高于0℃，白天的温度可以达到作物活动温度，因此，无霜期是重要的农业气候指标，无霜期越长，对作物生长越有利。无霜期在年际间随气候变化而有所不同，实际应用时应遵照各地传统的安全期。

无霜期是个累积数字，即一年中从春天最后一次霜(终霜)至秋天第一次霜(初霜)的天数，便于计算。如果设某地无霜期为n天，以n/365表示光合生产潜力的温度有效系数T，该地作物的光温生产潜力PT=Pf·T。在有霜冻的地区，T值必然小于1。(1～n/365)为温度衰减系数，即无霜期以外的温度系数，在全年无霜的地区，T值为1，衰减系数为0，表示温度对光合生产潜力不起限制作用。

我国是一个多霜的国家，大部分地区位于温带，有霜范围很广。一般年份，除海南岛、云南省和台湾省部分地区外，均有霜冻出现。据统计，东北地区无霜期在150天左右，黑龙江省的北部在100天左右，华北地区为200天，长江流域250天，华南地区300天以上，有的年份全年无霜。将各地区的温度有效系数乘上光合生产潜力，便得出各地区的光温生产潜力。经过温度有效系数订正后，所得的光温生产潜力普遍低于光合生产潜力，而且，东北和青藏高原等气温较低的地区衰减较多，光温生产潜力的分布显示了明显的纬度地带性，与实际产量水平的差异有所缩小。但是，西部干旱、半干旱地区的光温生产力仍然比较高，与实际生产潜力尚有较大的脱节。

    （三）水资源与光温水生产潜力

水是作物环境中最活跃的因素，也是作物生命活动的基础。水作为作物植株体内的主要成分，约占鲜重的70%～90%，水又是光合作用的原料，是物质运输、根系吸收矿物质以及所有生化过程的必要介质。水在作物产量形成中的作用是十分重要的。孙惠南(1985)在对光温生产潜力进行水分有效系数(W)订正时，采用了降水与蒸发力的比值，蒸发力用彭曼法求得。水分有效系数W值＜1。在降水大于蒸发力时，根据具体情况确定W值，主要依据径流产生的数量。如果降水与蒸发力差值小于当地径流深度，W值取1，表示降水可以满足蒸发蒸腾需要，而且不过湿，水分因素不限制光温生产潜力的发挥。当降水大于蒸发力与径流深度之和时，W值应小于l，表示过于湿润。将水分有效系数乘以光温生产潜力，即可求得光温水生产潜力Pw=Pf·T·W。由于太阳辐射、温度、水分均属气候因子，所以可以把光温水生产潜力称为气候—生物生产潜力。对比光温生产潜力与气候—生物生产潜力图，不难看出，在考虑了水分条件的限制后，气候—生物生产潜力与实际生产力变化趋势更接近，呈现自南向北递减的规律及自东北向西南的等值线走向，反映了我国地带性因素和季风气候影响的自然特征。

    通过上述光、温、水资源与作物生产潜力分析，可以得出如下结论：①我国广大地区光照条件较好，光合生产潜力高，作物产量水平较低的西部地区，光资源比东部好；②东部地区温度、水分条件与光照条件配合协调，生产潜力高；③限制光合生产潜力的主要因子，西部地区是水分不足，青藏高原和东北地区是低温；④气候～生物生产潜力与实际生产力变化趋势相一致，可作为确定产量目标的依据。

    目前，水稻的实际产量水平，与理论产量差距还相当大，这正是作物增产的潜力所在。事实上，近年来已有一些高产纪录出现，新疆73.4 hm²玉米，平均单产达15465kg/hm²；青海0.26hm²小麦，单产为15195kg/hm²；贵州水稻单产超过15000kg/hm²等等。说明通过品种改良和栽培技术的改进，最高现实生产力是可以实现的。

二、提高产量潜力的途径

（一）限制光能的原因

 1.光能转化率低；2.一年中作物生长初期覆盖度较小；3.中高纬度地区，每年有一段低温时期，生长仅限于春夏两季；4.光合作用过程受空气中二氧化碳浓度的影响；5.营养缺乏；6.病虫害的危害等等。

(二)实现光合潜力理论值的条件

针对以上原因，从理论上讲，要达到光合潜力理论值的高限(5%～6%)，必须具备下列条件：1.具有充分利用光能的高光合效能的作物品种；2.空气中二氧化碳浓度正常；3.环境因素均处于最佳状态；4.具备最适于接受和分配阳光的群体结构。

（三）提高光能利用率的途径

    在作物生产上应从改良品种和改善环境两方面考虑。

1.培育高光效品种

要求作物品种具有高光合能力，低呼吸消耗，光合作用能保持较长时间，叶片大小、着生角度适当，株型、长相均有利于田间群体最大限度地利用光能。

2.充分利用生长季节，合理安排种植制度

采用间作、套种及复种等方式，增加复种指数，在温度许可的范围内，一年内在同一块土地上延长作物生长时间，特别是在光合潜力最大的时期，使单位土地面积上有较大的绿叶面积，以求提高光能利用率。

3.采用科学合理的栽培措施

首先要因地制宜合理安排种植方式，调节群体内的光分布，建立一个合理的群体结构，最大限度地利用光能。其次要加强科学管理，正确运用水肥促控措施，以满足作物各个阶段对外界环境的要求，适时防治病虫害，保证作物健壮生长。

4.运用现代科学研究新成果，提高光合效率

       随着作物生产集约化程度的提高，作物栽培的促控技术日益受到人们的重视。如利用现代数学方法和电子计算机等手段、建立作物生长模型，利用多指标多手段调控作物生长发育向有利于人们需要的方向发展，还有作物模式化栽培，专家决策支持系统、地膜覆盖技术、化控技术等的应用，对挖掘作物增产潜力均起了很重要的作用。为了在不久的将来实现作物产量的潜力，仍需在以上几个方面不断继续深入地探讨研究。