详情
创新带状复合种植技术 实现农机农艺高度融合——四川农业大学“玉米-大豆带状复合种植技术”项目成果
2021-01-06
间套轮作是解决我国玉米、大豆供需矛盾的有效途径。传统玉米大豆间套作因田间配置不合理、大豆倒伏严重、施肥技术不协同和病虫草防控技术缺乏等问题，导致产量低而不稳、难以高产出，机具通过性差、难以机械化，轮作倒茬困难、难以可持续。
在国家973计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家现代农业产业技术体系岗位科学家项目、国家公益性行业（农业）科研专项、四川省科技支撑计划、国家“211工程”“双一流”建设项目等38个项目的支持下，四川农业大学杨文钰教授团队历经18年，构建了带状复合种植资源利用和株型调控理论，研发出“选配良种、扩间增光、缩株保密”的核心技术和“减量一体化施肥、化控抗倒、绿色防控”的配套技术，使玉米产量与净作玉米产量相当、同时能够每亩多收100～150公斤大豆，破解了间套作高低位作物不能协调高产与绿色稳产的难题；研制出相匹配的种管收作业机具，实现了农机农艺高度融合，破解了单、双子叶作物不能同步化学除草的世界难题；形成了“适于机械化作业、作物高产高效和分带轮作”同步融合的技术体系，突破了种植面积扩大难这个大豆产业发展瓶颈，为保证玉米产能、提高大豆自给率提供了新途径。项目技术路线见图1。
1 构建带状复合种植理论体系
创建了带状复合种植“两协同一调控”理论体系，为提升复合系统生产能力奠定了理论基础。
1.1 构建了“高位优先、高低协同”的光能高效利用理论
利用自主研发的光环境测定和模拟装置，采用HHLA、ERCRT和瞬时光传输模型及作物生理学方法，系统研究不同田间配置的群体光环境、作物光响应及其光能利用特征。①光强光质变化规律：构建了带状复合种植群体光强垂直分布与距离地面高度的线性关系模型，光环境分布呈倒金字塔形，塔尖低、塔基高，越靠近塔边（玉米植株）光强和红光/远红光比值越小；玉米穗位叶和大豆冠层的光合有效辐射分别显著高于单作玉米38%和传统间套作大豆22%。率先构建了适合于不同生态区复合种植群体光环境动态模型，发现了适宜带间距和紧凑型玉米下低位作物冠层光环境的优势，弥补了单一时空位点光环境数据的不足。②带状复合种植系统高光效机制：田间配置的优化重塑了叶片形状、姿态和叶绿体结构，上调了捕光色素蛋白复合体的水平，使复合群体光合面积增大、光合时间延长、光合速率提高，玉米穗位叶和大豆叶片光合速率显著高于单作玉米46%和传统间套作大豆35%，系统光能利用率高于其他间套作，玉米的贡献为70%左右。③低位作物大豆高光合机理：揭示了荫蔽下低的红光/远红光比值增加光系统II光化学量子产量20%，增强光系统I反应中心能力，进而提高大豆光合速率的新机制；阐明了耐荫性大豆品种捕光多、转化强，CO2进入多、固定强的高光合机理。形成了“高位优先、高低协同”的带状复合种植光能高效利用理论（图2），实现了间套作高低位作物协同利用光能理论零的突破。
1.2 创建了“以上促下、双向协同”氮素高效利用理论
采用15N同位素示踪、酶学检测等方法及根箱模拟、长期定位试验等手段，研究了复合系统的土壤氮素循环、根系构型及氮素吸收等。①土壤氮素供应能力提升机制：带状复合种植作物根际特异细菌通过调节土壤氨化、硝化等转化过程，降低氨挥发、减少N2O排放，确保玉米氮源充足；并诱导产生大豆带土壤的氮稀释效应；加之地上光合碳源供给增加引起根系分泌类黄酮增多，促进根瘤发育、提升固氮效率，确保了土壤氮源的持续供应。②根系氮素吸收能力提升机制：田间配置优化降低系统内种间竞争、重塑根系构型、增强根系活力，实现氮素吸收形态、区域的互补，并延长吸收时间、增加吸收量，系统氮素吸收量较单作玉米提高5.23%，氮肥利用率达67.8%。③地上光资源与地下养分资源的协同关系：田间配置优化保证了作物根系生长及功能所需的光合产物，根中的蔗糖含量比单作高22%～37%，根系养分吸收能力增强，进而促进地上部生长。由光资源空间互补利用引起的带状套作系统产量较单作玉米增加16.2%，而由地上地下协同的带状套作系统产量较单作玉米增加36.6%。形成了“光照资源优先、养分资源协同”的氮素高效利用理论，实现了间套作地上地下资源协同利用的理论突破（图3）。
1.3 建立了低位作物株型调控理论
采用自主研发的大豆耐荫抗倒评价方法，筛选获得耐荫抗倒存在典型差异的大豆品种，室内模拟和大田光环境相结合，研究了大豆茎秆响应荫蔽的形态、生理和分子机制。①光环境调控机制：明确了带状套作大豆倒伏率与冠层透光率呈指数函数关系（y=376.35e-0.09x，R2=0.87）；遮荫改变大豆ERECTA表达模式，促进赤霉素合成，大豆节间过度伸长，消耗过多碳源，木质素、纤维素合成受阻，茎秆强度降低，倒伏加重。②基因型调控机制：荫蔽下耐荫抗倒大豆品种茎尖赤霉素分解基因GmGA2OX8表达上调，GA4含量降低，节间伸长受抑制，蔗糖消耗减少，既激发木质素合成基因上调表达和纤维素代谢关键酶活性，又为其合成提供充足碳源，茎秆强度大，倒伏减轻。③化学调控机制：荫蔽下外施烯效唑后大豆赤霉素合成基因表达下调，GA1和GA4含量降低，节间缩短32.3%；茎秆可溶性糖含量增加15%，木质素和纤维素含量增高，皮层、韧皮部和木质部增厚，茎秆强度增加44%。“光环境、基因型与化学物质”三协同的带状复合种植低位作物株型调控机制（图4）创新形成了低位作物株型调控理论。
2 研发带状复合种植技术
研发了带状复合种植核心技术与配套技术，破解了间套作高低位作物不能协调高产与绿色稳产的难题。
2.1 创新形成了“选配良种、扩间增光、缩株保密”核心技术
针对田间配置不合理引起的大豆产量低、机具通过性差的问题，应用带状复合种植光能高效利用理论，研究提出了“选配良种、扩间增光、缩株保密”技术方案（图5），明确了玉米带与大豆带的最适间距为0.6～0.7m；确立了玉米密度与单作相当，大豆密度为单作的70%～100%的添加式田间配置方式及其参数，筛选出大豆耐荫抗倒品种16个。大间距小株距实现了种间竞争与种内竞争的平衡，玉米不减产，大豆产量比单行间套作提高39.9%，大豆品质与单作相当。该核心技术已广泛用于其他高低位作物间套作的田间配置。
2.2 研发了“减量一体化施肥、化控抗倒、绿色防控”配套技术
在减量一体化施肥技术方面，针对共生作物施肥不协同、氮肥利用率低的问题，应用氮素协同高效利用理论，提出了玉米大豆一体化与减量施氮的施肥方案，明确了施肥位点、施肥量、施肥次数，研发了专用缓释肥及施肥机具，可减少纯氮4 kg/亩，系统氮肥利用率提高84.8%，年均温室气体排放强度（GHGI N2O）降低45.9%；在大豆化控抗倒技术方面，针对大豆苗期易倒伏，产量降低的问题，利用低位作物株型调控理论，提出扩带间距、选择耐荫品种与烯效唑干拌种、分枝期喷施三融合的化控抗倒技术方案，明确了大豆耐荫抗倒指数0.8～0.9、带间距0.6～0.7 m下的烯效唑施用技术参数，苗期不倒伏，增产20%以上；在病虫草害绿色防控技术方面，针对病虫草害发生规律不明、单作防治技术不适用等问题，揭示了带状复合种植病虫草害发生规律，制定了“一施多治、一具多诱、封定结合”的防控策略，研发了相应的生防菌剂、复配种子包衣剂等绿色防控新产品，创建了芽前封闭除草、苗后茎叶分带定向机械喷药相结合的除草技术，减少农药施用量25%以上，病虫草综合防控率达85%。
3 研制了种管收系列作业机具，率先推出间套作配套农机具
在播种机方面（图6A、图6B），针对“缩株保密”带来的小株距播种精度低的难题，突破了分调分控系统、前倾自适应驱动地轮、可调式单体仿形等关键技术，研制了带状套作播种机和带状间作播种机；在喷雾机方面（图6C），针对玉米大豆带状复合种植不能同步化学除草的难题，突破了分带幕板双施药变量喷雾系统、风幕辅助气流系统、可变轮距等关键技术，研制了分带高地隙喷杆喷雾机，破解了单双子叶作物不能同田除草的难题；在收获机方面（图6D、图6E），针对核心技术带来的行距窄、单位割幅喂入量大的难题，攻克了窄行距割台、主动喂入、低损伤摘穗、球柱组合钉齿式脱粒、双风道高效清选等关键技术，研制了小型玉米联合收获机与小型大豆联合收获机，有效降低了玉米大豆的损失率和破碎率。该部分机具成果的成功研制，既实现了间套作全程机械化作业，又为丘陵旱地作物生产机械化提供了机具选择。
4 集成了玉米-大豆带状复合种植技术体系，构建了“三融合、四圈层、五结合”成果推广新机制
融合品种、技术、机具参数33项，形成了适于机械化作业、作物高产高效和分带轮作同步融合的玉米-大豆带状复合种植技术体系，集成了适用于西南、西北及黄淮地区的春玉米-夏大豆带状套作、春玉米-春大豆带状间作和夏玉米-夏大豆带状间作3套技术模式。制定了首部间套作国家行业标准，连续11年入选国家和四川省主推技术，2019年被遴选为国家大豆振兴计划重点推广技术。
创建了以高产样板为抓手，“科研部门、推广体系、经营主体”三融合的转化体系，“超高产攻关田-千亩示范方-万亩示范片-十万亩推广区”为主线的四圈层推广网络，“高产理论与实用技术、省市县与基层技术用户、项目培训与自主培训、田间样板与技术讲座、农技干部与农民相结合”的五结合培训模式的成果推广新机制。
5 应用推广和效益情况
目前该项目研究成果已在四川、云南、甘肃、宁夏、山东、河北、河南等19省区推广应用，截至2020年，累计推广8000余万亩，新增经济效益274亿元，新增大豆988万吨，减施氮肥32万吨。
应用该成果技术后的玉米产量与原净作产量水平相当，新增套作大豆130～150公斤/亩，间作大豆100～130公斤/亩，相当于净作大豆的50%～70%；大豆籽粒的蛋白质和脂肪含量与净作相当，异黄酮等功能性成分提高20%以上。相对净作，带状复合种植土壤有机质含量增加20%、土壤总有机碳增加7.24%、作物固碳能力增加18.6%，大豆根瘤固氮量提高10%左右，氮肥利用率提高20%～30%，通过根瘤固氮每亩减施纯氮4公斤以上；GWP N2O、GHGI CO2等年均温室气体排放强度分别降低45.9%和15.8%；生物多样性、分带轮作和小株距密植降低了病虫草害发生，农药施用量减少25%～40%。与净作玉米相比每亩实现增收节本400～600元。
该成果获授权发明专利26项（一种用于玉米大豆带状间作的专用肥及施肥方法 ，ZL201510972852.1；一种组装式田间移动遥感监测系统， ZL201711422602.6等），制定标准3项，发表论文296篇，研制机具5款，在间套作理论与技术上取得重大突破，整体达到国际领跑水平，获2019年四川省科技进步奖一等奖。连续11年入选国家主推技术，2019年被遴选为国家大豆振兴计划重点推广技术，为保障我国玉米产能、提高大豆自给率提供了新途径，是2020年国家加大力度推广的玉米、大豆间作新农艺。
