以下文章来源于南北学苑 ，作者刘丙新
最近10年美国玉米单产增速放缓甚至接近停滞的现象与思考，先看几张图表，再思考以下几个问题。
图1 美国玉米单产变化趋势1866-2022年
图2 美国玉米单产变化趋势 1950-2023年
图3 美国玉米单产变化及趋势模型 1980-2023年
图4 美国玉米单产变化 1994-2022年
图5美国玉米、大豆、小麦单产增速放缓
现象规律：整体上从1936至今，美国玉米单产创造了奇迹。且单产还在持续增加。不同年份时间段单产趋势的变化（斜率）不太一致。
1866-1936年（图1），开放授粉到农家种时代，产量几乎没有变化；
1937-1955年（图1），双交种时代，每年增加0.8 bushels/acre。主要原因是Pioneer, Funk,和DeKalb专业公司专门生产商业种子，提高了种子质量，品种的耐旱性、抗倒伏、耐密性都有了提高，还有化肥的使用。
1956-2022年（图1），单交种时代，每年增加1.89 bushels/acre。得益于品种改良、氮肥、杀虫剂、农业机械化以及土壤和作物管理、转基因性转等因素。
2013-2023年（图3、图4），单产增加幅度放缓为约每年1.05 bushels/acre。
2013年美国大豆、小麦和玉米一样单产增速都明显放缓（图5）
一、思考及问题：
什么原因导致2013年以来美国玉米单产增速放缓甚至接近停滞了？未来趋势如何？单产是否还能持续以较高水平持续增加？
二、对我们育种的启示？
单产增加趋势的斜率（趋势线）主要是由杂交种、害虫防治、土壤管理、机械化、精准农业等农业技术的重点变化引起的。趋势线的逐年偏离（变化）主要是由生长条件的逐年变化引起的（例如天气和病虫害）。看趋势，时间段短的话需要非常慎重，因为个别特殊年份的数据可能导致对预估产生很大的影响。比如2012年到干旱导致大幅减产。一般分析从1956年以后的时间段，因为该时间段占了当时和现在玉米产量变化的93%。
美国从1996年开始推广转基因玉米，到2008年普及率超过80%。2007年Schill预测由于抗虫、耐除草剂的转基因推广，到2030年玉米单产将达到300蒲式耳每英亩。但实际上美国农业部-国家统计局的单产数据显示，过去的25年（1996-2020年），单产趋势基本还是每年每英亩1.9蒲式耳的增产（图1），产量趋势线没有明显变化。反映了目前使用的转基因性状并没有真正提高遗传产量潜力，这些性状只是保护了杂交种的内在产量潜力，同时有可能减少农民对化学农药的依赖。从图3和图4中，明显看到从2013到2022年单产增幅放缓很明显。分析原因主要有2个：
1、自2006年以来，玉米需求的增加，尤其是乙醇需求的增加，导致美国玉米种植面积增加。2006-2023年平均种植面积8240万英亩，比1990-2005年平均约7040万英亩，增加了约17%。且增加主要来自堪萨斯州、北达科他州、南达科他州、内布拉斯加州和明尼苏达州等低产量地区，影响美国全国玉米平均产量。据估计，2006年之后增加的面积使美国平均玉米产量下降了2.2蒲式耳，也导致了美国玉米产量趋势估计的小幅下降。
2、Scott Irwin（University of Illinois）指出实际产量受气候影响比较大，Thompson-style回归模型考虑到了时间趋势、玉米种植比例，主要种植季节的降雨、温度等因素。该模型解释了美国玉米平均产量98%的变化。实际情况以及使用模型分析剔除天气影响后，2013年以后单产趋势变化没有统计意义上的显著变化，2013年以后实际单产偏低，没有按照趋势增产，很大的原因是天气不利于生长，而不是玉米生产技术影响。
其他原因：美国农业部的测量方法发生了变化；种植户计算投入产出收益，放缓了化肥农药的投入等
未来趋势如何？单产是否还能持续以较高水平直线增加？
1950年以后美国玉米单产持续以1.9蒲式耳每年每英亩的增速增长，原因有很多，主要有原来单产基数低、化肥、遗传改良育种、高质量种子、机械化、除草剂杀虫剂杀菌剂等农药、转基因技术、种植管理技术等综合原因。智种网之前分享过一些文章表明，过去几十年的品种在理想环境下单株产量潜力几乎没有变化，主要变化是新品种更加耐密、更适合新气候及种植环境下的非生物胁迫，灌浆期延长等变化。李少昆老师的图表也显示美国玉米单产的增加很大程度上由于种植密度的提升。汤继华老师团队最近几年的重点方向也是奔着每亩6000-7000株/亩测试和推广努力。
美国玉米种植密度目前多数在6000株多一点，平均约5700株/亩。美国历年高产竞赛获胜者的种植密度多分布在5700-7300株/亩。未来主要种植密度能增加多少呢？目前美国玉米种植行距主流是30英寸（76cm），而玉米的株距极限是5英寸（约12.7cm）,株距再小就会影响产量。按照行距76cm，株距12.7cm，密度约6900株/亩。个人推测美国玉米如果要继续增加密度超过7000株/亩，只能缩小行距，比如宽窄行，宽行30英寸，窄行距20英寸等措施。由于变更种植模式，需要播种、收获机械配套导致最近密度增加趋缓；再加上种质资源、育种改良长期以来都是在传统76cm的行距下完成，可能没有适宜窄行距更高密度下的品种也是原因之一。
70年以来玉米的收获指数基本是0.52，未来继续提高单产大概率也是继续增加单位面积的生物能。而增加种植密度能更高效合理地利用光热、水分、肥料等资源。推测在种植密度低于8150株/亩以前，美国玉米单产大概率还是以较高增速持续增加，8000-12000株需要实现矮秆玉米，株高大概率在170-210cm之间。
图表出自中国农业科学院李少昆老师PPT
对我们育种的启示？
耐密育种：在我们主流株距是60-65cm，密度达到7000-7500株/亩以前（极限株距15㎝），最主要的育种方向就是耐密育种。
适宜未来种植模式和环境：要充分考虑8-10年以后需求和种植模式的变化，选育、测试阶段就要采取8年之后的种植模式。
以上纯属个人基于有限信息的分析和思考，不同区域要充分考虑当地的实际情况速度来制定合理的育种方向，比如耐低度盐碱，坡地山区肯定和平原地块的好地是不一样的。
最后，美国玉米最近10年单产增速放缓的原因猜测是否有主流品种的杂优模式单一，种质遗传背景同质化有关系，也怀疑是否有可能和大量使用单倍体育种有关系。留待有了解情况的老师指点交流。
部分参考资料：
1蒲式耳/英亩＝0.062719012吨/公顷＝4.18126749公斤/亩
春节专辑|未来玉米产量提高的机会（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
