现代植物生产理论与技术 绪论

《现代植物生产理论与技术》第一章

绪论授课对象：研究生课程定位：本课程是植物生产类专业研究生的核心学位课，旨在培养学生运用现代科学理论与技术分析和解决植物生产实际问题的能力。理论基础、核心技术、生产实践、前沿进展课程主要内容：2课程要求与课程考核1.学习要求结合文献理解生产问题把理论和科研、生产案例结合分析2.成绩构成期末成绩70%：论文，考查学生对课程核心理论知识的掌握程度平时成绩30%：课程项目与案例分析20%+课堂表现与签到10%3本章学习目标1.深刻理解作物生产在国家粮食安全、国民经济和生态环境中的战略地位，能够结合产业案例（如大豆、甜菜）剖析现实矛盾与技术瓶颈。2.掌握作物生产的基本特点，理解其区别于工业生产的本质；熟练运用4套作物分类体系，准确识别主要作物类型。3.系统梳理我国作物栽培科学从经验到智慧的四个发展阶段。4.熟悉现代植物生产的核心技术集群，理解“良种、良壤、良法、良境、良械”配套的重要性。5.客观认识我国现代植物生产面临的机遇与挑战，把握学科未来发展的主要趋势，为自身科研选题提供方向。4010203作物生产的重要性与特点作物的分类作物高产栽培理论040506制约植物生产的因素

现代植物生产核心技术体系机遇与挑战本章内容5第一节作物生产的重要性与特点6基本前提农作物的生产作为我国农业生产和发展的核心，满足着人类生存的最基本的需求，是社会和经济不断发展的基本前提。提升竞争力对农作物栽培技术与高产途径进行研究有助于增加国民经济产值，有利于进一步提升我国农业大国在国际上的竞争力。高产和持续发展深入研究我国现代农作物高产栽培的理论与实践，对于促进我国农作物的不断高产和持续发展、建立现代农业科学体系至关重要。1.1作物生产的战略地位71.1作物生产的战略地位案例分析：我国大豆产业的现实困境供给严重依赖进口

2025年我国大豆产量2091万吨，进口超1.1亿吨，对外依存度超过80%，仍呈增长趋势。大豆已成国家粮食安全链条中最薄弱的一环。

原因：国内需求（特别是饲料蛋白和食用油脂）持续增长，而国内产量增长缓慢。图

我国历年大豆产量图

我国历年大豆进口量81.1作物生产的战略地位案例分析：我国大豆产业的现实困境单产水平偏低

我国大豆平均亩产约130公斤，而美国、巴西等主产国平均亩产超过200公斤，差距显著。

原因:我国耕地资源有限，大豆与玉米、水稻等主粮作物存在争地矛盾。品种、栽培技术、土壤肥力、机械化水平等综合因素影响。图

我国粮食作物分布图出路：提高单产！91.1作物生产的战略地位其他作物的挑战与机遇玉米:单产虽高，但在密植、抗倒、品质改良方面仍有提升空间。水稻:超级稻产量屡创新高，但在节水、减药、适应气候变化方面面临新挑战。甜菜(糖料作物):作为我国重要的糖料作物，在提高含糖率、抗盐碱、机械化收获方面存在巨大技术需求。10

复杂性和综合性

多因子耦合作用的结果。生物性

生产对象是活的生命体。

时序性和连续性

生育过程前后关联，农田生态系统长期演化。严格的地域性和季节性受自然环境和物候节律的严格制约。1.2作物生产的基本特点111.2作物生产的基本特点生物性生产对象是具有生命的有机体，其生长发育遵循自身的遗传规律和生理生化过程。遗传特性:品种决定了作物的产量潜力、品质、抗逆性等基本属性。生长发育:经历从种子萌发、营养生长到生殖生长的完整生命周期。生理代谢:光合作用、呼吸作用、物质运输与分配等过程决定了干物质的积累。121.2作物生产的基本特点生物性作物对环境的响应与适应环境胁迫:作物会对干旱、盐碱、高温、低温、病虫害等逆境产生一系列生理生化响应。适应性:不同作物或品种对环境的适应能力不同，这是品种选育和栽培管理的重要依据。131.2作物生产的基本特点严格的地域性与季节性不同地区的纬度、海拔、气候、土壤等自然条件差异显著，形成了不同的农业生态区和作物布局。东北地区：春小麦、玉米、大豆、甜菜主产区。黄淮海地区：冬小麦、夏玉米主产区。南方地区：水稻主产区。141.2作物生产的基本特点严格的地域性与季节性

地球公转导致的四季更替，带来光、温、水的周期性变化。作物生长发育与季节节律高度同步，形成了固定的农时。春播:玉米、大豆、甜菜等。夏播:夏玉米、晚稻等。秋播:冬小麦、油菜等。151.2作物生产的基本特点时序性与连续性时序性

作物生育过程是一个连续的、不可逆的过程，前一阶段的生长状况深刻影响后一阶段的发育。第一次黄黑分蘖期分蘖肥的使用使秧苗出现第一次黑，随后的晒田控蘖则出现水稻秧苗的第一次黄。第二次黄黑节间开始形成至幼穗分化期保蘖肥施用促成的，这次的黑黄交替顺利进行可促使穗大粒多。第三次黄黑穗发育期出穗前的黄和穗期转黑表明了氮素运转在正常状态下，如果持续显黑则容易贪青。水稻的“三黄三黑”现象161.2作物生产的基本特点时序性与连续性连续性

农田生态系统是一个长期演化的系统，当年的生产活动会影响下一年甚至更长时间的土壤肥力和生态环境。正常的土壤VS板结酸化的土壤秸秆还田：可以改善土壤结构，培肥地力；长期过量施用化肥：导致土壤酸化、板结。171.2作物生产的基本特点复杂性与综合性

作物的产量和品质是品种、气候、土壤、水肥、病虫草害、栽培管理等多种因素相互作用、相互影响的结果。

作物生产系统是一个复杂的非线性系统，单一因素的优化并不一定能带来整体最优。Water18第二节作物的分类19植物学分类法生物学特性分类法为了便于研究、管理和利用，我们需要对种类繁多的作物进行科学分类。主要有以下四种分类方法：农业生产特点分类法02010304用途与植物学系统综合分类法2021.作物的分类体系植物学分类法依据植物的形态特征、进化关系进行系统分类，是最科学、最稳定的分类方法。玉米:植物界，被子植物门，单子叶植物纲，禾本目，禾本科，玉蜀黍属，ZeamaysL，一年生草本植物.水稻:单子叶植物纲，禾本目，禾本科，稻属，OryzasativaL，一年生草本植物.甜菜:双子叶植物纲，石竹目，藜科，甜菜属，BetavulgarisL，二年生草本植物.大豆:双子叶植物纲，豆目，豆科，大豆属，Glycinemax(L.)Merr，一年生草本植物.

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按温度适应性

喜温作物:生长发育需要较高的温度，如水稻、玉米、大豆、棉花、甘蔗。耐寒作物:能够忍受较低的温度，如小麦、大麦、黑麦、豌豆、甜菜。长日照作物:在日照长度超过一定临界值时才能开花结实，如小麦、大麦、油菜、甜菜。短日照作物:在日照长度短于一定临界值时才能开花结实，如水稻、玉米、大豆、棉花。日中性作物:开花结实对日照长度不敏感，如荞麦、豌豆。按光周期反应

2.1作物的分类体系生物学特性分类法22

按作物寿命

一年生作物:在一年内完成生命周期，如水稻、玉米、大豆。二年生作物:需要两年才能完成生命周期，第一年进行营养生长，第二年开花结实，如甜菜、萝卜、白菜。多年生作物:寿命超过两年，如果树、茶树、甘蔗。

2.1作物的分类体系生物学特性分类法23

2.1作物的分类体系农业生产特点分类法按播种期按田间管理方式春播作物:春季播种，秋季收获，如玉米、大豆、甜菜。夏播作物:夏季播种，秋季收获，如夏玉米、晚稻。秋播作物:秋季播种，次年夏季收获，如冬小麦、油菜。密植作物:种植密度大，群体结构是管理重点，如小麦、水稻。中耕作物:种植密度较小，需要进行中耕除草、培土等操作，如玉米、大豆、甜菜。24这是最常用的分类方法。粮食作物:提供主食，包括禾谷类（水稻、小麦、玉米）、豆类（大豆、豌豆）、薯芋类（甘薯、马铃薯）。经济作物:提供工业原料或具有特殊经济价值，包括纤维作物（棉花、麻）、油料作物（油菜、花生）、糖料作物（甜菜、甘蔗）、药用作物（人参、枸杞）等。园艺作物:包括果树、蔬菜、观赏植物。饲料与绿肥作物:用于饲养牲畜或改良土壤，如苜蓿、紫云英。

2.1作物的分类体系按用途与植物学系统分类法25第三节作物高产栽培理论26阶段三超高产生理定量化栽培阶段(20世纪80-90年代)阶段二形态指标与模式化栽培阶段(20世纪60-80年代)阶段四精准智慧植物生产阶段(21世纪至今)阶段一经验高产栽培阶段(20世纪50-60年代)3.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段273.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段一：经验高产栽培(20世纪50-60年代)背景建国初期，粮食产量低，迫切需要提高产量。核心来源:总结劳动模范在长期生产实践中积累的宝贵经验。特点实用性强，但缺乏系统的科学理论支撑，机理不清。283.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段一：经验高产栽培(20世纪50-60年代)代表性案例陈永康晚稻“三黑三黄”高产经验崔竹松东北水稻高产栽培经验

针对北方粳稻特点，总结出“浅-湿-干”间歇灌溉、合理密植等一系列高产技术。293.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段一：经验高产栽培(20世纪50-60年代)局限性机理不清:知其然，而不知其所以然。无法解释为什么“三黑三黄”能高产。难以复制:经验往往与特定的品种、土壤和气候条件紧密相关，换个地方可能就不灵了。产量天花板:仅靠经验总结，产量提升空间有限，难以实现突破性进展。303.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段二：形态指标与模式化栽培(20世纪60-80年代)背景植物生理学、作物生态学等学科发展，为栽培科学提供了理论基础。将劳模经验上升为科学指标，通过观测作物的外部形态指标来指导栽培管理。特点株高、叶面积指数（LAI）、茎粗、有效穗数、穗粒数等。31模式化栽培:制定出不同作物在不同生育期的形态指标标准（如“高产长相”），并据此制定标准化的栽培技术规程。理想株形：认为通过塑造特定的植株形态（如矮秆、紧凑、叶片上举），可以提高光能利用率，从而实现高产。3.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段二：形态指标与模式化栽培(20世纪60-80年代)局限性只关注外部形态，对内部的生理生化过程了解不够深入。单个形态指标难以全面反映作物的生长状况。323.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段三：超高产生理定量化栽培(20世纪80-90年代)背景人口增长压力巨大，对粮食产量提出了更高要求；植物生理学、生物化学等学科取得长足进步。思路深入作物内部，从生理生化层面揭示高产形成的机理，并进行定量调控。研究热点光合作用、物质生产与分配、源-库-流关系、碳氮代谢等。333.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段三：超高产生理定量化栽培(20世纪80-90年代)源-库-流理论源(Source):制造和输出光合产物的器官，主要是叶片。库(Sink):消耗和储存光合产物的器官，主要是籽粒、块根、块茎等。流(Flow):连接源和库的输导组织，主要是韧皮部。协调源、库、流三者的关系，使源强、库大、流畅，实现光合产物的高效生产和分配。343.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段三：超高产生理定量化栽培(20世纪80-90年代)运用生长调节剂、定量水肥管理等手段，定向调控作物的生理过程。局限性:模型与现实脱节:基于试验小区建立的生理模型，在复杂多变的大田环境中适应性有限。时空异质性:忽略了大田土壤、气候等因素的空间变异。353.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段四：精准智慧植物生产(21世纪至今)精准农业：利用先进的科学设备，在收集、分析大量数据和信息的基础上，做出各种建议和决策选择。许多与农业有关的因素如品种、肥料、病虫害等会随着时间、空间的变化而变得复杂，精准农业就是根据时、空变化数据，在正确的时间、正确的地点，运用正确的方法做正确的事情。36计算机敏感精准农业器先进的科学设备全球卫星定位系统（GPS）地理信息系统（GIS）机械控制系统3.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段阶段四：精准智慧植物生产(21世纪至今)373.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段精准智慧植物生产--关键技术体系无人机遥感、地面传感器、卫星遥感等，实时获取作物、土壤、环境的时空异质性数据。大数据、人工智能、作物生长模型等，对海量数据进行分析，生成精准的管理决策。精准作业技术数据采集技术数据分析与决策技术变量施肥机、变量灌溉系统、农业机器人等，将决策精准执行到田间。383.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段黑龙江甜菜智慧监测平台：实时监测甜菜田的土壤墒情、温度、湿度、光照强度、作物长势等信息。393.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段黑龙江甜菜智慧监测平台：实时监测甜菜田的土壤墒情、温度、湿度、光照强度、作物长势等信息。403.1我国作物高产栽培理论发展四个阶段团队开展甜菜田无人机遥感数据分析研究应用价值:为精准灌溉、施肥提供数据支撑。及时预警病虫害和环境胁迫。实现甜菜生产的数字化管理和智能决策。41第四节制约植物生产的因素42产量遗传因素环境因素栽培技术4制约植物生产的三大核心因素作物的产量和品质是由遗传因素、环境因素和栽培技术三者共同决定的。

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4制约植物生产的三大核心因素4.1遗传因素不同品种玉米果穗对比品种是决定作物产量、品质和抗逆性的根本内因。产量潜力:品种的遗传特性决定了其在理想条件下所能达到的最高产量。品质特性:如稻米的食味品质、甜菜的含糖率、大豆的蛋白含量等。抗逆性:对干旱、盐碱、病虫害等逆境的抵抗能力。44基因编辑

对作物自身基因进行精准修饰，实现定向改良。分子标记辅助育种

将分子标记技术应用于育种，提高选择效率和准确性。转基因技术

将外源基因导入作物，赋予其新的性状。传统育种

基于表型选择和杂交，培育优良品种。

4制约植物生产的三大核心因素4.1遗传因素品种改良的历程45

4制约植物生产的三大核心因素4.1遗传因素基因编辑技术在作物改良中的应用增强生物/非生物胁迫抗性

敲除小麦MLO基因，使其对白粉病产生广谱抗性。

编辑大豆DREB2A基因，增强其对干旱和盐胁迫的耐受性。提高产量

编辑水稻GW2基因，可使粒重增加20-30%。改善品质

编辑玉米PSY1基因，大幅提高维生素A前体含量，培育“黄金大米”。46影响作物所有生理生化过程的速率，决定作物的地理分布和生长季节。

温度

光合作用的能量来源，影响作物的形态建成和光周期反应。

光照参与光合作用、养分运输和体温调节，是作物生存的必需物质。

水分

4制约植物生产的三大核心因素4.2环境因素环境是作物生长发育的外部条件，直接影响遗传潜力的发挥。47提供矿质养分和水分，其理化性质（如肥力、pH、盐碱度）强烈影响作物生长。

温度

其浓度变化直接影响光合速率。包括病虫草害、有益微生物、杂草等，与作物形成复杂的相互作用。

水分

4制约植物生产的三大核心因素4.2环境因素环境是作物生长发育的外部条件，直接影响遗传潜力的发挥。空气土壤生物环境土壤剖面植物与微生物共生48

4制约植物生产的三大核心因素4.2环境因素全球气候变化的影响气温升高:可能导致作物生育期缩短，加剧干旱和高温胁迫。CO₂浓度升高:对C3作物（如小麦、水稻）有“施肥效应”，但可能降低其营养价值。极端天气事件频发:干旱、洪涝、台风等极端天气对作物生产造成严重威胁。49

4制约植物生产的三大核心因素4.3栽培技术土壤耕作技术

深耕、旋耕、免耕等，改善土壤结构，协调水、肥、气、热。科学施肥技术

测土配方施肥、水肥一体化，实现养分的精准供给。灌溉与排水技术

滴灌、喷灌、暗管排水，高效利用水资源。

深耕机作业

水肥一体化设备

滴灌系统50

4制约植物生产的三大核心因素4.3栽培技术病虫草害绿色防控技术综合运用农业、物理、生物、化学等措施，安全有效地控制病虫草害。群体调控技术通过合理密植、化控等手段，塑造理想的群体结构，提高光能利用率。种植制度如轮作、间作、套作，提高土地利用率和系统稳定性。

生物防治

化学防治

玉米马铃薯间作

物理防治

51第五节现代植物生产技术体系525.现代植物生产技术体系（4）逆境调控与绿色植保技术抗逆品种筛选、抗逆栽培技术（如抗旱、抗盐碱栽培）、病虫害绿色综合防控、生物农药应用。

现代植物生产是一个系统工程，遵循“良种、良壤、良法、良境、良械”配套的原则。（1）种质创新与品种应用技术种质资源评价与创新、传统育种、分子育种、基因编辑、良种繁育与推广。（6）数字智慧植物生产技术传感器、无人机、大数据、人工智能、精准农业决策系统。（5）农机装备与农艺融合技术耕、种、管、收全程机械化，农业机器人应用，农机与农艺的协同发展。（3）土壤改良与养分精准管理技术障碍土壤（盐碱、酸化）修复、测土配方施肥、有机肥替代、水肥一体化、新型肥料研发。（2）环境调控栽培技术大田标准化栽培、设施农业（温室、大棚）、无土栽培、光温水气人工调控。53例1：优良品种需要配套的栽培技术（良法）才能发挥潜力。例2:精准施肥技术（良法）需要基于土壤检测（良壤）和作物需求（良种）。例3:智慧农业（数字技术）需要整合品种、土壤、环境等多源数据，才能做出科学决策。5.现代植物生产技术体系现代植物生产技术不是孤立的，而是相互融合、协同作用的。5402气候变化风险加剧极端天气:干旱、洪涝、高温、低温等极端天气事件频发，对作物生产造成严重威胁。生态系统退化:气候变化导致农业生态系统稳定性下降。01资源约束日益严峻耕地资源:人均耕地面积仅为世界平均水平的40%，且质量不高，退化严重。水资源:人均水资源量仅为世界平均水平的25%，且时空分布不均。

6.机遇与挑战（

1）我国现代植物生产面临的挑战5504技术推广体系复杂小农户为主:我国农业生产仍以小农户为主，规模化、标准化程度低，先进技术推广难度大。农机农艺融合不足:许多先进技术与现有农机装备不匹配，影响