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在农业水资源日益紧张的当下，研究人员开展了关于玉米育种对区域玉米水分生产率（Agricultural water productivity，AWP）影响的研究。结果显示，商业育种贡献了雨养玉米 AWP 增长的 45%。这一成果对提升农业用水效率意义重大。
在全球水资源日益紧张的今天，农业用水面临着前所未有的挑战。一方面，农业灌溉消耗了大量的淡水资源，在美国，农业灌溉用水占淡水总提取量的 42% 。另一方面，城市和商业用水需求不断增加，水资源竞争愈发激烈，同时，全球各地还面临着含水层枯竭、地表水减少、降雨模式改变、淡水水质下降以及州际或国际水资源协定限制某些群体用水等问题。在这样的大背景下，提高农业水资源利用效率成为实现可持续粮食生产的关键。
玉米作为世界重要的粮食作物，其产量和水资源利用效率备受关注。美国是全球玉米生产大国，超过三分之一的世界玉米产量来自美国，主要集中在中西部玉米带。自 1950 年至 2023 年，美国玉米产量大幅增长，从 7000 万吨增至 3.9 亿吨，且大部分增产来自雨养条件下的产量提升，目前雨养玉米产量占美国玉米总产量的 85% 。然而，尽管玉米产量不断提高，但关于植物育种对玉米水分生产率（每单位可用水生产的谷物量）这一可持续性指标的作用，相关研究却十分有限。此前虽有研究表明现代玉米基因型在干旱胁迫下产量提高且水分生产率有所改善，但存在试验未在代表性商业生产环境中进行、未明确报告玉米水分生产率等问题，且尚无在美国玉米带特定环境下，关于育种对玉米水分生产率遗传增益及农场层面总水分生产率增长相对贡献的研究。因此，开展此项研究意义重大，有助于深入了解植物育种在提高玉米水分生产率方面的作用，为优化农业生产系统、减少水资源压力提供科学依据。
为了深入探究这些问题，来自 Corteva Agriscience（美国）和 Grupo de Estudios Ambientales, IMASL, CONICET（阿根廷）的研究人员，Jose L. Rotundo、Chris Zinselmeier、Nick Hoffman 等，开展了一系列研究。研究结果表明，植物育种是提高雨养玉米水分生产率的重要技术因素，商业育种对美国中西部玉米带雨养玉米水分生产率增长的贡献达到 45%，这一成果对于减少农业淡水需求、应对水资源挑战具有重要意义。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员采用了多种关键技术方法：一是利用美国农业部（USDA）国家农业统计局 74 年（1950 - 2023 年）的玉米产量调查数据，结合 Corteva 内部天气数据，以生长季降水量作为水资源可用性的指标，计算水分生产率；二是选取 1934 年至 2020 年期间商业发布的 61 种玉米基因型和 1 种开放授粉地方品种，在 2015 年至 2023 年于爱荷华州进行 28 次田间试验，通过随机区组设计，测定产量和水分生产率；三是进行文献综述，收集不同年代玉米基因型在田间条件下的产量和用水数据，分析长期育种对玉米用水的影响。
研究结果
- 全州谷物产量和水分生产率随时间的变化：USDA 数据
研究人员分析 USDA 数据发现，1950 年至 2023 年期间，爱荷华州玉米谷物产量平均每年增长 126 kgha-1，绝对产量增长了四倍多，从 1950 年的 2951 kgha-1增至 2023 年的 12149 kgha-1，相对年增长率为 4.27% 。同期，水资源可用性（以种植前两个月至作物成熟期间的降雨量衡量）增长不显著，每年仅增加 0.709 mm。而玉米水分生产率平均每年增长 0.192 kgha-1 mm-1，绝对数值从 1950 年的 4.5 kgha-1 mm-1增长到 2023 年的 18.9 kgha-1 mm-1，相对年增长率为 4.20% 。
- 谷物产量和水分生产率的遗传增益：ERA 试验
通过 ERA 试验，研究人员发现从 1934 年至 2020 年，玉米谷物产量随商业发布年份的增加，平均每年增长 128 kgha-1，绝对产量增长超过三倍，相对年遗传增益率为 2.7% 。玉米水分生产率也随基因型商业发布年份增加而增长，平均每年增长 0.305 kgha-1 mm-1，绝对数值增长超过三倍，相对年遗传增益率为 2.7% 。采用水量平衡法估算水分生产率，得到了相似的结果，平均每年增长 0.307 kgha-1 mm-1 。同时，产量和水分生产率的遗传增益与水资源可用性存在交互作用，在水资源可用性较高时，产量增益较高但水分生产率遗传增益低于平均水平；反之，在水资源可用性较低时，产量降低但水分生产率遗传增益估计值增加。进一步计算发现，1950 年至 2020 年期间，遗传改良对水分生产率总增益的贡献为 45%。
- 个体基因型水平的用水变化：文献综述
研究人员通过文献综述发现，长期育种并未增加玉米的用水量，反而略有减少。尽管不同研究计算个体基因型用水量的方法不同，但均支持玉米育种在不增加用水量的情况下持续提高作物产量这一观点。
研究结论与讨论
该研究明确了商业植物育种在提高区域玉米水分生产率方面的重要作用。在爱荷华州雨养玉米生产中，45% 的水分生产率增长可归因于商业育种，剩余 55% 则由作物管理、环境变化等非遗传因素贡献，这些因素包括更高效的作物保护产品、改良的土壤排水系统、优化的种植密度、改进的耕作制度以及更高的施肥率等，同时有利的天气或气候趋势也促进了作物产量的增加。
虽然本研究采用的水分生产率指标存在一定局限性，如忽略了不同基因型间用水差异、未考虑地下水位补给等，但研究人员通过文献证据表明不同 ERA 玉米基因型的用水未发生变化，且在低降水和地下水位影响的情况下，虽可能高估水分生产率，但不影响育种对提高水分生产率的积极作用。此外，研究还发现现代玉米基因型在单位可用水条件下产量更高，且在降雨量低于平均水平的年份，水分生产率的提高更为明显，这意味着新的玉米基因型可能对未来水资源短缺的环境更具适应性。
总体而言，该研究为理解植物育种在改善作物生产系统水资源利用效率方面的作用提供了重要依据。玉米长期育种提高产量的同时，也实现了更高效的水资源利用，减少了满足现代社会需求所需的额外农业用地和淡水资源，有助于构建更具弹性的作物生产系统，以应对降雨短缺或更高的蒸散需求，延缓全球玉米生产面临的水资源限制问题。这一研究成果对于指导农业生产实践、优化育种策略以及保障全球粮食安全和水资源可持续利用具有重要的理论和实践意义。
