收播期調(diào)控對(duì)小麥-玉米周年產(chǎn)量及資源利用效率的影響

徐杰，周帥，劉靈艷，何昕楠，南鎮(zhèn)武，孟維偉，王娜，韓偉，王旭清，劉開(kāi)昌

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所／山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東 濟(jì)南 250100）

黃淮海平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，光熱資源豐富，降雨充沛［1］，種植模式以冬小麥-夏玉米一年兩熟為主，其中小麥和玉米產(chǎn)量分別占全國(guó)的50%和40%左右，在保障我國(guó)糧食安全上發(fā)揮了重要作用［2］。近年來(lái)全球大部分糧食主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)單產(chǎn)停滯現(xiàn)象，中國(guó)56%的小麥和52%的玉米面積也出現(xiàn)單產(chǎn)停滯現(xiàn)象［3］。因此，挖掘產(chǎn)量空間、提升糧食單產(chǎn)成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。研究表明，隨著全球氣候變暖，較高的冬前積溫促使冬小麥生長(zhǎng)速度加快，產(chǎn)生大量分蘗，極易遭受凍害［4］和病蟲(chóng)草害［5］，降低產(chǎn)量。同時(shí)小麥早播要求玉米早收，導(dǎo)致夏玉米并未達(dá)到完熟，也致減產(chǎn)。而9月下旬至10月上旬，正值秋高氣爽，晝夜溫差大，有利于玉米灌漿［6］。因此，亟需探索一種新的小麥-玉米周年熱量資源分配模式，提高該地區(qū)小麥玉米單產(chǎn)和光熱資源利用效率。

播期、收獲期是小麥玉米產(chǎn)量提高的關(guān)鍵因素［7-9］。其中播期是冬小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的最主要影響因子之一［7］，一般地較早播種并不利于冬小麥生長(zhǎng)［10］，即較高的冬前積溫促使冬小麥分蘗多、群體大，極易遭受凍害和加大花后倒伏的風(fēng)險(xiǎn)［5，11，12］。玉米收獲期對(duì)產(chǎn)量影響較大，有研究表明，收獲期每推遲1 d，產(chǎn)量可增加100～200 kg／hm2［8，9］。為此，20世紀(jì) 90年代開(kāi)始，科學(xué)家在冬小麥-夏玉米一年兩熟基礎(chǔ)上進(jìn)行了以強(qiáng)化“C4玉米”為核心的周年高產(chǎn)及資源高效利用的技術(shù)途徑探索［13-16］。王樹(shù)安［17，18］通過(guò)推遲小麥播種期和玉米收獲期，對(duì)兩季氣候資源進(jìn)行再分配，將更多的光溫資源分配給更加高光效的玉米，建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術(shù)模式。付雪麗等［19］研究表明，冬小麥晚播對(duì)光能輻射和有效積溫的分配利用明顯減少，而夏玉米晚收顯著增加光溫資源利用，周年光、溫籽粒生產(chǎn)效率顯著提高。但過(guò)度延遲播期將會(huì)大大減少小麥分蘗［20］，影響后期的群體構(gòu)建，干物質(zhì)積累量也會(huì)大量減少［21］，最終導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量降低。因此，因地制宜地選擇小麥播期和玉米收獲期，統(tǒng)籌小麥-玉米周年光熱資源，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和光熱高效的重要途徑。

晚播降低冬小麥的分蘗能力，通過(guò)增加種植密度可以彌補(bǔ)群體構(gòu)建的不足［12，22］。因此，本研究主要從小麥玉米周年輪作的角度，將小麥晚播同增密結(jié)合，統(tǒng)籌小麥-玉米周年播種期和收獲期，探討周年收播期調(diào)控對(duì)作物產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及光、溫、降水等資源利用效率的影響，旨在明確適宜該地區(qū)的小麥-玉米周年高產(chǎn)、資源高效利用的收播期配置模式，為小麥-玉米周年合理分配光熱資源提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017—2019年在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟(jì)陽(yáng)綜合試驗(yàn)示范基地（36°58′28″N，116°57′33″E）進(jìn)行。該地位于魯西北平原南部，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫12.8℃，年平均無(wú)霜期195 d，年太陽(yáng)輻射量5.2×103MJ／m2，年降水量583.3 mm，降水多集中在7—9月份。2017年10月到2019年10月小麥玉米生長(zhǎng)季月降水量、月總太陽(yáng)輻射量和月均溫如圖1所示。試驗(yàn)地為潮土，0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)肥力為全氮0.53 g／kg、堿解氮54.73 mg／kg、速效磷 10.58 mg／kg、速效鉀 96.45 mg／kg、有機(jī)質(zhì)12.42 g／kg，鹽分0.15%，pH 7.6。

圖1 小麥-玉米周年月降水量、月總太陽(yáng)輻射量和月均溫

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥播期設(shè)置10月1日（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣播種期）和10月15日（根據(jù)玉米收獲期優(yōu)化小麥播期），與小麥播期相對(duì)應(yīng)的設(shè)置玉米收獲期9月下旬（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣玉米收獲期）和10月中旬（玉米優(yōu)化宜機(jī)收收獲期）。具體小麥-玉米周年收播期優(yōu)化搭配組合詳見(jiàn)表1。

小麥、玉米品種分別選用濟(jì)麥22和鄭單958為供試材料。小麥均采用0.22 cm等行距種植，傳統(tǒng)播期10月1日播種密度設(shè)置225萬(wàn)株／hm2，優(yōu)化播期10月15日播種密度設(shè)置525萬(wàn)株／hm2。小麥?zhǔn)斋@后于6月上中旬滅茬免耕播種玉米，密度為 7.5萬(wàn)株／hm2，60 cm等行距種植。小區(qū)面積為 158.4 m2（4.8 m×33 m）。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小麥季灌水均為播種期、越冬期和拔節(jié)期，玉米季各處理灌水均為播種期和拔節(jié)期。兩季作物均采用大水漫灌，每次灌水量均為75 mm。其它病蟲(chóng)草害防治同一般高產(chǎn)田。

表1 不同收播期配置下小麥-玉米種植方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣象資料收集 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象網(wǎng)站濟(jì)南站數(shù)據(jù)（http：／／www.cma.gov.cn）。主要包括平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量等指標(biāo)。

1.3.2 作物生長(zhǎng)季資源分配指標(biāo)測(cè)定 定量分析小麥-玉米一年兩熟模式作物生長(zhǎng)季資源分配率和資源分配比值等指標(biāo)，采用以下計(jì)算公式［23］：

積溫分配率（TDR）＝單季積溫量（Tx）／周年積溫總量（T）；

輻射分配率（RDR）＝單季輻射量（Rx）／周年輻射總量（R）；

降水分配率（PDR）＝單季降水量（Px）／周年降水總量（P）；

積溫比值（TR）＝小麥季積溫量（T1）／玉米季積溫量（T2）；

輻射比值（RR）＝小麥季輻射量（R1）／玉米季輻射量（R2）；

降水比值（PR）＝小麥季降水量（P1）／玉米季降水量（P2）。

積溫分配率和積溫比值計(jì)算中，小麥季、玉米季下限溫度均取值為0℃。

1.3.3 光熱資源利用效率［24］評(píng)估 光能利用率式中，RUE：光能利用率（%）；H：?jiǎn)挝毁|(zhì)量有機(jī)干物質(zhì)的產(chǎn)熱率；W：?jiǎn)挝煌恋孛娣e上作物有機(jī)干物質(zhì)的質(zhì)量；籽粒取16.3×103kJ／kg；ΣQ：生育期內(nèi)單位土地面積逐日太陽(yáng)總輻射量累加值。

積溫利用效率［25］式中，HUE：熱量資源利用效率［kg／（℃·d·hm2）］；ΣT為作物生長(zhǎng)季積溫（℃·d）。Y為糧食作物產(chǎn)量（kg／hm2），小麥生長(zhǎng)季ΣT為≥ 0℃的積溫，玉米生長(zhǎng)季 ΣT為≥10℃的積溫。

降水量利用效率［25］式中，PUE為降水資源利用效率［kg／（mm·hm2）］，Y為糧食作物產(chǎn)量（kg／hm2），ΣR為作物生長(zhǎng)季內(nèi)總降水量（mm）。

1.3.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成 冬小麥成熟期測(cè)產(chǎn)面積3 m2，測(cè)定單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，籽粒含水量以13%計(jì)。夏玉米每小區(qū)取4行各5 m實(shí)收果穗，折算公頃穗數(shù)；按平均穗重每區(qū)隨機(jī)選取10穗，考察穗部性狀與產(chǎn)量構(gòu)成，籽粒含水量以14%計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)與作圖，用SAS（V8.1）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同收播期下小麥-玉米周年作物生長(zhǎng)季天數(shù)

隨著播期推遲，2017—2018、2018—2019年度小麥生育期分別縮短14 d和13 d（圖2），說(shuō)明小麥由傳統(tǒng)播期10月1日推遲到10月15日時(shí)，小麥能夠同期完成生理成熟，本試驗(yàn)條件下OM處理小麥播期推遲半個(gè)月，并不影響小麥生理成熟。同時(shí)隨著收獲期推遲，OM處理2018、2019年玉米生育期天數(shù)均較傳統(tǒng)播期處理增加18 d，可以促進(jìn)玉米生育后期籽粒灌漿成熟和籽粒脫水，降低籽粒含水量。

圖2 不同收播期對(duì)小麥-玉米周年作物生長(zhǎng)季天數(shù)變化的影響

2.2 不同收播期對(duì)小麥-玉米周年氣候資源分配特征的影響

不同收播期處理可以顯著影響小麥玉米生長(zhǎng)季積溫分配率（圖3）。與傳統(tǒng)播期處理（CK）相比，OM處理顯著降低小麥季積溫分配率，主要將積溫資源更多地分配到玉米季，因此玉米季積溫分配率增加10.5%。小麥生長(zhǎng)季輻射分配率OM處理降低6.5%，差異顯著；玉米季輻射分配率顯著增加12.5%。與CK相比，OM處理的降水分配率小麥季和玉米季均無(wú)顯著差異。

收播期調(diào)整后，OM處理的小麥-玉米周年積溫比值、輻射比值分別為 0.85、1.59，較 CK分別降低18.5%、17.0%（圖4），但周年降水比值兩處理間無(wú)顯著差異，說(shuō)明OM處理可以顯著增加玉米季的積溫和輻射量。

圖3 不同收播期下小麥季、玉米季周年資源分配率

圖4 不同收播期下小麥-玉米周年氣候資源指標(biāo)比值

2.3 不同收播期對(duì)小麥、玉米及周年產(chǎn)量的影響

由表2可知，延期播種后，2017—2018、2018—2019年度OM處理小麥產(chǎn)量分別為8 248.4 kg／hm2和 9 051.1 kg／hm2，其中 2017—2018年度產(chǎn)量比CK增產(chǎn)7.5%，2018—2019年度兩處間產(chǎn)量無(wú)顯著性差異。通過(guò)分析產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，雖然OM處理的小麥千粒重較CK略有降低，但是兩者之間無(wú)顯著性差異；OM處理的公頃穗數(shù)和穗粒數(shù)略高于CK，兩者之間也沒(méi)達(dá)到顯著性差異。因此，適當(dāng)延遲小麥播種期能夠維持或者提高冬小麥籽粒產(chǎn)量。

由表3可知，2018、2019年OM處理夏玉米產(chǎn)量分別為10 997.3 kg／hm2和10 582.8 kg／hm2，與CK相比顯著增產(chǎn)，分別達(dá)15.5%和14.2%。進(jìn)一步分析產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，延遲夏玉米收獲期，2018、2019年OM處理夏玉米千粒重較CK分別增加13.8%和12.8%，均達(dá)顯著水平，但是對(duì)穗數(shù)和穗粒數(shù)無(wú)顯著影響。說(shuō)明適當(dāng)延期收獲玉米可以顯著提高其千粒重，進(jìn)而增產(chǎn)。

表2 不同收播期對(duì)冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表3 不同收播期對(duì)夏玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同收播期處理顯著影響小麥-玉米周年產(chǎn)量（圖5），2017—2018、2018—2019年度傳統(tǒng)播期和OM處理小麥玉米周年產(chǎn)量分別為17 198.3、19 245.7 kg／hm2和 17 664.9、19 633.9 kg／hm2，與CK相比，OM處理兩年平均增產(chǎn)11.5%。說(shuō)明OM模式可以顯著提高小麥-玉米周年產(chǎn)量。

圖5 不同收播期處理對(duì)小麥-玉米周年產(chǎn)量的影響

2.4 不同收播期下小麥-玉米周年光熱資源利用效率評(píng)估

由表4看出，OM處理小麥季光能利用率、積溫利用效率和降水利用效率分別為0.46%、3.22 kg／（℃·d·hm2）和68.88 kg／（mm·hm2），較傳統(tǒng)模式（CK）分別增加15.0%、17.09%和29.61%。OM處理玉米季光能利用率、積溫利用效率較CK增加不顯著，但其降水利用效率較CK增加9.97%。與CK相比，OM處理還顯著提高小麥-玉米周年光、溫、降水資源利用效率，分別為8.62%、13.14%和11.59%。說(shuō)明優(yōu)化小麥-玉米周年收播期，可以顯著提高小麥季、玉米季以及周年的光、溫及降水利用效率。

表4 不同收播期下小麥-玉米周年光熱降雨資源利用效率評(píng)估

3 討論與結(jié)論

氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要環(huán)境條件，特別是光、熱、水等，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［26］。適宜的播期能夠使冬小麥獲得充足的光熱資源，有利于苗期生長(zhǎng)和后期的群體構(gòu)建。延遲播期將減少冬前積溫，一般地，冬前≥0℃積溫每降低100℃·d，出苗時(shí)間將會(huì)推遲 0.7 d［27］，而且延遲播期還會(huì)縮短冬小麥的生育周期［28］。本試驗(yàn)條件下，較傳統(tǒng)播期相比，OM處理小麥播期推遲15 d，其全生育期相應(yīng)縮短14 d，但成熟期保持相對(duì)固定，說(shuō)明適當(dāng)晚播小麥并不晚熟。分析產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，OM處理的小麥千粒重較CK略有降低，但是其穗數(shù)和穗粒數(shù)卻略高于CK，能夠維持或者提高小麥產(chǎn)量。因?yàn)檫m當(dāng)延遲播期能夠通過(guò)改善葉面積指數(shù)、葉綠素含量、葉片熒光特性等來(lái)獲得較高的干物質(zhì)積累量［4，29］，同時(shí)由于晚播造成小麥分蘗減少，主要依靠主莖成穗，通過(guò)增加播種量保證了足夠的穗數(shù)［19］，最終獲得與正常播期一致的產(chǎn)量［19，29，30］。說(shuō)明，當(dāng)前的冬前積溫允許冬小麥適當(dāng)?shù)难舆t播期，OM處理能滿足冬小麥構(gòu)建合理群體，保證較高的小麥產(chǎn)量。

同時(shí)，適當(dāng)延遲小麥播期可以為玉米晚收增產(chǎn)提供有利條件。在黃淮海地區(qū)，夏玉米一般在9月25—30日收獲，農(nóng)戶多以果穗苞葉變黃、籽粒頂部變硬時(shí)開(kāi)始收獲，其千粒重僅為完熟時(shí)的85%～90%，此時(shí)收獲產(chǎn)量將減少10% ～15%［6，30，31］。Rácz等［32］報(bào)道，玉米苞葉變黃時(shí)植株?duì)I養(yǎng)器官積累的內(nèi)源物質(zhì)繼續(xù)向籽粒轉(zhuǎn)移，推遲8～10 d收獲，可增產(chǎn) 10%以上［6，24］。本試驗(yàn)條件下，OM處理玉米延遲收獲18 d，穗數(shù)和穗粒數(shù)無(wú)顯著差異，但千粒重2018、2019年較CK顯著增加13.8%、12.8%，顯著增產(chǎn) 15.4%、14.2%。玉米延遲收獲增產(chǎn)的同時(shí)，增加籽粒的脫水時(shí)間，降低收獲時(shí)籽粒含水量，降低玉米后期籽粒脫水烘干脫水成本［23］，因此“收播期優(yōu)化”模式（OM）是一種既能保證小麥-玉米周年高產(chǎn)，又能提高夏玉米機(jī)收籽粒質(zhì)量的模式。

由于C4作物具有較高光合能力，有人提出充分發(fā)揮玉米的產(chǎn)量潛力，逐漸壓縮小麥生長(zhǎng)時(shí)間的方法，以高效利用光熱資源［13，14］。本研究建立的“收播期優(yōu)化”模式（OM）降低了小麥季積溫分配率和輻射分配率，小麥季和玉米季積溫比值、輻射比值和降水比值，較傳統(tǒng)播期（CK）降低18.5%、17.0%和21.1%。將小麥冗余資源轉(zhuǎn)移給玉米，玉米季積溫分配率增加10.5%，輻射分配率增加12.5%。前人研究證明，隨播期推遲，小麥季光能生產(chǎn)效率呈先降低后增加趨勢(shì)，隨著收獲期推遲，玉米季光能生產(chǎn)效率呈先增加后降低趨勢(shì)［23］。夏玉米利用冬小麥晚播時(shí)期，推遲收獲期，周年光、溫資源籽粒生產(chǎn)效率分別提高2.22% ～10.86%和 0.47% ～11.56%［19］。適當(dāng)推遲播期后，OM處理顯著提高小麥生長(zhǎng)光能利用率、積溫利用率和降水利用率，分別增加15.0%、17.09%和29.61%。雖然玉米季光能利用率、積溫利用率增加不顯著，但是其降水利用率較CK增加9.97%。與CK相比，OM處理還顯著提高小麥-玉米周年光、溫、降水資源利用效率，分別為8.62%、13.14%和11.59%。說(shuō)明 OM處理可以顯著增加玉米季的積溫、輻射量和降雨量，保證小麥穩(wěn)產(chǎn)和玉米增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)周年生育期與氣候資源的優(yōu)化配置。

本研究表明，推遲小麥播期和夏玉米收獲期的“收播期優(yōu)化”模式（OM）以充分發(fā)揮玉米高光效優(yōu)勢(shì)為核心，小麥全生育期天數(shù)和生長(zhǎng)季光溫水資源分配量逐漸減少，但通過(guò)適當(dāng)提高小麥種植密度則維持了較高的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，其產(chǎn)量與正常播期無(wú)顯著差異或略有增加，因此顯著提高小麥季光溫水資源生產(chǎn)效率。而玉米季生育期天數(shù)和光溫資源分配量明顯增加，顯著提高千粒重，兩年度分別增產(chǎn)15.5%和14.2%；雖然玉米季光溫生產(chǎn)效率無(wú)顯著增加，但水分生產(chǎn)效率顯著提高，因此該模式周年產(chǎn)量和光溫水資源利用效率較正常播收期處理顯著提高。綜上所述，“收播期優(yōu)化”模式優(yōu)化了小麥-玉米周年氣候資源配置，提高小麥-玉米周年產(chǎn)量和光溫水資源利用效率，對(duì)于對(duì)保障黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。