全程機械化條件下玉米和小麥播期對周年光能利用特性的影響

王德鵬，代紅翠，薦世春，姜雪，成妮妮，張渝潔，周曉燕，劉開昌

（1.臨沂大學生命科學學院，山東 臨沂 276000；2.山東省農業科學院作物研究所，山東濟南 250100；3.小麥玉米國家工程實驗室，山東濟南 250100；4.山東省農業機械科學研究院，山東濟南 250100）

玉米-小麥輪作系統是黃淮兩熟區的主要種植模式，隨著光能資源和生產條件的改變，黃淮地區出現資源配置不合理等問題，限制了玉米-小麥產量的進一步提升［1-4］。玉米、小麥接茬存在光能資源未充分利用的問題，且玉米-小麥兩熟種植系統全程機械化水平不斷加強，農田栽培技術措施差異較大，顯著限制了玉米-小麥周年產量潛力的提高。因而，研究高產玉米-小麥輪作系統的光能利用特性，對玉米-小麥系統生產潛力的挖掘及光能資源的高效利用至關重要，對保障黃淮海地區糧食豐產增效及農業可持續發展具有重要意義。

玉米-小麥系統季節間和季節內光能資源的變化及配置不合理嚴重制約玉米-小麥周年產量潛力及資源利用效率的提高［5-8］。先前研究多集中于光能資源變化對玉米和小麥生育期和接茬時間的影響［2］，玉米-小麥產量及光能資源利用特征的變化特點［9］，溫光環境、栽培模式與玉米或小麥品種的相互作用［10］，播期播量的優化篩選［11-13］。研究表明，光能資源的變化對中國不同地區小麥和玉米產量均產生顯著影響，玉米-小麥系統總產下降，下降幅度存在明顯的區域差異［5，6］。黃淮海平原小麥和玉米生長季氣溫持續增加，入射光照輻射降低，干旱及洪澇災害等頻發［11，12］，導致小麥遭受冬旱、拔節孕穗期凍害和春旱［13］，且增加了玉米結實期遭遇高溫、干旱和陰雨寡照的風險［14］。孫新素等［8］研究發現，1992—2013年黃淮小麥和玉米生長季夜間最低溫度呈現顯著上升趨勢，上升幅度存在區域差異，其中山東省夜間最低溫度上升最為明顯；夜間最低溫度升高顯著降低了小麥和玉米的光能利用效率、物質積累量和籽粒產量。光溫氣象因子的變化影響小麥和玉米的生育期，特別是縮短小麥的生育期［4］，造成玉米-小麥輪作接茬時間延長及溫光熱量的浪費［13］。小麥播期調整顯著影響冬前積溫，造成小麥苗期分蘗和物質積累的差異［12］，進而影響后期的干物質積累和產量形成［15］。玉米播期調整顯著影響有效積溫的利用、籽粒灌漿速率及單位面積的籽粒產量［11］。日照時數對作物產量形成具有重要影響，日照時數的減少伴隨著太陽輻射量的降低，直接降低作物的光合作用、光能利用效率和最終產量［3］。作物的理論最大光能利用率可達5%～6%［16］，而黃淮農作區作物光能利用率不到2%，存在光能資源浪費和光能利用效率低的問題［17］。有研究表明，適期晚播有利于高產條件下的小麥和玉米產量提高和資源利用效率的維持［18］。小麥播期推遲至10月中旬，玉米收獲期延遲至9月下旬，玉米-小麥周年產量可達到15 t／hm2以上，周年光、溫生產效率分別提高64%和124%［19］。夏玉米收獲期推遲10～15 d，產量可提高10%～15%，最大可提升2.8 t／hm2，≥10℃有效積溫生產效率提高7.0% ～7.3%［20］；其中收獲期推遲 10 d的積溫生產效率提高了3.9%～5.5%，收獲期推遲15 d的積溫生產效率提高了 2.5% ～4.2%［20］。玉米-小麥播／收期的調整可以作為提高黃淮玉米-小麥系統周年溫光資源利用效率和挖掘兩季產量潛力的重要手段。

黃淮玉米-小麥兩熟種植區全程機械化水平不斷加強，農田栽培技術措施差異較大，存在光能資源未充分利用的問題，因而有必要進一步進行玉米-小麥高產生產的光能利用特性評價。本研究以此為切入點，通過播期調整和栽培管理優化構建不同的產量水平，對比研究播期對玉米和小麥產量形成及周年光能利用效率的影響，以期為黃淮玉米-小麥全程機械化生產的管理調整、合理布局提供基礎性的理論依據。本研究通過播期調整、栽培管理優化等措施確定和實現玉米-小麥的周年高產，明確實現周年高產的關鍵技術措施；通過玉米-小麥周年光能利用效率的量化研究，明確玉米-小麥兩熟系統完成周年高產的各項光能利用指標。

1 材料與方法

1.1 試驗基本信息

試驗于2018—2020年在山東省臨沂市郯城縣泉源鄉進行。耕作方式為玉米、小麥輪作；土質為壤質粘土，有機質含量4.65%、全氮0.34%、有效磷 36.6 mg／kg、速效鉀 71.3 mg／kg。

1.2 試驗設計與方法

玉米試驗：以登海605為供試品種，采用播期、密度和氮肥的裂-裂區試驗設計。播期設3個水平，分別為6月10日（玉①）、6月17日（玉②）、6月24日（玉③）；密度設3個水平，分別為6×104、7.5×104、9.0×104株／hm2，行距 60 cm；氮肥（純 N）設 4個水平：N0（0）、N1（180 kg／hm2）、N2（270 kg／hm2）、N3（360 kg／hm2）。各處理重復3次，共108個小區。氮磷鉀肥均采用一次性施用方式。氮肥（三元復合肥，15-15-15）＋緩控尿素（44%）在3個施氮處理中分別為N1（72＋108，kg／hm2），N2（108＋162，kg／hm2），N3（144＋216，kg／hm2）；磷肥類型為三元復合肥（15-15-15）和過磷酸鈣，在施用三元復合肥后，各處理補充過磷酸鈣至P2O5用量為144 kg／hm2；鉀肥類型為三元復合肥（15-15-15）和硫酸鉀，在施用三元復合肥后，各處理補充硫酸鉀至K2O用量為 144 kg／hm2。

小麥試驗：采用播期、栽培模式和品種的裂-裂區試驗設計。播期設3個水平，分別為10月10日（麥①）、10月17日（麥②）、10月24日（麥③）；栽培模式包括超高產模式和農民習慣模式，以臨麥9號、陽光10號、山東28、麥科33、濟麥22和魯原502為供試品種。各處理均采用寬幅精播技術，重復3次，共108個小區。超高產模式：氮（純N）總量為250 kg／hm2，基肥和拔節期追肥分別為 100、150 kg／hm2；磷總量（P2O5）為 120kg／hm2，鉀總量（K2O）為120 kg／hm2，磷鉀肥均基施；基施商品有機肥（NPK含量 6%，有機質40%）3 000 kg／hm2，酵素菌生物肥（NPK含量16%，有機質30%，每克1.5億菌）1 200 kg／hm2，硼砂 15 kg／hm2，硫酸鋅 15 kg／hm2；行距 26 cm，畦寬3.0 m，播幅8 cm，基本苗350萬株／hm2。農民習慣模式：氮（純 N）總量為 200 kg／hm2，基肥和拔節期追肥各100 kg／hm2；磷總量（P2O5）為90 kg／hm2，鉀總量（K2O）為 90 kg／hm2，磷鉀肥均基施；所用肥料為尿素 350 kg／hm2，商品有機肥（NPK含量6%，有機質40%）1 500 kg／hm2，硫酸鋅10 kg／hm2；行距26 cm，畦寬3.0 m，播幅8 cm，基本苗300萬株／hm2。

小區設置及播期組合：兩季試驗均在全程機械化條件下進行。玉米收獲期為10月8日，玉米收獲后開展小麥試驗，麥①、麥②、麥③處理小區分別與玉①、玉②、玉③處理區相對應；將玉米N2和N3處理小區設置為小麥的超高產模式小區，N0和N1小區設置為小麥的農民習慣模式小區；玉米的密度處理小區設置為小麥的品種處理小區。播期組合分析選取玉米和小麥每個播期中產量最高的處理進行統計分析，小麥和玉米播期兩兩組合產生9種組合，即：玉①＋麥①、玉②＋麥②、玉③＋麥③、玉①＋麥②、玉②＋麥③、玉③＋麥①、玉①＋麥③、玉②＋麥①、玉③＋麥②。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣象數據 采用微型氣象站記錄試驗田全生育時期的光照輻射量。根據生育期計算累積入射光照輻射。

1.3.2 成熟期干物質積累量及產量測定 干物質積累量測定：成熟期分為莖鞘、葉片、穗軸或枝梗、籽粒四個部分，放入烘箱內，105℃殺青30 min，然后85℃干燥至恒重，稱重。

產量測定：玉米試驗中，在每小區長勢均勻一致的區域，選定相鄰4行，每行長2 m，共4.8 m2（2.0 m×2.4 m）進行測產；小麥試驗中，在每小區內選定長勢均勻一致且具有代表性的5.0 m2（2.0 m×2.5 m）進行測產。將所有的玉米果穗或小麥穗收獲后脫粒，自然風干后進行測產。

1.3.3 光照輻射攔截率測定 利用AccuPAR植物冠層分析儀測定及計算光照輻射攔截率，每個小區測定3個點，每個點重復3次。首先在植株冠層上部測定入射光照輻射，然后在冠層底部測定透射光照輻射。光照輻射攔截率（%）＝（入射光照輻射 -透射光照輻射）／入射光照輻射 ×100。某一時間段的平均光照輻射攔截率為前后兩次測定的平均值。

1.3.4 光能轉化效率計算 根據每次測定的光照輻射攔截率數據，通過加權平均計算得到全生育期的光照輻射攔截率［21］，然后根據全生育期內的總入射光照輻射計算總攔截輻射量。其中，成熟期干物質量（g／m2）和產量（g／m2）與總攔截輻射量（MJ／m2）的比值分別表示為攔截光照輻射轉化效率（RUEi，g／MJ）和攔截光照輻射籽粒生產效率（RUEi（g），g／MJ）；成熟期干物質量（g／m2）和產量（g／m2）與總入射光照輻射（MJ／m2）的比值分別表示為入射光照輻射轉化效率（RUEs，g／MJ）和入射光照輻射籽粒生產效率（RUEs（g），g／MJ）。

1.4 數據統計與分析

利用Statistix 9.0和 SAS 9.4軟件對試驗數據進行統計分析；在5%水平上采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 播期與其他因素互作對玉米和小麥光能利用特性的影響

由表1看出，播期與其他因素互作對玉米和小麥光能利用特性產生顯著影響。玉米生長季，播期與氮肥、播期與密度的互作效應均極顯著；播期較早、氮肥較高、密度較大顯著提高玉米生育期內光照攔截量，光照輻射對干物質和產量的轉化效率也明顯提高，與第三播期（6月24日）相比，第一播期（6月10日）四個氮肥處理的 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分 別 提 高 28% ～48%、21%～41%、32% ～50%、20% ～42%（表2、表3）。

小麥生長季，RUEs的播期與栽培模式、播期與品種兩因素和三因素互作效應均達顯著水平，RUEs（g）、RUEi、RUEi（g）的播期與品種、播期與栽培模式兩因素互作效應均達極顯著水平；與農民習慣模式相比，超高產模式生育期內光照攔截量在第一播期（10月10日）提高7%以上，在第二播期和第三播期提高1%～2%；光照輻射對籽粒產量的轉化效率 RUEs（g）和 RUEi（g）分別提高 5% ～16%和2%～10%；不同品種間光照攔截和利用的差異表現不一致（表4、表5）。

表1 2018—2020年不同處理互作對玉米和小麥光照輻射攔截及光能轉化效率的影響

2.2 不同處理下玉米和小麥光能利用特性

玉米生長季，各播期不同氮肥處理中，高密度處理下 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）的數值較高，密度間的差異沒有表現出一致的規律，最高數值分別達到 1.22、2.05、0.67、1.09 g／MJ；在高氮水平下，光照輻射攔截量在6月24日播期隨密度增加而提高，而在其余播期隨密度增加先提高后降低（表2、表3）。不同播期的各密度處理中，高氮處理的RUE各指標顯著提高；在不同氮肥處理內的各 密 度 處 理 玉 米 的 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）隨播期推遲而降低；與第一播期相比（6月10日），第三播期（6月24日）高氮處理的RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分 別 降 低 22% ～25%、18%～19%、24% ～26%、17% ～20%（表2、表3）。可見，播期、氮肥、密度三因素均通過影響光照輻射對干物質和產量的轉化效率來影響玉米的物質生產和產量形成。

表2 2018年玉米光照輻射攔截率和攔截量及光照輻射對干物質和產量的轉化效率

表3 2019年玉米光照輻射攔截率和攔截量及光照輻射對干物質和產量的轉化效率

小麥生長季，播期間光照輻射攔截量及光照輻射對干物質和產量的光能轉化效率沒有顯著差異（表4、表5）；在各播期下的兩個栽培模式中，小麥品種間光照輻射攔截量差異較小，品種間的RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）沒有顯著差異。在各播期內，與農民習慣模式相比，超高產模式小麥RUEs（g）和 RUEi（g）分別顯著提高 5% ～16% 和2%～10%，但兩模式間小麥光照輻射攔截量差異較小，兩模式間 RUEs、RUEi、RUEi（g）不存在顯著差異（表4、表5）。小麥播期改變顯著影響產量，與光能利用指標變化趨勢不一致，小麥生育期長（232～246 d）是主要的原因之一；模式間產量和光能利用指標的比較結果表明，小麥產量的提高與 RUEs（g）密切相關。

表4 2018—2019年度小麥光照輻射攔截量及光照輻射對干物質和產量的轉化效率

（續表4）

2.3 玉米和小麥周年高產的光溫利用特性

選取玉米和小麥每個播期中產量最高的處理進行組合，進一步統計分析小麥-玉米兩熟系統周年高產的光溫利用特性，結果見表6。兩個年度的9個播期組合中，均以玉①＋麥①、玉①＋麥②、玉①＋麥③的周年產量較高，約達25 t／hm2，表明玉①播期決定了小麥-玉米生產系統的周年高產。與其余組合相比，這3個組合的產量、干物質量分別提高 6.9% ～10.3%、5.7% ～6.4%，RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分別提高 9.3% ～10.2%、4.6% ～5.6%、9.0% ～11.4%、4.7% ～5.7%，表明較高的周年光照輻射轉化效率促進了較高的干物質積累量是完成周年高產的重要因素。本研究初步明確，玉米-小麥周年產量達到25.0 t／hm2時，周年光照攔截量 ＞3 361 MJ／m2，RUEs＞0.63 g／MJ，RUEi＞1.20 g／MJ，RUEs（g）＞0.33 g／MJ，RUEi（g）＞0.62 g／MJ。可見，光照輻射對干物質量和產量的轉化效率顯著提高，是玉米和小麥系統周年高物質生產和高產的重要生理機制。

表5 2019—2020年度小麥光照輻射攔截量及光照輻射對干物質和產量的轉化效率

表6 2018—2020年不同播期組合下玉米和小麥周年的物質生產、產量、光照輻射攔截和利用

3 討論與結論

黃淮兩熟區氣候的變化和現代農業機械化的發展要求玉米、小麥對氣候資源的利用更加合理才能實現周年的高產高效生產。玉米-小麥兩熟種植系統全程機械化水平不斷加強，農田栽培技術措施差異較大，有必要進一步探討玉米-小麥高產生產的光能利用特性。本研究基于播期-栽培措施-品種特性互作的原則設置大區田間試驗，根據構建的玉米-小麥兩熟全程機械化農田系統調控技術體系，在不同的產量水平下分析了播期對玉米和小麥產量形成的影響，及周年高產的光能利用特性。結果表明，播期和栽培措施對玉米和小麥光能利用特性產生顯著影響。播期、氮肥、密度三因素均通過影響光照輻射對干物質和產量的轉化效率影響玉米的物質生產和產量形成，這亦表明較高的光能利用是玉米高產的關鍵［22］。玉米作為 C4植物，具有高光效的特點［10，22］，提升玉米群體的光照輻射攔截量是提高玉米光能利用率和產量的重要途徑［23］。高氮肥投入有利于形成更大的群體葉面積，以此獲取更大的光能截獲［24］。日照時數與光照輻射量密切相關，對光合作用和作物產量形成具有重要影響［25］。玉米生長季積溫升高，滿足了玉米需求，有利于物質生產［8，26］。延長生長季后，玉米光溫熱接受量增加，玉米產量可提高15%，積溫生產效率可提高5.5%，≥10℃有效積溫生產效率提高7.3%［20］。采用適宜的長生育期玉米品種，增加玉米生長季的光熱資源，可進一步提高玉米種植系統的生產力。

本研究中，小麥播期間光照輻射攔截量及光照輻射對干物質和產量的光能轉化效率差異較小；在各播期內，與農民習慣模式相比，超高產模式RUEs（g）均顯著提高，兩模式間的攔截量差異較小，RUEs、RUEi、RUEi（g）不存在顯著差異。小麥播期影響產量，但與光能利用特性指標變化趨勢不一致，這主要因為小麥生育期較長（232～246 d），光照輻射累積量大，存在一定的補償作用；且小麥越冬期平均積溫的升高可以補償晚播小麥的生長［27］，進而彌補氮素的吸收和利用［28］。作物光能利用率是由群體對光能的攔截和轉化兩方面決定的［29］。本研究中小麥產量的提高主要與RUEs（g）密切相關。

有研究指出，玉米和小麥播期調整可以優化周年資源分配，提高生育期與光溫資源的吻合度，玉麥系統生產效率可提高10%以上［30］。APSIM模型研究表明，小麥播期適當推遲，玉米適當晚收，可使小麥輕微減產（0.5% ～1.8%），而玉米較大幅度增產（8.0% ～14.2%），玉麥系統平均增產 2.8% ～4.5%［31］。高海濤等［20］研究表明，玉米收獲期推遲10～15 d，產量可提高10%～15%，最大可提升 2.8 t／hm2，≥10℃有效積溫生產效率可提高7.0%～7.3%。本研究的9個玉麥播期組合中，3個組合的周年產量較高，均約25.0 t／hm2，且均包括玉米的第一個播期（6月 10日）；較高的周年光照輻射攔截量及轉化效率促進了較高的干物質積累量是玉米-小麥系統完成周年高產的重要因素。

本研究認為，在玉米-小麥兩熟系統中，推遲玉米收獲期，增加玉米生長季的光熱資源，可以進一步提高玉米-小麥周年光能利用效率和產量。光照輻射對干物質和產量的轉化效率顯著提高，是玉米-小麥系統周年高物質生產和高產的重要生理機制。玉米 -小麥周年產量 ＞25.0 t／hm2時，周年光照攔截量 ＞3 361 MJ／m2，RUEs＞0.63 g／MJ，RUEi＞1.20 g／MJ，RUEs（g）＞0.33 g／MJ，RUEi（g）＞0.62 g／MJ。玉米 -小麥全程機械化生產中，玉米收獲時籽粒含水量超過30%會嚴重影響機收質量和效益，適當延長收獲期可一定程度上降低玉米籽粒含水量和提高玉米生產效益。調整玉米播種期和收獲期，采用適宜早播和長生育期的玉米品種，調整玉米-小麥的播期和種植結構，對促進黃淮地區玉米-小麥全程機械化生產和周年光溫資源的高效利用具有重要意義。