黃淮海麥玉兩熟區周年光溫資源優化配置研究進展

周寶元 葛均筑 孫雪芳 韓玉玲 馬 瑋 丁在松 李從鋒 趙 明,*

綜述

黃淮海麥玉兩熟區周年光溫資源優化配置研究進展

周寶元1葛均筑2孫雪芳3韓玉玲1馬 瑋1丁在松1李從鋒1趙 明1,*

1中國農業科學院作物科學研究所 / 農業農村部作物生理生態與栽培重點開放實驗室, 北京 100081;2天津農學院農學與資源環境學院, 天津 300384;3青島農業大學農學院, 山東青島 266109

在不增加任何成本前提下, 優化麥玉兩熟周年光溫資源配置是提升黃淮海區產量及資源利用效率的重要途徑之一。從20世紀80年代開始, 國內學者便從播/收期調整、不同生育期品種選育及新型種植模式創建等方面開展了黃淮海麥玉兩熟區周年光溫資源高效利用途徑探索。研究了小麥和玉米生長發育與光溫資源的匹配關系, 提出了以強化“C4玉米”高光效優勢為核心的周年光溫資源優化配置途徑, 在冬小麥?夏玉米一年兩熟基礎上, 創新了冬小麥?夏玉米“雙晚”技術模式, 構建了冬小麥/春玉米/夏玉米、冬小麥/春玉米/夏玉米/秋玉米和雙季玉米等種植模式, 實現了周年高產和光溫資源高效利用。本文綜述了黃淮海麥玉兩熟種植模式周年光溫資源優化配置研究進展及其在麥玉兩熟基礎上的新型種植模式探索, 并提出了以積溫分配為主的麥玉兩熟制周年光溫資源定量優化配置途徑, 建立了黃淮海區冬小麥?夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源優化配置定量指標及其相應標準, 以期為進一步挖掘該區周年產量及光溫資源利用潛力提供新的思路及理論支撐。

黃淮海平原; 冬小麥–夏玉米一年兩熟; 光溫資源; 優化配置

黃淮海平原是我國重要的糧食產區, 也是典型的兩熟區域, 冬小麥–夏玉米一年兩熟為該區主要種植體系, 其中小麥種植面積和產量分別占全國60%和50%, 玉米種植面積和產量占全國36%和40%左右, 為保障國家糧食安全發揮了重要作用[1]。然而, 由于黃淮海資源短缺, 大部分地區麥玉兩熟周年光熱資源緊張, 降水少且分布不均, 地下水過度開采問題日益嚴重[2-3]。特別是近年來, 受全球氣候變暖影響, 該區秋、冬季氣溫持續增加, 日照時數減少, 導致傳統冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式周年資源配置不合理, 作物品種、播期、生育期等與光、溫、水資源變化的匹配度下降[4-7], 限制了周年產量及資源利用效率的進一步提升。同時, 氣候變化引起高溫、干旱等極端天氣頻發, 導致冬小麥拔節孕穗期遭受凍害、冬旱和春旱[8], 夏玉米授粉結實期遭遇高溫、干旱或陰雨寡照的風險進一步加劇[9-10]。另外, 由于化肥和灌溉投入量大, 及玉米機械化水平低, 導致生產成本高, 增產不增收, 種植收益下降。因此, 優化冬小麥–夏玉米周年氣候資源配置, 并探索新型資源高效種植模式, 成為緩解氣候變化影響, 且在不增加投入的前提下, 進一步提升黃淮海周年產量、資源利用效率及經濟效益的重要途徑。本文總結了黃淮海麥玉兩熟區種植模式發展歷程及其周年光溫資源優化配置研究取得成果, 并結合本團隊多年研究結果提出了以積溫分配為主的麥玉兩熟制周年資源精準配置技術途徑, 建立了適應整個黃淮海區冬小麥–夏玉米一年兩熟生產的資源配置定量指標及其相應標準, 以期為推動該區糧食生產可持續發展提供理論依據和技術支撐。

1 黃淮海麥玉兩熟區種植模式發展歷程

黃淮海平原處于暖溫帶大陸性季風氣候區, 該區緯度跨度較大(31°23￠~42°37￠N), 氣候資源分布不均勻, 年≥10°C積溫為3600~4900°C, 年累計日照時數是2300~2800 h, 年降雨量的范圍是600~800 mm。長期以來, 該區的種植制度一直受制于熱量資源, 大部分地區光溫資源一季有余、兩季緊張。為了充分利用全年有限光溫資源, 提高周年產量和資源利用效率, 在生產條件不斷改善和生產水平不斷提高的前提下, 該區以小麥、玉米為核心的種植制度經歷了一系列的重大變革。

20世紀50年代, 受作物品種、耕地質量、灌溉設施及農業機械等生產條件限制, 該區小麥、玉米等作物以一年一熟或兩年三熟為主, 周年光溫資源利用潛力挖掘不足, 糧食單產不足1050 kg hm–2; 60年代至70年代, 以提高復種指數為主提高周年糧食總產, 由于生產條件得到改善, 開始推行小麥/玉米兩茬套種, 以一年兩熟為主, 周年產量和光溫資源利用效率顯著提高; 70年代至80年代, 以提高單產和單位面積土地生產力為核心, 種植模式仍以小麥/玉米兩茬套種為主, 并隨著農業機械和農田灌溉的發展及化學肥料的使用, 開始發展以早熟類型品種為主的小麥、玉米兩季平播, 最大限度利用周年光溫資源, 充分挖掘周年產量潛力; 80年代后期, 注重產量的同時開始關注經濟效益, 該區一年兩熟穩定, 耕作、播種及收獲機械大面積應用, 開始推行晚播小麥和夏播中晚熟玉米晚收的一年兩熟種植制度,并結合多熟種植中長生育期高產作物, 充分發揮高產作物的產量和資源利用潛力; 90年代初, 隨著機械化水平不斷提升, 灌溉設施不斷完善及化肥投入增加, 糧食產量水平得到大幅度提升, 開始重視質量與效益, 高產高效逐漸成為這一時期種植制度的主要特征[11], 進一步對種植業結構優化調整, 仍以冬小麥–夏玉米一年兩熟種植為主, 并在此基礎上, 先后探索了“冬小麥/春玉米/夏玉米”和“冬小麥/春玉米/夏玉米/秋玉米”等集約多熟種植[12-13], 及輕簡高效的冬小麥–夏玉米“雙晚”技術模式[14], 進一步提升了全年光溫資源利用效率; 從90年代后期以來,由于我國農產品供求格局發生了變化, 農民增收成為重點關注的問題, 如何進一步提高該區周年機械化水平和種糧經濟效益成為熱點, 在冬小麥–夏玉米一年兩熟基礎上, 該區種植制度向多元化、高效化方向發展, 充分運用新技術、新材料, 農藝與農機結合, 并關注資源環境的可持續利用。

縱觀黃淮海區種植制度的發展歷程可知, 從小麥、玉米一年一熟發展到兩季套種, 再到兩季平播, 目的是充分挖掘全年光溫資源潛力, 提升周年糧食產量, 技術策略是通過調整品種、播期等措施優化配置周年光溫資源, 實現全年光溫資源最大化利用。由于耕整地機械、播種及收獲機械的廣泛應用,及玉米少免耕播種技術的發展, 大大縮短了兩季接茬(整地、播種及收獲)時間, 加之氣候變暖增加了全年積溫量, 為兩季平播, 及短生育期品種向中長生育期的高產品種轉換、播收期的調整提供了可能。另外, 增加高效作物(玉米)在周年種植中的比例, 將有效資源更多分配給更加高效的玉米生長季節中, 充分發揮高效作物潛能, 也是實現黃淮海麥玉兩熟區周年光溫資源高效利用的重要途徑。

2 黃淮海麥玉兩熟區周年光溫資源優化配置研究成果

為充分挖掘黃淮海區周年光溫資源潛力, 20世紀80年代開始許多農業科學家開展了大量以強化C4作物–玉米高光溫效率優勢為核心的周年光溫資源高效利用途徑探索, 或通過品種和播期調整等措施優化冬小麥–夏玉米一年兩熟周年光溫資源配置, 或在冬小麥–夏玉米一年兩熟基礎上通過增加玉米種植比例構建新型資源高效種植模式, 形成了一批有代表性的成果, 在一定程度上大大提高了黃淮海麥玉兩熟區周年糧食產量和光溫資源利用效率。

2.1 小麥玉米生長發育與光溫資源匹配關系研究

為給黃淮海麥玉兩熟周年光溫資源優化配置提供依據, 長期以來國內學者開展了大量關于小麥和玉米生長發育與光溫資源匹配的研究。尹鈞團隊[15-16]研究了冬小麥產量與冬前積溫量的關系, 明確了不同春化特性小麥冬前積溫需求和壯苗適宜葉齡指數,及花后籽粒淀粉積累特性[17], 最終確立了在黃淮海南部通過早播, 選用半冬性或半冬偏春性品種來提高產量和資源利用效率的技術途徑。Wang等[18]研究結果表明, 較大幅度地推遲冬小麥播種期(11月中旬),通過選用大穗型品種、增加播種量, 依靠主莖成穗, 維持較高產量的同時可顯著提高周年光溫水等資源利用效率。Zhou等[19]通過在河南北部設置大跨度播期試驗(10月上旬至12月初), 揭示了小麥分蘗、葉面積及干物質積累動態與各生育階段光溫變化的匹配關系, 明確了小麥極晚播有利于躲避冬季凍害和干旱, 同時減少水分消耗并維持較高產量。董樹亭團隊揭示了溫度和光照等氣候因素對玉米生長發育及產量形成的影響機制, 明確了花后高溫和寡照是制約黃淮海夏玉米進一步高產的關鍵氣候因素, 提出了夏玉米直播晚收、延長灌漿時間、促進花后物質積累的高產和光溫資源高效利用栽培理論[20-22]。李少昆團隊通過十余年黃淮海夏玉米區聯網試驗系統研究了高產玉米群體生長發育與區域光熱資源的定量匹配關系, 認為該區玉米與光溫資源匹配度偏低, 光溫利用效率只有60%左右, 提出了選用生育期較長品種并適時晚收的光溫高效匹配途徑[23-24]。山東農業大學經過系統研究表明, 寬窄行的株行距配置可以優化高密度夏玉米群體光分布, 增加藍紫光比例, 提高葉片光合能力, 由此提出了寬窄行密植的光能高效利用途徑[25-26]。趙明團隊[27-29]利用播期模擬試驗探明了氣候因子對玉米物質生產與產量形成的影響機制, 建立了干物質積累和葉面積指數動態變化的積溫模型, 并提出了根據玉米不同收獲目標的積溫需求確定收獲期, 充分利用生育后期光溫資源進行籽粒脫水, 實現夏玉米籽粒機收的技術途徑。

綜上可知, 溫度是影響冬小麥生長發育的主要氣候因素, 而輻射是夏玉米進一步高產的主要限制因素。根據小麥和玉米對光溫資源的需求特性, 確定合理的品種更換、播收期調整及種植方式優化等措施, 可以有效協調小麥和玉米生長發育與溫度和輻射的匹配關系, 從而進一步提高作物產量和光溫資源利用效率。

2.2 冬小麥–夏玉米周年光溫資源優化配置模式

在黃淮海北部光熱資源相對緊缺區, 為最大限度利用有限光溫資源, 提升冬小麥–夏玉米周年產量和資源利用效率, 王樹安[14]建立了冬小麥–夏玉米“雙晚”技術模式, 對周年光溫資源進行再分配, 即將冬小麥播種期由10月初推遲至10月中旬(晚播5~7 d), 夏玉米收獲期推遲至9月底至10月初(晚收5~7 d), 在保證小麥產量不顯著降低的情況下, 將更多的資源分配給玉米, 使玉米產量顯著增加, 實現了周年高產和光溫資源高效利用。應用“雙晚”技術, 冬小麥–夏玉米周年產量可達15,000 kg hm–2以上, 光溫資源生產力分別提高64%和124%, 在20世紀90年代首次創立了華北地區的“噸糧田”。Sun等[30]和Xu等[31]對“雙晚”技術進行了試驗驗證, 結果表明, 在不增加任何成本的前提下, 華北平原夏玉米收獲期和冬小麥播期分別推遲5 d的“雙晚”種植模式, 周年產量和水分生產效率均得到顯著提升。呂麗華等[32]認為在河北平原小麥推遲播種時間、玉米延遲收獲時間是發揮兩季作物均衡增產的重要措施, 小麥晚播至10月17日, 玉米收獲期推遲到10月17日, 積溫可增加476°C, 玉米可增產527.7 kg hm–2。付雪麗等[33]研究得出, 冬小麥–夏玉米“雙晚”種植模式周年產量可達到21,891~22,507 kg hm–2,比對照提高了442~2575 kg hm–2, 周年光溫資源生產效率分別提高2.22%~10.86%和0.47%~11.56%。另外, Wang等[34]利用APSIM模型研究了氣候變化對“雙晚”技術增產效應的影響, 結果表明氣候變暖能夠緩解晚播造成的小麥生育期縮短和產量降低,并為夏玉米晚收提供了更多的積溫保障, 可使冬小麥–夏玉米“雙晚”技術模式周年產量提高4%~6%。

基于以上研究基礎, 河北農業大學進一步深化發展了適應河北水熱資源緊缺條件的冬小麥–夏玉米“雙晚”技術[35-37]。探明了不同冬前積溫(播期)和行距配置高產小麥的光溫利用效應和高產玉米生育期調配的光溫利用規律, 提出了冬小麥“減溫、勻株”和夏玉米“搶時、延收”的光溫高效利用途徑, 即冬小麥晚播4~7 d (冬前積溫由640~680℃減至590℃左右)和縮行密植(行距由20 cm改為15 cm), 培育冬前壯苗和合理群體, 提高光能截獲率; 夏玉米早播和晚收進行生育期調配, 充分利用冬小麥適期晚播的余留光溫, 挖掘玉米生產潛力, 實現了周年產量和光溫生產效率的同步提高。以上述研究內容為核心, 形成了“海河平原小麥玉米兩熟豐產高效關鍵技術創新與應用”成果, 獲2011年度國家科技進步二等獎。

在黃淮海南部光熱資源相對充足區, 針對玉米收獲至小麥播種空閑期過長造成資源嚴重浪費的問題, 河南農業大學通過系統研究小麥品種的溫光發育特性[15-17], 建立了改弱春性(春性)品種為半冬性(半冬偏春性)品種、改晚播為適當早播的“雙改技術”,充分發揮了半冬性和半冬偏春性小麥品種冬前分蘗多、分蘗成穗率高、穗分化時間長和穗重潛力大的優勢, 增加小麥對冬前光、溫、水資源的有效利用; 探明了玉米高產群體生育和資源利用特征[38], 提出了玉米壯根強株克服早衰延長生育期10~15 d的光溫高效利用途徑, 從而形成小麥“品種播期雙改”、玉米“延時收獲”的周年資源高效利用技術, 充分利用兩季接茬的空閑期, 周年可減少480~520oC積溫和240~260 MJ m–2輻射的資源浪費, 實現了周年高產和光溫資源高效利用。以上述研究內容為核心, 形成了“黃淮區小麥夏玉米一年兩熟豐產高效關鍵技術研究與應用”成果, 獲2010年度國家科技進步二等獎。

以上冬小麥–夏玉米一年兩熟周年光溫資源優化配置模式均在一定程度上提高了周年產量和光溫資源利用效率, 然而這些技術模式仍以經驗性的調播期和選品種為主, 具有區域局限性和隨機性, 缺乏共性的指導指標和定量依據, 難以精準指導區域尺度的資源優化配置。

2.3 集約多熟光溫高效種植模式

在黃淮海區種植模式發展過程中, 為了最大限度地利用光照、溫度、降水等自然資源, 提高周年產量和資源利用效率, 許多科學家在冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式基礎上也開展了以強化玉米高光溫效率優勢為核心的多熟種植模式探索。逢煥成等[39]分析了小麥/玉米套種共生階段的光溫資源生態效應與小麥邊際效應, 認為適當增加玉米種植比例可以顯著提高小麥–玉米周年產量和光溫資源利用效率。陳阜等[13]在冬小麥–夏玉米一年兩熟的基礎上, 建立了“冬小麥/春玉米/夏玉米”和“冬小麥/春玉米/夏玉米/秋玉米”等集約多熟種植, 實現周年平均產量達20,000 kg hm–2以上。黃進勇等[40]研究表明冬小麥||春玉米–夏玉米復合種植模式主要通過復合群體在田間高矮配合、生長發育進度交錯, 使各個作物的生殖生長時期均處于高空間生態位, 改平面受光為立體受光, 改善了田間的生態條件, 從而獲得較高的產量和光溫資源利用效率。趙秉強等[14]也認為, 小麥–玉米–玉米集約多熟高產技術模式可實現全年光溫資源高效利用, 達到18,000 kg hm–2的高產水平。Meng等[41]研究表明, 冬小麥/夏玉米–春玉米兩年三熟的種植模式, 由于部分減少了小麥的種植, 年平均節約灌溉量可達40%, 有利于實現地下水平衡。可見, 在冬小麥–夏玉米兩熟制基礎上, 通過對周年內種植作物比例進行調整, 適當減少冬小麥種植面積, 增加玉米的種植面積, 也是充分發揮玉米高光效優勢, 實現周年高產和資源高效利用的重要技術途徑。陳阜等人聯合完成的“多熟農作制豐產增效關鍵技術與集成應用”成果中對黃淮海農區多熟種植制度產量及資源效率特征進行了系統研究, 并建立了相應的豐產高效調控技術, 獲2018—2019年度神農中華農業科技獎一等獎。然而, 集約多熟種植模式屬于高投入和高產出, 雖然提高了周年產量和資源利用效率, 但增加了人工投入, 且難以進行機械化操作, 針對當前農業生產規模化、機械化和輕簡化的發展形勢, 麥玉兩熟區集約多熟種植模式及其配套栽培技術尚需要進一步簡化。

2.4 雙季玉米新型光溫高效種植模式

為最大限度發揮玉米的高光溫效率優勢, 一些科學家將冬小麥–夏玉米一年兩熟模式中的小麥更換為光溫高效的玉米, 探索并建立了雙季玉米周年高產高效種植模式。王美云等[42]在黃淮海一年兩熟的北緣地區, 進行了玉米地膜加套種的雙作高產技術模式探索, 研究結果表明, 雙季青貯玉米具有高產高效特點, 兩季不同熟期品種的配置使玉米生長發育與自然資源的變化同步協調, 充分利用全年光溫資源。李立娟等[43-44]在黃淮海中部地區探索了雙季連作糧用玉米模式, 兩季均選擇早熟品種, 早春季覆膜早播(3月20日左右), 及時收獲(7月20日左右), 晚夏季搶時免耕直播(7月20日左右), 適當晚收(11月上旬), 采用大小行雙季交錯連作的種植方式, 顯著增加了周年作物產量、光溫資源利用效率以及經濟效益。Meng等[45]研究表明, 雙季玉米周年產量可達到19.6 Mg hm–2, 與優化的冬小麥–夏玉米一年兩熟模式產量無顯著差異, 但是與傳統的一年兩熟模式產量相比增加了21%, 且雙季玉米周年地下水消耗量僅為139 mm, 與一年兩熟制的傳統模式和優化模式相比分別降低了136 mm和69 mm, 能夠維持地下水周年平衡。筆者利用4年定位試驗對冬小麥–夏玉米模式和雙季玉米模式周年產量和資源效率進行了比較, 結果表明, 二者周年產量無顯著差異, 但雙季玉米模式周年光、溫生產效率顯著高于冬小麥–夏玉米模式[46]。另外, 這種種植方式不存在共生期, 易于實現全程機械操作, 且冬季空余的時間長達120 d左右, 既能避免作物遭受凍害和冬旱, 又有利于土壤中的有機物的積累和水分的儲存, 使農田得到充分休養[44]。可見, 雙季玉米種植模式由于其“雙季C4作物”的合理搭配, 具有產量潛力高、光溫水生產效率高的優點, 為進一步提升黃淮海區周年產量潛力及資源效率提供了思路。然而, 由于春玉米季多次噴施農藥為防止灰飛虱和粗縮病的發生, 導致雙季玉米模式造成的潛在人體毒性、水體毒性和土體毒性較為嚴重[47]。另外, 冬小麥作為口糧對保障我國糧食安全具有舉足輕重的作用, 雙季玉米模式的建立無法取代傳統冬小麥–夏玉米模式, 只能作為一種有益的補充種植模式。

3 黃淮海麥玉兩熟周年光溫資源精準配置研究

前人關于黃淮海麥玉兩熟周年光溫資源優化配置與高效利用方面進行了大量的研究探索, 取得了重要進展, 形成了一批有代表性的成果, 在一定程度上大大提高了周年糧食產量和資源利用效率。然而, 目前大部分研究往往僅以經驗性的播期調整或不同生育期品種選擇進行周年資源優化配置, 缺乏理論依據和定量指標的指導, 具有區域局限性和隨機性, 難以指導整個黃淮海麥玉兩熟制周年光溫資源的精準配置。為此, 筆者在歸納總結前人研究與本課題組10多年研究結果的基礎上, 于2014年全國青年作物栽培與生理學術研討會上提出了黃淮海麥玉兩熟周年光溫資源定量配置途徑, 其核心是以積溫分配為主, 建立季節間積溫分配率和分配比值, 及季節內積溫滿足率和光溫生產潛力當量等定量化指標, 并通過大量田間試驗確定了實現冬小麥–夏玉米周年高產高效的各指標定量標準, 據此指導整個黃淮海冬小麥–夏玉米模式周年資源精準配置。

3.1 周年光溫資源優化配置定量指標

通過分析黃淮海麥玉兩熟區的河南、河北、山東3省9個試驗點5年高產攻關田產量和光溫資源分配試驗數據, 及河南新鄉冬小麥–夏玉米播/收期搭配的6年定位試驗數據, 探明了氣候因子與作物產量的定量關系[19,27-28], 揭示了積溫在周年氣候資源配置與種植模式構建中的主控作用, 由此提出了以調節熱量分布與作物需求平衡為核心的周年資源優化配置途徑。首次創立了以積溫分配為主, 兼顧輻射和降水分配的季節間資源優化配置定量指標, 并建立了相應的計算公式(表1)[48-49]。

3.2 周年光溫資源利用評價定量指標

通過分析年際間、地區間生態條件的差異及光溫資源與產量形成的定量關系, 本團隊首次提出了表征季節內作物對光溫資源挖掘利用程度的“光溫生產潛力當量”指標及其計算公式(表1), 即作物實際產量與光溫生產潛力的比值[50], 克服了以實際產量評價存在區域光溫資源稟賦差異影響的問題, 提高了對作物光溫資源利用程度評價的準確度。另外, 為評價資源變化與作物需求匹配關系, 建立了季節內積溫滿足率(accumulated temperature satisfaction rate, TSR)指標及公式(表1), 即當地可利用積溫總量與作物生育期積溫需求總量的比值, 用于精準指導適宜熟期品種和播期選擇及其種植安全性評價。

3.3 周年光溫資源優化配置與利用評價指標的定量標準

利用2006—2010年黃淮海區的河南(浚縣、蘭考和溫縣)、河北(吳橋和藁城)、山東(兗州、滕州、諸城和萊州) 9個高產點共45個田間試驗數據, 定量分析了冬小麥–夏玉米模式高產形成與季節間光溫水資源分配的關系, 明確了冬小麥–夏玉米周年高產條件下的季節間有效積溫(表2)、輻射(表3)及降水(表4)的定量分配特征[48]。可以看出, 各省冬小麥–夏玉米模式季節間熱量和輻射資源分配量差異較大, 而季節間積溫和輻射的分配率和分配比值無顯著差異, 小麥季和玉米季積溫分配率分別為43%和57%, 兩季積溫量比值為0.7, 輻射分配率分別為58%和42%, 兩季輻射量比值為1.4, 降水分配區域間差異較大, 降水分配率變化范圍分別為24%~29%和71%~76%。說明雖然區域間冬小麥–夏玉米兩季光溫資源分配量差異較大, 但獲得周年高產的兩季積溫和輻射分配率和分配比值相對固定, 因此該指標可作為整個黃淮海區冬小麥–夏玉米模式季節間資源合理配置的定量標準。

表1 光溫水資源定量配置與利用評價指標及其計算公式

AT: 積溫; Ra: 輻射; Pr: 降水量。

AT: accumulated temperature; TDR: accumulated temperature distribution rate; TSR: accumulated temperature satisfaction rate; TR: accumulated temperature ratio between two seasons; Ra: accumulated radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio between two seasons; Pr: precipitation; PDR: precipitation distribution rate; PR: precipitation ratio between two seasons; TPPE: AT and Ra production potential equivalent.

同時, 計算了2006—2010年河南、河北、山東3省12個高產點冬小麥–夏玉米光溫生產潛力, 并根據實際高產產量進一步計算出冬小麥–夏玉米高產模式光溫生產潛力當量值(表5)[50]。可以看出, 雖然各省光溫生產潛力和實際產量差異顯著, 但光溫生產潛力當量無顯著差異, 說明在當時的生產技術水平和品種產量潛力條件下各省對光溫生產潛力的挖掘水平差異不顯著。因此, 由于該指標消除了各地光溫資源稟賦差異的影響, 作為各地高產挖潛程度和光溫資源利用程度的評價標準更客觀。

表2 冬小麥–夏玉米高產模式周年積溫分配

標以不同小寫字母的各省平均產量在0.05水平差異顯著。

AT: accumulated temperature; TDR: accumulated temperature distribution rate; TR: accumulated temperature ratio between two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

表3 冬小麥–夏玉米高產模式周年輻射分配

標以不同小寫字母的各省平均產量在0.05水平差異顯著。

Ra: accumulated radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio between two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

表4 冬小麥–夏玉米高產模式周年降水分配

標以不同小寫字母的各省平均產量在0.05水平差異顯著。

Pr: precipitation; PDR: precipitation distribution rate; PR: precipitation ratio between two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

表5 冬小麥–夏玉米高產模式產量、光溫生產潛力和光溫生產潛力當量

標以不同小寫字母的各省平均產量在0.05水平差異顯著。

TPPy: AT and Ra production potential; TPPE: AT and Ra production potential equivalent. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

3.4 周年光溫資源定量優化配置體系應用實例

在黃淮海麥玉兩熟周年生產中, 北部光熱資源相對緊缺區, 冬小麥播種過早導致夏玉米成熟度低, 限制周年產量提升; 南部光熱資源相對充足區, 玉米收獲至小麥播種空閑期過長造成資源嚴重浪費, 而傳統的通過調整播收期、選用不同熟期品種進行種植模式優化的手段, 具有區域局限性和隨機性, 難以建立整個區域統一的標準, 導致區域間產量和管理水平差異大。本研究基于該區從北向南周年可利用積溫4500~5600℃總量, 以兩季積溫分配率43%∶57%為標準對整個黃淮海冬小麥–夏玉米模式積溫分配進行調整。北部積溫緊張區, 選用半冬性小麥品種晚播(5~7 d), 中熟品種玉米晚收(5~7 d), 將小麥季210~290℃積溫調至玉米季, 發揮玉米高光效優勢, 延長灌漿期增粒重增產, 小麥通過勻播密植實現保穗穩產; 南部積溫充足區, 選用半冬性或偏春性晚熟小麥品種早播(6~8 d), 中晚熟品種玉米晚收(7~10 d), 兩季共用休閑期450~520oC積溫和240~260 MJ m–2輻射; 為實現冬小麥–夏玉米一年兩熟條件下的玉米籽粒低水分機械收獲直接入庫, 將兩季積溫分配率調為34%和66%[49], 小麥極晚播至冬前露頭或不出苗狀態, 讓出550–650℃積溫給玉米用于籽粒脫水, 通過篩選適宜小麥品種和調整行株距配置密植, 維持較高產量, 玉米選用抗倒脫水快品種, 收獲籽粒含水量達16%以下, 形成小麥–玉米周年雙籽粒機收技術模式, 在周年產量不降低的前提下生產效率提高13.2%。3種優化模式下, 小麥和玉米生長季的積溫分配量分別為2135℃和2866℃、2346℃和3142℃、1596℃和3573℃, 光溫生產潛力當量分別達到59.7%和65.6%、58.9%和67.2%、60.1%和64.9%, 均達到了當地高產水平。

以上述研究內容為核心, 形成了“玉米溫光資源定量優化增產增效技術與應用”成果, 獲2018—2019年度神農中華農業科技獎一等獎。

4 黃淮海麥玉兩熟周年資源優化配置研究展望

經過長期研究與生產實踐, 研究人員已經建立了大量適應黃淮海麥玉兩熟區生態和生產特點的光溫資源優化配置與高效利用模式, 在保障國家糧食安全和農民增收中發揮了巨大的作用。筆者基于前人研究基礎和本課題組十余年的研究結果, 通過定量分析冬小麥–夏玉米兩熟種植模式季節間光溫資源分配與利用特征, 及作物生產過程與氣候因素的內在關系, 初步建立了黃淮海麥玉兩熟制周年光溫資源優化配置定量指標及資源高效利用技術體系, 彌補了現有氣候資源配置定量指標的不足, 以期為該區麥玉兩熟種植制度優化提供思路和借鑒。然而, 在氣候持續變暖的影響下, 及未來生產條件和生產目標的不斷變化, 黃淮海麥玉兩熟制將迎接新的挑戰, 在保證持續穩定增產的前提下, 該區種植制度應逐步走向資源高效化、規模機械化、精準信息化、經濟效益及環境可持續。

4.1 適應氣候變暖趨勢的麥玉兩熟周年資源優化配置研究

在氣候變暖的影響下, 積溫的增加使麥玉兩熟區北界向北推移, 也會導致當前的品種類型發生變化, 冬小麥品種向冬性減弱的類型發展; 夏玉米生育期熱量條件得到改善, 能夠滿足中晚熟玉米品種平播的熱量需求[7], 特別是為夏玉米增加站稈脫水時間, 實現機械直接收獲籽粒提供了有利條件。另外, 氣候變化也將導致極端高溫、低溫、澇漬及干旱等氣象災害頻發, 影響冬小麥安全越冬和正常成熟, 及夏玉米授粉結實及灌漿[8,10]。因此, 針對未來氣候變化趨勢, 黃淮海麥玉兩熟種植制度的發展應加強適應未來氣候變暖條件的品種與播期合理搭配、周年資源優化配置研究; 加強作物品種與溫度及水分的匹配關系研究, 開展應對極端溫度、澇漬或干旱等氣象災害的周年資源優化配置研究。

4.2 適應規模機械化生產的麥玉兩熟周年資源優化配置研究

以機械化為核心的規模化經營是降低生產成本,提高種植效益的重要途徑, 也是現代農業生產的必然趨勢。目前限制冬小麥–夏玉米兩熟制全程機械化的關鍵在于夏玉米籽粒機械收獲, 兩季作物競爭光溫資源導致夏玉米收獲時籽粒含水量高, 破碎率、雜質率高, 且籽粒烘干耗能大、成本高[51], 如何從種植制度創新或兩季資源優化配置角度探索實現夏玉米機械直接收獲籽粒的途徑還有待進一步研究。另外, 從粗放模式走向精準管理也是農業規模化生產的必然需求, 作物生產全程標準化、精準化控制是實現規模生產效應的關鍵。在明確作物生長與光溫水等條件定量關系基礎上, 進一步建立定量指標及計算公式, 可為精準管理決策提供基礎數據和核心算法。筆者前期初步建立了黃淮海麥玉兩熟周年光溫資源配置定量指標, 隨著氣候變化和作物品種的更新換代, 各指標參數需要進一步優化調整。另外, 如何將各定量指標高度融合, 建立簡便易操作模型, 以便有效應用于生產實踐, 尚有待進一步的研究。

4.3 適應水資源可持續利用的麥玉兩熟周年資源優化配置研究

水資源緊缺已成為黃淮海大部分地區冬小麥–夏玉米一年兩熟種植體系可持續發展的第一限制性因素。周年降雨不足及其季節間的不均衡分布是造成該體系大量消耗地下水的主要原因[41,52], 且氣候變暖導致降水資源的不確定性會進一步加劇地下水資源的消耗。雖然針對單季作物的水分優化管理, 如根層干濕交替灌溉、虧缺灌溉、限制性灌溉等, 能夠較大幅度提高水資源利用效率, 但為保證小麥高產仍需250 mm以上的灌水量[53], 不可避免地下水的過度消耗, 而從種植系統降水資源優化配置角度探索實現冬小麥–夏玉米周年水分平衡與高效利用的途徑可能是解決這一問題的出路。因此, 麥玉兩熟種植體系未來應重點開展以周年降水最大化利用為核心的麥玉兩熟周年降水資源優化配置研究與種植模式優化。

總之, 我國農業發展已經進入新的階段, 從單純追求產量的粗放型向產量與效益并重的質量型發展, 資源的高效利用及促進農民增收成為當前農業生產的首要任務。因此, 筆者認為未來黃淮海麥玉兩熟種植制度發展的方向和目標仍然是經濟效益、生態效益和資源效率的持續高效, 在不增加任何投入的前提下, 兩季資源優化配置將繼續在挖掘麥玉兩熟周年產量和資源利用潛力中發揮重要作用。

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Research advance on optimizing annual distribution of solar and heat resources for double cropping system in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain

ZHOU Bao-Yuan1, GE Jun-Zhu2, SUN Xue-Fang3, HAN Yu-Ling1, MA Wei1, DING Zai-Song1, LI Cong-Feng1, and ZHAO Ming1,*

1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;2College of Agronomy & Resource and Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China;3College of Agronomy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China

Optimizing the distribution of annual solar and heat resources is an important way to improve the annual yield and resource use efficiency without increasing input for the winter wheat?summer maize of the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain. During 1980s, the researchers began to explore ways to increase the efficiency utilization of solar and heat resources from the sowing/harvest adjustment, variety selection, and intensive cropping system innovation. Based on study of matching relation between crop growth and resources, a technological approach to optimize the distribution of solar and heat resources was put forward by strengthening the high photosynthetic efficiency of “C4maize”. Then, the winter wheat and summer maize “double late” technology, winter wheat/spring maize/summer maize, winter wheat/spring maize/summer maize/autumn maize cropping systems were established, which realized high yield and high efficient utilization of resources. In this paper, we reviewed current theoretical and regulation approaches for optimizing distribution of solar and heat resources of double cropping system in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain. Then proposed a quantitative and optimal resources distribution method for double cropping system, and set up the unified quantitative indexes for resources distribution between winter wheat and summer maize, which could provide theory support for further increasing anniversary production and resource utilization efficiency of the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain.

the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain; winter wheat?summer maize double cropping system; solar and heat resources; optimizing distribution

10.3724/SP.J.1006.2021.13012

本研究由國家重點研發計劃項目(2018YFD0300504)和國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-02-12)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0200504) and the China Agriculture Research System (CARS-02-12).

趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752

E-mail: zhoubaoyuan@caas.cn

): 2021-01-13;

2021-04-23;

2021-05-06.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210506.1305.002.html