江淮地區稻–麥周年產量差及其與資源利用關系

杜祥備 習 敏 孔令聰,* 吳文革,* 陳金華 許有尊 周永進

1 安徽省農業科學院作物研究所, 安徽合肥 230031; 2 安徽省農業科學院水稻研究所, 安徽合肥 230031; 3 安徽省氣象研究中心,安徽合肥 230031

在當前全球人口膨脹的背景下, 糧食安全問題日益嚴峻, 預測到2030年全球每年糧食需求將達到28億噸。為滿足這一需求, 提升糧食總產量是未來農業領域研究的熱點問題[1]。我國人口對糧食供給的壓力尤為巨大, 在有限的耕地資源背景下, 唯有提高作物單產水平才是確保糧食安全的唯一途徑。安徽江淮地區地處我國南北氣候過渡帶, 是我國糧食的主要生產基地之一。稻–麥兩熟種植是區域糧食生產的主要種植制度, 通常水稻于 5月 10月至 20日播種, 小麥收獲后移栽, 10月中下旬收獲, 生育期140～160 d, 平均單產 7135.5 kg hm–2; 小麥 10 月下旬至 11月初播種, 5月底至 6月初收獲, 生育期200～215 d, 平均單產 5365.5 kg hm–2。江淮地區常年稻麥輪作面積 120萬公頃, 占全國稻麥輪作 25%以上, 為保障國家糧食安全做出了重要貢獻[2]。

近年來, 安徽糧食生產技術取得長足進步, 連續十六連豐。但受氣候變化、自然災害及栽培管理技術等影響, 安徽稻麥單產水平、穩定性與糧食總產提高面臨重大的挑戰。現有的生產管理條件下作物生長潛力仍沒有得到充分挖掘, 不同生產主體產量差距較大, 甚至同一地區不同農戶田塊之間作物產量的差距也較大。在當前作物單產潛力提升有限的情況下, 通過提高單位土地上的糧食產量來縮減區域內的產量差變得越來越重要[3]。實際生產中江淮地區稻麥大面積的平均產量還處于較低水平, 單產還有很大的增長潛力。因此, 縮減區域產量差, 是全面提高區域糧食生產的關鍵[4]。

產量差研究一直是國際作物學研究的熱點。產量差的研究能夠揭示產量的提升空間, 及區域產量提高的限制因子[1,5-7]。國內外一些學者從不同側面對我國不同區域主要糧食作物產量差及增產潛力進行了研究[5-8]。但以往研究多是針對單一作物進行,對周年糧食生產和氣候資源利用的研究鮮見報道。同時, 針對江淮地區稻麥周年產量差的研究尚未見報道。本研究結合農戶調研和大田試驗示范, 定量分析江淮地區稻–麥周年生產的產量差, 明確區域糧食產量提升的主要限制因素, 以期為縮減江淮地區稻–麥周年產量差和糧食總產的持續穩定提高提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 區域概況

以安徽省江淮地區稻麥兩熟主產區為研究區域,主要包括鳳臺、壽縣、潁上、懷遠、定遠、鳳陽、天長、霍邱、巢湖、廬江等地區。江淮地區年平均氣溫在 14～17℃之間, 平均日照 1800～2500 h, 平均無霜期200～250 d, 平均降水量800～1800 mm。主要種植模式是水稻–小麥一年兩熟輪作。

1.2 數據來源

產量數據主要來源于“十一五”、“十二五”和“十三五”國家糧食豐產科技工程安徽省代表性地點田間試驗、高產攻關示范和農戶生產對照的稻–麥周年產量數據。其中, 田間試驗和高產攻關示范產量數據水稻季166個、小麥季80個、周年72個, 農戶生產對照產量數據水稻季76個、小麥季85個、周年60個。氣象數據來源于安徽省氣象局, 包括上述研究區域的 9個站點 2008—2019年逐日的平均溫度、輻射量、降水量等氣象資料。

1.3 產量差的確定

為比較不同的產量水平, 根據Lobell等[1]的分類方法, 從數據集中選取田間試驗和高產攻關示范產量前 5%的均值作為高產紀錄, 中間 80%的均值作為試驗水平, 農戶產量中間80%的均值作為農戶水平。確定3個不同產量水平: 高產紀錄、試驗水平和農戶水平。其中水稻高產紀錄、試驗水平和農戶水平數據分別為8、133和61個, 小麥分別為4、64和68個, 周年分別為4、58和48個。根據產量的不同標準水平定義了2個產量差距: 以高產紀錄為基礎的產量差(YG1)和基于試驗水平為基礎的產量差(YG2)。

YG1 = 高產紀錄-農戶水平, YG2 = 試驗水平-農戶水平。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019對數據進行統計與整理, 用Origin 2018進行分析及作圖, SPSS 20.0軟件進行方差分析, Duncan’s法檢驗顯著性。

2 結果與分析

2.1 江淮地區稻–麥周年產量水平

江淮地區稻–麥兩熟種植模式下, 水稻、小麥和周年農戶水平分別為6205.5～9390.0、4177.5～7098.0和 11,145.2～16,335.6 kg hm–2, 變幅分別為 7.8%、11.7%和10.8%; 水稻、小麥和周年試驗水平分別為9306.4～12,603.0、6000.5～7731.8和15,120.0～19,631.4 kg hm–2, 變幅分別為8.7%、7.9%和6.3%; 水稻、小麥和周年高產紀錄分別為 14,379.0～15,307.5、8904.0～9501.3和 21,562.5～22,896.0 kg hm–2, 變幅分別為2.7%、1.4%和2.5% (圖1)。3個不同產量層次中, 高產紀錄變幅較小, 農戶水平變異較大。

2.2 江淮地區稻–麥周年產量差

江淮地區稻–麥兩熟種植高產紀錄、試驗水平與農戶水平之間均存在顯著差距(表1)。其中, 水稻、小麥和周年產量農戶水平分別為 7175.4、5168.2和12,463.3 kg hm–2, 相比試驗水平的產量差(YG2)分別為33,315.9、1537.5和4645.6 kg hm–2, 相當于試驗水平的68.4%、77.1%和72.8%, 還有46.2%、29.7%和37.3%的增產潛力; 相比高產紀錄的產量差(YG1)分別為7498.6、3977.9和9840.9 kg hm–2, 相當于高產紀錄的 48.9%、56.5%和 55.9%, 還有 104.5%、77.0%和79.0%的增產潛力。

江淮地區稻–麥兩熟種植季節間產量差、增產潛力和增產絕對量均以水稻最高, 小麥相對較小。同時, 高產記錄、試驗水平與農戶水平下水稻產量占周年產量比重分別為 65.8%、61.3%和 57.6%, 顯著高于小麥的34.2%、38.7%和42.4%。周年總產量越高, 水稻產量所占比重也越高。因此, 提升水稻季產量是進一步提高周年產量的關鍵所在。

表1 江淮地區稻–麥周年產量、產量差和增產潛力Table 1 Actual yield, yield potential and yield gaps among different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

2.3 稻–麥產量與其構成因子間的關系

將不同產量群體稻麥產量與其構成因子進行相關分析(圖2)發現, 水稻產量與每穗粒數呈極顯著正相關, 而與穗數和千粒重呈弱的負相關關系。小麥產量與穗數呈極顯著正相關, 與每穗粒數呈顯著正相關, 而與千粒重呈弱的正相關關系。進一步分析與不同產量群體稻麥顯著相關的產量構成因子發現, 水稻高產紀錄和試驗水平均具有顯著高的每穗粒數, 較農戶水平分別增加116.1%和30.4% (表2)。小麥高產紀錄和試驗水平具有顯著高的穗數和每穗粒數, 較農戶水平分別增加 70.0%、40.9%和19.6%、21.8%。

表2 江淮地區稻麥不同產量群體主要產量構成因子差異Table 2 Differences of key yield components of rice and wheat among different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

2.4 江淮地區稻–麥生育期氣候資源截獲

水稻生育期的總輻射和積溫與產量間的變化趨勢明顯(圖3-A, C)。相關分析表明, 不同產量群體之間水稻季總輻射和積溫差異顯著, 表現為高產紀錄>試驗水平>農戶水平。說明輻射和積溫的高低對水稻產量起正相關作用。高產記錄、試驗水平和農戶水平水稻生育期總輻射和積溫平均分別為 2791、2562、2443 MJ m–2和 4295、4114、3971℃ d。不同產量群體水稻生長季的降水無顯著變化, 說明水稻產量與降水相關性不大。

小麥生育期的總輻射與產量間的變化趨勢明顯(圖 3-B), 不同產量群體之間差異顯著, 表現為高產紀錄>試驗水平>農戶水平。高產紀錄、試驗水平和農戶水平小麥生育期總輻射平均分別為3064、2851、2759 MJ m–2, 說明輻射的高低對小麥產量起到正效應作用。不同產量群體小麥生育期的總積溫與產量間的變化趨勢表現為農戶水平>試驗水平>高產紀錄(圖 3-D), 降水則表現為農戶水平>高產紀錄>試驗水平(圖 3-F), 總積溫和降水均與產量呈負相關關系。

對不同產量群體稻麥生育期進一步分析發現,高產紀錄和試驗水平水稻和小麥均具有顯著長的生育期, 水稻季較農戶水平分別增加了8.0 d和5.9 d,小麥季分別增加了6.4 d和3.3 d (表3)。

表3 江淮地區不同稻–麥產量群體生育期Table 3 Growth period of rice, wheat and annual year under different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

3 討論

3.1 江淮地區稻–麥產量差及增產潛力

分析研究作物產量差與形成特征, 對制定針對性提高作物產量措施、保障國家糧食安全具有重要意義[7]。本研究通過對安徽江淮地區糧食主產區多年稻麥生產分析, 定量化了農戶水平周年產量相對于試驗水平和高產紀錄有4645.6 kg hm–2和9840.9 kg hm–2的增產空間。本研究結果證明了在當前農戶生產條件下, 稻麥產量仍然具有較大的增產空間。試驗水平產量是多年糧豐項目進行試驗示范, 是可以復制, 完全能夠達到的產量, 通過進一步縮小農戶水平與試驗水平之間的產量差對于整體提高地區糧食產量有重要的現實意義。本研究結果發現, 農戶水平水稻產量相對于試驗水平仍有 46.2%的增產潛力, 而小麥僅有29.7%的增產潛力。與小麥比, 水稻具有較高的產量差、增產潛力和增產絕對量。同時,水稻產量占周年產量比重顯著高于小麥。因此, 提高稻麥周年產量應首先提高水稻產量, “強稻穩麥”是進一步提高江淮地區稻麥周年糧食生產的主要途徑。

3.2 江淮地區稻–麥產量差的構成因子分析

稻麥產量是由穗數、每穗粒數和千粒重 3個構成因子共同作用的結果。其中單位面積穗數和每穗粒數被認為是產量形成最重要的決定因素[9-12]。本研究中, 不同產量水平稻麥產量構成因子差異較大。與前人研究有所不同的是, 本研究發現每穗粒數是造成水稻產量差異的主要因子。水稻穗數和千粒重對產量的增加效應較小, 甚至呈負效應, 而每穗粒數的貢獻比較大。這主要是因為在當前生產條件下,水稻栽培技術不斷優化與改進, 水稻育秧及機插水平和種植方式的不斷提高, 實際生產中已基本能夠保障基本苗, 改變了以往因穗數不足限制產量提高的根本因素。同時, 科學合理的肥水管理利于優化群體質量, 成穗率較高, 穗數已不是限制產量提高的主要因子[11,13-14]。本研究中農民水平已達到7175.4 kg hm–2較高水平, 穗數與試驗水平無顯著差異, 但每穗粒數顯著低于試驗水平。通過合理的水肥管理,提高水稻群體穎花量和結實率, 即每穗粒數成為高產的關鍵[15-16]。我們前期研究同樣發現, 甬優 1540實現高產到超高產是保障足夠有效穗數的基礎上,通過增加每穗粒數來實現[17]。

江淮地區小麥產量差異的主要原因是穗數和每穗粒數的不同, 其中穗數與產量間相關系數高于每穗粒數, 說明穗數對產量的增加效應要高于每穗粒數。千粒重受品種影響較大, 且與總粒數相互制約,其對產量的貢獻較弱。這與前人研究發現在英國、阿根廷、墨西哥、澳大利亞等地區, 小麥產量增加主要歸于每穗粒數的提高結果不同[18-19]。主要是江淮地區稻茬小麥生產水平較低, 常常因為播種期降雨過多, 播期推遲影響出苗質量, 導致冬前有效分蘗少, 造成群體穗數較小, 大穗數少, 產量低下。通常增加 1個或多個產量構成因子可以增產[20-21]。當前江淮地區不同產量水平水稻增產途徑均依靠增加每穗粒數, 在足穗的基礎上壯大穗, 提高每穗粒數是產量提高的有效途徑。小麥增加穗數和每穗粒數均能增加產量, 但穗數具有優先性。

3.3 氣候條件對江淮地區稻–麥生產潛在產量的影響

農業生產中光、溫、水等氣候資源對作物產量形成有非常重要的作用。前人研究發現, 輻射降低是華北地區冬小麥夏玉米潛在產量下降的主要因素[22];東北地區春玉米在年降水量小于 500 mm的地區,水分是限制玉米產量的主要限制因子[23]。本研究表明輻射和積溫是影響江淮地區水稻產量的重要氣象因素, 降雨不是造成江淮地區水稻產量差異的原因。水稻只有在最適宜溫度下生長才能發揮出最大的潛在產量, 其產量與生育期累積截獲輻射量呈顯著正相關[24]。我們前期研究發現, 江淮地區水稻季輻射大于 2387.0 MJ m–2, 累積積溫達4003.4～4317.8℃ d, 總降水量在466.4～1588.9 mm范圍內可獲得10,000 kg hm–2以上的產量[25]。本研究中農戶生產條件下, 降水平均為767 mm已滿足需求, 輻射平均為2443 MJ m–2、積溫平均為 3919℃ d, 均處于比較低的范圍內。可見, 水稻生育期累積輻射和積溫較低是限制其產量進一步提高的關鍵因子。我們前期研究發現, 小麥季輻射在 2685.0～3235.2 MJ m–2、積溫在 1925.0～2522.6℃ d、降水在 245.5～439.5 mm范圍內, 可獲得8000 kg hm–2以上的產量[25]。本研究中農戶生產條件下, 小麥季輻射和積溫均已滿足高產需求, 但降水達474.4 mm超過最適范圍, 可見降水量過大、漬害嚴重是江淮地區稻茬小麥產量較低的主要原因。

3.4 江淮地區縮小稻–麥產量差的實現途徑

大量的研究表明, 農戶水平相對于試驗水平有較大的產量差主要是由于農戶在生產中缺乏理論指導和調控的針對性, 導致了較差的栽培管理水平和實際生產的盲目性, 這大大限制了作物產量的提高[26-27]。雖然過去栽培管理措施和技術進步對提高作物產量貢獻巨大, 目前栽培管理措施改善的增產空間依然巨大[5,28]。本研究結果同樣證明了江淮地區稻麥的產量潛力仍有較大的增長空間。因此, 如何進一步縮小產量差, 應作為當前糧食增產的主要途徑[4]。根據本研究結果, 縮小水稻產量差主要依賴于增加每穗粒數, 解決小麥產量差靠穗數和每穗粒數的協同提高。合理高效的水肥管理、不同種植方式均能調控資源能促進作物群體結構優化, 增加花后物質生產, 提高收獲指數和每穗粒數, 最終實現增產[29-30]。采用優化的種植模式、耕作和播種技術改進、適宜的播期和播量、抗逆栽培模式能有效提高小麥出苗質量, 提高最終穗數[31-34]。

在周年生產條件下合理調配季節間的資源優化配置組合, 從而使溫光資源利用最大化, 也是提升潛在產量的途徑之一[2,35]。根據本研究結果, “強稻穩麥”是進一步提高江淮地區稻麥周年糧食生產的最有效途徑, 如何發揮水稻季的高光效和高增產潛力成為關鍵[2]。通過選用生育期較長的水稻品種, 提高光溫資源截獲量[24], 采用周年適宜的稻麥品種搭配組合[36]、尤其是生育期長的晚熟高產水稻品種與耐遲播早熟高產小麥品種搭配, 均可優化周年光溫水資源配置, 實現溫光資源高效利用。同時水稻和小麥農耗期立足“搶收”、“搶種”, 保證茬口順利銜接與溫光資源“滿負荷”利用, 實現稻麥產量和資源利用效率雙提升。

4 結論

江淮地區稻–麥周年生產存在顯著的產量差,稻麥的產量潛力仍有較大的增長空間, 其中水稻的增產潛力大于小麥, 明確了“強稻穩麥”是提升地區糧食生產的有效途徑。縮小水稻產量差主要依賴于增加穗粒數, 縮小小麥產量差靠穗數和穗粒數的協同提高。生育期累積輻射和積溫較低是影響水稻產量差異的主要氣候因素, 而生育期降水過多是影響小麥產量差異的主要氣候因素。