收播期調控對小麥-玉米周年產量及資源利用效率的影響

徐杰，周帥，劉靈艷，何昕楠，南鎮武，孟維偉，王娜，韓偉，王旭清，劉開昌

（1.山東省農業科學院作物研究所／山東省作物遺傳改良與生態生理重點實驗室，山東濟南 250100；2.山東省農業技術推廣總站，山東 濟南 250100）

黃淮海平原是我國糧食主產區，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，其中小麥和玉米產量分別占全國的50%和40%左右，在保障我國糧食安全上發揮了重要作用［2］。近年來全球大部分糧食主產區出現單產停滯現象，中國56%的小麥和52%的玉米面積也出現單產停滯現象［3］。因此，挖掘產量空間、提升糧食單產成為當前一個研究熱點。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速度加快，產生大量分蘗，極易遭受凍害［4］和病蟲草害［5］，降低產量。同時小麥早播要求玉米早收，導致夏玉米并未達到完熟，也致減產。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，提高該地區小麥玉米單產和光熱資源利用效率。

播期、收獲期是小麥玉米產量提高的關鍵因素［7-9］。其中播期是冬小麥籽粒產量和品質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［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險［5，11，12］。玉米收獲期對產量影響較大，有研究表明，收獲期每推遲1 d，產量可增加100～200 kg／hm2［8，9］。為此，20世紀 90年代開始，科學家在冬小麥-夏玉米一年兩熟基礎上進行了以強化“C4玉米”為核心的周年高產及資源高效利用的技術途徑探索［13-16］。王樹安［17，18］通過推遲小麥播種期和玉米收獲期，對兩季氣候資源進行再分配，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”技術模式。付雪麗等［19］研究表明，冬小麥晚播對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、溫籽粒生產效率顯著提高。但過度延遲播期將會大大減少小麥分蘗［20］，影響后期的群體構建，干物質積累量也會大量減少［21］，最終導致冬小麥產量降低。因此，因地制宜地選擇小麥播期和玉米收獲期，統籌小麥-玉米周年光熱資源，是實現農業高產和光熱高效的重要途徑。

晚播降低冬小麥的分蘗能力，通過增加種植密度可以彌補群體構建的不足［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合，統籌小麥-玉米周年播種期和收獲期，探討周年收播期調控對作物產量、產量構成及光、溫、降水等資源利用效率的影響，旨在明確適宜該地區的小麥-玉米周年高產、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支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2019年在山東省農業科學院濟陽綜合試驗示范基地（36°58′28″N，116°57′33″E）進行。該地位于魯西北平原南部，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，年平均氣溫12.8℃，年平均無霜期195 d，年太陽輻射量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月小麥玉米生長季月降水量、月總太陽輻射量和月均溫如圖1所示。試驗地為潮土，0～20 cm耕層土壤基礎肥力為全氮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、有機質12.42 g／kg，鹽分0.15%，pH 7.6。

圖1 小麥-玉米周年月降水量、月總太陽輻射量和月均溫

1.2 試驗設計

小麥播期設置10月1日（當地農民習慣播種期）和10月15日（根據玉米收獲期優化小麥播期），與小麥播期相對應的設置玉米收獲期9月下旬（當地農民習慣玉米收獲期）和10月中旬（玉米優化宜機收收獲期）。具體小麥-玉米周年收播期優化搭配組合詳見表1。

小麥、玉米品種分別選用濟麥22和鄭單958為供試材料。小麥均采用0.22 cm等行距種植，傳統播期10月1日播種密度設置225萬株／hm2，優化播期10月15日播種密度設置525萬株／hm2。小麥收獲后于6月上中旬滅茬免耕播種玉米，密度為 7.5萬株／hm2，60 cm等行距種植。小區面積為 158.4 m2（4.8 m×33 m）。隨機區組排列，重復3次。小麥季灌水均為播種期、越冬期和拔節期，玉米季各處理灌水均為播種期和拔節期。兩季作物均采用大水漫灌，每次灌水量均為75 mm。其它病蟲草害防治同一般高產田。

表1 不同收播期配置下小麥-玉米種植方案

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣象資料收集 氣象數據來源于國家氣象網站濟南站數據（http：／／www.cma.gov.cn）。主要包括平均氣溫、日照時數和降水量等指標。

1.3.2 作物生長季資源分配指標測定 定量分析小麥-玉米一年兩熟模式作物生長季資源分配率和資源分配比值等指標，采用以下計算公式［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］評估 光能利用率式中，RUE：光能利用率（%）；H：單位質量有機干物質的產熱率；W：單位土地面積上作物有機干物質的質量；籽粒取16.3×103kJ／kg；ΣQ：生育期內單位土地面積逐日太陽總輻射量累加值。

積溫利用效率［25］式中，HUE：熱量資源利用效率［kg／（℃·d·hm2）］；ΣT為作物生長季積溫（℃·d）。Y為糧食作物產量（kg／hm2），小麥生長季ΣT為≥ 0℃的積溫，玉米生長季 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為糧食作物產量（kg／hm2），ΣR為作物生長季內總降水量（mm）。

1.3.4 產量和產量構成 冬小麥成熟期測產面積3 m2，測定單位面積穗數、穗粒數和千粒重，籽粒含水量以13%計。夏玉米每小區取4行各5 m實收果穗，折算公頃穗數；按平均穗重每區隨機選取10穗，考察穗部性狀與產量構成，籽粒含水量以14%計。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2010整理數據與作圖，用SAS（V8.1）軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同收播期下小麥-玉米周年作物生長季天數

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），說明小麥由傳統播期10月1日推遲到10月15日時，小麥能夠同期完成生理成熟，本試驗條件下OM處理小麥播期推遲半個月，并不影響小麥生理成熟。同時隨著收獲期推遲，OM處理2018、2019年玉米生育期天數均較傳統播期處理增加18 d，可以促進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 不同收播期對小麥-玉米周年作物生長季天數變化的影響

2.2 不同收播期對小麥-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季積溫分配率（圖3）。與傳統播期處理（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顯著差異。

收播期調整后，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顯著差異，說明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比值

2.3 不同收播期對小麥、玉米及周年產量的影響

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

由表3可知，2018、2019年OM處理夏玉米產量分別為10 997.3 kg／hm2和10 582.8 kg／hm2，與CK相比顯著增產，分別達15.5%和14.2%。進一步分析產量構成發現，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%，均達顯著水平，但是對穗數和穗粒數無顯著影響。說明適當延期收獲玉米可以顯著提高其千粒重，進而增產。

表2 不同收播期對冬小麥產量和產量構成的影響

表3 不同收播期對夏玉米產量和產量構成的影響

不同收播期處理顯著影響小麥-玉米周年產量（圖5），2017—2018、2018—2019年度傳統播期和OM處理小麥玉米周年產量分別為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11.5%。說明OM模式可以顯著提高小麥-玉米周年產量。

圖5 不同收播期處理對小麥-玉米周年產量的影響

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%。說明優化小麥-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估

3 討論與結論

氣候資源是農業生產發展的重要環境條件，特別是光、熱、水等，直接關系到農業生產［26］。適宜的播期能夠使冬小麥獲得充足的光熱資源，有利于苗期生長和后期的群體構建。延遲播期將減少冬前積溫，一般地，冬前≥0℃積溫每降低100℃·d，出苗時間將會推遲 0.7 d［27］，而且延遲播期還會縮短冬小麥的生育周期［28］。本試驗條件下，較傳統播期相比，OM處理小麥播期推遲15 d，其全生育期相應縮短14 d，但成熟期保持相對固定，說明適當晚播小麥并不晚熟。分析產量構成發現，OM處理的小麥千粒重較CK略有降低，但是其穗數和穗粒數卻略高于CK，能夠維持或者提高小麥產量。因為適當延遲播期能夠通過改善葉面積指數、葉綠素含量、葉片熒光特性等來獲得較高的干物質積累量［4，29］，同時由于晚播造成小麥分蘗減少，主要依靠主莖成穗，通過增加播種量保證了足夠的穗數［19］，最終獲得與正常播期一致的產量［19，29，30］。說明，當前的冬前積溫允許冬小麥適當的延遲播期，OM處理能滿足冬小麥構建合理群體，保證較高的小麥產量。

同時，適當延遲小麥播期可以為玉米晚收增產提供有利條件。在黃淮海地區，夏玉米一般在9月25—30日收獲，農戶多以果穗苞葉變黃、籽粒頂部變硬時開始收獲，其千粒重僅為完熟時的85%～90%，此時收獲產量將減少10% ～15%［6，30，31］。Rácz等［32］報道，玉米苞葉變黃時植株營養器官積累的內源物質繼續向籽粒轉移，推遲8～10 d收獲，可增產 10%以上［6，24］。本試驗條件下，OM處理玉米延遲收獲18 d，穗數和穗粒數無顯著差異，但千粒重2018、2019年較CK顯著增加13.8%、12.8%，顯著增產 15.4%、14.2%。玉米延遲收獲增產的同時，增加籽粒的脫水時間，降低收獲時籽粒含水量，降低玉米后期籽粒脫水烘干脫水成本［23］，因此“收播期優化”模式（OM）是一種既能保證小麥-玉米周年高產，又能提高夏玉米機收籽粒質量的模式。

由于C4作物具有較高光合能力，有人提出充分發揮玉米的產量潛力，逐漸壓縮小麥生長時間的方法，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，較傳統播期（CK）降低18.5%、17.0%和21.1%。將小麥冗余資源轉移給玉米，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，小麥季光能生產效率呈先降低后增加趨勢，隨著收獲期推遲，玉米季光能生產效率呈先增加后降低趨勢［23］。夏玉米利用冬小麥晚播時期，推遲收獲期，周年光、溫資源籽粒生產效率分別提高2.22% ～10.86%和 0.47% ～11.56%［19］。適當推遲播期后，OM處理顯著提高小麥生長光能利用率、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，保證小麥穩產和玉米增產，實現周年生育期與氣候資源的優化配置。

本研究表明，推遲小麥播期和夏玉米收獲期的“收播期優化”模式（OM）以充分發揮玉米高光效優勢為核心，小麥全生育期天數和生長季光溫水資源分配量逐漸減少，但通過適當提高小麥種植密度則維持了較高的單位面積穗數和穗粒數，其產量與正常播期無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效率。而玉米季生育期天數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15.5%和14.2%；雖然玉米季光溫生產效率無顯著增加，但水分生產效率顯著提高，因此該模式周年產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，“收播期優化”模式優化了小麥-玉米周年氣候資源配置，提高小麥-玉米周年產量和光溫水資源利用效率，對于對保障黃淮海地區農業的可持續發展具有重要意義。