華北平原北部春小麥與冬小麥產量及光溫降水生產效率差異研究

劉 夢，馬志琪，葛均筑，楊永安，侯海鵬，劉樹宇

（1.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300392；2.天津市優質農產品開發示范中心，天津 301500；3.天津市農業發展服務中心，天津 300061；4.內蒙古赤峰市喀喇沁旗王爺府鎮綜合保障和技術推廣中心，內蒙古赤峰 024421）

冬小麥-夏玉米周年種植模式是華北平原傳統種植模式，是我國小麥和玉米主要產區，常年小麥和夏玉米播種面積占全國的36%～40%和27%～29%，其產量占比達50%和30%，對我國糧食安全具有重要戰略地位。然而該區域氣候資源分布不均勻，光熱資源短缺，大部分地區一季有余而兩季緊張，同時冬小麥傳統播種時間偏早（10月1日前后），夏玉米騰茬早收（9月中下旬），引起冬小麥冬前旺長抗凍性降低、夏玉米成熟度或籽粒含水量偏高不能籽粒機收，導致周年種植模式資源配置不合理，作物產量形成過程與光、溫、水資源匹配度下降，作物周年產量潛力與光熱資源利用效率降低。為提高區域作物周年產量和光溫資源利用效率，國內農業科學家研究了從一年一熟或兩年三熟、套作、集約多熟種植到“雙晚”種植技術，為區域周年產量和光溫資源利用效率提升奠定了基礎。研究表明，推遲冬小麥播種期，通過增加播種量，依靠大穗型品種單莖成穗，增產的同時顯著提高周年光溫水等資源利用效率，同時有利于躲避冬季凍害和干旱，減少水分消耗。王樹安在華北平原北部光熱資源相對緊缺區建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術模式，冬小麥穩產前提下，增加夏玉米光溫資源分配率，顯著提高了夏玉米產量和周年作物產量，光溫資源生產力分別提高64%和124%。近年研究表明，“雙晚”技術核心在于明確冬小麥-夏玉米周年高產條件下的季節間光能、積溫和降水的定量分配關系，增產442～2 575 kg·hm，周年光溫資源生產效率分別提高2.22%～10.86%和0.47%～11.56%，亦可顯著提高水分生產效率。在華北平原周年兩熟制發展過程中，由于冬小麥耗水量大，地下水過度開采導致灌溉用水短缺等問題。研究表明，通過作物替代也可以提高區域周年光溫水資源利用效率，雙季青貯玉米充分利用華北平原北部的光溫資源，雙季籽粒玉米顯著提高周年作物產量與光溫資源利用效率，且通過降低周年地下水消耗量，維持華北地區地下水周年平衡?！半p晚”技術通過推遲冬小麥播種延長夏玉米籽粒灌漿時間，但收獲時含水量仍在30%以上，導致籽粒機械直收質量差等問題。因此，在氣候變暖背景下，探索實現冬小麥-夏玉米雙機收籽粒的周年穩產增效栽培技術是進一步提升華北平原周年產量及資源利用效率的重要途徑。研究表明，冬小麥在極晚播（小麥12月上旬播種，玉米11月中旬收獲）條件下，進一步優化冬小麥-夏玉米周年氣候資源配置，同時減少冬前灌溉，實現周年光能、溫度和降水生產效率提高7.3%～9.1%、5.6%～5.1%和17.3%～29.3%。華北平原北部處于我國冬小麥和春小麥種植交錯帶，將冬小麥調整為春小麥，通過增加播量和穗數，穩定葉面積指數和干物質積累量，實現小麥穩產，同時延長夏玉米籽粒脫水40 d左右（9月下旬調整為11月上旬），實現夏玉米機收籽粒。但有關華北平原北部春小麥和冬小麥產量及光、溫、降水生產效率差異尚未見報道。本研究旨在分析華北平原北部春小麥和冬小麥品種區試結果，闡明春小麥和冬小麥產量形成及光溫降水生產效率差異，探討該區域春小麥穩產高產的可行性，為冬/春小麥-夏玉米周年種植制度變革及破解因光溫資源與冬小麥播期限制夏玉米難以籽粒機收的問題提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試驗設計

本研究于2015年10月—2017年6月在天津市優質農產品開發示范中心基地（117°49'E，39°42'N）進行，試驗地前茬為春玉米，0～20 cm土壤基礎養分含量18.6g·kg、全氮1.09 g·kg、水解性氮77.68 mg·kg、有效磷64.8 mg·kg、速效鉀296 mg·kg。試驗采用二因素區組設計，2015/2016和2016/2017季冬小麥品種分別為22、21個，均于10月6日播種；2016和2017季春小麥品種分別為12、15個，均于2月27日播種。冬小麥和春小麥成熟后及時收獲。全生育期施氮315 kg·hm，分為基肥165 kg·hm和孕穗肥150 kg·hm；PO180 kg·hm和KO 150 kg·hm作基肥施用。全生育期根據區試要求及時中耕除草和灌溉。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 氣象數據 氣象數據來源于基地自有氣象測定站（圖1），主要包括日均溫、日照時數和降雨量。

圖1 小麥生育期氣象數據

太陽總輻射Q=Q(a+bS/S)

式中，Q為太陽總輻射；Q為天文輻射；S為實測日照時數；S為太陽可照時數；S/S為日照百分率；a、b為待定系數。

1.2.2 生育期 記錄播種期、出苗期、越冬期、返青期、抽穗期和生理成熟期。

1.2.3 產量及其構成因素 成熟期每小區選代表性樣點2個，每點1 m，調查穗數后，收獲脫粒，PM8188-A谷物水分測定儀測定水分后按13%安全含水量計算產量。在測產點周圍，取代表性樣穗50穗，單穗脫粒后測定穗粒數、穗粒質量和千粒質量。

1.2.4 光、溫和降水生產效率 按下面公式計算光、溫、水生產效率。

光能生產效率(g·MJ)=籽粒產量/單位面積的太陽輻射

積溫生產效率(kg·hm·℃)=單位面積籽粒產量/生育期間積溫量

降水生產效率(kg·hm·mm)=籽粒產量/單位面積降水量

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010初步整理數據，統計軟件SPSS 19.0進行方差、相關性和線性回歸分析，采用Duncan’s（＜0.05）新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 冬小麥和春小麥的生育階段天數

由圖2可看出，與冬小麥出苗期天數（9.6～10.0 d）相比，春小麥延長12～22 d，原因在于春小麥出苗階段日均溫度較低，種子發芽較慢。冬小麥苗期包括出苗至越冬和返青至抽穗2個階段總天數為103～111 d，比春小麥（45～50 d）延長53～63 d。冬小麥和春小麥之間灌漿期天數無明顯差異，分別為39～47 d和37～41 d，春小麥縮短2～6 d?？傮w上，由于存在越冬期，冬小麥品種間全生育天數246～250 d，比春小麥全生育期天數（108～119 d）延長127～142 d。

圖2 冬小麥和春小麥生育階段天數

2.2 冬小麥和春小麥產量及其構成因素

由圖3可知，冬小麥和春小麥間產量及其構成因素具有顯著差異。冬小麥年際間品種產量為5 495～7 761 kg·hm和5 429～6 932 kg·hm，春小麥年際間品種產量為4 711～6 080 kg·hm和5 346～5 781 kg·hm，春小麥年均產量比冬小麥顯著降低13.5%～14.8%（圖3-A）。分析產量構成因素可以看出（圖3-B、圖3-C、圖3-D），春小麥年際間品種穗數為471.0～534.0×10粒·hm，比冬小麥減少123.7～143.7×10粒·hm（＜0.05）；2016年冬小麥穗粒數顯著高于2017年，但春小麥穗粒數2016年顯著低于2017年，春小麥年際間品種穗粒數為24.9～40.6粒，比冬小麥（26.5～48.1粒）減少2.7%～24.2%（＜0.05）；2017年小麥千粒質量顯著高于2016年，春小麥年際間品種千粒質量為37.8～48.5 g，比冬小麥顯著提高2.7～3.9 g，增幅達3.8%～9.2%。因此，春小麥產量較冬小麥降低的主要原因在于群體數量包括穗數和穗粒數較少造成的，千粒質量的提高可適度增產。

圖3 冬小麥和春小麥產量（A）、穗數（B）、穗粒數（C）和千粒質量（D）的比較

2.3 冬小麥和春小麥光、溫、降水生產效率

冬/春小麥類型間及不同品種光能生產效率差異性不顯著，但冬小麥積溫和降水生產效率顯著高于春小麥（圖4）。2015/2016年和2016/2017年春小麥光能生產效率分別為0.21～0.28 g·MJ和0.23～0.25 g·MJ，冬小麥分別為0.22～0.31 g·MJ和0.21～0.30 g·MJ，春小麥比冬小麥降低1.9%～6.3%（＞0.05）。年際間小麥積溫生產效率差異性未達顯著水平，與冬小麥相比，春小麥年際間積溫生產效率分別為2.99～3.97kg·hm·℃和3.46～3.72kg·hm·℃，平均為3.46～3.59 kg·hm·℃，比冬小麥年均積溫生產效率3.89～4.09 kg·hm·℃顯著降低11.01%和12.21%。2016/2017年小麥降水生產效率顯著高于2015/2016年，春小麥年際間降水生產效率分別為56.7～80.0 kg·hm·mm和122.0～140.1 kg·hm·mm，平均為66.5～132.9 kg·hm·mm，冬小麥年際間降水生產效率分別為71.65～106.02 kg·hm·mm和126.7～162.2 kg·hm·mm，平 均 為83.0～150.1 kg·hm·mm，春小麥降水生產效率比冬小麥顯著降低19.9%和11.4%。

圖4 冬小麥和春小麥光（A）、溫（B）、降水（C）生產效率的差異

2.4 小麥產量及其構成因素與光溫水利用效率的相關性分析

相關性分析表明（表1），冬小麥和春小麥產量與光能、積溫生產效率均呈極顯著正相關關系，與降水生產效率正相關關系未達顯著水平。線性回歸表明（圖5），冬小麥、春小麥單位產量的光能和積溫生產效率分別為3.56×10g·MJ和6.10×10kg·hm·℃、4.76×10g·MJ和7.08×10kg·hm·℃，春小麥比冬小麥提高33.7%和16.1%，達極顯著和顯著差異水平。單位產量的降水生產效率年際間差異較大，線性回歸未達到顯著差異水平。由表1可知，冬小麥穗數與光、溫、降水生產效率呈正相關關系，而春小麥穗數與光、溫、降水生產效率呈負相關關系，但相關性均未達到顯著水平。

表1 冬小麥和春小麥產量及其構成因素與光溫水資源生產效率的相關性分析

圖5 冬小麥和春小麥產量與光（A）、溫（B）、降水（C）生產效率的回歸分析

冬小麥穗粒數和千粒質量與光能、積溫和降水生產效率的負相關或正相關關系均未達顯著水平（表1），積溫和降水生產效率對春小麥穗粒數和千粒質量具有顯著或極顯著的正相關性，但光能生產效率僅與春小麥千粒質量的正相關關系達顯著水平?；貧w分析表明（圖6），春小麥穗粒數每增加10粒，積溫和降水生產效率分別增加0.36 kg·hm·℃和57.1kg·hm·mm，而冬小麥分別降低0.016kg·hm·℃和22.4 kg·hm·mm。試驗范圍內，春小麥穗粒數少于43.4粒，其積溫生產效率顯著低于冬小麥；當穗粒數達43.4粒時，冬春小麥積溫生產效率可達3.92 kg·hm·℃；當穗粒數少于37.0粒時，春小麥降水生產效率顯著低于冬小麥；穗數超過37.0粒時，春小麥穗粒數降水生產效率比冬小麥提高7.45kg·hm·mm。春小麥千粒質量每增加1 g，其光能、積溫和降水生產效率分別增加0.004 01 g·MJ、0.064 5 kg·hm·℃和6.52 kg·hm·mm，均顯著高于冬小麥。春小麥千粒質量每增加1 g，光能、積溫和降水生產效率分別增加3.67×10g·MJ、0.064 5 kg·hm·℃和6.52 kg·hm·mm。

圖6 冬小麥和春小麥穗粒數（A-C）和千粒質量（D-F）與光（A，D）、溫（B，E）、降水（C，F）生產效率的回歸分析

3 結論與討論

播期調控小麥各生育階段的光溫資源影響小麥發育進程，播期推遲顯著縮短冬小麥拔節前和籽粒灌漿期天數，但延長弱春性品種的拔節—抽穗階段天數，全生育期縮短28～23 d；冬小麥極晚播條件下，收獲期推遲4～5 d，但全生育期縮短65～66 d。本研究結果表明，春小麥出苗期較冬小麥延長12～22 d，原因可能在于春小麥出苗階段日均溫度較低，種子發芽較慢，積溫是影響小麥出苗的主要因素，這與播期推遲可延遲沿淮地區冬小麥和新疆春小麥出苗的研究結果一致。邵慶勤等研究認為，播期推遲，可延長沿淮地區冬小麥三葉期天數、縮短三葉期—拔節期天數。本研究表明，華北地區春小麥營養生長階段天數較冬小麥顯著縮短53～63 d，其主要原因可能在于冬小麥具有較長的越冬前時期和越冬期，楊衛君等研究也表明，播期推遲可使小麥營養生長階段天數縮短，支持本研究結論。所以，種植生態區域不同或品種類型差異可導致播期對小麥營養生長階段天數的影響不一致。本研究中，春小麥灌漿期天數比冬小麥縮短2～6 d，但差異不顯著，這與已有研究較為一致，說明小麥灌漿階段在光照和溫度調控下，籽粒灌漿趨勢一致，可完成籽粒成熟。

有研究表明，作物產量形成與光溫水等生態條件密切相關，冬性和半冬性冬小麥品種產量隨播種期推遲逐漸降低，但晚播調控弱春性冬小麥品種抗逆性反而能提高產量。本研究表明，華北地區春小麥產量顯著低于冬小麥，主要原因可能在于春小麥穗數比冬小麥減少123.7～143.7×10粒·hm，穗粒數均顯著減少2.7%～24.2%，這與楊衛君等研究結果為晚播春小麥群體基數過小導致產量不高一致。原因可能是春小麥營養生長階段縮短、分蘗數較少、群體數量降低，同時春小麥穗分化時間短導致穗原基分化較少造成的。本研究表明，春小麥千粒質量比冬小麥顯著提高2.7～3.9 g，增幅達3.8%～9.2%，這與馬一峰等研究結果為春小麥‘津強8號’千粒質量顯著高于冬小麥‘濟麥22號’一致，但與推遲播種顯著降低冬小麥及新疆春小麥千粒質量結果不同，說明播期推遲能夠提高春性小麥品種的千粒質量。主要原因可能是春小麥以單莖成穗為主，單莖光合產物全部轉運到籽粒而提高粒質量，冬小麥單株光合產物同時向主莖穗和分蘗穗轉運引起籽粒灌漿充實度降低而千粒質量降低。因此，在華北平原春小麥以單莖成穗為主的情況下，應該通過增加播種量保證穗數甚至增加穗數，同時選用抗逆性強的品種維持穗粒數和提高千粒質量等措施可以實現穩產。

作物品種、栽培技術與生態資源調控產量和光溫資源利用效率協同提升，冬小麥-夏玉米收播期調整是在華北平原周年光溫資源緊張情況下實現高產和資源利用效率的重要途徑。付雪麗等研究表明，“雙晚”技術可以降低晚播冬小麥光溫利用率，提高夏玉米光溫生產效率，實現周年光溫資源生產效率的提高；但周寶元等分析表明，極晚播冬小麥由于生育期縮短，極顯著地降低了小麥季的光溫水資源量，特別是減少兩水（底墑水和越冬水），在產量降低不顯著的情況下，光溫水資源生產效率顯著提高14.2%、9.3%和47.9%。本研究結果也表明，盡管春小麥比冬小麥減產顯著，但是生育期顯著縮短，光溫資源占有量較低，其光能和積溫生產率僅降低1.9%～6.3%和11.01%～12.21%，并未達顯著差異水平；在未考慮灌溉兩水（底墑水和越冬水）的情況下，春小麥降水生產效率比冬小麥顯著降低11.4%～19.9%，如若考慮節約灌溉用水，春小麥水分生產效率應高于冬小麥。同時，經過線性回歸分析，春小麥單位產量光能和積溫生產效率比冬小麥顯著提高33.7%和16.1%，單位千粒質量光能、積溫和降水生產效率顯著高于冬小麥。因此，在華北平原冬小麥季降水不足，長期超量開采地下水以滿足灌溉用水需求，而導致地下水匱竭，嚴重影響該區域農業可持續生產情況下，抗旱品種及栽培耕作制度優化是協同提升作物產量和資源利用的重要措施。本研究通過將冬小麥調整為春小麥，騰出40 d左右滿足夏玉米籽粒灌漿與脫水要求，實現籽粒機械直收；后期應深入研究基于“春小麥-夏玉米”模式下，播種量、水肥運籌及化學調控等措施調控群體穗數、維持穗粒數和提高千粒質量等措施以實現小麥季的穩產，從而實現麥-玉雙機收籽粒周年穩產增效和光溫水資源利用效率的提高。

華北平原北部作為我國重要的綠色食品原料（小麥和玉米）主產區，春小麥因播種量不高導致穗數和穗粒數減少，千粒質量提高，產量比冬小麥減產13.5%～14.8%；但生育期縮短、光溫水資源占用量減少，春小麥單位產量光能和積溫生產效率比冬小麥顯著提高。因此，基于“春小麥-夏玉米”模式下，深入研究播種量、水肥運籌，及化學調控等措施調控群體穗數、維持穗粒數和提高千粒質量等，以實現小麥穩產，挖掘春小麥光溫水資源利用效率；同時將冬小麥轉變為春小麥，騰出40 d左右的時間，滿足夏玉米籽粒灌漿與脫水要求實現籽粒機械直收，進而為小麥-夏玉米周年穩產增效和光溫水資源利用效率提高與實現華北平原北部地下水回補提供技術支撐。