收播期调控对小麦-玉米周年产量及资源利用效率的影响

徐杰，周帅，刘灵艳，何昕楠，南镇武，孟维伟，王娜，韩伟，王旭清，刘开昌

（1.山东省农业科学院作物研究所／山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室，山东济南 250100；2.山东省农业技术推广总站，山东 济南 250100）

黄淮海平原是我国粮食主产区，光热资源丰富，降雨充沛［1］，种植模式以冬小麦-夏玉米一年两熟为主，其中小麦和玉米产量分别占全国的50%和40%左右，在保障我国粮食安全上发挥了重要作用［2］。近年来全球大部分粮食主产区出现单产停滞现象，中国56%的小麦和52%的玉米面积也出现单产停滞现象［3］。因此，挖掘产量空间、提升粮食单产成为当前一个研究热点。研究表明，随着全球气候变暖，较高的冬前积温促使冬小麦生长速度加快，产生大量分蘖，极易遭受冻害［4］和病虫草害［5］，降低产量。同时小麦早播要求玉米早收，导致夏玉米并未达到完熟，也致减产。而9月下旬至10月上旬，正值秋高气爽，昼夜温差大，有利于玉米灌浆［6］。因此，亟需探索一种新的小麦-玉米周年热量资源分配模式，提高该地区小麦玉米单产和光热资源利用效率。

播期、收获期是小麦玉米产量提高的关键因素［7-9］。其中播期是冬小麦籽粒产量和品质的最主要影响因子之一［7］，一般地较早播种并不利于冬小麦生长［10］，即较高的冬前积温促使冬小麦分蘖多、群体大，极易遭受冻害和加大花后倒伏的风险［5，11，12］。玉米收获期对产量影响较大，有研究表明，收获期每推迟1 d，产量可增加100～200 kg／hm2［8，9］。为此，20世纪 90年代开始，科学家在冬小麦-夏玉米一年两熟基础上进行了以强化“C4玉米”为核心的周年高产及资源高效利用的技术途径探索［13-16］。王树安［17，18］通过推迟小麦播种期和玉米收获期，对两季气候资源进行再分配，将更多的光温资源分配给更加高光效的玉米，建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式。付雪丽等［19］研究表明，冬小麦晚播对光能辐射和有效积温的分配利用明显减少，而夏玉米晚收显著增加光温资源利用，周年光、温籽粒生产效率显著提高。但过度延迟播期将会大大减少小麦分蘖［20］，影响后期的群体构建，干物质积累量也会大量减少［21］，最终导致冬小麦产量降低。因此，因地制宜地选择小麦播期和玉米收获期，统筹小麦-玉米周年光热资源，是实现农业高产和光热高效的重要途径。

晚播降低冬小麦的分蘖能力，通过增加种植密度可以弥补群体构建的不足［12，22］。因此，本研究主要从小麦玉米周年轮作的角度，将小麦晚播同增密结合，统筹小麦-玉米周年播种期和收获期，探讨周年收播期调控对作物产量、产量构成及光、温、降水等资源利用效率的影响，旨在明确适宜该地区的小麦-玉米周年高产、资源高效利用的收播期配置模式，为小麦-玉米周年合理分配光热资源提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2019年在山东省农业科学院济阳综合试验示范基地（36°58′28″N，116°57′33″E）进行。该地位于鲁西北平原南部，属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，年平均气温12.8℃，年平均无霜期195 d，年太阳辐射量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月小麦玉米生长季月降水量、月总太阳辐射量和月均温如图1所示。试验地为潮土，0～20 cm耕层土壤基础肥力为全氮0.53 g／kg、碱解氮54.73 mg／kg、速效磷 10.58 mg／kg、速效钾 96.45 mg／kg、有机质12.42 g／kg，盐分0.15%，pH 7.6。

图1 小麦-玉米周年月降水量、月总太阳辐射量和月均温

1.2 试验设计

小麦播期设置10月1日（当地农民习惯播种期）和10月15日（根据玉米收获期优化小麦播期），与小麦播期相对应的设置玉米收获期9月下旬（当地农民习惯玉米收获期）和10月中旬（玉米优化宜机收收获期）。具体小麦-玉米周年收播期优化搭配组合详见表1。

小麦、玉米品种分别选用济麦22和郑单958为供试材料。小麦均采用0.22 cm等行距种植，传统播期10月1日播种密度设置225万株／hm2，优化播期10月15日播种密度设置525万株／hm2。小麦收获后于6月上中旬灭茬免耕播种玉米，密度为 7.5万株／hm2，60 cm等行距种植。小区面积为 158.4 m2（4.8 m×33 m）。随机区组排列，重复3次。小麦季灌水均为播种期、越冬期和拔节期，玉米季各处理灌水均为播种期和拔节期。两季作物均采用大水漫灌，每次灌水量均为75 mm。其它病虫草害防治同一般高产田。

表1 不同收播期配置下小麦-玉米种植方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象资料收集 气象数据来源于国家气象网站济南站数据（http：／／www.cma.gov.cn）。主要包括平均气温、日照时数和降水量等指标。

1.3.2 作物生长季资源分配指标测定 定量分析小麦-玉米一年两熟模式作物生长季资源分配率和资源分配比值等指标，采用以下计算公式［23］：

积温分配率（TDR）＝单季积温量（Tx）／周年积温总量（T）；

辐射分配率（RDR）＝单季辐射量（Rx）／周年辐射总量（R）；

降水分配率（PDR）＝单季降水量（Px）／周年降水总量（P）；

积温比值（TR）＝小麦季积温量（T1）／玉米季积温量（T2）；

辐射比值（RR）＝小麦季辐射量（R1）／玉米季辐射量（R2）；

降水比值（PR）＝小麦季降水量（P1）／玉米季降水量（P2）。

积温分配率和积温比值计算中，小麦季、玉米季下限温度均取值为0℃。

1.3.3 光热资源利用效率［24］评估 光能利用率式中，RUE：光能利用率（%）；H：单位质量有机干物质的产热率；W：单位土地面积上作物有机干物质的质量；籽粒取16.3×103kJ／kg；ΣQ：生育期内单位土地面积逐日太阳总辐射量累加值。

积温利用效率［25］式中，HUE：热量资源利用效率［kg／（℃·d·hm2）］；ΣT为作物生长季积温（℃·d）。Y为粮食作物产量（kg／hm2），小麦生长季ΣT为≥ 0℃的积温，玉米生长季 ΣT为≥10℃的积温。

降水量利用效率［25］式中，PUE为降水资源利用效率［kg／（mm·hm2）］，Y为粮食作物产量（kg／hm2），ΣR为作物生长季内总降水量（mm）。

1.3.4 产量和产量构成 冬小麦成熟期测产面积3 m2，测定单位面积穗数、穗粒数和千粒重，籽粒含水量以13%计。夏玉米每小区取4行各5 m实收果穗，折算公顷穗数；按平均穗重每区随机选取10穗，考察穗部性状与产量构成，籽粒含水量以14%计。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010整理数据与作图，用SAS（V8.1）软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同收播期下小麦-玉米周年作物生长季天数

随着播期推迟，2017—2018、2018—2019年度小麦生育期分别缩短14 d和13 d（图2），说明小麦由传统播期10月1日推迟到10月15日时，小麦能够同期完成生理成熟，本试验条件下OM处理小麦播期推迟半个月，并不影响小麦生理成熟。同时随着收获期推迟，OM处理2018、2019年玉米生育期天数均较传统播期处理增加18 d，可以促进玉米生育后期籽粒灌浆成熟和籽粒脱水，降低籽粒含水量。

图2 不同收播期对小麦-玉米周年作物生长季天数变化的影响

2.2 不同收播期对小麦-玉米周年气候资源分配特征的影响

不同收播期处理可以显著影响小麦玉米生长季积温分配率（图3）。与传统播期处理（CK）相比，OM处理显著降低小麦季积温分配率，主要将积温资源更多地分配到玉米季，因此玉米季积温分配率增加10.5%。小麦生长季辐射分配率OM处理降低6.5%，差异显著；玉米季辐射分配率显著增加12.5%。与CK相比，OM处理的降水分配率小麦季和玉米季均无显著差异。

收播期调整后，OM处理的小麦-玉米周年积温比值、辐射比值分别为 0.85、1.59，较 CK分别降低18.5%、17.0%（图4），但周年降水比值两处理间无显著差异，说明OM处理可以显著增加玉米季的积温和辐射量。

图3 不同收播期下小麦季、玉米季周年资源分配率

图4 不同收播期下小麦-玉米周年气候资源指标比值

2.3 不同收播期对小麦、玉米及周年产量的影响

由表2可知，延期播种后，2017—2018、2018—2019年度OM处理小麦产量分别为8 248.4 kg／hm2和 9 051.1 kg／hm2，其中 2017—2018年度产量比CK增产7.5%，2018—2019年度两处间产量无显著性差异。通过分析产量构成发现，虽然OM处理的小麦千粒重较CK略有降低，但是两者之间无显著性差异；OM处理的公顷穗数和穗粒数略高于CK，两者之间也没达到显著性差异。因此，适当延迟小麦播种期能够维持或者提高冬小麦籽粒产量。

由表3可知，2018、2019年OM处理夏玉米产量分别为10 997.3 kg／hm2和10 582.8 kg／hm2，与CK相比显著增产，分别达15.5%和14.2%。进一步分析产量构成发现，延迟夏玉米收获期，2018、2019年OM处理夏玉米千粒重较CK分别增加13.8%和12.8%，均达显著水平，但是对穗数和穗粒数无显著影响。说明适当延期收获玉米可以显著提高其千粒重，进而增产。

表2 不同收播期对冬小麦产量和产量构成的影响

表3 不同收播期对夏玉米产量和产量构成的影响

不同收播期处理显著影响小麦-玉米周年产量（图5），2017—2018、2018—2019年度传统播期和OM处理小麦玉米周年产量分别为17 198.3、19 245.7 kg／hm2和 17 664.9、19 633.9 kg／hm2，与CK相比，OM处理两年平均增产11.5%。说明OM模式可以显著提高小麦-玉米周年产量。

图5 不同收播期处理对小麦-玉米周年产量的影响

2.4 不同收播期下小麦-玉米周年光热资源利用效率评估

由表4看出，OM处理小麦季光能利用率、积温利用效率和降水利用效率分别为0.46%、3.22 kg／（℃·d·hm2）和68.88 kg／（mm·hm2），较传统模式（CK）分别增加15.0%、17.09%和29.61%。OM处理玉米季光能利用率、积温利用效率较CK增加不显著，但其降水利用效率较CK增加9.97%。与CK相比，OM处理还显著提高小麦-玉米周年光、温、降水资源利用效率，分别为8.62%、13.14%和11.59%。说明优化小麦-玉米周年收播期，可以显著提高小麦季、玉米季以及周年的光、温及降水利用效率。

表4 不同收播期下小麦-玉米周年光热降雨资源利用效率评估

3 讨论与结论

气候资源是农业生产发展的重要环境条件，特别是光、热、水等，直接关系到农业生产［26］。适宜的播期能够使冬小麦获得充足的光热资源，有利于苗期生长和后期的群体构建。延迟播期将减少冬前积温，一般地，冬前≥0℃积温每降低100℃·d，出苗时间将会推迟 0.7 d［27］，而且延迟播期还会缩短冬小麦的生育周期［28］。本试验条件下，较传统播期相比，OM处理小麦播期推迟15 d，其全生育期相应缩短14 d，但成熟期保持相对固定，说明适当晚播小麦并不晚熟。分析产量构成发现，OM处理的小麦千粒重较CK略有降低，但是其穗数和穗粒数却略高于CK，能够维持或者提高小麦产量。因为适当延迟播期能够通过改善叶面积指数、叶绿素含量、叶片荧光特性等来获得较高的干物质积累量［4，29］，同时由于晚播造成小麦分蘖减少，主要依靠主茎成穗，通过增加播种量保证了足够的穗数［19］，最终获得与正常播期一致的产量［19，29，30］。说明，当前的冬前积温允许冬小麦适当的延迟播期，OM处理能满足冬小麦构建合理群体，保证较高的小麦产量。

同时，适当延迟小麦播期可以为玉米晚收增产提供有利条件。在黄淮海地区，夏玉米一般在9月25—30日收获，农户多以果穗苞叶变黄、籽粒顶部变硬时开始收获，其千粒重仅为完熟时的85%～90%，此时收获产量将减少10% ～15%［6，30，31］。Rácz等［32］报道，玉米苞叶变黄时植株营养器官积累的内源物质继续向籽粒转移，推迟8～10 d收获，可增产 10%以上［6，24］。本试验条件下，OM处理玉米延迟收获18 d，穗数和穗粒数无显著差异，但千粒重2018、2019年较CK显著增加13.8%、12.8%，显著增产 15.4%、14.2%。玉米延迟收获增产的同时，增加籽粒的脱水时间，降低收获时籽粒含水量，降低玉米后期籽粒脱水烘干脱水成本［23］，因此“收播期优化”模式（OM）是一种既能保证小麦-玉米周年高产，又能提高夏玉米机收籽粒质量的模式。

由于C4作物具有较高光合能力，有人提出充分发挥玉米的产量潜力，逐渐压缩小麦生长时间的方法，以高效利用光热资源［13，14］。本研究建立的“收播期优化”模式（OM）降低了小麦季积温分配率和辐射分配率，小麦季和玉米季积温比值、辐射比值和降水比值，较传统播期（CK）降低18.5%、17.0%和21.1%。将小麦冗余资源转移给玉米，玉米季积温分配率增加10.5%，辐射分配率增加12.5%。前人研究证明，随播期推迟，小麦季光能生产效率呈先降低后增加趋势，随着收获期推迟，玉米季光能生产效率呈先增加后降低趋势［23］。夏玉米利用冬小麦晚播时期，推迟收获期，周年光、温资源籽粒生产效率分别提高2.22% ～10.86%和 0.47% ～11.56%［19］。适当推迟播期后，OM处理显著提高小麦生长光能利用率、积温利用率和降水利用率，分别增加15.0%、17.09%和29.61%。虽然玉米季光能利用率、积温利用率增加不显著，但是其降水利用率较CK增加9.97%。与CK相比，OM处理还显著提高小麦-玉米周年光、温、降水资源利用效率，分别为8.62%、13.14%和11.59%。说明 OM处理可以显著增加玉米季的积温、辐射量和降雨量，保证小麦稳产和玉米增产，实现周年生育期与气候资源的优化配置。

本研究表明，推迟小麦播期和夏玉米收获期的“收播期优化”模式（OM）以充分发挥玉米高光效优势为核心，小麦全生育期天数和生长季光温水资源分配量逐渐减少，但通过适当提高小麦种植密度则维持了较高的单位面积穗数和穗粒数，其产量与正常播期无显著差异或略有增加，因此显著提高小麦季光温水资源生产效率。而玉米季生育期天数和光温资源分配量明显增加，显著提高千粒重，两年度分别增产15.5%和14.2%；虽然玉米季光温生产效率无显著增加，但水分生产效率显著提高，因此该模式周年产量和光温水资源利用效率较正常播收期处理显著提高。综上所述，“收播期优化”模式优化了小麦-玉米周年气候资源配置，提高小麦-玉米周年产量和光温水资源利用效率，对于对保障黄淮海地区农业的可持续发展具有重要意义。