全程机械化条件下玉米和小麦播期对周年光能利用特性的影响

王德鹏，代红翠，荐世春，姜雪，成妮妮，张渝洁，周晓燕，刘开昌

（1.临沂大学生命科学学院，山东 临沂 276000；2.山东省农业科学院作物研究所，山东济南 250100；3.小麦玉米国家工程实验室，山东济南 250100；4.山东省农业机械科学研究院，山东济南 250100）

玉米-小麦轮作系统是黄淮两熟区的主要种植模式，随着光能资源和生产条件的改变，黄淮地区出现资源配置不合理等问题，限制了玉米-小麦产量的进一步提升［1-4］。玉米、小麦接茬存在光能资源未充分利用的问题，且玉米-小麦两熟种植系统全程机械化水平不断加强，农田栽培技术措施差异较大，显著限制了玉米-小麦周年产量潜力的提高。因而，研究高产玉米-小麦轮作系统的光能利用特性，对玉米-小麦系统生产潜力的挖掘及光能资源的高效利用至关重要，对保障黄淮海地区粮食丰产增效及农业可持续发展具有重要意义。

玉米-小麦系统季节间和季节内光能资源的变化及配置不合理严重制约玉米-小麦周年产量潜力及资源利用效率的提高［5-8］。先前研究多集中于光能资源变化对玉米和小麦生育期和接茬时间的影响［2］，玉米-小麦产量及光能资源利用特征的变化特点［9］，温光环境、栽培模式与玉米或小麦品种的相互作用［10］，播期播量的优化筛选［11-13］。研究表明，光能资源的变化对中国不同地区小麦和玉米产量均产生显著影响，玉米-小麦系统总产下降，下降幅度存在明显的区域差异［5，6］。黄淮海平原小麦和玉米生长季气温持续增加，入射光照辐射降低，干旱及洪涝灾害等频发［11，12］，导致小麦遭受冬旱、拔节孕穗期冻害和春旱［13］，且增加了玉米结实期遭遇高温、干旱和阴雨寡照的风险［14］。孙新素等［8］研究发现，1992—2013年黄淮小麦和玉米生长季夜间最低温度呈现显著上升趋势，上升幅度存在区域差异，其中山东省夜间最低温度上升最为明显；夜间最低温度升高显著降低了小麦和玉米的光能利用效率、物质积累量和籽粒产量。光温气象因子的变化影响小麦和玉米的生育期，特别是缩短小麦的生育期［4］，造成玉米-小麦轮作接茬时间延长及温光热量的浪费［13］。小麦播期调整显著影响冬前积温，造成小麦苗期分蘖和物质积累的差异［12］，进而影响后期的干物质积累和产量形成［15］。玉米播期调整显著影响有效积温的利用、籽粒灌浆速率及单位面积的籽粒产量［11］。日照时数对作物产量形成具有重要影响，日照时数的减少伴随着太阳辐射量的降低，直接降低作物的光合作用、光能利用效率和最终产量［3］。作物的理论最大光能利用率可达5%～6%［16］，而黄淮农作区作物光能利用率不到2%，存在光能资源浪费和光能利用效率低的问题［17］。有研究表明，适期晚播有利于高产条件下的小麦和玉米产量提高和资源利用效率的维持［18］。小麦播期推迟至10月中旬，玉米收获期延迟至9月下旬，玉米-小麦周年产量可达到15 t／hm2以上，周年光、温生产效率分别提高64%和124%［19］。夏玉米收获期推迟10～15 d，产量可提高10%～15%，最大可提升2.8 t／hm2，≥10℃有效积温生产效率提高7.0% ～7.3%［20］；其中收获期推迟 10 d的积温生产效率提高了3.9%～5.5%，收获期推迟15 d的积温生产效率提高了 2.5% ～4.2%［20］。玉米-小麦播／收期的调整可以作为提高黄淮玉米-小麦系统周年温光资源利用效率和挖掘两季产量潜力的重要手段。

黄淮玉米-小麦两熟种植区全程机械化水平不断加强，农田栽培技术措施差异较大，存在光能资源未充分利用的问题，因而有必要进一步进行玉米-小麦高产生产的光能利用特性评价。本研究以此为切入点，通过播期调整和栽培管理优化构建不同的产量水平，对比研究播期对玉米和小麦产量形成及周年光能利用效率的影响，以期为黄淮玉米-小麦全程机械化生产的管理调整、合理布局提供基础性的理论依据。本研究通过播期调整、栽培管理优化等措施确定和实现玉米-小麦的周年高产，明确实现周年高产的关键技术措施；通过玉米-小麦周年光能利用效率的量化研究，明确玉米-小麦两熟系统完成周年高产的各项光能利用指标。

1 材料与方法

1.1 试验基本信息

试验于2018—2020年在山东省临沂市郯城县泉源乡进行。耕作方式为玉米、小麦轮作；土质为壤质粘土，有机质含量4.65%、全氮0.34%、有效磷 36.6 mg／kg、速效钾 71.3 mg／kg。

1.2 试验设计与方法

玉米试验：以登海605为供试品种，采用播期、密度和氮肥的裂-裂区试验设计。播期设3个水平，分别为6月10日（玉①）、6月17日（玉②）、6月24日（玉③）；密度设3个水平，分别为6×104、7.5×104、9.0×104株／hm2，行距 60 cm；氮肥（纯 N）设 4个水平：N0（0）、N1（180 kg／hm2）、N2（270 kg／hm2）、N3（360 kg／hm2）。各处理重复3次，共108个小区。氮磷钾肥均采用一次性施用方式。氮肥（三元复合肥，15-15-15）＋缓控尿素（44%）在3个施氮处理中分别为N1（72＋108，kg／hm2），N2（108＋162，kg／hm2），N3（144＋216，kg／hm2）；磷肥类型为三元复合肥（15-15-15）和过磷酸钙，在施用三元复合肥后，各处理补充过磷酸钙至P2O5用量为144 kg／hm2；钾肥类型为三元复合肥（15-15-15）和硫酸钾，在施用三元复合肥后，各处理补充硫酸钾至K2O用量为 144 kg／hm2。

小麦试验：采用播期、栽培模式和品种的裂-裂区试验设计。播期设3个水平，分别为10月10日（麦①）、10月17日（麦②）、10月24日（麦③）；栽培模式包括超高产模式和农民习惯模式，以临麦9号、阳光10号、山东28、麦科33、济麦22和鲁原502为供试品种。各处理均采用宽幅精播技术，重复3次，共108个小区。超高产模式：氮（纯N）总量为250 kg／hm2，基肥和拔节期追肥分别为 100、150 kg／hm2；磷总量（P2O5）为 120kg／hm2，钾总量（K2O）为120 kg／hm2，磷钾肥均基施；基施商品有机肥（NPK含量 6%，有机质40%）3 000 kg／hm2，酵素菌生物肥（NPK含量16%，有机质30%，每克1.5亿菌）1 200 kg／hm2，硼砂 15 kg／hm2，硫酸锌 15 kg／hm2；行距 26 cm，畦宽3.0 m，播幅8 cm，基本苗350万株／hm2。农民习惯模式：氮（纯 N）总量为 200 kg／hm2，基肥和拔节期追肥各100 kg／hm2；磷总量（P2O5）为90 kg／hm2，钾总量（K2O）为 90 kg／hm2，磷钾肥均基施；所用肥料为尿素 350 kg／hm2，商品有机肥（NPK含量6%，有机质40%）1 500 kg／hm2，硫酸锌10 kg／hm2；行距26 cm，畦宽3.0 m，播幅8 cm，基本苗300万株／hm2。

小区设置及播期组合：两季试验均在全程机械化条件下进行。玉米收获期为10月8日，玉米收获后开展小麦试验，麦①、麦②、麦③处理小区分别与玉①、玉②、玉③处理区相对应；将玉米N2和N3处理小区设置为小麦的超高产模式小区，N0和N1小区设置为小麦的农民习惯模式小区；玉米的密度处理小区设置为小麦的品种处理小区。播期组合分析选取玉米和小麦每个播期中产量最高的处理进行统计分析，小麦和玉米播期两两组合产生9种组合，即：玉①＋麦①、玉②＋麦②、玉③＋麦③、玉①＋麦②、玉②＋麦③、玉③＋麦①、玉①＋麦③、玉②＋麦①、玉③＋麦②。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象数据 采用微型气象站记录试验田全生育时期的光照辐射量。根据生育期计算累积入射光照辐射。

1.3.2 成熟期干物质积累量及产量测定 干物质积累量测定：成熟期分为茎鞘、叶片、穗轴或枝梗、籽粒四个部分，放入烘箱内，105℃杀青30 min，然后85℃干燥至恒重，称重。

产量测定：玉米试验中，在每小区长势均匀一致的区域，选定相邻4行，每行长2 m，共4.8 m2（2.0 m×2.4 m）进行测产；小麦试验中，在每小区内选定长势均匀一致且具有代表性的5.0 m2（2.0 m×2.5 m）进行测产。将所有的玉米果穗或小麦穗收获后脱粒，自然风干后进行测产。

1.3.3 光照辐射拦截率测定 利用AccuPAR植物冠层分析仪测定及计算光照辐射拦截率，每个小区测定3个点，每个点重复3次。首先在植株冠层上部测定入射光照辐射，然后在冠层底部测定透射光照辐射。光照辐射拦截率（%）＝（入射光照辐射 -透射光照辐射）／入射光照辐射 ×100。某一时间段的平均光照辐射拦截率为前后两次测定的平均值。

1.3.4 光能转化效率计算 根据每次测定的光照辐射拦截率数据，通过加权平均计算得到全生育期的光照辐射拦截率［21］，然后根据全生育期内的总入射光照辐射计算总拦截辐射量。其中，成熟期干物质量（g／m2）和产量（g／m2）与总拦截辐射量（MJ／m2）的比值分别表示为拦截光照辐射转化效率（RUEi，g／MJ）和拦截光照辐射籽粒生产效率（RUEi（g），g／MJ）；成熟期干物质量（g／m2）和产量（g／m2）与总入射光照辐射（MJ／m2）的比值分别表示为入射光照辐射转化效率（RUEs，g／MJ）和入射光照辐射籽粒生产效率（RUEs（g），g／MJ）。

1.4 数据统计与分析

利用Statistix 9.0和 SAS 9.4软件对试验数据进行统计分析；在5%水平上采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 播期与其他因素互作对玉米和小麦光能利用特性的影响

由表1看出，播期与其他因素互作对玉米和小麦光能利用特性产生显著影响。玉米生长季，播期与氮肥、播期与密度的互作效应均极显著；播期较早、氮肥较高、密度较大显著提高玉米生育期内光照拦截量，光照辐射对干物质和产量的转化效率也明显提高，与第三播期（6月24日）相比，第一播期（6月10日）四个氮肥处理的 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分 别 提 高 28% ～48%、21%～41%、32% ～50%、20% ～42%（表2、表3）。

小麦生长季，RUEs的播期与栽培模式、播期与品种两因素和三因素互作效应均达显著水平，RUEs（g）、RUEi、RUEi（g）的播期与品种、播期与栽培模式两因素互作效应均达极显著水平；与农民习惯模式相比，超高产模式生育期内光照拦截量在第一播期（10月10日）提高7%以上，在第二播期和第三播期提高1%～2%；光照辐射对籽粒产量的转化效率 RUEs（g）和 RUEi（g）分别提高 5% ～16%和2%～10%；不同品种间光照拦截和利用的差异表现不一致（表4、表5）。

表1 2018—2020年不同处理互作对玉米和小麦光照辐射拦截及光能转化效率的影响

2.2 不同处理下玉米和小麦光能利用特性

玉米生长季，各播期不同氮肥处理中，高密度处理下 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）的数值较高，密度间的差异没有表现出一致的规律，最高数值分别达到 1.22、2.05、0.67、1.09 g／MJ；在高氮水平下，光照辐射拦截量在6月24日播期随密度增加而提高，而在其余播期随密度增加先提高后降低（表2、表3）。不同播期的各密度处理中，高氮处理的RUE各指标显著提高；在不同氮肥处理内的各 密 度 处 理 玉 米 的 RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）随播期推迟而降低；与第一播期相比（6月10日），第三播期（6月24日）高氮处理的RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分 别 降 低 22% ～25%、18%～19%、24% ～26%、17% ～20%（表2、表3）。可见，播期、氮肥、密度三因素均通过影响光照辐射对干物质和产量的转化效率来影响玉米的物质生产和产量形成。

表2 2018年玉米光照辐射拦截率和拦截量及光照辐射对干物质和产量的转化效率

表3 2019年玉米光照辐射拦截率和拦截量及光照辐射对干物质和产量的转化效率

小麦生长季，播期间光照辐射拦截量及光照辐射对干物质和产量的光能转化效率没有显著差异（表4、表5）；在各播期下的两个栽培模式中，小麦品种间光照辐射拦截量差异较小，品种间的RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）没有显著差异。在各播期内，与农民习惯模式相比，超高产模式小麦RUEs（g）和 RUEi（g）分别显著提高 5% ～16% 和2%～10%，但两模式间小麦光照辐射拦截量差异较小，两模式间 RUEs、RUEi、RUEi（g）不存在显著差异（表4、表5）。小麦播期改变显著影响产量，与光能利用指标变化趋势不一致，小麦生育期长（232～246 d）是主要的原因之一；模式间产量和光能利用指标的比较结果表明，小麦产量的提高与 RUEs（g）密切相关。

表4 2018—2019年度小麦光照辐射拦截量及光照辐射对干物质和产量的转化效率

（续表4）

2.3 玉米和小麦周年高产的光温利用特性

选取玉米和小麦每个播期中产量最高的处理进行组合，进一步统计分析小麦-玉米两熟系统周年高产的光温利用特性，结果见表6。两个年度的9个播期组合中，均以玉①＋麦①、玉①＋麦②、玉①＋麦③的周年产量较高，约达25 t／hm2，表明玉①播期决定了小麦-玉米生产系统的周年高产。与其余组合相比，这3个组合的产量、干物质量分别提高 6.9% ～10.3%、5.7% ～6.4%，RUEs、RUEi、RUEs（g）、RUEi（g）分别提高 9.3% ～10.2%、4.6% ～5.6%、9.0% ～11.4%、4.7% ～5.7%，表明较高的周年光照辐射转化效率促进了较高的干物质积累量是完成周年高产的重要因素。本研究初步明确，玉米-小麦周年产量达到25.0 t／hm2时，周年光照拦截量 ＞3 361 MJ／m2，RUEs＞0.63 g／MJ，RUEi＞1.20 g／MJ，RUEs（g）＞0.33 g／MJ，RUEi（g）＞0.62 g／MJ。可见，光照辐射对干物质量和产量的转化效率显著提高，是玉米和小麦系统周年高物质生产和高产的重要生理机制。

表5 2019—2020年度小麦光照辐射拦截量及光照辐射对干物质和产量的转化效率

表6 2018—2020年不同播期组合下玉米和小麦周年的物质生产、产量、光照辐射拦截和利用

3 讨论与结论

黄淮两熟区气候的变化和现代农业机械化的发展要求玉米、小麦对气候资源的利用更加合理才能实现周年的高产高效生产。玉米-小麦两熟种植系统全程机械化水平不断加强，农田栽培技术措施差异较大，有必要进一步探讨玉米-小麦高产生产的光能利用特性。本研究基于播期-栽培措施-品种特性互作的原则设置大区田间试验，根据构建的玉米-小麦两熟全程机械化农田系统调控技术体系，在不同的产量水平下分析了播期对玉米和小麦产量形成的影响，及周年高产的光能利用特性。结果表明，播期和栽培措施对玉米和小麦光能利用特性产生显著影响。播期、氮肥、密度三因素均通过影响光照辐射对干物质和产量的转化效率影响玉米的物质生产和产量形成，这亦表明较高的光能利用是玉米高产的关键［22］。玉米作为 C4植物，具有高光效的特点［10，22］，提升玉米群体的光照辐射拦截量是提高玉米光能利用率和产量的重要途径［23］。高氮肥投入有利于形成更大的群体叶面积，以此获取更大的光能截获［24］。日照时数与光照辐射量密切相关，对光合作用和作物产量形成具有重要影响［25］。玉米生长季积温升高，满足了玉米需求，有利于物质生产［8，26］。延长生长季后，玉米光温热接受量增加，玉米产量可提高15%，积温生产效率可提高5.5%，≥10℃有效积温生产效率提高7.3%［20］。采用适宜的长生育期玉米品种，增加玉米生长季的光热资源，可进一步提高玉米种植系统的生产力。

本研究中，小麦播期间光照辐射拦截量及光照辐射对干物质和产量的光能转化效率差异较小；在各播期内，与农民习惯模式相比，超高产模式RUEs（g）均显著提高，两模式间的拦截量差异较小，RUEs、RUEi、RUEi（g）不存在显著差异。小麦播期影响产量，但与光能利用特性指标变化趋势不一致，这主要因为小麦生育期较长（232～246 d），光照辐射累积量大，存在一定的补偿作用；且小麦越冬期平均积温的升高可以补偿晚播小麦的生长［27］，进而弥补氮素的吸收和利用［28］。作物光能利用率是由群体对光能的拦截和转化两方面决定的［29］。本研究中小麦产量的提高主要与RUEs（g）密切相关。

有研究指出，玉米和小麦播期调整可以优化周年资源分配，提高生育期与光温资源的吻合度，玉麦系统生产效率可提高10%以上［30］。APSIM模型研究表明，小麦播期适当推迟，玉米适当晚收，可使小麦轻微减产（0.5% ～1.8%），而玉米较大幅度增产（8.0% ～14.2%），玉麦系统平均增产 2.8% ～4.5%［31］。高海涛等［20］研究表明，玉米收获期推迟10～15 d，产量可提高10%～15%，最大可提升 2.8 t／hm2，≥10℃有效积温生产效率可提高7.0%～7.3%。本研究的9个玉麦播期组合中，3个组合的周年产量较高，均约25.0 t／hm2，且均包括玉米的第一个播期（6月 10日）；较高的周年光照辐射拦截量及转化效率促进了较高的干物质积累量是玉米-小麦系统完成周年高产的重要因素。

本研究认为，在玉米-小麦两熟系统中，推迟玉米收获期，增加玉米生长季的光热资源，可以进一步提高玉米-小麦周年光能利用效率和产量。光照辐射对干物质和产量的转化效率显著提高，是玉米-小麦系统周年高物质生产和高产的重要生理机制。玉米 -小麦周年产量 ＞25.0 t／hm2时，周年光照拦截量 ＞3 361 MJ／m2，RUEs＞0.63 g／MJ，RUEi＞1.20 g／MJ，RUEs（g）＞0.33 g／MJ，RUEi（g）＞0.62 g／MJ。玉米 -小麦全程机械化生产中，玉米收获时籽粒含水量超过30%会严重影响机收质量和效益，适当延长收获期可一定程度上降低玉米籽粒含水量和提高玉米生产效益。调整玉米播种期和收获期，采用适宜早播和长生育期的玉米品种，调整玉米-小麦的播期和种植结构，对促进黄淮地区玉米-小麦全程机械化生产和周年光温资源的高效利用具有重要意义。