播/收期對冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源分配與利用特征的影響

周寶元，馬瑋，孫雪芳，高卓晗，丁在松，李從鋒，趙明

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實驗室，北京100081）

0 引言

【研究意義】黃淮海平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，冬小麥-夏玉米一年兩熟為該區(qū)主要種植模式，其小麥、玉米產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)的50%和40%左右[1］，為保障我國糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。然而，由于黃淮海資源緊缺，大部分地區(qū)光熱資源一季有余、兩季不足，制約了夏玉米機(jī)械粒收技術(shù)的發(fā)展；同時由于降水不足且分布不均，小麥季耗水嚴(yán)重，地下水過度開采問題日益加劇[2-3］，限制了冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式周年產(chǎn)量、資源利用效率及經(jīng)濟(jì)效益的提升。因此，探索周年氣候資源高效利用的技術(shù)途徑對于促進(jìn)黃淮海平原冬小麥-夏玉米種植模式的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】由于C4作物具有較高光合能力，有人提出充分發(fā)揮玉米的產(chǎn)量潛力，逐漸壓縮小麥的生長時間，以高效利用光熱水資源。為此，20世紀(jì)90年代開始，許多科學(xué)家在冬小麥-夏玉米一年兩熟的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以強(qiáng)化“C4玉米”為核心的周年高產(chǎn)及資源高效利用的技術(shù)途徑探索[4-8］。陳阜等[4］建立了“冬小麥/春玉米/夏玉米”和“冬小麥/春玉米/夏玉米/秋玉米”等集約多熟種植，增加玉米種植比例，實現(xiàn)周年單產(chǎn)20 000 kg·hm-2以上。趙秉強(qiáng)等[5］和李立娟等[6］建立了小麥-玉米-玉米和玉米-玉米等集約多熟高產(chǎn)技術(shù)模式，實現(xiàn)了全年光溫資源高效利用，兩種種植模式均可達(dá)到18 000 kg·hm-2的高產(chǎn)水平。然而，這些模式均屬于高集約和高投入的種植，雖然提高了周年產(chǎn)量和資源利用效率，但增加了人工投入，且難以進(jìn)行機(jī)械化操作，不適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)發(fā)展形勢。王樹安等[9-10］通過將冬小麥播種期和夏玉米收獲期推遲，對兩季氣候資源進(jìn)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(shù)模式，實現(xiàn)周年產(chǎn)量15 000 kg·hm-2以上，光、溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%。SUN等[11］和付雪麗等[12］研究也證明，冬小麥晚播通過加大種植密度，提高播種質(zhì)量，其產(chǎn)量和資源效率變化不明顯，而夏玉米晚收產(chǎn)量顯著提高，因此周年產(chǎn)量和資源效率顯著提高?？梢?，通過播/收期的調(diào)整優(yōu)化冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源配置是進(jìn)一步提高其周年產(chǎn)量及光溫水資源利用效率的有效途徑。【本研究切入點(diǎn)】隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，高產(chǎn)、高效及環(huán)境友好協(xié)同發(fā)展已成為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目標(biāo)。但是該區(qū)小麥季耗水量大[13-15］，地下水過度開采等問題[16-18］尚未有效解決；雖然“雙晚”技術(shù)延長了夏玉米籽粒灌漿時間，但籽粒收獲時含水量仍在 30%以上，導(dǎo)致機(jī)械直接收獲籽粒質(zhì)量差[19-20］。同時，在全球氣候變暖的大背景下，近年來我國黃淮海平原秋、冬季氣溫持續(xù)增加，日照時數(shù)減少，干旱及洪澇災(zāi)害等極端天氣頻發(fā)[21-22］，導(dǎo)致冬小麥拔節(jié)孕穗期遭受凍害、冬旱和春旱[11］，夏玉米授粉結(jié)實期遭遇高溫、干旱或陰雨寡照[23-24］的風(fēng)險進(jìn)一步加劇。因此，探索適應(yīng)新的生產(chǎn)條件和氣候條件的冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源最佳分配方式是進(jìn)一步提升黃淮海周年產(chǎn)量及資源利用效率的重要途徑。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以充分發(fā)揮玉米高光效優(yōu)勢為核心，通過在較大時間范圍內(nèi)連續(xù)設(shè)置小麥播種期（10月上旬至 12月上旬）和玉米收獲期（9月下旬至 11月下旬）對周年光溫水等資源進(jìn)行重新分配，建立5種冬小麥與夏玉米生長季資源分配方式，研究其周年產(chǎn)量、氣候資源分配及利用效率特征，確立冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源最佳分配模式，以期為促進(jìn)黃淮海平原糧食作物周年高產(chǎn)高效種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于 2015—2017年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)試驗基地（37°41′02″N，116°37′23″E）進(jìn)行。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫 14℃，全年≥10℃積溫4 647.2℃，年降水量573.4 mm，多在7、8月間，年日照時數(shù)2 323.9 h，能夠充分滿足冬小麥-夏玉米一年兩熟模式種植。試驗田土壤類型為黏壤土，耕層含有機(jī)質(zhì) 12.6 g·kg-1、速效氮 61.2 mg·kg-1、速效磷16.2 mg·kg-1、速效鉀 109.9 mg·kg-1，pH 8.21。

1.2 試驗設(shè)計

小麥播期設(shè)置范圍10月上旬（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣播種期）至12月上旬（小麥冬前不出苗），每隔15 d左右設(shè)置一個播期，共5個播期，包括當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的播種期和能夠保證小麥正常成熟且冬前能正常播種的最晚播期，各處理小麥均達(dá)到生理成熟后收獲。與小麥播期相對應(yīng)的玉米收獲期設(shè)置范圍9月下旬（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣收獲期）至11月下旬，每隔15 d設(shè)置一個收獲期，共5個收獲期。以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表 5個冬小麥-夏玉米一年兩熟模式播/收期搭配組合，詳見表1。

選用當(dāng)?shù)夭シN面積較大的小麥、玉米品種各2個為供試材料，小麥品種為矮抗58（AK58）和中麥66（ZM66），玉米為雜交種先玉335（XY335）和鄭單958（ZD958）。小麥采用17 cm等行距種植，第一期播種密度設(shè)3×106株/hm2，10月15日以后播種每推遲2 d，相應(yīng)增加1×104株基本苗。小麥?zhǔn)斋@后于6月上中旬免耕播種玉米，密度設(shè)6.75×104株/hm2，60 cm等行種植。小區(qū)面積為168 m2（4.8 m×35 m），3次重復(fù)，隨機(jī)排列。小麥季Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處理灌水時期均為播種前、越冬期、拔節(jié)期和抽穗期，Ⅳ處理為播種前、拔節(jié)期和抽穗期，Ⅴ為出苗期和孕穗期；玉米季各處理灌水時期相同，2016年分別為播種期和拔節(jié)期，2017年為拔節(jié)期和大喇叭口期。兩季作物均采用大水漫灌方式，每次灌水量均為75 mm。其他管理措施同高產(chǎn)田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣象資料收集 氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局網(wǎng)站（http://www.cma.gov.cn）。主要包括平均氣溫、日照時數(shù)和降雨量等指標(biāo)。

1.3.2 作物生長季資源分配率與分配比值 為了定量分析冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季資源分配，提出了資源分配率和資源分配比值等指標(biāo)，并建立了相應(yīng)的計算公式：

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）；

降雨分配率（PDR）= 單季降雨量（Px）/ 周年降雨總量（P）；

積溫比值（TR）= 第一季積溫量（T1）/ 第二季積溫量（T2）；

輻射比值（RR）= 第一季輻射量（R1）/ 第二季輻射量（R2）；

降雨比值（PR）= 第一季降雨量（P1）/ 第二季降雨量（P2）；

太陽總輻射Q = Q0(a＋bS/S0)。

式中，Q為太陽總輻射，Q0為天文輻射，S為太陽實測日照時數(shù)，S0為太陽可照時數(shù)，S/S0為日照百分率，a、b為待定系數(shù)[25］。

表1 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米種植方案Table 1 Scheme for winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

積溫計算過程中，小麥季下限溫度取值為 0℃，玉米季下限溫度取值為10℃[26］。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 冬小麥?zhǔn)斋@時，每個小區(qū)取有代表性的3個點(diǎn)，每個點(diǎn)實收1 m2進(jìn)行測產(chǎn)，每個點(diǎn)取20株進(jìn)行考種，調(diào)查穗粒數(shù)和千粒重。夏玉米收獲時，每小區(qū)取中間4行穗（48 m2），測定全部收獲穗的穗鮮重、穗數(shù)，選取樣本穗20穗（誤差小于0.1 kg）進(jìn)行考種，另外選取樣本穗20穗風(fēng)干后脫粒，稱重，測定含水量，換算成14%含水量的重量，進(jìn)而折合成公頃產(chǎn)量。

1.3.4 光、溫、水生產(chǎn)效率 光能生產(chǎn)效率（g·MJ-1）=籽粒產(chǎn)量/單位面積太陽輻射量；積溫生產(chǎn)效率（kg·hm-2·℃-1）= 單位面積籽粒產(chǎn)量/生長季積溫總量；水分生產(chǎn)效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒產(chǎn)量/（單位面積降水量+單位面積灌水量）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016和SPSS16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，采用Sigma Plot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同播/收期搭配下冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季天數(shù)變化

本研究中兩作物生長天數(shù)的計算依據(jù)為小麥季為播種至達(dá)到生理成熟的天數(shù)，玉米季為播種至收獲的天數(shù)。由表1可知，夏玉米在第二收獲期（處理Ⅱ）時達(dá)到生理成熟，第二至第三、四和五收獲期增加的生長天數(shù)主要為玉米成熟后籽粒物理脫水時間。

隨播期推遲，小麥生理成熟期也相應(yīng)推遲（表1），處理Ⅴ兩品種成熟期分別較處理Ⅰ推遲5 d（2016年）和4 d（2017年），但總生育天數(shù)均逐漸減少（圖1），品種間差異不顯著。2016年第Ⅱ至Ⅴ播期處理兩品種平均生育期天數(shù)分別為221、201、183和167 d，較傳統(tǒng)播期處理（Ⅰ，233 d）分別減少5.1%、13.7%、21.5%和28.3%；2017年第Ⅱ至Ⅴ播期處理兩品種平均生育期天數(shù)分別為222、204、185和169 d，較傳統(tǒng)播期處理（Ⅰ，234 d）分別減少5.1%、12.8%、20.9%和27.8%。

隨收獲期推遲，夏玉米生長天數(shù)逐漸增加，品種間差異不顯著（圖1）。2016年第Ⅱ至Ⅴ收獲期處理兩品種平均生長天數(shù)分別為120、135、150和165 d，較傳統(tǒng)收獲期（Ⅰ，105 d）分別增加14.3%、28.6%、42.9%和 57.1%；2017年第Ⅱ至Ⅴ收獲期處理兩品種平均生長天數(shù)分別為121、136、152和167 d，較傳統(tǒng)收獲期處理（Ⅰ，107 d）分別增加13.1%、27.1%、42.1%和56.1%。在第二收獲期（處理Ⅱ）時玉米籽粒達(dá)生理成熟，Ⅲ至Ⅴ處理籽粒物理脫水時間分別為15、30和 45 d。

冬小麥-夏玉米周年總生長天數(shù)隨著播收期推遲變化不明顯，處理間和品種間差異均不顯著。2016年第Ⅰ至Ⅴ處理周年生長天數(shù)分別為 340、342、338、335和334 d，2017年分別為342、345、343、339和338 d。

圖1 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米生長季天數(shù)Fig. 1 Total growth duration of winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

2.2 不同播/收期搭配下冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源分配特征

由表2可知，播收期改變導(dǎo)致作物生長季積溫量變化較大，但品種間差異不顯著。隨小麥播期推遲，生長季積溫量顯著下降，2015—2016年變化范圍1 877.7—2 457.8℃，Ⅱ至Ⅴ處理積溫量分別顯著低于傳統(tǒng)播期（Ⅰ），降低7.7%、15.7%、22.2%和23.6%；2016—2017年變化范圍1 853.5—2 392.8℃，Ⅱ至Ⅴ處理積溫量分別低于Ⅰ處理，降低 6.2%、16.0%、19.9%和22.5%。

隨玉米收獲期推遲，生長季分配積溫量逐漸增加，2016年變化范圍2 894.1—3 594.2℃，Ⅱ到Ⅴ處理積溫量分別顯著高于Ⅰ處理，提高10.0%、16.8%、21.5%和27.6%；2017年變化范圍2 862.5—3 541.9℃，Ⅱ到Ⅴ處理積溫量分別顯著高于Ⅰ處理，提高 9.8%、17.4%、21.4%和27.2%。另外，由傳統(tǒng)收獲期（Ⅰ）至籽粒完全達(dá)到生理成熟（Ⅱ）所需積溫量兩年分別為290.5和281.6℃；生理成熟后籽粒進(jìn)入脫水階段，2016年Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間積溫量分別為196.6、332.8和509.6℃，2017年分別為217.4、331.6和497.8℃。

周年總積溫量在處理間和年際間差異不顯著，2015—2016年 5個處理平均為 5 424.1℃，2016—2017年平均為5 322.3℃。年際間各季積溫量占周年總積溫量的比例及兩季的比值相對固定，Ⅰ至Ⅴ處理小麥季積溫量占周年總積溫量的比例分別為46%、42%、38%、36%和34%，玉米生長季分別為54%、58%、62%、64%和66%；小麥季與玉米季積溫量比值分別為0.8、0.7、0.6、0.6和0.5。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間積溫量占生長季積溫量的6.1%、9.5%和 13.7%，占周年總積溫量的比例分別為3.9%、6.1%和9.3%。

表2 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年積溫分配Table 2 Distribution of accumulated temperature between winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

由表3可以看出，隨小麥播期推遲，生長季總輻射量顯著下降，年際間差異顯著。2015—2016年輻射量變化范圍2 105.7—2 528.5 MJ·m-2，Ⅲ至Ⅴ處理輻射量分別顯著低于Ⅰ處理，降低10.7%、13.3%和16.7%；2016—2017 年輻射量變化范圍 2 012.0—2 423.3 MJ·m-2，Ⅲ至Ⅴ播期處理輻射量分別顯著低于Ⅰ處理，降低8.9%、13.8%和17.0%。

隨玉米收獲期的延遲，生長季輻射量逐漸增加，2016 年變化范圍 1 727.1—2 193.4 MJ·m-2，Ⅱ至Ⅴ處理輻射量分別顯著高于Ⅰ處理，提高8.3%、14.5%、19.1%和27.0%；2017年變化范圍是1 628.3—2 085.3 MJ·m-2，Ⅱ至Ⅴ處理輻射量分別顯著高于Ⅰ處理，提高7.4%、13.9%、20.1%和28.1%。由傳統(tǒng)收獲期（Ⅰ）至玉米籽粒完全達(dá)到生理成熟（Ⅱ）所需輻射量兩年分別為143.8和120.7 MJ·m-2；生理成熟后籽粒進(jìn)入脫水階段，2016年Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間輻射量分別為107.1、185.6 和 322.5 MJ·m-2，2017 年分別為 105.6、206.2 和 336.3 MJ·m-2。

周年總輻射量在品種間、處理間和年際間差異不顯著（表3），2015—2016年5個處理平均為4 280.2 MJ·m-2，2016—2017年平均為4 066.3 MJ·m-2。各季輻射量占周年總輻射量的比例及兩季的比值相對固定，2015—2016年，Ⅰ至Ⅴ處理小麥季輻射量占周年總輻射量的比例分別為 59%、57%、53%、52%和 49%，玉米季分別為41%、43%、47%、48%和51%，小麥季與玉米季輻射量比值分別為 1.5、1.3、1.1、1.1和 1.0。2016—2017年，Ⅰ至Ⅴ處理小麥季輻射量占周年總輻射量的比例分別為60%、57%、54%、52%和49%，玉米季分別為40%、43%、46%、48%和51%，兩季比值分別為 1.5、1.3、1.2、1.1和 1.0。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間輻射量占生長季輻射量的5.6%、9.8%和15.4%，占周年總輻射量的比例分別為2.6%、4.7%和7.9%。

表3 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年輻射分配Table 3 Distribution of radiation between winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

由表 4可以看出，播收期的改變造成作物生長季降水量變化較大，年際間差異顯著，品種間差異不顯著。2015—2016年，除處理Ⅱ小麥季降水量顯著低于處理Ⅰ外，各處理無顯著差異，變化范圍168.9—206.6 mm。2016—2017年，小麥季降水量隨播期推遲逐漸降低，變化范圍149.6—192.4 mm，Ⅱ到Ⅴ播期處理降水量分別低于Ⅰ處理，降低12.6%、17.9%、18.9%和22.2%。

隨玉米收獲期的延遲，生長季降水量逐漸增加，2016年變化范圍273.3—342.4 mm，Ⅱ至Ⅴ處理降水量分別顯著高于Ⅰ處理，提高 8.5%、21.6%、25.7%和30.1%；2017年變化范圍253.1—292.9 mm，Ⅱ至Ⅴ處理降水量分別顯著高于Ⅰ處理，提高 10.2%、14.1%、14.5%和15.7%。由傳統(tǒng)收獲期（Ⅰ）至玉米籽粒達(dá)到完全生理成熟（Ⅱ）所需降水量兩年分別為12.4和25.7 mm，生理成熟后籽粒進(jìn)入脫水階段，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間降水量2016年分別為34.6、45.2和56.7 mm，2017年分別為9.9、11.1和14.1 mm。

年際間周年總降水量差異顯著（表 4），2015—2016年各處理變化范圍為443.1—517.6 mm，其中Ⅲ到Ⅴ處理降水量均分別顯著高于Ⅰ處理，提高13.3%、14.1%和16.8%。2016—2017年各處理降水量無顯著差異，平均為445.5 mm。2015—2016年，Ⅰ至Ⅴ處理小麥季降水量占周年總降水量的比例分別為38%、37%、40%、35%和34%，玉米季分別為62%、63%、59%、65%和66%，小麥季與玉米季降水量比值分別為 0.7、0.6、0.6、0.5和 0.5。2016—2017年，Ⅰ至Ⅴ處理小麥季降水量占周年總降水量的比例分別為43%、38%、35%、35%和34%，玉米季分別為57%、62%、65%、65%和66%，兩季比值分別為 0.8、0.6、0.5、0.5和 0.5。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ處理籽粒脫水期間降水量占生長季降水量的 10.8%、13.7%和 16.6%（2016年），3.4%、3.8%和 4.8%（2017年）；占周年總降水量的比例分別為6.9%、8.9%和11.0%（2016年），2.2%、2.5%和3.2%（2017年）。

表4 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年降水分配Table 4 Distribution of precipitation between winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

2.3 不同播/收期搭配下冬小麥-夏玉米一年兩熟模式單季及周年產(chǎn)量

由表5可以看出，隨播期推遲，小麥季產(chǎn)量呈先下降再上升的趨勢，處理Ⅰ產(chǎn)量最高，除Ⅴ播期外，品種間無顯著差異。2015—2016年Ⅰ處理AK58產(chǎn)量為8 212.9 kg·hm-2，分別高于Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ處理16.5%、25.8%和9.7%；Ⅰ處理ZM66產(chǎn)量為8 011.5 kg·hm-2，分別高于Ⅲ和Ⅳ處理16.1%和26.2%，與Ⅴ處理差異不顯著。2016—2017年Ⅰ處理AK58產(chǎn)量為9 401.9 kg·hm-2，分別高于Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ處理20.9%、27.4%和8.9%；Ⅰ處理ZM66產(chǎn)量為9 278.7 kg·hm-2，分別高于Ⅲ和Ⅳ處理 17.1%和 21.6%，與Ⅴ處理差異不顯著。年際間小麥產(chǎn)量差異較大，2016—2017年Ⅰ至Ⅴ處理平均產(chǎn)量分別高于 2015—2016年 15.1%、14.9%、12.6%、16.6%和15.8%。

產(chǎn)量構(gòu)成因素中，小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均受播期影響較大。由表5可知，隨播期推遲，小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均呈先下降后上升的趨勢。與處理Ⅰ相比，Ⅲ和Ⅳ播期兩品種穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均顯著降低，Ⅴ處理AK58穗粒數(shù)和千粒重顯著降低。2015—2016年，Ⅲ處理AK58和ZM66穗數(shù)較處理Ⅰ分別降低6.1%和5.9%，穗粒數(shù)分別降低5.8%和7.4%，千粒重分別降低7.1%和7.0%；Ⅳ處理AK58和ZM66穗數(shù)較處理Ⅰ分別降低 9.3%和 6.5%，穗粒數(shù)分別降低8.3%和9.5%，千粒重分別降低11.1%和8.9%；Ⅴ處理 AK58穗粒數(shù)較處理Ⅰ降低 5.8%，千粒重降低6.8%，但ZM66穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重與Ⅰ處理無顯著差異。2016—2017年，Ⅲ處理AK58和ZM66穗數(shù)較Ⅰ處理分別降低 7.5%和 6.1%，穗粒數(shù)分別降低4.8%和6.5%，千粒重分別降低6.9%和5.1%；Ⅳ處理AK58和ZM66穗數(shù)較Ⅰ處理分別降低10.2%和7.4%，穗粒數(shù)分別降低 6.9%和 10.2%，千粒重分別降低10.4%和 7.9%；Ⅴ處理 AK58穗粒數(shù)較Ⅰ處理降低5.1%，千粒重降低7.2%，ZM66穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重與處理Ⅰ無顯著差異。

由表6可以看出，隨收獲期推遲，玉米季產(chǎn)量逐漸增加，品種間差異不顯著，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ處理產(chǎn)量顯著高于Ⅰ處理，但Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ處理間差異不明顯。2016年Ⅱ至Ⅴ處理XY335產(chǎn)量分別較正常收獲期處理（Ⅰ）提高8.6%、14.5%、16.1%和17.5%，ZD958產(chǎn)量分別較處理Ⅰ提高 10.0%、19.6%、19.8%和21.6%。2017年Ⅱ至Ⅴ處理XY335產(chǎn)量分別較處理Ⅰ提高6.9%、14.6%、16.8%和15.4%，ZD958產(chǎn)量分別較處理Ⅰ提高7.8%、14.5%、18.7%和16.8%。

表5 不同播期冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 5 Yield and yield components of winter wheat with different sowing dates

隨收獲期推遲，玉米穗數(shù)和穗粒數(shù)沒有顯著變化，而千粒重顯著增加，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ處理間沒有顯著差異，但顯著高于Ⅰ和Ⅱ處理，且品種間差異不顯著（表6—7）。2016年Ⅱ至Ⅴ處理XY335和ZD958的千粒重分別比處理Ⅰ增加6.6%和6.9%、12.1%和14.2%、12.3%和15.0%、11.7%和14.3%；2017年Ⅱ至Ⅴ處理XY335和ZD958的千粒重分別比處理Ⅰ增加9.2%和10.8%、14.1%和13.3%、15.1%和14.1%、14.5%和15.0%。

隨玉米收獲期推遲，籽粒含水量顯著下降，且品種間差異較大（表7）。由表6可知，2016年Ⅱ至Ⅴ處理XY335和ZD958的收獲籽粒含水量分別比處理Ⅰ降低 20.9%和 17.6%、41.0%和 35.8%、52.3%和46.1%、61.6%和56.4%，其中Ⅴ處理XY335和ZD958的籽粒含水量分別為14.9%和17.3%；2017年Ⅱ至Ⅴ處理XY335和ZD958的收獲籽粒含水量分別比處理Ⅰ降低 18.3%和 16.5%、39.1%和 34.8%、51.4%和46.5%、62.9%和58.8%，其中Ⅴ處理XY335和ZD958的收獲籽粒含水量分別為14.4%和16.5%。

如前所述，隨著播期的推遲，小麥季產(chǎn)量降低，但相應(yīng)的玉米季產(chǎn)量顯著增加，因此周年產(chǎn)量不降低甚至有所增加。由圖2可知，各播收期處理中，處理Ⅴ周年平均產(chǎn)量最高，兩年分別為18 729.1和19 503.4 kg·hm-2，與處理Ⅱ差異不顯著，但顯著高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ處理，2015—2016年增幅分別為7.8%、5.0%和7.9%，2016—2017年增幅分別為5.5%、6.4%和6.7%。

2.4 不同播/收期搭配下冬小麥-夏玉米一年兩熟模式氣候資源利用效率

由表8可以看出，隨播期推遲，小麥季積溫生產(chǎn)效率發(fā)生顯著變化，年際間差異顯著。2015—2016年Ⅴ處理小麥季平均積溫生產(chǎn)效率為4.09 kg·hm-2·℃-1，顯著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理，提高10.9%、11.7%、21.4%和 24.7%；2016—2017年Ⅴ處理平均積溫生產(chǎn)效率為4.79 kg·hm-2·℃-1，顯著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理，提高7.7%、14.0%、24.4%和25.4%。隨收獲期推遲，玉米季積溫生產(chǎn)效率發(fā)生顯著變化，其中Ⅱ處理顯著高于Ⅳ和Ⅴ處理，與Ⅰ和Ⅲ處理差異不顯著。2016年Ⅱ處理玉米季平均積溫生產(chǎn)效率為3.27 kg·hm-2·℃-1，較Ⅳ和Ⅴ處理分別提高5.5%和6.2%；2017年Ⅱ處理玉米季平均積溫生產(chǎn)效率為3.24 kg·hm-2·℃-1，較Ⅳ和Ⅴ處理分別提高 6.6%和 7.6%。因此，Ⅱ和Ⅴ周年積溫生產(chǎn)效率顯著高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ，但二者差異不顯著。2015—2016年Ⅱ和Ⅴ周年積溫生產(chǎn)效率分別為 3.43和 3.42 kg·hm-2·℃-1，分別高于Ⅰ、Ⅲ

和Ⅳ處理5.9%和5.6%、5.5%和5.2%、8.2%和7.9%；2016—2017年Ⅱ和Ⅴ處理周年積溫生產(chǎn)效率分別為3.63和 3.62 kg·hm-2·℃-1，分別高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ處理5.2%和5.1%、5.5%和5.2%、9.3%和9.0%。

表6 不同收獲期處理夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 6 Yield and yield components of summer maize with different harvest dates

表7 年際間、處理間和品種間冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素方差分析Table 7 The ANOVA analyses for yield and yield components of winter wheat and summer maize by years, treatment, and variety

圖2 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年產(chǎn)量Fig. 2 Grain yield of winter wheat-summer maize double cropping system with different treatments

表8 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米光溫生產(chǎn)效率Table 8 Production efficiency of accumulated temperature and radiation for winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

由表 8可以看出，隨播期推遲，小麥季光能生產(chǎn)效率呈先降低后增加的趨勢，年際間差異顯著。2015—2016年Ⅴ處理小麥季光能生產(chǎn)效率平均為0.36 g·MJ-1，分別高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理 12.5%、12.5%、14.1%和24.1%；2016—2017年Ⅴ處理小麥季光能生產(chǎn)效率平均為0.44 g·MJ-1，分別高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理15.8%、12.8%、25.3%和25.7%。隨著收獲期推遲，玉米季光能生產(chǎn)效率呈先增加后降低趨勢，Ⅱ處理顯著高于Ⅳ和Ⅴ處理，與處理Ⅰ和Ⅲ差異不顯著。2015—2016年Ⅱ處理玉米季光能生產(chǎn)效率為 0.56 g·MJ-1，分別高于Ⅳ和Ⅴ處理 5.7%和12.1%；2016—2017年Ⅱ處理玉米季光能生產(chǎn)效率為0.58 g·MJ-1，分別高于Ⅳ和Ⅴ處理7.4%和13.7%。因此，Ⅱ和Ⅴ處理周年光能生產(chǎn)效率顯著高于處理Ⅰ和Ⅳ，但二者差異不顯著。2015—2016年Ⅱ和Ⅴ處理周年光能生產(chǎn)效率分別為0.44和0.43 g·MJ-1，分別高于Ⅰ和Ⅳ處理5.0%和7.3%、5.2%和7.4%；2016—2017年Ⅱ和Ⅴ處理周年光能生產(chǎn)效率分別為0.48和0.47 g·MJ-1，分別高于Ⅰ和Ⅳ處理6.8%和9.1%、6.9%和9.2%。

由表9可以看出，隨播期推遲，小麥耗水量（降水量與灌水量之和）顯著下降，Ⅴ處理耗水量最低，兩年分別為325.5 和299.6 mm，顯著低于其他播期處理。各播期處理中，Ⅴ處理水分生產(chǎn)效率最高，2015—2016 年為 23.6 kg·hm-2·mm-1，分別高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理39.6%、38.8%、62.8%和46.6%；2016—2017年為 29.7 kg·hm-2·mm-1，分別高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理56.3%、51.5%、75.7%和54.7%。隨收獲期推遲，玉米耗水量逐漸增加，Ⅴ處理耗水量最高，兩年分別為492.4和442.9 mm，但由于產(chǎn)量顯著增加，2016年水分生產(chǎn)效率與處理Ⅰ無顯著差異，2017年高于Ⅰ處理6.6%。除2016年處理Ⅲ玉米水分生產(chǎn)效率顯著高于處理Ⅰ外，其他處理間水分生產(chǎn)效率差異不顯著。因此，處理Ⅴ周年水分生產(chǎn)效率最高，兩年分別為23.0和 26.9 kg·hm-2·mm-1，2016 年顯著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理，提高17.3%、12.2%、22.9%和18.6%，2017年顯著提高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ處理，提高29.3%、25.1%、32.5%和24.5%。

表9 不同播/收期處理冬小麥-夏玉米水分生產(chǎn)效率Table 9 Production efficiency of water for winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

3 討論

3.1 播/收期改變冬小麥和夏玉米生長季氣候資源分配

優(yōu)化傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米模式季節(jié)間氣候資源配置，探索兩季最佳的氣候資源搭配模式是進(jìn)一步挖掘黃淮海地區(qū)周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率的重要途徑。由于C4作物具有較高光合能力，有人提出充分發(fā)揮玉米的產(chǎn)量潛力，逐漸壓縮小麥的生長時間的方法，以高效利用光熱資源[4-5］，從而建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術(shù)模式，實現(xiàn)了周年產(chǎn)量達(dá)到15 000 kg·hm-2以上，光、溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%[9-10］。然而，隨著黃淮海地區(qū)氣候條件和生產(chǎn)條件的變化，冬小麥生長季遭遇凍害、冬旱和春旱及耗水嚴(yán)重等問題日益嚴(yán)峻[11,14］，同時由于兩季時間限制夏玉米收獲籽粒含水量在30%以上，嚴(yán)重影響機(jī)械直接收獲籽粒質(zhì)量，降低玉米生產(chǎn)效益[19-20］。為進(jìn)一步探索適應(yīng)新的氣候條件和生產(chǎn)條件的冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季最佳的氣候資源分配方案，本研究從10月上旬（當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣播種期）至12月上旬（種子冬前不萌發(fā)出苗），設(shè)置了5種冬小麥-夏玉米播收期搭配模式。研究表明，通過播/收期調(diào)整，小麥生育期天數(shù)由正常播期的236 d減少至第五播期的168 d，相應(yīng)的玉米晚收生長天數(shù)由傳統(tǒng)收獲的106 d（Ⅰ）增加至166 d（V），處理V小麥晚播和玉米晚收的時間較“雙晚”技術(shù)模式延長50 d左右[9-12］。另外，當(dāng)處理Ⅱ夏玉米收獲時籽粒達(dá)到生理成熟，處理Ⅲ、Ⅳ和V增加的時間（15—45 d）主要用于籽粒物理性脫水。生長時間的改變導(dǎo)致作物生長季內(nèi)光溫水資源量發(fā)生顯著變化，隨著播/收期推遲，兩作物生長季光溫水資源分配比例分別由處理Ⅰ的60%∶40%、46%∶54%、42%∶58%調(diào)整至處理V的49%∶51%、34%∶66%、34%∶66%范圍內(nèi)，小麥季光溫水資源量逐漸減少，玉米季顯著增加，其中處理Ⅲ至V玉米籽粒脫水期間的光溫資源量分別占周年資源總量的 9.3%和 7.9%，降水資源所占比例為11.0%（2016）和3.2%（2017）。雖然各處理年際間光溫水資源量差異顯著，但其占周年總資源量的比例相對固定（降水除外），與我們前期的研究結(jié)果一致[8］，這也為進(jìn)一步分析資源分配與產(chǎn)量形成的關(guān)系提供了定量標(biāo)準(zhǔn)。可見，通過播/收期的調(diào)整可實現(xiàn)冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季氣候資源的重新分配，為進(jìn)一步建立兩季最佳的氣候資源搭配模式提供了依據(jù)。

3.2 播/收期影響冬小麥和夏玉米產(chǎn)量形成

前人研究表明，作物產(chǎn)量形成與其所在地區(qū)的光溫水等生態(tài)條件密切相關(guān)[19,27-30］。本研究通過播/收期調(diào)整，使得冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季資源分配發(fā)生顯著變化，各處理產(chǎn)量也隨之發(fā)生了明顯改變。冬小麥產(chǎn)量隨播期推遲逐漸降低，降幅為1 866.5—2 024.3 kg·hm-2，但處理Ⅱ及處理V的ZM66品種產(chǎn)量與正常播期無顯著差異；且玉米季產(chǎn)量隨收獲期推遲顯著增加，增幅為1 528.1—2 208.5 kg·hm-2，因此處理Ⅱ和V周年產(chǎn)量顯著提高，而處理Ⅲ和Ⅳ與處理Ⅰ周年產(chǎn)量無顯著差異。這與前人關(guān)于冬小麥-夏玉米“雙晚”試驗結(jié)果趨勢相似[8,11-12,31］。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，本研究中小麥晚播導(dǎo)致穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均降低，但處理Ⅱ和 V下降不顯著，尤其是ZM66品種在處理Ⅱ和V具有較高的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。前人研究表明，晚播可提高某些小麥品種旗葉葉綠素含量，維持葉片較高的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力[32-33］，特別是選擇高溫條件下具有較高花后光合能力和干物質(zhì)積累能力的小麥品種（如濟(jì)麥22）是維持極晚播小麥較高產(chǎn)量的關(guān)鍵[34］。由此我們推測本研究選用的ZM66品種在處理Ⅱ和V播期下具有較高的花后光合物質(zhì)生產(chǎn)能力，從而維持了小麥較高的有效穗粒數(shù)和粒重；同時由于晚播造成小麥分蘗減少，特別是處理V主要依靠主莖成穗，通過增加播種量保證了足夠的穗數(shù)[11-12］，從而維持了較高的產(chǎn)量。這與前人冬小麥極晚播（11月上中旬）試驗結(jié)果類似[34］，通過選用濟(jì)麥22品種和增加播量至800—850 粒/m2在河北吳橋?qū)崿F(xiàn)了冬小麥最高達(dá)82 900 kg·hm-2的產(chǎn)量水平。然而，不同地區(qū)因其光溫水資源稟賦的差異，種植該模式時應(yīng)先確定該區(qū)小麥適宜的越冬狀態(tài)、品種、播期及密度等條件，以保證較高的小麥產(chǎn)量。

另外，夏玉米晚收顯著延長了灌漿期（15 d），使植株營養(yǎng)器官積累的內(nèi)源物質(zhì)繼續(xù)向籽粒轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致粒重顯著增加[11-12,35］，處理Ⅱ至V玉米產(chǎn)量顯著提高，但由于處理Ⅱ（10月上旬）玉米已達(dá)到生理成熟，繼續(xù)延長收獲期粒重和產(chǎn)量不再增加，因此處理Ⅱ至V玉米產(chǎn)量無顯著差異。然而，由于處理V玉米生理成熟后至收獲約45 d，保證了籽粒充分脫水，因此收獲時籽粒含水量降至14.4%—17.3%。研究表明，籽粒含水量是影響機(jī)械粒收質(zhì)量的重要因素，籽粒含水率超過20%時收獲機(jī)械損傷率急劇增加[36］，且收獲后的高溫快速干燥使籽粒破碎敏感度進(jìn)一步增大[37-38］。柴宗文等[19］和李璐璐[20］等研究表明，夏玉米籽粒含水量為 25%時機(jī)械收獲籽粒破碎率為 6.6%，雜質(zhì)率為1.1%，而含水量降到17%時破碎率為5.8%，雜質(zhì)率為0.1%。當(dāng)收獲玉米的籽粒含水率在25%以上時，每噸玉米烘干的費(fèi)用為24加元，每年加拿大因烘干玉米的費(fèi)用超過2 億加元[39］；我們前期對我國玉米籽粒機(jī)收現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果表明，每噸玉米籽粒由含水量25%烘干到14%成本需要34.4元左右，而每噸含水量為17%的籽粒烘干成本僅需 8.9元左右，而本研究中處理V玉米收獲時籽粒含水量已降至17%以下，可通過進(jìn)一步篩選脫水快的品種達(dá)到籽粒機(jī)收直入庫的含水量標(biāo)準(zhǔn)（14%）。此外，目前的籽粒烘干設(shè)備需要消耗大量的電力和煤炭資源，也會造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染?？梢姡幚鞻是一種既能保證冬小麥-夏玉米一年兩熟模式較高周年產(chǎn)量，又能提高夏玉米機(jī)械收獲籽粒質(zhì)量和效益的兩季作物生長季氣候資源分配的最佳方式。

3.3 播/收期影響冬小麥和夏玉米生長季及周年氣候資源利用效率

分析播/收期調(diào)控對冬小麥-夏玉米模式周年光溫水資源生產(chǎn)效率的影響發(fā)現(xiàn)，由于處理V小麥季光溫水資源量顯著降低，特別是小麥冬前不出苗其灌水量減少 150 mm（底墑水和越冬水），但其產(chǎn)量下降不顯著，因此小麥季光能、溫度和水分生產(chǎn)效率分別較處理Ⅰ平均提高14.2%、9.3%和47.9%；而玉米季雖然光能、溫度生產(chǎn)效率有所降低，但水分生產(chǎn)效率顯著提高，因此處理 V冬小麥-夏玉米周年光能、溫度和水分生產(chǎn)效率分別提高8.2%、5.4%和23.3%。這主要是因為通過播/收期的調(diào)整使小麥季冗余資源轉(zhuǎn)移給更加高效的玉米季，實現(xiàn)了周年生長季與氣候資源的優(yōu)化配置，從而提高了氣候資源的利用效率[8,11-12］。另外，前人研究表明氣候變化導(dǎo)致我國北方溫度持續(xù)上升，極端天氣頻發(fā)[21-22］，冬小麥播種過早導(dǎo)致冬前苗期旺長，拔節(jié)孕穗提前，易遭受嚴(yán)重凍害和干旱，造成減產(chǎn)[11］。本研究通過將小麥播期推遲至 12月上旬，種子冬季不萌發(fā)出苗，可避免苗期凍害和干旱影響；且該播期下小麥拔節(jié)期（3月底4月初）晚于傳統(tǒng)播期小麥（3月上中旬），可避免倒春寒發(fā)生對幼穗發(fā)育的影響（3月中下旬）[40-41］?？梢姡ㄟ^播/收期調(diào)整實現(xiàn)冬小麥-夏玉米一年兩熟模式作物生長季氣候資源優(yōu)化配置，特別是處理V（小麥12月上旬播種，玉米11月中旬收獲）的氣候資源搭配模式，可顯著提高其周年產(chǎn)量及資源利用效率。然而，作物生長季節(jié)內(nèi)光溫水資源的時空分布，及其與作物生長發(fā)育的動態(tài)匹配程度也是影響單季作物產(chǎn)量形成及資源利用效率的重要因素[22,29,42］，因此進(jìn)一步研究生長季節(jié)內(nèi)光溫資源變化與小麥生長發(fā)育的定量匹配關(guān)系對于建立更加完善的冬小麥-夏玉米一年兩熟周年資源高效種植模式具有重要意義，這也是我們下一步研究的重點(diǎn)。

小麥?zhǔn)俏覈饕目诩Z作物，玉米主要用作飼料和工業(yè)加工，但在特殊時期也可作為口糧。從某種意義上講，這兩大糧食作物因其共同的能量屬性，存在相互替代和互補(bǔ)的關(guān)系。例如，2010—2011年由于國內(nèi)小麥價格低廉，大量小麥用于飼料加工（中國飼料行業(yè)信息網(wǎng)，2012）。近年來，華北地區(qū)小麥季耗水量大且利用效率低的問題導(dǎo)致該區(qū)地下水過度開采，引起一系列的環(huán)境問題[16-18］，且受氣候變化影響，冬季凍害、干旱等問題進(jìn)一步加劇[11］，限制了該區(qū)傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米模式的可持續(xù)發(fā)展。本研究建立的小麥冬寄籽-玉米機(jī)收粒模式（處理V）在一定程度上緩解了小麥季耗水嚴(yán)重和冬季干旱、凍害，同時可有效解決玉米籽粒機(jī)收的問題。然而，考慮到小麥作為口糧對于保障我國糧食安全的重要性，該模式的建立并不能完全取代整個黃淮海地區(qū)傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式，而是希望在黃淮海北部光溫水資源緊缺區(qū)，特別是河北黑龍港流域和環(huán)京津的水分虧缺區(qū)，在根據(jù)當(dāng)?shù)毓鉁厮Y源條件進(jìn)行適宜品種和播收期篩選的前提下種植該模式，以進(jìn)一步提高該區(qū)周年資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

以充分發(fā)揮玉米高光效優(yōu)勢為核心，通過調(diào)節(jié)小麥播種期和玉米收獲期對兩季光溫水等資源進(jìn)行優(yōu)化配置，建立了5種冬小麥-夏玉米一年兩熟作物生長季氣候資源分配模式。隨冬小麥播期和夏玉米收獲期推遲，小麥生育期天數(shù)和生長季光溫水資源分配量逐漸減少，從而導(dǎo)致小麥季產(chǎn)量降低，但由于極晚播（12月上旬）（處理V）小麥的ZM66品種維持了較高的穗數(shù)和穗粒數(shù)，產(chǎn)量與正常播期無顯著差異，同時由于耗水量顯著降低，小麥季光溫水生產(chǎn)效率顯著提高；而玉米生長時間和光溫水資源量明顯增加，導(dǎo)致粒重顯著提高，且籽粒含水量降至14.4%—17.3%，產(chǎn)量顯著提高，雖然光溫生產(chǎn)效率有所降低，但水分生產(chǎn)效率顯著提高，因此處理V周年產(chǎn)量和光溫水資源利用效率較正常播收期處理顯著提高。然而，在種植該模式時，應(yīng)首先根據(jù)不同地區(qū)光溫水資源條件確定小麥適宜的越冬狀態(tài)，進(jìn)而確定品種、播期及密度等措施。綜上所述，在不增加任何投入的前提下通過播/收期調(diào)整來優(yōu)化冬小麥-夏玉米一年兩熟模式周年氣候資源配置，減少冬小麥季耗水量，并提高夏玉米籽粒機(jī)械收獲質(zhì)量，促進(jìn)黃淮海冬小麥-夏玉米一年兩熟模式可持續(xù)發(fā)展。