黃淮海平原南部不同種植體系周年氣候資源分配與利用特征研究

周寶元 葛均筑 侯海鵬 孫雪芳 丁在松 李從鋒 馬 瑋,* 趙 明,*

黃淮海平原南部不同種植體系周年氣候資源分配與利用特征研究

周寶元1葛均筑2侯海鵬3孫雪芳4丁在松1李從鋒1馬 瑋1,*趙 明1,*

1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)與栽培重點開放實驗室, 北京 100081;2天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院, 天津 300384;3天津市農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心種植業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)部, 天津 300061;4青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東青島 266109

探明不同種植體系周年產(chǎn)量、氣候資源分配及其利用效率特征, 建立周年氣候資源優(yōu)化配置的定量指標(biāo), 為進一步提升黃淮海區(qū)域周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率提供理論依據(jù)。本研究利用2011—2015年河南新鄉(xiāng)定位試驗數(shù)據(jù), 定量分析了冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏大豆、雙季玉米和一季春玉米4個種植體系產(chǎn)量、生物量、干物質(zhì)產(chǎn)能、光溫資源分配及其利用效率。結(jié)果表明, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系4年產(chǎn)量、生物量和干物質(zhì)產(chǎn)能差異均不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆和一季春玉米體系, 平均增幅分別為45.4%~61.5%、37.3%~71.3%和35.7%~70.7%; 雙季玉米和一季春玉米體系周年輻射生產(chǎn)效率、籽粒及總生物量光能利用效率均顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系, 其中周年輻射生產(chǎn)效率平均增幅為11.8%~66.7%, 籽粒及總生物量光能利用效率分別提高0.13~0.42和0.18~0.69百分點。進一步分析周年氣候資源分配特征, 冬小麥–夏玉米體系兩季積溫分配率分別為45.6%和54.4%, 積溫比值為0.8, 雙季玉米兩季積溫分配率為51.4%和48.6%, 積溫比值為1.1。綜合分析產(chǎn)量和資源利用效率, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米種植體系可作為黃淮海區(qū)種植模式優(yōu)化布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐, 而明確主要種植體系積溫分配率和積溫比值等定量指標(biāo)可為進一步優(yōu)化周年氣候資源配置, 挖掘黃淮海兩熟區(qū)周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率提供重要參考。

黃淮海平原南部; 種植體系; 產(chǎn)量; 資源分配; 資源利用效率

黃淮海平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地, 種植模式以冬小麥–夏玉米一年兩熟為主, 其中小麥種植面積和產(chǎn)量分別占全國60%和50%, 玉米種植面積和產(chǎn)量分別占全國36%和40%左右, 對保障我國糧食安全發(fā)揮了重要作用[1]。然而, 受全球氣候變化影響, 該區(qū)極端氣候頻發(fā), 導(dǎo)致冬小麥生長期內(nèi)易遭遇凍害、冬旱和春旱[2-3], 夏玉米授粉結(jié)實期常遭遇高溫、干旱或陰雨寡照等逆境[4-5], 減產(chǎn)風(fēng)險加大。同時, 持續(xù)增溫、干旱及日照時數(shù)降低等現(xiàn)象[6-7], 導(dǎo)致傳統(tǒng)種植模式下冬小麥–夏玉米品種、播期及生育期等與光、溫、水資源不匹配, 限制了作物產(chǎn)量潛力和氣候資源利用效率的進一步提升[8-11]。研究表明, 作物理論最大光能利用率為5%~6%[12], 而黃淮平原年光能利用率低于2%[13]。

探明黃淮海平原主要種植體系周年氣候資源分配與利用特征, 并進一步優(yōu)化調(diào)控周年氣候資源配置, 是挖掘周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率的重要途徑之一。冬小麥–夏玉米一年兩熟種植體系中, 農(nóng)民習(xí)慣9月中下旬收獲玉米, 10月中旬播種小麥, 這段時間該區(qū)光照充足、日平均氣溫17℃左右, 積溫量高達510~550℃, 造成大量光溫資源浪費[7,14]。與冬小麥–夏玉米種植體系生育進程相似[15], 冬小麥–夏大豆種植體系中大豆收獲至小麥播種期間空閑期20~25 d, 浪費光能240~260 MJ m–2、積溫409~495℃。王樹安[16]在華北平原建立的冬小麥–夏玉米“雙晚”技術(shù)模式, 將冬小麥播種期由10月初推遲至10月中旬, 夏玉米收獲期由9月中旬推遲至9月底, 對兩季氣候資源優(yōu)化配置, 在保證小麥正常生長不減產(chǎn)的情況下, 將更多的資源分配給玉米, 使其周年產(chǎn)量達到15,000 kg hm–2以上, 光、溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%。另外, 發(fā)展多元種植模式, 也可以最大限度地從空間和時間上提高光、熱、水分等資源利用效率。陳阜等[17]和趙秉強等[18]研究評價了冬小麥/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體系, 表明這些種植體系均具有較高的產(chǎn)量潛力和資源利用效率, 周年產(chǎn)量可突破18,000~20,000 kg hm–2。Meng等[19]研究評價了冬小麥/夏玉米–春玉米兩年三熟和一季春玉米種植模式, 認為適當(dāng)減少冬小麥種植比例, 增加高資源利用效率和高產(chǎn)潛力玉米的比例, 可實現(xiàn)年平均節(jié)約灌溉量達40%, 氮肥用量減少59%。雙季玉米種植體系兩季不同熟期品種的配置使玉米生長發(fā)育與自然資源的變化同步協(xié)調(diào), 且兩季的生育期處于該區(qū)一年中光、溫、水的集中期, 可以充分利用氣候資源, 周年光、溫生產(chǎn)效率分別高于冬小麥–夏玉米模式26.1%和6.5%[20-22]?？梢? 優(yōu)化傳統(tǒng)兩熟種植體系周年氣候資源分配, 并發(fā)展其他資源高效的種植體系作為補充, 可以最大限度地利用周年氣候資源。然而, 由于目前關(guān)于黃淮海主要種植體系周年氣候資源分配與利用的定量特征尚不明確, 尚未建立合理的周年氣候資源定量優(yōu)化配置方案, 限制了該區(qū)周年產(chǎn)量與資源利用效率的進一步提升及多元化種植體系發(fā)展。為此, 本研究擬通過4年定位試驗分析, 探明黃淮海主要種植模式(冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏大豆、雙季玉米和一季春玉米)產(chǎn)量、光溫水資源分配及其利用效率等特征, 以期為黃淮海平原建立資源高效的種植模式及其合理的資源配置方案提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所河南新鄉(xiāng)(37°41′02″N, 116°37′23″E)試驗基地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 年平均氣溫14℃, 全年≥10oC積溫4647.2℃, 年降水量573.4 mm, 多在7、8月間, 年日照時數(shù)2323.9 h, 基本能夠滿足冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏大豆和雙季玉米等一年兩熟模式種植。試驗田土壤類型為沙壤土, 耕層含有機質(zhì)12.9 g kg–1、速效氮63.8 mg kg–1、速效磷15.9 mg kg–1、速效鉀112.1 mg kg–1, pH 8.18。圖1為2011年10月至2015年11月年新鄉(xiāng)日均溫度、輻射量及降雨量數(shù)據(jù)。

圖1 2011年10月至2015年11月年新鄉(xiāng)日均溫度、輻射量及降雨量

1.2 試驗設(shè)計

2011—2015年, 采用隨機區(qū)組設(shè)計, 共設(shè)置4個種植模式處理, 分別為冬小麥–夏玉米(W–M)、冬小麥–夏大豆(W–S)、雙季玉米(M–M)和一季春玉米(M)。小區(qū)面積為127.2 m2(4.8 m × 26.5 m), 3次重復(fù)。除播種期和收獲期外, 各模式均按當(dāng)前高產(chǎn)栽培方式種植。具體種植方案見表1。選用當(dāng)?shù)刂髟缘母弋a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種為試驗材料, 冬小麥和夏大豆分別采用17 cm和40 cm等行距種植, 玉米采用大小行(40 cm × 80 cm)種植。小麥播前澆足底墑水(75 mm), 基施氮磷鉀復(fù)合肥(15%-15%-15%) 750 kg hm–2, 拔節(jié)期結(jié)合澆水(75 mm)追施尿素225 kg hm–2; 玉米隨播種施氮磷鉀復(fù)合肥(15%-15%-15%) 540 kg hm–2, 于拔節(jié)期結(jié)合灌水(75 mm)或降雨追施尿素450 kg hm–2; 大豆播前澆足底墑水(75 mm), 隨播種施氮磷鉀復(fù)合肥(15%-15%-15%) 450 kg hm–2, 于分枝期結(jié)合灌水(75 mm)或降雨追施尿素150 kg hm–2。雙季玉米第一季播后人工覆膜。其他管理同常規(guī)高產(chǎn)田。

1.3 測定項目及方法

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://cdc.nmic.cn/home.do/), 主要包括平均溫度、日照時數(shù)和降雨量等指標(biāo)。

1.3.2 產(chǎn)量測定 冬小麥?zhǔn)斋@時, 從每小區(qū)按固定的標(biāo)點取1 m雙行測定穗數(shù), 實收1 m2測產(chǎn), 并隨機抽取20穗考種, 將小區(qū)收獲籽粒自然風(fēng)干, 在含水量為13%時稱量, 折合成公頃產(chǎn)量。玉米收獲時, 每小區(qū)取中間4行所有的果穗(60 m2), 并隨機抽取20穗考種, 收獲穗全部脫粒后經(jīng)自然風(fēng)干, 測定籽粒含水量, 按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。夏大豆收獲時, 每個小區(qū)按固定的標(biāo)點取1 m2測定莢數(shù), 并實收1 m2測產(chǎn), 將小區(qū)收獲籽粒自然風(fēng)干, 在含水量為13%時稱量, 折合成公頃產(chǎn)量, 同時從每個點取20株考種, 調(diào)查莢數(shù)、莢粒數(shù)和千粒重。

1.3.3 生物量測定 于收獲期, 按“對角線”法從每小區(qū)選取小麥20株, 按葉、莖、鞘、穗分樣; 每個小區(qū)取玉米代表性植株5株, 按莖、葉、鞘、穗粒、苞葉、穗軸器官分樣; 每小區(qū)取大豆代表性植株10株, 按葉、莖、莢等器官分樣, 置烘箱105℃殺青30 min, 80℃烘至恒重, 計算群體地上部干物重。

表1 2011–2015年不同種植體系種植方案

W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; M: 一季春玉米。

W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; W–S: winter wheat–summer soybean double cropping system; M–M: double maize cropping system; M: spring maize.

1.3.4 干物質(zhì)產(chǎn)能 參考王美云等[22]計算方法, 干物質(zhì)產(chǎn)能以單位面積生產(chǎn)的干物質(zhì)產(chǎn)量的干重?zé)嶂当硎?。干物質(zhì)產(chǎn)能(MJ m–2) = 單位面積的干物質(zhì)產(chǎn)量×干重?zé)嶂?/p>

干重?zé)嶂?GCV)指每克干物質(zhì)完全燃燒所釋放的能量(J g–1)[23], 本試驗玉米植株干重?zé)嶂禐?.807×104J g–1, 小麥植株干重?zé)嶂禐?.747×104J g–1, 大豆種子干重?zé)嶂禐?.145×104J g–1, 大豆秸稈干重?zé)嶂禐?.655×104J g–1。

1.3.5 光、溫資源分配率與分配比值 參照以下公式計算資源分配率和資源分配比值等指標(biāo)[24]。

積溫分配率(TDR) = 季節(jié)內(nèi)積溫(Tx)/周年積溫總量(T) (1)

輻射分配率(RDR) = 季節(jié)內(nèi)輻射量(Rx)/周年輻射總量(R) (2)

積溫比值(TR) = 第一季積溫(T1)/第二季積溫(T2) (3)

輻射比值(RR) = 第一季輻射量(R1)/第二季輻射量(R2) (4)

太陽總輻射=0(＋/0) (5)

式中,為太陽總輻射,0為天文輻射,為太陽實測日照時數(shù), S0為太陽可照時數(shù),/0為日照百分率,、為待定系數(shù)[25]。

積溫計算中, 小麥下限溫度取值為0℃, 玉米和大豆下限溫度取值為10℃[26]。

1.3.6 光、溫生產(chǎn)效率 光能生產(chǎn)效率(g MJ–1) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間太陽輻射總量; 積溫生產(chǎn)效率(kg hm–2℃–1) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間積溫總量; 降水生產(chǎn)效率(kg hm–2mm–1) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間降水總量。

1.3.7 光能利用效率

光能利用效率RUE(%) = (×)/∑×100% (6)

式中,為每克干物質(zhì)燃燒時釋放出的熱量;是測定期間干物質(zhì)的增加量(即凈生產(chǎn)量); ∑是同期的總光照輻射量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2003 進行數(shù)據(jù)初步整理, 利用SPSS16.0軟件進行方差分析和多重比較, 采用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植體系周年及單季產(chǎn)量

由圖2可以看出, 年際間各種植體系周年及單季產(chǎn)量變化趨勢基本一致。4個種植體系中, 冬小麥–夏玉米(W–M)和雙季玉米種植體系(M–M)周年產(chǎn)量最高, 4年平均周年產(chǎn)量分別為19,748.5 kg hm–2和19,332.4 kg hm–2, 二者之間無顯著差異, 但顯著高于冬小麥–夏大豆(W–S)和一季春玉米體系(M), 增幅分別為48.6%和45.4%, 61.5%和58.1%; 冬小麥–夏大豆體系周年產(chǎn)量顯著高于一季春玉米體系。對于一年兩熟體系來說, 雙季玉米體系第一季作物(玉米)產(chǎn)量最高, 4年平均產(chǎn)量為10,225.8 kg hm–2, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第一季(小麥), 增幅分別為12.6%和10.9%, 但二者之間差異不顯著; 冬小麥–夏玉米體系第二季作物(玉米)產(chǎn)量最高, 4年平均產(chǎn)量為10,639.8 kg hm–2, 顯著高于雙季玉米和冬小麥–夏大豆體系第二季, 增幅分別為17.2%和162.9%; 冬小麥–夏大豆體系第一季小麥產(chǎn)量與冬小麥–夏玉米第一季小麥產(chǎn)量差異不顯著, 但第二季大豆產(chǎn)量顯著低于冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系第二季作物產(chǎn)量。

圖2 2011–2015年不同種植體系單季及周年產(chǎn)量

A為周年產(chǎn)量; B為一年兩熟體系第一季產(chǎn)量; C為一年兩熟體系第二季產(chǎn)量; W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。圖柱上不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。

A: the annual grain yield; B: the grain yield of first season; C: the grain yield of second season; W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat–summer soybean double cropping system; M: spring maize. Bars superscripted by different lowercases are significantly different at the 0.05 probability level.

2.2 不同種植體系生物量及干物質(zhì)產(chǎn)能

由圖3-A~C可以看出, 年際間各種植體系生物量變化趨勢基本一致。4個種植體系中, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系周年生物量最高, 4年均值分別為39,649.3 kg hm–2和39,513.9 kg hm–2, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆和一季春玉米體系, 4年平均增幅分別為37.8%和37.3%, 71.3%和70.7%; 冬小麥–夏大豆體系周年生物量顯著高于一季春玉米體系。對于一年兩熟體系來說, 雙季玉米體系第一季作物生物量最高, 4年平均生物量為20,634.0 kg hm–2, 分別高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系8.1%和9.3%, 但二者之間差異不顯著; 冬小麥–夏玉米體系第二季作物生物量最高, 4年平均生物量為20,441.6 kg hm–2, 分別高于雙季玉米和冬小麥–夏大豆體系8.1%和106.4%; 冬小麥–夏大豆體系第一季小麥生物量與冬小麥–夏玉米體系第一季小麥差異不顯著, 但第二季大豆生物量顯著低于冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系第二季玉米。

各種植體系干物質(zhì)產(chǎn)能與生物量趨勢一致(圖3-D~F)。4個種植體系中, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系周年干物質(zhì)產(chǎn)能均最高, 4年均值分別為70.9 MJ m–2和71.4 MJ m–2, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆和一季春玉米體系, 4年平均增幅分別為35.7%和36.5%, 69.7%和70.7%; 冬小麥–夏大豆體系周年干物質(zhì)產(chǎn)能顯著高于一季春玉米體系。對于一年兩熟體系來說, 雙季玉米體系第一季作物干物質(zhì)產(chǎn)能最高, 4年平均值為37.2 MJ m–2, 分別高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系10.4%和11.5%, 但二者之間差異不顯著; 冬小麥–夏玉米體系第二季作物干物質(zhì)產(chǎn)能最高, 4年平均為37.3 MJ m–2, 分別高于雙季玉米和冬小麥–夏大豆體系8.6%和104.2%; 冬小麥–夏大豆體系第一季小麥干物質(zhì)產(chǎn)能與冬小麥–夏玉米體系第一季小麥差異不顯著, 但第二季大豆干物質(zhì)產(chǎn)能顯著低于冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系第二季玉米。

圖3 2011–2015年不同種植體系周年生物量及干物質(zhì)產(chǎn)能

A為周年生物量; B為一年兩熟體系第一季生物量; C為一年兩熟體系第二季生物量; D為周年干物質(zhì)產(chǎn)能; E為一年兩熟體系第一季干物質(zhì)產(chǎn)能; F: 為一年兩熟體系第二季干物質(zhì)產(chǎn)能; W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。圖柱上不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。

A: the annual total biomass; B: the biomass of first season; C: the biomass of the second season; D: the annual dry matter production energy; E: the dry matter production energy of first season; F: the dry matter production energy of second season; W–M: winter wheat-summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat-summer soybean double cropping system; M: spring maize. Bars superscripted by different lowercases are significantly different at the 0.05 probability level.

2.3 不同種植體系周年光溫資源分配

由表2可以看出, 年際間各種植體系積溫和輻射分配變化趨勢基本一致。對4個種植體系積溫分配4年平均值分析發(fā)現(xiàn), 雙季玉米體系第一季積溫量最高, 4年平均值為2611.3℃, 占周年積溫總量的51.4%, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第一季積溫量, 4年平均增幅分別為11.1%和10.3%; 冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第二季積溫量最高, 4年平均值分別為2801.7℃和2684.9℃, 分別占周年積溫量的54.4%和53.1%, 二者差異不顯著, 但顯著高于雙季玉米體系第二季積溫量, 4年平均增幅分別為13.6%和8.8%。3個一年兩熟種植體系周年積溫總量差異不顯著, 但顯著高于一季春玉米體系, 兩季間積溫比值4年平均分別為1.1、0.9和0.8, 差異顯著。

表2 2011–2015年不同種植體系季節(jié)間積溫分配

W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。AT: 積溫量; TDR: 積溫分配率; TR: 兩季積溫比值。標(biāo)以不同小寫字母的平均值在0.05 水平差異顯著。

W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat–summer soybean double cropping system; M: spring maize. AT: accumulated temperature; TDR: accumulated temperature distribution rate; TR: accumulated temperature ratio of two seasons. Means within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

比較各體系光照資源分配特征發(fā)現(xiàn)(表3), 4個種植體系中, 冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第一季分配輻射量最高, 4年平均值分別為2156.7 MJ m?2和2169.5 MJ m?2, 分別占周年總輻射量的57.0%和58.2%, 二者差異不顯著, 但顯著高于雙季玉米體系第一季輻射量, 4年平均增幅分別為12.5%和13.1%; 冬小麥–夏玉米體系第二季輻射量最高, 4年平均值為1630.2 MJ m?2, 占全年輻射總量的43.0%, 與冬小麥–夏大豆體系第二季輻射量差異不顯著, 但顯著高于雙季玉米體系第二季輻射量, 4年平均增幅為7.4%。對于周年輻射量來說, 冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系周年輻射量最高, 4年平均值分別為3787.0 MJ m?2和3727.3 MJ m?2, 顯著高于雙季玉米和一季春玉米體系周年輻射量, 4年平均增幅分別為10.2%和8.5%, 84.3%和81.4%; 兩季間輻射量比值無顯著差異。

2.4 不同種植體系光溫資源利用效率

由表4可以看出, 年際間各種植體系積溫和光能生產(chǎn)效率變化趨勢基本一致。4個種植體系中, 雙季玉米體系第一季玉米的積溫生產(chǎn)效率最高, 4年平均值為4.1 kg hm–2℃–1, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系的小麥季, 4年平均增幅分別為7.9%和10.8%; 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系的第二季玉米積溫生產(chǎn)效率4年平均值分別為3.9 kg hm–2℃–1和3.8 kg hm–2℃–1, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆體系的夏大豆季, 4年平均增幅分別為129.4%和123.5%; 雙季玉米體系周年積溫生產(chǎn)效率最高, 4年平均值為4.0 kg hm–2℃–1, 與冬小麥–夏玉米和一季春玉米體系周年溫度生產(chǎn)效率差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆體系, 4年平均增幅為53.8%。

表3 2011–2015年不同種植體系季節(jié)間輻射分配

W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。Ra: 輻射量; RDR: 輻射分配率; RR: 兩季輻射量比值。標(biāo)以不同小寫字母的平均值在0.05 水平差異顯著。

W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat–summer soybean double cropping system; M: spring maize. Ra: radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio of two seasons. Means within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

雙季玉米體系第一季玉米光能生產(chǎn)效率最高, 4年平均值為0.54 g MJ–1, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第一季小麥, 4年平均增幅分別為28.6%和35.0%; 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系第二季玉米光能生產(chǎn)效率差異不顯著, 4年平均值分別為0.64 g MJ–1和0.61 g MJ–1, 顯著高于冬小麥–夏大豆體系夏大豆季, 4年平均增幅分別為113.3%和103.3%; 雙季玉米和一季春玉米周年光能生產(chǎn)效率差異不顯著, 4年平均值分別為0.57 g MJ–1和0.60 g MJ–1, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系周年光能生產(chǎn)效率, 4年平均增幅分別為11.8%和17.6%, 58.3%和66.7%, 冬小麥–夏大豆體系周年光能生產(chǎn)效率最低。

冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系小麥季降水生產(chǎn)效率4年平均值分別為65.5 kg hm–2mm–1和63.8 kg hm–2mm–1, 二者差異不明顯, 但顯著高于雙季玉米模式第一季玉米, 4年平均增幅分別為29.2%和25.8%; 雙季玉米體系第二季玉米季降水生產(chǎn)效率4年平均值為38.1 kg hm–2mm–1, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系第二季, 4年平均增幅分別為26.2%和180.1%; 雙季玉米體系周年降水生產(chǎn)效率4年平均值為43.8 kg hm–2mm–1, 顯著高于冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏大豆和一季春玉米體系, 4年平均增幅分別為9.0%、55.9%和13.5%, 冬小麥–夏大豆體系周年降水生產(chǎn)效率最低。

表4 2011–2015年不同種植體系積溫、光能和降水生產(chǎn)效率

W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。AT: 積溫量; Ra: 輻射量; Pr: 降水量。標(biāo)以不同小寫字母的平均值在0.05 水平差異顯著。

W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat-summer soybean double cropping system; M: spring maize. AT: accumulated temperature; Ra: radiation; Pr: precipitation. Means within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

由表5可以看出, 年際間各種植體系籽粒和總生物量光能利用效率變化趨勢基本一致。4個種植體系中, 雙季玉米體系第一季玉米的籽粒光能利用效率4年平均值為0.97%, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系的小麥季; 冬小麥–夏玉米和雙季玉米第二季籽粒光能利用效率4年平均值分別為1.15%和1.10%, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆體系的夏大豆季; 雙季玉米和一季春玉米體系周年籽粒光能利用效率4年平均值分別為1.04%和1.09%, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系。

總生物量光能利用效率變化趨勢與籽粒光能利用效率一致, 4個種植體系中, 雙季玉米體系第一季玉米的總生物量光能利用效率4年平均值為1.92%, 顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系的小麥季; 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系第二季總生物量光能利用效率4年平均值分別為2.21%和2.28%, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏大豆體系的夏大豆季; 雙季玉米和一季春玉米體系周年總生物量光能利用效率4年平均值分別為2.08%和2.04%, 二者差異不顯著, 但顯著高于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系。

表5 2011–2015年不同種植體系光能利用效率

W–M: 冬小麥–夏玉米一年兩熟; M–M: 雙季玉米一年兩熟; W–S: 冬小麥–夏大豆一年兩熟; M: 一季春玉米。標(biāo)以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05 水平差異顯著。

W–M: winter wheat–summer maize double cropping system; M–M: double maize cropping system; W–S: winter wheat–summer soybean double cropping system; M: spring maize. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

3 討論

黃淮海地區(qū)是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 近年來受氣候變化和生產(chǎn)條件變化影響, 種植模式單一, 兩熟制季節(jié)間氣候資源配置不合理, 作物品種、播期、密度、生育期等與光、溫、水資源不匹配等問題突出, 限制了周年產(chǎn)量潛力和氣候資源生產(chǎn)效率進一步提升[8-11]。明確黃淮海主要種植體系周年氣候資源分配與利用的定量特征, 可為進一步優(yōu)化季節(jié)間資源配置, 發(fā)展多元化高產(chǎn)與資源高效種植體系, 以提高該區(qū)周年產(chǎn)量潛力與資源利用效率提供理論依據(jù)。為此, 本研究通過4年定位試驗系統(tǒng)分析了黃淮海區(qū)當(dāng)前主要種植體系冬小麥–夏玉米、冬小麥–夏大豆、一季春玉米及雙季玉米種植體系產(chǎn)量及資源分配與利用定量特征, 以期為該區(qū)傳統(tǒng)種植體系資源優(yōu)化配置和資源高效種植體系建立提供定量化依據(jù)。研究表明, 4個種植體系中, 由于雙季玉米體系第一季玉米產(chǎn)量和生物量顯著高于小麥, 而冬小麥–夏玉米體系第二季玉米產(chǎn)量和生物量顯著高于夏大豆和雙季玉米體系的第二季玉米, 因此, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米體系周年產(chǎn)量和生物量差異不顯著, 但均顯著高于冬小麥–夏大豆和一季春玉米體系。由于熱值是評價植物太陽能累計和化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率的重要指標(biāo), 可以消除作物類型差異的影響, 為此我們比較了4個種植體系干物質(zhì)產(chǎn)能的差異。本研究中干物質(zhì)產(chǎn)能變化趨勢與產(chǎn)量和生物量變化趨勢基本一致, 4個種植體系及不同作物之間干物質(zhì)產(chǎn)能也存在較大差異。這主要是因為C4作物玉米具有高光合效率和高物質(zhì)生產(chǎn)能力, 而小麥?zhǔn)荂3作物, 大豆是光呼吸作物, 二者光合能力和光飽和點較低, 產(chǎn)量和生物量潛力低于玉米[27]。前人研究已證明, 適當(dāng)減少冬小麥種植面積, 增加高光合能力和高物質(zhì)生產(chǎn)能力作物的比例, 如冬小麥/春玉米/夏玉米、冬小麥/春玉米/夏玉米/秋玉米、冬小麥–夏玉米“雙晚”及雙季玉米等模式, 均在不同程度上增加了玉米的種植比例, 從而顯著提高了周年產(chǎn)量[16-20]。

不同種植體系資源利用效率差異較大。本研究中, 雙季玉米體系第一季積溫生產(chǎn)效率較高, 但由于河南新鄉(xiāng)雙季玉米第二季生育前期溫度較高, 植株干物質(zhì)積累過快, 而生育后期溫度較低, 干物質(zhì)運轉(zhuǎn)與分配滯后導(dǎo)致其產(chǎn)量和光溫生產(chǎn)效率較低[20-21], 因此周年積溫生產(chǎn)效率與冬小麥–夏玉米和一季春玉米體系差異不顯著, 但周年輻射生產(chǎn)效率顯著高于冬小麥–夏玉米體系, 與一季春玉米體系差異不顯著。另外, 由于河南新鄉(xiāng)小麥季降水量小, 灌溉水是小麥水分需求的主要來源[28-29], 因此雙季玉米第一季水分生產(chǎn)效率顯著低于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系小麥季, 但雙季玉米第二季水分生產(chǎn)效率顯著提高, 因此周年水分生產(chǎn)效率顯著高于其他種植體系。這與前人研究結(jié)果基本一致, 吳丹等[30]認為河北平原雙季玉米比冬小麥–夏玉米周年溫度生產(chǎn)效率提高6.9%~8.2%, 光能生產(chǎn)效率增加9.7%~29.0%, 年總輻射利用率增加12.7%~29.0%, 水分利用效率提高53.7%~76.6%。同時, 由于玉米具有較高的產(chǎn)量潛力和光合效率, 雙季玉米和一季春玉米體系周年籽粒光能利用效率和總生物量光能利用效率均顯著高于其他種植體系, 但二者之間差異不顯著?？梢? 適當(dāng)增加高光合能力和高物質(zhì)生產(chǎn)能力作物的比例, 充分發(fā)揮C4玉米高資源利用效率優(yōu)勢, 也可有效提高多熟區(qū)周年氣候資源利用效率[19-20,31]。雙季玉米作為一種新型種植體系同時具有較高的產(chǎn)量潛力和資源生產(chǎn)效率[20-22], 一季春玉米體系具有較高的資源生產(chǎn)效率, 但產(chǎn)量較低, 且一季種植生長期較短, 造成大量資源浪費[19], 冬小麥–夏玉米作為一種傳統(tǒng)種植體系具有較高的產(chǎn)量潛力, 但資源生產(chǎn)效率較低, 然而冬小麥作為口糧對保障我國糧食安全具有無可替代的作用。綜合考慮產(chǎn)量和資源利用效率, 冬小麥–夏玉米和雙季玉米種植體系可作為黃淮海區(qū)種植模式優(yōu)化布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐, 但二者周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率還有待進一步挖掘。雖然冬小麥–夏大豆種植體系周年產(chǎn)量和資源利用效率均較低, 但是由于黃淮海地區(qū)特殊的生態(tài)條件, 大豆蛋白質(zhì)含量相對較高, 在各產(chǎn)區(qū)具有明顯的市場競爭優(yōu)勢,該區(qū)大豆種植面積和產(chǎn)量均占全國的35%左右, 在我國大豆生產(chǎn)中占有非常重要的地位[15,27], 因此維持或適當(dāng)增加黃淮海平原冬小麥–夏大豆一年兩熟種植比例, 對于保障我國大豆安全供給具有重要作用。

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)[32-35], 通過季節(jié)間資源優(yōu)化配置將更多光溫水等資源分配給更加高效的作物生長季是進一步提升周年產(chǎn)量和資源利用效率的重要措施[31,36], 明確不同種植體系周年氣候資源定量分配特征可為建立合理的周年氣候資源優(yōu)化配置方案提供定量依據(jù)[37]。前期研究中提出了兩熟制季節(jié)間資源分配率(DR)和分配比值(R)等定量指標(biāo), 可用來對不同種植體系周年氣候資源分配特征進行定量分析[24]。本研究中3個兩熟種植體系周年積溫總量差異不顯著,但分配到兩季作物的積溫量、單季積溫分配率及兩季積溫比值差異較大, 其中雙季玉米體系周年積溫基本均等分配, 兩季積溫分配率(TDR)分別為51.4%和48.6%, 積溫比值(TR)為1.1, 而冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系周年積溫更多分配給第二季, 兩季積溫分配率分別為45.6%和54.4%, 46.9%和53.1%, 積溫比值分別為0.8和0.9。與積溫不同, 雙季玉米體系周年輻射總量顯著低于冬小麥–夏玉米和冬小麥–夏大豆體系, 但三者周年輻射分配率均表現(xiàn)為第一季較大, 且兩季間輻射比值分別為1.3、1.3和1.4, 差異不顯著。由于周年光、溫變化趨勢不同, 同一種植體系兩季間光、溫資源分配特征也不同, 然而熱量條件(積溫)是決定作物生長發(fā)育進程和產(chǎn)量形成的主要因素[38-39], 因此積溫分配可作為氣候資源分配的主要指標(biāo), 輻射分配和降水分配為次要指標(biāo)。同時, 通過調(diào)整積溫分配率和分配比值的定量指標(biāo)可對周年氣候資源進行季節(jié)間優(yōu)化配置, 為適宜熟期品種和兩季合理播種期和收獲期的確定提供定量依據(jù)。

綜上所述, 在明確不同種植體系周年氣候資源分配與利用特征基礎(chǔ)上進行周年資源優(yōu)化配置是提升黃淮海地區(qū)周年產(chǎn)量和資源利用效率的重要途徑。本研究建立的資源分配率和分配比值等定量指標(biāo)可為兩熟種植體系周年氣候資源優(yōu)化配置提供定量依據(jù), 然而作物生長季節(jié)內(nèi)光溫水資源的動態(tài)變化與作物生長發(fā)育的匹配程度也影響作物產(chǎn)量及資源利用效率[7,38], 因此進一步研究作物不同生育階段資源分配與其生長發(fā)育的定量關(guān)系對于建立更加完善的兩熟制周年資源定量優(yōu)化配置方案具有重要意義, 這也是我們下一步研究的重點。

4 結(jié)論

在黃淮海兩熟區(qū), 冬小麥–夏玉米和雙季玉米種植體系具有較高的周年產(chǎn)量潛力, 同時由于充分發(fā)揮了玉米高資源利用效率的優(yōu)勢, 雙季玉米體系也具有較高的周年輻射及降水生產(chǎn)效率、籽粒及總生物量光能利用效率。冬小麥–夏玉米作為保障口糧的傳統(tǒng)種植體系, 雙季玉米作為新型的資源高效種植體系均可作為黃淮海區(qū)種植模式優(yōu)化布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。在明確主要種植體系積溫分配率和積溫比值等指標(biāo)基礎(chǔ)上對周年氣候資源進行優(yōu)化配置, 是進一步挖掘該區(qū)周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率的重要途徑。

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Characteristics of annual climate resource distribution and utilization for different cropping systems in the south of Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain

ZHOU Bao-Yuan1, GE Jun-Zhu2, HOU Hai-Peng3, SUN Xue-Fang4, DING Zai-Song1, LI Cong-Feng1, MA Wei1,*, and ZHAO Ming1,*

1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2College of Agronomy & Resource and Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China;3Planting Technology Extension, Department of Tianjin Agricultural Development Service Center, Tianjin 300061, China;4College of Agronomy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong, China

Clarifying the characteristics of annual yield, distribution and utilization of climatic resources, and establishing rational quantitative indexes of annual climatic resources distribution for different cropping systems are helpful to provide theoretical basis for further improving annual yield and resource use efficiency in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain. In this study, the experiment was conducted from 2011 to 2015 at Xinxiang, Henan province to analyze the grain yield, biomass, dry matter production energy, and distribution and utilization efficiency of climatic resources under four cropping systems, namely winter wheat–summer maize, winter wheat–summer soybean, double maize and one–season spring maize. There were no differences in the annual grain yield, total biomass, and dry matter production energy between the winter wheat–summer maize and double maize cropping systems, but they were significantly higher than those of the winter wheat–summer soybean and one-season spring maize cropping systems, with an average increase of 45.4%–61.5%, 37.3%–71.3%, and 35.77%–70.7%, respectively. The annual radiation production efficiency, radiation use efficiency of grain and total biomass for double maize and one-season spring maize cropping systems were significantly higher than those of the winter wheat–summer maize and winter wheat–summer soybean cropping systems, with an average increase of 11.8%–66.7% in the annual radiation production efficiency, and 0.13–0.42 and 0.18–0.69 percentage points increase in the radiation use efficiency of grain and total biomass, respectively. The accumulative temperature distribution rate for two seasons of winter wheat–summer maize was 45.6% and 54.4%, respectively, while those of double maize was 51.4% and 48.6%, respectively. The accumulative temperature ratio between two seasons was of winter wheat–summer maize 0.8, while that of double maize was 1.1. Considering both yield and resource use efficiency, winter wheat–summer maize and double maize cropping systems can be used to optimize the layout of planting patterns and support the sustainable development of agricultural production in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain. Furthermore, clarifying the accumulated temperature distribution rate and the accumulated temperature ratio between two seasons is helpful to optimize climate resource distribution, and further improve the yield potential and the resources use efficiency of double cropping system in the Yellow- Huaihe-Haihe Rivers plain.

the south of Yellow-Huaihe-Haihe Rivers plain;cropping system; yield; resource distribution; resource use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2020.93049

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0300504)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0300504).

趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752; 馬瑋, E-mail: mawei02@caas.cn

E-mail: zhoubaoyuan@caas.cn

2019-09-10;

2019-12-26;

2020-01-15.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20200115.0912.002.html