冬小麥-夏玉米周年光溫資源高效利用

趙斌，李宗新，李勇，劉鵬，張吉旺，任佰朝，高英波，王旭清，張賓，劉開昌，王法宏

·導讀·

冬小麥-夏玉米周年光溫資源高效利用

趙斌1，李宗新2，李勇1，劉鵬1，張吉旺1，任佰朝1，高英波2，王旭清3，張賓3，劉開昌3，王法宏3

（1山東農業(yè)大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018；2山東省農業(yè)科學院玉米研究所，濟南 250100；3山東省農業(yè)科學院作物研究所，濟南 250100）

光能是地球生物賴以生存、繁衍和進化的最基本能量源泉，光合作用是將太陽能轉化為有機化學能的過程，是作物生產(chǎn)系統(tǒng)形成的基礎。地球獨特空間位置和公轉周期形成適宜作物生存的氣候帶，決定了作物光合系統(tǒng)構成的器質性差異和對溫度響應的可塑性；自轉產(chǎn)生光質和溫度晝夜節(jié)律變化，使作物生產(chǎn)系統(tǒng)形成了向日性內源節(jié)律和生理門控效應，二者共同決定作物形態(tài)建成和產(chǎn)量基礎。黃淮海平原是我國冬小麥、夏玉米主產(chǎn)區(qū)，處于暖溫帶季風氣候區(qū)，屬于典型的冬小麥-夏玉米兩熟制地區(qū)。該地區(qū)小麥、玉米產(chǎn)量分別占全國小麥、玉米總產(chǎn)量的57%、35%左右（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/）。隨著全球氣候變暖，地區(qū)氣候資源分布會發(fā)生變化，例如，華北地區(qū)氣候變暖致使玉米生育前期的溫度升高，在北方春玉米區(qū)導致玉米的種植界限北移等[1]，進一步加劇了氣候資源分布的不均勻性；而作物對氣候變化較敏感，光、溫的改變影響作物生長發(fā)育進程的主要環(huán)境因素的改變，導致傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米周年種植模式季節(jié)間光溫資源配置不合理，作物品種、播期、密度、生育期等與當前該區(qū)域光熱資源變化不匹配，限制了周年產(chǎn)量及資源利用效率的進一步提升[2-4]。因此，深入研究黃淮海區(qū)域小麥-玉米周年光溫資源的合理配置，通過品種、播期和密度等配套措施的改進，匹配作物生長發(fā)育與光溫資源，實現(xiàn)區(qū)域光溫資源的高效利用，對作物高產(chǎn)高質高效具有重要現(xiàn)實意義。

光合作用是作物干物質積累和籽粒產(chǎn)量形成的物質基礎。在植株生長所積累的總干物質中，光合作用所形成的有機物約占95%，礦質元素僅占5%左右。因此，光合作用所形成的有機物多少，直接決定著作物生物產(chǎn)量的高低。對于以籽粒為收獲物的作物，產(chǎn)量的高低還取決于營養(yǎng)物質的分配，即物質由植株向籽粒輸送并在籽粒中積累的能力（經(jīng)濟系數(shù)）。Tollenaar等[5]研究發(fā)現(xiàn)，從1984年到2013年，美國玉米帶27%的玉米產(chǎn)量增益歸功于太陽光的增強。現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)需大幅度提高作物單產(chǎn)，必須提高光合作用效率，增加光合產(chǎn)物的積累，提高經(jīng)濟系數(shù)，正確協(xié)調產(chǎn)量形成過程中內外因素的關系，才能達到糧食高產(chǎn)、優(yōu)質、高效的目的。目前作物的葉面積指數(shù)和經(jīng)濟系數(shù)已難以繼續(xù)增加，若想進一步提高作物產(chǎn)量就必須增加生物量，提高作物光能利用率成為關鍵。太陽能的合理利用可顯著提升作物產(chǎn)量，而作物對光能的利用是一個綜合過程，涉及作物、氣候、土壤、栽培和肥料等多個方面，因此要從不同的水平上來分析。在葉綠體水平上，正常條件下的光能（以680 nm波長計）轉化效率達24%，這一水平上的限制因子是同化力的形成。在單葉器官水平上，被葉片光合作用固定的能量約占太陽能的5%，影響這一水平的主要因素是葉片厚度、光合功能期和呼吸強度。在植株水平上，不同葉片存在葉齡、葉位和葉姿等差異，且葉片彼此會有遮蔽和重疊等，將很大程度地影響植株一生對光能的利用率；在這一水平上，塑造良好株型和增加植株光合總面積是很好的調控途徑。在群體水平上，主要通過栽培措施進行調控，涉及合理密植、適時封行、肥水調控和創(chuàng)建最適葉面積指數(shù)等[6]。

1 作物品種與光溫生產(chǎn)潛力

廣義上來說，作物的高產(chǎn)潛力是指某個地區(qū)潛在的光溫理論產(chǎn)量。作物單位面積實際產(chǎn)量則是品種的遺傳潛力和光溫等環(huán)境條件相互作用的結果[7]。育種學家在植物生理學家研究的基礎上重視植株水平上的高光效育種，目前我國作物育種家們在這方面已經(jīng)做了大量工作。茹振鋼等[8]研究認為，利用雜種優(yōu)勢挖掘小麥穗光合增產(chǎn)潛力、培育穗葉高光效品種，配套高產(chǎn)栽培技術可實現(xiàn)黃淮麥區(qū)產(chǎn)量潛力逐步達到12 000—13 000 kg·hm-2。山東省農業(yè)科學院、山東農業(yè)大學、煙臺市農業(yè)科學研究院等單位相繼選育出濟麥22、山農28、煙農1212等高產(chǎn)小麥品種，通過品種、氣候因子和栽培技術的匹配優(yōu)化實現(xiàn)小麥超高產(chǎn)[9]，連續(xù)培創(chuàng)了11 848.5 kg·hm-2（2009年）、12 610.5 g·hm-2（2019年）、12 853.5kg·hm-2（2020年）冬小麥單產(chǎn)紀錄。中國農業(yè)科學院李少昆團隊研究認為，黃淮海地區(qū)夏玉米光溫生產(chǎn)潛力產(chǎn)量可達到31 150 kg·hm-2，遠高于其他夏玉米產(chǎn)區(qū)[9]。緊湊型玉米育種就是這個方向上的重大突破，李登海率先育成的緊湊型玉米掖單2號，開創(chuàng)了我國緊湊型玉米育種的先河，隨后該地區(qū)選育出以掖單13、魯單50、鄭單958、登海605等為代表的一系列緊湊耐密新品種；緊接著圍繞緊湊型玉米增產(chǎn)機理和群體光合開展了系列研究，探明了緊湊型玉米株型、物質生產(chǎn)和源庫特征，明確了緊湊型玉米增產(chǎn)融合了雜種優(yōu)勢和群體光能利用兩方面的因素[10-11]，肯定了緊湊型玉米密植增產(chǎn)的作用，并提出提高和保持花后群體光合速率、延長高值持續(xù)期是玉米增加粒重、提高產(chǎn)量的重要途徑[12-14]；同時構建了以直播晚收為核心的夏玉米增產(chǎn)技術，持續(xù)定位開展了夏玉米高產(chǎn)潛力攻關，并創(chuàng)造了全國夏玉米21 037.5 kg·hm-2的高產(chǎn)紀錄[15]，促進了緊湊型玉米的大面積應用，推動了全國玉米生產(chǎn)的大發(fā)展[16]。

2 作物栽培技術與光溫資源利用調控

為了提高黃淮海區(qū)域小麥玉米周年光溫資源利用效率，栽培學家們針對作物群體水平上的高光效調控進行了大量研究，并形成了一系列高產(chǎn)高效的栽培技術，對全國各地糧食產(chǎn)量的穩(wěn)步提升做出了重大貢獻。

小麥研究方面，寬幅精播技術通過改變群體結構提高光溫資源利用效率，提高單株與群體分蘗數(shù)和單株成穗數(shù)來增加單位面積穗數(shù)，實現(xiàn)增產(chǎn)，較常規(guī)條播的增產(chǎn)效應顯著[17-18]，成為全國小麥高產(chǎn)主推技術。河南農業(yè)大學郭天財團隊研究表明寬幅精播與帶間距（12 cm）可使冠層結構更合理，微環(huán)境特別是光截獲量更適宜，產(chǎn)量達到最高[19-20]；對于旱作小麥，寬幅播種幅間距在18 cm可協(xié)調群體結構，配套適宜基因型冬小麥，產(chǎn)量和水分利用效率均可得到提高，達到節(jié)水降耗的效果[21]。山東農業(yè)大學賀明榮團隊為解決全球氣候變暖帶來的冬前小麥旺長易倒伏和發(fā)生凍害問題，通過調整小麥播期（晚播），提高了主莖在群體中的比重，有利于減少無效消耗和提高資源利用效率，提高抗倒伏能力[22]；晚播可通過調節(jié)發(fā)育中的穗與莖之間的激素穩(wěn)態(tài)，加強了同化物對穗的分配，可保證較高的小花存活率，有利于產(chǎn)量的穩(wěn)步提高[23-24]。玉米研究方面，河南農業(yè)大學通過抗性互補、育性互補、當代雜種優(yōu)勢構建不同基因型玉米間混作復合群體，可顯著提高玉米群體的抗逆性和群體光合性能，提出構建生態(tài)位互補復合抗逆群體的原則與關鍵技術[25-26]；山東農業(yè)大學系統(tǒng)研究指出寬窄行配置在高密度條件下可以優(yōu)化群體內光分布，增加藍紫光比例，促進葉片和葉綠體發(fā)育，提高葉片光合能力，延緩葉片衰老，提高玉米產(chǎn)量，提出寬窄行配置增密高產(chǎn)高效關鍵技術[27-28]；山東省農業(yè)科學院玉米栽培生理團隊通過夏玉米高產(chǎn)長期實踐，依據(jù)當?shù)毓鉄豳Y源研究確定山東省夏玉米的光溫高產(chǎn)潛力為25 830 kg·hm-2，總結提出了單位面積產(chǎn)量13 500 kg·hm-2以上的夏玉米高產(chǎn)的生理特性和主要礦質營養(yǎng)的吸收規(guī)律[29]；中國農業(yè)科學院作物栽培與生理團隊圍繞密植增產(chǎn)，初步探明了產(chǎn)量潛力突破最佳群體與區(qū)域光輻射量資源的定量匹配關系，提出了“增密增穗、水肥促控與化控兩條線、培育高質量抗倒群體和增加花后群體物質生產(chǎn)量與高效分配”的玉米高產(chǎn)突破途徑與關鍵技術[30-31]。調整群體的同時加強肥水管理也可以有效提高光溫利用率，比如，將種植密度提高，適當增加施肥量，將一次性施肥改為分次施肥能夠使夏玉米光、溫資源生產(chǎn)效率分別提高14.74%、14.41%[2, 32]。

作物品種、播種期與光溫資源的匹配度是影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關鍵限制因子，可通過調控作物生長發(fā)育與光溫的協(xié)同性，實現(xiàn)作物產(chǎn)量和光溫資源利用效率的協(xié)同提升[33-34]。近年來，圍繞周年光溫資源高效利用開展兩季作物產(chǎn)量調控途徑的研究漸多。Wang等[33]利用系統(tǒng)模型APSIM分析發(fā)現(xiàn)，在華北平原區(qū)域運用“兩晚技術”可顯著提升小麥-玉米周年光溫利用效率，進而增加小麥-玉米周年產(chǎn)量4%—6%。許珂等[35]研究稻-麥兩熟制下，播期與品種類型對水稻產(chǎn)量、生育期及溫光利用的影響，并根據(jù)不同類型水稻產(chǎn)量、生育期以及光溫資源利用情況提出當?shù)夭煌テ诳茖W配套水稻品種類型的初步區(qū)劃。中國農業(yè)科學院趙明團隊創(chuàng)新了作物產(chǎn)量綜合分析的源庫性能模式，即“三合結構”模式，為系統(tǒng)研究和分析產(chǎn)量形成提供了方法[7,36-37]。該模式首次提出了兩季間以積溫為主的多資源配置和以光溫生產(chǎn)潛力當量為主的季節(jié)內利用指標，明確小麥季和玉米季積溫分配率分別為43%和57%，兩季間積溫比值為0.7，可顯著提升各地區(qū)光溫資源利用效率，產(chǎn)量均達到當前生產(chǎn)和生態(tài)條件下的最高水平[38]。依此創(chuàng)新了光溫和肥水高效利用的關鍵技術，構建了發(fā)揮玉米優(yōu)勢的周年高產(chǎn)高效技術體系，實現(xiàn)了調播期改品種零增投的周年高產(chǎn)高效同步提高。20世紀90年代，王樹安[39-40]在華北平原建立了冬小麥-夏玉米“雙晚”技術模式，即將冬小麥播種期由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，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%。在保持原有投入成本不變的情況下，夏玉米收獲期和冬小麥播期分別推遲5-7 d，可顯著提高周年產(chǎn)量和光溫水資源利用效率[41-42]。河北農業(yè)大學、山東農業(yè)大學先后研究探明了黃淮北部、黃淮東部小麥-玉米“雙晚”種植方式的光溫調控效應，提出了小麥“延播勻株密植”和玉米“搶時增密晚收”的光溫高效利用途徑，實現(xiàn)周年光溫資源優(yōu)化配置與高效利用[43-46]。以上一年兩季作物生長發(fā)育與光溫資源匹配機理和調控技術的系列研究，切實促進了糧食作物周年產(chǎn)量與光溫資源利用效率提升。

3 展望

依靠高產(chǎn)品種和群體調控等關鍵栽培技術的支撐，山東省周年兩熟種植制度下冬小麥、夏玉米高產(chǎn)紀錄分別達到了12 853.5 kg·hm-2、21 037.5 kg·hm-2，這一數(shù)據(jù)遠高于山東省當前小麥6 379.5kg·hm-2、玉米6 590.4 kg·hm-2的平均水平。可見，現(xiàn)有生產(chǎn)管理條件下山東省小麥、玉米的周年增產(chǎn)潛力還遠遠沒得到充分發(fā)揮。農戶實際產(chǎn)量與潛在理論產(chǎn)量之間存在較大的差距，這種情況在國內外也是廣泛存在的[47]。如何縮小理論產(chǎn)量與實際產(chǎn)量之間的差距，一直是農業(yè)科研工作者、農技推廣部門和新型農業(yè)經(jīng)營主體等共同努力的方向和目標。

數(shù)據(jù)表明，全球變暖趨勢仍在持續(xù)。中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)。1951至2019年，中國年平均氣溫每10年升高0.24℃，升溫速率明顯高于同期全球平均水平[48]。隨著全球氣候變化的影響，太陽有效輻射量每10年會下降1.3%[49]，近年來，黃淮海地區(qū)每日光照時數(shù)縮短，秋、冬季溫度持續(xù)增加[50]，會出現(xiàn)冬小麥冬前旺長易受凍害、夏玉米生育期不足不利于機械化、易發(fā)生倒伏等問題，嚴重影響作物生長發(fā)育[23, 50-51]。隨著研究方法和監(jiān)測手段的提升，長期定位跟蹤并解析黃淮海東部不同生態(tài)區(qū)域關鍵氣象因子、土壤、品種和栽培管理措施的綜合效應，進一步明確各區(qū)域小麥-玉米周年光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的關鍵限制因子，在此基礎上著力研發(fā)易操作、可規(guī)?；瘧玫脑耘嗉夹g，是小麥-玉米周年光溫資源高效利用研究領域的重點。

本專題刊登的5篇文章聚焦小麥玉米周年光溫資源優(yōu)化配置，研究分析光溫資源高效利用的限制因素和提高途徑，以期為黃淮海地區(qū)小麥玉米周年光溫資源與產(chǎn)量協(xié)同高效提供理論依據(jù)。其中，《冬小麥-夏玉米周年農田資源高效利用限制因素分析》利用模擬模型等方法分析了山東省4個生態(tài)區(qū)域（魯東、魯中、魯西北及魯西南）資源高效利用及產(chǎn)量提升的主要限制因素，明確了冬小麥生長季及夏玉米生長季4個地區(qū)均受光溫資源因素影響較大[52]。《擴行縮株對夏玉米群體冠層結構及產(chǎn)量的影響》采用擴行縮株的方式調整群體冠層結構，明確了高密度（82 500株/hm2）條件下80 cm行距種植，夏玉米群體結構更加合理，可實現(xiàn)光能資源的高效利用，提高產(chǎn)量[53]?！跺e株增密種植對夏玉米光合特性及產(chǎn)量的影響》通過調整植株個體在群體中的空間生態(tài)位，優(yōu)化群體的內部空間和小氣候，提升光溫資源的高效利用，達到高產(chǎn)高效的目的[54]。《行距配置和覆反光膜對夏玉米產(chǎn)量及光能利用的影響》研究了寬窄行種植輔以反光膜，充分利用寬行透射光，增加下部葉片的光照，延緩下部葉片的衰老，實現(xiàn)光能的再利用、光能利用率的再提高[55]?！锻陆z前高溫脅迫對不同耐熱型夏玉米產(chǎn)量及穗發(fā)育特征的影響》重點研究闡明了花前高溫脅迫影響夏玉米產(chǎn)量和穗發(fā)育的機理，且花前高溫脅迫對花粒期耐熱型玉米品種產(chǎn)量形成、光合特性和雌雄穗發(fā)育的影響更明顯[56]。

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Annual high efficiency utilization of solar and heat resources of winter wheat and summer maize in double cropping system

ZHAO Bin1, LI Zongxin2, LI Yong1, LIU Peng1, ZHANG JiWang1, REN BaiZhao1, GAO Yingbo2, WANG Xuqing3, ZHANG Bin3, LIU Kaichang3, WANG Fahong3

(1College of Agronomy, Shandong Agricultural University/National Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shandong;2Maize Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji’nan 250100;3Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji’nan 250100)

2020-08-15；

2020-09-15

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0301000，2018YFD0300602）

趙斌，E-mail：zhaobin@sdau.edu.com。通信作者王法宏，E-mail：13001719601@163.com

（責任編輯 楊鑫浩）