冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式周年資源利用效率及經(jīng)濟效益*

周寶元 ,陳傳永 ,孫雪芳 ,葛均筑 ,丁在松 ,馬 瑋 ,王新兵,趙 明**

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室 北京 100081;2. 北京市農(nóng)林科學院玉米研究所 北京 100097;3. 青島農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 青島 266109;4. 天津農(nóng)學院農(nóng)學與資源環(huán)境學院 天津 300384)

黃淮海平原是我國重要糧食產(chǎn)區(qū),冬小麥(Triticum aestivumL.)-夏玉米(Zea maysL.)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75%和35%左右,為保障我國糧食安全做出了重要貢獻。然而,隨著我國糧食生產(chǎn)水平不斷提升及氣候變化發(fā)展,該區(qū)傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式生產(chǎn)中面臨全程機械化水平低[1]和水資源短缺[2]等一系列難題,限制了冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式的可持續(xù)發(fā)展 。

研究表明,玉米籽粒含水率是影響其機械收粒質(zhì)量及商用品質(zhì)的重要因素[3-4]。在冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式下,夏玉米季生長季短熱量資源相對緊張,加之品種生育期偏長,收獲時籽粒含水率通常在30%～40%,機械直接收獲籽粒質(zhì)量差[1,3],造成商品品質(zhì)和經(jīng)濟效益低。推遲玉米收獲期,使其在田間站稈脫水是降低玉米籽粒含水量的主要農(nóng)藝措施。李璐璐等[5]研究表明,將22 個品種的夏玉米收獲期從生理成熟推遲16～52 d,可以使籽粒含水量平均降至17.3%以下。但在黃淮海地區(qū)玉米在11 月中旬收獲,影響小麥正常播種。鄭天存等[6]和邱軍等[7]從兩季統(tǒng)籌考慮,提出了將小麥適當晚播10～15 d,給玉米機收讓出一定的籽粒脫水時間,同時選用適宜機收籽粒的早熟、脫水快的玉米新品種,可使玉米收獲時籽粒含水量降至21%～22%,破碎率降至3.82%～7.02%,達到玉米國標(GB 1353-2009)三等玉米破碎率低于8%的標準,實現(xiàn)了玉米機收籽粒。然而,早熟玉米品種和晚播小麥的產(chǎn)量均顯著低于相應對照,且玉米機收籽粒的含水量(20%～30%)距安全貯藏含水量依然相差較大[8],籽粒烘干成本較高,且高水分籽粒易發(fā)生霉變?？梢?調(diào)整播/收期優(yōu)化冬小麥-夏玉米周年光溫資源配置是實現(xiàn)夏玉米機械收獲籽粒的一條重要途徑,但如何保證周年產(chǎn)量和種植經(jīng)濟效益不降低成為關鍵。

另外,由于黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米種植模式需水量(870 mm 以上)與自然降雨量(500～800 mm)之間的差異較大,且降雨季節(jié)間分布不均衡(小麥季僅占20%～30%),導致小麥季需400 mm 以上灌水量[9-11],過度消耗地下水造成地下水漏斗等嚴重生態(tài)問題[12-14]。雖然通過根層虧缺灌溉、測墑補灌、限制性灌溉等技術(shù)能較大幅度提高水分利用效率[2],但為保證小麥高產(chǎn)仍需250 mm 以上的灌水量,不可避免過度消耗地下水[15]。近年來,一些研究也嘗試從種植系統(tǒng)優(yōu)化角度探索實現(xiàn)冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)和水分高效利用的途徑。Sun 等[16]和Xu 等[17]分別在黃淮海中部水資源相對充足區(qū)和北部水資源緊缺區(qū),將小麥播期和玉米收獲期推遲5～10 d,顯著減少了水分消耗,周年產(chǎn)量不降低而水分利用效率顯著提高。Ding 等[18]認為適當推遲播期能夠維持較高小麥產(chǎn)量,同時減少了蒸散,提高了水分利用效率。Wang 等[19]進一步將小麥播期大幅度推遲至11 月初,減少了冬季灌水,起到很好節(jié)水效果,并通過選用中穗型品種和增加播量保證小麥較高產(chǎn)量?？梢?合理調(diào)整播/收期可能是實現(xiàn)冬小麥節(jié)水的一條重要途徑,對促進黃淮海冬小麥-夏玉米種植模式水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

綜上所述,通過調(diào)整播/收期優(yōu)化冬小麥-夏玉米周年氣候資源配置,可能是同時實現(xiàn)夏玉米機械收獲籽粒和冬小麥節(jié)水的主要技術(shù)途徑之一。本課題組前期開展的大跨度推遲冬小麥-夏玉米播/收期試驗表明[8],最大限度推遲小麥播種期(11 月中旬)和玉米收獲期(11 月上旬),保證玉米有充足的時間使籽粒含水量降至18%以下,基本達到機械收粒直接入庫標準,建立了冬小麥-夏玉米雙機收籽粒種植模式,即冬小麥-夏玉米周年種植系統(tǒng)中兩季作物均為機械直接收獲籽粒的種植模式。同時也發(fā)現(xiàn),隨著小麥和玉米播/收期的推遲,周年耗水量減少,水分生產(chǎn)效率提高。可見,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式的建立,為同時解決夏玉米機械收獲籽粒和冬小麥節(jié)水問題提供了思路,然而如何保證該模式較高的周年產(chǎn)量及經(jīng)濟效益尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。為此,本研究同時在山東膠州、河北大名和河南新鄉(xiāng)3 個典型代表性試驗點開展了2 年定位試驗,深入研究了冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式周年產(chǎn)量和生物量、光溫水資源季節(jié)間分配與利用、經(jīng)濟效益等特征,明確其比傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式產(chǎn)量、資源效率及效益的優(yōu)勢,系統(tǒng)闡明不同生態(tài)區(qū)冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式的區(qū)域生態(tài)適應性,以期為該種植模式的大面積推廣應用,促進冬小麥-夏玉米兩熟種植模式全程機械化水平提升和水資源可持續(xù)利用提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018-2020 年在山東膠州、河北大名和河南新鄉(xiāng)同時進行,各試驗點均為典型的黃淮海平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū),屬暖溫帶季風氣候,年平均氣溫12～14 ℃,無霜期200～220 d,年降水量504.9～662.1 mm,多在7、8 月間,年日照時數(shù)1928～2557 h,能夠滿足冬小麥-夏玉米一年兩熟模式種植需求。各試驗地土壤條件良好,土壤類型、基礎地力情況詳見表1。

表1 各試驗地塊土壤條件Table 1 Soil conditions of different experimental sites

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計,設置2 個冬小麥-夏玉米種植模式,分別為傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式(對照,CK)和冬小麥-夏玉米雙粒收種植模式(處理,TR),小區(qū)長35 m,寬4.8 m,3 次重復。CK 處理小麥和玉米的播種和收獲期按照當?shù)剞r(nóng)民習慣進行;TR 處理小麥極晚播,即以冬前0 ℃以上積溫不超過150 ℃,越冬期間種子處于萌發(fā)不出苗或1 葉露頭(出苗越冬率85%以上)為標準確定播種期,增加播種量(每晚播2 d 增加0.5 kg·hm-2)以保證較高的收獲穗數(shù);夏玉米極晚收,即在植株不倒伏前提下以籽粒含水量14%～16%為標準確定收獲期。兩處理詳見表2。

表2 不同處理冬小麥、夏玉米種植方案Table 2 Planting scheme for winter wheat and summer maize of different treatments

每年選用小麥、玉米品種各2 個為試驗材料,2018-2020 年小麥品種均為‘濟麥22’(JM22)和‘中麥66’(ZM66),2019 年膠州、大名、新鄉(xiāng)選用的玉米品種分別為‘登海605’(DH605)和‘迪卡517’(DK517)、‘鄭單958’(ZD958)和‘豫單9953’(YD9953)、‘鄭單958’(ZD958)和‘京農(nóng)科728’(JNK728),2020 年膠州、大名、新鄉(xiāng)選用的玉米品種分別為‘登海605’(DH605)和‘先玉335’(XY335)、‘鄭單958’(ZD958)和‘豫單9953’(YD9953)、‘鄭單958’(ZD958)和‘京農(nóng)科728’(JNK728)。其中,‘鄭單958’ ‘登海605’和‘先玉335’為中晚熟玉米品種,‘迪卡517’ ‘豫單9953’和‘京農(nóng)科728’為早熟玉米品種。冬小麥采用17 cm或20 cm 等行距種植,玉米采用60 cm 等行距種植。小麥播種時土壤相對含水量為70%～80%,不足時提前造墑,隨播種施氮磷鉀復合肥(15%-15%-15%) 750 kg·hm-2;拔節(jié)期和抽穗期結(jié)合澆水分別追施尿素150 kg·hm-2;灌漿期噴施磷酸二氫鉀防干熱風和早衰。玉米隨播種施氮磷鉀復合肥(15%-15%-15%) 750 kg·hm-2,于拔節(jié)期結(jié)合灌水或降雨追施尿素(含氮46%) 240 kg·hm-2。CK 處理小麥季灌水時期為越冬期、返青期、拔節(jié)期和抽穗期,TR 處理為拔節(jié)期和抽穗期,玉米季各處理灌水時期相同,灌水量如表2所示。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氣象資料收集

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)和試驗地田間氣象站,主要包括日均溫、日高溫、日低溫、日照時數(shù)、輻射量和降水量等指標。

1.3.2 季節(jié)間資源分配率與分配比值

根據(jù)以下公式計算不同冬小麥-夏玉米模式季節(jié)間資源分配率和分配比值等指標[20]:

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)[21]。

式中: AT、Tmax和Tmin分別為≥0 (10) ℃積溫、日高溫和日低溫;小麥季為全生育期≥0 ℃天數(shù)的日平均溫度之和,玉米季為全生育期≥10 ℃天數(shù)的日平均溫度之和。

1.3.3 生物量及干物質(zhì)產(chǎn)能

于收獲期,每小區(qū)隨機選取3 個樣點,每個樣點取20 株小麥植株,取玉米代表性植株5 株,分樣后置于烘箱105 ℃殺青30 min,80 ℃烘至恒重,計算群體地上部干物重。干物質(zhì)產(chǎn)能指標按照王美云等[22]的方法計算,以單位面積生產(chǎn)的干物質(zhì)量的干重熱值表示。

干重熱值(GCV)指每克干物質(zhì)完全燃燒所釋放的能量(J·g-1)[23],小麥干重熱值為1.747×104J·g-1,玉米干重熱值為1.807×104J·g-1。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

冬小麥收獲時,每個小區(qū)取有代表性的3 個樣點,每個點取1 m2實收測產(chǎn),同時每個點取20 株考種,調(diào)查穗粒數(shù)、千粒重和含水量。夏玉米收獲時,每小區(qū)取中間4 行穗(48 m2),測定全部收獲穗數(shù),穗風干后脫粒,稱重,測定含水量,換算成14%含水量的重量,進而折合成公頃產(chǎn)量,每小區(qū)另選取代表性穗子20 穗進行考種,測定穗粒數(shù)和千粒重。

1.3.5 光、溫、水生產(chǎn)效率

1.3.6 經(jīng)濟效益

根據(jù)以下公式計算產(chǎn)值和經(jīng)濟效益:

玉米和小麥單價按當年當季的收購價計算。2019 年膠州、大名和新鄉(xiāng)的小麥平均收購價格分別為1.97 元·kg-1、2.01 元·kg-1和1.91 元·kg-1,玉米平均收購價格分別為2.26 元·kg-1、2.24 元·kg-1和2.28 元·kg-1;2020 年膠州、大名和新鄉(xiāng)的小麥平均收購價格分別為2.26 元·kg-1、2.24 元·kg-1和2.22 元·kg-1,玉米平均收購價格分別為2.85 元·kg-1、2.66 元·kg-1和2.65 元·kg-1。成本包括用工、機械、種子、灌溉、肥料和農(nóng)藥,玉米按照機械免耕播種、收獲、脫粒,小麥為機械整地、播種、收獲。用工標準和生產(chǎn)資料價格依據(jù)各試驗點當?shù)赜霉ぜ拔飪r水平確定。小麥季整地及播種1050 元·hm-2,收獲900 元·hm-2,噴藥727.5～874.5 元·hm-2,施肥2400～3000 元·hm-2,種子1035～1725 元·hm-2;玉米季播種300 元·hm-2,收獲籽粒和果穗分別為1500 元·hm-2和1200 元·hm-2,噴藥711.5～824.5 元·hm-2,施肥3525 元·hm-2,種子870元·hm-2。膠州、大名和新鄉(xiāng)灌溉1 次分別為150元·hm-2、225 元·hm-2和225 元·hm-2,人工費分別為150 元·工-1、110 元·工-1和100 元·工-1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016 和SPSS 16.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,采用SigmaPlot 10.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥-夏玉米不同種植模式生長天數(shù)

由圖1 可以看出,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式(TR)與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式(CK)小麥季和玉米季生長天數(shù)差異較大,年際間和區(qū)域間各處理變化趨勢基本一致。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理小麥分別比CK 晚播31 d、31 d 和36 d,小麥季總生長天數(shù)分別減少27 d、27 d 和30 d;夏玉米比CK 分別晚收39 d、41 d 和41 d,玉米季總生長天數(shù)分別增加34 d、37 d 和36 d;周年總生長天數(shù)分別增加7 d、10 d 和6 d。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理小麥比CK 分別晚播31 d、31 d和36 d,小麥季總生長天數(shù)分別減少27 d、26 d 和33 d;夏玉米分別晚收41 d、43 d 和43 d,玉米季總生長天數(shù)分別增加37 d、38 d 和40 d;周年總生長天數(shù)分別增加10 d、12 d 和7 d。

圖1 2018—2020 年冬小麥-夏玉米不同種植模式生長天數(shù)Fig.1 Durations of different winter wheat-summer maize cropping systems from 2018 to 2020

2.2 冬小麥-夏玉米不同種植模式周年光溫水資源定量分配特征

由表3 可以看出,各處理冬小麥季、夏玉米季和周年≥0 ℃積溫量在年際間變異較小,在區(qū)域間變異較大;冬小麥季和夏玉米季積溫量在處理間差異顯著(P＜0.05),周年積溫總量在處理間差異不顯著。膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季2 年平均積溫量分別比CK 減少13.6%、12.1%和13.5%;夏玉米季2 年平均積溫量分別增加16.5%、17.8%和16.1%。冬小麥和夏玉米積溫分配率和積溫比值在年際間和區(qū)域間變異較小,處理間變異較大。CK 處理冬小麥季和夏玉米季積溫分配率分別平均為43%和57%,積溫比值平均為0.8;TR 處理冬小麥季和夏玉米積溫分配率分別平均為36%和64%,積溫比值平均為0.6,顯著低于對照(P＜0.05)。

表3 冬小麥-夏玉米不同種植模式的周年≥0 ℃積溫分配Table 3 Distribution of annual accumulated temperature ≥0 ℃ for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表4 可以看出,各處理冬小麥季、夏玉米季和周年輻射量在年際間和區(qū)域間變異較大;冬小麥季和夏玉米季輻射量在處理間差異顯著(P＜0.05),周年輻射量在處理間差異不顯著。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季輻射量分別比CK 減少8.6%、9.4%和13.2%;夏玉米季輻射量分別增加18.8%、23.1%和14.1%。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季輻射量分別比CK 減少2.6%、8.6%和6.8%;夏玉米季輻射量分別增加28.5%、17.9%和15.2%。冬小麥和夏玉米輻射分配率和輻射比值在年際間和區(qū)域間變異較小,處理間差異較大。CK 處理冬小麥季和夏玉米季輻射分配率分別為57%和43%,輻射比值為1.3;TR 處理冬小麥和夏玉米輻射分配率分別為51%和49%,輻射比值為1.0,顯著低于對照(P＜0.05)。

表4 冬小麥-夏玉米不同種植模式周年輻射分配Table 4 Distribution of annual radiation for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表5 可以看出,各處理冬小麥季和夏玉米季降水量在年際間和區(qū)域間變異較大,處理間差異不顯著。2018-2019 年3 個試驗點冬小麥季平均降水量比2019-2020 年高161.5%,夏玉米季降水量比2019-2020 年低44.1%;年際間周年降水量差異較小。3 個試驗點,新鄉(xiāng)試驗點冬小麥季、夏玉米季和周年降水量最高,其次為膠州,大名最低。TR 處理冬小麥季、夏玉米季和周年平均降水量分別為266.0 mm、442.1 mm 和708.1 mm,冬小麥季和夏玉米季降水分配率分別為33%和67%,降水比值為0.6,與CK 差異不顯著。

表5 冬小麥-夏玉米不同種植模式周年降水分配Table 5 Distribution of annual precipitation for different winter wheat-summer maize cropping systems

2.3 冬小麥-夏玉米不同種植模式產(chǎn)量及生物量

由圖2 可以看出,各處理周年產(chǎn)量年際間和區(qū)域間(2018-2019 年除外)差異顯著(P＜0.05),生物量和干物質(zhì)產(chǎn)能在年際間、區(qū)域間和處理間均差異顯著(P＜0.05)。膠州、大名和新鄉(xiāng)2 年試驗結(jié)果均表明,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式周年產(chǎn)量與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式無顯著差異,但其周年生物量和干物質(zhì)產(chǎn)能顯著降低(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理周年總產(chǎn)量與CK 無顯著差異,周年總生物量分別較CK 減少4.8%、5.5%和8.2%,周年總干物質(zhì)產(chǎn)能分別減少4.7%、5.4%和8.0%。2019-2020 年,TR 處理周年總產(chǎn)量與CK無顯著差異,周年總生物量分別比CK 減少7.2%、8.9%和7.2%,周年總干物質(zhì)產(chǎn)能分別減少6.9%、8.7%和7.0%。

圖2 冬小麥-夏玉米不同種植模式周年產(chǎn)量及生物量Fig.2 Grain yield and total biomass of different winter wheat-summer maize cropping systems

由表6 可以看出,各處理小麥產(chǎn)量和生物量在年際間、區(qū)域間和處理間差異顯著(P＜0.05),品種間(除2019-2020 年大名)無顯著差異。膠州、大名和新鄉(xiāng)2 年試驗結(jié)果均表明,與CK 比,TR 處理小麥產(chǎn)量和生物量顯著降低(P＜0.05),收獲指數(shù)顯著提高(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理2 品種小麥平均產(chǎn)量比CK 降低7.3%、7.4%和9.4%,生物量分別降低12.2%、12.9%和15.6%;2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理2 品種小麥平均產(chǎn)量分別比CK 降低10.2%、13.0%和7.9%,平均生物量分別降低18.3%、20.1%和15.4%。各處理小麥收獲指數(shù)在年際間、區(qū)域間和品種間均無顯著差異,處理間差異顯著(P＜0.05),TR 處理平均收獲指數(shù)為0.47,比CK 提高7.8%。產(chǎn)量構(gòu)成因素在年際間和區(qū)域間差異不顯著,品種間差異顯著(P＜0.05)。TR 處理ZM66 穗數(shù)低于CK,而JM22 千粒重低于CK,兩品種穗粒數(shù)均與CK 無顯著差異,年際間和區(qū)域間變化趨勢一致。

表6 冬小麥-夏玉米不同種植模式冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及生物量Table 6 Yield,yield components,and biomass of winter wheat of different winter wheat-summer maize cropping systems

由表7 可以看出,各處理夏玉米產(chǎn)量和生物量在年際間、區(qū)域間和品種間均存在顯著差異(P＜0.05),收獲指數(shù)在品種間差異不顯著。膠州、大名和新鄉(xiāng)2 年試驗結(jié)果均表明,TR 處理玉米生物量與CK 無顯著差異,品種間變化趨勢一致;TR 處理中晚熟品種(DH605、ZD958 和XY335)玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)均顯著高于CK (P＜0.05),早熟品種(DK517、YD9953 和JNK728)玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)與CK 無顯著差異,且各處理中晚熟品種玉米產(chǎn)量和生物量均顯著高于早熟品種(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理中晚熟品種玉米產(chǎn)量分別比CK 提高7.1%、10.8%和7.4%,收獲指數(shù)分別提高5.7%、7.8%和5.7%。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理中晚熟品種玉米產(chǎn)量分別比CK 提高16.1%、13.1%和10.5%,收獲指數(shù)分別提高11.8%、7.4%和7.5%。籽粒含水量在年際間和區(qū)域間無顯著差異,處理間和品種間差異顯著(P＜0.05)。TR 處理早熟品種平均籽粒含水量比CK 低14.3 個百分點,中晚熟品種平均籽粒含水量比CK 低15.7 個百分點。產(chǎn)量構(gòu)成因素中,穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重在年際間和區(qū)域間均無顯著差異,品種間和處理間差異顯著(P＜0.05)。TR 處理各品種穗數(shù)和穗粒數(shù)與CK 無顯著差異;TR 處理中晚熟品種平均千粒重比CK 高10.7%,早熟品種千粒重與CK 無顯著差異。

表7 冬小麥-夏玉米不同種植模式夏玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及生物量Table 7 Yield,yield components,and biomass of summer maize of different winter wheat-summer maize cropping systems

2.4 冬小麥-夏玉米不同種植模式光溫水資源生產(chǎn)效率

由表8 可知,冬小麥季光能生產(chǎn)效率在年際間和區(qū)域間差異顯著(P＜0.05),在處理間差異不顯著。2018-2019 年冬小麥季3 試驗點平均光能生產(chǎn)效率高于2019-2020 年11.3%;大名冬小麥季2 年平均光能生產(chǎn)效率分別高于膠州和新鄉(xiāng)11.8%和6.3%。夏玉米季光能生產(chǎn)效率在年際間差異不顯著,在區(qū)域間和處理間差異顯著。膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理夏玉米季2 年平均光能生產(chǎn)效率分別比CK 低10.6%、10.1%和7.7%。周年光能生產(chǎn)效率在年際間、區(qū)域間和處理間均無顯著差異。

由表8 可以看出,冬小麥季溫度生產(chǎn)效率在年際間和區(qū)域間差異不顯著,在處理間差異顯著(P＜0.05),TR 處理小麥季平均溫度生產(chǎn)效率比CK 高5.2%。夏玉米溫度生產(chǎn)效率在年際間和區(qū)域間均差異顯著(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理夏玉米季溫度生產(chǎn)效率分別比CK 降低9.7%、10.9%和8.5%;2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理夏玉米季溫度生產(chǎn)效率分別比CK 降低0.5%、5.2%和9.2%。周年溫度生產(chǎn)效率在年際間、區(qū)域間和處理間差異均不顯著。

表8 冬小麥-夏玉米不同種植模式光溫資源生產(chǎn)效率Table 8 Production efficiencies of radiation and accumulated temperature for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表9 可以看出,冬小麥季耗水量和水分生產(chǎn)效率在年際間、區(qū)域間和處理間差異均顯著(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季耗水量分別比CK 減少21.0%、20.5%和4.2%,水分生產(chǎn)效率分別提高17.2%、17.3%和-5.3%。2019-2020年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥耗水量分別比CK 減少24.0%、21.6%和19.5%,水分生產(chǎn)效率分別比CK 提高19.5%、13.7%和16.5%。夏玉米季耗水量和水分生產(chǎn)效率在年際間和區(qū)域間差異均顯著(P＜0.05),處理間差異不顯著。2018-2019 年3 試驗點夏玉米季平均耗水量比2019-2010 年減少31.5%,水分生產(chǎn)效率比2019-2010 年提高46.3%。新鄉(xiāng)夏玉米季2 年平均耗水量分別高于膠州和大名21.3%和36.1%,膠州夏玉米季2 年平均水分生產(chǎn)效率分別高于大名和新鄉(xiāng)13.0%和64.6%。周年耗水量和水分生產(chǎn)效率在年際間、區(qū)域間和處理間差異均顯著(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理周年耗水量分別比CK 減少9.8%、5.8%和1.0%,水分生產(chǎn)效率分別比CK 提高10.7%、6.5%和-1.2%。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理周年耗水量分別比CK 減少9.0%、9.3%和5.6%,水分生產(chǎn)效率分別比CK 提高14.2%、9.3%和6.3%。

表9 冬小麥-夏玉米不同種植模式水分生產(chǎn)效率Table 9 Production efficiency of water for different winter wheat-summer maize cropping systems

2.5 冬小麥-夏玉米不同種植模式經(jīng)濟效益

由表10 可以看出,冬小麥季產(chǎn)值和經(jīng)濟效益在年際間、區(qū)域間和處理間差異均顯著(P＜0.05),成本在年際間、區(qū)域間和處理間差異均不顯著。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季產(chǎn)值分別比CK 下降7.6%、6.9%和9.5%,經(jīng)濟效益分別下降13.3%、9.2%和15.1%。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理冬小麥季產(chǎn)值分別比CK 下降9.1%、10.7%和6.2%,經(jīng)濟效益分別下降13.5%、16.3%和7.8%。夏玉米季產(chǎn)值和經(jīng)濟效益在年際間、區(qū)域間和處理間差異均顯著,成本在年際間和區(qū)域間差異均不顯著,處理間差異顯著(P＜0.05)。2018-2019 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理夏玉米季產(chǎn)值分別比CK 提高5.3%、7.0%和5.2%,經(jīng)濟效益分別比CK 提高11.0%、16.9%和111.7%。2019-2020 年,膠州、大名和新鄉(xiāng)TR 處理夏玉米季產(chǎn)值分別比CK 提高15.7%、9.7%和6.4%,經(jīng)濟效益分別比CK 提高23.8%、15.8%和13.5%。TR 處理夏玉米季平均成本為0.89×104元·hm-2,比CK 下降4.7%。周年成本和經(jīng)濟效益在處理間差異顯著(P＜0.05)。TR 處理3 試驗點2 年平均周年成本為1.79×104元·hm-2,比CK 低4.9%;周年經(jīng)濟效益為 2.73×104元·hm-2,比 CK 提高 5.6%。

表10 冬小麥-夏玉米不同種植模式經(jīng)濟效益Table 10 Economic benefits of different winter wheat-summer maize cropping systems ×104 ￥·hm-2

3 討論

夏玉米機械收獲籽粒和冬小麥節(jié)水是當前黃淮海冬小麥-夏玉米兩熟種植模式發(fā)展面臨的重要難題。研究表明,玉米籽粒含水量是影響其機械粒收質(zhì)量的重要因素,籽粒含水量降到20%以下能夠大大降低籽粒破碎率和烘干成本,而延遲收獲是解決這一問題的主要農(nóng)藝措施[3,5,24]。同時,推遲小麥播期可以顯著減少小麥耗水量,提高水分利用效率,但是增加了小麥減產(chǎn)風險[16-19]。由此可以推測,合理調(diào)整冬小麥和夏玉米的播/收期可能是同時解決夏玉米機械收獲籽粒和冬小麥節(jié)水難題的途徑,但是如何保證周年產(chǎn)量和經(jīng)濟效益不降低成為關鍵。通過在較大時間范圍內(nèi)連續(xù)設置小麥播種期和玉米收獲期的田間試驗,在保證周年產(chǎn)量不顯著降低的前提下,探索并建立了以小麥極晚播(11 月中旬)和玉米極晚收(11月上旬)為核心的冬小麥-夏玉米雙機收籽粒種植模式,實現(xiàn)了夏玉米籽粒低水分機械收獲,并在一定程度上提高了冬小麥水分利用效率[8]。進一步系統(tǒng)研究該模式周年產(chǎn)量、氣候資源分配與利用特征及其經(jīng)濟效益,并進行多年多點田間試驗驗證,可為該模式的大面積推廣應用提供理論與技術(shù)支撐。3 個試驗點2 年試驗結(jié)果表明,與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式相比,雙機收籽粒模式田間生長持續(xù)時間發(fā)生顯著變化,冬小麥生長天數(shù)減少27～36 d,夏玉米生長天數(shù)延長39～41 d,兩季時間搭配為: 206 d+151 d。生長時間的改變導致作物生長季內(nèi)光溫水資源量發(fā)生顯著變化,小麥季光溫水資源分配量顯著減少,玉米季顯著增加,兩季積溫、輻射和降水分配率調(diào)整為36%和64%、51%和49%、33%和67%,與我們前期一個試驗點的研究結(jié)果基本一致[8]。

前人研究表明,作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成與其生長季光溫水等氣候條件密切相關[11,25-26],作物生長季光溫水資源分配的改變必然引起產(chǎn)量的變化。本研究中,與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式相比,雙機收籽粒模式中極晚播冬小麥生育進程加快,全生育期天數(shù)顯著減少,其生物量和粒重顯著下降,從而降低了冬小麥產(chǎn)量。這主要是因為小麥極晚播導致其花前生育期天數(shù)和光溫資源量減少,且該階段的較低溫度降低了小麥生長速率,從而造成花前生物量顯著下降;而花后較高的溫度導致灌漿期縮短,顯著降低了花后生物量和粒重,最終造成小麥減產(chǎn)[8,26]。雙機收籽粒模式中極晚收夏玉米生物量無顯著變化;中晚熟玉米品種的粒重和收獲指數(shù)顯著提高,因此其產(chǎn)量顯著增加,但早熟品種的粒重和產(chǎn)量與傳統(tǒng)種植模式下差異不顯著。這主要是因為在夏玉米傳統(tǒng)收獲期時中晚熟品種的籽粒尚未達到生理成熟,而極晚收顯著增加了玉米生長季光溫資源,延長了中晚熟品種的灌漿持續(xù)期[8],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,導致粒重顯著增加[27-28],從而提高其收獲指數(shù)和產(chǎn)量;而早熟品種在傳統(tǒng)收獲期時已達到生理成熟,推遲收獲只是為了籽粒脫水,并未增加產(chǎn)量。由此可見,雖然極晚播冬小麥產(chǎn)量顯著降低,但由于極晚收中晚熟夏玉米產(chǎn)量顯著增加,因此極晚播冬小麥+極晚收中晚熟夏玉米的搭配模式周年產(chǎn)量不顯著降低。然而,Xu 等[17]研究認為玉米晚收30 d 增產(chǎn)不足以彌補小麥晚播30 d (10月30 日)及以上造成的產(chǎn)量損失,因此晚播冬小麥+晚收夏玉米的周年產(chǎn)量顯著降低。但進一步分析發(fā)現(xiàn),Xu 等[17]在河北吳橋開展的試驗中晚播30 d 的小麥品種‘濟麥22’產(chǎn)量下降主要是由粒重降低造成的,由于其灌漿期顯著縮短僅為28 d,因此粒重降幅達17.8%;而本研究各試驗點極晚播小麥品種‘濟麥22’的灌漿期平均在35 d,且在灌漿期均噴施磷酸二氫鉀防干熱風和早衰,粒重僅比對照降低8.8%,產(chǎn)量降低幅度較小,而玉米產(chǎn)量的增加完全可以彌補小麥產(chǎn)量損失,因此冬小麥-夏玉米雙粒收模式周年產(chǎn)量不顯著降低。

另外,由于雙機收籽粒模式的夏玉米收獲期延遲39～41 d,保證了籽粒充分脫水時間,因此早熟品種和中晚熟品種收獲時的籽粒含水量均降至14.1%～16.8%,基本達到機械收獲籽粒直接入庫貯存的標準。這與李璐璐等[5]關于玉米站稈脫水時間與籽粒含水量關系的研究結(jié)果一致。邱軍等[7]認為,通過選育使用適宜機收籽粒的早熟、脫水快玉米新品種,適當晚收10～15 d 進行籽粒脫水,同樣可使玉米收獲時籽粒含水量(21%～22%)達到機收粒標準(25%以下)。然而,早熟玉米品種和晚播小麥的產(chǎn)量均顯著低于對照,且玉米機收籽粒的含水量距安全貯藏含水量依然相差較大,如果不及時做干燥處理會發(fā)生霉變。本研究發(fā)現(xiàn),雙機收籽粒模式的早熟宜機收玉米品種(DK517、YD9953 和JNK728)粒重和產(chǎn)量與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式下無顯著差異,但顯著低于中晚熟品種(DH605、ZD958 和XY335),無法彌補極晚播小麥產(chǎn)量損失,因此基于早熟玉米品種的雙機收籽粒模式周年產(chǎn)量顯著低于傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式。由此可見,本研究建立的極晚播冬小麥+極晚收中晚熟夏玉米雙機收籽粒模式是一種既能保證較高周年產(chǎn)量,又能提高玉米機械收獲籽粒質(zhì)量的冬小麥-夏玉米最佳的播/收期搭配模式。

進一步分析冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式周年光溫水資源生產(chǎn)效率發(fā)現(xiàn),該模式周年溫度和光能生產(chǎn)效率與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式差異不顯著,但由于雙機收籽粒模式冬小麥季減少了越冬和返青兩水灌溉,冬小麥季耗水量和周年總耗水量比傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式分別減少15.3%和6.0%,且周年產(chǎn)量不降低,因此冬小麥季和周年水分生產(chǎn)效率分別提高15.2%和8.4%,實現(xiàn)了周年節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)。這與前人關于冬小麥-夏玉米“雙晚”試驗水分利用效率結(jié)果趨勢相似[16-19]。另外,雖然雙機收籽粒模式冬小麥季由于產(chǎn)量降低導致其產(chǎn)值和經(jīng)濟效益顯著下降,但夏玉米季實現(xiàn)機械粒收后其成本顯著下降,且產(chǎn)值增加,特別是2020 年玉米收購價格大幅上漲,其經(jīng)濟效益顯著提高,因此雙機收籽粒模式周年經(jīng)濟效益平均增加5.6%。

綜上所述,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式的建立,為同時解決冬小麥季耗水量大,夏玉米籽粒含水量高影響機械直接收獲籽粒質(zhì)量的問題提供了參考。另外,該模式也具有抗逆穩(wěn)產(chǎn)效果。近年來氣候變化導致我國北方溫度持續(xù)上升,極端天氣頻發(fā)[29-30],冬小麥播種過早導致冬前苗期旺長,拔節(jié)孕穗提前,易遭受嚴重凍害和干旱,造成減產(chǎn)。雙機收籽粒模式通過將小麥播期推遲至11 月上中旬,種子冬季萌發(fā)不出苗或1 葉露頭,可避免苗期凍害和干旱影響;且該播期下小麥拔節(jié)期(3 月底至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)[31-32]。然而,在當前生態(tài)條件和生產(chǎn)水平下,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式下會造成小麥減產(chǎn),考慮到小麥作為口糧對保障國家糧食安全的重要性,該模式主要應用于黃淮海水熱資源相對緊張的地區(qū),特別是地下水極度匱乏的黑龍港地區(qū)。Wang 等[19]和我們前期研究結(jié)果均表明,極晚播小麥減產(chǎn)主要是因為其低溫出苗能力和分蘗能力減弱,造成收獲穗數(shù)下降,加之晚播導致生育進程加快,影響干物質(zhì)積累和籽粒灌漿,因此培育并選用抗逆力和分蘗能力強、短生育期的小麥品種,及創(chuàng)新相應的栽培調(diào)控技術(shù)可能是保證極晚播小麥穩(wěn)產(chǎn)的關鍵,同時要考慮極晚播對小麥品質(zhì)的影響。另外,夏玉米極晚收存在后期脫肥早衰和倒伏風險,如何保證晚收植株站稈脫水也是影響夏玉米機械收獲籽粒質(zhì)量的關鍵,這些都是需要進一步研究的重點。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米種植模式相比,冬小麥-夏玉米雙機收籽粒模式周年氣候資源分配發(fā)生顯著改變,從而導致冬小麥季產(chǎn)量顯著降低,夏玉米中晚熟品種產(chǎn)量顯著提高,但周年產(chǎn)量和光溫生產(chǎn)效率無顯著變化,水分生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益均顯著提高,且夏玉米收獲時籽粒含水量為14.1%～16.8%,基本達到機械收獲籽粒直接入庫貯存的標準?？梢?極晚播冬小麥+極晚收中晚熟夏玉米雙機收籽粒模式的建立,是在不降低周年產(chǎn)量的前提下,實現(xiàn)冬小麥季節(jié)水和夏玉米機械收獲籽粒,并提高周年經(jīng)濟效益的有效途徑。