周宝元^1,2, 王志敏², 岳阳², 马玮^1,*, 赵明^1,*
1中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态与栽培重点开放实验室, 北京100081

²中国农业大学农学与生物技术学院, 北京100193

^* 通讯作者(Corresponding authors): 赵明, E-mail:zhaomingcau@163.net, Tel: 010-82108752; 马玮, E-mail:weiwei_8200@126.com 第一作者联系方式: E-mail:zhoubaoyuan@163.com
收稿日期:2015-03-03 接受日期:2015-06-01网络出版日期:2015-06-12基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201203096)和国家科技支撑计划项目(2013BAD07B00, 2013BAD08B00)资助

摘要优化传统冬小麦-夏玉米模式并探索新型种植模式是挖掘黄淮海区周年高产潜力, 提高资源利用效率的重要途径。本研究以冬小麦-夏玉米传统种植模式为对照(CK), 建立了冬小麦-夏玉米优化种植模式(T1)和双季玉米模式(T2), 于2009—2012年在河南新乡进行田间试验, 对其周年资源分配、产量及资源利用效率进行了比较。结果表明: (1) T1模式通过播/收期调整, 协调了两季的光、温资源分配比例(0.7:1.0和1.4:1.0); T2模式两季积温基本为均等分配, 光照资源分配比例为1.5:1.0。(2)资源分配的变化引起了产量的变化。与CK比, T1模式周年产量平均增幅为7.8%, 其产量的增加主要来自于夏玉米季, T1模式夏玉米季平均叶面积指数(MLAI)、生物量和产量均显著高于CK, 且冬小麦晚播并未造成减产。双季玉米(T2)是“双C₄作物”的新型种植模式, 其第1季的MLAI、生物量和产量均显著高于CK和T1, 第2季(除MLAI外)显著低于CK和T1。T2与T1周年产量差异不显著, 但显著高于CK, 平均增幅为9.2%。另外, T2模式周年日产量显著高于CK和T1, 平均增幅分别为53.9%和46.2%。(3)T2模式周年光、温生产效率及籽粒光能利用效率显著高于CK和T1, 平均增幅分别为30.5%和23.3%, 15.5%和9.7%, 30.3%和23.0%。综上所述, T1和T2高产高效模式建立的核心均是充分利用C₄作物玉米高物质生产能力的优势, 二者的建立为黄淮海区周年产量潜力的挖掘及种植结构调整提供了思路。

关键词:冬小麦-夏玉米; 双季玉米; 产量; 光温资源分配; 光温资源利用效率
Comparison of Yield and Light-temperature Resource Use Efficiency between Wheat-Maize and Maize-Maize Cropping Systems
ZHOU Bao-Yuan^1,2, WANG Zhi-Min², YUE Yang², MA Wei^1,*, ZHAO Ming^1,*
1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

²College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China


AbstractOptimizing traditional wheat-maize cropping and exploring new cropping system are essential for increasing annual yield and resource use efficiency in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers Plain. The optimized winter wheat-summer maize cropping (T1) and double maize cropping (T2) were established in our field experiment conducted in Xinxiang from 2009 to 2012. The dry matter production, grain yield, and energy (light and temperature) use efficiency were investigated in the two cropping systems and compared with those in traditional cropping system (CK). In the two optimized cropping systems, the distributions of light and temperature between two cropping seasons were adjusted to 0.7:1.0 and 1.4:1.0 in T1 cropping system, and 1.5:1.0 and 1.0:1.0 in T2 cropping system, respectively, by changing the sowing and harvest dates. Under T1 condition, the annual yield increased by 7.8% over that of CK ( P < 0.05), and the yield promotion was mainly attributed to the significant increase in the summer maize season. Late sowing of winter wheat in T1 system resulted in significant improvements of mean leaf area index (MLAI), above-ground biomass, and grain yield of summer maize, meanwhile with no significant yield loss of winter wheat. T2 is a new high-yield production pattern with double maize growing seasons. In the first season, the MLAI, above-ground biomass, and yield of maize were significantly higher than those of winter wheat in CK and T1. In the second season, the above-ground biomass, and yield of T2 were lower than those of CK and T1. However, the annual yield of T2 was higher than that of CK and had no significant difference to that of T1. Compared to CK and T1, T2 resulted in increases by 53.9% and 46.2% in daily yield, 30.5% and 23.3% in light production efficiency, 15.5% and 9.7% in temperature production efficiency, and 30.3% and 23.0% in light energy use efficiency, respectively. These results indicate that the advantages of high resource use efficiency and production capabilities of C₄ crop plays the key role in promoting the annual production capability in T1 and T2. The two optimized cropping systems (T1 and T2) may lighten the thoughts for adjusting production patterns to meet an increasing desire of high yield and resource use efficiency in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers Plain.

Keyword:Wheat-Maize; Double maize; Yield; Resource distribution; Resource use efficiency
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黄淮海平原是我国典型的两熟制区域, 冬小麦-夏玉米为该区主要种植模式, 其小麦产量占全国总产的50%左右, 玉米产量占全国总产的40%左右^{[1, 2]}, 提高该区周年产量水平对保障我国粮食安全具有重要意义。然而, 随着全球气候变暖, 我国北方地区秋季温度持续增加^{[3, 4]}, 黄淮海区种植模式单一、资源配置不合理等问题日益突出。传统播期导致小麦冬前旺长, 拔节孕穗提前, 易遭受严重冻害而减产^{[5, 6]}。同时, 黄淮海区夏玉米传统收获期较早(一般于9月下旬), 而此时籽粒灌浆仍未停止^[7], 收获籽粒重仅为完熟时的80%, 造成相对减产^{[5, 7, 8]}。而且此时该区光照充足、日平均气温17℃左右, 有效积温高达510~550℃, 造成大量光温资源浪费^{[9, 10]}。另外, 近年来极端气候频发, 冬小麦生长期内易遭遇冻害、冬旱和春旱^{[11, 12, 13]}, 夏玉米授粉结实期常遭遇高温、干旱或阴雨寡照^{[14, 15, 16]}, 大大增加了冬小麦-夏玉米种植模式的减产风险。因此, 通过协调冬小麦-夏玉米播/收期来优化季节间资源配置, 并探索新型种植模式, 成为发掘黄淮海平原周年产量潜力, 提高资源利用效率的重要途径。
自20世纪中后期, 农业科学家就开展了两熟制资源合理配置的研究^{[5, 8, 9]}, 同时也进行了新型种植模式的探索^{[17, 18]}。Sun等^[5]和付雪丽等^[19]将冬小麦播种期和夏玉米收获期推迟, 形成“ 双晚” 技术, 对两季生育期和气候资源进行再分配, 将更多的光温资源分配给C₄高光效作物玉米, 周年产量和资源效率显著提高。一般认为, 小麦播期推迟1周以上可造成一定程度的减产^[20], 但通过增加种植密度、提高播种质量及增加后期灌溉施肥次数可有效补偿晚播产量损失^{[21, 22]}, 因此, 冬小麦晚播与正常播种的产量没有明显差异。适当延长夏玉米收获期, 可增加籽粒有效灌浆期, 促进粒重和产量提高。Sun等^[5]研究表明, 夏玉米灌浆期每延长1 d, 千粒重增加0.6%; 将其收获期推迟10~15 d, 产量可提高10%~15%^[23]。
双季玉米是一种新型高产高效种植模式^{[17, 18]}, 具有光温生产效率高, 经济效益好等优点。王美云^[17]对热量限制两熟区双季青贮玉米模式的研究表明, 双季青贮玉米具有高产高效特点, 两季不同熟期品种的配置使玉米生长发育与自然资源的变化同步协调, 可实现全年光温资源高效利用。李丽娟等^[18]对黄淮海中部双季籽粒玉米的研究表明, 与冬小麦-夏玉米模式比, 双季玉米周年产量两年平均增加2.3%, 周年光、温生产效率平均增加26.1%和6.5%。同时, 由于双季玉米模式生长季节在3月下旬至11月上旬, 两季有效生育期为230 d左右, 冬闲期达140 d左右, 有利于土壤休息和避开冬季冻害和干旱的影响。
由此可知, 冬小麦-夏玉米“ 双晚” 与“ 双季玉米” 高产高效种植模式建立的核心均为充分发挥C₄作物玉米的高光效高生产能力的优势, 然而关于二者周年产量形成及光温资源利用效率特征缺乏系统比较, 对其高产高效的差异缺乏定量分析。为此, 本研究通过4年定位试验数据的分析比较, 旨在明确冬小麦-夏玉米高产高效模式和双季玉米模式形成的产量和资源效率特征以及二者之间的差异, 为进一步提升黄淮海区两熟制粮食作物周年产量潜力和资源利用效率, 增强其抵御自然灾害的能力提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法1.1 试验地概况中国农业科学院新乡试验基地(37° 41′ 02″ N, 116° 37′ 23″ E)处暖温带大陆性季风气候区, 年平均气温14℃, 全年≥ 10℃积温4647.2℃, 年降水量573.4 mm, 多在7、8月间, 年日照时数2323.9 h, 能够充分满足冬小麦-夏玉米和双季玉米一年两熟模式种植。2009— 2012年月均温度、日照时数及降雨量变化见图1。试验田土壤类型为黏壤土, 耕层含有机质12.6 g kg^-1、速效氮61.2 mg kg^-1、速效磷16.2 mg kg^-1、速效钾109.9 mg kg^-1, pH 8.21。
图1
Fig. 1

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图1 2009-2012年新乡月均温度、日照时数及降雨量变化趋势Fig. 1 Mean temperature, sunshine hours, and precipitation at Xinxiang in 2009-2012

1.2 试验设计2009— 2012年选用当地主栽的高产稳产品种(表1), 以冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式为对照(CK), 设置冬小麦-夏玉米优化模式(T1)和双季玉米模式(T2) 2个处理。除播/收期外, 各模式均按当前高产水平栽培方式种植。T1模式中, 冬小麦播期每推迟1 d, 每公顷相应增加1万基本苗。具体种植方案见表1。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 2009-2012年不同处理种植方案 Table 1 Scheme for high-yielding cultivation of different cropping system from 2009 to 2012 年份 Year 模式 Cropping system 生长季 Growth season 品种 Variety 密度 Plant density (× 104plant hm-2) 播种期 Sowing date (month/day) 收获期 Harvest date (month/day) 2009 CK 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 375 10/13 6/5 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/8 9/22 T1 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 525 10/23 6/7 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/8 10/15 T2 早春季First season 益农103 Yinong 103 8.25 3/21 7/26 晚夏季Second season 郑单958 Zhengdan 958 8.25 7/26 11/7 2010 CK 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 375 10/13 6/10 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/13 9/24 T1 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 450 10/23 6/12 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/13 10/15 T2 早春季First season 益农103 Yinong 103 8.25 3/29 7/22 晚夏季Second season 郑单958 Zhengdan 958 8.25 7/23 11/12 2011 CK 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 375 10/10 6/10 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/12 9/23 T1 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 525 10/20 6/10 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/12 10/15 T2 早春季First season 先玉335 Xianyu 335 6.75 3/25 7/20 晚夏季Second season 郑单958 Zhengdan 958 8.25 7/21 11/15 2012 CK 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 375 10/10 6/11 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/13 9/25 T1 冬小麦Winter wheat 矮抗58 Aikang 58 525 10/20 6/11 夏玉米Summer maize 郑单958 Zhengdan 958 8.25 6/13 10/15 T2 早春季 First season 先玉335 Xianyu 335 6.75 3/23 7/21 晚夏季 Second season 郑单958 Zhengdan 958 8.25 7/22 11/23 CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。

表1 2009-2012年不同处理种植方案 Table 1 Scheme for high-yielding cultivation of different cropping system from 2009 to 2012

采用随机区组设计, 3次重复, 小区面积为168 m² (4.8 m × 35.0 m), 等行距机播冬小麦(17 cm), 采用大小行种植(40 cm × 80 cm)玉米。其他管理同常规高产田。
1.2 测定项目及方法1.2.1 气象资料收集 气象数据来源于试验田中的全自动气象站, 包含间隔30 min的全年度自动记录。主要包括日温度、日照时数和降雨量等指标。
1.2.2 叶面积指数(LAI) 分别在冬小麦五叶期、返青期、拔节期、孕穗期、开花期及收获期各取样一次, 于五叶期和返青期从每处理选取20株, 拔节后每处理选取20个单茎, 测量叶面积。于玉米拔节期、大喇叭口期、开花期、乳熟期(花后20 d)及收获期田间活体测量5株叶面积。
采用长宽系数法计算叶面积, 冬小麦叶面积等于长× 宽× 0.83, 玉米叶面积等于长× 宽× 0.75, 计算叶面积指数。按如下公式^{[24, 25]}计算平均叶面积指数(MLAI)。

MLAI = LAD × LAI_max
1.2.3 籽粒产量及总生物量 冬小麦收获时, 从每小区按固定的标点取1 m双行测定穗数, 并随机抽取20穗考种。将小区收获籽粒自然风干, 在含水量为13%时称量, 折合成公顷产量。同时每个小区按“ 对角线” 法选取每小区20株, 按叶、茎、鞘、穗分样, 置烘箱105℃杀青30 min, 80℃烘至恒重, 计算群体地上部干物重。
收获玉米每小区中间两行穗(24 m²), 并随机抽取20穗考种; 收获穗全部脱粒后经自然风干, 在含水量为14%时称量, 折合成公顷产量。同时从每个小区取代表性植株5株, 按茎、叶、鞘、穗粒、苞叶、穗轴器官分样, 置烘箱105℃杀青30 min, 80℃烘至恒重, 计算群体地上部干物重。
1.2.4 光温生产效率 积温计算过程中, 小麦季下限温度取光温生产效率值为0℃, 玉米季下限温度取值为10℃^[27]。
光能生产效率(%) = 籽粒产量/单位面积的太阳辐射
温度生产效率(%) = 单位面积籽粒产量/生育期间积温
太阳总辐射^[26]Q= Q₀ (a+bS/S₀)
式中, Q₀为天文辐射, S为太阳实测日照时数, S₀为太阳可照时数, S/S₀为日照百分率, a、b为待定系数。
1.2.5 光能利用效率 光能利用效率(RUE)(%) = W× H/∑ Q× 100%, 式中, H为每克干物质燃烧时释放出的热量, 玉米干重热值为1.807× 10⁴ J g^-1; 小麦干重热值为1.747× 10⁴ J g^{-1 [28]}; W是测定期间干物质的增加量(即净生产量); ∑ Q是同期的总光照辐射量。
1.3 数据分析利用SPSS16.0软件统计分析数据, 采用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析2.1 不同种植模式中作物生育进程由图2可以看出, 在农民习惯播/收期冬小麦-夏玉米模式(CK)中, 冬小麦播种于10月初, 6月初收获, 历时243 d左右, 占周年时间的66.6%; 夏玉米生长季在6月上旬至9月中下旬, 历时106 d左右, 占周年时间的29%, 两季比值为2.3:1.0; 两季共历时349 d左右, 占周年时间的95.6%。
图2
Fig. 2

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图2 不同种植模式中作物生育进程(月/日)CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。Fig. 2 Growth process of different cropping systems (month/day)CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system.

在播/收期重新调整后的冬小麦-夏玉米模式中(T1), 冬小麦播期推迟至10月20日左右, 6月上旬收获, 历时233 d左右, 占周年时间的63.8%, 较CK减少4.1%; 夏玉米于6月上旬播种, 收获期推迟至10月中旬, 历时126 d左右, 占周年时间的34.5%, 较CK增加18.9%, 两季比值为1.8:1.0; 两季共历时359 d左右, 占周年时间的98.4%, 较CK延长2.8%。
双季玉米模式(T2)生长季节在3月下旬至11月上旬, 两季有效生育期为230 d左右, 占周年时间的62.8%, 其中早春季节从3月下旬至7月中下旬, 历时119 d左右, 占周年时间的32.5%; 晚夏季从7月中下旬至11月中旬或更晚, 历时111 d左右, 占周年时间的30.3%, 两季时间基本保证均等分配(1:1)。与冬小麦-夏玉米模式相比, 全年可减少占地时间140 d左右, 利于土壤休闲及躲避冬季寒冷和干旱。
2.2 不同种植模式周年光温资源分配由表2可以看出, 各处理有效积温在年际间波动较小。比较4年平均值发现, CK处理第1季有效积温为2419.6℃, 占全年有效积温的43.6%, 第2季有效积温为2867.4℃, 占全年有效积温的51.7%, 两季间的比值接近0.8; 两季之和为5287.0℃, 占全年有效积温的95.3%。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 2009-2012年不同模式季节间有效积温分配 Table 2 Distribution of effective accumulated temperature (AT) in different cropping systems from 2009 to 2012 年份 Year 模式 Cropping system 第1季First season 第2季Second season 周年Annual 有效积温 AT (℃) 比例 Rate (%) 有效积温 AT (℃) 比例 Rate (%) 有效积温 AT (℃) 比例 Rate (%) 2009 CK 2520.0 44.8 2872.4 51.0 5392.5 95.8 T1 2412.0 42.8 3146.8 55.9 5558.8 98.7 T2 2633.3 46.8 2375.3 42.2 5008.6 88.9 2010 CK 2214.5 40.5 2922.5 53.5 5137.0 94.0 T1 2078.0 38.0 3209.6 58.7 5287.6 96.7 T2 2508.6 45.9 2414.3 44.2 4922.9 90.1 2011 CK 2444.1 44.2 2787.6 50.4 5231.7 94.7 T1 2312.9 41.9 3085.5 55.8 5398.4 97.7 T2 2511.1 45.4 2414.4 43.7 4925.5 89.1 2012 CK 2499.8 44.9 2887.1 51.9 5386.9 96.8 T1 2354.8 42.3 3071.3 55.2 5426.1 97.5 T2 2637.4 48.5 2504.4 46.0 5141.8 94.5 平均值 CK 2419.6 ab 43.6 ab 2867.4 b 51.7 b 5287.0 a 95.3 a Mean T1 2289.4 b 41.3 b 3128.3 a 56.4 a 5417.7 a 97.7 a T2 2572.6 a 46.6 a 2427.1 c 44.0 c 4999.7 b 90.7 b CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Means within a column followed by different letters are significantly different at P< 0.05. CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。平均值后不同小写字母表示种植模式间在0.05水平差异显著。

表2 2009-2012年不同模式季节间有效积温分配 Table 2 Distribution of effective accumulated temperature (AT) in different cropping systems from 2009 to 2012

T1处理第1季有效积温为2289.4℃, 占全年有效积温的41.3%, 比CK低5.4%, 但差异不显著; 第2季有效积温为3128.3℃, 占全年有效积温的56.4%%, 显著高于CK (P < 0.05), 增幅为9.1%, 两季间比值接近0.7; 两季有效积温之和为5417.7℃, 占全年有效积温的97.7%, 与CK相近。
T2处理第1季有效积温为2572.6℃, 占全年有效积温的46.6%, 较T1 高12.4%, 与CK差异不显著; 第2季有效积温为2427.1℃, 占全年有效积温的44.0%, 显著低于CK和T1 (P < 0.05), 分别降低15.4%和22.4%; 两季有效积温之和为4999.7℃, 占全年有效积温的90.7%, 显著低于与CK和T1 (P < 0.05), 分别降低5.4%和7.7%。T2处理两季之间有效积温基本均等分配。
比较各处理光照资源分配4年平均值(表3)发现, CK处理第1季内辐射量为2580.3 MJ m^-2, 占全年总辐射量的55.7%; 第2季辐射量为1646.2 MJ m^-2, 占全年总辐射量的35.6%, 两季间比值为1.6, 两季辐射量共4226.5 MJ m^-2, 占全年总辐射量的91.3%。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 2009-2012年不同种植模式季节间光照资源分配 Table 3 Distribution of light accumulated radiation in different cropping systems from 2009 to 2012 年份 Year 模式 Cropping system 第1季First season 第2季Second season 周年Annual 辐射 Radiation (MJ m-2) 比例 Rate (%) 辐射 Radiation (MJ m-2) 比例 Rate (%) 辐射 Radiation (MJ m-2) 比例 Rate (%) 2009 CK 2594.8 56.3 1662.9 36.1 4257.8 92.4 T1 2536.8 55.0 1831.8 39.7 4368.7 94.8 T2 2115.3 45.9 1390.6 30.2 3505.9 76.0 2010 CK 2559.7 54.9 1630.6 35.0 4190.3 89.9 T1 2443.1 52.4 1812.8 38.9 4255.9 91.4 T2 2023.0 43.4 1354.5 29.1 3377.5 72.5 2011 CK 2804.5 59.1 1519.3 32.0 4323.8 91.1 T1 2723.5 57.4 1712.8 36.1 4436.3 93.5 T2 2226.7 46.9 1322.0 27.9 3548.6 74.8 2012 CK 2362.3 52.5 1771.9 39.4 4134.2 91.9 T1 2282.2 50.7 1889.6 42.0 4171.8 92.7 T2 2102.6 46.7 1617.5 36.0 3720.0 82.7 平均值 CK 2580.3 a 55.7 a 1646.2 a 35.6 b 4226.5 a 91.3 a Mean T1 2496.4 a 53.9 a 1811.8 a 39.2 a 4308.2 a 93.1 a T2 2116.9 b 45.7 b 1421.2 b 30.8 c 3538.0 b 76.5 b CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Means within a column followed by different letters are significantly different at P< 0.05. CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。平均值后不同小写字母表示种植模式间在0.05水平差异显著。

表3 2009-2012年不同种植模式季节间光照资源分配 Table 3 Distribution of light accumulated radiation in different cropping systems from 2009 to 2012

T1处理第1季内辐射量为2494.4 MJ m^-2, 占全年总辐射量的53.9%, 低于CK 3.3%, 差异不显著; 第2季辐射量为1811.8 MJ m^-2, 占全年总辐射量的39.2%, 高于CK 10.1%, 差异显著(P< 0.05), 两季间比值为1.4, 两季辐射量共4308.2 MJ m^-2, 与CK接近, 占全年总辐射量的93.1%。
T2处理第1季内辐射量为2 116.9 MJ m^-2, 占全年总辐射量的45.7%, 分别比CK和T1少21.9%和17.9%, 差异显著(P < 0.05); 第2季辐射量为1421.2 MJ m^-2, 占全年总辐射量的30.8%, 分别比CK和T1少15.8%和27.5% (P < 0.05), 两季间比值为1.5, 两季辐射量共3538.0 MJ m^-2, 占全年总辐射量的76.5%, 显著低于CK和T1 (P < 0.05)。
2.3 不同种植模式产量比较对2009— 2012年间各模式单季和周年产量比较发现(图3), 4年产量趋势表现基本一致, 对于第1季作物来说, CK和T1处理之间差异不明显, T2处理显著高于CK和T1; 第2季作物中T1处理显著高于CK和T2 (P< 0.05); T1和T2处理周年产量差异不明显, 但显著高于CK (P < 0.05)。
图3
Fig. 3

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图3 2009-2012年不同种植模式产量比较A图为2009年数据; B图为2010年数据; C图为2011年数据; D图为2012年数据。CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。柱上不同字母表示差异达0.05显著水平。Fig. 3 Grain yield of different cropping systems from 2009 to 2012A, B, C, D are the year 2009, 2010, 2011, and 2012, respectively. CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Bars represented by different letters are significantly at the 0.05 probability level.

与CK比, 冬小麦晚播(T1)的产量下降不明显, 夏玉米晚收(T1)籽粒产量显著提高(P< 0.05), 4年平均增加1424.3 kg hm^-2, 增幅为16.4%, 周年产量显著增加, 4年平均增加1289.0 kg hm^-2, 增幅为7.8%。与CK比, T2处理第1季产量显著增加(P< 0.05), 4年平均增加2203.9 kg hm^-2, 增幅为28.3%; 第2季产量显著低于CK (2011年除外), 平均降幅为7.9%, 差异不显著; 周年产量显著高于CK, 4年平均增幅为9.2%。与T1比, T2处理第1季产量显著增加, 4年平均增幅为30.6%; 第2季产量显著低于T1, 4年平均降幅为20.9%; 周年产量与T1差异不明显。
由图4可知, CK处理与T1处理日产量差异不明显, 而T2处理日产量显著高于CK和T1。与CK比, T2处理第1季日产量显著增加(P< 0.05), 4年平均增幅159.1%; 第2季日产量显著降低(2011年除外), 4年平均降幅为23.8%; 周年日产量显著增加(P< 0.05), 4年增幅为53.9%。与T1处理比, T2处理第1季日产量显著增加, 4年平均增幅达153.7%; 第2季日产量显著降低(2011年除外), 4年平均降幅为22.3%; 周年日产量显著增加(P< 0.05), 4年平均增幅为46.2%。
图4
Fig. 4

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图4 2009-2012年不同种植模式日产量比较A图为2009年数据; B图为2010年数据; C图为2011年数据; D图为2012年数据。CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。柱上不同字母表示差异达0.05显著水平。Fig. 4 Daily grain yield of different cropping systems from 2009 to 2012A, B, C, D are the year 2009, 2010, 2011, and 2012, respectively. CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Bars represented by different letters are significantly at the 0.05 probability level.

2.4 不同种植模式平均叶面积指数(MLAI)及生物量比较由图5可以看出, 与CK比, 冬小麦晚播(T1)群体全生育期的平均叶面积指数(MLAI)略有降低或不变, 差异不显著; 而夏玉米晚收(T1) MLAI显著增加, 4年平均增幅为22.1%; 因此, 周年MLAI显著增加(P< 0.05), 4年平均增幅8.6%。
图5
Fig. 5

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图5 2009-2012年不同种植模式平均叶面积指数(MLAI)比较A图为2009年数据; B图为2010年数据; C图为2011年数据; D图为2012年数据。CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。柱上不同字母表示差异达0.05显著水平。Fig. 5 Mean leaf area index (MLAI) of different cropping systems from 2009 to 2012A, B, C, D are the year 2009, 2010, 2011, and 2012, respectively. CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Bars represented by different letters are significantly at the 0.05 probability level.

与CK比, T2处理第1季MLAI有所增加, 4年分别增加0.79、0.97、0.07和0.03, 其中2009年和2010年差异显著, 2011年和2012年差异不显著, 4年平均增幅为14.9%; 第2季MLAI显著增加(2011年除外)(P < 0.05), 4年平均增幅为9.8%; 周年MLAI 4年平均增幅为12.4%。与T1比, T2处理第1季MALI显著增加(P < 0.05), 4年平均增幅为20.7%; 第2季MLAI有所降低, 4年平均降幅为10.1%; 周年MLAI 4年平均增幅为3.4%, 差异不显著(2009年除外)。
由图6可以看出, 与CK比, 冬小麦晚播(T1)的群体生物量略有下降或不变, 差异不显著; 而夏玉米晚收(T1)群体生物量显著增加(P< 0.05), 4年平均增幅为12.2%; 周年生物量4年平均增幅为6.2%。与CK比, T2处理第1季生物量显著增加(2011年除外), 4年平均增幅为17.3%; 第2季生物量有所下降(2011年除外), 4年平均降幅为4.3%; 周年生物量4年平均增幅为6.5%。与T1比, T2处理第1季生物量显著增加(P< 0.05), 4年平均增幅为18.3%; 第2季生物量显著下降(2011年除外)(P< 0.05), 4年平均降幅为14.7%; 因此, 周年生物量平均增幅为2.9%, 差异不显著。
图6
Fig. 6

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图6 2009-2012年不同种植模式生物量比较A图为2009年数据; B图为2010年数据; C图为2011年数据; D图为2012年数据。CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。柱上不同字母表示差异达0.05显著水平。Fig. 6 Biomass of different cropping systems from 2009 to 2012A, B, C, D are the year 2009, 2010, 2011, and 2012, respectively. CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Bars represented by different letters are significantly at the 0.05 probability level.

2.5 不同种植模式光、温资源生产效率比较由表4可知, 与CK比, T1小麦季籽粒光能生产效率变化不明显, 玉米季光能生产效率4年平均增幅为5.8%; 周年光能生产效率4年平均增幅为5.8%。与CK比, T2第1季光能生产效率显著提高, 4年平均增幅为56.4%; 第2季光能生产效率差异不明显(除2011年外); 周年光能生产效率显著提高, 4年平均增幅为30.5%。与T1比, T2第1季光能生产效率显著提高, 4年平均增幅为54.0%; 第2季光能生产效率差异不明显(除2011年外); 周年光能生产效率显著提高, 4年平均增幅为24.4%。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 2009-2012年不同种植模式光能、温度生产效率 Table 4 Production efficiency of light energy and temperature in different cropping systems from 2009 to 2012 年份 Year 模式 Cropping system 光能生产效率 Production efficiency of light energy (g MJ-1) 温度生产效率 Production efficiency of temperature (kg hm-2 ℃-1) 第1季 First season 第2季 Second season 周年 Annual 第1季 First season 第2季 Second season 周年 Annual 2009 CK 0.24 0.49 0.34 2.47 2.84 2.67 T1 0.24 0.52 0.36 2.56 3.02 2.82 T2 0.45 0.49 0.46 3.61 2.84 3.24 2010 CK 0.29 0.58 0.40 3.32 3.25 3.28 T1 0.29 0.58 0.41 3.38 3.27 3.31 T2 0.52 0.57 0.54 4.17 3.20 3.70 2011 CK 0.30 0.49 0.37 3.48 2.69 3.06 T1 0.31 0.51 0.39 3.60 2.85 3.17 T2 0.42 0.62 0.50 3.74 3.41 3.58 2012 CK 0.38 0.54 0.45 3.62 3.29 3.44 T1 0.40 0.61 0.49 3.85 3.76 3.80 T2 0.50 0.57 0.53 4.02 3.67 3.85 平均值 Mean CK 0.30 b 0.53 a 0.39 b 3.22 b 3.02 b 3.11 b T1 0.31 b 0.56 a 0.41 b 3.34 b 3.22 a 3.27 b T2 0.47 a 0.56 a 0.51 a 3.88 a 3.29 a 3.59 a CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Means within a column followed by different letters are significantly different at P< 0.05. CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。平均值后不同小写字母表示种植模式间在0.05水平差异显著。

表4 2009-2012年不同种植模式光能、温度生产效率 Table 4 Production efficiency of light energy and temperature in different cropping systems from 2009 to 2012

不同模式温度生产效率分析表明(表4), 与CK比, T1小麦季温度生产效率4年平均增幅为3.8%; 第2季温度生产效率4年平均增幅为6.7%; 周年温度生产效率4年平均增幅为5.2%。与CK比, T2第1季温度生产效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅为20.7%; 第2季温度生产效率4年平均增幅为8.7%; 周年温度生产效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅为15.5%。与T1比, T2第1季温度生产效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅为16.2%; 第2季温度生产效率有所降低(除2011年外), 差异不显著; 周年温度生产效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅为9.7%。
2.6 不同种植模式光能利用效率比较由表5可知, 与CK比, T1小麦季籽粒和总生物量光能利用效率平均增幅分别为1.9%和3.4%, 夏玉米季籽粒和总生物量光能利用效率平均增幅分别为5.7%和2.0%, 周年籽粒和总生物量光能利用效率平均增幅分别为5.9%和4.3%, 差异不显著。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 2009-2012年不同种植模式光能利用效率 Table 5 Comparison of light energy use efficiency in different cropping systems from 2009 to 2012 年份 Year 模式Cropping system 籽粒光能利用效率 Light energy use efficiency of grain 总生物量光能利用效率 Light energy use efficiency of biomass 第1季 First season 第2季 Second season 周年 Annual 第1季 First season 第2季 Second season 周年 Annual 2009 CK 0.43 0.87 0.60 0.93 1.58 1.19 T1 0.43 0.92 0.64 0.95 1.62 1.23 T2 0.80 0.86 0.82 1.60 1.72 1.64 2010 CK 0.51 1.04 0.72 1.11 2.11 1.50 T1 0.51 1.03 0.73 1.16 2.03 1.53 T2 0.92 1.02 0.96 1.81 1.99 1.89 2011 CK 0.54 0.88 0.66 1.19 1.61 1.34 T1 0.54 0.91 0.69 1.17 1.68 1.40 T2 0.75 1.11 0.88 1.53 2.31 1.82 2012 CK 0.68 0.95 0.80 1.50 2.03 1.73 T1 0.71 1.09 0.88 1.58 2.15 1.84 T2 0.90 1.01 0.95 1.80 2.13 1.94 平均值 Mean CK 0.54 b 0.94 a 0.69 b 1.18 b 1.83 a 1.44 b T1 0.55 b 0.99 a 0.73 b 1.22 b 1.87 a 1.50 b T2 0.84 a 1.00 a 0.90 a 1.69 a 2.04 a 1.82 a CK: winter wheat-summer maize cropping system followed farmers’ practice; T1: optimized winter wheat-summer maize cropping system; T2: double maize cropping system. Means within a column followed by different letters are significantly different at P< 0.05. CK: 冬小麦-夏玉米农民习惯播/收期模式; T1: 冬小麦-夏玉米优化模式; T2: 双季玉米模式。平均值后不同小写字母表示种植模式间在0.05水平差异显著。

表5 2009-2012年不同种植模式光能利用效率 Table 5 Comparison of light energy use efficiency in different cropping systems from 2009 to 2012

与CK比, T2第1季籽粒和总生物量光能利用效率均显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅分别为55.9%和42.5%; 第2季籽粒和总生物量光能利用效率变化不明显(2011年除外); 周年籽粒和总生物量光能利用效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅分别为30.3%和26.9%。与T1比, T2第1季籽粒和总生物量光能利用效率显著提高(P < 0.05), 4年平均增幅分别为53.3%和38.7%; 第2季籽粒和总生物量光能利用效率差异不明显(除2011年外); 周年籽粒和总生物量光能利用效率显著提高(P< 0.05), 4年平均增幅分别为23.0%和21.7%。

3 讨论生态条件决定了相应的种植制度, 随着全球气候变暖, 我国北方地区气温逐年增加^{[3, 4]}, 干旱、冷害、少雨等不利气候因素更加频繁, 制约了黄淮海区两熟制的传统种植模式冬小麦-夏玉米产量的进一步提高, 并增加了其获得高产和超高产条件下的投入。气候变暖使冬小麦在传统生产条件下播种, 容易造成苗期徒长, 不仅浪费自然资源, 还有可能使冬小麦越冬期遭遇严寒造成冷冻害。春季干旱少雨, 在水资源比较匮乏的华北地区, 冬小麦的生长受到干旱的胁迫, 还有生长后期干热风将影响小麦的产量, 夏玉米生长期内多大风、大雨, 造成植株倒伏, 开花期连阴雨天气影响授粉和籽粒灌浆。通过协调冬小麦-夏玉米播/收期来优化季节间资源配置, 并探索新型种植模式, 成为发掘黄淮海平原周年产量潜力, 提高资源利用效率的重要途径。本研究将冬小麦播期和夏玉米收获期分别向后推迟10~15 d, 建立了冬小麦-夏玉米周年高产高效模式(T1)。冬小麦推迟至10月20日左右播种, 将周年2.3%的积温和1.8%的光照资源让给玉米; 夏玉米于10月中旬收获, 灌浆期延长10~15 d, 增加4.7%有效积温和3.6%的光照资源, 小麦-玉米两季间光、温资源比值分别为0.7和1.4。同时, 为充分发挥玉米C₄高光效的优势, 建立了“ 双季玉米” 新型种植模式(T2)使两季周年有效生育期为230 d左右, 季节间基本保证均等分配; 两季总光、温资源分别占周年总量的76.5%和90.7%, 其中早春季占45.7%和46.6%, 晚夏季占30.8%和44.0%, 两季间比值分别为1.5和1.0。另外, T2模式冬季空余时间长140 d左右, 而冬季土壤休闲既能避免作物遭受冻害和冬旱, 又有利于土壤中有机物的积累和水分的储存, 使农田得到充分休养^[29]。
C₄作物玉米具有高光合效率和高物质生产能力。本研究中, 优化的冬小麦-夏玉米模式(T1模式)将更多光温资源分配给夏玉米季, 与CK比, 其4年产量均显著提高。T1模式产量的提高主要来自夏玉米季, 而小麦季产量差异不显著, 这与前人关于双晚技术的研究结果一致^{[5, 19]}。T2模式两季资源基本均等分配, 与CK和T1比, 其第1季产量显著高于冬小麦季, 第2季产量显著低于夏玉米季, 周年产量与T1差异不显著, 但显著高于CK。比较不同模式日产量发现(图3), CK处理与T1处理日产量差异不明显, 而T2处理周年日产量显著高于CK和T1。由此可知, T2模式(双季玉米)具有较高的周年日产量, 是一种高效率的种植模式。
群体叶面积和干物质积累量是影响作物产量的重要因素^{[6, 30, 31, 32]}。T1模式冬小麦晚播冬前光合面积和光合时间均减少, 导致生育期总干物质量积累略有降低; 夏玉米晚收增加了光合面积, 延长了光合有效时间, 从而引起生物量的显著增加, 因此周年MLAI和生物量明显增加, 这与付雪丽等^[19]和Sun等^[5]的研究结果一致。T2模式第1季MLAI和生物量显著高于CK和T1模式的冬小麦季, 而第2季MLAI和生物量显著低于T1, MLAI显著高于CK, 生物量显著低于CK, 结果, 周年MALI和生物量与T1差异不显著而显著高于CK。以上结果表明, T1和T2模式产量提高的核心均是充分发挥C₄玉米高物质生产能力的优势, 二者的建立均显著提高了黄淮海地区周年产量。
3个模式中, 以T2模式的周年光、温生产效率及籽粒光能利用效率最高, 显著高于CK和T1, 其中第1季增加显著, 第2季不显著降低。合理地配置双季资源, 挖掘第2季玉米季光温利用潜力成为进一步提升双季玉米模式周年资源高效的关键。与CK比, 冬小麦-夏玉米优化模式(T1)和双季玉米新型模式(T2)都显著提高了周年光温资源利用效率, 其资源利用效率的提高主要来自于玉米季。
玉米是重要的饲料和工业原料, 也是世界上最重要的粮食作物之一(USDA, 2005), 2012年玉米成为我国第一大粮食作物, 其播种面积和总产量都位居三大粮食作物之首^[33]。在我国, 口粮主要指的是稻谷和小麦, 玉米主要用作饲料和工业加工, 但在特殊时期也可作为口粮。正如2010— 2011年国内小麦价格低廉被大量用于饲料加工(中国饲料行业信息网, 2012, http://www.Feedtrade.com.cn/technology/ news/news/2012-06-13/2006401.html), 从某种意义上讲, 三大作物因其共同的能量属性, 存在相互替代和互补的关系, 既可以作为口粮, 也可以用于饲料和工业加工。近年来, 华北区域小麦用水需求大, 水资源效率低的问题导致该区地下水严重下降, 以充分发挥C₄作物玉米高光效和高增产潜力优势为核心, 对传统冬小麦-夏玉米模式进行优化创新成为解决上述问题的关键。本研究建立的冬小麦-夏玉米优化模式和双季玉米模式均有效提升了黄淮海区周年作物产量及资源利用效率。然而, 考虑到冬小麦作为口粮对保障我国粮食安全的重要性, 双季玉米模式的建立并不能取代传统冬小麦-夏玉米模式, 而是作为一种必要的补充种植模式, 在遇到冬季干旱、冻害等气候灾害造成小麦大面积减产而无法挽回当年的损失时, 来年补种双季玉米, 既可增加当年的收入, 也可减轻气象灾害对农业生产的影响。
4 结论冬小麦-夏玉米和双季玉米高产高效种植模式建立的核心均是充分发挥玉米高光效及高物质生产能力的优势。T1模式通过播/收期的调整, 优化了周年光温资源配置, 将更多资源让给C₄作物玉米, 周年产量和资源利用效率(特别是玉米季)显著提高; 而T2模式为“ 双C₄作物” 组成的高效率两熟种植方式, 周年产量与T1模式没有显著差异, 但日产量和光温生产效率都显著提高。冬小麦-夏玉米播/收期优化模式和双季玉米模式的建立, 为黄淮海平原粮食产量潜力的挖掘及种植结构调整提供了思路。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.


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