播/收期对冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源分配与利用特征的影响

周宝元，马玮，孙雪芳，高卓晗，丁在松，李从锋，赵明

（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）

0 引言

【研究意义】黄淮海平原是我国重要的粮食产区，冬小麦-夏玉米一年两熟为该区主要种植模式，其小麦、玉米产量分别占全国总产的50%和40%左右[1］，为保障我国粮食安全做出了重要贡献。然而，由于黄淮海资源紧缺，大部分地区光热资源一季有余、两季不足，制约了夏玉米机械粒收技术的发展；同时由于降水不足且分布不均，小麦季耗水严重，地下水过度开采问题日益加剧[2-3］，限制了冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式周年产量、资源利用效率及经济效益的提升。因此，探索周年气候资源高效利用的技术途径对于促进黄淮海平原冬小麦-夏玉米种植模式的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】由于C4作物具有较高光合能力，有人提出充分发挥玉米的产量潜力，逐渐压缩小麦的生长时间，以高效利用光热水资源。为此，20世纪90年代开始，许多科学家在冬小麦-夏玉米一年两熟的基础上进行了以强化“C4玉米”为核心的周年高产及资源高效利用的技术途径探索[4-8］。陈阜等[4］建立了“冬小麦/春玉米/夏玉米”和“冬小麦/春玉米/夏玉米/秋玉米”等集约多熟种植，增加玉米种植比例，实现周年单产20 000 kg·hm-2以上。赵秉强等[5］和李立娟等[6］建立了小麦-玉米-玉米和玉米-玉米等集约多熟高产技术模式，实现了全年光温资源高效利用，两种种植模式均可达到18 000 kg·hm-2的高产水平。然而，这些模式均属于高集约和高投入的种植，虽然提高了周年产量和资源利用效率，但增加了人工投入，且难以进行机械化操作，不适应当前的生产发展形势。王树安等[9-10］通过将冬小麦播种期和夏玉米收获期推迟，对两季气候资源进行再分配，将更多的光温资源分配给更加高光效的玉米，建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式，实现周年产量15 000 kg·hm-2以上，光、温资源生产力分别提高64%和124%。SUN等[11］和付雪丽等[12］研究也证明，冬小麦晚播通过加大种植密度，提高播种质量，其产量和资源效率变化不明显，而夏玉米晚收产量显著提高，因此周年产量和资源效率显著提高。可见，通过播/收期的调整优化冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源配置是进一步提高其周年产量及光温水资源利用效率的有效途径。【本研究切入点】随着经济社会发展，高产、高效及环境友好协同发展已成为当前我国农业生产的主要目标。但是该区小麦季耗水量大[13-15］，地下水过度开采等问题[16-18］尚未有效解决；虽然“双晚”技术延长了夏玉米籽粒灌浆时间，但籽粒收获时含水量仍在 30%以上，导致机械直接收获籽粒质量差[19-20］。同时，在全球气候变暖的大背景下，近年来我国黄淮海平原秋、冬季气温持续增加，日照时数减少，干旱及洪涝灾害等极端天气频发[21-22］，导致冬小麦拔节孕穗期遭受冻害、冬旱和春旱[11］，夏玉米授粉结实期遭遇高温、干旱或阴雨寡照[23-24］的风险进一步加剧。因此，探索适应新的生产条件和气候条件的冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源最佳分配方式是进一步提升黄淮海周年产量及资源利用效率的重要途径。【拟解决的关键问题】本研究以充分发挥玉米高光效优势为核心，通过在较大时间范围内连续设置小麦播种期（10月上旬至 12月上旬）和玉米收获期（9月下旬至 11月下旬）对周年光温水等资源进行重新分配，建立5种冬小麦与夏玉米生长季资源分配方式，研究其周年产量、气候资源分配及利用效率特征，确立冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源最佳分配模式，以期为促进黄淮海平原粮食作物周年高产高效种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2015—2017年在中国农业科学院新乡试验基地（37°41′02″N，116°37′23″E）进行。该区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温 14℃，全年≥10℃积温4 647.2℃，年降水量573.4 mm，多在7、8月间，年日照时数2 323.9 h，能够充分满足冬小麦-夏玉米一年两熟模式种植。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。

1.2 试验设计

小麦播期设置范围10月上旬（当地农民习惯播种期）至12月上旬（小麦冬前不出苗），每隔15 d左右设置一个播期，共5个播期，包括当地农民习惯的播种期和能够保证小麦正常成熟且冬前能正常播种的最晚播期，各处理小麦均达到生理成熟后收获。与小麦播期相对应的玉米收获期设置范围9月下旬（当地农民习惯收获期）至11月下旬，每隔15 d设置一个收获期，共5个收获期。以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表 5个冬小麦-夏玉米一年两熟模式播/收期搭配组合，详见表1。

选用当地播种面积较大的小麦、玉米品种各2个为供试材料，小麦品种为矮抗58（AK58）和中麦66（ZM66），玉米为杂交种先玉335（XY335）和郑单958（ZD958）。小麦采用17 cm等行距种植，第一期播种密度设3×106株/hm2，10月15日以后播种每推迟2 d，相应增加1×104株基本苗。小麦收获后于6月上中旬免耕播种玉米，密度设6.75×104株/hm2，60 cm等行种植。小区面积为168 m2（4.8 m×35 m），3次重复，随机排列。小麦季Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ处理灌水时期均为播种前、越冬期、拔节期和抽穗期，Ⅳ处理为播种前、拔节期和抽穗期，Ⅴ为出苗期和孕穗期；玉米季各处理灌水时期相同，2016年分别为播种期和拔节期，2017年为拔节期和大喇叭口期。两季作物均采用大水漫灌方式，每次灌水量均为75 mm。其他管理措施同高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象资料收集 气象数据来源于国家气象局网站（http://www.cma.gov.cn）。主要包括平均气温、日照时数和降雨量等指标。

1.3.2 作物生长季资源分配率与分配比值 为了定量分析冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季资源分配，提出了资源分配率和资源分配比值等指标，并建立了相应的计算公式：

积温分配率（TDR）= 单季积温量（Tx）/ 周年积温总量（T）；

辐射分配率（RDR）= 单季辐射量（Rx）/ 周年辐射总量（R）；

降雨分配率（PDR）= 单季降雨量（Px）/ 周年降雨总量（P）；

积温比值（TR）= 第一季积温量（T1）/ 第二季积温量（T2）；

辐射比值（RR）= 第一季辐射量（R1）/ 第二季辐射量（R2）；

降雨比值（PR）= 第一季降雨量（P1）/ 第二季降雨量（P2）；

太阳总辐射Q = Q0(a＋bS/S0)。

式中，Q为太阳总辐射，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[25］。

表1 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米种植方案Table 1 Scheme for winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

积温计算过程中，小麦季下限温度取值为 0℃，玉米季下限温度取值为10℃[26］。

1.3.3 产量及产量构成 冬小麦收获时，每个小区取有代表性的3个点，每个点实收1 m2进行测产，每个点取20株进行考种，调查穗粒数和千粒重。夏玉米收获时，每小区取中间4行穗（48 m2），测定全部收获穗的穗鲜重、穗数，选取样本穗20穗（误差小于0.1 kg）进行考种，另外选取样本穗20穗风干后脱粒，称重，测定含水量，换算成14%含水量的重量，进而折合成公顷产量。

1.3.4 光、温、水生产效率 光能生产效率（g·MJ-1）=籽粒产量/单位面积太阳辐射量；积温生产效率（kg·hm-2·℃-1）= 单位面积籽粒产量/生长季积温总量；水分生产效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒产量/（单位面积降水量+单位面积灌水量）。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2016和SPSS16.0软件进行数据处理和统计分析，采用Sigma Plot 10.0软件作图。

2 结果

2.1 不同播/收期搭配下冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季天数变化

本研究中两作物生长天数的计算依据为小麦季为播种至达到生理成熟的天数，玉米季为播种至收获的天数。由表1可知，夏玉米在第二收获期（处理Ⅱ）时达到生理成熟，第二至第三、四和五收获期增加的生长天数主要为玉米成熟后籽粒物理脱水时间。

随播期推迟，小麦生理成熟期也相应推迟（表1），处理Ⅴ两品种成熟期分别较处理Ⅰ推迟5 d（2016年）和4 d（2017年），但总生育天数均逐渐减少（图1），品种间差异不显著。2016年第Ⅱ至Ⅴ播期处理两品种平均生育期天数分别为221、201、183和167 d，较传统播期处理（Ⅰ，233 d）分别减少5.1%、13.7%、21.5%和28.3%；2017年第Ⅱ至Ⅴ播期处理两品种平均生育期天数分别为222、204、185和169 d，较传统播期处理（Ⅰ，234 d）分别减少5.1%、12.8%、20.9%和27.8%。

随收获期推迟，夏玉米生长天数逐渐增加，品种间差异不显著（图1）。2016年第Ⅱ至Ⅴ收获期处理两品种平均生长天数分别为120、135、150和165 d，较传统收获期（Ⅰ，105 d）分别增加14.3%、28.6%、42.9%和 57.1%；2017年第Ⅱ至Ⅴ收获期处理两品种平均生长天数分别为121、136、152和167 d，较传统收获期处理（Ⅰ，107 d）分别增加13.1%、27.1%、42.1%和56.1%。在第二收获期（处理Ⅱ）时玉米籽粒达生理成熟，Ⅲ至Ⅴ处理籽粒物理脱水时间分别为15、30和 45 d。

冬小麦-夏玉米周年总生长天数随着播收期推迟变化不明显，处理间和品种间差异均不显著。2016年第Ⅰ至Ⅴ处理周年生长天数分别为 340、342、338、335和334 d，2017年分别为342、345、343、339和338 d。

图1 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米生长季天数Fig. 1 Total growth duration of winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

2.2 不同播/收期搭配下冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源分配特征

由表2可知，播收期改变导致作物生长季积温量变化较大，但品种间差异不显著。随小麦播期推迟，生长季积温量显著下降，2015—2016年变化范围1 877.7—2 457.8℃，Ⅱ至Ⅴ处理积温量分别显著低于传统播期（Ⅰ），降低7.7%、15.7%、22.2%和23.6%；2016—2017年变化范围1 853.5—2 392.8℃，Ⅱ至Ⅴ处理积温量分别低于Ⅰ处理，降低 6.2%、16.0%、19.9%和22.5%。

随玉米收获期推迟，生长季分配积温量逐渐增加，2016年变化范围2 894.1—3 594.2℃，Ⅱ到Ⅴ处理积温量分别显著高于Ⅰ处理，提高10.0%、16.8%、21.5%和27.6%；2017年变化范围2 862.5—3 541.9℃，Ⅱ到Ⅴ处理积温量分别显著高于Ⅰ处理，提高 9.8%、17.4%、21.4%和27.2%。另外，由传统收获期（Ⅰ）至籽粒完全达到生理成熟（Ⅱ）所需积温量两年分别为290.5和281.6℃；生理成熟后籽粒进入脱水阶段，2016年Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间积温量分别为196.6、332.8和509.6℃，2017年分别为217.4、331.6和497.8℃。

周年总积温量在处理间和年际间差异不显著，2015—2016年 5个处理平均为 5 424.1℃，2016—2017年平均为5 322.3℃。年际间各季积温量占周年总积温量的比例及两季的比值相对固定，Ⅰ至Ⅴ处理小麦季积温量占周年总积温量的比例分别为46%、42%、38%、36%和34%，玉米生长季分别为54%、58%、62%、64%和66%；小麦季与玉米季积温量比值分别为0.8、0.7、0.6、0.6和0.5。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间积温量占生长季积温量的6.1%、9.5%和 13.7%，占周年总积温量的比例分别为3.9%、6.1%和9.3%。

表2 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年积温分配Table 2 Distribution of accumulated temperature between winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

由表3可以看出，随小麦播期推迟，生长季总辐射量显著下降，年际间差异显著。2015—2016年辐射量变化范围2 105.7—2 528.5 MJ·m-2，Ⅲ至Ⅴ处理辐射量分别显著低于Ⅰ处理，降低10.7%、13.3%和16.7%；2016—2017 年辐射量变化范围 2 012.0—2 423.3 MJ·m-2，Ⅲ至Ⅴ播期处理辐射量分别显著低于Ⅰ处理，降低8.9%、13.8%和17.0%。

随玉米收获期的延迟，生长季辐射量逐渐增加，2016 年变化范围 1 727.1—2 193.4 MJ·m-2，Ⅱ至Ⅴ处理辐射量分别显著高于Ⅰ处理，提高8.3%、14.5%、19.1%和27.0%；2017年变化范围是1 628.3—2 085.3 MJ·m-2，Ⅱ至Ⅴ处理辐射量分别显著高于Ⅰ处理，提高7.4%、13.9%、20.1%和28.1%。由传统收获期（Ⅰ）至玉米籽粒完全达到生理成熟（Ⅱ）所需辐射量两年分别为143.8和120.7 MJ·m-2；生理成熟后籽粒进入脱水阶段，2016年Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间辐射量分别为107.1、185.6 和 322.5 MJ·m-2，2017 年分别为 105.6、206.2 和 336.3 MJ·m-2。

周年总辐射量在品种间、处理间和年际间差异不显著（表3），2015—2016年5个处理平均为4 280.2 MJ·m-2，2016—2017年平均为4 066.3 MJ·m-2。各季辐射量占周年总辐射量的比例及两季的比值相对固定，2015—2016年，Ⅰ至Ⅴ处理小麦季辐射量占周年总辐射量的比例分别为 59%、57%、53%、52%和 49%，玉米季分别为41%、43%、47%、48%和51%，小麦季与玉米季辐射量比值分别为 1.5、1.3、1.1、1.1和 1.0。2016—2017年，Ⅰ至Ⅴ处理小麦季辐射量占周年总辐射量的比例分别为60%、57%、54%、52%和49%，玉米季分别为40%、43%、46%、48%和51%，两季比值分别为 1.5、1.3、1.2、1.1和 1.0。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间辐射量占生长季辐射量的5.6%、9.8%和15.4%，占周年总辐射量的比例分别为2.6%、4.7%和7.9%。

表3 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年辐射分配Table 3 Distribution of radiation between winter wheat and summer maize with different sowing/harvest dates

由表 4可以看出，播收期的改变造成作物生长季降水量变化较大，年际间差异显著，品种间差异不显著。2015—2016年，除处理Ⅱ小麦季降水量显著低于处理Ⅰ外，各处理无显著差异，变化范围168.9—206.6 mm。2016—2017年，小麦季降水量随播期推迟逐渐降低，变化范围149.6—192.4 mm，Ⅱ到Ⅴ播期处理降水量分别低于Ⅰ处理，降低12.6%、17.9%、18.9%和22.2%。

随玉米收获期的延迟，生长季降水量逐渐增加，2016年变化范围273.3—342.4 mm，Ⅱ至Ⅴ处理降水量分别显著高于Ⅰ处理，提高 8.5%、21.6%、25.7%和30.1%；2017年变化范围253.1—292.9 mm，Ⅱ至Ⅴ处理降水量分别显著高于Ⅰ处理，提高 10.2%、14.1%、14.5%和15.7%。由传统收获期（Ⅰ）至玉米籽粒达到完全生理成熟（Ⅱ）所需降水量两年分别为12.4和25.7 mm，生理成熟后籽粒进入脱水阶段，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间降水量2016年分别为34.6、45.2和56.7 mm，2017年分别为9.9、11.1和14.1 mm。

年际间周年总降水量差异显著（表 4），2015—2016年各处理变化范围为443.1—517.6 mm，其中Ⅲ到Ⅴ处理降水量均分别显著高于Ⅰ处理，提高13.3%、14.1%和16.8%。2016—2017年各处理降水量无显著差异，平均为445.5 mm。2015—2016年，Ⅰ至Ⅴ处理小麦季降水量占周年总降水量的比例分别为38%、37%、40%、35%和34%，玉米季分别为62%、63%、59%、65%和66%，小麦季与玉米季降水量比值分别为 0.7、0.6、0.6、0.5和 0.5。2016—2017年，Ⅰ至Ⅴ处理小麦季降水量占周年总降水量的比例分别为43%、38%、35%、35%和34%，玉米季分别为57%、62%、65%、65%和66%，两季比值分别为 0.8、0.6、0.5、0.5和 0.5。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ处理籽粒脱水期间降水量占生长季降水量的 10.8%、13.7%和 16.6%（2016年），3.4%、3.8%和 4.8%（2017年）；占周年总降水量的比例分别为6.9%、8.9%和11.0%（2016年），2.2%、2.5%和3.2%（2017年）。

表4 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米一年两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/收期搭配下冬小麦-夏玉米一年两熟模式单季及周年产量

由表5可以看出，随播期推迟，小麦季产量呈先下降再上升的趋势，处理Ⅰ产量最高，除Ⅴ播期外，品种间无显著差异。2015—2016年Ⅰ处理AK58产量为8 212.9 kg·hm-2，分别高于Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ处理16.5%、25.8%和9.7%；Ⅰ处理ZM66产量为8 011.5 kg·hm-2，分别高于Ⅲ和Ⅳ处理16.1%和26.2%，与Ⅴ处理差异不显著。2016—2017年Ⅰ处理AK58产量为9 401.9 kg·hm-2，分别高于Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ处理20.9%、27.4%和8.9%；Ⅰ处理ZM66产量为9 278.7 kg·hm-2，分别高于Ⅲ和Ⅳ处理 17.1%和 21.6%，与Ⅴ处理差异不显著。年际间小麦产量差异较大，2016—2017年Ⅰ至Ⅴ处理平均产量分别高于 2015—2016年 15.1%、14.9%、12.6%、16.6%和15.8%。

产量构成因素中，小麦穗数、穗粒数和千粒重均受播期影响较大。由表5可知，随播期推迟，小麦穗数、穗粒数和千粒重均呈先下降后上升的趋势。与处理Ⅰ相比，Ⅲ和Ⅳ播期两品种穗数、穗粒数和千粒重均显著降低，Ⅴ处理AK58穗粒数和千粒重显著降低。2015—2016年，Ⅲ处理AK58和ZM66穗数较处理Ⅰ分别降低6.1%和5.9%，穗粒数分别降低5.8%和7.4%，千粒重分别降低7.1%和7.0%；Ⅳ处理AK58和ZM66穗数较处理Ⅰ分别降低 9.3%和 6.5%，穗粒数分别降低8.3%和9.5%，千粒重分别降低11.1%和8.9%；Ⅴ处理 AK58穗粒数较处理Ⅰ降低 5.8%，千粒重降低6.8%，但ZM66穗数、穗粒数和千粒重与Ⅰ处理无显著差异。2016—2017年，Ⅲ处理AK58和ZM66穗数较Ⅰ处理分别降低 7.5%和 6.1%，穗粒数分别降低4.8%和6.5%，千粒重分别降低6.9%和5.1%；Ⅳ处理AK58和ZM66穗数较Ⅰ处理分别降低10.2%和7.4%，穗粒数分别降低 6.9%和 10.2%，千粒重分别降低10.4%和 7.9%；Ⅴ处理 AK58穗粒数较Ⅰ处理降低5.1%，千粒重降低7.2%，ZM66穗数、穗粒数和千粒重与处理Ⅰ无显著差异。

由表6可以看出，随收获期推迟，玉米季产量逐渐增加，品种间差异不显著，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ处理产量显著高于Ⅰ处理，但Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ处理间差异不明显。2016年Ⅱ至Ⅴ处理XY335产量分别较正常收获期处理（Ⅰ）提高8.6%、14.5%、16.1%和17.5%，ZD958产量分别较处理Ⅰ提高 10.0%、19.6%、19.8%和21.6%。2017年Ⅱ至Ⅴ处理XY335产量分别较处理Ⅰ提高6.9%、14.6%、16.8%和15.4%，ZD958产量分别较处理Ⅰ提高7.8%、14.5%、18.7%和16.8%。

表5 不同播期冬小麦产量及产量构成Table 5 Yield and yield components of winter wheat with different sowing dates

随收获期推迟，玉米穗数和穗粒数没有显著变化，而千粒重显著增加，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ处理间没有显著差异，但显著高于Ⅰ和Ⅱ处理，且品种间差异不显著（表6—7）。2016年Ⅱ至Ⅴ处理XY335和ZD958的千粒重分别比处理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处理XY335和ZD958的千粒重分别比处理Ⅰ增加9.2%和10.8%、14.1%和13.3%、15.1%和14.1%、14.5%和15.0%。

随玉米收获期推迟，籽粒含水量显著下降，且品种间差异较大（表7）。由表6可知，2016年Ⅱ至Ⅴ处理XY335和ZD958的收获籽粒含水量分别比处理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处理XY335和ZD958的籽粒含水量分别为14.9%和17.3%；2017年Ⅱ至Ⅴ处理XY335和ZD958的收获籽粒含水量分别比处理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处理XY335和ZD958的收获籽粒含水量分别为14.4%和16.5%。

如前所述，随着播期的推迟，小麦季产量降低，但相应的玉米季产量显著增加，因此周年产量不降低甚至有所增加。由图2可知，各播收期处理中，处理Ⅴ周年平均产量最高，两年分别为18 729.1和19 503.4 kg·hm-2，与处理Ⅱ差异不显著，但显著高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ处理，2015—2016年增幅分别为7.8%、5.0%和7.9%，2016—2017年增幅分别为5.5%、6.4%和6.7%。

2.4 不同播/收期搭配下冬小麦-夏玉米一年两熟模式气候资源利用效率

由表8可以看出，随播期推迟，小麦季积温生产效率发生显著变化，年际间差异显著。2015—2016年Ⅴ处理小麦季平均积温生产效率为4.09 kg·hm-2·℃-1，显著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理，提高10.9%、11.7%、21.4%和 24.7%；2016—2017年Ⅴ处理平均积温生产效率为4.79 kg·hm-2·℃-1，显著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理，提高7.7%、14.0%、24.4%和25.4%。随收获期推迟，玉米季积温生产效率发生显著变化，其中Ⅱ处理显著高于Ⅳ和Ⅴ处理，与Ⅰ和Ⅲ处理差异不显著。2016年Ⅱ处理玉米季平均积温生产效率为3.27 kg·hm-2·℃-1，较Ⅳ和Ⅴ处理分别提高5.5%和6.2%；2017年Ⅱ处理玉米季平均积温生产效率为3.24 kg·hm-2·℃-1，较Ⅳ和Ⅴ处理分别提高 6.6%和 7.6%。因此，Ⅱ和Ⅴ周年积温生产效率显著高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ，但二者差异不显著。2015—2016年Ⅱ和Ⅴ周年积温生产效率分别为 3.43和 3.42 kg·hm-2·℃-1，分别高于Ⅰ、Ⅲ

和Ⅳ处理5.9%和5.6%、5.5%和5.2%、8.2%和7.9%；2016—2017年Ⅱ和Ⅴ处理周年积温生产效率分别为3.63和 3.62 kg·hm-2·℃-1，分别高于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ处理5.2%和5.1%、5.5%和5.2%、9.3%和9.0%。

表6 不同收获期处理夏玉米产量及产量构成Table 6 Yield and yield components of summer maize with different harvest dates

表7 年际间、处理间和品种间冬小麦-夏玉米产量及产量构成因素方差分析Table 7 The ANOVA analyses for yield and yield components of winter wheat and summer maize by years, treatment, and variety

图2 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年产量Fig. 2 Grain yield of winter wheat-summer maize double cropping system with different treatments

表8 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米光温生产效率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，随播期推迟，小麦季光能生产效率呈先降低后增加的趋势，年际间差异显著。2015—2016年Ⅴ处理小麦季光能生产效率平均为0.36 g·MJ-1，分别高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理 12.5%、12.5%、14.1%和24.1%；2016—2017年Ⅴ处理小麦季光能生产效率平均为0.44 g·MJ-1，分别高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理15.8%、12.8%、25.3%和25.7%。随着收获期推迟，玉米季光能生产效率呈先增加后降低趋势，Ⅱ处理显著高于Ⅳ和Ⅴ处理，与处理Ⅰ和Ⅲ差异不显著。2015—2016年Ⅱ处理玉米季光能生产效率为 0.56 g·MJ-1，分别高于Ⅳ和Ⅴ处理 5.7%和12.1%；2016—2017年Ⅱ处理玉米季光能生产效率为0.58 g·MJ-1，分别高于Ⅳ和Ⅴ处理7.4%和13.7%。因此，Ⅱ和Ⅴ处理周年光能生产效率显著高于处理Ⅰ和Ⅳ，但二者差异不显著。2015—2016年Ⅱ和Ⅴ处理周年光能生产效率分别为0.44和0.43 g·MJ-1，分别高于Ⅰ和Ⅳ处理5.0%和7.3%、5.2%和7.4%；2016—2017年Ⅱ和Ⅴ处理周年光能生产效率分别为0.48和0.47 g·MJ-1，分别高于Ⅰ和Ⅳ处理6.8%和9.1%、6.9%和9.2%。

由表9可以看出，随播期推迟，小麦耗水量（降水量与灌水量之和）显著下降，Ⅴ处理耗水量最低，两年分别为325.5 和299.6 mm，显著低于其他播期处理。各播期处理中，Ⅴ处理水分生产效率最高，2015—2016 年为 23.6 kg·hm-2·mm-1，分别高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理39.6%、38.8%、62.8%和46.6%；2016—2017年为 29.7 kg·hm-2·mm-1，分别高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理56.3%、51.5%、75.7%和54.7%。随收获期推迟，玉米耗水量逐渐增加，Ⅴ处理耗水量最高，两年分别为492.4和442.9 mm，但由于产量显著增加，2016年水分生产效率与处理Ⅰ无显著差异，2017年高于Ⅰ处理6.6%。除2016年处理Ⅲ玉米水分生产效率显著高于处理Ⅰ外，其他处理间水分生产效率差异不显著。因此，处理Ⅴ周年水分生产效率最高，两年分别为23.0和 26.9 kg·hm-2·mm-1，2016 年显著高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理，提高17.3%、12.2%、22.9%和18.6%，2017年显著提高于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ处理，提高29.3%、25.1%、32.5%和24.5%。

表9 不同播/收期处理冬小麦-夏玉米水分生产效率Table 9 Production efficiency of water for winter wheat-summer maize with different sowing/harvest dates

3 讨论

3.1 播/收期改变冬小麦和夏玉米生长季气候资源分配

优化传统冬小麦-夏玉米模式季节间气候资源配置，探索两季最佳的气候资源搭配模式是进一步挖掘黄淮海地区周年产量潜力和资源利用效率的重要途径。由于C4作物具有较高光合能力，有人提出充分发挥玉米的产量潜力，逐渐压缩小麦的生长时间的方法，以高效利用光热资源[4-5］，从而建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式，实现了周年产量达到15 000 kg·hm-2以上，光、温资源生产力分别提高64%和124%[9-10］。然而，随着黄淮海地区气候条件和生产条件的变化，冬小麦生长季遭遇冻害、冬旱和春旱及耗水严重等问题日益严峻[11,14］，同时由于两季时间限制夏玉米收获籽粒含水量在30%以上，严重影响机械直接收获籽粒质量，降低玉米生产效益[19-20］。为进一步探索适应新的气候条件和生产条件的冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季最佳的气候资源分配方案，本研究从10月上旬（当地农民习惯播种期）至12月上旬（种子冬前不萌发出苗），设置了5种冬小麦-夏玉米播收期搭配模式。研究表明，通过播/收期调整，小麦生育期天数由正常播期的236 d减少至第五播期的168 d，相应的玉米晚收生长天数由传统收获的106 d（Ⅰ）增加至166 d（V），处理V小麦晚播和玉米晚收的时间较“双晚”技术模式延长50 d左右[9-12］。另外，当处理Ⅱ夏玉米收获时籽粒达到生理成熟，处理Ⅲ、Ⅳ和V增加的时间（15—45 d）主要用于籽粒物理性脱水。生长时间的改变导致作物生长季内光温水资源量发生显著变化，随着播/收期推迟，两作物生长季光温水资源分配比例分别由处理Ⅰ的60%∶40%、46%∶54%、42%∶58%调整至处理V的49%∶51%、34%∶66%、34%∶66%范围内，小麦季光温水资源量逐渐减少，玉米季显著增加，其中处理Ⅲ至V玉米籽粒脱水期间的光温资源量分别占周年资源总量的 9.3%和 7.9%，降水资源所占比例为11.0%（2016）和3.2%（2017）。虽然各处理年际间光温水资源量差异显著，但其占周年总资源量的比例相对固定（降水除外），与我们前期的研究结果一致[8］，这也为进一步分析资源分配与产量形成的关系提供了定量标准。可见，通过播/收期的调整可实现冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季气候资源的重新分配，为进一步建立两季最佳的气候资源搭配模式提供了依据。

3.2 播/收期影响冬小麦和夏玉米产量形成

前人研究表明，作物产量形成与其所在地区的光温水等生态条件密切相关[19,27-30］。本研究通过播/收期调整，使得冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季资源分配发生显著变化，各处理产量也随之发生了明显改变。冬小麦产量随播期推迟逐渐降低，降幅为1 866.5—2 024.3 kg·hm-2，但处理Ⅱ及处理V的ZM66品种产量与正常播期无显著差异；且玉米季产量随收获期推迟显著增加，增幅为1 528.1—2 208.5 kg·hm-2，因此处理Ⅱ和V周年产量显著提高，而处理Ⅲ和Ⅳ与处理Ⅰ周年产量无显著差异。这与前人关于冬小麦-夏玉米“双晚”试验结果趋势相似[8,11-12,31］。从产量构成因素看，本研究中小麦晚播导致穗数、穗粒数和千粒重均降低，但处理Ⅱ和 V下降不显著，尤其是ZM66品种在处理Ⅱ和V具有较高的穗数、穗粒数和千粒重。前人研究表明，晚播可提高某些小麦品种旗叶叶绿素含量，维持叶片较高的光合物质生产能力[32-33］，特别是选择高温条件下具有较高花后光合能力和干物质积累能力的小麦品种（如济麦22）是维持极晚播小麦较高产量的关键[34］。由此我们推测本研究选用的ZM66品种在处理Ⅱ和V播期下具有较高的花后光合物质生产能力，从而维持了小麦较高的有效穗粒数和粒重；同时由于晚播造成小麦分蘖减少，特别是处理V主要依靠主茎成穗，通过增加播种量保证了足够的穗数[11-12］，从而维持了较高的产量。这与前人冬小麦极晚播（11月上中旬）试验结果类似[34］，通过选用济麦22品种和增加播量至800—850 粒/m2在河北吴桥实现了冬小麦最高达82 900 kg·hm-2的产量水平。然而，不同地区因其光温水资源禀赋的差异，种植该模式时应先确定该区小麦适宜的越冬状态、品种、播期及密度等条件，以保证较高的小麦产量。

另外，夏玉米晚收显著延长了灌浆期（15 d），使植株营养器官积累的内源物质继续向籽粒转移，导致粒重显著增加[11-12,35］，处理Ⅱ至V玉米产量显著提高，但由于处理Ⅱ（10月上旬）玉米已达到生理成熟，继续延长收获期粒重和产量不再增加，因此处理Ⅱ至V玉米产量无显著差异。然而，由于处理V玉米生理成熟后至收获约45 d，保证了籽粒充分脱水，因此收获时籽粒含水量降至14.4%—17.3%。研究表明，籽粒含水量是影响机械粒收质量的重要因素，籽粒含水率超过20%时收获机械损伤率急剧增加[36］，且收获后的高温快速干燥使籽粒破碎敏感度进一步增大[37-38］。柴宗文等[19］和李璐璐[20］等研究表明，夏玉米籽粒含水量为 25%时机械收获籽粒破碎率为 6.6%，杂质率为1.1%，而含水量降到17%时破碎率为5.8%，杂质率为0.1%。当收获玉米的籽粒含水率在25%以上时，每吨玉米烘干的费用为24加元，每年加拿大因烘干玉米的费用超过2 亿加元[39］；我们前期对我国玉米籽粒机收现状调研结果表明，每吨玉米籽粒由含水量25%烘干到14%成本需要34.4元左右，而每吨含水量为17%的籽粒烘干成本仅需 8.9元左右，而本研究中处理V玉米收获时籽粒含水量已降至17%以下，可通过进一步筛选脱水快的品种达到籽粒机收直入库的含水量标准（14%）。此外，目前的籽粒烘干设备需要消耗大量的电力和煤炭资源，也会造成资源浪费和环境污染。可见，处理V是一种既能保证冬小麦-夏玉米一年两熟模式较高周年产量，又能提高夏玉米机械收获籽粒质量和效益的两季作物生长季气候资源分配的最佳方式。

3.3 播/收期影响冬小麦和夏玉米生长季及周年气候资源利用效率

分析播/收期调控对冬小麦-夏玉米模式周年光温水资源生产效率的影响发现，由于处理V小麦季光温水资源量显著降低，特别是小麦冬前不出苗其灌水量减少 150 mm（底墒水和越冬水），但其产量下降不显著，因此小麦季光能、温度和水分生产效率分别较处理Ⅰ平均提高14.2%、9.3%和47.9%；而玉米季虽然光能、温度生产效率有所降低，但水分生产效率显著提高，因此处理 V冬小麦-夏玉米周年光能、温度和水分生产效率分别提高8.2%、5.4%和23.3%。这主要是因为通过播/收期的调整使小麦季冗余资源转移给更加高效的玉米季，实现了周年生长季与气候资源的优化配置，从而提高了气候资源的利用效率[8,11-12］。另外，前人研究表明气候变化导致我国北方温度持续上升，极端天气频发[21-22］，冬小麦播种过早导致冬前苗期旺长，拔节孕穗提前，易遭受严重冻害和干旱，造成减产[11］。本研究通过将小麦播期推迟至 12月上旬，种子冬季不萌发出苗，可避免苗期冻害和干旱影响；且该播期下小麦拔节期（3月底4月初）晚于传统播期小麦（3月上中旬），可避免倒春寒发生对幼穗发育的影响（3月中下旬）[40-41］。可见，通过播/收期调整实现冬小麦-夏玉米一年两熟模式作物生长季气候资源优化配置，特别是处理V（小麦12月上旬播种，玉米11月中旬收获）的气候资源搭配模式，可显著提高其周年产量及资源利用效率。然而，作物生长季节内光温水资源的时空分布，及其与作物生长发育的动态匹配程度也是影响单季作物产量形成及资源利用效率的重要因素[22,29,42］，因此进一步研究生长季节内光温资源变化与小麦生长发育的定量匹配关系对于建立更加完善的冬小麦-夏玉米一年两熟周年资源高效种植模式具有重要意义，这也是我们下一步研究的重点。

小麦是我国主要的口粮作物，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。从某种意义上讲，这两大粮食作物因其共同的能量属性，存在相互替代和互补的关系。例如，2010—2011年由于国内小麦价格低廉，大量小麦用于饲料加工（中国饲料行业信息网，2012）。近年来，华北地区小麦季耗水量大且利用效率低的问题导致该区地下水过度开采，引起一系列的环境问题[16-18］，且受气候变化影响，冬季冻害、干旱等问题进一步加剧[11］，限制了该区传统冬小麦-夏玉米模式的可持续发展。本研究建立的小麦冬寄籽-玉米机收粒模式（处理V）在一定程度上缓解了小麦季耗水严重和冬季干旱、冻害，同时可有效解决玉米籽粒机收的问题。然而，考虑到小麦作为口粮对于保障我国粮食安全的重要性，该模式的建立并不能完全取代整个黄淮海地区传统的冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式，而是希望在黄淮海北部光温水资源紧缺区，特别是河北黑龙港流域和环京津的水分亏缺区，在根据当地光温水资源条件进行适宜品种和播收期筛选的前提下种植该模式，以进一步提高该区周年资源利用效率和经济效益。

4 结论

以充分发挥玉米高光效优势为核心，通过调节小麦播种期和玉米收获期对两季光温水等资源进行优化配置，建立了5种冬小麦-夏玉米一年两熟作物生长季气候资源分配模式。随冬小麦播期和夏玉米收获期推迟，小麦生育期天数和生长季光温水资源分配量逐渐减少，从而导致小麦季产量降低，但由于极晚播（12月上旬）（处理V）小麦的ZM66品种维持了较高的穗数和穗粒数，产量与正常播期无显著差异，同时由于耗水量显著降低，小麦季光温水生产效率显著提高；而玉米生长时间和光温水资源量明显增加，导致粒重显著提高，且籽粒含水量降至14.4%—17.3%，产量显著提高，虽然光温生产效率有所降低，但水分生产效率显著提高，因此处理V周年产量和光温水资源利用效率较正常播收期处理显著提高。然而，在种植该模式时，应首先根据不同地区光温水资源条件确定小麦适宜的越冬状态，进而确定品种、播期及密度等措施。综上所述，在不增加任何投入的前提下通过播/收期调整来优化冬小麦-夏玉米一年两熟模式周年气候资源配置，减少冬小麦季耗水量，并提高夏玉米籽粒机械收获质量，促进黄淮海冬小麦-夏玉米一年两熟模式可持续发展。