冬小麦-夏玉米周年光温资源高效利用

赵斌，李宗新，李勇，刘鹏，张吉旺，任佰朝，高英波，王旭清，张宾，刘开昌，王法宏

·导读·

冬小麦-夏玉米周年光温资源高效利用

赵斌1，李宗新2，李勇1，刘鹏1，张吉旺1，任佰朝1，高英波2，王旭清3，张宾3，刘开昌3，王法宏3

（1山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2山东省农业科学院玉米研究所，济南 250100；3山东省农业科学院作物研究所，济南 250100）

光能是地球生物赖以生存、繁衍和进化的最基本能量源泉，光合作用是将太阳能转化为有机化学能的过程，是作物生产系统形成的基础。地球独特空间位置和公转周期形成适宜作物生存的气候带，决定了作物光合系统构成的器质性差异和对温度响应的可塑性；自转产生光质和温度昼夜节律变化，使作物生产系统形成了向日性内源节律和生理门控效应，二者共同决定作物形态建成和产量基础。黄淮海平原是我国冬小麦、夏玉米主产区，处于暖温带季风气候区，属于典型的冬小麦-夏玉米两熟制地区。该地区小麦、玉米产量分别占全国小麦、玉米总产量的57%、35%左右（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/）。随着全球气候变暖，地区气候资源分布会发生变化，例如，华北地区气候变暖致使玉米生育前期的温度升高，在北方春玉米区导致玉米的种植界限北移等[1]，进一步加剧了气候资源分布的不均匀性；而作物对气候变化较敏感，光、温的改变影响作物生长发育进程的主要环境因素的改变，导致传统冬小麦-夏玉米周年种植模式季节间光温资源配置不合理，作物品种、播期、密度、生育期等与当前该区域光热资源变化不匹配，限制了周年产量及资源利用效率的进一步提升[2-4]。因此，深入研究黄淮海区域小麦-玉米周年光温资源的合理配置，通过品种、播期和密度等配套措施的改进，匹配作物生长发育与光温资源，实现区域光温资源的高效利用，对作物高产高质高效具有重要现实意义。

光合作用是作物干物质积累和籽粒产量形成的物质基础。在植株生长所积累的总干物质中，光合作用所形成的有机物约占95%，矿质元素仅占5%左右。因此，光合作用所形成的有机物多少，直接决定着作物生物产量的高低。对于以籽粒为收获物的作物，产量的高低还取决于营养物质的分配，即物质由植株向籽粒输送并在籽粒中积累的能力（经济系数）。Tollenaar等[5]研究发现，从1984年到2013年，美国玉米带27%的玉米产量增益归功于太阳光的增强。现代农业生产需大幅度提高作物单产，必须提高光合作用效率，增加光合产物的积累，提高经济系数，正确协调产量形成过程中内外因素的关系，才能达到粮食高产、优质、高效的目的。目前作物的叶面积指数和经济系数已难以继续增加，若想进一步提高作物产量就必须增加生物量，提高作物光能利用率成为关键。太阳能的合理利用可显著提升作物产量，而作物对光能的利用是一个综合过程，涉及作物、气候、土壤、栽培和肥料等多个方面，因此要从不同的水平上来分析。在叶绿体水平上，正常条件下的光能（以680 nm波长计）转化效率达24%，这一水平上的限制因子是同化力的形成。在单叶器官水平上，被叶片光合作用固定的能量约占太阳能的5%，影响这一水平的主要因素是叶片厚度、光合功能期和呼吸强度。在植株水平上，不同叶片存在叶龄、叶位和叶姿等差异，且叶片彼此会有遮蔽和重叠等，将很大程度地影响植株一生对光能的利用率；在这一水平上，塑造良好株型和增加植株光合总面积是很好的调控途径。在群体水平上，主要通过栽培措施进行调控，涉及合理密植、适时封行、肥水调控和创建最适叶面积指数等[6]。

1 作物品种与光温生产潜力

广义上来说，作物的高产潜力是指某个地区潜在的光温理论产量。作物单位面积实际产量则是品种的遗传潜力和光温等环境条件相互作用的结果[7]。育种学家在植物生理学家研究的基础上重视植株水平上的高光效育种，目前我国作物育种家们在这方面已经做了大量工作。茹振钢等[8]研究认为，利用杂种优势挖掘小麦穗光合增产潜力、培育穗叶高光效品种，配套高产栽培技术可实现黄淮麦区产量潜力逐步达到12 000—13 000 kg·hm-2。山东省农业科学院、山东农业大学、烟台市农业科学研究院等单位相继选育出济麦22、山农28、烟农1212等高产小麦品种，通过品种、气候因子和栽培技术的匹配优化实现小麦超高产[9]，连续培创了11 848.5 kg·hm-2（2009年）、12 610.5 g·hm-2（2019年）、12 853.5kg·hm-2（2020年）冬小麦单产纪录。中国农业科学院李少昆团队研究认为，黄淮海地区夏玉米光温生产潜力产量可达到31 150 kg·hm-2，远高于其他夏玉米产区[9]。紧凑型玉米育种就是这个方向上的重大突破，李登海率先育成的紧凑型玉米掖单2号，开创了我国紧凑型玉米育种的先河，随后该地区选育出以掖单13、鲁单50、郑单958、登海605等为代表的一系列紧凑耐密新品种；紧接着围绕紧凑型玉米增产机理和群体光合开展了系列研究，探明了紧凑型玉米株型、物质生产和源库特征，明确了紧凑型玉米增产融合了杂种优势和群体光能利用两方面的因素[10-11]，肯定了紧凑型玉米密植增产的作用，并提出提高和保持花后群体光合速率、延长高值持续期是玉米增加粒重、提高产量的重要途径[12-14]；同时构建了以直播晚收为核心的夏玉米增产技术，持续定位开展了夏玉米高产潜力攻关，并创造了全国夏玉米21 037.5 kg·hm-2的高产纪录[15]，促进了紧凑型玉米的大面积应用，推动了全国玉米生产的大发展[16]。

2 作物栽培技术与光温资源利用调控

为了提高黄淮海区域小麦玉米周年光温资源利用效率，栽培学家们针对作物群体水平上的高光效调控进行了大量研究，并形成了一系列高产高效的栽培技术，对全国各地粮食产量的稳步提升做出了重大贡献。

小麦研究方面，宽幅精播技术通过改变群体结构提高光温资源利用效率，提高单株与群体分蘖数和单株成穗数来增加单位面积穗数，实现增产，较常规条播的增产效应显著[17-18]，成为全国小麦高产主推技术。河南农业大学郭天财团队研究表明宽幅精播与带间距（12 cm）可使冠层结构更合理，微环境特别是光截获量更适宜，产量达到最高[19-20]；对于旱作小麦，宽幅播种幅间距在18 cm可协调群体结构，配套适宜基因型冬小麦，产量和水分利用效率均可得到提高，达到节水降耗的效果[21]。山东农业大学贺明荣团队为解决全球气候变暖带来的冬前小麦旺长易倒伏和发生冻害问题，通过调整小麦播期（晚播），提高了主茎在群体中的比重，有利于减少无效消耗和提高资源利用效率，提高抗倒伏能力[22]；晚播可通过调节发育中的穗与茎之间的激素稳态，加强了同化物对穗的分配，可保证较高的小花存活率，有利于产量的稳步提高[23-24]。玉米研究方面，河南农业大学通过抗性互补、育性互补、当代杂种优势构建不同基因型玉米间混作复合群体，可显著提高玉米群体的抗逆性和群体光合性能，提出构建生态位互补复合抗逆群体的原则与关键技术[25-26]；山东农业大学系统研究指出宽窄行配置在高密度条件下可以优化群体内光分布，增加蓝紫光比例，促进叶片和叶绿体发育，提高叶片光合能力，延缓叶片衰老，提高玉米产量，提出宽窄行配置增密高产高效关键技术[27-28]；山东省农业科学院玉米栽培生理团队通过夏玉米高产长期实践，依据当地光热资源研究确定山东省夏玉米的光温高产潜力为25 830 kg·hm-2，总结提出了单位面积产量13 500 kg·hm-2以上的夏玉米高产的生理特性和主要矿质营养的吸收规律[29]；中国农业科学院作物栽培与生理团队围绕密植增产，初步探明了产量潜力突破最佳群体与区域光辐射量资源的定量匹配关系，提出了“增密增穗、水肥促控与化控两条线、培育高质量抗倒群体和增加花后群体物质生产量与高效分配”的玉米高产突破途径与关键技术[30-31]。调整群体的同时加强肥水管理也可以有效提高光温利用率，比如，将种植密度提高，适当增加施肥量，将一次性施肥改为分次施肥能够使夏玉米光、温资源生产效率分别提高14.74%、14.41%[2, 32]。

作物品种、播种期与光温资源的匹配度是影响作物生长发育和产量形成的关键限制因子，可通过调控作物生长发育与光温的协同性，实现作物产量和光温资源利用效率的协同提升[33-34]。近年来，围绕周年光温资源高效利用开展两季作物产量调控途径的研究渐多。Wang等[33]利用系统模型APSIM分析发现，在华北平原区域运用“两晚技术”可显著提升小麦-玉米周年光温利用效率，进而增加小麦-玉米周年产量4%—6%。许珂等[35]研究稻-麦两熟制下，播期与品种类型对水稻产量、生育期及温光利用的影响，并根据不同类型水稻产量、生育期以及光温资源利用情况提出当地不同播期科学配套水稻品种类型的初步区划。中国农业科学院赵明团队创新了作物产量综合分析的源库性能模式，即“三合结构”模式，为系统研究和分析产量形成提供了方法[7,36-37]。该模式首次提出了两季间以积温为主的多资源配置和以光温生产潜力当量为主的季节内利用指标，明确小麦季和玉米季积温分配率分别为43%和57%，两季间积温比值为0.7，可显著提升各地区光温资源利用效率，产量均达到当前生产和生态条件下的最高水平[38]。依此创新了光温和肥水高效利用的关键技术，构建了发挥玉米优势的周年高产高效技术体系，实现了调播期改品种零增投的周年高产高效同步提高。20世纪90年代，王树安[39-40]在华北平原建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式，即将冬小麦播种期由10月初推迟至10月中旬，夏玉米收获期由9月中旬推迟至9月底，其周年产量达到15 000 kg·hm-2以上，光、温资源生产力分别提高64%和124%。在保持原有投入成本不变的情况下，夏玉米收获期和冬小麦播期分别推迟5-7 d，可显著提高周年产量和光温水资源利用效率[41-42]。河北农业大学、山东农业大学先后研究探明了黄淮北部、黄淮东部小麦-玉米“双晚”种植方式的光温调控效应，提出了小麦“延播匀株密植”和玉米“抢时增密晚收”的光温高效利用途径，实现周年光温资源优化配置与高效利用[43-46]。以上一年两季作物生长发育与光温资源匹配机理和调控技术的系列研究，切实促进了粮食作物周年产量与光温资源利用效率提升。

3 展望

依靠高产品种和群体调控等关键栽培技术的支撑，山东省周年两熟种植制度下冬小麦、夏玉米高产纪录分别达到了12 853.5 kg·hm-2、21 037.5 kg·hm-2，这一数据远高于山东省当前小麦6 379.5kg·hm-2、玉米6 590.4 kg·hm-2的平均水平。可见，现有生产管理条件下山东省小麦、玉米的周年增产潜力还远远没得到充分发挥。农户实际产量与潜在理论产量之间存在较大的差距，这种情况在国内外也是广泛存在的[47]。如何缩小理论产量与实际产量之间的差距，一直是农业科研工作者、农技推广部门和新型农业经营主体等共同努力的方向和目标。

数据表明，全球变暖趋势仍在持续。中国是全球气候变化的敏感区和影响显著区。1951至2019年，中国年平均气温每10年升高0.24℃，升温速率明显高于同期全球平均水平[48]。随着全球气候变化的影响，太阳有效辐射量每10年会下降1.3%[49]，近年来，黄淮海地区每日光照时数缩短，秋、冬季温度持续增加[50]，会出现冬小麦冬前旺长易受冻害、夏玉米生育期不足不利于机械化、易发生倒伏等问题，严重影响作物生长发育[23, 50-51]。随着研究方法和监测手段的提升，长期定位跟踪并解析黄淮海东部不同生态区域关键气象因子、土壤、品种和栽培管理措施的综合效应，进一步明确各区域小麦-玉米周年光温生产潜力和产量差的关键限制因子，在此基础上着力研发易操作、可规模化应用的栽培技术，是小麦-玉米周年光温资源高效利用研究领域的重点。

本专题刊登的5篇文章聚焦小麦玉米周年光温资源优化配置，研究分析光温资源高效利用的限制因素和提高途径，以期为黄淮海地区小麦玉米周年光温资源与产量协同高效提供理论依据。其中，《冬小麦-夏玉米周年农田资源高效利用限制因素分析》利用模拟模型等方法分析了山东省4个生态区域（鲁东、鲁中、鲁西北及鲁西南）资源高效利用及产量提升的主要限制因素，明确了冬小麦生长季及夏玉米生长季4个地区均受光温资源因素影响较大[52]。《扩行缩株对夏玉米群体冠层结构及产量的影响》采用扩行缩株的方式调整群体冠层结构，明确了高密度（82 500株/hm2）条件下80 cm行距种植，夏玉米群体结构更加合理，可实现光能资源的高效利用，提高产量[53]。《错株增密种植对夏玉米光合特性及产量的影响》通过调整植株个体在群体中的空间生态位，优化群体的内部空间和小气候，提升光温资源的高效利用，达到高产高效的目的[54]。《行距配置和覆反光膜对夏玉米产量及光能利用的影响》研究了宽窄行种植辅以反光膜，充分利用宽行透射光，增加下部叶片的光照，延缓下部叶片的衰老，实现光能的再利用、光能利用率的再提高[55]。《吐丝前高温胁迫对不同耐热型夏玉米产量及穗发育特征的影响》重点研究阐明了花前高温胁迫影响夏玉米产量和穗发育的机理，且花前高温胁迫对花粒期耐热型玉米品种产量形成、光合特性和雌雄穗发育的影响更明显[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

国家重点研发计划项目（2017YFD0301000，2018YFD0300602）

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

（责任编辑 杨鑫浩）