冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式周年资源利用效率及经济效益*

周宝元 ,陈传永 ,孙雪芳 ,葛均筑 ,丁在松 ,马 玮 ,王新兵,赵 明**

(1. 中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态与栽培重点开放实验室 北京 100081;2. 北京市农林科学院玉米研究所 北京 100097;3. 青岛农业大学农学院 青岛 266109;4. 天津农学院农学与资源环境学院 天津 300384)

黄淮海平原是我国重要粮食产区,冬小麦(Triticum aestivumL.)-夏玉米(Zea maysL.)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75%和35%左右,为保障我国粮食安全做出了重要贡献。然而,随着我国粮食生产水平不断提升及气候变化发展,该区传统冬小麦-夏玉米种植模式生产中面临全程机械化水平低[1]和水资源短缺[2]等一系列难题,限制了冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式的可持续发展 。

研究表明,玉米籽粒含水率是影响其机械收粒质量及商用品质的重要因素[3-4]。在冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式下,夏玉米季生长季短热量资源相对紧张,加之品种生育期偏长,收获时籽粒含水率通常在30%～40%,机械直接收获籽粒质量差[1,3],造成商品品质和经济效益低。推迟玉米收获期,使其在田间站秆脱水是降低玉米籽粒含水量的主要农艺措施。李璐璐等[5]研究表明,将22 个品种的夏玉米收获期从生理成熟推迟16～52 d,可以使籽粒含水量平均降至17.3%以下。但在黄淮海地区玉米在11 月中旬收获,影响小麦正常播种。郑天存等[6]和邱军等[7]从两季统筹考虑,提出了将小麦适当晚播10～15 d,给玉米机收让出一定的籽粒脱水时间,同时选用适宜机收籽粒的早熟、脱水快的玉米新品种,可使玉米收获时籽粒含水量降至21%～22%,破碎率降至3.82%～7.02%,达到玉米国标(GB 1353-2009)三等玉米破碎率低于8%的标准,实现了玉米机收籽粒。然而,早熟玉米品种和晚播小麦的产量均显著低于相应对照,且玉米机收籽粒的含水量(20%～30%)距安全贮藏含水量依然相差较大[8],籽粒烘干成本较高,且高水分籽粒易发生霉变。可见,调整播/收期优化冬小麦-夏玉米周年光温资源配置是实现夏玉米机械收获籽粒的一条重要途径,但如何保证周年产量和种植经济效益不降低成为关键。

另外,由于黄淮海地区冬小麦-夏玉米种植模式需水量(870 mm 以上)与自然降雨量(500～800 mm)之间的差异较大,且降雨季节间分布不均衡(小麦季仅占20%～30%),导致小麦季需400 mm 以上灌水量[9-11],过度消耗地下水造成地下水漏斗等严重生态问题[12-14]。虽然通过根层亏缺灌溉、测墒补灌、限制性灌溉等技术能较大幅度提高水分利用效率[2],但为保证小麦高产仍需250 mm 以上的灌水量,不可避免过度消耗地下水[15]。近年来,一些研究也尝试从种植系统优化角度探索实现冬小麦-夏玉米周年高产和水分高效利用的途径。Sun 等[16]和Xu 等[17]分别在黄淮海中部水资源相对充足区和北部水资源紧缺区,将小麦播期和玉米收获期推迟5～10 d,显著减少了水分消耗,周年产量不降低而水分利用效率显著提高。Ding 等[18]认为适当推迟播期能够维持较高小麦产量,同时减少了蒸散,提高了水分利用效率。Wang 等[19]进一步将小麦播期大幅度推迟至11 月初,减少了冬季灌水,起到很好节水效果,并通过选用中穗型品种和增加播量保证小麦较高产量。可见,合理调整播/收期可能是实现冬小麦节水的一条重要途径,对促进黄淮海冬小麦-夏玉米种植模式水资源可持续利用具有重要意义。

综上所述,通过调整播/收期优化冬小麦-夏玉米周年气候资源配置,可能是同时实现夏玉米机械收获籽粒和冬小麦节水的主要技术途径之一。本课题组前期开展的大跨度推迟冬小麦-夏玉米播/收期试验表明[8],最大限度推迟小麦播种期(11 月中旬)和玉米收获期(11 月上旬),保证玉米有充足的时间使籽粒含水量降至18%以下,基本达到机械收粒直接入库标准,建立了冬小麦-夏玉米双机收籽粒种植模式,即冬小麦-夏玉米周年种植系统中两季作物均为机械直接收获籽粒的种植模式。同时也发现,随着小麦和玉米播/收期的推迟,周年耗水量减少,水分生产效率提高。可见,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式的建立,为同时解决夏玉米机械收获籽粒和冬小麦节水问题提供了思路,然而如何保证该模式较高的周年产量及经济效益尚缺乏深入系统的研究。为此,本研究同时在山东胶州、河北大名和河南新乡3 个典型代表性试验点开展了2 年定位试验,深入研究了冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式周年产量和生物量、光温水资源季节间分配与利用、经济效益等特征,明确其比传统冬小麦-夏玉米种植模式产量、资源效率及效益的优势,系统阐明不同生态区冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式的区域生态适应性,以期为该种植模式的大面积推广应用,促进冬小麦-夏玉米两熟种植模式全程机械化水平提升和水资源可持续利用提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018-2020 年在山东胶州、河北大名和河南新乡同时进行,各试验点均为典型的黄淮海平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植区,属暖温带季风气候,年平均气温12～14 ℃,无霜期200～220 d,年降水量504.9～662.1 mm,多在7、8 月间,年日照时数1928～2557 h,能够满足冬小麦-夏玉米一年两熟模式种植需求。各试验地土壤条件良好,土壤类型、基础地力情况详见表1。

表1 各试验地块土壤条件Table 1 Soil conditions of different experimental sites

1.2 试验设计

采用随机区组设计,设置2 个冬小麦-夏玉米种植模式,分别为传统冬小麦-夏玉米种植模式(对照,CK)和冬小麦-夏玉米双粒收种植模式(处理,TR),小区长35 m,宽4.8 m,3 次重复。CK 处理小麦和玉米的播种和收获期按照当地农民习惯进行;TR 处理小麦极晚播,即以冬前0 ℃以上积温不超过150 ℃,越冬期间种子处于萌发不出苗或1 叶露头(出苗越冬率85%以上)为标准确定播种期,增加播种量(每晚播2 d 增加0.5 kg·hm-2)以保证较高的收获穗数;夏玉米极晚收,即在植株不倒伏前提下以籽粒含水量14%～16%为标准确定收获期。两处理详见表2。

表2 不同处理冬小麦、夏玉米种植方案Table 2 Planting scheme for winter wheat and summer maize of different treatments

每年选用小麦、玉米品种各2 个为试验材料,2018-2020 年小麦品种均为‘济麦22’(JM22)和‘中麦66’(ZM66),2019 年胶州、大名、新乡选用的玉米品种分别为‘登海605’(DH605)和‘迪卡517’(DK517)、‘郑单958’(ZD958)和‘豫单9953’(YD9953)、‘郑单958’(ZD958)和‘京农科728’(JNK728),2020 年胶州、大名、新乡选用的玉米品种分别为‘登海605’(DH605)和‘先玉335’(XY335)、‘郑单958’(ZD958)和‘豫单9953’(YD9953)、‘郑单958’(ZD958)和‘京农科728’(JNK728)。其中,‘郑单958’ ‘登海605’和‘先玉335’为中晚熟玉米品种,‘迪卡517’ ‘豫单9953’和‘京农科728’为早熟玉米品种。冬小麦采用17 cm或20 cm 等行距种植,玉米采用60 cm 等行距种植。小麦播种时土壤相对含水量为70%～80%,不足时提前造墒,随播种施氮磷钾复合肥(15%-15%-15%) 750 kg·hm-2;拔节期和抽穗期结合浇水分别追施尿素150 kg·hm-2;灌浆期喷施磷酸二氢钾防干热风和早衰。玉米随播种施氮磷钾复合肥(15%-15%-15%) 750 kg·hm-2,于拔节期结合灌水或降雨追施尿素(含氮46%) 240 kg·hm-2。CK 处理小麦季灌水时期为越冬期、返青期、拔节期和抽穗期,TR 处理为拔节期和抽穗期,玉米季各处理灌水时期相同,灌水量如表2所示。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象资料收集

气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)和试验地田间气象站,主要包括日均温、日高温、日低温、日照时数、辐射量和降水量等指标。

1.3.2 季节间资源分配率与分配比值

根据以下公式计算不同冬小麦-夏玉米模式季节间资源分配率和分配比值等指标[20]:

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[21]。

式中: AT、Tmax和Tmin分别为≥0 (10) ℃积温、日高温和日低温;小麦季为全生育期≥0 ℃天数的日平均温度之和,玉米季为全生育期≥10 ℃天数的日平均温度之和。

1.3.3 生物量及干物质产能

于收获期,每小区随机选取3 个样点,每个样点取20 株小麦植株,取玉米代表性植株5 株,分样后置于烘箱105 ℃杀青30 min,80 ℃烘至恒重,计算群体地上部干物重。干物质产能指标按照王美云等[22]的方法计算,以单位面积生产的干物质量的干重热值表示。

干重热值(GCV)指每克干物质完全燃烧所释放的能量(J·g-1)[23],小麦干重热值为1.747×104J·g-1,玉米干重热值为1.807×104J·g-1。

1.3.4 产量及产量构成

冬小麦收获时,每个小区取有代表性的3 个样点,每个点取1 m2实收测产,同时每个点取20 株考种,调查穗粒数、千粒重和含水量。夏玉米收获时,每小区取中间4 行穗(48 m2),测定全部收获穗数,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,每小区另选取代表性穗子20 穗进行考种,测定穗粒数和千粒重。

1.3.5 光、温、水生产效率

1.3.6 经济效益

根据以下公式计算产值和经济效益:

玉米和小麦单价按当年当季的收购价计算。2019 年胶州、大名和新乡的小麦平均收购价格分别为1.97 元·kg-1、2.01 元·kg-1和1.91 元·kg-1,玉米平均收购价格分别为2.26 元·kg-1、2.24 元·kg-1和2.28 元·kg-1;2020 年胶州、大名和新乡的小麦平均收购价格分别为2.26 元·kg-1、2.24 元·kg-1和2.22 元·kg-1,玉米平均收购价格分别为2.85 元·kg-1、2.66 元·kg-1和2.65 元·kg-1。成本包括用工、机械、种子、灌溉、肥料和农药,玉米按照机械免耕播种、收获、脱粒,小麦为机械整地、播种、收获。用工标准和生产资料价格依据各试验点当地用工及物价水平确定。小麦季整地及播种1050 元·hm-2,收获900 元·hm-2,喷药727.5～874.5 元·hm-2,施肥2400～3000 元·hm-2,种子1035～1725 元·hm-2;玉米季播种300 元·hm-2,收获籽粒和果穗分别为1500 元·hm-2和1200 元·hm-2,喷药711.5～824.5 元·hm-2,施肥3525 元·hm-2,种子870元·hm-2。胶州、大名和新乡灌溉1 次分别为150元·hm-2、225 元·hm-2和225 元·hm-2,人工费分别为150 元·工-1、110 元·工-1和100 元·工-1。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2016 和SPSS 16.0 软件进行数据处理和统计分析,采用SigmaPlot 10.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦-夏玉米不同种植模式生长天数

由图1 可以看出,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式(TR)与传统冬小麦-夏玉米种植模式(CK)小麦季和玉米季生长天数差异较大,年际间和区域间各处理变化趋势基本一致。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理小麦分别比CK 晚播31 d、31 d 和36 d,小麦季总生长天数分别减少27 d、27 d 和30 d;夏玉米比CK 分别晚收39 d、41 d 和41 d,玉米季总生长天数分别增加34 d、37 d 和36 d;周年总生长天数分别增加7 d、10 d 和6 d。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理小麦比CK 分别晚播31 d、31 d和36 d,小麦季总生长天数分别减少27 d、26 d 和33 d;夏玉米分别晚收41 d、43 d 和43 d,玉米季总生长天数分别增加37 d、38 d 和40 d;周年总生长天数分别增加10 d、12 d 和7 d。

图1 2018—2020 年冬小麦-夏玉米不同种植模式生长天数Fig.1 Durations of different winter wheat-summer maize cropping systems from 2018 to 2020

2.2 冬小麦-夏玉米不同种植模式周年光温水资源定量分配特征

由表3 可以看出,各处理冬小麦季、夏玉米季和周年≥0 ℃积温量在年际间变异较小,在区域间变异较大;冬小麦季和夏玉米季积温量在处理间差异显著(P＜0.05),周年积温总量在处理间差异不显著。胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季2 年平均积温量分别比CK 减少13.6%、12.1%和13.5%;夏玉米季2 年平均积温量分别增加16.5%、17.8%和16.1%。冬小麦和夏玉米积温分配率和积温比值在年际间和区域间变异较小,处理间变异较大。CK 处理冬小麦季和夏玉米季积温分配率分别平均为43%和57%,积温比值平均为0.8;TR 处理冬小麦季和夏玉米积温分配率分别平均为36%和64%,积温比值平均为0.6,显著低于对照(P＜0.05)。

表3 冬小麦-夏玉米不同种植模式的周年≥0 ℃积温分配Table 3 Distribution of annual accumulated temperature ≥0 ℃ for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表4 可以看出,各处理冬小麦季、夏玉米季和周年辐射量在年际间和区域间变异较大;冬小麦季和夏玉米季辐射量在处理间差异显著(P＜0.05),周年辐射量在处理间差异不显著。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季辐射量分别比CK 减少8.6%、9.4%和13.2%;夏玉米季辐射量分别增加18.8%、23.1%和14.1%。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季辐射量分别比CK 减少2.6%、8.6%和6.8%;夏玉米季辐射量分别增加28.5%、17.9%和15.2%。冬小麦和夏玉米辐射分配率和辐射比值在年际间和区域间变异较小,处理间差异较大。CK 处理冬小麦季和夏玉米季辐射分配率分别为57%和43%,辐射比值为1.3;TR 处理冬小麦和夏玉米辐射分配率分别为51%和49%,辐射比值为1.0,显著低于对照(P＜0.05)。

表4 冬小麦-夏玉米不同种植模式周年辐射分配Table 4 Distribution of annual radiation for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表5 可以看出,各处理冬小麦季和夏玉米季降水量在年际间和区域间变异较大,处理间差异不显著。2018-2019 年3 个试验点冬小麦季平均降水量比2019-2020 年高161.5%,夏玉米季降水量比2019-2020 年低44.1%;年际间周年降水量差异较小。3 个试验点,新乡试验点冬小麦季、夏玉米季和周年降水量最高,其次为胶州,大名最低。TR 处理冬小麦季、夏玉米季和周年平均降水量分别为266.0 mm、442.1 mm 和708.1 mm,冬小麦季和夏玉米季降水分配率分别为33%和67%,降水比值为0.6,与CK 差异不显著。

表5 冬小麦-夏玉米不同种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 冬小麦-夏玉米不同种植模式产量及生物量

由图2 可以看出,各处理周年产量年际间和区域间(2018-2019 年除外)差异显著(P＜0.05),生物量和干物质产能在年际间、区域间和处理间均差异显著(P＜0.05)。胶州、大名和新乡2 年试验结果均表明,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式周年产量与传统冬小麦-夏玉米种植模式无显著差异,但其周年生物量和干物质产能显著降低(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理周年总产量与CK 无显著差异,周年总生物量分别较CK 减少4.8%、5.5%和8.2%,周年总干物质产能分别减少4.7%、5.4%和8.0%。2019-2020 年,TR 处理周年总产量与CK无显著差异,周年总生物量分别比CK 减少7.2%、8.9%和7.2%,周年总干物质产能分别减少6.9%、8.7%和7.0%。

图2 冬小麦-夏玉米不同种植模式周年产量及生物量Fig.2 Grain yield and total biomass of different winter wheat-summer maize cropping systems

由表6 可以看出,各处理小麦产量和生物量在年际间、区域间和处理间差异显著(P＜0.05),品种间(除2019-2020 年大名)无显著差异。胶州、大名和新乡2 年试验结果均表明,与CK 比,TR 处理小麦产量和生物量显著降低(P＜0.05),收获指数显著提高(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理2 品种小麦平均产量比CK 降低7.3%、7.4%和9.4%,生物量分别降低12.2%、12.9%和15.6%;2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理2 品种小麦平均产量分别比CK 降低10.2%、13.0%和7.9%,平均生物量分别降低18.3%、20.1%和15.4%。各处理小麦收获指数在年际间、区域间和品种间均无显著差异,处理间差异显著(P＜0.05),TR 处理平均收获指数为0.47,比CK 提高7.8%。产量构成因素在年际间和区域间差异不显著,品种间差异显著(P＜0.05)。TR 处理ZM66 穗数低于CK,而JM22 千粒重低于CK,两品种穗粒数均与CK 无显著差异,年际间和区域间变化趋势一致。

表6 冬小麦-夏玉米不同种植模式冬小麦产量、产量构成及生物量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,各处理夏玉米产量和生物量在年际间、区域间和品种间均存在显著差异(P＜0.05),收获指数在品种间差异不显著。胶州、大名和新乡2 年试验结果均表明,TR 处理玉米生物量与CK 无显著差异,品种间变化趋势一致;TR 处理中晚熟品种(DH605、ZD958 和XY335)玉米产量和收获指数均显著高于CK (P＜0.05),早熟品种(DK517、YD9953 和JNK728)玉米产量和收获指数与CK 无显著差异,且各处理中晚熟品种玉米产量和生物量均显著高于早熟品种(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理中晚熟品种玉米产量分别比CK 提高7.1%、10.8%和7.4%,收获指数分别提高5.7%、7.8%和5.7%。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理中晚熟品种玉米产量分别比CK 提高16.1%、13.1%和10.5%,收获指数分别提高11.8%、7.4%和7.5%。籽粒含水量在年际间和区域间无显著差异,处理间和品种间差异显著(P＜0.05)。TR 处理早熟品种平均籽粒含水量比CK 低14.3 个百分点,中晚熟品种平均籽粒含水量比CK 低15.7 个百分点。产量构成因素中,穗数、穗粒数和千粒重在年际间和区域间均无显著差异,品种间和处理间差异显著(P＜0.05)。TR 处理各品种穗数和穗粒数与CK 无显著差异;TR 处理中晚熟品种平均千粒重比CK 高10.7%,早熟品种千粒重与CK 无显著差异。

表7 冬小麦-夏玉米不同种植模式夏玉米产量、产量构成及生物量Table 7 Yield,yield components,and biomass of summer maize of different winter wheat-summer maize cropping systems

2.4 冬小麦-夏玉米不同种植模式光温水资源生产效率

由表8 可知,冬小麦季光能生产效率在年际间和区域间差异显著(P＜0.05),在处理间差异不显著。2018-2019 年冬小麦季3 试验点平均光能生产效率高于2019-2020 年11.3%;大名冬小麦季2 年平均光能生产效率分别高于胶州和新乡11.8%和6.3%。夏玉米季光能生产效率在年际间差异不显著,在区域间和处理间差异显著。胶州、大名和新乡TR 处理夏玉米季2 年平均光能生产效率分别比CK 低10.6%、10.1%和7.7%。周年光能生产效率在年际间、区域间和处理间均无显著差异。

由表8 可以看出,冬小麦季温度生产效率在年际间和区域间差异不显著,在处理间差异显著(P＜0.05),TR 处理小麦季平均温度生产效率比CK 高5.2%。夏玉米温度生产效率在年际间和区域间均差异显著(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理夏玉米季温度生产效率分别比CK 降低9.7%、10.9%和8.5%;2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理夏玉米季温度生产效率分别比CK 降低0.5%、5.2%和9.2%。周年温度生产效率在年际间、区域间和处理间差异均不显著。

表8 冬小麦-夏玉米不同种植模式光温资源生产效率Table 8 Production efficiencies of radiation and accumulated temperature for different winter wheat-summer maize cropping systems

由表9 可以看出,冬小麦季耗水量和水分生产效率在年际间、区域间和处理间差异均显著(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季耗水量分别比CK 减少21.0%、20.5%和4.2%,水分生产效率分别提高17.2%、17.3%和-5.3%。2019-2020年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦耗水量分别比CK 减少24.0%、21.6%和19.5%,水分生产效率分别比CK 提高19.5%、13.7%和16.5%。夏玉米季耗水量和水分生产效率在年际间和区域间差异均显著(P＜0.05),处理间差异不显著。2018-2019 年3 试验点夏玉米季平均耗水量比2019-2010 年减少31.5%,水分生产效率比2019-2010 年提高46.3%。新乡夏玉米季2 年平均耗水量分别高于胶州和大名21.3%和36.1%,胶州夏玉米季2 年平均水分生产效率分别高于大名和新乡13.0%和64.6%。周年耗水量和水分生产效率在年际间、区域间和处理间差异均显著(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理周年耗水量分别比CK 减少9.8%、5.8%和1.0%,水分生产效率分别比CK 提高10.7%、6.5%和-1.2%。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理周年耗水量分别比CK 减少9.0%、9.3%和5.6%,水分生产效率分别比CK 提高14.2%、9.3%和6.3%。

表9 冬小麦-夏玉米不同种植模式水分生产效率Table 9 Production efficiency of water for different winter wheat-summer maize cropping systems

2.5 冬小麦-夏玉米不同种植模式经济效益

由表10 可以看出,冬小麦季产值和经济效益在年际间、区域间和处理间差异均显著(P＜0.05),成本在年际间、区域间和处理间差异均不显著。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季产值分别比CK 下降7.6%、6.9%和9.5%,经济效益分别下降13.3%、9.2%和15.1%。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理冬小麦季产值分别比CK 下降9.1%、10.7%和6.2%,经济效益分别下降13.5%、16.3%和7.8%。夏玉米季产值和经济效益在年际间、区域间和处理间差异均显著,成本在年际间和区域间差异均不显著,处理间差异显著(P＜0.05)。2018-2019 年,胶州、大名和新乡TR 处理夏玉米季产值分别比CK 提高5.3%、7.0%和5.2%,经济效益分别比CK 提高11.0%、16.9%和111.7%。2019-2020 年,胶州、大名和新乡TR 处理夏玉米季产值分别比CK 提高15.7%、9.7%和6.4%,经济效益分别比CK 提高23.8%、15.8%和13.5%。TR 处理夏玉米季平均成本为0.89×104元·hm-2,比CK 下降4.7%。周年成本和经济效益在处理间差异显著(P＜0.05)。TR 处理3 试验点2 年平均周年成本为1.79×104元·hm-2,比CK 低4.9%;周年经济效益为 2.73×104元·hm-2,比 CK 提高 5.6%。

表10 冬小麦-夏玉米不同种植模式经济效益Table 10 Economic benefits of different winter wheat-summer maize cropping systems ×104 ¥·hm-2

3 讨论

夏玉米机械收获籽粒和冬小麦节水是当前黄淮海冬小麦-夏玉米两熟种植模式发展面临的重要难题。研究表明,玉米籽粒含水量是影响其机械粒收质量的重要因素,籽粒含水量降到20%以下能够大大降低籽粒破碎率和烘干成本,而延迟收获是解决这一问题的主要农艺措施[3,5,24]。同时,推迟小麦播期可以显著减少小麦耗水量,提高水分利用效率,但是增加了小麦减产风险[16-19]。由此可以推测,合理调整冬小麦和夏玉米的播/收期可能是同时解决夏玉米机械收获籽粒和冬小麦节水难题的途径,但是如何保证周年产量和经济效益不降低成为关键。通过在较大时间范围内连续设置小麦播种期和玉米收获期的田间试验,在保证周年产量不显著降低的前提下,探索并建立了以小麦极晚播(11 月中旬)和玉米极晚收(11月上旬)为核心的冬小麦-夏玉米双机收籽粒种植模式,实现了夏玉米籽粒低水分机械收获,并在一定程度上提高了冬小麦水分利用效率[8]。进一步系统研究该模式周年产量、气候资源分配与利用特征及其经济效益,并进行多年多点田间试验验证,可为该模式的大面积推广应用提供理论与技术支撑。3 个试验点2 年试验结果表明,与传统冬小麦-夏玉米种植模式相比,双机收籽粒模式田间生长持续时间发生显著变化,冬小麦生长天数减少27～36 d,夏玉米生长天数延长39～41 d,两季时间搭配为: 206 d+151 d。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,小麦季光温水资源分配量显著减少,玉米季显著增加,两季积温、辐射和降水分配率调整为36%和64%、51%和49%、33%和67%,与我们前期一个试验点的研究结果基本一致[8]。

前人研究表明,作物生长发育及产量形成与其生长季光温水等气候条件密切相关[11,25-26],作物生长季光温水资源分配的改变必然引起产量的变化。本研究中,与传统冬小麦-夏玉米种植模式相比,双机收籽粒模式中极晚播冬小麦生育进程加快,全生育期天数显著减少,其生物量和粒重显著下降,从而降低了冬小麦产量。这主要是因为小麦极晚播导致其花前生育期天数和光温资源量减少,且该阶段的较低温度降低了小麦生长速率,从而造成花前生物量显著下降;而花后较高的温度导致灌浆期缩短,显著降低了花后生物量和粒重,最终造成小麦减产[8,26]。双机收籽粒模式中极晚收夏玉米生物量无显著变化;中晚熟玉米品种的粒重和收获指数显著提高,因此其产量显著增加,但早熟品种的粒重和产量与传统种植模式下差异不显著。这主要是因为在夏玉米传统收获期时中晚熟品种的籽粒尚未达到生理成熟,而极晚收显著增加了玉米生长季光温资源,延长了中晚熟品种的灌浆持续期[8],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[27-28],从而提高其收获指数和产量;而早熟品种在传统收获期时已达到生理成熟,推迟收获只是为了籽粒脱水,并未增加产量。由此可见,虽然极晚播冬小麦产量显著降低,但由于极晚收中晚熟夏玉米产量显著增加,因此极晚播冬小麦+极晚收中晚熟夏玉米的搭配模式周年产量不显著降低。然而,Xu 等[17]研究认为玉米晚收30 d 增产不足以弥补小麦晚播30 d (10月30 日)及以上造成的产量损失,因此晚播冬小麦+晚收夏玉米的周年产量显著降低。但进一步分析发现,Xu 等[17]在河北吴桥开展的试验中晚播30 d 的小麦品种‘济麦22’产量下降主要是由粒重降低造成的,由于其灌浆期显著缩短仅为28 d,因此粒重降幅达17.8%;而本研究各试验点极晚播小麦品种‘济麦22’的灌浆期平均在35 d,且在灌浆期均喷施磷酸二氢钾防干热风和早衰,粒重仅比对照降低8.8%,产量降低幅度较小,而玉米产量的增加完全可以弥补小麦产量损失,因此冬小麦-夏玉米双粒收模式周年产量不显著降低。

另外,由于双机收籽粒模式的夏玉米收获期延迟39～41 d,保证了籽粒充分脱水时间,因此早熟品种和中晚熟品种收获时的籽粒含水量均降至14.1%～16.8%,基本达到机械收获籽粒直接入库贮存的标准。这与李璐璐等[5]关于玉米站秆脱水时间与籽粒含水量关系的研究结果一致。邱军等[7]认为,通过选育使用适宜机收籽粒的早熟、脱水快玉米新品种,适当晚收10～15 d 进行籽粒脱水,同样可使玉米收获时籽粒含水量(21%～22%)达到机收粒标准(25%以下)。然而,早熟玉米品种和晚播小麦的产量均显著低于对照,且玉米机收籽粒的含水量距安全贮藏含水量依然相差较大,如果不及时做干燥处理会发生霉变。本研究发现,双机收籽粒模式的早熟宜机收玉米品种(DK517、YD9953 和JNK728)粒重和产量与传统冬小麦-夏玉米种植模式下无显著差异,但显著低于中晚熟品种(DH605、ZD958 和XY335),无法弥补极晚播小麦产量损失,因此基于早熟玉米品种的双机收籽粒模式周年产量显著低于传统冬小麦-夏玉米种植模式。由此可见,本研究建立的极晚播冬小麦+极晚收中晚熟夏玉米双机收籽粒模式是一种既能保证较高周年产量,又能提高玉米机械收获籽粒质量的冬小麦-夏玉米最佳的播/收期搭配模式。

进一步分析冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式周年光温水资源生产效率发现,该模式周年温度和光能生产效率与传统冬小麦-夏玉米种植模式差异不显著,但由于双机收籽粒模式冬小麦季减少了越冬和返青两水灌溉,冬小麦季耗水量和周年总耗水量比传统冬小麦-夏玉米种植模式分别减少15.3%和6.0%,且周年产量不降低,因此冬小麦季和周年水分生产效率分别提高15.2%和8.4%,实现了周年节水稳产。这与前人关于冬小麦-夏玉米“双晚”试验水分利用效率结果趋势相似[16-19]。另外,虽然双机收籽粒模式冬小麦季由于产量降低导致其产值和经济效益显著下降,但夏玉米季实现机械粒收后其成本显著下降,且产值增加,特别是2020 年玉米收购价格大幅上涨,其经济效益显著提高,因此双机收籽粒模式周年经济效益平均增加5.6%。

综上所述,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式的建立,为同时解决冬小麦季耗水量大,夏玉米籽粒含水量高影响机械直接收获籽粒质量的问题提供了参考。另外,该模式也具有抗逆稳产效果。近年来气候变化导致我国北方温度持续上升,极端天气频发[29-30],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。双机收籽粒模式通过将小麦播期推迟至11 月上中旬,种子冬季萌发不出苗或1 叶露头,可避免苗期冻害和干旱影响;且该播期下小麦拔节期(3 月底至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)[31-32]。然而,在当前生态条件和生产水平下,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式下会造成小麦减产,考虑到小麦作为口粮对保障国家粮食安全的重要性,该模式主要应用于黄淮海水热资源相对紧张的地区,特别是地下水极度匮乏的黑龙港地区。Wang 等[19]和我们前期研究结果均表明,极晚播小麦减产主要是因为其低温出苗能力和分蘖能力减弱,造成收获穗数下降,加之晚播导致生育进程加快,影响干物质积累和籽粒灌浆,因此培育并选用抗逆力和分蘖能力强、短生育期的小麦品种,及创新相应的栽培调控技术可能是保证极晚播小麦稳产的关键,同时要考虑极晚播对小麦品质的影响。另外,夏玉米极晚收存在后期脱肥早衰和倒伏风险,如何保证晚收植株站秆脱水也是影响夏玉米机械收获籽粒质量的关键,这些都是需要进一步研究的重点。

4 结论

与传统冬小麦-夏玉米种植模式相比,冬小麦-夏玉米双机收籽粒模式周年气候资源分配发生显著改变,从而导致冬小麦季产量显著降低,夏玉米中晚熟品种产量显著提高,但周年产量和光温生产效率无显著变化,水分生产效率和经济效益均显著提高,且夏玉米收获时籽粒含水量为14.1%～16.8%,基本达到机械收获籽粒直接入库贮存的标准。可见,极晚播冬小麦+极晚收中晚熟夏玉米双机收籽粒模式的建立,是在不降低周年产量的前提下,实现冬小麦季节水和夏玉米机械收获籽粒,并提高周年经济效益的有效途径。