周寶元 馬 瑋 孫雪芳 丁在松 李從鋒 趙 明

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冬小麥–夏玉米高產(chǎn)模式周年氣候資源分配與利用特征研究

周寶元 馬 瑋 孫雪芳 丁在松 李從鋒 趙 明*

中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所 / 農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室, 北京 100081

探明周年產(chǎn)量20,000 kg hm–2以上冬小麥–夏玉米種植模式周年氣候資源分配與利用特征, 并建立資源優(yōu)化配置定量指標, 為進一步提升黃淮海該模式周年產(chǎn)量潛力和氣候資源利用效率提供理論依據(jù), 具有重要意義。本研究利用2006—2010年黃淮海區(qū)9個高產(chǎn)點共45個田間試驗的數(shù)據(jù), 定量分析了冬小麥–夏玉米模式高產(chǎn)形成與季節(jié)間光溫水資源分配的關(guān)系。結(jié)果表明, 三省9個試驗點冬小麥–夏玉米均實現(xiàn)了周年20,000 kg hm–2以上高產(chǎn), 但區(qū)域間差異較大, 河南和山東小麥產(chǎn)量最高, 山東夏玉米產(chǎn)量最高, 河南和山東周年產(chǎn)量分別高于河北16.9%和21.5%。產(chǎn)量的變化主要由光溫水分配差異造成, 河南和山東小麥季積溫量在1924.2~2608.0°C和降雨量小于201.1 mm范圍時產(chǎn)量均高于河北, 山東玉米季輻射量在2168.5~2953.8 MJ m–2、積溫量小于2990.7°C和降水量小于591.3 mm范圍時產(chǎn)量均高于河南和河北。然而省份間冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間熱量資源分配率和分配比值相對固定, 即小麥季和玉米季積溫分配率分別為43%和57%, 兩季間積溫比值為0.7, 這是該區(qū)當前生產(chǎn)和生態(tài)條件下冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間資源合理配置的定量標準。在不增加任何投入的前提下依據(jù)該定量指標來指導黃淮海不同生態(tài)區(qū)冬小麥–夏玉米種植模式的資源優(yōu)化配置, 對促進黃淮海該種植模式可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

冬小麥-夏玉米種植模式; 高產(chǎn); 資源分配; 資源利用效率

在我國耕地面積不斷下降、水資源日益短缺的情況下[1], 提高作物單位面積產(chǎn)量, 最大限度挖掘作物的生產(chǎn)潛力和氣候資源利用效率, 是確保我國的糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。近年來, 我國高產(chǎn)栽培理論與技術(shù)研究取得了重要進展, 主要糧食作物高產(chǎn)紀錄不斷出現(xiàn)[2-5]。黃淮海平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū), 也是典型的兩熟制區(qū)域, 冬小麥–夏玉米為該區(qū)主要種植模式, 在該區(qū)高產(chǎn)創(chuàng)建過程中, 冬小麥–夏玉米周年產(chǎn)量達20,000 kg hm–2以上。其中河南冬小麥產(chǎn)量最高, 達到12,315 kg hm–2以上, 山東夏玉米產(chǎn)量最高, 達到14,000 kg hm–2以上, 對該區(qū)冬小麥–夏玉米整體產(chǎn)量水平的提升起到了重要的引領(lǐng)作用。

作物高產(chǎn)的形成是一個非常復(fù)雜的過程, 受環(huán)境、作物和措施三因素共同作用的影響[6-8]。由于黃淮海冬小麥–夏玉米模式高產(chǎn)產(chǎn)量是在兩季光溫資源合理分配, 與作物生長發(fā)育匹配度較高, 且水肥資源供應(yīng)較充足的條件下獲得的[9], 因此生態(tài)條件是決定作物高產(chǎn)形成的最主要因素。然而, 近年來受全球氣候變化影響, 黃淮海地區(qū)秋、冬季溫度持續(xù)增加[10-11], 日照時數(shù)減少, 干旱、澇漬災(zāi)害頻發(fā), 嚴重影響作物生長發(fā)育。另外, 氣候資源的變化造成了傳統(tǒng)冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間氣候資源配置不合理, 使得作物品種、播期、密度、生育期等與光、溫、水資源變化不匹配, 進而影響作物的生長發(fā)育[12-15], 限制了周年產(chǎn)量及資源利用效率的進一步提升。為合理配置冬小麥–夏玉米兩季間氣候資源, 實現(xiàn)作物生長發(fā)育與光溫水等資源的匹配, 20世紀90年代王樹安[16–17]在華北平原建立了冬小麥–夏玉米“雙晚”技術(shù)模式, 即將冬小麥播種期由10月初推遲至10月中旬, 夏玉米收獲期由9月中旬推遲至9月底, 其周年產(chǎn)量達到15,000 kg hm–2以上, 光、溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%。Sun等[18]和付雪麗等[19]研究也證明, 在保持原有投入成本不變的情況下, 夏玉米收獲期和冬小麥播期分別推遲5~7 d, 可顯著提高周年產(chǎn)量和光溫水資源利用效率?？梢? 在不增加任何投入的基礎(chǔ)上通過播/收期的調(diào)節(jié)實現(xiàn)冬小麥–夏玉米季節(jié)間氣候資源的優(yōu)化配置, 是進一步提升黃淮海周年產(chǎn)量和資源利用效率的重要途徑。然而, 當前通過改變播/收期來調(diào)節(jié)冬小麥–夏玉米周年氣候資源配置的方法尚缺乏相應(yīng)的理論支撐和定量化指標的指導, 且由于區(qū)域間氣候條件差異造成播/收期變化較大, 難以形成整個黃淮海區(qū)冬小麥–夏玉米模式統(tǒng)一的資源優(yōu)化配置定量標準, 從而限制了該技術(shù)的大面積精準應(yīng)用。

本研究定量分析9個高產(chǎn)點共45個面積3.3 hm2以上的高產(chǎn)典型的冬小麥–夏玉米模式產(chǎn)量和生育期間氣候資源數(shù)據(jù), 明確黃淮海不同生態(tài)區(qū)該模式周年氣候資源分配定量化特征, 及其高產(chǎn)形成與氣候資源分配的定量關(guān)系, 并建立季節(jié)間資源分配率與資源分配比值等定量化指標及其相應(yīng)的定量標準, 以期為進一步挖掘黃淮海區(qū)周年產(chǎn)量潛力和氣候資源利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗數(shù)據(jù)來源

主要來源于2006—2010年國家糧食豐產(chǎn)工程中黃淮海區(qū)9個代表性高產(chǎn)點共45個田間試驗的冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)數(shù)據(jù), 包括產(chǎn)量和生育期。

1.2 試驗地概況

試驗地點為河南?？h、蘭考和溫縣, 山東兗州、滕州、諸城和萊州, 河北吳橋和藁城, 均屬暖溫帶大陸性季風氣候, 年平均氣溫14°C, 全年≥10°C積溫4647.2°C, 年降水量573.4 mm, 且多在7、8月間, 年日照時數(shù)2323.9 h, 能夠基本滿足冬小麥–夏玉米一年兩熟種植。選用當?shù)赝寥罈l件較好的田塊作試驗田, 土壤類型、基礎(chǔ)地力情況詳見表1。

1.3 田間管理

為充分挖掘作物的產(chǎn)量潛力, 在各高產(chǎn)點選用當?shù)刂髟缘母弋a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的小麥、玉米品種, 按當?shù)爻弋a(chǎn)栽培方式, 采用最佳作物管理方案, 最佳作物播種與收獲時期、耕作方式、水肥管理措施、種植密度和種植方式等。主要種植方案見表2。

表1 各高產(chǎn)地塊土壤條件

表2 各高產(chǎn)地塊作物種植方案

1.4 氣象數(shù)據(jù)及其測定指標

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局網(wǎng)站(http://www.cma. gov.cn/)。主要包括平均氣溫、日照時數(shù)和降雨量等指標。表3為各試驗點及其對應(yīng)的氣象臺站的地理位置。

表3 高產(chǎn)地塊地理分布及相應(yīng)氣象臺站位置

1.4.1 季節(jié)間資源分配率與資源分配比值 為了定量指導兩熟制季節(jié)間資源分配, 提出了資源分配率和資源分配比值等指標, 并建立了相應(yīng)的計算公式。

積溫分配率(TDR) = 季節(jié)內(nèi)積溫量(Tx)/周年積溫總量(T)

輻射分配率(RDR) = 季節(jié)內(nèi)輻射量(Rx)/周年輻射總量(R)

降雨分配率(PDR) = 季節(jié)內(nèi)降雨量(Px)/周年降雨總量(P)

積溫比值(TR) = 第一季積溫量(T1)/第二季積溫量(T2)

輻射比值(RR) = 第一季輻射量(R1)/第二季輻射量(R2)

降雨比值(PR) = 第一季降雨量(P1)/第二季降雨量(P2)

太陽總輻射Q = Q0(a＋bS/S0)

式中, Q為太陽總輻射, Q0為天文輻射, S為實測日照時數(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)[20]。

積溫計算過程中, 小麥季下限溫度取值為0°C, 玉米季下限溫度取值為10°C[21]。

1.4.2 光、溫、水生產(chǎn)效率 按下面公式計算光、溫、水生產(chǎn)效率[12,22]。

光能生產(chǎn)效率(g MJ–1) = 籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽輻射

積溫生產(chǎn)效率(kg hm–2°C–1) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間積溫總量

降水生產(chǎn)效率(kg hm–2mm–1) = 籽粒產(chǎn)量/單位面積的降水量

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0軟件處理和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù), 采用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高產(chǎn)冬小麥–夏玉米模式周年籽粒產(chǎn)量

由表4可以看出, 河南、山東和河北三省冬小麥–夏玉米周年產(chǎn)量均達到20,000 kg hm–2以上, 其中河南(23,805.3 kg hm–2)和山東(24,741.9 kg hm–2)周年產(chǎn)量差異不顯著, 但顯著高于河北(20,359.3 kg hm–2), 增幅分別為16.9%和21.5%。對于單季作物來說, 河南冬小麥產(chǎn)量最高, 平均為10,626.9 kg hm–2, 與山東差異不顯著, 顯著高于河北, 增幅分別為13.0%和10.5%; 山東夏玉米產(chǎn)量最高, 為14,350.4 kg hm–2, 分別高于河南和河北8.9%和31.0%。

各省不同試驗田之間小麥產(chǎn)量變異較小, 三省小麥產(chǎn)量變幅分別為446.5 kg hm–2(河南)、639.0 kg hm–2(山東)和102.5 kg hm–2(河北); 而與小麥比, 玉米產(chǎn)量變異較大, 三省玉米產(chǎn)量變幅分別為2138.2 kg hm–2(河南)、2913.9 kg hm–2(山東)和691.8 kg hm–2(河北)。以上結(jié)果表明, 黃淮海高產(chǎn)冬小麥–夏玉米產(chǎn)量區(qū)域間差異較大, 尤其是玉米產(chǎn)量的變幅最大, 小麥產(chǎn)量變異較小。由于高產(chǎn)田采取的是最佳的土壤和作物管理方案, 作物生長不受水、肥、病蟲草害的限制, 因此, 地區(qū)間產(chǎn)量的差異主要來自于光溫等生態(tài)條件的差異。

表4 2006–2010年不同試驗點冬小麥–夏玉米模式高產(chǎn)產(chǎn)量

標以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05水平差異顯著。

Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

2.2 高產(chǎn)冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間光、溫、水資源分配

黃淮海地區(qū)不同省份之間積溫變異較大(表5)。三省中河南冬小麥–夏玉米模式周年積溫量最高, 為5488.6°C, 其次是山東(5245.8°C), 河北最低(5000.9°C), 變幅為469.1°C, 差異顯著。對于單季作物來說, 河南小麥季分配積溫量最高, 為2346.2°C, 顯著高于山東(2263.6°C)和河北(2135.0°C), 變幅為211.2°C, 且山東與河北之間也存在顯著差異。與小麥季趨勢相同, 三省玉米季積溫量分別為3142.3°C (河南)、2983.0°C (山東)和2865.9°C (河北), 差異顯著, 變幅為276.4°C。

由表5可以看出, 相對于實際積溫量, 各地區(qū)小麥、玉米季節(jié)間積溫分配率(TDR)和兩季間積溫比值(TR)變異較小。三省小麥季積溫分配率均為43%, 變異系數(shù)為1.9%; 玉米季積溫分配率均為57%, 變異系數(shù)為1.1%; 兩季間積溫比值均為0.7。以上結(jié)果表明, 雖然各地區(qū)小麥、玉米生長季實際積溫量變異較大, 但冬小麥–夏玉米季節(jié)間積溫分配率和積溫比值變異較小。由此可知, 黃淮海不同地區(qū)高產(chǎn)冬小麥–夏玉米種植模式兩季積溫分配率和積溫比值具有統(tǒng)一的定量標準值, 依據(jù)此指標可指導該區(qū)冬小麥–夏玉米種植模式周年氣候資源優(yōu)化配置, 及評價其資源分配的合理性。

表5 冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間積溫分配

AT: 積溫量; TDR: 積溫分配率; TR: 兩季積溫比值。標以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05水平差異顯著。

AT: accumulated temperature; TDR: accumulated temperature distribution rate; TR: accumulated temperature ratio of two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

各省之間輻射量變異較大(表6)。三省中山東省冬小麥–夏玉米模式周年輻射量最高, 為4547.6 MJ m–2, 其次是河北(4494.0 MJ m–2), 河南輻射量(4132.2 MJ m–2)最低, 變幅為415.4 MJ m–2, 差異顯著。對于單季作物來說, 山東小麥季輻射量最高, 為2659.7 MJ m–2, 與河北(2636.3 MJ m–2)差異不顯著, 但顯著高于河南(2437.7 MJ m–2), 變幅為222 MJ m–2; 與小麥季趨勢相同, 山東省玉米季分配輻射量為1924.5 MJ m–2, 與河北(1857.7 MJ m–2)差異不顯著, 但顯著高于河南(1687.2 MJ m–2), 變幅為237.3 MJ m–2。

由表6可以看出, 相對于實際輻射量, 各地區(qū)小麥、玉米季輻射分配率(RDR)和兩季間輻射量比值(RR)變異較小。河南小麥季和玉米季輻射分配率分別為59%和41%, 兩季間輻射量比值(RR)為1.4; 山東和河北小麥季輻射分配率均為58%, 玉米季輻射量分配率為42%, 兩季間輻射量比值(RR)為1.4, 但三省各指標差異不顯著。

由表7可以看出, 各省之間降水量變異較大。三省中山東冬小麥–夏玉米模式周年降水總量最高, 為776.0 mm, 其次是河南(554.1 mm), 河北最低(484.0 mm), 變幅為292 mm, 差異顯著。對于單季作物來說, 山東小麥季降水量最高, 為193.2 mm, 顯著高于河南(160.9 mm)和河北(117.5 mm); 與小麥季趨勢相同, 山東省玉米季降水量為582.8 mm, 顯著高于河南(393.2 mm)和河北(366.5 mm)。

與積溫和輻射分配比, 各地區(qū)小麥、玉米季節(jié)間降水分配率(PDR)和兩季間降水量比值(PR)變異較大, 河南、山東和河北小麥季降水量分配率分別為29%、25%和24%, 玉米季降水量分配率分別為71%、75%和76%, 兩季間降水量比值(PR)分別為0.4、0.3和0.3。與積溫和輻射比, 地區(qū)間降水量變異較大, 但季節(jié)間降水分配率和分配比值變異相對較小。

表6 冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間輻射分配

Ra: 輻射量; RDR: 輻射分配率; RR: 兩季輻射量比值。標以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05水平差異顯著。

Ra: accumulated radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio of two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

表7 冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間降水分配

Table 7 Distribution of precipitation for winter wheat–summer maize cropping system

試驗點Experiment site冬小麥Winter wheat夏玉米Summer maize周年Annual 降水量Pr (mm)分配率PDR (%)降水量Pr (mm)分配率PDR (%)降水量Pr (mm)兩季比PR 河南Henan?？hXunxian154.229386.671540.80.4 蘭考Lankao161.229395.171556.30.4 溫縣Wenxian167.330397.870565.10.4

(續(xù)表7)

試驗點Experiment site冬小麥Winter wheat夏玉米Summer maize周年Annual 降水量Pr (mm)分配率PDR (%)降水量Pr (mm)分配率PDR (%)降水量Pr (mm)兩季比PR 山東Shandong兗州Yanzhou172.723585.677758.30.3 滕州Tengzhou179.223593.677772.80.3 諸城Zhucheng238.427643.473881.80.4 萊州Laizhou182.626508.572691.10.4 河北Hebei吳橋Wuqiao119.825367.875487.60.3 藁城Gaocheng115.224365.176480.30.3 平均值Mean河南Henan160.9 b29393.2 b71554.1 b0.4 山東Shandong193.2 a25582.8 a75776.0 a0.3 河北Hebei117.5 c24366.5 c76484.0 c0.3

Pr: 降水量; PDR: 降水分配率; PR: 兩季降水比值。標以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05水平差異顯著。

Pr: precipitation; PDR: precipitation distribution rate; PR: precipitation ratio of two seasons. Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level.

2.3 冬小麥、夏玉米產(chǎn)量與光溫水資源分配的定量關(guān)系

由圖1可以看出, 冬小麥9000 kg hm–2以上的產(chǎn)量形成要求積溫量為1924.2~2608°C, 輻射量為2168.5~2953.8 MJ m–2, 降水量為70.6~327.3 mm。

小麥季積溫量在1924.2~2608°C范圍內(nèi), 小麥產(chǎn)量()與積溫()呈顯著線性關(guān)系(= 2.967+3240), 即產(chǎn)量隨著積溫量的增加而增加。降水量在70.6~327.3 mm范圍內(nèi), 小麥產(chǎn)量()與降水量()呈二次函數(shù)的關(guān)系(= –0.0852+34.36+7191.3), 即冬小麥產(chǎn)量隨著降水量增加先升高后降低, 當降雨量為202.1 mm時, 冬小麥產(chǎn)量最高, 為10,663.7 kg hm–2。而輻射量在2168.5~2953.8 MJ m–2范圍內(nèi), 小麥產(chǎn)量與輻射量無顯著相關(guān)。以上結(jié)果表明, 在當前高產(chǎn)條件下, 冬小麥產(chǎn)量的形成受當季積溫和降雨分配量的限制, 當降水量不超過201.1 mm時, 小麥產(chǎn)量隨生長季積溫和降水量的增加而增加。由于河南和山東小麥季積溫量和降水量均高于河北, 因此小麥產(chǎn)量顯著高于河北。

由圖2可以看出，夏玉米10,500 kg hm–2以上的產(chǎn)量形成要求當季積溫量為2759.6~3307.2°C，輻射量在1432.2 MJ m–2以上，降水量為249.3~966.7 mm。

圖1 小麥產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系

**表示在0.01水平顯著相關(guān)。**Significant correlation at the 0.01 probability level.

圖2 玉米產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系

*表示在0.05水平顯著相關(guān), **表示在0.01水平顯著相關(guān)。

* Significant correlation at the 0.05 probability level. ** Significant correlation at the 0.01 probability level.

玉米季分配積溫量在2759.6~3307.2°C范圍內(nèi), 玉米產(chǎn)量()與積溫()呈二次曲線變化趨勢(= –0.07662+467.19–697,988), 即隨著生長季積溫量增加, 玉米產(chǎn)量先增加后降低, 當生長季積溫為2990.7°C時, 產(chǎn)量最高, 為14,366.2 kg hm–2。玉米產(chǎn)量()與輻射量()呈顯著線性關(guān)系(=3.7953+ 6806.1), 即玉米季輻射量在1432.2~2278.7 MJ m–2范圍內(nèi), 產(chǎn)量隨著輻射量的增加而增加。降水量在249.3~966.7 mm范圍內(nèi), 玉米產(chǎn)量()與降水量()呈二次函數(shù)關(guān)系(= –0.0172+20.994+7604.4), 即隨著生長季降水量增加, 玉米產(chǎn)量先增加后降低, 當降水量為591.3 mm時, 產(chǎn)量最高, 為14,086.2 kg hm–2。以上結(jié)果說明, 玉米高產(chǎn)形成受當?shù)毓鉁厮Y源限制, 在積溫不超過2990.7°C、降雨量小于591.3 mm時, 增加玉米季的積溫、輻射和降水的分配可顯著提高玉米產(chǎn)量。由此可知, 由于山東玉米季輻射量最高, 積溫量和降水量分別在不超過2990.7°C和591.3 mm的范圍內(nèi)最高, 因此山東夏玉米產(chǎn)量顯著高于河南和河北。

2.4 小麥、玉米資源生產(chǎn)效率比較

由表8可以看出, 三省份小麥季積溫生產(chǎn)效率無明顯差異, 而玉米季差異顯著, 山東省玉米季積溫生產(chǎn)效率為4.81 kg hm?2°C?1, 顯著高于河南和山東, 增幅分別為14.8%和25.9%。因此, 山東省冬小麥–夏玉米周年積溫生產(chǎn)效率最高, 為4.72 kg hm?2°C?1, 分別高于河南和河北8.8%和16.0%。河北玉米季和周年積溫生產(chǎn)效率最低, 均顯著低于河南和山東。

三省份中河南小麥季光能生產(chǎn)效率最高, 為0.44 g MJ?1, 分別高于山東和河北12.8%和22.2%, 河北小麥季光能生產(chǎn)效率最低; 河南和山東玉米季光能生產(chǎn)效率無顯著差異, 但分別高于河北32.2%和27.1%, 差異顯著。因此, 河南冬小麥–夏玉米周年光能生產(chǎn)效率最高, 為0.59 g MJ?1, 分別高于山東和河北9.3%和31.1%, 河北周年光能生產(chǎn)效率最低。

河北小麥季降水生產(chǎn)效率顯著高于河南和山東, 增幅分別為21.4%和48.9%; 河南玉米季降水生產(chǎn)效率最高, 為33.5 kg hm–2mm–1, 分別高于山東和河北36.2%和12.0%, 山東玉米季降水生產(chǎn)效率最低; 河南和河北冬小麥–夏玉米周年降水生產(chǎn)效率無顯著差異, 但顯著高于山東, 增幅分別為34.8%和32.0%。

表8 冬小麥-夏玉米模式光溫水資源生產(chǎn)效率

標以不同小寫字母的各省平均產(chǎn)量在0.05水平差異顯著。

Values followed by different letters are significantly different in grain yield among the provinces at the 0.05 probability level. AT: accumulated temperature.

3 討論

在不增加任何投入的前提下, 通過優(yōu)化冬小麥-夏玉米模式季節(jié)間資源配置來進一步挖掘作物產(chǎn)量潛力和資源利用效率, 已成為促進黃淮海平原農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[16,22]。由于冬小麥–夏玉米周年超高產(chǎn)產(chǎn)量是在兩季光溫資源合理分配, 與作物生長發(fā)育匹配度較高的條件下獲得的[9], 因此研究黃淮海不同生態(tài)區(qū)冬小麥–夏玉米高產(chǎn)模式周年資源分配特征, 及其高產(chǎn)形成與氣候資源分配的定量關(guān)系, 可為該區(qū)冬小麥–夏玉米模式建立統(tǒng)一的、定量化的資源優(yōu)化配置方案提供理論依據(jù)。本研究中選取的2006—2010年河南、河北和山東三省9個代表性高產(chǎn)點共45個田間試驗的冬小麥–夏玉米周年產(chǎn)量均達到20,000 kg hm–2以上水平, 可作為黃淮海區(qū)冬小麥–夏玉米模式高產(chǎn)代表。然而, 三省周年產(chǎn)量及小麥、玉米單季產(chǎn)量均存在顯著差異。河北省無論單季還是周年產(chǎn)量均顯著低于河南和山東, 而山東與河南的小麥季及周年產(chǎn)量無顯著差異, 但山東夏玉米產(chǎn)量顯著高于河南。這與前人關(guān)于黃淮海地區(qū)作物光溫生產(chǎn)潛力的分析結(jié)果基本一致[26–27]。由于各省區(qū)高產(chǎn)田均采取的是土壤和作物最佳的管理方案, 作物生長不受水、肥、病蟲草害的限制[9], 因此生態(tài)條件差異可能是造成區(qū)域間冬小麥–夏玉米高產(chǎn)產(chǎn)量變化的主要因素。

前人研究表明, 作物產(chǎn)量形成與其所在地區(qū)的光溫水等生態(tài)條件密切相關(guān)[14,23-25,28]。本研究分析黃淮海區(qū)多年多點冬小麥–夏玉米高產(chǎn)模式季節(jié)間資源分配特征發(fā)現(xiàn), 區(qū)域間光溫水資源差異較大, 河南省小麥、玉米單季及周年積溫量最高, 山東省各季及周年降水量最高, 而河北除輻射量與山東差異不顯著, 但顯著高于河南外, 各季及周年的積溫和降水量均顯著低于河南和山東, 從而導致地區(qū)間超高產(chǎn)量差異較大。黃淮海地區(qū)作物光溫生產(chǎn)潛力也有類似的變化趨勢[26]。有人認為, 黃淮海平原夏玉米超高產(chǎn)所需的積溫和日照時數(shù)均可得到滿足, 但產(chǎn)量與降水呈負相關(guān)[29]。本研究分析不同地區(qū)夏玉米高產(chǎn)形成與光溫水資源分配的定量關(guān)系發(fā)現(xiàn), 當玉米季光溫水分配量在一定范圍內(nèi), 玉米產(chǎn)量與生長季積溫量和降水量呈二次曲線變化趨勢, 與輻射量呈顯著線性關(guān)系, 即在積溫不超過2990.7°C, 降水量小于591.3 mm, 輻射量在1432.2~2278.7 MJ m–2范圍內(nèi), 玉米產(chǎn)量隨生長季積溫、輻射和降水的增加而顯著提高。因此, 由于山東玉米季輻射量、積溫量和降水量最高, 夏玉米產(chǎn)量顯著高于河南和河北。另外, 小麥產(chǎn)量與開花至成熟期日均溫和降水量呈二次曲線關(guān)系[30]。本研究分析不同地區(qū)小麥高產(chǎn)形成與光溫水資源分配的定量關(guān)系發(fā)現(xiàn), 當小麥季光溫水量在一定范圍內(nèi), 小麥產(chǎn)量與生長季積溫量呈顯著線性關(guān)系, 與降雨量呈二次函數(shù)的關(guān)系, 與輻射量無顯著相關(guān), 即小麥季積溫量在1924.2~ 2608°C范圍內(nèi), 降水量不超過201.1 mm時, 輻射量在2168.5~2953.8 MJ m–2范圍內(nèi), 小麥產(chǎn)量隨生長季積溫和降水量的增加而增加。因此, 由于河南和山東小麥季分配積溫量和降水量均高于河北, 小麥產(chǎn)量顯著高于河北。

如上所述, 雖然黃淮海區(qū)冬小麥–夏玉米模式生長季光溫水資源分配量差異較大, 但本研究發(fā)現(xiàn)冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間資源分配率和分配比值差異相對較小, 其中積溫分配變異最小, 三省積溫分配率和積溫比值均為統(tǒng)一的定量標準, 即小麥季和玉米季積溫分配率分別為43%和57%, 兩季間積溫比值為0.7。以上指標與冬小麥–夏玉米“雙晚”技術(shù)模式積溫分配指標相同[22], 說明季節(jié)間資源的合理分配是冬小麥–夏玉米模式周年高產(chǎn)形成的重要條件。相對于積溫分配率和積溫比值, 三省區(qū)季節(jié)間輻射分配率和降水分配率差異較大, 河南小麥季和玉米季輻射分配率分別為59%和41%, 兩季間輻射量比值(RR)為1.5, 山東和河北小麥季和玉米季輻射分配率均為58%和42%, 兩季間輻射量比值(RR)為1.4; 河南、山東和河北小麥季降水分配率分別為29%、25%和24%, 玉米季降水分配率分別為71%、75%和76%, 兩季間降水量比值(PR)分別為0.4、0.3和0.3。這主要是因為, 相對于積溫來說, 黃淮海地區(qū)輻射量和降水量地區(qū)間、年際間變化更明顯[31]。然而, 熱量條件(積溫)是影響植物生長發(fā)育的最主要生態(tài)因子, 其通過調(diào)節(jié)作物的生育進程, 影響光有效輻射截獲量及生育期降水分布, 進而影響產(chǎn)量[32-33]。因此, 冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間資源分配應(yīng)以熱量資源為主, 其次是輻射和降雨。生產(chǎn)實踐中, 可依據(jù)上述定量指標標準, 根據(jù)區(qū)域冬小麥–夏玉米周年可利用積溫量進行兩季積溫合理分配, 進而確定適宜熟期品種和兩季合理播/收期。另外, 由于省份間冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間熱量資源配率和分配比值相對固定, 可以推測隨著氣候條件的變化, 該模式各季資源量絕對值和資源利用效率會發(fā)生變化, 不同熟期品種和播收期也會相應(yīng)的調(diào)整, 但其季節(jié)間資源分配率和分配比值仍會保持相對固定值。綜上所述, 本研究建立的以積溫分配為主的資源分配指標可作為黃淮海區(qū)當前氣候條件和生產(chǎn)條件下冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間資源配置是否合理的評價標準, 來指導該區(qū)傳統(tǒng)冬小麥–夏玉米種植模式的資源優(yōu)化配置。

通過比較冬小麥–夏玉米模式光溫水資源生產(chǎn)效率發(fā)現(xiàn), 三省周年資源利用效率差異較大, 其中山東省周年積溫生產(chǎn)效率最高, 河南省周年輻射生產(chǎn)效率最高, 河北省周年降水生產(chǎn)效率與河南省無顯著差異, 但顯著高于山東。這主要是因為區(qū)域間同一作物以及同一區(qū)域不同作物間資源生產(chǎn)效率存在較大差異, 說明充分挖掘C4作物(玉米)高光溫水效率優(yōu)勢是進一步提升黃淮海冬小麥–夏玉米周年資源利用效率的重要途徑[18-19,22]。可見, 雖然通過季節(jié)間資源優(yōu)化配置可顯著提高冬小麥–夏玉米模式周年產(chǎn)量及資源利用效率, 但作物生長季節(jié)內(nèi)光溫水資源的時空分布, 及其與作物生長發(fā)育的動態(tài)匹配程度影響單季作物產(chǎn)量形成及資源利用效率[11,15,25]。因此進一步研究季節(jié)內(nèi)資源分配與利用的定量關(guān)系對于建立更加完善的冬小麥–夏玉米模式周年資源定量優(yōu)化配置方案具有重要意義, 這也是我們下一步研究的重點。

4 結(jié)論

明確了作物高產(chǎn)形成與氣候資源分配的定量關(guān)系, 建立了以熱量資源為主的季節(jié)間資源優(yōu)化配置指標及其定量標準。雖然黃淮海不同區(qū)域光溫水等資源稟賦差異較大, 導致區(qū)域間冬小麥–夏玉米模式產(chǎn)量差異較大, 但周年資源分配合理, 季節(jié)間資源分配率和分配比值相對固定, 即小麥季和玉米季積溫分配率分別為43%和57%, 兩季間積溫比值為0.7, 可使各地區(qū)產(chǎn)量均達到當前生產(chǎn)和生態(tài)條件下的最高水平。這些定量指標可作為黃淮海不同生態(tài)區(qū)冬小麥–夏玉米模式季節(jié)間合理資源配置的評價標準, 指導該區(qū)冬小麥–夏玉米種植模式的資源優(yōu)化配置, 為進一步挖掘黃淮海周年產(chǎn)量潛力和資源效率提供理論支撐。

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Characteristics of annual climate resource distribution and utilization in high-yielding winter wheat-summer maize double cropping system

ZHOU Bao-Yuan, MA Wei, SUN Xue-Fang, DING Zai-Song, LI Cong-Feng, and ZHAO Ming*

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Production, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

To clarify the characteristics of the resource distribution and its use efficiency for wheat-maize cropping system with high yield potential of 20,000 kg ha–1is essential for increasing annual yield and resource use efficiency in the Huang-Huai-Hai Plain. The relationship between high yield and distributions of radiation, accumulated temperature, and precipitation in seasons of winter wheat–summer maize cropping system was quantitatively analyzed by using the data of 45 field experiments from nine sites in Huang-Huai-Hai Plain from 2006 to 2010. The annual yield of winter wheat and summer maize in nine sites of the three provinces achieved more than 20,000 kg ha–1, with large differences among regions. Among the three provinces, the yield of wheat in Henan and Shandong and summer maize in Shandong was the highest, accounting for 16.9% and 21.5% higher than these in Hebei, respectively. The greater differences of yield among the three provinces mainly came from the distribution differences in radiation, accumulated temperature, and precipitation. The accumulated temperature and precipitation during wheat growth season in Henan and Shandong were higher than those in Hebei, when the accumulated temperature was from 1924.2°C to 2608°C, and rainfall was less than 201.1 mm; while the accumulated temperature, radiation, and precipitation during maize growth season in Shandong were higher than those in Henan and Hebei, when the radiation was 2168.5–2953.8 MJ m–2, the accumulated temperature was less than 2990.7°C, and rainfall was less than 591.3 mm. However, the relatively fixed resources distribution rate between winter wheat and summer maize was found among different experimental sites, the accumulated temperature distribution rate in wheat and maize season was 43% and 57%, respectively, the accumulated temperature ratio between two seasons was 0.7, which is the quantitative standard to dispose the reasonable resources distribution between growth seasons in winter wheat and summer maize. The results are of great significance for promoting the sustainable development of winter wheat and summer maize cropping system in the Huang-Huai-Hai Plain by using the quantitative indexes established in this study to optimize the distribution of resources between two seasons for traditional winter wheat-summer maize cropping system without any input.

winterwheat–summer maize cropping system; yield; resource distribution; resource use efficiency

2018-09-22;

2019-01-12;

2019-02-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.81067

趙明, E-mail: zhaoming@caas.cn, Tel: 010-82108752

E-mail: zhoubaoyuan@caas.cn

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300207)和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-02-12)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300207) and the China Agriculture Research System (CARS-02-12).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190131.1600.004.html