刘 梦，马志琪，葛均筑，杨永安，侯海鹏，刘树宇

（1.天津农学院农学与资源环境学院，天津 300392；2.天津市优质农产品开发示范中心，天津 301500；3.天津市农业发展服务中心，天津 300061；4.内蒙古赤峰市喀喇沁旗王爷府镇综合保障和技术推广中心，内蒙古赤峰 024421）

冬小麦-夏玉米周年种植模式是华北平原传统种植模式，是我国小麦和玉米主要产区，常年小麦和夏玉米播种面积占全国的36%～40%和27%～29%，其产量占比达50%和30%，对我国粮食安全具有重要战略地位。然而该区域气候资源分布不均匀，光热资源短缺，大部分地区一季有余而两季紧张，同时冬小麦传统播种时间偏早（10月1日前后），夏玉米腾茬早收（9月中下旬），引起冬小麦冬前旺长抗冻性降低、夏玉米成熟度或籽粒含水量偏高不能籽粒机收，导致周年种植模式资源配置不合理，作物产量形成过程与光、温、水资源匹配度下降，作物周年产量潜力与光热资源利用效率降低。为提高区域作物周年产量和光温资源利用效率，国内农业科学家研究了从一年一熟或两年三熟、套作、集约多熟种植到“双晚”种植技术，为区域周年产量和光温资源利用效率提升奠定了基础。研究表明，推迟冬小麦播种期，通过增加播种量，依靠大穗型品种单茎成穗，增产的同时显著提高周年光温水等资源利用效率，同时有利于躲避冬季冻害和干旱，减少水分消耗。王树安在华北平原北部光热资源相对紧缺区建立了冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式，冬小麦稳产前提下，增加夏玉米光温资源分配率，显著提高了夏玉米产量和周年作物产量，光温资源生产力分别提高64%和124%。近年研究表明，“双晚”技术核心在于明确冬小麦-夏玉米周年高产条件下的季节间光能、积温和降水的定量分配关系，增产442～2 575 kg·hm，周年光温资源生产效率分别提高2.22%～10.86%和0.47%～11.56%，亦可显著提高水分生产效率。在华北平原周年两熟制发展过程中，由于冬小麦耗水量大，地下水过度开采导致灌溉用水短缺等问题。研究表明，通过作物替代也可以提高区域周年光温水资源利用效率，双季青贮玉米充分利用华北平原北部的光温资源，双季籽粒玉米显著提高周年作物产量与光温资源利用效率，且通过降低周年地下水消耗量，维持华北地区地下水周年平衡。“双晚”技术通过推迟冬小麦播种延长夏玉米籽粒灌浆时间，但收获时含水量仍在30%以上，导致籽粒机械直收质量差等问题。因此，在气候变暖背景下，探索实现冬小麦-夏玉米双机收籽粒的周年稳产增效栽培技术是进一步提升华北平原周年产量及资源利用效率的重要途径。研究表明，冬小麦在极晚播（小麦12月上旬播种，玉米11月中旬收获）条件下，进一步优化冬小麦-夏玉米周年气候资源配置，同时减少冬前灌溉，实现周年光能、温度和降水生产效率提高7.3%～9.1%、5.6%～5.1%和17.3%～29.3%。华北平原北部处于我国冬小麦和春小麦种植交错带，将冬小麦调整为春小麦，通过增加播量和穗数，稳定叶面积指数和干物质积累量，实现小麦稳产，同时延长夏玉米籽粒脱水40 d左右（9月下旬调整为11月上旬），实现夏玉米机收籽粒。但有关华北平原北部春小麦和冬小麦产量及光、温、降水生产效率差异尚未见报道。本研究旨在分析华北平原北部春小麦和冬小麦品种区试结果，阐明春小麦和冬小麦产量形成及光温降水生产效率差异，探讨该区域春小麦稳产高产的可行性，为冬/春小麦-夏玉米周年种植制度变革及破解因光温资源与冬小麦播期限制夏玉米难以籽粒机收的问题提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料及试验设计

本研究于2015年10月—2017年6月在天津市优质农产品开发示范中心基地（117°49'E，39°42'N）进行，试验地前茬为春玉米，0～20 cm土壤基础养分含量18.6g·kg、全氮1.09 g·kg、水解性氮77.68 mg·kg、有效磷64.8 mg·kg、速效钾296 mg·kg。试验采用二因素区组设计，2015/2016和2016/2017季冬小麦品种分别为22、21个，均于10月6日播种；2016和2017季春小麦品种分别为12、15个，均于2月27日播种。冬小麦和春小麦成熟后及时收获。全生育期施氮315 kg·hm，分为基肥165 kg·hm和孕穗肥150 kg·hm；PO180 kg·hm和KO 150 kg·hm作基肥施用。全生育期根据区试要求及时中耕除草和灌溉。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 气象数据 气象数据来源于基地自有气象测定站（图1），主要包括日均温、日照时数和降雨量。

图1 小麦生育期气象数据

太阳总辐射Q=Q(a+bS/S)

式中，Q为太阳总辐射；Q为天文辐射；S为实测日照时数；S为太阳可照时数；S/S为日照百分率；a、b为待定系数。

1.2.2 生育期 记录播种期、出苗期、越冬期、返青期、抽穗期和生理成熟期。

1.2.3 产量及其构成因素 成熟期每小区选代表性样点2个，每点1 m，调查穗数后，收获脱粒，PM8188-A谷物水分测定仪测定水分后按13%安全含水量计算产量。在测产点周围，取代表性样穗50穗，单穗脱粒后测定穗粒数、穗粒质量和千粒质量。

1.2.4 光、温和降水生产效率 按下面公式计算光、温、水生产效率。

光能生产效率(g·MJ)=籽粒产量/单位面积的太阳辐射

积温生产效率(kg·hm·℃)=单位面积籽粒产量/生育期间积温量

降水生产效率(kg·hm·mm)=籽粒产量/单位面积降水量

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010初步整理数据，统计软件SPSS 19.0进行方差、相关性和线性回归分析，采用Duncan’s（＜0.05）新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 冬小麦和春小麦的生育阶段天数

由图2可看出，与冬小麦出苗期天数（9.6～10.0 d）相比，春小麦延长12～22 d，原因在于春小麦出苗阶段日均温度较低，种子发芽较慢。冬小麦苗期包括出苗至越冬和返青至抽穗2个阶段总天数为103～111 d，比春小麦（45～50 d）延长53～63 d。冬小麦和春小麦之间灌浆期天数无明显差异，分别为39～47 d和37～41 d，春小麦缩短2～6 d。总体上，由于存在越冬期，冬小麦品种间全生育天数246～250 d，比春小麦全生育期天数（108～119 d）延长127～142 d。

图2 冬小麦和春小麦生育阶段天数

2.2 冬小麦和春小麦产量及其构成因素

由图3可知，冬小麦和春小麦间产量及其构成因素具有显著差异。冬小麦年际间品种产量为5 495～7 761 kg·hm和5 429～6 932 kg·hm，春小麦年际间品种产量为4 711～6 080 kg·hm和5 346～5 781 kg·hm，春小麦年均产量比冬小麦显著降低13.5%～14.8%（图3-A）。分析产量构成因素可以看出（图3-B、图3-C、图3-D），春小麦年际间品种穗数为471.0～534.0×10粒·hm，比冬小麦减少123.7～143.7×10粒·hm（＜0.05）；2016年冬小麦穗粒数显著高于2017年，但春小麦穗粒数2016年显著低于2017年，春小麦年际间品种穗粒数为24.9～40.6粒，比冬小麦（26.5～48.1粒）减少2.7%～24.2%（＜0.05）；2017年小麦千粒质量显著高于2016年，春小麦年际间品种千粒质量为37.8～48.5 g，比冬小麦显著提高2.7～3.9 g，增幅达3.8%～9.2%。因此，春小麦产量较冬小麦降低的主要原因在于群体数量包括穗数和穗粒数较少造成的，千粒质量的提高可适度增产。

图3 冬小麦和春小麦产量（A）、穗数（B）、穗粒数（C）和千粒质量（D）的比较

2.3 冬小麦和春小麦光、温、降水生产效率

冬/春小麦类型间及不同品种光能生产效率差异性不显著，但冬小麦积温和降水生产效率显著高于春小麦（图4）。2015/2016年和2016/2017年春小麦光能生产效率分别为0.21～0.28 g·MJ和0.23～0.25 g·MJ，冬小麦分别为0.22～0.31 g·MJ和0.21～0.30 g·MJ，春小麦比冬小麦降低1.9%～6.3%（＞0.05）。年际间小麦积温生产效率差异性未达显著水平，与冬小麦相比，春小麦年际间积温生产效率分别为2.99～3.97kg·hm·℃和3.46～3.72kg·hm·℃，平均为3.46～3.59 kg·hm·℃，比冬小麦年均积温生产效率3.89～4.09 kg·hm·℃显著降低11.01%和12.21%。2016/2017年小麦降水生产效率显著高于2015/2016年，春小麦年际间降水生产效率分别为56.7～80.0 kg·hm·mm和122.0～140.1 kg·hm·mm，平均为66.5～132.9 kg·hm·mm，冬小麦年际间降水生产效率分别为71.65～106.02 kg·hm·mm和126.7～162.2 kg·hm·mm，平 均 为83.0～150.1 kg·hm·mm，春小麦降水生产效率比冬小麦显著降低19.9%和11.4%。

图4 冬小麦和春小麦光（A）、温（B）、降水（C）生产效率的差异

2.4 小麦产量及其构成因素与光温水利用效率的相关性分析

相关性分析表明（表1），冬小麦和春小麦产量与光能、积温生产效率均呈极显著正相关关系，与降水生产效率正相关关系未达显著水平。线性回归表明（图5），冬小麦、春小麦单位产量的光能和积温生产效率分别为3.56×10g·MJ和6.10×10kg·hm·℃、4.76×10g·MJ和7.08×10kg·hm·℃，春小麦比冬小麦提高33.7%和16.1%，达极显著和显著差异水平。单位产量的降水生产效率年际间差异较大，线性回归未达到显著差异水平。由表1可知，冬小麦穗数与光、温、降水生产效率呈正相关关系，而春小麦穗数与光、温、降水生产效率呈负相关关系，但相关性均未达到显著水平。

表1 冬小麦和春小麦产量及其构成因素与光温水资源生产效率的相关性分析

图5 冬小麦和春小麦产量与光（A）、温（B）、降水（C）生产效率的回归分析

冬小麦穗粒数和千粒质量与光能、积温和降水生产效率的负相关或正相关关系均未达显著水平（表1），积温和降水生产效率对春小麦穗粒数和千粒质量具有显著或极显著的正相关性，但光能生产效率仅与春小麦千粒质量的正相关关系达显著水平。回归分析表明（图6），春小麦穗粒数每增加10粒，积温和降水生产效率分别增加0.36 kg·hm·℃和57.1kg·hm·mm，而冬小麦分别降低0.016kg·hm·℃和22.4 kg·hm·mm。试验范围内，春小麦穗粒数少于43.4粒，其积温生产效率显著低于冬小麦；当穗粒数达43.4粒时，冬春小麦积温生产效率可达3.92 kg·hm·℃；当穗粒数少于37.0粒时，春小麦降水生产效率显著低于冬小麦；穗数超过37.0粒时，春小麦穗粒数降水生产效率比冬小麦提高7.45kg·hm·mm。春小麦千粒质量每增加1 g，其光能、积温和降水生产效率分别增加0.004 01 g·MJ、0.064 5 kg·hm·℃和6.52 kg·hm·mm，均显著高于冬小麦。春小麦千粒质量每增加1 g，光能、积温和降水生产效率分别增加3.67×10g·MJ、0.064 5 kg·hm·℃和6.52 kg·hm·mm。

图6 冬小麦和春小麦穗粒数（A-C）和千粒质量（D-F）与光（A，D）、温（B，E）、降水（C，F）生产效率的回归分析

3 结论与讨论

播期调控小麦各生育阶段的光温资源影响小麦发育进程，播期推迟显著缩短冬小麦拔节前和籽粒灌浆期天数，但延长弱春性品种的拔节—抽穗阶段天数，全生育期缩短28～23 d；冬小麦极晚播条件下，收获期推迟4～5 d，但全生育期缩短65～66 d。本研究结果表明，春小麦出苗期较冬小麦延长12～22 d，原因可能在于春小麦出苗阶段日均温度较低，种子发芽较慢，积温是影响小麦出苗的主要因素，这与播期推迟可延迟沿淮地区冬小麦和新疆春小麦出苗的研究结果一致。邵庆勤等研究认为，播期推迟，可延长沿淮地区冬小麦三叶期天数、缩短三叶期—拔节期天数。本研究表明，华北地区春小麦营养生长阶段天数较冬小麦显著缩短53～63 d，其主要原因可能在于冬小麦具有较长的越冬前时期和越冬期，杨卫君等研究也表明，播期推迟可使小麦营养生长阶段天数缩短，支持本研究结论。所以，种植生态区域不同或品种类型差异可导致播期对小麦营养生长阶段天数的影响不一致。本研究中，春小麦灌浆期天数比冬小麦缩短2～6 d，但差异不显著，这与已有研究较为一致，说明小麦灌浆阶段在光照和温度调控下，籽粒灌浆趋势一致，可完成籽粒成熟。

有研究表明，作物产量形成与光温水等生态条件密切相关，冬性和半冬性冬小麦品种产量随播种期推迟逐渐降低，但晚播调控弱春性冬小麦品种抗逆性反而能提高产量。本研究表明，华北地区春小麦产量显著低于冬小麦，主要原因可能在于春小麦穗数比冬小麦减少123.7～143.7×10粒·hm，穗粒数均显著减少2.7%～24.2%，这与杨卫君等研究结果为晚播春小麦群体基数过小导致产量不高一致。原因可能是春小麦营养生长阶段缩短、分蘖数较少、群体数量降低，同时春小麦穗分化时间短导致穗原基分化较少造成的。本研究表明，春小麦千粒质量比冬小麦显著提高2.7～3.9 g，增幅达3.8%～9.2%，这与马一峰等研究结果为春小麦‘津强8号’千粒质量显著高于冬小麦‘济麦22号’一致，但与推迟播种显著降低冬小麦及新疆春小麦千粒质量结果不同，说明播期推迟能够提高春性小麦品种的千粒质量。主要原因可能是春小麦以单茎成穗为主，单茎光合产物全部转运到籽粒而提高粒质量，冬小麦单株光合产物同时向主茎穗和分蘖穗转运引起籽粒灌浆充实度降低而千粒质量降低。因此，在华北平原春小麦以单茎成穗为主的情况下，应该通过增加播种量保证穗数甚至增加穗数，同时选用抗逆性强的品种维持穗粒数和提高千粒质量等措施可以实现稳产。

作物品种、栽培技术与生态资源调控产量和光温资源利用效率协同提升，冬小麦-夏玉米收播期调整是在华北平原周年光温资源紧张情况下实现高产和资源利用效率的重要途径。付雪丽等研究表明，“双晚”技术可以降低晚播冬小麦光温利用率，提高夏玉米光温生产效率，实现周年光温资源生产效率的提高；但周宝元等分析表明，极晚播冬小麦由于生育期缩短，极显著地降低了小麦季的光温水资源量，特别是减少两水（底墒水和越冬水），在产量降低不显著的情况下，光温水资源生产效率显著提高14.2%、9.3%和47.9%。本研究结果也表明，尽管春小麦比冬小麦减产显著，但是生育期显著缩短，光温资源占有量较低，其光能和积温生产率仅降低1.9%～6.3%和11.01%～12.21%，并未达显著差异水平；在未考虑灌溉两水（底墒水和越冬水）的情况下，春小麦降水生产效率比冬小麦显著降低11.4%～19.9%，如若考虑节约灌溉用水，春小麦水分生产效率应高于冬小麦。同时，经过线性回归分析，春小麦单位产量光能和积温生产效率比冬小麦显著提高33.7%和16.1%，单位千粒质量光能、积温和降水生产效率显著高于冬小麦。因此，在华北平原冬小麦季降水不足，长期超量开采地下水以满足灌溉用水需求，而导致地下水匮竭，严重影响该区域农业可持续生产情况下，抗旱品种及栽培耕作制度优化是协同提升作物产量和资源利用的重要措施。本研究通过将冬小麦调整为春小麦，腾出40 d左右满足夏玉米籽粒灌浆与脱水要求，实现籽粒机械直收；后期应深入研究基于“春小麦-夏玉米”模式下，播种量、水肥运筹及化学调控等措施调控群体穗数、维持穗粒数和提高千粒质量等措施以实现小麦季的稳产，从而实现麦-玉双机收籽粒周年稳产增效和光温水资源利用效率的提高。

华北平原北部作为我国重要的绿色食品原料（小麦和玉米）主产区，春小麦因播种量不高导致穗数和穗粒数减少，千粒质量提高，产量比冬小麦减产13.5%～14.8%；但生育期缩短、光温水资源占用量减少，春小麦单位产量光能和积温生产效率比冬小麦显著提高。因此，基于“春小麦-夏玉米”模式下，深入研究播种量、水肥运筹，及化学调控等措施调控群体穗数、维持穗粒数和提高千粒质量等，以实现小麦稳产，挖掘春小麦光温水资源利用效率；同时将冬小麦转变为春小麦，腾出40 d左右的时间，满足夏玉米籽粒灌浆与脱水要求实现籽粒机械直收，进而为小麦-夏玉米周年稳产增效和光温水资源利用效率提高与实现华北平原北部地下水回补提供技术支撑。