劉志輝 潘高峰 陳 文 秦明廣 曹湊貴 常昌龍 展 茗,*

品種搭配對湖北省玉米–晚稻復種產(chǎn)量及資源效率的影響

劉志輝1潘高峰2陳 文1秦明廣1曹湊貴1常昌龍3展 茗1,*

1華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 湖北武漢 430070;2襄陽市農(nóng)業(yè)科學院, 湖北襄陽 441057;3荊門市土壤肥料工作站, 湖北荊門 448000

玉米–晚稻復種(M–R)能協(xié)同口糧與飼料用量生產(chǎn), 近年來開始在長江中游地區(qū)發(fā)展, 其周年豐產(chǎn)高效技術(shù)還有待系統(tǒng)研究與完善, 而合理的前后季品種搭配是發(fā)揮玉–稻產(chǎn)量潛力的重要基礎。因此, 本研究選取不同的玉米與晚稻品種, 于2015年與2017年在湖北省不同區(qū)域觀測了不同品種搭配模式產(chǎn)量表現(xiàn)與資源利用效率。結(jié)果表明, 不同熱量條件下品種搭配模式對M–R周年產(chǎn)量與資源生產(chǎn)效率影響顯著。積溫較多時以中熟玉米搭配晚秈稻品種周年產(chǎn)量與光、熱、水資源效率具有明顯優(yōu)勢; 反之則以早熟玉米品種搭配晚秈稻產(chǎn)量與資源生產(chǎn)效率較高。各品種搭配模式對周年有效積溫(GDD≥10°C)的利用率可達95.6%~100.0%, 且前后季積溫分配比值(TR)與M–R周年相對產(chǎn)量呈顯著的非線性關(guān)系; 當GDD≥10°C利用率為97.0%~98.5%且TR為1.06~1.08時, M–R可獲得較高的周年產(chǎn)量。因此, 可依據(jù)當?shù)氐臒崃抠Y源條件及合理TR比值, 進行玉米、晚稻品種選擇搭配。據(jù)此, 湖北省南部積溫較高的區(qū)域宜選擇生育期125 d以內(nèi)的高產(chǎn)玉米品種與全生育期140 d以內(nèi)的晚稻品種進行搭配; 而在積溫相對偏少的中北部區(qū)域, 宜選擇生育期120 d以內(nèi)的高產(chǎn)玉米品種與全生育期130 d以內(nèi)的晚稻品種進行搭配。

玉–稻復種; 品種搭配; 產(chǎn)量; 氣候資源季間分配; 資源生產(chǎn)效率

長江中游光熱水資源豐富, 是我國水稻主產(chǎn)區(qū), 也是我國重要的多熟制農(nóng)作區(qū)[1], 在長期的發(fā)展中逐漸形成了以稻麥、稻油、雙季稻、綠肥稻等多種不同作物搭配為主的種植模式[2-4], 其中水旱輪作已成為該區(qū)稻田的主要種植模式[2]。因此, 該區(qū)域也是其他糧食作物與油料作物的主要生產(chǎn)區(qū), 需要統(tǒng)籌考慮水稻與其他作物的協(xié)同發(fā)展問題。近年來, 隨著該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的變化, 作物種植比較效益的差異等, 導致早稻、油菜等種植面積下降, 普遍存在種植結(jié)構(gòu)單一、光熱資源潛力發(fā)揮不足等生產(chǎn)問題[5], 亟須進行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化, 提高該區(qū)光、熱、水、溫資源的利用效率。

長江中游地區(qū)不僅是糧食主產(chǎn)區(qū), 也是我國重要的畜牧業(yè)基地。長期以來作為主要飼料用糧的玉米產(chǎn)需矛盾突出, 缺口近50%[6-7], 因此進行該區(qū)玉米生產(chǎn)體系的革新、新技術(shù)的研發(fā)對于增強該區(qū)玉米生產(chǎn)、供應能力, 保障畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7-8]。近年來, 隨著水資源短缺, 灌溉成本升高, 以及對玉米等牲畜飼料需求的增加, 促使農(nóng)民從水稻連作種植轉(zhuǎn)向春玉米–晚稻水旱復種[7,9-10]。高光效的C4作物進入稻田形成的玉稻輪作模式已引起國內(nèi)外學者的關(guān)注[9,11-14]。在亞洲地區(qū)玉米–水稻輪作系統(tǒng)種植面積超過了3×106hm2 [13]。已有研究表明玉稻復種模式在產(chǎn)量和資源利用率上顯著高于其他復種模式[12-13], 李小勇[15]研究表明玉–稻周年產(chǎn)量可達21.3 t hm–2, 玉–稻和雙季玉米產(chǎn)量均顯著高于雙季稻, 但玉–稻和雙季玉米產(chǎn)量差異不顯著; 與傳統(tǒng)雙季稻模式相比, 玉–稻周年土地資源利用率, 光、溫、水資源生產(chǎn)效率和光能利用率分別提高了9.75%、14.7%、20.4%、12.1%和19.1%。在自然條件和生態(tài)適應性合適的情況下, 玉–稻模式的光熱資源利用效率, 多產(chǎn)業(yè)綜合效益等均高于雙季稻模式與早稻–秋玉米模式[9]。最新研究表明與雙季稻模式相比, 玉–稻模式能顯著降低碳排放, 具有更低的碳足跡[16-17], 被聯(lián)合國糧農(nóng)組織作為一種對農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)具有可持續(xù)性和戰(zhàn)略意義的模式[18]。有研究表明玉–稻模式也有利于晚稻增產(chǎn), 與雙季稻模式的晚稻相比, 采用同一耕作方式下, 玉稻模式的晚稻產(chǎn)量增幅為2.13%~6.47%[9,15]。從周年產(chǎn)量、綜合效益、資源利用效率看, 玉米–晚稻模式均優(yōu)于早稻–秋玉米模式, 因而被認為是玉米–水稻水旱輪作的適宜模式, 可在長江中游區(qū)域推廣應用[9]。

玉–稻模式與傳統(tǒng)雙季稻相比, 有利于糧飼二元結(jié)構(gòu)的發(fā)展[9]; 與傳統(tǒng)的油–稻、麥稻模式相比, 晚稻米質(zhì)要優(yōu)于中稻, 對于調(diào)整稻米品質(zhì)結(jié)構(gòu)有積極意義?？梢娫撃Ｊ皆陂L江中游稻區(qū)具有一定的推廣價值。已有研究表明玉–稻系統(tǒng)的產(chǎn)量潛力可達15~22 t hm–2, 而實際產(chǎn)量與此還存在25%~50%的產(chǎn)量差異[13]。如何進一步發(fā)揮其產(chǎn)量潛力, 提高其光溫資源利用效率, 還有待從兩季作物品種搭配、周年水肥統(tǒng)籌管理、作物群體調(diào)控等方面進行系統(tǒng)深入研究。此外, 玉–稻水旱輪作周年安全積溫的需求規(guī)律及其區(qū)域的適應性尚未見研究報道。因此, 本研究選用不同春玉米與晚稻品種, 組合不同的搭配模式, 探明滿足安全積溫需求下, 其產(chǎn)量及資源利用效率較優(yōu)的品種組合模式, 為該模式在長江中游的安全推廣應用與合理品種搭配選擇提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及試驗點概況

2015年試驗點設在湖北省荊門市漳河區(qū)(30°94'N, 112°10'E); 2017年試驗點設在荊門市屈家?guī)X區(qū)(30°53'N, 112°46'E)、黃岡市梅家墩村(30°27'N, 114°52'E)。試驗點均位于湖北省200 m海拔以下的低丘陵平原區(qū), 屬于亞熱帶季風氣候區(qū), 無霜期約240~260 d, 10℃以上持續(xù)期約230~240 d。該區(qū)域為湖北省典型稻田兩熟區(qū)。荊門市漳河及屈家?guī)X試驗點的土壤為黃棕壤, 黃岡梅家墩村試驗點的土壤為潮土, 均為多年水旱輪作稻田, 各試驗點0~20 cm土壤理化指標見表1。

表1 各試驗點土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

各試驗點春玉米選用不同生育期的品種, 晚稻選用不同的品種類型, 組合成不同的周年品種搭配模式, 主要包括早熟玉米與秈稻品種搭配(EM–IR)、中熟玉米與秈稻品種搭配(MM–IR)、早熟玉米與粳稻品種搭配(EM–JR)、中熟玉米與粳稻品種搭配(MM–JR) 4種搭配模式。各年份試驗點的品種組合模式及選用品種見表2。各試驗點春玉米季均采用隨機區(qū)組排列, 3次重復; 晚稻季則在各玉米品種小區(qū)內(nèi)安排種植各晚稻品種。漳河試驗點玉米季小區(qū)面積為240 m2, 晚稻季小區(qū)面積為60 m2; 屈家?guī)X試驗點小區(qū)面積為156 m2, 晚稻季小區(qū)面積為78 m2; 梅家墩試驗點小區(qū)面積為174 m2, 晚稻季小區(qū)面積為87 m2。

表2 各試驗點選用的玉米與晚稻品種及其搭配模式

EM–IR: early maturity maize varieties cropping withrice varieties; EM–JR: early maturity maize varieties cropping withrice varieties; MM–IR: medium maturity maize varieties cropping withrice varieties; MM–JR: medium maturity maize varieties cropping withrice varieties.

1.3 田間管理

每年3月下旬播種春玉米。春玉米播種前結(jié)合施底肥旋耕整地, 然后按1.8 m開溝做廂, 廂寬為1.5 m, 溝寬為0.3 m。春玉米等行距種植, 行距為60 cm, 株距為22 cm, 種植密度為75,757株hm–2。玉米季氮肥施用為270 kg N hm–2, 50%用做底肥, 于玉米播種前施用; 50%做穗肥于玉米大喇叭口期施用; P2O5施用量為180 kg hm–2, 全部做底肥; K2O施用量為150 kg hm–2, 50%做底肥, 50%做穗肥追施。氮肥采用普通尿素, 磷肥為過磷酸鈣, 鉀肥為氯化鉀。按當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行病蟲草害防治。每年7月15日至30日期間收獲春玉米, 收獲后秸稈粉碎還田, 灌水泡田, 準備移栽晚稻。

晚稻于6月20日至25日間播種育秧。玉米收獲后, 按行距25 cm、株距13 cm人工移栽水稻, 移栽密度為30.8萬穴hm–2。晚稻施純氮210 kg hm–2, 30%做底肥, 水稻移栽前施用; 30%做促蘗肥, 移栽后返青時撒施; 25%做促花肥, 水稻拔節(jié)后5~10 d撒施; 15%做粒肥, 水稻齊穗時撒施。施K2O 90 kg hm–2, 50%做底肥、50%做促花肥。磷肥已前移到了玉米季作底肥深施。晚稻返青期間采用保持0.5~1.0 cm薄水層, 孕穗—齊穗期間采用淺水淹灌, 其余時期采用間歇濕潤灌溉。按當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行病蟲草害防治。

1.4 樣品采集及指標測定

生育期調(diào)查及氣象數(shù)據(jù)獲取: 記錄、調(diào)查玉米播種、出苗、吐絲、生理成熟等生育時期; 及晚稻播種期、移栽期、齊穗期、成熟期等。各年份氣象數(shù)據(jù)均從當?shù)貧庀蟛块T獲取, 包括日均溫、日降水量、日照時數(shù)等日值氣象數(shù)據(jù)。日太陽總輻射根據(jù)以下公式=0(＋0)計算, 式中,為太陽總輻射,0為天文輻射,為實測日照時數(shù),0為太陽可照時數(shù),為待定系數(shù)[19]。

玉米生物量及產(chǎn)量的測定: 玉米生理成熟期, 在各處理小區(qū), 每一行每隔2~3株選擇1株, 調(diào)查植株的穗位高及穗位葉長寬, 算出各小區(qū)平均值, 然后每小區(qū)取接近平均值的3株植株, 分解為莖、葉和籽粒3部分, 105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重后稱重。每個小區(qū)采用間隔連續(xù)法, 根據(jù)小區(qū)面積, 每個小區(qū)收取50~80株玉米果穗, 調(diào)查穗粒數(shù), 風干后脫粒, 測定總重、含水量和千粒重, 計算實產(chǎn)(按14%含水量換算)。

晚稻生物量及產(chǎn)量的測定: 晚稻成熟期, 先連續(xù)調(diào)查50穴, 計算每穴平均莖蘗數(shù), 然后各小區(qū)選擇6穴平均莖蘗數(shù)代表性樣株, 分解為莖、葉和穗3部分, 105℃殺青30 min, 80℃烘干至恒重后稱重。同時各小區(qū)按對角線取3點3 m2稻穗測產(chǎn), 收后記錄實際收割穴數(shù), 調(diào)查穗數(shù), 脫粒并曬干, 風選清除雜質(zhì)后, 測定總重、含水量和千粒重, 計算實產(chǎn)(按14%含水量換算)。

1.5 相關(guān)指標計算

相對產(chǎn)量(relative yield, RY) = 某模式周年產(chǎn)量/同試驗點最高周年產(chǎn)量

潛在可生長期(d): 為玉米安全播種日期至晚稻安全成熟日期歷時天數(shù)。其中用穩(wěn)定通過10℃以上(5日滑動平均法)的初始日期作為玉米的安全播種期[20], 用穩(wěn)定通過15℃以上, 不連續(xù)出現(xiàn)3 d以上日均溫低于15℃的終止日期作為晚稻的安全成熟期[21]。

積溫利用率(TUE, %) = 玉–稻模式生長期有效積溫/周年總有效積溫(GDD≥10°C)′100%

前后季積溫分配比值(TR) = 玉米季有效積溫/晚稻季有效積溫

光能生產(chǎn)效率(g MJ–1hm–2) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽輻射

積溫生產(chǎn)效率(kg ℃–1d–1hm–2) = 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) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/單位面積的降水量

氮肥偏生產(chǎn)力(kg kg–1N) = 籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)和作圖, 用DPS統(tǒng)計軟件進行方差分析, LSD法進行多重比較, 顯著性水平設定≤0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 品種搭配對作物生育期的影響

由表3看出, 秈稻品種天兩優(yōu)953與早熟玉米品種及中熟玉米品種搭配均可在9月中旬前安全抽穗, 10月底至11月初安全成熟; 秈稻品種黃華占齊穗期比天兩優(yōu)953晚20 d以上, 未能成熟, 不適宜作為與春玉米接茬的晚稻品種; 粳稻品種鄂晚17與早熟玉米品種和中熟玉米品種搭配也可在11月10日左右安全成熟, 但在鄂中北的荊門市屈家?guī)X試驗點抽穗較慢, 生育期推遲7~12 d左右, 搭配時安全成熟具有一定的風險; 天源粳036在荊門屈家?guī)X抽穗比鄂晚17提早8~9 d, 生育期比鄂晚17縮短2 d, 可以作為當?shù)卮河衩淄淼竞蜻x粳稻品種。周年潛在生長天數(shù)可作為玉–稻模式能安全成熟種植的條件, 對玉–稻種植模式而言, 湖北南部的黃岡地區(qū)(梅家墩)潛在生長天數(shù)要多于中北部的荊門地區(qū)(漳河和屈家?guī)X) 9~11 d (表3)。本試驗所選用的玉米–晚稻品種搭配模式基本充分利用了荊門地區(qū)的潛在生長天數(shù), 達94%~ 100%; 而在黃岡地區(qū)潛在生長天數(shù)利用率為86%~94% (表3)。

可見, 在湖北東南部及中部區(qū)域玉米品種可選擇7月25日之前成熟(全生育期125 d以內(nèi)品種), 晚稻品種可選擇11月10日之前成熟(全生育期140 d以內(nèi)品種)進行搭配; 而在湖北省中北部選擇7月20日之前成熟的玉米品種, 11月5日之前成熟的晚稻品種進行搭配, 具有較高的成熟安全性。

2.2 作物生長期氣象條件

由圖1-a看出, 各試驗點7月中旬至8月下旬日均溫均在25℃以上, 屈家?guī)X(QJL)與梅家墩(MJD)點日均溫高于漳河(ZH)點。3個試驗點玉米主要生長季(3月下旬至7月下旬) ≥10℃有效積溫(GDD≥10°C) 明顯高于晚稻主要生長季(8月上旬至11月上旬)。從單個作物季來看, QJL與MJD點玉米季GDD≥10°C明顯高于ZH點, 而晚稻季3試驗點差異不明顯。

由圖1-b看出, 各試驗點降雨量變異較大。QJL、MJD和ZH三個試驗點作物主要生長季(3月下旬至11月上旬)累積降雨量分別為1049.2、933.0和800.5 mm。MJD、ZH兩試驗點玉米主要生長季(3月下旬至7月下旬)降水量多于晚稻主要生長季(8月上旬至11月上旬), 而QJL點則相反。

由圖1-c看出, 3個試驗點各月光輻射變化較大, 因受降水多的影響, 6月光輻射普遍較低; 而QJL和MJD兩個試驗點在9月下旬至10月中旬光輻射也較低。QJL、MJD和ZH三個試驗點3月下旬至11月上旬累積光輻射分別為4076.8、3702.8和3965.3 MJ m–2?？傮w來看, 3個試驗點玉米主要生長季的光輻射明顯高于晚稻主要生長季。在晚稻季, ZH點累積光輻射高于其他2個試驗點。

2.3 品種搭配對玉米–晚稻復種干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

由表4可知, 不同春玉米–晚稻品種搭配模式對生物量積累與產(chǎn)量均有顯著影響?？傮w來看, 中熟玉米品種的生物量高于早熟玉米品種; 秈稻品種的生物量高于粳稻品種; 因此中熟玉米品種搭配晚秈稻品種周年生物量顯著高于其他品種搭配模式, 早熟玉米品種與晚粳稻搭配周年生物量則最低。

屈家?guī)X和梅家墩試驗點中熟玉米品種登海618 (DH)產(chǎn)量顯著高于早熟品種興墾6號(XK), 分別提高了14.9%和25.6%, 主要是DH的穗粒數(shù)顯著高于XK; 而漳河試驗點2個品種產(chǎn)量無顯著差異, 主要是兩者在穗粒數(shù)與粒重上取得了平衡。4個搭配模式晚秈稻品種產(chǎn)量顯著高于粳稻品種, 漳河試驗點天兩優(yōu)953 (TLY)產(chǎn)量平均比鄂晚17 (EW)增加42.5%, 屈家?guī)X和梅家墩試驗點產(chǎn)量增幅為8.0%~17.1%; 由產(chǎn)量構(gòu)成看出, 3個試驗點秈稻的單位面積穗數(shù)顯著高于粳稻; 在漳河點TLY粒重顯著高于EW, 而在屈家?guī)X與梅家墩試驗點TLY穗粒數(shù)顯著高于EW。

3個試驗點春玉米–晚稻周年產(chǎn)量總體上高于15 t hm–2(表4), 中早熟玉米品種搭配晚秈稻周年產(chǎn)量顯著高于春玉米–晚粳稻模式, 其中DH–TLY搭配模式周年產(chǎn)量最高, 在梅家墩試驗點達到18.97 t hm–2, 顯著高于其他幾種搭配模式?？傮w來看, 在屈家?guī)X與梅家墩試驗點周年產(chǎn)量由高到低的品種搭配模式為: 中熟春玉米–晚秈稻>中熟春玉米–晚粳稻>早熟春玉米–晚秈稻>早熟春玉米–晚粳稻(表4)。而漳河試驗點ZD-TLY搭配模式周年產(chǎn)量最高, 為18.27 t hm–2, 且顯著高于中熟春玉米品種HD–TLY模式; 但晚秈稻品種黃華占與2個玉米品種搭配時均未能成熟?？梢娪瘿C稻復種安全成熟及產(chǎn)量受品種生育期及品種類型影響較大, 在不同區(qū)域種植時, 應選擇不同的適宜品種進行搭配。

2.4 季間積溫分配比及積溫利用率與周年產(chǎn)量的關(guān)系

由圖2看出, 處于湖北南部的梅家墩試驗點周年GDD≥10°C有效積溫高于湖北中北部的屈家?guī)X與漳河試驗點。各試驗點玉–稻兩季對周年有效積溫的利用較充分, 積溫利用率(TUE)達95.6%~100.0%, 偏湖北南部的梅家墩試驗點TUE低于其他2個試驗點。品種搭配模式不同, 前后季積溫分配比值(TR)不同, 變化范圍為0.91~1.20 (圖2)。各試驗點中熟玉米品種搭配晚稻的模式TR明顯高于早熟品種搭配晚稻模式; 而對于同一個玉米熟性品種而言, 搭配秈稻或粳稻品種對于TR影響不明顯。3個試驗點中熟玉米–晚稻模式均表現(xiàn)為玉米季積溫分配量大于晚稻季; 而屈家?guī)X和梅家墩試驗點2個早熟玉米–晚稻模式晚稻季積溫分配量大于玉米季(圖2)。

由圖3-a可知, 春玉米–晚粳稻周年相對產(chǎn)量(M-JR)、春玉米–晚秈稻周年相對產(chǎn)量(M-IR)與前后季積溫比值()均呈顯著的非線性相關(guān)關(guān)系, 其數(shù)學模型分別為M-JR=-4.692+9.95-4.28 (2= 0.6077**),M-IR=-4.992+10.77-4.82 (2= 0.5683**)。根據(jù)該模型可知春玉米–晚粳稻在前后季積溫比值(TR)為1.06時相對產(chǎn)量最高; 春玉米–晚秈稻模式TR為1.08時相對產(chǎn)量最高。同時由圖3-b看出, 兩季作物對周年有效積溫量(GDD≥10°C)的利用率明顯影響周年產(chǎn)量, 兩者之間呈顯著的二次曲線關(guān)系。春玉米–晚粳稻模式積溫利用率(TUE)為98.5%時產(chǎn)量較高, 而春玉米–晚秈稻模式TUE為97.0%時周年產(chǎn)量較高。據(jù)此可依據(jù)當?shù)氐闹苣暧行Хe溫量及玉米–晚稻積溫分配比進行玉米與晚稻品種的篩選搭配。

圖1 試驗期間旬平均氣溫(a)、降水(b)、光輻射(c)動態(tài)及其在兩作物季間的分配

ZH: 漳河; QJL: 屈家?guī)X; MJD: 梅家墩; AT: 日均溫; GDD: ≥10°C有效積溫; P: 旬累積降水量; AP: 作物季累積降雨量; R: 旬累積光輻射; AR: 作物季累積光輻射。

ZH: Zhanghe; QJL: Qujialing; MJD: Meijiadun; AT: averaged daily temperature; GDD: growing degree days over 10℃; P: precipitation within ten-day; AP: accumulated precipitation in crop seasons; R: solar radiation within ten-day; AR: accumulated radiation in crop seasons.

圖2 不同玉–稻品種搭配下有效積溫(GDD≥10°C)及其季間分配比(TR)

Fig. 2 Effective growing degree days (GDD≥10°C) in crop growing seasons and the ratio of GDD between maize and rice season (TR) under different varieties collocation modes of maize-late rice cropping

ZD: 鄭單958; HD: 漢單777; XK: 興墾6號; DH: 登海618; EW: 鄂晚17; TYG: 天源粳036; TLY: 天兩優(yōu)953; HHZ: 黃華占。

ZD: Zhengdan 958; HD: Handan 777; XK: Xingken 6; DH: Denghai 618; EW: Ewan 17; TYG: Tianyuanjing 036; TLY: Tianliangyou 953; HHZ: Huanghuazhan.

圖3 玉米–晚稻模式前后季積溫比值(TR)及周年積溫利用率(TUE)與周年相對產(chǎn)量的關(guān)系

Fig 3 Relationship of GDD ratio between two crops seasons (TR) and its percentage of the total annual GDD≥10°C(TUE) with the relative annual yield under maize–late rice cropping

M–JR: 玉米搭配粳稻品種; M–IR: 玉米搭配秈稻品種。*表示≤ 0.05。

M–JR: maize varieties cropping withrice varieties; M–IR: maize varieties cropping withrice varieties.*indicates significant difference at≤ 0.05.

2.5 不同品種搭配模式周年氣候資源生產(chǎn)效率

由表5看出, 3個試驗點的4種搭配模式下晚稻季氣候資源生產(chǎn)效率均表現(xiàn)出秈稻高于粳稻; 屈家?guī)X和梅家墩試驗點的玉米季積溫生產(chǎn)效率、光能生產(chǎn)效率和降水生產(chǎn)效率表現(xiàn)為中熟品種高于早熟品種; 漳河試驗點早熟品種鄭單958氣候資源生產(chǎn)效率高于中熟品種。另外, 屈家?guī)X和梅家墩試驗點的4種模式周年積溫、光能和降水資源生產(chǎn)效率從高到低為: 中熟春玉米–晚秈稻、中熟春玉米–晚粳稻、早熟春玉米–晚秈稻、早熟春玉米–晚粳稻; 漳河試驗點早熟春玉米–晚秈稻周年氣候資源生產(chǎn)效率最高, 其次分別為中熟春玉米–晚秈稻、早熟春玉米–晚粳稻、中熟春玉米–晚粳稻。從氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)看, 屈家?guī)X和梅家墩試驗點中熟玉米PFPN要顯著高于早熟玉米, 而在漳河點則差異不顯著; 3個試驗點秈稻的PFPN均顯著高于粳稻; 屈家?guī)X和梅家墩試驗點中熟玉米–晚秈稻搭配PFPN顯著最高, 而在漳河點早熟玉米–晚秈稻搭配PFPN顯著最高。

3 討論

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 作為種植業(yè)優(yōu)勢區(qū)的長江中游形成了以水稻為主體的, 水稻與麥、油、蔬菜等多作物復種的多元種植模式[22-23], 近年來新型的玉–稻種植模式在長江中游得到了較快的發(fā)展[9,15,24]。已有研究表明玉米–水稻復種具有較高的產(chǎn)量潛力[13,15]。本研究發(fā)現(xiàn), 2017年中熟玉米–晚秈稻搭配周年產(chǎn)量可達到18 t hm–2以上, 這與我們的前期研究較一致[9]。適宜的品種選擇是作物增產(chǎn)與資源高效利用的重要基礎, 本研究表明不同玉–稻品種搭配顯著影響到了周年作物產(chǎn)量與資源利用效率(表4和表5)。但不同的熱量條件下玉–稻品種搭配的物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量效應不同(圖1-a、圖2和表4)。在GDD≥10°C較高的梅家墩與屈家?guī)X試驗點, 中熟玉米–晚秈稻搭配的干物質(zhì)生產(chǎn)與產(chǎn)量明顯優(yōu)于其他品種搭配模式, 其優(yōu)勢主要來自于兩個方面, 其一是中熟春玉米品種產(chǎn)量顯著高于早熟品種; 其二是晚秈稻品種顯著高于粳稻品種(表4), 繼而提高了對溫、光、水的生產(chǎn)效率(表5)。然而2015年的漳河試驗點GDD≥10°C相對較低(圖2), 早熟玉米搭配晚秈稻品種周年產(chǎn)量與資源生產(chǎn)效率要優(yōu)于中熟玉米搭配晚秈稻品種(表4和表5)?？傮w來看, 中熟玉米以其較長的生育期與較多穗粒數(shù)而具有產(chǎn)量潛力優(yōu)勢; 晚秈稻以較高的分蘗能力、穗數(shù)與穗粒數(shù)而具有較高的產(chǎn)量優(yōu)勢(表4), 但能否通過栽培技術(shù)的優(yōu)化縮小不同品種類型的產(chǎn)量差還有待研究?？梢姾侠淼挠瘿C稻品種搭配可能與氣候條件、品種適應性及其他栽培條件有密切的關(guān)系, 而對于如何進行玉–稻模式的品種選擇與前后季作物品種合理搭配還需進一步探討。

表5 玉–稻系統(tǒng)不同品種搭配模式下資源生產(chǎn)效率的差異

EM–JR: 早熟玉米搭配粳稻; EM–IR: 早熟玉米搭配秈稻; MM–JR: 中熟玉米搭配粳稻; MM–IR: 中熟玉米搭配秈稻。同試驗點同列不同的小寫字母表示不同品種或不同品種搭配模式之間的差異顯著性(≤ 0.05)。

EM–JR: early maturity maize varieties cropping withrice varieties; EM–IR: early maturity maize varieties cropping withrice varieties; MM–JR: medium maturity maize varieties cropping withrice varieties; MM–IR: medium maturity maize varieties cropping withrice varieties. Different lowercase letters within the same column indicate significant difference among different varieties or collocation modes at the same experimental site at≤ 0.05.

充分利用溫光資源和保證生產(chǎn)安全是種植制度的根本要求, 因此, 充分利用生長季節(jié), 延長光合時間是作物增產(chǎn)的有效途徑[25]。水稻安全成熟是保證水稻產(chǎn)量的基礎條件, 水稻安全成熟日期的判斷常被用于指導水稻播期確定和品種選擇等生產(chǎn)環(huán)節(jié)[18,26]。早稻安全播種期至晚稻安全成熟期的總天數(shù), 常被用于評價雙季稻安全生產(chǎn)天數(shù)[26-27]。本研究利用玉米安全播種期至晚稻完全成熟日期的歷時天數(shù)作為周年內(nèi)玉–稻模式可潛在生長天數(shù), 湖北南部與中北部試驗點有明顯差異, 可潛在生長天數(shù)相差10 d左右(表3)。從研究結(jié)果看, 所采用不同品種搭配模式在不同試驗點對可潛在生長天數(shù)的利用有明顯差異(表3), 湖北中北部的荊門地區(qū)(漳河和屈家?guī)X)對潛在生長天數(shù)達94%~100%, 甚至玉米搭配生育期較長的晚秈稻品種未能達到安全成熟; 而在南部黃岡地區(qū)(梅家墩)對潛在生長天數(shù)利用率為86%~94% (表3)。且試驗期間黃岡地區(qū)試驗點的年≥10℃有效積溫(GDD)比中部荊門試驗點的多150℃ d (圖2)?？梢娫诤敝斜辈繉τ瘿C稻模式的熱量資源的制約要大于南部區(qū)域, 因此有必要根據(jù)不同區(qū)域的熱量資源條件與潛在生長天數(shù)選擇適宜生育期的玉米與晚稻品種。本研究認為在湖北南部地區(qū)可選擇生育期較長的玉米與晚稻品種搭配, 以獲得較高周年產(chǎn)量; 而在中北部地區(qū)生育期相對較短的品種進行搭配有利于安全生產(chǎn)。晚稻生育期較長的品種(如本試驗采用的黃花占) 則無法安全成熟(表3)。此外, 晚稻抽穗揚花期間易受“寒露風”或“低溫陰雨”的影響導致結(jié)實率降低和減產(chǎn), 因此在晚稻品種選擇時, 還需注意晚稻的安全抽穗期[28]。由表3可知, 本試驗達到安全成熟的晚稻齊穗期出現(xiàn)在9月上中旬, 這與已有研究結(jié)果較一致[18,28]。由此可見全生育期140 d以內(nèi)、本田生長期110 d以內(nèi)的晚稻品種在6月20日前后播種均可安全用于玉–稻模式。但隨著水稻機械化生產(chǎn)的必然趨勢, 玉–稻模式下晚稻的機插技術(shù)尚待研究與實踐, 為適應玉米后接茬及機插對短秧齡的要求, 這必然需要推遲晚稻播種, 因此短生育期的晚稻品種適宜于機械化種植模式, 但其合理的遲播日期還有待研究。

協(xié)調(diào)兩熟制作物對光溫水等資源的利用是進一步提升周年產(chǎn)量和資源利用效率的重要措施, 明確兩季作物間氣候資源定量分配特征可為建立合理的周年氣候資源優(yōu)化配置方案提供定量依據(jù)[29-30]。周寶元等[31]提出了兩熟制季節(jié)間資源分配率(DR)和分配比值(R)等定量指標, 用來對不同種植體系周年氣候資源分配特征進行定量分析, 用于指導品種選擇與播期調(diào)節(jié)具有參考價值。本研究發(fā)現(xiàn)不同的品種搭配對兩季間的溫、光、水資源分配影響較大(圖1和圖2)。各試驗點短生育期玉米品種搭配晚稻模式的前后季有效積溫比值(TR)明顯低于中熟玉米品種搭配晚稻模式, 而同一玉米品種類型下, 搭配不同晚稻品種對TR影響不明顯(圖2)。熱量條件(積溫)是決定作物生長發(fā)育進程和產(chǎn)量形成的主要因素[32]。本研究發(fā)現(xiàn), 玉–稻模式對熱量資源的利用率(TUE)要遠高于對光與降水的利用率, 這意味著相較于光輻射與降水, 周年有效積溫的利用程度及前后季的積溫分配比值是制約玉–稻周年產(chǎn)量的主要限制因子。周寶元等[33]研究發(fā)現(xiàn)積溫比值TR對兩熟制周年產(chǎn)量形成有重要影響, 將其作為氣候資源分配的主要指標, 用以調(diào)整積溫分配率和分配比值, 為適宜熟期品種和兩季合理播種期和收獲期的確定提供定量依據(jù)。我們進一步分析發(fā)現(xiàn)周年產(chǎn)量與TR、TUE有顯著的非線性相關(guān)關(guān)系(圖3), 據(jù)此非線性模型, 推斷出玉米–晚粳稻在前后季積溫比值為1.06時, 玉米–晚秈稻在前后季積溫比值為1.08時相對產(chǎn)量最高(圖3-a)。但同時要綜合考慮某地的周年總積溫量, 爭取較充分地利用熱量資源, 在相對安全生產(chǎn)保證下, 玉–稻模式積溫利用率達到97%~98%時, 可獲得較高的周年產(chǎn)量(圖3-b)。隨著氣候的變化, 長江中游活動積溫增加明顯[34], 玉–稻模式的TR、TUE與周年產(chǎn)量的關(guān)系還有待進一步深入研究與調(diào)整。同時品種搭配也改變了前后兩季作物降水與光輻射的分配(圖1), 3個試驗點玉米季的光輻射要高于晚稻季, 可能有利于玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮; 降水分配變化較大, 一般來看玉米季降水量要多于晚稻季, 玉米有漬害的風險。漳河點晚稻季光輻射高于其他2個試驗點; 晚稻生育前期日均溫低于其他2個試驗點, 生育后期日均溫高于其他2個試驗點, 這可能是導致其低穗數(shù)、高粒重的原因之一。當然不同試驗點土壤肥力的差異對此也有一定的影響。因此, 根據(jù)玉米–晚稻模式前后季氣象條件的差異, 還有待加強適應性品種的篩選與栽培措施優(yōu)化。

4 結(jié)論

長江中游地區(qū)氣候資源豐富, 可進行春玉米–晚稻水旱輪作, 而進行合理的玉米–晚稻品種搭配是發(fā)揮玉–稻產(chǎn)量潛力、提高資源利用與生產(chǎn)效率的重要前提。合理的玉–稻品種搭配可依據(jù)當?shù)氐姆e溫條件優(yōu)化配置前后兩季的熱量資源。當周年≥10℃有效積溫利用率達到97%, 玉米季與晚稻季的積溫比值為1.06~1.08時, 玉–稻模式可獲得較高的周年產(chǎn)量。因此, 湖北省南部積溫較高的區(qū)域宜選擇生育期125 d以內(nèi)的高產(chǎn)玉米品種與全生育期140 d以內(nèi)的晚稻品種進行搭配; 而在積溫相對偏少的中北部區(qū)域, 宜選擇生育期120 d以內(nèi)的高產(chǎn)玉米品種與全生育期130 d以內(nèi)的晚稻品種進行搭配。

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Effects of varieties collocation between crop seasons on the yield and resource use efficiency of maize–late rice cropping in Hubei province

LIU Zhi-Hui1, PAN Gao-Feng2, CHEN Wen1, QIN Ming-Guang1, CAO Cou-Gui1, CHANG Chang-Long3, ZHAN Ming1,*

1Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in the Middle Reaches of the Yangtze River Ministry of Agriculture and Rural Affairs / College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, Hubei, China;2Xiangyang Academy of Agricultural Sciences, Xiangyang 441057, Hubei, China;3Jingmen Soil and Fertilizer Station Jingmen 448000, Hubei, China

Maize-late rice cropping (M–R) is considered to coordinate the production of food and feed crop. In recent years, M–R has begun to develop in the middle reaches of the Yangtze River. However, technologies have not been systematically studied and improved for its higher yield and higher resources use efficiency. Especially, a reasonable collocation of varieties between maize and late rice seasons is an important basis to realize the yield potential of M–R, and still is under evaluation. In this study, different maize and late rice varieties were selected and collocated to different M–R modes. Their yield performance and use efficiency of resources were detected in different regions of Hubei province in 2015 and 2017. The results showed that under different heat conditions, the varieties collocation modes had significant effects on the annual yield of M–R and the production efficiency of resources. The modes of medium maturity maize-laterice cropping had obviously higher annual yield and resource production efficiency under higher accumulated temperature (GDD≥10°C); on the contrary, the annual yield and resource production efficiency of the modes of early maturity maize-laterice cropping were higher under lower GDD≥10°C. The utilization percentage of the annual effective GDD≥10°Cof each varieties combinationmode could reach 95.6%–100.0%, and the distribution ratio of GDD≥10°cbetween previous and subsequent season (TR) had a significant non-linear relationship with the relative annual yield of M–R. When the utilization percentage of GDD≥10°Cwas 97.0%–98.5% and TR was 1.06–1.08, M–R could obtain highest annual yield. Therefore, suitable varieties of maize and late rice could be selected according to the local heat resource and reasonable TR. In summary, high-yield maize varieties with a growth period of 125 days and late rice varieties with a growth period of 140 days should be selected for the southern regions with higher GDD≥10°C, while high-yield maize varieties with a growth period of 120 days and late rice varieties with a growth period of 130 days should be selected for the middle and northern regions with relatively lower GDD≥10°Cin Hubei province.

maize–rice double cropping; varieties collocation; yield; seasonal distribution of climate resources; resource production efficiency

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300308)和國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503122)資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300308) and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503122).

展茗, E-mail: zhanming@mail.hzau.edu.cn

E-mail: 1766686187@qq.com

2020-03-24;

2020-07-02;

2020-08-11.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200811.1554.004.html

10.3724/SP.J.1006.2020.03019