李樹巖，王彥坡，邢冉冉，王頂杰，任麗偉，劉天學

(1.中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點實驗室，河南 鄭州 450003；2.河南省西峽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 西峽 454500；3.河南農(nóng)業(yè)大學，河南 鄭州 450002；4.河南省方城縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心，河南 方城 473200；5.河南省鶴壁市氣象局，河南 鶴壁 458000)

引 言

黃淮南部(河南)是夏玉米主產(chǎn)區(qū)，近年來播種面積一直保持在300×104hm2以上[1-2]，但近幾年河南夏玉米單產(chǎn)較全國普遍偏低[3-4]。黃淮南部生產(chǎn)環(huán)境復雜，不能充分利用當?shù)厣鷳B(tài)氣候資源是造成夏玉米產(chǎn)量偏低的重要原因[5]。品種是決定作物產(chǎn)量和品質(zhì)的主導因素[6]，在我國耕地面積不斷下降、水資源和農(nóng)業(yè)勞動力日益短缺背景下[7]，利用作物品種的遺傳能力提高作物單產(chǎn)、最大限度地挖掘光溫生產(chǎn)潛力[8-11]，是確保我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

豐產(chǎn)性是品種選育首先需考慮的指標[12-13]。穩(wěn)產(chǎn)性要求品種年際間產(chǎn)量相對穩(wěn)定，不能忽高忽低，出現(xiàn)“大小年”[14-15]，穩(wěn)產(chǎn)性評價也一直是品種選育的重要指標[16-17]。農(nóng)業(yè)氣候資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占重要地位，決定了一個地區(qū)農(nóng)作物種植的類型、熟制、種植的方式、品種布局等。能否充分利用當?shù)剞r(nóng)業(yè)氣候資源，提高玉米的光、溫、水利用效率是品種篩選的重要參考[18-20]。特別是在全球氣候變暖的背景下，夏玉米生長季節(jié)延長，用水需求增加[21]，區(qū)域氣候條件更加不穩(wěn)定，對品種的生態(tài)適應性提出了更高要求。

為科學評價、遴選生態(tài)適應性強的夏玉米品種，提高黃淮南部夏玉米單產(chǎn)水平，在客觀土壤特性及氣候條件基礎上，選擇已通過審定的40個玉米品種，于2018年在豫南、豫中和豫北3個生態(tài)區(qū)設計多點試驗，以期篩選出適合3個生態(tài)區(qū)種植的夏玉米豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及高效品種，為保障當?shù)叵挠衩装踩a(chǎn)提供參考，并為后續(xù)的配套栽培技術研究提供最適品種參考。

1 試驗及方法

1.1 試驗點概況

試驗于2018年在豫北、豫中和豫南3個生態(tài)區(qū)同時開展。豫北生態(tài)區(qū)試驗點位于鶴壁市?？h農(nóng)業(yè)氣象試驗站(114.11°E、35.54°N)，該站年均氣溫13.9 ℃，年日照時數(shù)2098 h，年降水量591.7 mm，試驗田土質(zhì)為潮土，0～20 cm耕作層土壤有機質(zhì)含量14.52 g·kg-1、堿解氮含量78.3 mg·kg-1、速效鉀含量277.55 mg·kg-1、速效磷含量37.93 mg·kg-1。豫中生態(tài)區(qū)試驗點位于許昌市建安區(qū)(113.81°E、34.02°N)，年均氣溫14.4 ℃，年日照時數(shù)2028 h，年降水量727.3 mm，試驗田土質(zhì)為潮土，0～20 cm耕作層土壤有機質(zhì)含量23.54 g·kg-1、堿解氮含量43.77 mg·kg-1、速效鉀含量202.04 mg·kg-1、速效磷含量11.07 mg·kg-1。豫南生態(tài)區(qū)試驗點位于南陽市方城縣(112.98°E、33.25°N)，該站年均氣溫14.3 ℃，年日照時數(shù)1971 h，年降水量812.3 mm，試驗田土質(zhì)為砂姜黑土，0～20 cm耕作層土壤有機質(zhì)含量25.02 g·kg-1、堿解氮含量73.2 mg·kg-1、速效鉀含量140.82 mg·kg-1、速效磷含量24.40 mg·kg-1。 3個試驗點分布如圖1所示。

圖1 3個試驗點分布示意圖Fig.1 The sketch map of three experiment stations distribution

1.2 試驗設計

試驗品種及編號如表1所示。為與當?shù)厣a(chǎn)制度相匹配，各品種統(tǒng)一播種，統(tǒng)一在收獲期取樣。其中，浚縣于6月11日播種，9月29日收獲；許昌于6月 8日播種，9月27日收獲；方城于6月6日播種，9月22日收獲。

表1 試驗品種Tab.1 The test varieties

試驗采用隨機區(qū)組設計，每個品種3個重復。株距25 cm，60 cm等行距種植。小區(qū)行長5 m，寬3 m，小區(qū)之間間隔60 cm，區(qū)組間設1 m走道。播種方式為小麥收獲后人工點播，一穴兩粒鐵茬播種，三葉期間苗，化控除草，拔節(jié)期行間開溝施入魯西牌復合肥(N-P2O5-K2O: 29-5-6)750 kg·hm-2，3個試驗點均為雨養(yǎng)生產(chǎn)未進行灌溉，其他管理措施同大田。

1.3 觀測項目

1.3.1 氣象和土壤墑情數(shù)據(jù)

記錄的夏玉米生育期內(nèi)逐日平均氣溫、日照時數(shù)、降水量和土壤墑情數(shù)據(jù)來源于當?shù)氐孛鏆庀笥^測站。

1.3.2 玉米發(fā)育期

觀測夏玉米品種出苗、拔節(jié)、抽雄、吐絲、成熟等生育時期。

1.3.3 收獲取樣測定

為評價夏玉米品種在3個同生態(tài)區(qū)的生態(tài)適應性，考慮當?shù)剞r(nóng)時，每個生態(tài)區(qū)所有品種統(tǒng)一收獲取樣。取樣方法為選擇各重復小區(qū)中間行連續(xù)10株的果穗(除去小區(qū)邊行和兩頭1 m的植株)，每個品種共取30穗。脫苞曬干后測量穗長、禿尖長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)等，采用谷物水分測定儀測定含水率，稱量百粒重，計算理論產(chǎn)量(產(chǎn)量均折合為14%含水率表示)。

1.4 氣候資源利用率[22-23]

1.4.1 光能利用率

作物干物重的90%以上來自光合作用，子粒產(chǎn)量主要取決于光能利用率的高低，即光合產(chǎn)物中貯存的能量占有效輻射能或占太陽總輻射能的百分比，光能利用率計算公式如下：

(1)

式中：LUE(kg·MJ-1)為光能利用率；Y(kg·hm-2)為糧食作物產(chǎn)量；∑Q(MJ·hm-2)為作物生長季內(nèi)的太陽總輻射。由于大部分地面氣象觀測臺站沒有輻射觀測資料，需要通過日照時數(shù)來轉(zhuǎn)換，因此采用國際上認可的埃斯屈朗(Angstrom)經(jīng)驗公式將日照時數(shù)轉(zhuǎn)換為太陽輻射量[24]。

1.4.2 熱量利用率

農(nóng)業(yè)氣象學的熱量條件以積溫表示，≥10 ℃的積溫為喜溫作物生長的熱量條件。熱量利用率計算公式如下：

(2)

式中：HUE(kg·℃-1·d-1·hm-2)為熱量資源利用率；∑T(℃·d)為作物生長季≥10 ℃積溫。

1.4.3 水分利用率

水分利用率反映水分條件對糧食產(chǎn)量形成的貢獻，本研究忽略了灌溉、地下水供給，主要為降水資源利用率，非嚴格意義上的水分利用效率，其計算公式如下：

(3)

式中：PUE(kg·mm-1·hm-2)為降水資源利用率；∑R(mm)為夏玉米生長季內(nèi)總降水量。

1.4.4 各品種氣候資源利用率

各品種氣候資源利用率計算公式如下：

(4)

1.5 品種豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)特性評價

品種豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性采用變異系數(shù)法進行評價，產(chǎn)量變異系數(shù)根據(jù)重復取樣數(shù)據(jù)來計算。以產(chǎn)量為橫軸，以產(chǎn)量的變異系數(shù)為縱軸，以產(chǎn)量和產(chǎn)量的變異系數(shù)的中值為原點將平面分為4個象限，其中位于第4象限即產(chǎn)量高、變異系數(shù)小的品種為豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種。

1.6 3個生態(tài)區(qū)品種高產(chǎn)高效綜合評價

綜合考慮品種高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)特性及氣候資源利用率，構建高產(chǎn)高效品種綜合評價指數(shù)，計算公式如下：

(5)

(6)

式中：Zi為某要素的標準化值；Xi為某要素原始值；Xmax和Xmin分別為某要素序列的最大值和最小值。

2 結(jié)果分析

2.1 夏玉米生長季氣象條件和土壤墑情

2.1.1 夏玉米生長季氣象條件

夏玉米生長季主要集中在6—9月，統(tǒng)計3個試驗點6—9月每個月平均氣溫T，日照時數(shù)S和降水量P(表2)。6月豫北?？h的氣溫略高，生長中后期3個試驗點的熱量差異不大；生長季日照時數(shù)許昌最長、?？h最短；降水量分布的隨機性較大，生長季南部和北部多、中部少，浚縣最多為412.6 mm，許昌最少為314.3 mm，這與河南省南多北少的降水常年分布形式不一致?？？h和方城的降水主要在6、7月，許昌主要在8月。

表2 3個生態(tài)區(qū)夏玉米生長季氣象條件Tab.2 The meteorological conditions during summer maize growth periods in three ecological regions

2.1.2 夏玉米生長季土壤墑情

圖2為3個生態(tài)區(qū)夏玉米生長季土壤相對濕度變化。可以看出，?？h除9月5—18日土壤相對濕度<60%，有一定的干旱脅迫外，其他時段墑情均適宜；許昌在8月18日之前土壤相對濕度一直在60%附近波動，沒有明顯的水分脅迫，8月18日之后隨一場大的降水過程，直至成熟收獲土壤相對濕度均維持較高水平；方城玉米生長季土壤相對濕度總體呈下降趨勢，但均處于60%～90%的適宜范圍內(nèi)。綜上所述，3個試驗點玉米生長季土壤墑情大都處于適宜狀態(tài)，可基本忽略水分脅迫的影響。

圖2 3個生態(tài)區(qū)夏玉米生長季土壤相對濕度變化Fig.2 The variation of soil relative humidity during summer maize growth season in three ecological regions

2.2 3個生態(tài)區(qū)夏玉米生育期變化特征

圖3為3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種主要生育期日數(shù)分布?？梢钥闯觯缙谌諗?shù)?？h最短(23～25 d)，許昌最長(25～28 d)；穗期日數(shù)?？h最短(22～26 d)，方城最長(25～28 d)。這主要由于6月浚縣的平均氣溫偏高，造成苗期和穗期生育進程加快?；Ｆ谑浅掷m(xù)時間最長的一個階段，為50～63 d，表現(xiàn)為由南向北逐漸增加，3個生態(tài)區(qū)品種花粒期日數(shù)相差8～10 d；全生育期日數(shù)方城最短平均值為108 d，?？h最長平均值為111 d，且3個生態(tài)區(qū)品種間全生育期日數(shù)相差12～16 d，亦可知全生育期長度與花粒期長度相關性最強。

圖3 3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種苗期(a)、穗期(b)、花粒期(c)和全生育期(d)日數(shù)分布Fig.3 The days distribution of seeding stage (a), ear stage (b), grain stage (c) and full growth periods (d) of summer maize varieties in three ecological regions

2.3 3個生態(tài)區(qū)夏玉米產(chǎn)量變化特征

圖4為3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種產(chǎn)量分布?？芍挠衩赘髌贩N產(chǎn)量方城最高為9152.6～12 828.6 kg·hm-2，平均為10 802.2 kg·hm-2，許昌最低為6574.6～9077.7 kg·hm-2，平均7907.9 kg·hm-2。3個生態(tài)區(qū)產(chǎn)量差異兩兩之間均通過0.05顯著性檢驗。

圖4 3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種產(chǎn)量分布(*表示兩個生態(tài)區(qū)產(chǎn)量差異通過0.05顯著性檢驗)Fig.4 The distribution of yield of summer maize varieties in three ecological regions(The * means yield difference between two ecological regions passed the 0.05 significance test)

2.4 3個生態(tài)區(qū)夏玉米氣候資源利用率變化

圖5為3個生態(tài)區(qū)夏玉米各品種光能、熱量和水分利用率。可以看出，?？h大部分品種光能利用率為0.42～0.47 kg·MJ-1，許昌為0.35～0.40 kg·MJ-1，方城最高為0.50～0.55 kg·MJ-1。?？h、許昌和方城大部分品種熱量利用率分別為2.9～3.2、2.5～2.9 和3.5～3.9 kg·℃-1·d-1·hm-2?？？h的水分利用率最低，大部分品種為21～24 kg·mm-1·hm-2，許昌和方城大部分品種水分利用率分別為23～26和26～30 kg·mm-1·hm-2。綜合所述，由于方城產(chǎn)量最高，其光溫水氣候資源利用率均最高。光、溫利用率?？h高于許昌，但水分利用率許昌高于?？h。

圖5 3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種光能(a)、熱量(b)和水分(c)利用率分布Fig.5 The distribution of light (a), heat (b) and water (c) utilization efficiency of summer maize varieties in three ecological regions

2.5 3個生態(tài)區(qū)夏玉米豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種評價

采用變異系數(shù)法對3個生態(tài)區(qū)40個夏玉米品種進行豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性評價(圖6)，分布于第4象限的品種為豐產(chǎn)且變異程度小的品種。其中浚縣和許昌篩選出12個品種，方城篩選出11個品種。

圖6 3個生態(tài)區(qū)40個夏玉米品種豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性分布Fig.6 Distribution of high and stable yield of summer maize varieties in three ecological regions

將3個生態(tài)區(qū)篩選出的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性品種，按照產(chǎn)量水平進行排序(表3)。其中，登海605在3個生態(tài)區(qū)均被篩選出來，新單68、晟玉88、大豐30同時出現(xiàn)在?？h和許昌，偉科702、鄭單1002和鄭單538同時出現(xiàn)在?？h和方城，懷川39同時出現(xiàn)在許昌和方城。

表3 篩選的3個生態(tài)區(qū)豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種Tab.3 Selected summer maize varieties with high and stable yield in three ecological regions

2.6 3個生態(tài)區(qū)高產(chǎn)高效品種評價

根據(jù)高產(chǎn)高效綜合評價指數(shù)對3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種進行排序，表4列出排名前20的品種?？梢钥闯?，有11個品種同時在3個試驗點出現(xiàn)，分別是偉科702、慶玉9號、新單68、登海605、大豐30、鄭單1002、豐德存玉10、浚單29、鄭單538、懷川39和SK1098。表明這些品種在黃淮南部主產(chǎn)區(qū)的高產(chǎn)高效性表現(xiàn)較為一致。另外鄭單6122和晟玉88同時出現(xiàn)在浚縣和許昌的前20名。豐德存玉13同時出現(xiàn)在?？h和方城的前20名。裕豐303、秋樂368和鄭單6095同時出現(xiàn)在許昌和方城的前20名。

表4 3個生態(tài)區(qū)排名前20的夏玉米品種高產(chǎn)高效綜合評價指數(shù)Tab.4 The top 20 high yield and high efficiency evaluation comprehensive index of summer maize varieties in three ecological regions

3 結(jié)論與討論

(1)全生育期長度方城最短，各品種平均值為108 d，?？h最長，各品種平均值為111 d，不同生態(tài)區(qū)品種間相差12～16 d，且全生育期長度與花粒期相關性最強。受氣象條件及當?shù)赝寥?、栽培措施等條件影響，當年試驗點方城夏玉米產(chǎn)量最高，許昌產(chǎn)量最低，且各站產(chǎn)量差異均通過顯著性檢驗。受產(chǎn)量高低影響，方城的光溫水氣候資源利用率均最高，浚縣的光、溫利用率高于許昌，但水分利用率低于許昌。

(2)在3個生態(tài)區(qū)排名前20的品種中，篩選出11個高產(chǎn)高效夏玉米品種，分別是偉科702、慶玉9號、新單68、登海605、大豐30、鄭單1002、豐德存玉10、浚單29、鄭單538、懷川39和SK1098。

品種自身的遺傳特性是決定高產(chǎn)高效的重要內(nèi)因，外界氣象條件、栽培管理措施等是也是影響夏玉米產(chǎn)量的重要因素。近年來氣候變化加劇，極端氣候事件頻發(fā)，高溫、干旱、倒伏等農(nóng)業(yè)氣象災害給夏玉米安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅[25-27]，不利的氣象條件也加劇了病蟲害的發(fā)生[28]。受近幾年玉米“去庫存”政策的影響，玉米生產(chǎn)效益大幅下降，導致農(nóng)民的生產(chǎn)積極性降低，田間管理愈發(fā)粗放等，也造成了玉米產(chǎn)量下降。因此促進夏玉米高產(chǎn)高效還需從品種選育、耕作措施、防災減災等多方面入手。

本文主要從3個生態(tài)區(qū)品種的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)表現(xiàn)和氣象條件的高效利用入手，分析區(qū)域間的生態(tài)氣候條件差異并進行品種適應性的評價，由于試驗當年無大范圍嚴重的農(nóng)業(yè)氣象災害和病蟲害，研究結(jié)果沒有充分考慮品種抗病抗災特性，但各品種在抗病蟲害能力方面存在差異，這是后續(xù)研究需關注的問題。為吻合當?shù)厣a(chǎn)制度，部分偏晚熟品種沒有達到黑底層出現(xiàn)的完熟標準就進行了收獲，即所有品種統(tǒng)一取樣、測產(chǎn)，成熟度對產(chǎn)量和品質(zhì)會有一定影響，沒有完全發(fā)揮品種的優(yōu)勢，但品種達不到完熟亦收獲也可以反映出當?shù)責崃織l件是否滿足該品種生長所需。

水分條件對夏玉米產(chǎn)量影響較大，由3個試驗點的土壤水分資料可知，夏玉米全生育期土壤墑情大都處于適宜及以上，沒有嚴重的水分脅迫發(fā)生。但從常年來看，不同生態(tài)區(qū)降水年際波動較大，在整個生育期的分配也不均勻，且不同區(qū)域的農(nóng)田基礎設施條件有差異，當有旱情發(fā)生時豫北地區(qū)由于灌溉條件較好，往往容易獲得更高的產(chǎn)量。相反豫南地區(qū)受灌溉條件所限，干旱風險增加，對品種的抗旱能力要求也更高。

本研究采用單年多點試驗，受當年生態(tài)、氣象等條件影響，各品種在不同生態(tài)區(qū)表現(xiàn)不一。方城試驗點中后期光照條件較好，漬澇和陰雨寡照得到緩解，病蟲害輕于往年，產(chǎn)量在3個試驗點中表現(xiàn)最好。本研究旨在評價每個品種在黃淮南部的最適宜種植區(qū)，但所選品種既然能通過審定，其豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性是有一定保障的，受單年試驗條件所限，研究結(jié)果還存在一定的局限性，應深入持續(xù)地開展品種比較和試驗研究。