1. 引言
农作物的生长发育需要一定的热量条件，这些热量表现为作物生命周期内日平均气温的累积，这个累积温度就是积温 [1] 。农作物产量的高低与生育期所占有的积温资源及积温利用效率有关，如何充分发挥周年积温的使用率和使用效率就成为人们普遍关心的问题 [2] [3] 。晋南冬麦区光热资源较为丰富，冬小麦–夏玉米一年二作是当地的农作物传统种植方式。近年来随着晋南冬麦区水肥条件的改善和机械化作业的发展，冬小麦–夏玉米复种面积有所上升 [4] 。但该种植方式存在冬小麦与夏玉米争光热资源的矛盾，全年光热资源除两茬作物衔接的农耗期耗掉少部分光热资源外，对二者来说其余光热资源都较为紧张 [5] 。如冬小麦生育期过长就会挤占夏玉米的光热资源，相反，夏玉米生育期太长，也会挤占冬小麦的资源空间。如何协调冬小麦与夏玉米的光热资源的合理配置，提高光热资源的利用效率，使二者产量最大化，成为当地农民很关心的问题 [6] 。为了解决这一矛盾，当地农民曾经利用间作套种的方式来协调，这样一段时间的积温为2茬作物同时共用，但随着农业收割机械化程度的提高，小麦的收获几乎都成了联合收割机收获，对套种的玉米幼苗伤害太大，再加上套种时玉米的播种机械化程度较低，不利于现代化水平的提高，所以过去传统的套种方式已被小麦收获后利用玉米大型播种机进行直播所代替。后期由于收获较晚，且收获时玉米往往成熟度低，不利于机械收获 [7] [8] 。为了明确小麦–夏玉米一年二作条件下2茬作物的产量潜力及积温资源分配利用情况，本文通过小麦–夏玉米的合理品种的搭配组合筛选及2茬作物的光热资源的分配分析，为该区冬小麦–夏玉米的周年粮食丰收及品种筛选(或选育)提供一定的理论依据。
2. 材料和方法
2.1. 试验地概况及主要气象情况
2.1.1. 试验地概况
试验于2018~2019年度和2019~2020年度2个一年二作生产周期在山西农业大学小麦研究所韩村试验基地进行，每个生产周期包括上年度夏播玉米收获之后到下年度夏播玉米收获之前，每一个生产周期包括小麦生育期、玉米生育期及上茬作物成熟后到下茬作物播种前的农耗期，每个生产周期包括2个农耗期。试验地点海拔499.0 m，土壤质地为黏壤土，地势平坦，灌溉便利。试验地距离建筑物及树木较远，试验受环境影响较小。
2.1.2 主要气象情况
试验的2个生产周期内气候比较正常，没有明显的自然灾害，试验结果受特殊气候影响较小。2018~2019年度，≥0℃积温5549.2℃；2019~2020年度，≥10℃积温5518.1℃。本研究中的气象数据均由临汾市气象局提供。
2.2. 试验材料
该试验材料小麦品种选用丰产性、适应性均较好的品种(系)济麦22、济麦70、泰农108等14个品种，夏玉米品种选用丰产性较好、生育期较为适宜的品种郑单958、运单76、华单136等10个品种(系)。
2.3. 试验方法
该试验周期为连续2个小麦–夏玉米生产周期，每个试验材料均按小区播种。小麦品种(系)的小区播种面积为13.3 m2，设3次重复，不完全随机区组排列，田间播种采用小区播种机播种，播种期以前茬玉米收获期而定，一般年份为10月10日前后。小区为6行区，行距为21.6 cm，小区长10 m。田间管理与当地小麦大田管理相同。田间调查性状包括出苗期、基本苗、越冬性等，收获期全区收获测产。夏玉米品种(系)的播种面积为20.0 m2，也为设3次重复，不完全随机区组排列，田间播种方式为玉米播种机开沟，人工点播，播种期以前茬小麦收获期而定，一般年份为6月18日前后，田间管理与当地大田管理一致。播种小区为5行区，行距0.6 m，株距0.247 m。田间调查性状包括出苗期、吐丝期、扬花期等，收获期仅收获小区中间3行进行测产。
3. 结果与分析
3.1. 二年小麦–夏玉米产量分析
2018~2020年2个生产周期小麦和夏玉米产量情况及方差分析见表1和表2。就小麦品种而言，2018~2019年度14个小麦品种(系)间产量变异范围为6354.0~7269.0 kg/hm2，2019~2020年度其变异范围为6579.0~7645.5 kg/hm2。2个年度间产量水平相对稳定的品种(系)有金禾12339、俊达119、GY14038等，年际间产量相对稳定性差的品种有泰农108、邯14-5337、科源77等。产量水平相对较高，且年际间较为稳定的品种(系)有金禾12339、山农25771、邯14-4610等品种，从产量角度这些品种(系)在一年二作条件下适合作为小麦搭配品种。就夏玉米品种而言，2019年度10个玉米品种(系)间产量变异范围为11024.0~11759.4 kg/hm2，2020年度其变异范围为11569.5~12346.5 kg/hm2。年际间产量相对高而稳的品种(系)有鑫丰盛9898、登顶99、赛博160等；产量相对较高但稳产性略差的品种(系)有华单136、长单99、益嘉丰566等，这些品种(系)都适合作为一年二作的搭配夏玉米品种。
从2个生产周期作物总产量情况来看，试验以14个小麦品种和10个玉米品种为试验对象，可组成140个“冬小麦品种 + 夏玉米品种”的组合，这140个品种组合在2018~2019年度组合总产量变异范围为：17223.3 kg/hm2~19028.4 kg/hm2，而2019~2020年度该变异范围为18148.5~20423.5 kg/hm2。2018~2019年度“小麦品种+夏玉米品种”的最高产组合为“金禾12339 + 华单136”，而2019~2020年度的最高产组合为“金禾12339 + 益嘉丰566”。
Table 1. Analysis of wheat yield and its difference under two cropping seasons
表1. 小麦–夏玉米一年二作小麦产量(kg/hm2)及其差异分析
Table 2. Analysis of summer maize yield and its difference under two cropping seasons
表2. 小麦–夏玉米一年二作玉米产量及其排名位次
3.2. 一年二作小麦–夏玉米的生育期分析
2018~2020年二个生产周期中不同小麦和夏玉米品种(系)的生育期(从播种到收获时的天数)见表3和表4，2018~2019年度14个试验小麦品种生育期变异范围为232~238天，早熟和晚熟品种成熟期相差6天，而2019~2020年度这14个品种(系)生育期变异范围为232~235天，早熟和晚熟品种成熟期相差3天。从不同品种(系)2年的年际间变化来看，小麦品种金禾12339、邯14-4610、山农25771、QF195等品种(系)的早熟性均较好，而GY14038、岱麦246等2年均略晚熟，多数小麦品种的成熟期在年际间表现较为一致，但也有个别品种表现较为特殊，如科源77在2018~2019年度成熟期略晚，而在2019~2020年度成熟期又相对较早，说明不同年份的特殊气候对这类小麦品种的成熟期影响明显。再从玉米品种情况来看，2019年度10个试验玉米品种(系)生育期变异范围为112~116天，早熟和晚熟品种成熟期相差4天，而2020年度参试品种生育期变异范围为113~116天，早熟和晚熟品种成熟期相差3天。从品种年际间情况来看，运单76、赛博160等品种(系) 2年均较早熟，而登顶99等品种(系) 2年均较晚熟，对多数品种来说，其熟性年际间变化也很小，但也有较例外品种，如华单136在2019年度较晚熟而在2020年度又表现为早熟，年际间相对成熟期差异明显。再从小麦和夏玉米生育期相加总和来看，2种作物2018~2019年度的生育期相加总和的变异范围为344～354天；而2018~2019年度其生育期相加总和的变异范围为345~351天。
再结合产量和生育期的情况来看，试验产量最高的品种组合为小麦品种(金禾12339) + 夏玉米品种(华单136)，二者生育期天数之和为346天；而产量最低的品种组合为小麦品种(济麦70) + 夏玉米品种(郑单958)，其天数之和为348.5天。而且是金禾12339比济麦70早熟1天，华单136比郑单958早熟1.5天(二年平均值)。可见，无论是小麦品种还是玉米品种，并非越晚熟产量越高，而与积温的利用效率有很大的关系。
Table 3. Growth period of different wheat varieties for harvest twice a year with wheat and summer maize
表3. 小麦–夏玉米一年二作不同小麦品种生育期(d)
备注：1) 表中生育期为播种时期到成熟时期的天数；2) 排名位次为生育期由短到长。
Table 4. Growth period of different summer maize varieties under harvest twice a year with wheat and summer maize
表4. 小麦–夏玉米一年二作不同玉米品种生育期(d)
备注：1) 表中生育期为播种时期到成熟时期的天数；2) 排名位次为生育期由短到长。
3.3. 小麦–夏玉米的产量及其生育期相关性分析
2018~2020年度的小麦和夏播玉米品种的产量与其生育期的相关性分析见表5，本试验材料的小麦品种与其生育期相关性在2018~2019年度为负相关，2019~2020年度也为负相关，但2年度均未达显著水平。从品种的具体情况来看(表1和表3)，试验中金禾12339的2年表现均为产量排名第1，而生育期2018~2019年度为最短，另一年度生育期排名第2。与该品种表现类似的品种还有山农25771，也均表现为产量水平较高，而生育期较短。而品种(系) GY14038和岱麦4366却表现为产量水平相对一般，而其生育期又相对较长。试验中由于这些品种的存在，导致了产量与生育期显著(或极显著)负相关。从本试验的玉米品种来看，其产量与其生育期相关性均为正相关，但均未达显著水平。这进一步说明小麦和(或)夏玉米的产量并非生育期越长越好，还是与品种对积温的利用效率有关。
Table 5. Correlation between grain yield and growth period under harvest twice a year with wheat and summer maize
表5. 一年二作条件下小麦夏玉米产量与生育期相关性
3.4. 小麦–夏玉米生产周期 ≥ 0℃的积温消耗
从表6可看出，由于小麦是越冬作物，尽管生育期很长，但其消耗的周年积温却相对较少，越冬期间积温很少，试验2个生产周期的小麦品种消耗的 ≥ 0℃的积温分别为43.4%和44.8%，而玉米品种的消耗积温分别为52.5%和50.1%。2018~2019年度农耗期的天数为11天，这即包括前茬作物已成熟但由于各种原因不能及时收获的天数，如收获后的耕地、整地、打垅等下茬作物播种前的农耗天数。这11天消耗掉周年积温的4.1%，对于粮食生产而言，这种消耗为无益消耗，所以生产中尽量减少农耗期的天数。2019~2020年度的农耗期更长，达15天，这是因为2020年度当地小麦临近收获前连降2场大雨，导致小麦收获期推迟了，从而增加了农耗期的天数，消耗掉周年积温的5.1%。所以生产中应提高农业机械化使用效率，最大限度缩短农耗期，减少无为的积温消耗。
Table 6. Days and accumulated temperature consumption of wheat, summer maize and agricultural consumption period ≥ 0˚C under harvest twice a year with wheat and summer maize
表6. 一年二作条件下小麦、夏玉米及农耗期的天数及 ≥ 0℃积温消耗
3.5. 小麦不同播期对应的冬前积温分析
根据当地气候情况分析，2018年度和2019年度小麦不同播期对应的 ≥ 0℃冬前积温见表7 (积温计算时间从播种的第2日开始累计)。从当地一年二作小麦–夏玉米的生育期情况来看，农耗期的天数多数年份为挤占了小麦生育期的天数。当地小麦正常年份为6月12日左右成熟，6月15日左右收获，而夏玉米在6月18日前后播种，一般在10月12日前后成熟，10月15日前后收获，10月18日前后播种下茬小麦。根据前人研究共识，小麦冬前壮苗的适宜积温为500℃~600℃，极限积温限度范围为400℃~750℃，超出此温度范围就会形成冬前弱苗或冬前旺苗。根据表7可看出，形成冬前壮苗的最佳播期为10月5日~12日，极限播期范围为10月1日~20日。而当地小麦试验的播期为10月18日前后，处在极限播期范围的边缘，极易形成冬前弱苗。所以，生产中应该尽量减少农耗期的天数，小麦和夏播玉米能适当早熟，从而提早小麦播种期，使其冬前形成壮苗，达到小麦–夏玉米一年二作双丰收的效果。
Table 7. Corresponding accumulated temperature of wheat before winter under different sowing date
表7. 小麦播期(月/日)及其对应的冬前积温(度∙日)
4. 讨论
4.1. 冬小麦–夏玉米的产量潜力分析
本试验中周年2茬作物产量最高的达到20423.5 kg/hm2，其品种组合搭配为“小麦品种：金禾12339 + 夏玉米品种：华单136”，从其生育期来看，金禾12339的生育期2年度均为233天，华单136生育期为113天，二者和起来为346天，而两茬作物合起来生育期最长为352天，也就是说“金禾12339 + 华单136”的生育期天数比最长的品种组合生育期要短6天，而试验地是按生育期最长的品种成熟后才能收获。我国黄淮冬麦区冬小麦和夏玉米一年二作往往是缩短了小麦的生育期，一般品种而言多数年份一年二作的冬小麦播期都推迟到10月20日左右。如果本试验产量最高组合“金禾12339 + 华单136”能成熟时按时收获，其节约的6天时间使小麦品种金禾12339能在10月14日前后播种，其可以培育比10月20日播种的冬前苗更好的冬前壮苗，可大幅度提高小麦产量，同时由于冬小麦播期提前6天左右，又可使第二年的收获期提前1~2天，使后期玉米播期也可提前1~2天，这样可以形成一种良性循环，有利于周年冬小麦–夏玉米的总产量的提高 [9] 。可见，通过品种的筛选来提高光热资源利用率，通过播种期的合理调整来达到光热资源在小麦–夏玉米之间的合理分配，从而实现小麦–夏玉米一年二作的周年粮食产量的进一步提高是可行的 [10] [11] [12] 。
4.2. 冬小麦–夏玉米的播期及积温资源利用效率分析
在同一作物同一年份中，活动积温和生育期其实是一个数据的不同表达形式，生育期越长，活动积温自然越高，反之越低 [13] 。本试验中2个生长周期无论是小麦品种还是夏玉米品种都存在一个事实，即生育期最长的品种产量并不是最高，这与前人研究结果不尽一致 [14] [15] 。且冬小麦生育期与产量出现了负相关现象，尽管未达显著水平，说明在当地生育期太长的品种不太适合，这与当地小麦收获期往往是30℃以上的高温天气胁迫造成减产有关，常常形成干热风危害，所以生育期太长的品种后期往往不能正常成熟，而是高温逼熟，导致品种的产量不能正常发挥。从当地的一年二作小麦–夏玉米的播期和收获期情况来看，要想获得一年二作小麦–夏玉米的周年粮食丰收，通过太晚播晚收是行不通的。
播期对夏玉米品种达到生理成熟所需的积温没有明显影响，一个品种的积温需求是由其基因型决定的，即品种的特性，与播期早晚没有太大关系 [13] 。但同一品种在不同试验点所需的积温和生长期存在显著差异，说明积温效率的发挥也与其它环境生态条件有互作关系 [16] 。要选择适合本生态区的生育期适宜品种，提高积温的使用效率。晚播晚收可能对玉米产量有一定的影响，但还不太明显，对小麦就有明显影响，晚播小麦由于冬前积温不足，导致苗弱，单株分蘖少，冬前群体不足，严重影响产量水平的正常发挥。所以除尽量减少农耗期的天数外，选择熟期相对较早的小麦和夏玉米品种，通过合理的品种搭配，完全可获得小麦冬前适期播种形成冬前壮苗，成熟时能适时早熟及时收获，为夏玉米适当早播打下时间上的基础，最后玉米收获期也能适时成熟，这样形成一种“适时播种适时收获”的良性循环，最后形成小麦–夏玉米的周年高产高效 [17] 。
4.3. 冬小麦–夏玉米的品种类型分析
目前，随着农田机械化作业的发展，田间人工播种和收获逐渐被大型机械作业而取代，这不仅可以减少人力劳动强度，而且有利于减少二茬作物衔接期的积温消耗。尤其是夏玉米，以前是播种时人工套播，收获时是人工收穗。目前发展为播种时为小麦收获后大型播种机播种，收获时为大型收割机进行机收穗子，并且有大型收割机直接收获玉米籽粒的发展趋势 [4] 。这就对冬小麦–夏玉米的品种类型提出了更高要求。首先，太晚播晚收不利于机械化作业的利用，因为玉米晚播导致生育期延迟，加之收获期日均温度已经较低，收获时玉米脱水慢，导致收获时籽粒含水量太高，机收籽粒时机械损伤严重，不利于机械化水平的提高 [1] 。所以冬小麦–夏玉米的适期播种适期收获对品种产量水平的发挥和机械化水平的提高均有利。
对冬小麦品种而言，应选择中早熟品种，品种杨花后灌浆要快，后期落黄要好，后期耐高温，籽粒光泽好。早熟小麦品种可为后期夏玉米早播种打下时间基础。但要注意小麦品种早熟和早衰的区别，早熟的品种籽粒饱满，而早衰的品种往往表现为植株青干，籽粒饱满度差。本试验中的小麦品种金禾12339就是一个早熟品种，当地6月8日成熟，较多数品种早熟2天，其成熟期落黄极佳，灌浆快。对玉米品种而言，本试验中表现较好的品种有华单136、益嘉丰566、登顶99等，这些品种(系)共同的特点是成熟期相对中等，抗病性好，植株健壮干净，穗子较大，后期籽粒灌浆快，灌浆结束后籽粒脱水快，对光温资源利用率较高。
5. 结论
本试验中小麦–夏玉米一年二作全年粮食产量最高达到20423.5 kg/hm2。无论是小麦品种还是玉米品种，其产量与生育期长短不存在显著相关性，所以小麦和夏玉米在一定生育期范围内提高作物对有效积温的利用效率是关键。小麦–夏玉米一年二作对小麦品种的要求为前期发育慢而稳健，后期发育相对较快，杨花后灌浆要快，后期落黄好耐高温，生育期中早熟，籽粒饱满有光泽，即要求品种早熟而非早衰；对玉米品种的要求位成熟期相对中等，抗病性好，植株健壮干净，穗子较大，后期籽粒灌浆快，灌浆结束后籽粒脱水快，对光温资源利用率较高。根据冬小麦对越冬前有效积温的要求和近年来的小麦播后积温情况，晋南冬麦区形成冬前壮苗的最佳播期为10月5日~12日，极限播期范围为10月1日~20日，超出极限范围极易形成冬前旺苗或弱苗。
基金项目
中央引导地方科技发展资金项目(YDZX20201400001441)，山西省农业科学院有机旱作农业研发专(YCX2020410)，山西省小麦种业创新良种联合攻关项目(YZGG-02)。