杜祥備 習(xí) 敏 孔令聰,* 吳文革,* 陳金華 許有尊 周永進(jìn)

1 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 安徽合肥 230031; 2 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所, 安徽合肥 230031; 3 安徽省氣象研究中心,安徽合肥 230031

在當(dāng)前全球人口膨脹的背景下, 糧食安全問題日益嚴(yán)峻, 預(yù)測到2030年全球每年糧食需求將達(dá)到28億噸。為滿足這一需求, 提升糧食總產(chǎn)量是未來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的熱點問題[1]。我國人口對糧食供給的壓力尤為巨大, 在有限的耕地資源背景下, 唯有提高作物單產(chǎn)水平才是確保糧食安全的唯一途徑。安徽江淮地區(qū)地處我國南北氣候過渡帶, 是我國糧食的主要生產(chǎn)基地之一。稻–麥兩熟種植是區(qū)域糧食生產(chǎn)的主要種植制度, 通常水稻于 5月 10月至 20日播種, 小麥?zhǔn)斋@后移栽, 10月中下旬收獲, 生育期140～160 d, 平均單產(chǎn) 7135.5 kg hm–2; 小麥 10 月下旬至 11月初播種, 5月底至 6月初收獲, 生育期200～215 d, 平均單產(chǎn) 5365.5 kg hm–2。江淮地區(qū)常年稻麥輪作面積 120萬公頃, 占全國稻麥輪作 25%以上, 為保障國家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)[2]。

近年來, 安徽糧食生產(chǎn)技術(shù)取得長足進(jìn)步, 連續(xù)十六連豐。但受氣候變化、自然災(zāi)害及栽培管理技術(shù)等影響, 安徽稻麥單產(chǎn)水平、穩(wěn)定性與糧食總產(chǎn)提高面臨重大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的生產(chǎn)管理條件下作物生長潛力仍沒有得到充分挖掘, 不同生產(chǎn)主體產(chǎn)量差距較大, 甚至同一地區(qū)不同農(nóng)戶田塊之間作物產(chǎn)量的差距也較大。在當(dāng)前作物單產(chǎn)潛力提升有限的情況下, 通過提高單位土地上的糧食產(chǎn)量來縮減區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)量差變得越來越重要[3]。實際生產(chǎn)中江淮地區(qū)稻麥大面積的平均產(chǎn)量還處于較低水平, 單產(chǎn)還有很大的增長潛力。因此, 縮減區(qū)域產(chǎn)量差, 是全面提高區(qū)域糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵[4]。

產(chǎn)量差研究一直是國際作物學(xué)研究的熱點。產(chǎn)量差的研究能夠揭示產(chǎn)量的提升空間, 及區(qū)域產(chǎn)量提高的限制因子[1,5-7]。國內(nèi)外一些學(xué)者從不同側(cè)面對我國不同區(qū)域主要糧食作物產(chǎn)量差及增產(chǎn)潛力進(jìn)行了研究[5-8]。但以往研究多是針對單一作物進(jìn)行,對周年糧食生產(chǎn)和氣候資源利用的研究鮮見報道。同時, 針對江淮地區(qū)稻麥周年產(chǎn)量差的研究尚未見報道。本研究結(jié)合農(nóng)戶調(diào)研和大田試驗示范, 定量分析江淮地區(qū)稻–麥周年生產(chǎn)的產(chǎn)量差, 明確區(qū)域糧食產(chǎn)量提升的主要限制因素, 以期為縮減江淮地區(qū)稻–麥周年產(chǎn)量差和糧食總產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

以安徽省江淮地區(qū)稻麥兩熟主產(chǎn)區(qū)為研究區(qū)域,主要包括鳳臺、壽縣、潁上、懷遠(yuǎn)、定遠(yuǎn)、鳳陽、天長、霍邱、巢湖、廬江等地區(qū)。江淮地區(qū)年平均氣溫在 14～17℃之間, 平均日照 1800～2500 h, 平均無霜期200～250 d, 平均降水量800～1800 mm。主要種植模式是水稻–小麥一年兩熟輪作。

1.2 數(shù)據(jù)來源

產(chǎn)量數(shù)據(jù)主要來源于“十一五”、“十二五”和“十三五”國家糧食豐產(chǎn)科技工程安徽省代表性地點田間試驗、高產(chǎn)攻關(guān)示范和農(nóng)戶生產(chǎn)對照的稻–麥周年產(chǎn)量數(shù)據(jù)。其中, 田間試驗和高產(chǎn)攻關(guān)示范產(chǎn)量數(shù)據(jù)水稻季166個、小麥季80個、周年72個, 農(nóng)戶生產(chǎn)對照產(chǎn)量數(shù)據(jù)水稻季76個、小麥季85個、周年60個。氣象數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象局, 包括上述研究區(qū)域的 9個站點 2008—2019年逐日的平均溫度、輻射量、降水量等氣象資料。

1.3 產(chǎn)量差的確定

為比較不同的產(chǎn)量水平, 根據(jù)Lobell等[1]的分類方法, 從數(shù)據(jù)集中選取田間試驗和高產(chǎn)攻關(guān)示范產(chǎn)量前 5%的均值作為高產(chǎn)紀(jì)錄, 中間 80%的均值作為試驗水平, 農(nóng)戶產(chǎn)量中間80%的均值作為農(nóng)戶水平。確定3個不同產(chǎn)量水平: 高產(chǎn)紀(jì)錄、試驗水平和農(nóng)戶水平。其中水稻高產(chǎn)紀(jì)錄、試驗水平和農(nóng)戶水平數(shù)據(jù)分別為8、133和61個, 小麥分別為4、64和68個, 周年分別為4、58和48個。根據(jù)產(chǎn)量的不同標(biāo)準(zhǔn)水平定義了2個產(chǎn)量差距: 以高產(chǎn)紀(jì)錄為基礎(chǔ)的產(chǎn)量差(YG1)和基于試驗水平為基礎(chǔ)的產(chǎn)量差(YG2)。

YG1 = 高產(chǎn)紀(jì)錄-農(nóng)戶水平, YG2 = 試驗水平-農(nóng)戶水平。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與整理, 用Origin 2018進(jìn)行分析及作圖, SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析, Duncan’s法檢驗顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 江淮地區(qū)稻–麥周年產(chǎn)量水平

江淮地區(qū)稻–麥兩熟種植模式下, 水稻、小麥和周年農(nóng)戶水平分別為6205.5～9390.0、4177.5～7098.0和 11,145.2～16,335.6 kg hm–2, 變幅分別為 7.8%、11.7%和10.8%; 水稻、小麥和周年試驗水平分別為9306.4～12,603.0、6000.5～7731.8和15,120.0～19,631.4 kg hm–2, 變幅分別為8.7%、7.9%和6.3%; 水稻、小麥和周年高產(chǎn)紀(jì)錄分別為 14,379.0～15,307.5、8904.0～9501.3和 21,562.5～22,896.0 kg hm–2, 變幅分別為2.7%、1.4%和2.5% (圖1)。3個不同產(chǎn)量層次中, 高產(chǎn)紀(jì)錄變幅較小, 農(nóng)戶水平變異較大。

2.2 江淮地區(qū)稻–麥周年產(chǎn)量差

江淮地區(qū)稻–麥兩熟種植高產(chǎn)紀(jì)錄、試驗水平與農(nóng)戶水平之間均存在顯著差距(表1)。其中, 水稻、小麥和周年產(chǎn)量農(nóng)戶水平分別為 7175.4、5168.2和12,463.3 kg hm–2, 相比試驗水平的產(chǎn)量差(YG2)分別為33,315.9、1537.5和4645.6 kg hm–2, 相當(dāng)于試驗水平的68.4%、77.1%和72.8%, 還有46.2%、29.7%和37.3%的增產(chǎn)潛力; 相比高產(chǎn)紀(jì)錄的產(chǎn)量差(YG1)分別為7498.6、3977.9和9840.9 kg hm–2, 相當(dāng)于高產(chǎn)紀(jì)錄的 48.9%、56.5%和 55.9%, 還有 104.5%、77.0%和79.0%的增產(chǎn)潛力。

江淮地區(qū)稻–麥兩熟種植季節(jié)間產(chǎn)量差、增產(chǎn)潛力和增產(chǎn)絕對量均以水稻最高, 小麥相對較小。同時, 高產(chǎn)記錄、試驗水平與農(nóng)戶水平下水稻產(chǎn)量占周年產(chǎn)量比重分別為 65.8%、61.3%和 57.6%, 顯著高于小麥的34.2%、38.7%和42.4%。周年總產(chǎn)量越高, 水稻產(chǎn)量所占比重也越高。因此, 提升水稻季產(chǎn)量是進(jìn)一步提高周年產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。

表1 江淮地區(qū)稻–麥周年產(chǎn)量、產(chǎn)量差和增產(chǎn)潛力Table 1 Actual yield, yield potential and yield gaps among different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

2.3 稻–麥產(chǎn)量與其構(gòu)成因子間的關(guān)系

將不同產(chǎn)量群體稻麥產(chǎn)量與其構(gòu)成因子進(jìn)行相關(guān)分析(圖2)發(fā)現(xiàn), 水稻產(chǎn)量與每穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān), 而與穗數(shù)和千粒重呈弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。小麥產(chǎn)量與穗數(shù)呈極顯著正相關(guān), 與每穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān), 而與千粒重呈弱的正相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步分析與不同產(chǎn)量群體稻麥顯著相關(guān)的產(chǎn)量構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn), 水稻高產(chǎn)紀(jì)錄和試驗水平均具有顯著高的每穗粒數(shù), 較農(nóng)戶水平分別增加116.1%和30.4% (表2)。小麥高產(chǎn)紀(jì)錄和試驗水平具有顯著高的穗數(shù)和每穗粒數(shù), 較農(nóng)戶水平分別增加 70.0%、40.9%和19.6%、21.8%。

表2 江淮地區(qū)稻麥不同產(chǎn)量群體主要產(chǎn)量構(gòu)成因子差異Table 2 Differences of key yield components of rice and wheat among different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

2.4 江淮地區(qū)稻–麥生育期氣候資源截獲

水稻生育期的總輻射和積溫與產(chǎn)量間的變化趨勢明顯(圖3-A, C)。相關(guān)分析表明, 不同產(chǎn)量群體之間水稻季總輻射和積溫差異顯著, 表現(xiàn)為高產(chǎn)紀(jì)錄>試驗水平>農(nóng)戶水平。說明輻射和積溫的高低對水稻產(chǎn)量起正相關(guān)作用。高產(chǎn)記錄、試驗水平和農(nóng)戶水平水稻生育期總輻射和積溫平均分別為 2791、2562、2443 MJ m–2和 4295、4114、3971℃ d。不同產(chǎn)量群體水稻生長季的降水無顯著變化, 說明水稻產(chǎn)量與降水相關(guān)性不大。

小麥生育期的總輻射與產(chǎn)量間的變化趨勢明顯(圖 3-B), 不同產(chǎn)量群體之間差異顯著, 表現(xiàn)為高產(chǎn)紀(jì)錄>試驗水平>農(nóng)戶水平。高產(chǎn)紀(jì)錄、試驗水平和農(nóng)戶水平小麥生育期總輻射平均分別為3064、2851、2759 MJ m–2, 說明輻射的高低對小麥產(chǎn)量起到正效應(yīng)作用。不同產(chǎn)量群體小麥生育期的總積溫與產(chǎn)量間的變化趨勢表現(xiàn)為農(nóng)戶水平>試驗水平>高產(chǎn)紀(jì)錄(圖 3-D), 降水則表現(xiàn)為農(nóng)戶水平>高產(chǎn)紀(jì)錄>試驗水平(圖 3-F), 總積溫和降水均與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

對不同產(chǎn)量群體稻麥生育期進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),高產(chǎn)紀(jì)錄和試驗水平水稻和小麥均具有顯著長的生育期, 水稻季較農(nóng)戶水平分別增加了8.0 d和5.9 d,小麥季分別增加了6.4 d和3.3 d (表3)。

表3 江淮地區(qū)不同稻–麥產(chǎn)量群體生育期Table 3 Growth period of rice, wheat and annual year under different yield levels in Yangtze-Huaihe rivers region

3 討論

3.1 江淮地區(qū)稻–麥產(chǎn)量差及增產(chǎn)潛力

分析研究作物產(chǎn)量差與形成特征, 對制定針對性提高作物產(chǎn)量措施、保障國家糧食安全具有重要意義[7]。本研究通過對安徽江淮地區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)多年稻麥生產(chǎn)分析, 定量化了農(nóng)戶水平周年產(chǎn)量相對于試驗水平和高產(chǎn)紀(jì)錄有4645.6 kg hm–2和9840.9 kg hm–2的增產(chǎn)空間。本研究結(jié)果證明了在當(dāng)前農(nóng)戶生產(chǎn)條件下, 稻麥產(chǎn)量仍然具有較大的增產(chǎn)空間。試驗水平產(chǎn)量是多年糧豐項目進(jìn)行試驗示范, 是可以復(fù)制, 完全能夠達(dá)到的產(chǎn)量, 通過進(jìn)一步縮小農(nóng)戶水平與試驗水平之間的產(chǎn)量差對于整體提高地區(qū)糧食產(chǎn)量有重要的現(xiàn)實意義。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 農(nóng)戶水平水稻產(chǎn)量相對于試驗水平仍有 46.2%的增產(chǎn)潛力, 而小麥僅有29.7%的增產(chǎn)潛力。與小麥比, 水稻具有較高的產(chǎn)量差、增產(chǎn)潛力和增產(chǎn)絕對量。同時,水稻產(chǎn)量占周年產(chǎn)量比重顯著高于小麥。因此, 提高稻麥周年產(chǎn)量應(yīng)首先提高水稻產(chǎn)量, “強稻穩(wěn)麥”是進(jìn)一步提高江淮地區(qū)稻麥周年糧食生產(chǎn)的主要途徑。

3.2 江淮地區(qū)稻–麥產(chǎn)量差的構(gòu)成因子分析

稻麥產(chǎn)量是由穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒重 3個構(gòu)成因子共同作用的結(jié)果。其中單位面積穗數(shù)和每穗粒數(shù)被認(rèn)為是產(chǎn)量形成最重要的決定因素[9-12]。本研究中, 不同產(chǎn)量水平稻麥產(chǎn)量構(gòu)成因子差異較大。與前人研究有所不同的是, 本研究發(fā)現(xiàn)每穗粒數(shù)是造成水稻產(chǎn)量差異的主要因子。水稻穗數(shù)和千粒重對產(chǎn)量的增加效應(yīng)較小, 甚至呈負(fù)效應(yīng), 而每穗粒數(shù)的貢獻(xiàn)比較大。這主要是因為在當(dāng)前生產(chǎn)條件下,水稻栽培技術(shù)不斷優(yōu)化與改進(jìn), 水稻育秧及機(jī)插水平和種植方式的不斷提高, 實際生產(chǎn)中已基本能夠保障基本苗, 改變了以往因穗數(shù)不足限制產(chǎn)量提高的根本因素。同時, 科學(xué)合理的肥水管理利于優(yōu)化群體質(zhì)量, 成穗率較高, 穗數(shù)已不是限制產(chǎn)量提高的主要因子[11,13-14]。本研究中農(nóng)民水平已達(dá)到7175.4 kg hm–2較高水平, 穗數(shù)與試驗水平無顯著差異, 但每穗粒數(shù)顯著低于試驗水平。通過合理的水肥管理,提高水稻群體穎花量和結(jié)實率, 即每穗粒數(shù)成為高產(chǎn)的關(guān)鍵[15-16]。我們前期研究同樣發(fā)現(xiàn), 甬優(yōu) 1540實現(xiàn)高產(chǎn)到超高產(chǎn)是保障足夠有效穗數(shù)的基礎(chǔ)上,通過增加每穗粒數(shù)來實現(xiàn)[17]。

江淮地區(qū)小麥產(chǎn)量差異的主要原因是穗數(shù)和每穗粒數(shù)的不同, 其中穗數(shù)與產(chǎn)量間相關(guān)系數(shù)高于每穗粒數(shù), 說明穗數(shù)對產(chǎn)量的增加效應(yīng)要高于每穗粒數(shù)。千粒重受品種影響較大, 且與總粒數(shù)相互制約,其對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較弱。這與前人研究發(fā)現(xiàn)在英國、阿根廷、墨西哥、澳大利亞等地區(qū), 小麥產(chǎn)量增加主要歸于每穗粒數(shù)的提高結(jié)果不同[18-19]。主要是江淮地區(qū)稻茬小麥生產(chǎn)水平較低, 常常因為播種期降雨過多, 播期推遲影響出苗質(zhì)量, 導(dǎo)致冬前有效分蘗少, 造成群體穗數(shù)較小, 大穗數(shù)少, 產(chǎn)量低下。通常增加 1個或多個產(chǎn)量構(gòu)成因子可以增產(chǎn)[20-21]。當(dāng)前江淮地區(qū)不同產(chǎn)量水平水稻增產(chǎn)途徑均依靠增加每穗粒數(shù), 在足穗的基礎(chǔ)上壯大穗, 提高每穗粒數(shù)是產(chǎn)量提高的有效途徑。小麥增加穗數(shù)和每穗粒數(shù)均能增加產(chǎn)量, 但穗數(shù)具有優(yōu)先性。

3.3 氣候條件對江淮地區(qū)稻–麥生產(chǎn)潛在產(chǎn)量的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中光、溫、水等氣候資源對作物產(chǎn)量形成有非常重要的作用。前人研究發(fā)現(xiàn), 輻射降低是華北地區(qū)冬小麥夏玉米潛在產(chǎn)量下降的主要因素[22];東北地區(qū)春玉米在年降水量小于 500 mm的地區(qū),水分是限制玉米產(chǎn)量的主要限制因子[23]。本研究表明輻射和積溫是影響江淮地區(qū)水稻產(chǎn)量的重要氣象因素, 降雨不是造成江淮地區(qū)水稻產(chǎn)量差異的原因。水稻只有在最適宜溫度下生長才能發(fā)揮出最大的潛在產(chǎn)量, 其產(chǎn)量與生育期累積截獲輻射量呈顯著正相關(guān)[24]。我們前期研究發(fā)現(xiàn), 江淮地區(qū)水稻季輻射大于 2387.0 MJ m–2, 累積積溫達(dá)4003.4～4317.8℃ d, 總降水量在466.4～1588.9 mm范圍內(nèi)可獲得10,000 kg hm–2以上的產(chǎn)量[25]。本研究中農(nóng)戶生產(chǎn)條件下, 降水平均為767 mm已滿足需求, 輻射平均為2443 MJ m–2、積溫平均為 3919℃ d, 均處于比較低的范圍內(nèi)?？梢? 水稻生育期累積輻射和積溫較低是限制其產(chǎn)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵因子。我們前期研究發(fā)現(xiàn), 小麥季輻射在 2685.0～3235.2 MJ m–2、積溫在 1925.0～2522.6℃ d、降水在 245.5～439.5 mm范圍內(nèi), 可獲得8000 kg hm–2以上的產(chǎn)量[25]。本研究中農(nóng)戶生產(chǎn)條件下, 小麥季輻射和積溫均已滿足高產(chǎn)需求, 但降水達(dá)474.4 mm超過最適范圍, 可見降水量過大、漬害嚴(yán)重是江淮地區(qū)稻茬小麥產(chǎn)量較低的主要原因。

3.4 江淮地區(qū)縮小稻–麥產(chǎn)量差的實現(xiàn)途徑

大量的研究表明, 農(nóng)戶水平相對于試驗水平有較大的產(chǎn)量差主要是由于農(nóng)戶在生產(chǎn)中缺乏理論指導(dǎo)和調(diào)控的針對性, 導(dǎo)致了較差的栽培管理水平和實際生產(chǎn)的盲目性, 這大大限制了作物產(chǎn)量的提高[26-27]。雖然過去栽培管理措施和技術(shù)進(jìn)步對提高作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)巨大, 目前栽培管理措施改善的增產(chǎn)空間依然巨大[5,28]。本研究結(jié)果同樣證明了江淮地區(qū)稻麥的產(chǎn)量潛力仍有較大的增長空間。因此, 如何進(jìn)一步縮小產(chǎn)量差, 應(yīng)作為當(dāng)前糧食增產(chǎn)的主要途徑[4]。根據(jù)本研究結(jié)果, 縮小水稻產(chǎn)量差主要依賴于增加每穗粒數(shù), 解決小麥產(chǎn)量差靠穗數(shù)和每穗粒數(shù)的協(xié)同提高。合理高效的水肥管理、不同種植方式均能調(diào)控資源能促進(jìn)作物群體結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 增加花后物質(zhì)生產(chǎn), 提高收獲指數(shù)和每穗粒數(shù), 最終實現(xiàn)增產(chǎn)[29-30]。采用優(yōu)化的種植模式、耕作和播種技術(shù)改進(jìn)、適宜的播期和播量、抗逆栽培模式能有效提高小麥出苗質(zhì)量, 提高最終穗數(shù)[31-34]。

在周年生產(chǎn)條件下合理調(diào)配季節(jié)間的資源優(yōu)化配置組合, 從而使溫光資源利用最大化, 也是提升潛在產(chǎn)量的途徑之一[2,35]。根據(jù)本研究結(jié)果, “強稻穩(wěn)麥”是進(jìn)一步提高江淮地區(qū)稻麥周年糧食生產(chǎn)的最有效途徑, 如何發(fā)揮水稻季的高光效和高增產(chǎn)潛力成為關(guān)鍵[2]。通過選用生育期較長的水稻品種, 提高光溫資源截獲量[24], 采用周年適宜的稻麥品種搭配組合[36]、尤其是生育期長的晚熟高產(chǎn)水稻品種與耐遲播早熟高產(chǎn)小麥品種搭配, 均可優(yōu)化周年光溫水資源配置, 實現(xiàn)溫光資源高效利用。同時水稻和小麥農(nóng)耗期立足“搶收”、“搶種”, 保證茬口順利銜接與溫光資源“滿負(fù)荷”利用, 實現(xiàn)稻麥產(chǎn)量和資源利用效率雙提升。

4 結(jié)論

江淮地區(qū)稻–麥周年生產(chǎn)存在顯著的產(chǎn)量差,稻麥的產(chǎn)量潛力仍有較大的增長空間, 其中水稻的增產(chǎn)潛力大于小麥, 明確了“強稻穩(wěn)麥”是提升地區(qū)糧食生產(chǎn)的有效途徑?？s小水稻產(chǎn)量差主要依賴于增加穗粒數(shù), 縮小小麥產(chǎn)量差靠穗數(shù)和穗粒數(shù)的協(xié)同提高。生育期累積輻射和積溫較低是影響水稻產(chǎn)量差異的主要氣候因素, 而生育期降水過多是影響小麥產(chǎn)量差異的主要氣候因素。