黃淮南部夏玉米品種高產高效綜合評價

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.河南省西峽縣農業(yè)農村局，河南 西峽 454500；3.河南農業(yè)大學，河南 鄭州 450002；4.河南省方城縣農業(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較全國普遍偏低[3-4]。黃淮南部生產環(huán)境復雜，不能充分利用當地生態(tài)氣候資源是造成夏玉米產量偏低的重要原因[5]。品種是決定作物產量和品質的主導因素[6]，在我國耕地面積不斷下降、水資源和農業(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、最大限度地挖掘光溫生產潛力[8-11]，是確保我國糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

豐產性是品種選育首先需考慮的指標[12-13]。穩(wěn)產性要求品種年際間產量相對穩(wěn)定，不能忽高忽低，出現“大小年”[14-15]，穩(wěn)產性評價也一直是品種選育的重要指標[16-17]。農業(yè)氣候資源在農業(yè)生產中占重要地位，決定了一個地區(qū)農作物種植的類型、熟制、種植的方式、品種布局等。能否充分利用當地農業(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、穩(wěn)產及高效品種，為保障當地夏玉米安全生產提供參考，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2098 h，年降水量591.7 mm，試驗田土質為潮土，0～20 cm耕作層土壤有機質含量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2028 h，年降水量727.3 mm，試驗田土質為潮土，0～20 cm耕作層土壤有機質含量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1971 h，年降水量812.3 mm，試驗田土質為砂姜黑土，0～20 cm耕作層土壤有機質含量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。為與當地生產制度相匹配，各品種統(tǒng)一播種，統(tǒng)一在收獲期取樣。其中，?？h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 氣象和土壤墑情數據

記錄的夏玉米生育期內逐日平均氣溫、日照時數、降水量和土壤墑情數據來源于當地地面氣象觀測站。

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，考慮當地農時，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、穗行數等，采用谷物水分測定儀測定含水率，稱量百粒重，計算理論產量(產量均折合為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，子粒產量主要取決于光能利用率的高低，即光合產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)為糧食作物產量；∑Q(MJ·hm-2)為作物生長季內的太陽總輻射。由于大部分地面氣象觀測臺站沒有輻射觀測資料，需要通過日照時數來轉換，因此采用國際上認可的埃斯屈朗(Angstrom)經驗公式將日照時數轉換為太陽輻射量[24]。

1.4.2 熱量利用率

農業(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 品種豐產穩(wěn)產特性評價

品種豐產穩(wěn)產性采用變異系數法進行評價，產量變異系數根據重復取樣數據來計算。以產量為橫軸，以產量的變異系數為縱軸，以產量和產量的變異系數的中值為原點將平面分為4個象限，其中位于第4象限即產量高、變異系數小的品種為豐產穩(wěn)產品種。

1.6 3個生態(tài)區(qū)品種高產高效綜合評價

綜合考慮品種高產、穩(wěn)產特性及氣候資源利用率，構建高產高效品種綜合評價指數，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S和降水量P(表2)。6月豫北浚縣的氣溫略高，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，?？h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?？梢钥闯?，?？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。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分布。可以看出，苗期日數?？h最短(23～25 d)，許昌最長(25～28 d)；穗期日數?？h最短(22～26 d)，方城最長(25～28 d)。這主要由于6月?？h的平均氣溫偏高，造成苗期和穗期生育進程加快。花粒期是持續(xù)時間最長的一個階段，為50～63 d，表現為由南向北逐漸增加，3個生態(tài)區(qū)品種花粒期日數相差8～10 d；全生育期日數方城最短平均值為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)夏玉米產量變化特征

圖4為3個生態(tài)區(qū)夏玉米品種產量分布。可知，夏玉米各品種產量方城最高為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)夏玉米品種產量分布(*表示兩個生態(tài)區(qū)產量差異通過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?？梢钥闯?，?？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，由于方城產量最高，其光溫水氣候資源利用率均最高。光、溫利用率浚縣高于許昌，但水分利用率許昌高于浚縣。

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)夏玉米豐產穩(wěn)產品種評價

采用變異系數法對3個生態(tài)區(qū)40個夏玉米品種進行豐產穩(wěn)產性評價(圖6)，分布于第4象限的品種為豐產且變異程度小的品種。其中?？h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個夏玉米品種豐產穩(wěn)產性分布Fig.6 Distribution of high and stable yield of summer maize varieties in three ecological regions

將3個生態(tài)區(qū)篩選出的豐產穩(wěn)產性品種，按照產量水平進行排序(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同時出現在?？h和許昌，偉科702、鄭單1002和鄭單538同時出現在?？h和方城，懷川39同時出現在許昌和方城。

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

2.6 3個生態(tài)區(qū)高產高效品種評價

根據高產高效綜合評價指數對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?？梢钥闯觯?1個品種同時在3個試驗點出現，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區(qū)的高產高效性表現較為一致。另外鄭單6122和晟玉88同時出現在浚縣和許昌的前20名。豐德存玉13同時出現在?？h和方城的前20名。裕豐303、秋樂368和鄭單6095同時出現在許昌和方城的前20名。

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

3 結論與討論

(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。受氣象條件及當地土壤、栽培措施等條件影響，當年試驗點方城夏玉米產量最高，許昌產量最低，且各站產量差異均通過顯著性檢驗。受產量高低影響，方城的光溫水氣候資源利用率均最高，?？h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高效的重要內因，外界氣象條件、栽培管理措施等是也是影響夏玉米產量的重要因素。近年來氣候變化加劇，極端氣候事件頻發(fā)，高溫、干旱、倒伏等農業(yè)氣象災害給夏玉米安全生產帶來嚴重威脅[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，玉米生產效益大幅下降，導致農民的生產積極性降低，田間管理愈發(fā)粗放等，也造成了玉米產量下降。因此促進夏玉米高產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)品種的豐產穩(wěn)產表現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業(yè)氣象災害和病蟲害，研究結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。為吻合當地生產制度，部分偏晚熟品種沒有達到黑底層出現的完熟標準就進行了收獲，即所有品種統(tǒng)一取樣、測產，成熟度對產量和品質會有一定影響，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地熱量條件是否滿足該品種生長所需。

水分條件對夏玉米產量影響較大，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，產量在3個試驗點中表現最好。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，其豐產穩(wěn)產性是有一定保障的，受單年試驗條件所限，研究結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。