华北双季玉米体系产量与水资源可持续利用研究

Grain production in North China Plain is currently facing with the dual challenges of the increasing demand in grain yield improvement and water scarcity. Cropping system change, which could achieve both high yield and sustainable water use, would be one of effective approaches. The preliminary simulation showed per year double maize system could have great potentials to achieve high yield and water use balance. The design in theoretical, field performance and water saving irrigation strategy for double maize system in North China Plain need be further investigated. In this study, we will firstly analyze the climate data (e.g. growing-degree-days) to identify the appropriate region for double maize system. Secondly, with crop model and combination of short- and long-maturity varieties, we try to understand the matching mechanism between maize growth in two seasons and light, temperature and water. Accordingly, we will design the double maize system and field test it at Xixiang Site in Henan Province. In the established double maize system, we will explore the further water saving potential to achieve water use balance using different water management strategy (e.g. drip irrigation under plastic film). Finally, the double maize system will be compared in field with other cropping systems such as the wheat and maize system, and the potentials for both high yield and sustainable water use in double maize system will be evaluated. Our study will provide theoretic basis and technical guidance for achieving the dual goals of high grain yield and sustainable water use in North China Plain.

当前华北粮食生产面临丰产需求增长和水资源紧缺的双重压力，如何通过作物体系的改进，协调产量与水分可持续利用的关系成为解决问题的重要途径之一。前期作物模型在个别站点的初步模拟发现，一年种植两季玉米有较高产量和水分平衡潜力。双季玉米在华北地区的理论设计、田间实现及其节水灌溉等技术需要深入研究。本项目首先拟通过分析华北地区现有积温等特点，初步确定适合双季玉米的种植区域；其次利用作物模型和长短生育期品种搭配等，研究两季玉米与光、温、水等气候资源匹配机理，进行双季玉米体系理论设计，并在典型试验点（河南新乡），进行田间验证；在双季玉米体系内，通过膜下滴灌等不同灌溉技术，探索体系进一步节水，实现周年水分平衡的技术措施；最后，通过田间试验，与小麦/玉米等作物体系比较，分析双季玉米体系高产与水资源可持续利用协同实现的综合优势。本项目将为华北地区实现作物高产和水分可持续利用的双重目标提供理论与技术指导。

同步实现作物高产与水资源的可持续利用是华北平原作物生产发展面临的重要挑战。本研究发现双季玉米体系在解决上述问题方面具有重要潜力。在全球变暖的大背景下，本研究首先分析了华北地区有效积温、降水、无霜期天数变化等区域特征，结合Hybrid-Maize模型，开展了不同生育期玉米品种搭配的模拟，确定了适合双季玉米种植的区域及产量潜力，发现体系产量潜力高达19.6-21.3 Mg/ha。在典型站点，在玉米品种搭配和播期选择等作物模型理论设计的基础上，开展了田间验证试验，发现玉米品种搭配与光温资源的匹配和玉米品种的生态适应性是双季玉米实现高产的关键。短生育期品种（覆膜）+长生育期品种组合处理在产量和水分利用方面综合表现最好，田间实际产量在17.5-20.3 Mg/ha之间，实现了88-93%的产量潜力。由于生育期内作物需水与降水资源的耦合，不同生育期品种搭配处理水分利用效率均较高，具备实现水分可持续利用潜力。综合考虑玉米生育期内灌水较少和经济成本等因素，根层土壤水分管理（土壤水分动态监测）是双季玉米体系水分管理相对经济和有效的措施。综合以上研究结果，开展了双季玉米体系与传统冬小麦-夏玉米体系的比较，发现栽培措施优化后的双季玉米体系周年产量并不降低。同时，双季玉米体系的水分利用效率高达2.82 kg/m3，显著高于传统冬小麦-夏玉米体系（1.75 kg/m3）。对地下水净利用的估算显示，传统冬小麦-夏玉米体系周年地下水消耗高达275 mm。即使采用了优化的根层水分调控技术，冬小麦-夏玉米体系周年地下水消耗仍>200 mm。双季玉米体系生长季集中在雨季，灌水较少，周年耗水在130 mm左右，长期来看具有较大潜力实现地下水资源的可持续利用。本研究的开展为华北及类似地区作物高产和水分等资源可持续利用的相关研究提供了可借鉴的研究思路和技术途径。