黃淮海夏玉米籽粒脫水與氣象因子的關(guān)系

高 尚 明 博 李璐璐 謝瑞芝 薛 軍 侯 鵬 王克如李少昆

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黃淮海夏玉米籽粒脫水與氣象因子的關(guān)系

高 尚**明 博**李璐璐 謝瑞芝 薛 軍 侯 鵬 王克如*李少昆*

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室, 北京 100081

玉米籽粒脫水與氣象因子之間存在密切的關(guān)系, 明確影響籽粒脫水的主要氣象因子及其影響程度, 能夠更好地預(yù)測籽粒含水率的變化動態(tài), 對篩選玉米機械粒收品種, 從而合理安排粒收時間等具有重要的實踐價值。本研究于2015—2017年在河南新鄉(xiāng)進行, 選用4個目前當(dāng)?shù)厣a(chǎn)中主栽玉米品種京農(nóng)科728 (JNK728)、鄭單958 (ZD958)、先玉335 (XY335)和農(nóng)華816 (NH816), 通過連續(xù)測定獲得玉米籽粒含水率的變化過程, 并利用Logistic Power模型擬合, 借鑒去趨勢的分析方法, 將玉米籽粒的實際含水率分為趨勢含水率、氣象含水率與隨機誤差, 明確黃淮海區(qū)域夏玉米籽粒的氣象含水率與氣象因子之間的關(guān)系, 利用逐步回歸和通徑分析的方法篩選出玉米籽粒生理成熟前后影響籽粒脫水的主要氣象因子。分析發(fā)現(xiàn), 玉米籽粒氣象含水率與研究分析的大部分氣象因子呈顯著或極顯著相關(guān); 生理成熟前篩選得到的主要氣象因子為平均溫度(1)、平均風(fēng)速(5)和蒸發(fā)量(11), 生理成熟后為平均溫度(1)和平均相對濕度(7), 回歸模型均達到極顯著水平; 通徑分析表明, 生理成熟前蒸發(fā)量的貢獻最大, 而溫度、風(fēng)速主要通過蒸發(fā)量起間接作用, 生理成熟后溫度和相對濕度主要為直接作用, 且相對濕度的作用略大于溫度。本研究所用去趨勢的方法, 從理論和實際操作層面均更具科學(xué)性, 其研究結(jié)果也更為可信, 對其他類似研究也具有借鑒意義。

夏玉米; 籽粒脫水; 含水率; 氣象因子; 去趨勢分析

黃淮海區(qū)域是我國玉米的重要產(chǎn)區(qū), 主體種植模式為小麥-玉米一年兩熟, 光熱資源有限和耕種時間緊張是本地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要矛盾[1], 玉米收獲時籽粒含水率偏高、收獲質(zhì)量差[2-7], 是制約本區(qū)域玉米機械粒收技術(shù)發(fā)展的重要因素。歐美發(fā)達國家針對品種遺傳特性和氣候環(huán)境等籽粒脫水動態(tài)的影響因素開展了大量研究, 促進了玉米機械粒收技術(shù)的普遍應(yīng)用[8-10]。黃淮海夏播玉米為我國特有的種植模式, 玉米生長發(fā)育及后期籽粒脫水期間的氣候環(huán)境條件與歐美一熟制模式相比具有明顯差異, 籽粒脫水期間高溫、高濕的氣象條件對脫水速率和脫水動態(tài)的影響研究尚顯薄弱。因此研究黃淮海區(qū)域的玉米籽粒脫水與生態(tài)氣象因子的關(guān)系, 明確氣象因子對籽粒脫水的影響程度, 對于篩選適宜的玉米品種、預(yù)測籽粒含水率及科學(xué)安排機械粒收時間等具有重要的意義。

前人研究表明環(huán)境條件影響玉米籽粒的脫水過程[11-13], 且生理成熟前、后的主導(dǎo)因素不同。生理成熟前玉米籽粒的脫水是發(fā)育控制的內(nèi)在過程, 主要受溫度影響; 成熟后籽粒脫水速率與空氣濕度、溫度、日輻射、風(fēng)速、降雨等有關(guān)。但上述研究中, 主要對各個氣象因素與玉米籽粒含水率或脫水速率進行相關(guān)分析, 如譚福忠等[14]發(fā)現(xiàn)玉米吐絲35 d以后的脫水速率與相應(yīng)時期的相對濕度顯著相關(guān), 但與溫度未達到顯著; Hallauer等[15]也進行了籽粒水分與風(fēng)速、降水、濕度等6個氣象因素的相關(guān)分析, 發(fā)現(xiàn)雖然一些因素達到了顯著水平, 但3年的結(jié)果并不一致。相關(guān)分析法忽視了玉米籽粒含水率隨著生育進程呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢[16-21]與氣象因子的季節(jié)變化規(guī)律的同步性, 不同播期條件或年際變化使玉米籽粒含水率與氣象因素的作用規(guī)律分析差異明顯, 研究結(jié)果的科學(xué)性和穩(wěn)定性不足。

考慮到玉米籽粒脫水過程與氣象因子變化的基本規(guī)律, 本研究借鑒前人對作物產(chǎn)量去趨勢的分析方法[22-26], 進行玉米籽粒含水率的分析, 探討黃淮海區(qū)域玉米籽粒脫水與氣象因子的關(guān)系, 明確該區(qū)域溫度、風(fēng)速、相對濕度等氣象因子對玉米籽粒脫水的影響, 以期為籽粒水分變化研究提供新的方法, 為玉米機械粒收技術(shù)的推廣提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015—2017年在河南新鄉(xiāng)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗基地進行(35°10′N, 113°47′E), 供試品種為京農(nóng)科728 (JNK728)、鄭單958 (ZD958)、先玉335 (XY335)和農(nóng)華816 (NH816), 2015年采用小區(qū)種植, 每個品種設(shè)置3次重復(fù), 小區(qū)長8 m, 寬5.4 m, 隨機區(qū)組設(shè)計; 2016年和2017年采用大區(qū)種植, 每區(qū)長18 m, 寬7.8 m, 隨機排列。60 cm等行距, 種植密度均為75 000株 hm–2, 3年的播種日期分別為6月16日(2015)、6月4日(2016)和6月18日(2017), 田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 籽粒含水率測定 在吐絲前選擇各品種生長基本一致、健康無病蟲害的代表性植株套袋、標記, 統(tǒng)一授粉。生理成熟前每5 d取一次樣, 接近生理成熟期取樣間隔縮短至1~3 d, 生理成熟后恢復(fù)為5 d取一次樣, 如遇降雨則順延1 d。2015年從授粉后26 d開始取樣, 每次取9個果穗, 至11月14日止; 2016年從授粉后11 d開始取樣, 每次取5個果穗, 至10月17日止; 2017年從授粉后7 d開始, 每次取5個果穗, 至12月15日。每次取樣時選擇統(tǒng)一授粉的植株, 取中部籽粒稱取籽粒鮮重, 85℃烘干至恒重, 計算籽粒含水率。以乳線消失且黑層出現(xiàn)作為生理成熟的判定標準, 并記錄生理成熟日期。玉米籽粒含水率(%) = (鮮重–干重)/鮮重×100。

1.2.2 籽粒含水率去趨勢 參照前人分離作物趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量的方法[22-26], 將玉米籽粒含水率分解為趨勢含水率t、氣象含水率m和隨機誤差,=t+m+。

趨勢含水率代表玉米籽粒脫水的總體趨勢, 模擬方法參照李璐璐等[27]的玉米授粉后積溫-含水率的Logistic Power非線性生長模型=/[1+/)c], 其中參數(shù)定義為90, 研究表明該函數(shù)擬合含水率的效果在品種、年際間表現(xiàn)穩(wěn)定, 擬合度好。氣象含水率代表氣象因素對實際含水率的影響, 氣象含水率m= 實際含水率–趨勢含水率t。隨機誤差為其他偶然因素對實際含水率的可能影響, 試驗中假定其對試驗的影響較小, 可忽略不計。

1.3 氣象數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)均來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data. cma.cn/): 地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)新鄉(xiāng)站(站點編號為53986, 距試驗點直線距離為24.5 km)。2015—2017年的基本氣象資料見表1, 玉米授粉后取樣時間段的主要氣象因子日變化見圖1。分析時選用逐日的平均溫度、最高溫度、最低溫度、氣溫日較差、平均相對濕度、最小相對濕度、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、日照時數(shù)、逐日的太陽輻射和蒸發(fā)量(PETEM), 共計11個氣象因子。其中逐日蒸發(fā)量的計算參照FAO-56中的Penman-Monteith公式[28], 逐日太陽輻射的計算參照Ross的光合有效輻射(PAR)公式[29]。

表1 2015–2017年新鄉(xiāng)試驗點基本氣象資料

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

計算2次取樣間隔內(nèi)各氣象因子的平均值(相對濕度采用小數(shù)形式), 并與后一次取樣的氣象含水率(以下簡稱氣象含水率)成為一組資料進行統(tǒng)計分析, 以此取樣間隔時間內(nèi)各氣象因子的平均值(以下簡稱氣象因子)作為自變量, 氣象含水率作為因變量, 采用逐步回歸的方法, 篩選出具有顯著影響的因子, 并參考明道緒、任紅松等的方法[30-31]對其進行通徑分析。

定義符號為平均溫度1、最高溫度2、最低溫度3、氣溫日較差4、平均風(fēng)速5、最大風(fēng)速6、平均相對濕度7、最小相對濕度8、日照時數(shù)9、太陽輻射10、蒸發(fā)量(PETPM)11。

采用SAS 9.4進行回歸、相關(guān)和通徑分析, 利用CurveExpert Professional 2.2.0進行方程的擬合, 利用Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

圖1 玉米取樣期間部分氣象資料

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米籽粒含水率去趨勢結(jié)果

利用Logistic Power模型對2015—2017年不同玉米品種授粉后積溫-含水率進行擬合, 得到趨勢含水率的回歸模型(如圖2所示), 其擬合結(jié)果顯示, 實際含水率均勻分布在趨勢含水率的附近, 各品種趨勢含水率擬合曲線的2值在0.965~0.983之間, 說明用該函數(shù)能較好地模擬趨勢含水率的變化過程。利用模型擬合得到的趨勢含水率, 忽略隨機誤差的影響, 得到含水率去趨勢的結(jié)果(圖3)。

2.2 玉米氣象含水率與氣象因子的相關(guān)分析

通過去趨勢得到的氣象含水率與各氣象因子的相關(guān)分析(表2)顯示, 生理成熟前氣象含水率與溫度因子(1,2,3)、日照時數(shù)(9)、太陽輻射(10)和蒸發(fā)量(11)有顯著或極顯著的相關(guān)性; 生理成熟后氣象含水率與除太陽輻射(10)以外的其他氣象因子均表現(xiàn)出顯著或極顯著的相關(guān)性; 整個測試期內(nèi)氣象含水率與除太陽輻射(10)、蒸發(fā)量(11)以外的其他因子存在顯著相關(guān)性。由此可知玉米生理成熟前、后影響籽粒脫水的關(guān)鍵氣象因子存在差異。

另外, 溫度因子(1,2,3)與氣象含水率在玉米生理成熟前、后均表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性, 說明溫度對氣象含水率的影響是一持續(xù)過程, 表現(xiàn)主效作用, 但生理成熟前與氣象含水率呈負相關(guān), 生理成熟后主要為正相關(guān)。日照時數(shù)(9)在玉米生理成熟前、后均為穩(wěn)定的顯著負相關(guān), 即日照時數(shù)越長氣象含水率越小, 實際含水率越低。

2.3 氣象含水率與氣象因子的回歸和通徑分析

氣象含水率與氣象因子的逐步回歸結(jié)果(表3)表明, 玉米生理成熟前, 平均溫度(1)、平均風(fēng)速(5)和蒸發(fā)量(11)為氣象含水率的主要影響因子, 其2值為0.465; 生理成熟后為平均溫度(1)和平均相對濕度(7),2為0.3845; 整個觀測期的擬合結(jié)果2值較小, 但所有方程的擬合結(jié)果均達到極顯著水平, 因此可以在一定程度上解釋氣象因子對氣象含水率的影響。

對逐步回歸篩選得到變量進行相應(yīng)的通徑分析(表4)表明, 玉米生理成熟前, 平均溫度(1)、平均風(fēng)速(5)對氣象含水率的影響主要表現(xiàn)為間接作用, 蒸發(fā)量(11)主要表現(xiàn)為直接作用, 3個因子均表現(xiàn)為負效應(yīng)。而生理成熟后, 平均溫度(1)和平均相對濕度(7)對氣象含水率均為直接作用, 且為正效應(yīng)。整個測定期的結(jié)果來看, 平均相對濕度(7)主要為直接作用, 表現(xiàn)為正效應(yīng), 平均風(fēng)速(5)的直接和間接作用差距并不大, 但總體均為負效應(yīng)。

圖2 不同玉米品種的授粉后積溫與籽粒含水率的關(guān)系

JNK728: 京農(nóng)科728; ZD958: 鄭單958; XY335: 先玉335; NH816: 農(nóng)華816。

JNK728: Jingnongke 728; ZD958: Zhengdan 958; XY335: Xianyu 335; NH816: Nonghua 816.

圖3 不同玉米品種的氣象含水率與授粉后積溫的關(guān)系

品種名稱同圖2。The name of the varieties are the same as those given in Fig. 2.

表2 不同階段氣象含水率與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著。

*and**mean significant difference at the 0.05 and 0.01 levels, respectively.1: average temperature;2: maximum temperature;3: minimum temperature;4: daily temperature difference;5: average wind speed;6: maximum wind speed;7: average relative humidity;8: minimum relative humidity;9: sunshine hours;10: solar radiation;11: evaporation.

表3 氣象含水率與氣象因子的逐步回歸結(jié)果

**表示在0.01水平上顯著,為氣象含水率, 回歸變量以0.05水平引入和剔除;1: 平均溫度;5: 平均風(fēng)速;7: 平均相對濕度;11: 蒸發(fā)量。

**is significant at the 0.01 level, andis the meteorological-moisture content, variables are introduced and eliminated at the 0.05 level;1: average temperature;5: average wind speed;7: average relative humidity;11: evaporation.

表4 氣象含水率與氣象因子的通徑分析

變量名稱同表3。The name of the variables are the same as those given in Table 3.

表5 各因子對氣象含水率的決定系數(shù)和R2貢獻度

e為誤差項;d表示與因子的共同決定系數(shù)。eis the error;drepresents the co-determination coefficient ofandfactor.

由表5可見, 生理成熟前, 決定系數(shù)11>5,11>1,11>5>e>1>1,5,11的2貢獻度最高, 說明蒸發(fā)量(11)對氣象含水率的影響最大; 生理成熟后的決定系數(shù)7>1, 說明平均相對濕度(7)的影響最大, 但誤差項的決定系數(shù)e為0.6155, 說明生理成熟后除平均相對溫度外還受其他因素影響; 整個觀測期內(nèi)的誤差項決定系數(shù)達到了0.8116, 說明整個觀測期結(jié)果還有其他因素未考慮在內(nèi)。

3 討論

以往研究證實, 可以用授粉后積溫擬合玉米的籽粒含水率, 并提出了指數(shù)模型、線性模型和二次曲線模型等籽粒含水率估算模型[17-19,27], 本研究借鑒Logistic Power模型擬合趨勢含水率, 其擬合度高,可以用于描述籽粒含水率的總體趨勢, 因此得到的氣象含水率結(jié)果有實際的參考價值。本研究借鑒了作物產(chǎn)量去趨勢的方法, 消除趨勢影響來研究玉米籽粒氣象含水率與氣象因子之間的關(guān)系, 所獲得的籽粒趨勢含水率符合玉米籽粒的脫水過程, 分析得到的關(guān)鍵氣象因子符合玉米籽粒脫水對氣象因子的響應(yīng), 氣象因子對玉米籽粒的氣象含水率的影響符合兩者間的相關(guān)關(guān)系, 因此利用去趨勢的方法研究玉米籽粒脫水過程和籽粒含水率的變化具有合理性。

諸多研究認為籽粒脫水受品種遺傳和生態(tài)環(huán)境等多種因素的影響[8-10,32-33]。Nielsen等[34]發(fā)現(xiàn)在兩年不同的溫度條件下玉米雜交種的田間脫水過程存在差異; 霍仕平等[35]研究認為溫度影響玉米籽粒干燥過程, 高溫可以加快籽粒灌漿速率, 利于籽粒的快速脫水; Schmidt等[36]研究認為玉米籽粒含水率高于30%時, 籽粒脫水主要受溫度影響。本研究結(jié)果表明在玉米的不同生育階段, 其氣象含水率與大部分的氣象因子均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān); 多因子的逐步回歸篩選結(jié)果發(fā)現(xiàn), 生理成熟前平均溫度是影響玉米籽粒含水率變化的主要氣象因子, 另外還包括平均風(fēng)速和蒸發(fā)量。另外, 前人研究表明玉米成熟后籽粒的干燥主要受溫度、濕度、降水等天氣因素的影響[34]; 當(dāng)玉米籽粒含水率低于30%后, 籽粒脫水速率與大氣的飽和氣壓差、干濕球溫度差和相對濕度顯著相關(guān)[36]。本研究表明玉米生理成熟后籽粒脫水主要受平均溫度和平均相對濕度的影響, 與前人的研究結(jié)果基本一致。Hallauer等[15]研究認為空氣的蒸發(fā)能力與籽粒脫水的關(guān)系并不密切。但本研究發(fā)現(xiàn), 生理成熟前蒸發(fā)量對玉米的氣象含水率有顯著影響, 其蒸發(fā)量是參考Penman-Monteith的作物蒸散模型[28]得到的一個綜合指標, 其中已經(jīng)包含溫度、濕度、風(fēng)速、輻射等眾多參數(shù), 而Hallauer等[15]的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)是運用蒸發(fā)皿得到的, 且其分析是基于籽粒水分降低和累計蒸發(fā)量的簡單相關(guān)分析的結(jié)果。本研究則利用去趨勢的分析方法, 排除籽粒脫水趨勢干擾, 研究階段性的含水率變化與氣象因子的關(guān)系, 相較于簡單相關(guān)結(jié)果更加穩(wěn)定。另外, 本研究的通徑分析結(jié)果表明, 溫度因子在玉米生理成熟前后表現(xiàn)的作用不同, 成熟前主要通過蒸發(fā)量表現(xiàn)為間接作用, 這也體現(xiàn)了蒸發(fā)量的綜合特性; 成熟后則表現(xiàn)為直接作用, 但決定系數(shù)略小于相對濕度, 說明成熟后籽粒脫水的過程更易受到綜合環(huán)境的影響, 并非溫度的單一主導(dǎo)效應(yīng)。Brooking等[14]認為降雨量是影響玉米籽粒含水量的重要因素, 向葵等[17]也發(fā)現(xiàn)可以用模型表示日降水量與玉米籽粒含水量的關(guān)系, 但大多數(shù)年份并不顯著。由于降水量總體呈現(xiàn)離散分布的特點, 本研究暫未考慮降水量對氣象含水率的影響, 因此關(guān)于降水與籽粒脫水的關(guān)系還需進一步研究。另外, 從本研究通過逐步回歸的篩選結(jié)果可以看出, 雖然得到的方程均達到了極顯著的水平, 但方程的整體R擬合度較低, 誤差項較大, 尤其以玉米全生育期為整體考慮時, 其誤差項的決定系數(shù)達到了0.8116, 說明還有其他的變量未考慮在內(nèi), 因此對剩余變量的篩選還需進一步研究。

4 結(jié)論

在試驗區(qū)域內(nèi), 玉米生理成熟前籽粒脫水主要受平均溫度、平均風(fēng)速和蒸發(fā)量的影響; 生理成熟后主要受平均溫度和平均相對濕度的影響; 可以利用去趨勢的方法研究玉米的籽粒脫水過程與生態(tài)氣象因子之間的關(guān)系。

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Relationship between Grain Dehydration and Meteorological Factors in the Yellow-Huai-Hai Rivers Summer Maize

GAO Shang**, MING Bo**, LI Lu-Lu, XIE Rui-Zhi, XUE Jun, HOU Peng, WANG Ke-Ru*, and LI Shao-Kun*

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Beijing 100081, China

There is a close relationship between maize grain dehydration and meteorological factors. Clarifying main meteorological factors and their influence on grain dehydration can better predict the dynamics of grain moisture content, and the rationally arrange the time of maize grain harvesting. The study was conducted in Xinxiang, Henan province from 2015 to 2017. Four main maize varieties Jingnongke 728 (JNK728), Zhengdan 958 (ZD958), Xianyu 335 (XY335), and Nonghua 816 (NH816) currently planted in local production were selected to continuously measure the changes of maize grain moisture content. The logistic power model was used for fitting the process of grain dehydration and the removing trend method was used for analysing the results. The actual moisture content of maize grain was divided into trend moisture content, meteorological moisture content, and random error. The relationship between meteorological moisture content and meteorological factors in the Yellow-Huai-Hai Rivers area was clarified. The main meteorological factors affecting grain dehydration before and after physiological maturity of maize grain were screened out stepwise regression and path analysis methods. The meteorological moisture content of maize grain had significant or extremely significant correlation with most meteorological factors which were average temperature (1), average wind speed (5) and evaporation (11) selected before physiological maturity, and the average temperature (1) and the average relative humidity (7) selected after the physiological maturity. The evaporation most contributed before the physiological maturity, while temperature and wind speed had indirect effect through evaporation. After physiological maturity, temperature and relative humidity were mainly direct effects, and the effect of relative humidity was slightly greater than that of temperature. The removing trend method used in this study is more scientific in both theoretical and practical operations. The results are also more credible and this method is of reference value to other similar researches.

summer maize; grain dehydration; moisture content; meteorological factors; removing trend analysis

2018-06-09;

2018-08-20;

2018-09-19.

10.3724/SP.J.1006.2018.01755

通信作者(Corresponding authors):李少昆, E-mail: lishaokun@caas.cn, Tel: 010-82108891; 王克如, E-mail: wkeru01@163.com, Tel: 010-82108595

**同等貢獻(Contributed equally to this work)

高尚, E-mail: g382824817@126.com, Tel: 010-82105791; 明博, Tel: 010-82105791, E-mail: obgnim@163.com

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300101), 國家自然科學(xué)基金項目(31371575), 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-02-25)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300101), the National Natural Science Foundation of China (31371575), the China Agriculture Research System (CARS-02-25), and the Innovation Project of Agricultural Science and Technology at Chinese Academy of Agricultural Sciences.

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180918.1050.002.html