遼河流域玉米籽粒脫水特點及適宜收獲期分析

黃兆福 明 博 王克如 謝瑞芝 楊 飛 王志剛肖春華,* 李少昆,,*

1石河子大學農(nóng)學院 / 新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室, 新疆石河子 832003； 2中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所 / 農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室, 北京 100081； 3內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 內(nèi)蒙古呼和浩特 010019

遼河流域是東北重要的玉米產(chǎn)區(qū), 處于春播一熟制玉米種植區(qū)南部, 熱量資源相對豐富, 玉米適收期長, 是推廣玉米機械粒收技術的優(yōu)勢區(qū)域[1-2]。前期宜機收品種鑒選和機械粒收技術示范研究顯示, 籽粒破碎和產(chǎn)量損失是遼河流域機械粒收所面臨的主要質(zhì)量問題[3-5], 與收獲時籽粒含水率偏高密切相關[6-10]。國外機械粒收時籽粒含水率一般在 15%～25%, 收獲高峰期晚于生理成熟高峰期約1個月[11-12]。玉米品種脫水特性[13]和收獲時期[14]是決定收獲時籽粒含水率的關鍵。籽粒脫水過程受溫度、濕度、風速、降水等氣象因素的推動和影響[15-19]。基于溫度、濕度等氣象因子可以有效模擬籽粒含水率的變化過程[20-21]。因此,研究品種的籽粒脫水特征、分析其適收期是解決機械粒收質(zhì)量問題的關鍵[22-23]。本研究通過調(diào)查多個熟期品種籽粒含水率動態(tài)變化, 建立不同品種籽粒脫水模型, 基于區(qū)域常年氣象條件分析其適宜粒收時期,為東北春玉米區(qū)機械粒收技術推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點及氣象條件

遼河流域位于中國東北地區(qū)南部, 跨內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、河北四省區(qū), 面積21.9萬平方千米, 屬溫帶半濕潤半干旱的季風氣候, 無霜期大于 160 d,年均溫 7～10°C, 年降水量約為 350～1000 mm, 從東南向西北遞減, 年降水量的65%集中于4月至9月間。遼河流域西部通遼、赤峰, 及中下游地區(qū)的吉林省四平、遼源、遼寧省鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山、營口一線是東北重要的玉米產(chǎn)區(qū)。區(qū)域內(nèi)以春播一熟制玉米種植模式為主[24], 是東北春玉米產(chǎn)區(qū)中熱量資源相對豐富的地區(qū), 玉米適收期長[25]。遼寧中部地區(qū)玉米生育季內(nèi)(4月至10月)活動積溫(≥0°C積溫)最高, 為 3750～4000°C d, 年降水量 450～700 mm；內(nèi)蒙古自治區(qū)的西遼河平原通遼地區(qū)活動積溫在3600～3750°C d, 燕山北麓平原赤峰地區(qū)活動積溫3300～3600°C d, 內(nèi)蒙古轄區(qū)內(nèi)年降水量較少, 在350～450 mm 之間(圖 1)。

1.2 試驗設計與參試品種

2013—2017年間在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)、通遼市開魯縣、赤峰市松山區(qū)、赤峰市翁牛特旗, 遼寧省鐵嶺市蔡牛鎮(zhèn)、沈陽市沈北區(qū)、鞍山市海城等地開展了2個省區(qū)、7個區(qū)縣、18點次的品種鑒選和機械粒收質(zhì)量評價試驗。2017年, 選擇該區(qū)域主推的29個不同熟期玉米品種(表1), 分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市開魯縣和遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣開展了籽粒脫水動態(tài)觀測。其中, 在開魯試驗點 5月10日播種, 7月19日進入吐絲期, 7月31日開始取樣測定, 10月10日收獲； 在鐵嶺試驗點4月28日播種, 7月10日進入吐絲期, 7月26日開始取樣測定,10月20日收獲。吐絲前, 選擇生長一致、無病蟲為植株雌穗套袋, 吐絲后0～3 d內(nèi)統(tǒng)一授粉。觀測間隔5～7 d取樣1次, 接近生理成熟期時2～3 d測定1次。取樣時選擇 5個套袋植株的果穗, 放入自封袋立即帶回實驗室。手工脫粒, 取果穗中部籽粒, 稱鮮重后放入烘箱, 105°C殺青 30 min, 85°C下烘至恒重稱量。含水率(%) = (鮮重-干重)/鮮重×100%。

圖1 遼河流域積溫、降水資源分布及試驗點Fig. 1 Distribution of thermal and water resources and test yields in Liaohe river basin

表1 試驗品種名稱Table 1 Hybrid in the experiment

1.3 籽粒含水率模型構建

采用 Logistic Power非線性增長模型[21]模擬不同品種籽粒含水率變化過程, 吐絲后活動積溫(≥0°C積溫)為自變量, 籽粒含水率為因變量, 建立籽粒含水率模型。

式中, MC為籽粒含水率(%)；T(°C d)為授粉后積溫,以臨近的國家氣象地面觀測臺站數(shù)據(jù)計算；a、b、c為模型參數(shù)。a為模型極值, 即籽粒初始含水率, 本研究將a參數(shù)設定為90。使用CurveExpert Professional 2.2軟件的非線性曲線擬合功能, 得出不同品種回歸模型b、c參數(shù)的最優(yōu)估計值, 擬合結果經(jīng)模型顯著性檢驗并計算決定系數(shù)R2。以區(qū)域內(nèi)多年多點機械粒收品種鑒選試驗的實收籽粒含水率與模型模擬含水率的均方根誤差RMSE檢驗模型準確性。

1.4 適宜機械粒收日期的時空分析

以該區(qū)域春玉米常年播種日期為起點, 通過試驗確定不同品種生長發(fā)育及籽粒脫水的活動積溫需求, 結合歷史氣象數(shù)據(jù)估算累積相應活動積溫所需的天數(shù), 累加得到不同品種在遼河流域籽粒含水率降至適宜機械粒收標準的日期。各地玉米播種日期由玉米產(chǎn)業(yè)技術體系生產(chǎn)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出,包含區(qū)域內(nèi)20個主產(chǎn)縣市區(qū)。歷史氣象資料包括區(qū)域內(nèi)20個氣象站點(去除高海拔氣象站點) 1961—2015年數(shù)據(jù)[26]。利用 ArcGIS地統(tǒng)計分析軟件進行多源數(shù)據(jù)融合、空間插值及作圖[27-28]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010處理機械粒收品種鑒選及籽粒脫水動態(tài)觀測試驗數(shù)據(jù)和作圖, 使用SPSS 17.0進行方差和模型顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同玉米品種籽粒脫水與積溫的關系

2017年在鐵嶺、開魯?shù)淖蚜Ｃ撍畡討B(tài)觀測試驗,選用不同熟期類型的玉米品種29個, 其中澤玉501、優(yōu)迪 919、東單 1331、迪卡 159、翔玉 998、東單913、華美1號和澤玉8911為兩地共用品種。以該品種雌穗統(tǒng)一授粉時間為起點, 計算籽粒含水率測定時的累積活動積溫, 將活動積溫與籽粒含水率進行模型擬合[21], 得到上述29個玉米品種的籽粒含水率模型特征參數(shù)。全部品種模型顯著性檢驗均達到極顯著水平(P＜0.01), 決定系數(shù)R2均高于 0.95 (表2)。共有品種在兩地的脫水動態(tài)趨勢一致, 可用相同的特征參數(shù)模擬兩地的含水率變化動態(tài)。

分析2013—2017年在遼河流域2個省區(qū)、7個試驗點開展的機械粒收品種鑒選試驗, 篩選其中已建立籽粒含水率預測模型的品種數(shù)據(jù), 共有45點/次的機械粒收實收含水率測定結果。根據(jù)鑒選試驗的吐絲期和收獲期, 計算其間的活動積溫。利用各品種的籽粒含水率模型, 模擬收獲時的籽粒含水率。不同品種籽粒實收含水率與模擬含水率間存在極顯著的線性關系(圖2), 線性方程決定系數(shù)R2為0.916(n =45), 均方根誤差RMSE為1.217。表明不同品種籽粒含水率模型具有較高的模擬精度。

由于積溫資源不同, 2個省區(qū)試點實收籽粒含水率也存在極顯著差異(P＜0.01)。內(nèi)蒙古試驗點的籽粒含水率介于 22.6%～30.2%之間, 高于遼寧試點17.6%～28.2%的含水率范圍。模型的模擬結果較好地反映出氣候資源不同造成的籽粒含水率差異(圖 2),表明含水率模擬模型適于在該區(qū)域應用。

表2 不同玉米品種的含水率-積溫方程參數(shù)值Table 2 Parameters of water content-accumulated temperature equation of different cultivars

圖2 2013-2017年遼河流域不同品種機械粒收實測籽粒含水率與模擬含水率的關系Fig. 2 Relationships between observed and simulated moisture contents of different cultivars in mechanical grain harvest, which collected at seven locations in Liao River Basin from years 2013 to 2017

2.2 不同區(qū)域玉米品種積溫需求差異

2017年鐵嶺、開魯兩地共用的8個品種播種到吐絲、吐絲到生理成熟和播種到生理成熟所需活動積溫及方差分析如表3所示。同一年份不同品種之間在從播種至吐絲、吐絲到生理成熟和播種到生理成熟等各階段所需積溫差異顯著(P＜0.05)； 而同一品種各階段所需積溫在區(qū)域間差異不顯著(P＞0.05),說明不同區(qū)域同一品種從播種到吐絲、吐絲到生理成熟及播種到生理成熟所需積溫相對穩(wěn)定, 可以利用鐵嶺、開魯兩地各品種測定的生育期積溫需求在區(qū)域內(nèi)估算玉米生育進程。

基于上述結果, 利用試驗獲取的播種、出苗、吐絲、生理成熟等關鍵生育期記載數(shù)據(jù), 以及各品種的籽粒含水率預測模型, 分別計算各品種不同生育階段的積溫需求。選取2017年首次國審的宜機收品種德育919、澤玉8911、吉單66和京農(nóng)科728, 與當?shù)刂髟缘倪|單575 (遼寧)、京科968 (內(nèi)蒙古通遼和赤峰)對比分析。根據(jù)試驗記載的生育期數(shù)據(jù), 計算各品種自播種至吐絲期的積溫需求, 再利用籽粒含水率預測模型, 估算自吐絲至達到機械粒收適宜含水率(25%)所需要的活動積溫, 兩者相加得到播種至適宜機械粒收時期所需活動積溫[9-10](表4)。結果顯示, 播種至籽粒含水率降至 25%活動積溫, 德育 919 為 3122°C d, 京農(nóng)科 728 為 3178°C d, 屬低于 3200°C d積溫的品種； 澤玉 8911為 3331°C d,吉單 66 為 3356°C d, 屬低于 3400°C d 積溫的品種；當?shù)刂魍破贩N遼單 575為 3558°C d, 京科 968為3697°C d, 積溫需求均大于國審宜機收品種 200°C d以上。

2.3 不同玉米品種適宜收獲期的時空分布

基于區(qū)域內(nèi)常年播種日期分析、不同品種降至適宜粒收含水率積溫以及區(qū)域內(nèi)近54年氣候數(shù)據(jù)資料,估算降至適宜機械粒收籽粒含水率 25%日期的空間分布, 表明4個國審宜機收品種中, 德育919和京農(nóng)科 728, 籽粒脫水速率較快, 在 9月中下旬即可在遼河流域大部降至 25%含水率, 包括內(nèi)蒙古遼河流域中部部分地區(qū)、遼寧南部地區(qū)、吉林部分地區(qū), 僅遼河流域西部地區(qū)需延后至10月中旬達到。澤玉8911和吉單 66脫水速率較上述兩品種慢, 遼河流域大部地區(qū)需在10月上中旬降至25%含水率, 而流域西部地區(qū)無法在11月前脫水至適宜含水率水平(圖3)。

表3 不同玉米品種不同區(qū)域各生育時期積溫需求Table 3 Accumulated temperature requirement during growth stages of different maize cultivars at different areas (°C d)

表4 不同玉米品種在不同階段對活動積溫的需求Table 4 Demands for actively accumulated temperature at different stages of different maize cultivars (°C d)

遼單575和京科968分別是遼河流域遼寧及內(nèi)蒙通遼、赤峰地區(qū)種植面積較大的主栽品種?；趦傻厣诩白蚜Ｃ撍畡討B(tài)觀測結果(圖4), 這兩品種雖然在當?shù)仄毡榉N植, 但其生育期長、籽粒脫水較慢, 除遼寧中部的營口、鞍山至沈陽一線地區(qū)能夠在 10月中下旬達到適宜機械粒收的含水率要求外, 其他大部地區(qū)難以在11月前常規(guī)收獲期實現(xiàn)高質(zhì)量的機械粒收。

圖3 遼河流域春玉米國審宜機收品種籽粒降水至25%的時間分布圖Fig. 3 Time map when grain moisture content reduces to 25% of four national trial maize cultivars suitable for mechanical grain harvesting in Liao River Basin

就區(qū)域總體而言, 與籽粒脫水較快的德育919相比, 京農(nóng)科728籽粒含水率降至 25%的時間約晚3～6 d, 平均 4 d； 澤玉 8911 約晚 8～15 d, 平均晚 13 d；而吉單66約晚12～22 d, 平均晚19 d。而當?shù)刂髟云贩N遼單575和京科968, 較國審粒收品種的平均宜機收時間晚約17～36 d, 平均約30 d。

3 討論

籽粒含水率高低與機械粒收的籽粒破碎率、雜質(zhì)率和損失率密切相關[6-7], 是影響機械粒收質(zhì)量、制約機械粒收技術推廣的重要因素。前人研究表明,籽粒含水率在17%～25%之間進行機械粒收作業(yè), 破碎率、雜質(zhì)率和損失率等機收質(zhì)量指標較高, 能夠達到國標要求[8,10]。當籽粒含水率降至25%左右時收獲, 可協(xié)調(diào)適期早收、提高收獲質(zhì)量、降低烘干成本之間的矛盾, 是判定玉米機械粒收時間的關鍵標準, 也是本研究采用的適宜收獲期的判定指標。在遼河流域主要玉米產(chǎn)區(qū)內(nèi)蒙古及遼寧省的機械粒收品種鑒選和技術示范研究顯示[3,5], 籽粒破碎和產(chǎn)量損失是區(qū)域內(nèi)機械粒收所面臨的主要質(zhì)量問題, 與收獲時籽粒含水率偏高密切相關。其主要問題, 一是當?shù)刂髟杂衩灼贩N的生育期偏長、脫水速率較慢,二是區(qū)域內(nèi)機械粒收時期偏早。因此, 本研究圍繞區(qū)域內(nèi)主要種植品種的脫水動態(tài), 分析其達到適宜機械粒收含水率要求的時間, 以明確區(qū)域適宜品種的篩選條件及其合理的收獲時期。

圖4 遼河流域主栽玉米品種籽粒降水至25%的時間分布圖Fig. 4 Time map when grain moisture content reduces to 25% of two main maize cultivars in Liao River Basin

本研究基于開魯、鐵嶺兩地不同品種籽粒脫水動態(tài)觀測試驗, 和Logistic Power模型, 分析并建立了各品種籽粒含水率模型, 可以很好地模擬春玉米的籽粒含水率變化過程, 效果較好。表明用Logistic Power模型模擬籽粒含水率變化過程具有極佳的區(qū)域生態(tài)條件和栽培模式的適應性。以此為基礎, 明確了區(qū)域內(nèi)主栽品種的脫水特性及降至機械粒收適宜含水率的積溫需求。本研究與黃淮海夏玉米區(qū)研究結果相比較[21,23], 遼河流域主栽品種自播種至25%含水率的積溫需求在3100～3700°C d, 明顯高于黃淮海區(qū)品種。特別是在兩種熟制模式下共有品種京農(nóng)科728和遼單575的積溫需求差異明顯。其中,京農(nóng)科 728在遼河流域春播一熟制模式下, 自授粉至生理成熟的積溫需求為1497°C d, 至25%含水率的積溫需求為 1582°C d； 在黃淮海區(qū)夏播兩熟制模式下, 至生理成熟的積溫需求為 1200°C d, 至 25%含水率的積溫需求為 1354°C d, 兩地相差 297°C d和228°C d。而遼河流域主栽品種遼單575兩個階段積溫需求分別為1655°C d和1760°C d, 在黃淮海區(qū)則表現(xiàn)為 1389°C d 和 1528°C d, 兩地相差 266°C d和232°C d。表明雖然兩種生態(tài)環(huán)境和熟制模式下籽粒脫水的動態(tài)趨勢相似, 但脫水進程有差異, 后續(xù)可開展相關研究, 深入分析其中的生理機制和限制因子, 為選育和配置宜機收品種、收獲期決策、栽培技術改進和扶持政策制定提供理論依據(jù), 有效推動玉米機械粒收技術在我國各產(chǎn)區(qū)應用推廣。

遼河流域處于東北玉米產(chǎn)區(qū)南部, 玉米生產(chǎn)以春播一熟制為主, 熱量資源相對優(yōu)越[25]。區(qū)域內(nèi)以遼寧中部營口、鞍山、沈陽地區(qū)積溫資源最為豐富,其他地區(qū)漸次減少。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式下, 玉米播期集中在4月下旬至5月中旬之間, 常年收獲期在10月上、中旬, 期間活動積溫在3100～3600°C d之間, 能夠滿足區(qū)域內(nèi)主要品種正常的生理成熟和大部分品種脫水至 25%含水率, 說明遼河流域熱量資源不是收獲期籽粒含水率高的最關鍵限制因素。但從品種的脫水特性分析, 當前主栽的遼單575和京科968雖然熟期與區(qū)域熱量資源匹配較好, 但生理成熟期籽粒含水率較高, 且脫水速率較慢, 難以在當?shù)爻Ｒ?guī)收獲期內(nèi)降至25%的籽粒含水率。2017年首批國審宜機收品種中, 德育919、京農(nóng)科728脫水較快, 在大部地區(qū)可于9月中下旬達到25%含水率要求； 澤玉8911、吉單66脫水則相對較慢, 可于10月上中旬達到25%含水率要求?？梢? 更新當?shù)氐闹髟云贩N, 選擇生理成熟期與當?shù)胤e溫資源相匹配, 且生理成熟時籽粒含水率較低、后期籽粒脫水快的品種, 可以在遼河流域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的機械籽粒收獲。同時, 根據(jù)各地的積溫資源情況, 合理確定機械粒收時期, 為籽粒充分成熟和熟后脫水留足時間, 可有效降低收后烘干和儲運的成本。

玉米籽粒脫水過程, 不僅受溫度條件驅(qū)動, 還受大氣相對濕度、降水、風速等多種氣象因素影響[29-30]。特別是生理成熟后的物理散失過程中[31], 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密切相關[32]。針對遼河流域溫度資源相對豐富的區(qū)域特點, 以驅(qū)動籽粒脫水的主控因素入手開展分析, 暫未考慮相對濕度、降水、風速等其他氣象因素對籽粒脫水的影響, 后續(xù)研究還需要結合更為精細的設計試驗加以解決。

4 結論

研究分析了遼河流域29個玉米品種的籽粒脫水特性并分別建立了含水率預測模型。以多年多點籽粒含水率測定數(shù)據(jù)對預測模型的精度進行了驗證,并分析了6個典型品種常年達到適宜機械粒收日期的空間分布規(guī)律。國審宜機收品種可以在9月下旬至 10月上旬達到適宜機械粒收的籽粒含水率條件,較當?shù)刂髟云贩N早20～30 d。根據(jù)遼河流域積溫條件,合理更新品種、確定機械粒收時期, 可有效提高機械粒收質(zhì)量, 降低收后烘干和儲運的成本, 有助于提高當?shù)赜衩咨a(chǎn)效益。

致謝： 感謝國家玉米產(chǎn)業(yè)技術體系生產(chǎn)調(diào)研提供的遼河流域玉米播種日期的數(shù)據(jù)。