南疆地區(qū)春玉米脫水特征與適宜收獲期研究

劉國宏，朱錦泉，付彥博，扁青永，魏亞媛，李青軍，3

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830091； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學院 拜城農(nóng)業(yè)試驗站，新疆阿克蘇 843000；3. 農(nóng)業(yè)部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，烏魯木齊 830091)

玉米作為中國重要的糧食作物和經(jīng)濟作物，在農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占據(jù)重要地位。新疆作為中國玉米機械粒收率較為適宜區(qū)域，機械粒收技術(shù)正在進行大面積推廣，因此，研究該地區(qū)不同玉米品種成熟后籽粒脫水特征對全面推動機械粒收技術(shù)的推廣示范具有重要意義。

前人研究結(jié)果表明，機械收獲期籽粒含水率是影響玉米機械粒收質(zhì)量、安全存儲及經(jīng)濟效益的關(guān)鍵因素[1-3]；收獲期玉米籽粒含水率過高會造成破碎率增加，降低產(chǎn)量[4]；籽粒脫水過程受輻射、溫度、濕度、風速、降水等氣象因子的影響[5]；同時多數(shù)研究認為籽粒含水率在 20%左右時, 收獲質(zhì)量最佳，最適宜進行機械收獲[6-7]。但是目前關(guān)于玉米脫水特征與適宜收獲期的研究主要集中在遼寧、河南、河北、山東、安徽、江蘇、陜西等地區(qū)，而在南疆地區(qū)鮮有報道，南疆地區(qū)現(xiàn)有玉米種植模式通過推遲收獲期來提高產(chǎn)量能力有限，因此，選用籽粒脫水快、生理成熟期籽粒含水率低的品種且在適宜粒收時期收獲是解決機械粒收質(zhì)量問題關(guān)鍵措施[8]。本研究通過調(diào)查多個熟期品種生理成熟后籽粒含水率動態(tài)變化，分析大田玉米生理成熟后脫水特征及適宜收獲期，為南疆地區(qū)玉米機械粒收提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年至2020年在新疆拜城縣農(nóng)業(yè)試驗站進行，以52個玉米品種為試材，采用大區(qū)種植，2019年和2020年分別于4月14日和4月22日播種，每個品種種植面積1 000 m2，采用膜下滴灌，按40 cm+70 cm寬窄行種植；種植密度為13.5萬株/hm2，按密植高產(chǎn)栽培管理。當?shù)赜衩咨沓墒炱跒?月初至10月初，為方便研究不同熟期品種生理成熟后籽粒脫水速率，將不同成熟期歸類為：9月初(09-01─09-09)、9月中旬(09-10-09-19)、9月末(09-19─09-29)和10月初(10-01─10-10)，分別記做：PD1、PD2、PD3和PD4，不同生理成熟階段品種見表1，不同品種玉米生理成熟時及機收的籽粒含水率分布見圖1。

表1 不同生理成熟階段品種Table 1 Cultivars of different physiological maturity periods

圖1 玉米生理成熟時(a)、機收(b)的籽粒含水率(%)分布Fig.1 Grain moisture content(%) distribution of maize in physiological maturity (a) and harvest (b) periods

1.2 試驗區(qū)氣象條件

試驗地點位于新疆拜城縣境內(nèi)，拜城縣屬溫帶大陸性干旱型氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年均溫度7.8 ℃，極端最高氣溫38.3 ℃，極端最低氣溫-28 ℃，無霜期163 d，年均日照時數(shù)為 2 780.1 h，其中4─9月日照為1 564.3 h，年均降水量94 mm。詳見圖2。

1.3 籽粒含水率測定

2019年和2020年分別自8月1日和7月14日起取樣測定籽粒含水率，每5～7 d取樣測定1次，接近生理成熟期2～3 d測定1次，確定生理成熟后，每5 d測定1次，2019年10月8日收獲為止，2020年延后至11月25日結(jié)束。2019年每品種每次取生長整齊一致植株3個果穗，2020年取5個果穗，取樣后放入自封袋立即帶回實驗室，手工脫粒，選擇果穗中部籽粒稱鮮質(zhì)量后放入烘箱，105 ℃殺青30 min，并在80 ℃下烘至恒量，取出稱干量，計算籽粒含水率，計算公式為：含水 率=(鮮質(zhì)量―干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%。

1.4 籽粒脫水分段模型構(gòu)建

參照劉思捷等[9]建立分段回歸模型。根據(jù)玉米籽粒含水率變化趨勢，將脫水過程分為快速脫水期和緩慢脫水期，其分段模型表示：

式中f(x)為玉米籽粒含水率(%)；joint代表快速脫水期和緩慢脫水期臨界點的歷史時間(d);x為生理成熟后歷時時間(d)；x

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

用Excel 2019進行數(shù)據(jù)計算和作圖，用SPSS 23進行玉米籽粒含水率變化分段模擬，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

圖2 試驗區(qū)玉米田間生長期間蒸發(fā)量及降雨量統(tǒng)計Fig.2 Statistics on temperature and rainfall of experimental area in maize growing season

2 結(jié)果與分析

2.1 生理成熟期籽粒含水率統(tǒng)計

由表2可知，2 a間自9月8日至10月4日生理成熟的52個品種，生理成熟期籽粒含水率均值為30.0%，分布為29.2% (PD3)～32.5% (PD1)，最小和最大值分別為24.4%和35.4%，其中品種總體變異系數(shù)為1.2，變異系數(shù)最大為PD1，最小為PD3。方差分析表明(表3)：不同成熟階段的生理成熟期籽粒含水率無顯著差異 (P>0.05)。

表2 生理成熟期籽粒含水率Table 2 Grain moisture content in physiological maturity period

表3 不同生理成熟階段籽粒含水率方差分析Table 3 Variance analysis of grain moisture content in different physiological maturity periods

2.2 生理成熟后籽粒含水率變化

圖3為玉米生理成熟后籽粒含水率變化規(guī)律。可以看出，玉米生理成熟后籽粒含水率呈下降趨勢，分兩段線性模式，即快速脫水期和緩慢脫水期。擬合結(jié)果如下：

(R2=0.761)

(R2= 0.614)

(R2= 0.587)

(R2=0.585)

可以看出，PD1～PD4成熟期玉米籽粒含水率可明顯地劃分為快速下降和緩慢下降兩個階段，其中，快速下降階段歷時分別為8.261 d、15 d、18 d和25.358 d；籽粒含水率分別由32.882%降至25.860%、30.139%降至22.069%、 29.029%降至21.415%和31.531%降至 21.692%；日均脫水速率分別達到0.850%、 0.538%、0.423%和 0.388%。自籽粒含水率進入緩慢下降階段后至取樣結(jié)束，PD1～PD4歷時分別為13 d、58 d、46 d和29 d；取樣結(jié)束籽粒含水率擬合均值分別為19.47%、17.26%、17.83%和20.18%；日均脫水速率分別為0.510%、 0.083%、0.078%和 0.051%。表明隨熟期推遲，兩個段脫水階段籽粒脫水速率降低。

圖3 分段擬合不同成熟階段品種籽粒含水率Fig.3 Segmental fitting of grain moisture content in different maturity periods

2.3 不同生理成熟時間段降至目標含水率的歷時時間預測

表4為以兩段線性模型分析不同生理成熟時間段品種籽粒含水率降至28%、25%和20%所需時間變化規(guī)律統(tǒng)計表?？梢钥闯?，整體上52個品種生理成熟后籽粒含水率呈下降趨勢，PD1～PD4品種生理成熟后籽粒含水率降至28%水分所需時間PD1階段大于PD2和PD3階段，這與PD1階段成熟品種籽粒含水率(32.5%)高于PD2(30.2%)和PD3(29.2%)有關(guān)，表明生理成熟期籽粒含水率是影響脫水速率的原因，但 PD1～PD3階段小于PD4階段，表明成熟期越晚，籽粒脫水速率越慢；PD1～PD3階段生理成熟后籽粒含水率降至25%水分所需時間差異不大，但小于PD4階段，表明生理成熟含水率及脫水速率是影響收獲期籽粒含水率的原因；籽粒含水率降至20%所需時間，PD1～PD4呈依次增大趨勢，所需時間分布范圍為：14 d～5 0d。其中PD1成熟段‘新玉27’ ‘新玉65’等品種籽粒含水率降至28%、25%、20%，歷時平均時間分別為6～7 d、 11～12 d和20～22 d，歷時跨度為14～15 d；PD2成熟段‘DH113’ ‘KWS3376’ ‘KX9384’ ‘YY137’‘豐墾139’等玉米品種籽粒含水率降至28%、25%、20%，歷時平均時間分別為5～6 d、 9～11 d、38～40 d，歷時跨度為32～35 d；PD3成熟段‘DH117’ ‘DH119’ ‘KX3564’ ‘XY335’ ‘DH1733’ ‘YY119’‘YY274’ ‘YY439’ ‘京科968’等玉米品種籽粒含水率降至28%、25%、20%，歷時時間分別為3～4 d、8～11 d、35～40 d，歷時跨度為14～15 d、 32～35 d、31～34 d；PD4成熟段‘KX3564’ ‘M751’ ‘MC670’ ‘矮單268’ ‘登海318’ ‘利單295’ ‘遼單575’ ‘遼單586’等玉米品種籽粒含水率降至28%、25%、22%歷時時間分別為11～13 d、20～21 d、58～62 d，歷時跨度為46～50 d。整體上看，PD1～PD4成熟時間段玉米籽粒含水率降低至20%歷時時間主要分布在14～50 d。

表4 不同生理成熟時間段品種籽粒含水率降至28%、25%和20%所需時間變化規(guī)律Table 4 Variation rule for days of grain water content of varieties decreasing to 28%, 25% and 20% in different physiological maturation periods

2.4 不同生理成熟時間段籽粒脫水特征與氣象因子的相關(guān)性分析

玉米生理成熟時期籽粒脫水主要受氣象因素的影響，因此，本研究基于溫度、風速及蒸發(fā)量3個氣象指標與籽粒脫水特征進行相關(guān)性分析，具體見表5?？梢钥闯觯琍D1、PD2、PD3、PD4生理成熟時間段籽粒含水率與平均溫度、平均風速、蒸發(fā)量擬合決定系數(shù)值均低于0.5，其中PD2、PD3、PD4相對成熟較晚時期的玉米籽粒脫水率擬合決定系數(shù)相對較低，但所擬合方程均達到顯著性差異(P>0.05)。此擬合方程一定程度上能夠說明玉米籽粒含水率與平均溫度、平均風速、蒸發(fā)量有一定相關(guān)性，但由于本研究氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測時間年際跨度較低，還需進一步研究。

表5 籽粒脫水特征與氣象因子擬合方程Table 5 Fitting equations between maize seed dehydration characteristics and meteorological factors

2.5 不同生理成熟時間段降至目標含水率的歷時時間模擬值和實測值相關(guān)性分析

圖4是不同生理成熟時間段降至目標含水率的歷時時間模擬值和實測值相關(guān)性分析。對所建立的春玉米成熟后歷時時間數(shù)學模型進行驗證，將本試驗實測數(shù)據(jù)值與預測值進行擬合?？梢钥闯?，PD1～PD4不同成熟期的玉米品種R2大于0.7，由此說明此研究建立的數(shù)學模型可以作為南疆地區(qū)生理成熟后籽粒脫水特征分析模型。

3 討 論

籽粒含水率是決定機械粒收時期的關(guān)鍵指標，收獲期適宜的含水率保證了收獲質(zhì)量及效益。不同品種生理成熟期籽粒含水率差異顯著，主要受品種遺傳特性、栽培措施及環(huán)境氣象條件共同影響[10-14]。項目區(qū)2019年-2020年玉米成熟期(9月和10月份)與歷年同期氣象條件比較，試驗期2 a收獲期氣溫與常年無顯著差異，可代表歷年氣象條件。在此基礎(chǔ)上分析不同成熟階段籽粒含水率差異性，結(jié)果表明不同成熟階段籽粒含水率無顯著差異(P>0.05)，其均值為30.0%，通過對生理成熟期籽粒含水率品種間是否存在差異性進行分析，結(jié)果表明，整體上同一生理成熟時間段不同玉米品種降至目標含水率的歷時時間無顯著性差異(P>0.05)。

籽粒含水率在生理成熟前后呈下降趨勢，Nielsen[15]研究認為在大田環(huán)境下，籽粒含水率從約40%將至15%或20%階段，籽粒含水率變化呈線性模式，具體表現(xiàn)為兩段線性模式。其中籽粒脫水速率在8月下旬日下降速率約0.80%，9月中下旬日下降速率約0.40%。相關(guān)學者[16-17]在遼河流域收集了4個種植日期的品種籽粒含水率數(shù)據(jù)，分析表明整個脫水干燥期的平均日脫水速率為0.58%，但是，脫水速度不是恒定的，在前20 d，日脫水速率為0.69%，而后續(xù)20 d日減少速率為0.44%。本研究以多數(shù)成熟階段分兩段線性模式分析生理成熟后脫水速率，同樣表明9月初至10月初籽粒日脫水速率為0.850%～0.388%，結(jié)果與以上研究結(jié)果測試一致，在10月中旬至11月初籽粒日脫水速率為0.078%～ 0.051%，脫水逐漸減少或幾乎不增加水分損失，籽粒水分降至20%所需時間，PD1-PD4呈依次增大趨勢，所需時間分布范圍為：14～50 d。在收獲時較高的含水率不僅降低了收獲質(zhì)量，同時也增加了收獲后烘干費用，造成種植者生產(chǎn)成本加大[16]。因此，站桿晾曬及依據(jù)不同成熟階段脫水速率選擇適宜機械粒收時期可以降低種植者的成本，有助于及時機械粒收[17]。

圖4 不同品種生理成熟時間段降至目標含水率的歷時時間數(shù)模擬值和實測值相關(guān)性分析Fig.4 Correlation analysis between simulated values and measured values of number of days for different varieties decreasing to target water content in physiological maturity period

4 結(jié) 論

通過對52個春玉米生理成熟后籽粒脫水特征進行分析可知：整體上52個品種生理成熟后籽粒含水率呈下降趨勢，不同成熟階段籽粒含水率變化呈兩段線性模型。D1～PD4成熟時間段玉米籽粒含水率降低至20%歷時時間主要分布在 14～50 d。本研究根據(jù)不同玉米品種的籽粒脫水特征及區(qū)域氣候特點來預測適宜收獲時期，從而破解南疆地區(qū)玉米收獲質(zhì)量差及產(chǎn)量低等關(guān)鍵 問題。