辽河流域玉米籽粒脱水特点及适宜收获期分析

黄兆福 明 博 王克如 谢瑞芝 杨 飞 王志刚肖春华,* 李少昆,,*

1石河子大学农学院 / 新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室, 新疆石河子 832003； 2中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态重点实验室, 北京 100081； 3内蒙古农业大学, 内蒙古呼和浩特 010019

辽河流域是东北重要的玉米产区, 处于春播一熟制玉米种植区南部, 热量资源相对丰富, 玉米适收期长, 是推广玉米机械粒收技术的优势区域[1-2]。前期宜机收品种鉴选和机械粒收技术示范研究显示, 籽粒破碎和产量损失是辽河流域机械粒收所面临的主要质量问题[3-5], 与收获时籽粒含水率偏高密切相关[6-10]。国外机械粒收时籽粒含水率一般在 15%～25%, 收获高峰期晚于生理成熟高峰期约1个月[11-12]。玉米品种脱水特性[13]和收获时期[14]是决定收获时籽粒含水率的关键。籽粒脱水过程受温度、湿度、风速、降水等气象因素的推动和影响[15-19]。基于温度、湿度等气象因子可以有效模拟籽粒含水率的变化过程[20-21]。因此,研究品种的籽粒脱水特征、分析其适收期是解决机械粒收质量问题的关键[22-23]。本研究通过调查多个熟期品种籽粒含水率动态变化, 建立不同品种籽粒脱水模型, 基于区域常年气象条件分析其适宜粒收时期,为东北春玉米区机械粒收技术推广提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验点及气象条件

辽河流域位于中国东北地区南部, 跨内蒙古、辽宁、吉林、河北四省区, 面积21.9万平方千米, 属温带半湿润半干旱的季风气候, 无霜期大于 160 d,年均温 7～10°C, 年降水量约为 350～1000 mm, 从东南向西北递减, 年降水量的65%集中于4月至9月间。辽河流域西部通辽、赤峰, 及中下游地区的吉林省四平、辽源、辽宁省铁岭、沈阳、辽阳、鞍山、营口一线是东北重要的玉米产区。区域内以春播一熟制玉米种植模式为主[24], 是东北春玉米产区中热量资源相对丰富的地区, 玉米适收期长[25]。辽宁中部地区玉米生育季内(4月至10月)活动积温(≥0°C积温)最高, 为 3750～4000°C d, 年降水量 450～700 mm；内蒙古自治区的西辽河平原通辽地区活动积温在3600～3750°C d, 燕山北麓平原赤峰地区活动积温3300～3600°C d, 内蒙古辖区内年降水量较少, 在350～450 mm 之间(图 1)。

1.2 试验设计与参试品种

2013—2017年间在内蒙古自治区通辽市科尔沁区、通辽市开鲁县、赤峰市松山区、赤峰市翁牛特旗, 辽宁省铁岭市蔡牛镇、沈阳市沈北区、鞍山市海城等地开展了2个省区、7个区县、18点次的品种鉴选和机械粒收质量评价试验。2017年, 选择该区域主推的29个不同熟期玉米品种(表1), 分别在内蒙古自治区通辽市开鲁县和辽宁省铁岭市铁岭县开展了籽粒脱水动态观测。其中, 在开鲁试验点 5月10日播种, 7月19日进入吐丝期, 7月31日开始取样测定, 10月10日收获； 在铁岭试验点4月28日播种, 7月10日进入吐丝期, 7月26日开始取样测定,10月20日收获。吐丝前, 选择生长一致、无病虫为植株雌穗套袋, 吐丝后0～3 d内统一授粉。观测间隔5～7 d取样1次, 接近生理成熟期时2～3 d测定1次。取样时选择 5个套袋植株的果穗, 放入自封袋立即带回实验室。手工脱粒, 取果穗中部籽粒, 称鲜重后放入烘箱, 105°C杀青 30 min, 85°C下烘至恒重称量。含水率(%) = (鲜重-干重)/鲜重×100%。

图1 辽河流域积温、降水资源分布及试验点Fig. 1 Distribution of thermal and water resources and test yields in Liaohe river basin

表1 试验品种名称Table 1 Hybrid in the experiment

1.3 籽粒含水率模型构建

采用 Logistic Power非线性增长模型[21]模拟不同品种籽粒含水率变化过程, 吐丝后活动积温(≥0°C积温)为自变量, 籽粒含水率为因变量, 建立籽粒含水率模型。

式中, MC为籽粒含水率(%)；T(°C d)为授粉后积温,以临近的国家气象地面观测台站数据计算；a、b、c为模型参数。a为模型极值, 即籽粒初始含水率, 本研究将a参数设定为90。使用CurveExpert Professional 2.2软件的非线性曲线拟合功能, 得出不同品种回归模型b、c参数的最优估计值, 拟合结果经模型显著性检验并计算决定系数R2。以区域内多年多点机械粒收品种鉴选试验的实收籽粒含水率与模型模拟含水率的均方根误差RMSE检验模型准确性。

1.4 适宜机械粒收日期的时空分析

以该区域春玉米常年播种日期为起点, 通过试验确定不同品种生长发育及籽粒脱水的活动积温需求, 结合历史气象数据估算累积相应活动积温所需的天数, 累加得到不同品种在辽河流域籽粒含水率降至适宜机械粒收标准的日期。各地玉米播种日期由玉米产业技术体系生产调研数据统计分析得出,包含区域内20个主产县市区。历史气象资料包括区域内20个气象站点(去除高海拔气象站点) 1961—2015年数据[26]。利用 ArcGIS地统计分析软件进行多源数据融合、空间插值及作图[27-28]。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010处理机械粒收品种鉴选及籽粒脱水动态观测试验数据和作图, 使用SPSS 17.0进行方差和模型显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种籽粒脱水与积温的关系

2017年在铁岭、开鲁的籽粒脱水动态观测试验,选用不同熟期类型的玉米品种29个, 其中泽玉501、优迪 919、东单 1331、迪卡 159、翔玉 998、东单913、华美1号和泽玉8911为两地共用品种。以该品种雌穗统一授粉时间为起点, 计算籽粒含水率测定时的累积活动积温, 将活动积温与籽粒含水率进行模型拟合[21], 得到上述29个玉米品种的籽粒含水率模型特征参数。全部品种模型显著性检验均达到极显著水平(P＜0.01), 决定系数R2均高于 0.95 (表2)。共有品种在两地的脱水动态趋势一致, 可用相同的特征参数模拟两地的含水率变化动态。

分析2013—2017年在辽河流域2个省区、7个试验点开展的机械粒收品种鉴选试验, 筛选其中已建立籽粒含水率预测模型的品种数据, 共有45点/次的机械粒收实收含水率测定结果。根据鉴选试验的吐丝期和收获期, 计算其间的活动积温。利用各品种的籽粒含水率模型, 模拟收获时的籽粒含水率。不同品种籽粒实收含水率与模拟含水率间存在极显著的线性关系(图2), 线性方程决定系数R2为0.916(n =45), 均方根误差RMSE为1.217。表明不同品种籽粒含水率模型具有较高的模拟精度。

由于积温资源不同, 2个省区试点实收籽粒含水率也存在极显著差异(P＜0.01)。内蒙古试验点的籽粒含水率介于 22.6%～30.2%之间, 高于辽宁试点17.6%～28.2%的含水率范围。模型的模拟结果较好地反映出气候资源不同造成的籽粒含水率差异(图 2),表明含水率模拟模型适于在该区域应用。

表2 不同玉米品种的含水率-积温方程参数值Table 2 Parameters of water content-accumulated temperature equation of different cultivars

图2 2013-2017年辽河流域不同品种机械粒收实测籽粒含水率与模拟含水率的关系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 不同区域玉米品种积温需求差异

2017年铁岭、开鲁两地共用的8个品种播种到吐丝、吐丝到生理成熟和播种到生理成熟所需活动积温及方差分析如表3所示。同一年份不同品种之间在从播种至吐丝、吐丝到生理成熟和播种到生理成熟等各阶段所需积温差异显著(P＜0.05)； 而同一品种各阶段所需积温在区域间差异不显著(P＞0.05),说明不同区域同一品种从播种到吐丝、吐丝到生理成熟及播种到生理成熟所需积温相对稳定, 可以利用铁岭、开鲁两地各品种测定的生育期积温需求在区域内估算玉米生育进程。

基于上述结果, 利用试验获取的播种、出苗、吐丝、生理成熟等关键生育期记载数据, 以及各品种的籽粒含水率预测模型, 分别计算各品种不同生育阶段的积温需求。选取2017年首次国审的宜机收品种德育919、泽玉8911、吉单66和京农科728, 与当地主栽的辽单575 (辽宁)、京科968 (内蒙古通辽和赤峰)对比分析。根据试验记载的生育期数据, 计算各品种自播种至吐丝期的积温需求, 再利用籽粒含水率预测模型, 估算自吐丝至达到机械粒收适宜含水率(25%)所需要的活动积温, 两者相加得到播种至适宜机械粒收时期所需活动积温[9-10](表4)。结果显示, 播种至籽粒含水率降至 25%活动积温, 德育 919 为 3122°C d, 京农科 728 为 3178°C d, 属低于 3200°C d积温的品种； 泽玉 8911为 3331°C d,吉单 66 为 3356°C d, 属低于 3400°C d 积温的品种；当地主推品种辽单 575为 3558°C d, 京科 968为3697°C d, 积温需求均大于国审宜机收品种 200°C d以上。

2.3 不同玉米品种适宜收获期的时空分布

基于区域内常年播种日期分析、不同品种降至适宜粒收含水率积温以及区域内近54年气候数据资料,估算降至适宜机械粒收籽粒含水率 25%日期的空间分布, 表明4个国审宜机收品种中, 德育919和京农科 728, 籽粒脱水速率较快, 在 9月中下旬即可在辽河流域大部降至 25%含水率, 包括内蒙古辽河流域中部部分地区、辽宁南部地区、吉林部分地区, 仅辽河流域西部地区需延后至10月中旬达到。泽玉8911和吉单 66脱水速率较上述两品种慢, 辽河流域大部地区需在10月上中旬降至25%含水率, 而流域西部地区无法在11月前脱水至适宜含水率水平(图3)。

表3 不同玉米品种不同区域各生育时期积温需求Table 3 Accumulated temperature requirement during growth stages of different maize cultivars at different areas (°C d)

表4 不同玉米品种在不同阶段对活动积温的需求Table 4 Demands for actively accumulated temperature at different stages of different maize cultivars (°C d)

辽单575和京科968分别是辽河流域辽宁及内蒙通辽、赤峰地区种植面积较大的主栽品种。基于两地生育期及籽粒脱水动态观测结果(图4), 这两品种虽然在当地普遍种植, 但其生育期长、籽粒脱水较慢, 除辽宁中部的营口、鞍山至沈阳一线地区能够在 10月中下旬达到适宜机械粒收的含水率要求外, 其他大部地区难以在11月前常规收获期实现高质量的机械粒收。

图3 辽河流域春玉米国审宜机收品种籽粒降水至25%的时间分布图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

就区域总体而言, 与籽粒脱水较快的德育919相比, 京农科728籽粒含水率降至 25%的时间约晚3～6 d, 平均 4 d； 泽玉 8911 约晚 8～15 d, 平均晚 13 d；而吉单66约晚12～22 d, 平均晚19 d。而当地主栽品种辽单575和京科968, 较国审粒收品种的平均宜机收时间晚约17～36 d, 平均约30 d。

3 讨论

籽粒含水率高低与机械粒收的籽粒破碎率、杂质率和损失率密切相关[6-7], 是影响机械粒收质量、制约机械粒收技术推广的重要因素。前人研究表明,籽粒含水率在17%～25%之间进行机械粒收作业, 破碎率、杂质率和损失率等机收质量指标较高, 能够达到国标要求[8,10]。当籽粒含水率降至25%左右时收获, 可协调适期早收、提高收获质量、降低烘干成本之间的矛盾, 是判定玉米机械粒收时间的关键标准, 也是本研究采用的适宜收获期的判定指标。在辽河流域主要玉米产区内蒙古及辽宁省的机械粒收品种鉴选和技术示范研究显示[3,5], 籽粒破碎和产量损失是区域内机械粒收所面临的主要质量问题, 与收获时籽粒含水率偏高密切相关。其主要问题, 一是当地主栽玉米品种的生育期偏长、脱水速率较慢,二是区域内机械粒收时期偏早。因此, 本研究围绕区域内主要种植品种的脱水动态, 分析其达到适宜机械粒收含水率要求的时间, 以明确区域适宜品种的筛选条件及其合理的收获时期。

图4 辽河流域主栽玉米品种籽粒降水至25%的时间分布图Fig. 4 Time map when grain moisture content reduces to 25% of two main maize cultivars in Liao River Basin

本研究基于开鲁、铁岭两地不同品种籽粒脱水动态观测试验, 和Logistic Power模型, 分析并建立了各品种籽粒含水率模型, 可以很好地模拟春玉米的籽粒含水率变化过程, 效果较好。表明用Logistic Power模型模拟籽粒含水率变化过程具有极佳的区域生态条件和栽培模式的适应性。以此为基础, 明确了区域内主栽品种的脱水特性及降至机械粒收适宜含水率的积温需求。本研究与黄淮海夏玉米区研究结果相比较[21,23], 辽河流域主栽品种自播种至25%含水率的积温需求在3100～3700°C d, 明显高于黄淮海区品种。特别是在两种熟制模式下共有品种京农科728和辽单575的积温需求差异明显。其中,京农科 728在辽河流域春播一熟制模式下, 自授粉至生理成熟的积温需求为1497°C d, 至25%含水率的积温需求为 1582°C d； 在黄淮海区夏播两熟制模式下, 至生理成熟的积温需求为 1200°C d, 至 25%含水率的积温需求为 1354°C d, 两地相差 297°C d和228°C d。而辽河流域主栽品种辽单575两个阶段积温需求分别为1655°C d和1760°C d, 在黄淮海区则表现为 1389°C d 和 1528°C d, 两地相差 266°C d和232°C d。表明虽然两种生态环境和熟制模式下籽粒脱水的动态趋势相似, 但脱水进程有差异, 后续可开展相关研究, 深入分析其中的生理机制和限制因子, 为选育和配置宜机收品种、收获期决策、栽培技术改进和扶持政策制定提供理论依据, 有效推动玉米机械粒收技术在我国各产区应用推广。

辽河流域处于东北玉米产区南部, 玉米生产以春播一熟制为主, 热量资源相对优越[25]。区域内以辽宁中部营口、鞍山、沈阳地区积温资源最为丰富,其他地区渐次减少。传统生产方式下, 玉米播期集中在4月下旬至5月中旬之间, 常年收获期在10月上、中旬, 期间活动积温在3100～3600°C d之间, 能够满足区域内主要品种正常的生理成熟和大部分品种脱水至 25%含水率, 说明辽河流域热量资源不是收获期籽粒含水率高的最关键限制因素。但从品种的脱水特性分析, 当前主栽的辽单575和京科968虽然熟期与区域热量资源匹配较好, 但生理成熟期籽粒含水率较高, 且脱水速率较慢, 难以在当地常规收获期内降至25%的籽粒含水率。2017年首批国审宜机收品种中, 德育919、京农科728脱水较快, 在大部地区可于9月中下旬达到25%含水率要求； 泽玉8911、吉单66脱水则相对较慢, 可于10月上中旬达到25%含水率要求。可见, 更新当地的主栽品种, 选择生理成熟期与当地积温资源相匹配, 且生理成熟时籽粒含水率较低、后期籽粒脱水快的品种, 可以在辽河流域实现高质量的机械籽粒收获。同时, 根据各地的积温资源情况, 合理确定机械粒收时期, 为籽粒充分成熟和熟后脱水留足时间, 可有效降低收后烘干和储运的成本。

玉米籽粒脱水过程, 不仅受温度条件驱动, 还受大气相对湿度、降水、风速等多种气象因素影响[29-30]。特别是生理成熟后的物理散失过程中[31], 籽粒脱水速率与大气的饱和气压差、干湿球温度差和相对湿度密切相关[32]。针对辽河流域温度资源相对丰富的区域特点, 以驱动籽粒脱水的主控因素入手开展分析, 暂未考虑相对湿度、降水、风速等其他气象因素对籽粒脱水的影响, 后续研究还需要结合更为精细的设计试验加以解决。

4 结论

研究分析了辽河流域29个玉米品种的籽粒脱水特性并分别建立了含水率预测模型。以多年多点籽粒含水率测定数据对预测模型的精度进行了验证,并分析了6个典型品种常年达到适宜机械粒收日期的空间分布规律。国审宜机收品种可以在9月下旬至 10月上旬达到适宜机械粒收的籽粒含水率条件,较当地主栽品种早20～30 d。根据辽河流域积温条件,合理更新品种、确定机械粒收时期, 可有效提高机械粒收质量, 降低收后烘干和储运的成本, 有助于提高当地玉米生产效益。

致谢： 感谢国家玉米产业技术体系生产调研提供的辽河流域玉米播种日期的数据。