基于GIS的山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的時(shí)空分布特征分析

紀(jì)博瀚，耿興華，陳澤昌，王同超，宋佳興，陳浩宇，楊錦忠，崔日鮮

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109)

近年來我國(guó)夏玉米機(jī)械收穗技術(shù)發(fā)展較快，但籽粒機(jī)收技術(shù)因受小麥玉米一年兩熟種植模式所帶來的玉米生長(zhǎng)季熱量資源的限制及品種、收獲機(jī)具、生產(chǎn)規(guī)模等的影響則發(fā)展較緩慢[1]。前人研究表明，收獲時(shí)的籽粒含水率是影響玉米籽粒機(jī)收質(zhì)量的關(guān)鍵因素，籽粒含水率高所導(dǎo)致的收獲質(zhì)量下降是制約玉米籽粒機(jī)收技術(shù)發(fā)展的最主要因素[2－7]。已有研究表明，玉米生理成熟后延長(zhǎng)其田間站稈脫水時(shí)間、待籽粒含水率降至28%以下收獲，便可保證機(jī)械收粒質(zhì)量[3，6]。在小麥玉米一年兩熟種植模式下，玉米生理成熟后的田間站稈脫水時(shí)間長(zhǎng)短直接影響冬小麥的播種及冬前生長(zhǎng)，而山東省各地?zé)崃抠Y源存在較大差異，因此，包括冬小麥越冬始期、籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期等夏玉米籽粒機(jī)收技術(shù)相關(guān)的熱量資源時(shí)空分布特征的精細(xì)分析對(duì)山東省各地區(qū)玉米籽粒機(jī)收技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

鄭天存[4]、邱軍[5]等指出，培育及選用早熟玉米品種和早熟、耐晚播、高產(chǎn)的小麥品種，并配套小麥晚播早收、玉米早播晚收的“雙早雙晚技術(shù)”能夠在黃淮海地區(qū)實(shí)現(xiàn)大面積玉米籽粒機(jī)收和小麥玉米輪作全程機(jī)械化。高卓等[8]指出，河北省夏玉米區(qū)可通過選用早熟小麥、早熟玉米品種及采用“雙早雙晚技術(shù)”為夏玉米生理成熟后的田間站稈脫水提供有利條件。一般認(rèn)為冬小麥安全越冬至少需要≥0℃冬前積溫495～570℃[9]。地處河南西北部的溫縣、焦作和河南南部新鄉(xiāng)所實(shí)施的“雙晚”試驗(yàn)結(jié)果表明，冬小麥播期向后推遲10～15 d，即推遲至10月20日左右播種時(shí)，≥0℃冬前積溫為500℃左右，完全滿足小麥冬前生長(zhǎng)需要，且將部分積溫和光照資源讓給玉米[10]；夏玉米收獲期比常規(guī)方法推遲10～15 d，能有效延長(zhǎng)玉米灌漿時(shí)間[11]，也有利于降低玉米收獲時(shí)的籽粒含水率。因此，籽粒機(jī)收夏玉米技術(shù)推廣過程中的品種選擇、機(jī)收時(shí)間確定等必須要考慮冬小麥播種時(shí)間及冬前積溫需求，而這方面的研究?jī)?nèi)容卻鮮有報(bào)道。

本研究利用山東省及其周邊地區(qū)氣象站點(diǎn)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和1991—2019年氣溫資料，通過混合插值方法對(duì)滿足冬小麥冬前積溫需求前提下的籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的時(shí)空分布進(jìn)行精細(xì)分析，以期為該地區(qū)保證冬小麥安全生產(chǎn)前提下的夏玉米籽粒機(jī)收技術(shù)應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省地處我國(guó)東部沿海、黃河下游，是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)。山東省位于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量集中，四季分明，年平均氣溫為11～14℃，年平均降水量為600～900 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

山東省境內(nèi)17個(gè)、周邊11個(gè)共28個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)1991—2019年的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)來自國(guó)家氣象局氣象信息中心。山東省數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(STRM)全 球90 m分 辨 率(cellsize為0.0008333)的數(shù)字高程影像資料。為了提高運(yùn)算速率，本研究對(duì)原圖像進(jìn)行重采樣獲得約450 m分辨率(cellsize為0.004167)的DEM。

圖1 山東省境內(nèi)及周邊氣象站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1 山東省冬小麥越冬始期(≥0℃終日)和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的計(jì)算 利用5日滑動(dòng)平均法確定各氣象站點(diǎn)各年度≥0℃終日，即冬小麥越冬始期[10，11]，從該日期開始向前推算至積溫達(dá)到550℃的日期[11－13]，此日期為籽粒機(jī)收夏玉米最晚收獲期。李璐璐等[14，15]研究表明，黃淮海地區(qū)2015—2017年30多個(gè)玉米品種生理成熟期的籽粒含水率約為32%，生理成熟后籽粒脫水速度約為0.032%/℃。據(jù)此可知，黃淮海地區(qū)玉米站稈脫水積溫值為150℃時(shí)玉米籽粒含水率可下降約4.8%，即站稈脫水后的玉米籽粒含水率降至28%以下。因此，從籽粒機(jī)收夏玉米最晚收獲期開始向前推算至積溫達(dá)到150℃的日期，即為山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期。

1.3.2 冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間柵格化 熱量資源，包括界限溫度的起始日期、積溫等，與經(jīng)度、緯度和海拔等地理信息密切相關(guān)[16]，因此首先在分析氣象站點(diǎn)冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期與經(jīng)度、緯度和海拔相關(guān)性的基礎(chǔ)上，擬合基于經(jīng)度、緯度和海拔估算上述兩個(gè)熱量指標(biāo)的多元線性回歸模型，然后基于該多元線性回歸模型計(jì)算山東省及周邊區(qū)域各柵格點(diǎn)的夏玉米籽粒機(jī)收熱量指標(biāo)，進(jìn)而獲得其空間分布。各氣象站點(diǎn)的基于多元線性回歸模型擬合的估算值與實(shí)際計(jì)算值不一致，其差值為殘差，對(duì)殘差進(jìn)行空間插值，最后通過柵格運(yùn)算，將空間內(nèi)各柵格點(diǎn)的多元線性回歸模型的模擬值加殘差空間插值，獲得山東省冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布圖。冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的建模計(jì)算采用80%保證率的分位數(shù)。

1.3.3 線性傾向估計(jì) 用xi表示樣本量為n的某一氣象要素，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[17，18]:

式中:r為相關(guān)系數(shù)，n為樣本數(shù)。統(tǒng)計(jì)量t服從自由度為 n－2的t分布。在給定的顯著性水平α下，當(dāng)>t(α/2，n－2)時(shí)，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為xi的變化趨勢(shì)是顯著的[17，18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SAS 9.1軟件進(jìn)行冬小麥越冬始期和夏玉米最晚生理成熟期時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 山東省冬小麥越冬始期的空間分布

圖2為1991—2019年山東省冬小麥越冬始期的空間分布情況。山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)越冬始期平均為11月30日，最早的站點(diǎn)德州為11月24日，最晚的站點(diǎn)日照和青島為12月10日。冬小麥越冬始期的變化范圍為11月下旬至12月上旬，除中部山區(qū)受海拔影響表現(xiàn)較早外，山東省其它地區(qū)由西北向東南逐漸滯后。具體分布如下:中部山區(qū)及其周邊地區(qū)和西北部邊沿地區(qū)為11月27日以前；山東省中部和西部大部分地區(qū)為11月27日至12月1日；山東半島和山東南部大部分地區(qū)為12月1日至12月5日；山東省南部少部分地區(qū)和包括日照、青島等沿海地區(qū)的冬小麥越冬始期最晚，為12月5日至12月10日。

圖2 山東省冬小麥越冬始期的空間分布

2.2 山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布

圖3 為山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布情況?？梢钥闯觯綎|省17個(gè)氣象站點(diǎn)籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期平均為9月30日，最早的站點(diǎn)沂源為9月25日，最晚的站點(diǎn)青島為10月5日。山東省東部沿海地區(qū)及最南端地區(qū)受海洋及緯度的影響秋冬季節(jié)的溫度較其它地區(qū)高，因此這些地區(qū)的籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期較其它地區(qū)晚，為10月5日至10月8日；而中部山區(qū)及其周邊地區(qū)和最北部地區(qū)受海拔和緯度的影響夏玉米最晚生理成熟期最早，中部山區(qū)為9月24日以前，中部山區(qū)周邊地區(qū)和最北部地區(qū)為9月24日至9月28日；除中部山區(qū)及其周邊地區(qū)外的山東省中部大部分地區(qū)、西部地區(qū)和山東半島北部地區(qū)為9月28日至10月1日；山東半島南部地區(qū)、除最南端和沿海地區(qū)外的西南地區(qū)為10月1日至10月5日。

圖3 山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布

2.3 山東省冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析

利用線性傾向估計(jì)方法對(duì)山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)1991—2019年冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)近29年(1991—2019年)冬小麥越冬始期的平均氣候傾向率為0.62 d/10a，總體呈推遲趨勢(shì)。其中，5個(gè)站點(diǎn)(德州、青島、煙臺(tái)、威海和日照)的氣候傾向率小于零，即過去29年來呈提早趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為－1.93 d/10a；其它12個(gè)站點(diǎn)(龍口、海陽、惠民、東營(yíng)、濰坊、濟(jì)南、莒縣、沂源、菏澤、臨沂、兗州和莘縣)則呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為1.67 d/10a。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，17個(gè)站點(diǎn)冬小麥越冬始期的趨勢(shì)變化均未達(dá)到顯著水平，即變化趨勢(shì)不顯著。

表1 山東省冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的氣候傾向率

山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的平均氣候傾向率為1.13 d/10a，總體呈推遲趨勢(shì)。其中，僅煙臺(tái)、威海2個(gè)站點(diǎn)的氣候傾向率小于零，其籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期呈提早趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為－0.86 d/10a；青島、龍口等其它15個(gè)站點(diǎn)的氣候傾向率大于零，即這些站點(diǎn)籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期呈推遲趨勢(shì)，其平均氣候傾向率為1.39 d/10a。17個(gè)站點(diǎn)中，濰坊、莒縣、沂源、莘縣和菏澤的推遲趨勢(shì)達(dá)到顯著水平，而其它12個(gè)站點(diǎn)的趨勢(shì)變化未達(dá)到顯著水平。

3 討論與結(jié)論

玉米籽粒機(jī)收是目前我國(guó)玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化發(fā)展的瓶頸[1，19]。前人研究指出，玉米籽粒機(jī)收時(shí)籽粒含水率與籽粒破碎率、雜質(zhì)率等呈顯著相關(guān)，表明收獲時(shí)籽粒含水率偏高是限制機(jī)械粒收技術(shù)推廣的重要因素[1，2，19]。因此，如何降低收獲時(shí)籽粒含水率是解決黃淮海小麥玉米一年兩熟模式下夏玉米籽粒機(jī)收問題的有效途徑[2，19]。多數(shù)研究者指出，黃淮海冬小麥夏玉米一年兩熟種植區(qū)可通過晚播小麥10～15 d為玉米讓出生理成熟后的田間站稈脫水時(shí)間，同時(shí)加以配套使用適宜機(jī)收籽粒的早熟、脫水快的玉米品種及栽培管理措施來實(shí)現(xiàn)小麥玉米雙機(jī)收籽粒[4，5，8]。黃淮海南部的河南南部、安徽北部和江蘇北部等地區(qū)熱量資源豐富，在不影響冬小麥正常播種的前提下，能夠滿足玉米籽粒含水率降低到適宜機(jī)械粒收含水率的熱量要求；而在黃淮海其它地區(qū)，由于熱量條件的限制，現(xiàn)有品種很難降至適宜機(jī)械粒收的含水率，需通過選擇早熟和籽粒脫水快的品種加以解決[1，2]。

山東省地處黃淮海北區(qū)東部，小麥玉米一年兩熟種植模式以及玉米季光熱資源的限制較為突出，且山東省區(qū)域內(nèi)熱量資源的空間分布差異也較大，因此需要對(duì)省內(nèi)不同地區(qū)的夏玉米籽粒機(jī)收熱量資源進(jìn)行詳細(xì)的分析和評(píng)估。本研究利用1991—2019年山東省17個(gè)及周邊共28個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫資料和該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，采用混合插值方法對(duì)山東省冬小麥越冬始期和籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明:

第一，山東省冬小麥越冬始期的空間分布呈現(xiàn)北部早、南部晚和山區(qū)早、沿海地區(qū)晚的特征，整體上呈現(xiàn)由北向南向東逐漸推遲的趨勢(shì)。其中，中部山區(qū)及其周邊地區(qū)和西北部邊沿地區(qū)冬小麥越冬始期為11月27日以前；山東省中部大部分地區(qū)為11月27日至12月1日；山東半島和山東南部大部分地區(qū)為12月1日至12月10日。

第二，山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布呈現(xiàn)北部早、南部晚和山區(qū)早、沿海地區(qū)晚的特征。其中，山東省中部山區(qū)及其周邊地區(qū)和西北部地區(qū)籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期為9月28日以前；除中部山區(qū)及其周邊地區(qū)外的山東省中部大部分地區(qū)、西部地區(qū)和山東半島北部地區(qū)為9月28日至10月1日；西南部、東南部和山東半島南部地區(qū)為10月1日至10月8日。

第三，1991—2019年間，山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)冬小麥越冬始期的平均氣候傾向率為0.62 d/10a，濟(jì)南、濰坊等12個(gè)站點(diǎn)呈推遲趨勢(shì)，青島、煙臺(tái)等5個(gè)站點(diǎn)呈提早趨勢(shì)，但所有站點(diǎn)的變化趨勢(shì)均未達(dá)到顯著水平；籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期的平均氣候傾向率為1.13 d/10a，除煙臺(tái)、威海2個(gè)站點(diǎn)呈提早趨勢(shì)外，其它15個(gè)站點(diǎn)呈推遲趨勢(shì)，其中，濰坊、莒縣、沂源、莘縣和菏澤的推遲趨勢(shì)達(dá)到顯著水平。

綜上看出，本研究明確了山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期(滿足冬小麥冬前積溫及玉米生理成熟后的田間站稈脫水熱量需求前提下的夏玉米生理成熟期)的空間分布，其變化范圍為9月24日至10月8日，根據(jù)該結(jié)果可確定山東省各地常年播種期至最晚生理成熟期的具體天數(shù)或積溫。另外，山東省大部分地區(qū)9月下旬至10月初的日平均氣溫高于15℃[17]，考慮到玉米生理成熟后站稈脫水所需要的150℃積溫值[14，15]，那么，站稈脫水所需要的時(shí)間大致為10 d。因此，在不影響冬小麥正常播種的前提下，山東省籽粒機(jī)收夏玉米最晚收獲期較籽粒機(jī)收夏玉米最晚生理成熟期約晚10 d。本研究結(jié)果可以為山東省籽粒機(jī)收夏玉米育種目標(biāo)和種植時(shí)期的確定等提供理論和技術(shù)支持。