基于GIS的山東省籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的時空分布特征分析

紀博瀚，耿興華，陳澤昌，王同超，宋佳興，陳浩宇，楊錦忠，崔日鮮

(青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室，山東 青島 266109)

近年來我國夏玉米機械收穗技術發展較快，但籽粒機收技術因受小麥玉米一年兩熟種植模式所帶來的玉米生長季熱量資源的限制及品種、收獲機具、生產規模等的影響則發展較緩慢[1]。前人研究表明，收獲時的籽粒含水率是影響玉米籽粒機收質量的關鍵因素，籽粒含水率高所導致的收獲質量下降是制約玉米籽粒機收技術發展的最主要因素[2－7]。已有研究表明，玉米生理成熟后延長其田間站稈脫水時間、待籽粒含水率降至28%以下收獲，便可保證機械收粒質量[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間長短直接影響冬小麥的播種及冬前生長，而山東省各地熱量資源存在較大差異，因此，包括冬小麥越冬始期、籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期等夏玉米籽粒機收技術相關的熱量資源時空分布特征的精細分析對山東省各地區玉米籽粒機收技術的應用具有重要意義。

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”能夠在黃淮海地區實現大面積玉米籽粒機收和小麥玉米輪作全程機械化。高卓等[8]指出，河北省夏玉米區可通過選用早熟小麥、早熟玉米品種及采用“雙早雙晚技術”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所實施的“雙晚”試驗結果表明，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，≥0℃冬前積溫為500℃左右，完全滿足小麥冬前生長需要，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方法推遲10～15 d，能有效延長玉米灌漿時間[11]，也有利于降低玉米收獲時的籽粒含水率。因此，籽粒機收夏玉米技術推廣過程中的品種選擇、機收時間確定等必須要考慮冬小麥播種時間及冬前積溫需求，而這方面的研究內容卻鮮有報道。

本研究利用山東省及其周邊地區氣象站點的數字高程模型數據和1991—2019年氣溫資料，通過混合插值方法對滿足冬小麥冬前積溫需求前提下的籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的時空分布進行精細分析，以期為該地區保證冬小麥安全生產前提下的夏玉米籽粒機收技術應用提供理論和技術支持。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

山東省地處我國東部沿海、黃河下游，是我國重要的糧食產區。山東省位于暖溫帶半濕潤季風氣候區，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 數據來源

山東省境內17個、周邊11個共28個氣象站點(圖1)1991—2019年的逐日氣溫數據來自國家氣象局氣象信息中心。山東省數字高程模型(DEM)數據來自美國航天飛機雷達地形測繪任務(STRM)全 球90 m分 辨 率(cellsize為0.0008333)的數字高程影像資料。為了提高運算速率，本研究對原圖像進行重采樣獲得約450 m分辨率(cellsize為0.004167)的DEM。

圖1 山東省境內及周邊氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 山東省冬小麥越冬始期(≥0℃終日)和籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的計算 利用5日滑動平均法確定各氣象站點各年度≥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到550℃的日期[11－13]，此日期為籽粒機收夏玉米最晚收獲期。李璐璐等[14，15]研究表明，黃淮海地區2015—2017年30多個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%/℃。據此可知，黃淮海地區玉米站稈脫水積溫值為150℃時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，從籽粒機收夏玉米最晚收獲期開始向前推算至積溫達到150℃的日期，即為山東省籽粒機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，與經度、緯度和海拔等地理信息密切相關[16]，因此首先在分析氣象站點冬小麥越冬始期和籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期與經度、緯度和海拔相關性的基礎上，擬合基于經度、緯度和海拔估算上述兩個熱量指標的多元線性回歸模型，然后基于該多元線性回歸模型計算山東省及周邊區域各柵格點的夏玉米籽粒機收熱量指標，進而獲得其空間分布。各氣象站點的基于多元線性回歸模型擬合的估算值與實際計算值不一致，其差值為殘差，對殘差進行空間插值，最后通過柵格運算，將空間內各柵格點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收夏玉米最晚生理成熟期的建模計算采用80%保證率的分位數。

1.3.3 線性傾向估計 用xi表示樣本量為n的某一氣象要素，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[17，18]:

式中:r為相關系數，n為樣本數。統計量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>t(α/2，n－2)時，拒絕原假設，即認為xi的變化趨勢是顯著的[17，18]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數據處理，SAS 9.1軟件進行冬小麥越冬始期和夏玉米最晚生理成熟期時間序列變化趨勢的顯著性檢驗。

2 結果與分析

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個氣象站點越冬始期平均為11月30日，最早的站點德州為11月24日，最晚的站點日照和青島為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，除中部山區受海拔影響表現較早外，山東省其它地區由西北向東南逐漸滯后。具體分布如下:中部山區及其周邊地區和西北部邊沿地區為11月27日以前；山東省中部和西部大部分地區為11月27日至12月1日；山東半島和山東南部大部分地區為12月1日至12月5日；山東省南部少部分地區和包括日照、青島等沿海地區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 為山東省籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布情況?？梢钥闯?，山東省17個氣象站點籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期平均為9月30日，最早的站點沂源為9月25日，最晚的站點青島為10月5日。山東省東部沿海地區及最南端地區受海洋及緯度的影響秋冬季節的溫度較其它地區高，因此這些地區的籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期較其它地區晚，為10月5日至10月8日；而中部山區及其周邊地區和最北部地區受海拔和緯度的影響夏玉米最晚生理成熟期最早，中部山區為9月24日以前，中部山區周邊地區和最北部地區為9月24日至9月28日；除中部山區及其周邊地區外的山東省中部大部分地區、西部地區和山東半島北部地區為9月28日至10月1日；山東半島南部地區、除最南端和沿海地區外的西南地區為10月1日至10月5日。

圖3 山東省籽粒機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收夏玉米最晚生理成熟期時間序列的變化趨勢分析

利用線性傾向估計方法對山東省17個氣象站點1991—2019年冬小麥越冬始期和籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的變化趨勢進行分析，結果見表1?？梢钥闯?，山東省17個氣象站點近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。其中，5個站點(德州、青島、煙臺、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，其平均氣候傾向率為－1.93 d/10a；其它12個站點(龍口、海陽、惠民、東營、濰坊、濟南、莒縣、沂源、菏澤、臨沂、兗州和莘縣)則呈現推遲趨勢，其平均氣候傾向率為1.67 d/10a。顯著性檢驗結果表明，17個站點冬小麥越冬始期的趨勢變化均未達到顯著水平，即變化趨勢不顯著。

表1 山東省冬小麥越冬始期和籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的氣候傾向率

山東省17個氣象站點籽粒機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。其中，僅煙臺、威海2個站點的氣候傾向率小于零，其籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期呈提早趨勢，其平均氣候傾向率為－0.86 d/10a；青島、龍口等其它15個站點的氣候傾向率大于零，即這些站點籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期呈推遲趨勢，其平均氣候傾向率為1.39 d/10a。17個站點中，濰坊、莒縣、沂源、莘縣和菏澤的推遲趨勢達到顯著水平，而其它12個站點的趨勢變化未達到顯著水平。

3 討論與結論

玉米籽粒機收是目前我國玉米生產全程機械化發展的瓶頸[1，19]。前人研究指出，玉米籽粒機收時籽粒含水率與籽粒破碎率、雜質率等呈顯著相關，表明收獲時籽粒含水率偏高是限制機械粒收技術推廣的重要因素[1，2，19]。因此，如何降低收獲時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收問題的有效途徑[2，19]。多數研究者指出，黃淮海冬小麥夏玉米一年兩熟種植區可通過晚播小麥10～15 d為玉米讓出生理成熟后的田間站稈脫水時間，同時加以配套使用適宜機收籽粒的早熟、脫水快的玉米品種及栽培管理措施來實現小麥玉米雙機收籽粒[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械粒收含水率的熱量要求；而在黃淮海其它地區，由于熱量條件的限制，現有品種很難降至適宜機械粒收的含水率，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，且山東省區域內熱量資源的空間分布差異也較大，因此需要對省內不同地區的夏玉米籽粒機收熱量資源進行詳細的分析和評估。本研究利用1991—2019年山東省17個及周邊共28個氣象站點的日平均氣溫資料和該區域的DEM數據，采用混合插值方法對山東省冬小麥越冬始期和籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期的空間分布特征進行分析，結果表明:

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

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

第三，1991—2019年間，山東省17個氣象站點冬小麥越冬始期的平均氣候傾向率為0.62 d/10a，濟南、濰坊等12個站點呈推遲趨勢，青島、煙臺等5個站點呈提早趨勢，但所有站點的變化趨勢均未達到顯著水平；籽粒機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、威海2個站點呈提早趨勢外，其它15個站點呈推遲趨勢，其中，濰坊、莒縣、沂源、莘縣和菏澤的推遲趨勢達到顯著水平。

綜上看出，本研究明確了山東省17個氣象站點籽粒機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，根據該結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或積溫。另外，山東省大部分地區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，山東省籽粒機收夏玉米最晚收獲期較籽粒機收夏玉米最晚生理成熟期約晚10 d。本研究結果可以為山東省籽粒機收夏玉米育種目標和種植時期的確定等提供理論和技術支持。