適宜機械粒收玉米品種的熟期評價指標

李璐璐 明 博 初振東 張萬旭 高 尚 王浥州 侯梁宇 周先林 謝瑞芝 王克如 侯 鵬 李少昆,*

適宜機械粒收玉米品種的熟期評價指標

李璐璐1明 博1初振東2張萬旭2高 尚1王浥州1侯梁宇1周先林1謝瑞芝1王克如1侯 鵬1李少昆1,*

1中國農業科學院作物科學研究所/ 農業農村部作物生理生態重點實驗室, 北京 100081;2石河子大學農學院, 新疆石河子 832003

玉米收獲期籽粒含水率偏高制約了機械粒收技術的應用, 選育和篩選快速脫水的品種是解決這一問題的關鍵, 然而我國尚缺乏評價籽粒脫水速率的指標。本研究于2014—2018年進行, 在不同產區調查了先玉335和鄭單958的生育和脫水進程, 探討玉米籽粒脫水速率的評價指標。結果表明, 播種–生理成熟積溫、播種–25%含水率積溫和生理成熟–25%含水率積溫在品種之間均差異顯著。其中播種–生理成熟積溫先玉335和鄭單958平均為3039oC d (2752～3249oC d)和3090oC d (2750～3546oC d), 差值51oC d, 變異系數為4%和6%。播種–25%含水率積溫在這2個品種之間差異更大, 先玉335和鄭單958平均為3097oC d (2920～3392oC d)和3309oC d (2980～3613oC d), 差值達212oC d, 變異系數為4%和5%。生理成熟–25%含水率積溫先玉335和鄭單958平均為66oC d (0～287oC d)和166oC d (36～338oC d), 變異系數為131%和54%。播種–25%含水率積溫更能體現品種之間籽粒脫水速率, 可以作為現階段機械粒收品種選育和篩選的熟期指標, 但是該指標在區域、年份和播期之間有一定差異, 在測量時建議統一田塊和播種日期。本文提出用播種–25%含水率的積溫作為評價籽粒脫水速率的熟期指標, 用于當前品種選育和篩選, 推動玉米機械粒收技術在國內的發展。

玉米; 籽粒含水率; 脫水速率; 積溫; 機械粒收

籽粒含水率是一個重要的經濟指標, 收獲期玉米籽粒含水率不僅影響機械粒收質量, 還影響后續的晾曬、烘干和銷售等環節。在歐美國家, 收獲期籽粒含水率通常低于20%[1], 保障粒收作業順利開展。在我國, 收獲期玉米籽粒含水率普遍偏高, 制約了機械粒收技術的推廣應用[2-5], 降低籽粒含水率成為當務之急。

選育籽粒快速脫水的品種是降低收獲期含水率的重要舉措, 目前尚缺乏適宜的評價指標。在過去的幾十年里, 我國玉米育種始終以高產為目標, 對籽粒脫水性狀鮮有關注, 晚熟高產品種被廣泛種植, 導致收獲期籽粒含水率普遍偏高。由于主推品種生育期較長, 在黃淮海夏玉米區, 即使在“雙晚”模式[6-9]指導下, 也不能提供足夠的時間給這些品種站稈脫水[10]。收獲期過高的籽粒含水率成為影響機械粒收質量的主要因素, 籽粒破碎率、雜質率和損失率均與含水率顯著正相關[2,4-5,11-15]。過高的含水率增加了收獲后的晾曬難度, 也增加了烘干成本。因此, 品種選育和篩選時應該將籽粒脫水納入評價體系。以往產量是第一目標, 品種的生育期常用于指導高產品種的選擇, 各地農民根據當地熱量資源條件選擇正好能生理成熟的品種, 實現產量最大化。當前轉變玉米生產方式, 不僅要穩定產量, 還要降低成本, 提高生產效益, 機械粒收是最為有效的技術途徑。機械粒收需要品種在田間站稈脫水, 降低到一定含水率后才能高質量的收獲。農民選擇品種時, 如果仍然以生育期為參考, 那么籽粒難以有充足的時間進行田間脫水, 影響機械粒收技術的質量和應用推廣。因此, 需要建立一個適應當前收獲技術要求的新的品種熟期描述指標。

近幾年, 各地玉米機收組品種審定時強調了收獲期籽粒含水率, 但是由于籽粒脫水受到各種氣象因子影響, 該指標并不能體現所審品種在其他生長環境下的脫水速率。考慮到積溫常用來指示生育進程[16-20], 且溫度是影響籽粒脫水的主要氣象因素[21-22],因此參考生育期的定義(播種至生理成熟的積溫/天數), 本文建議將播種至某一含水率的積溫作為評價品種脫水速率的熟期指標。當前破碎率高是機械粒收的主要問題, 破碎率與籽粒含水率呈二次曲線關系, 當含水率在20%左右, 破碎率最低; 含水率在15%～25%之間, 破碎率可控制在5%以內[14-15,23]。發達國家玉米機械粒收時籽粒含水率一般低于20%, 但在國內由于現階段主推品種生育期長, 收獲期籽粒含水率高, 在各個產區實現20%的低含水率收獲有一定難度, 特別是在黃淮海夏玉米區難度更大。因此, 建議用播種至25%含水率的積溫作為現階段品種選育和篩選的指標。

本文調查了不同品種在不同生長環境下播種至25%含水率的積溫, 探討這一指標在不同環境條件下的變化情況, 以及這一指標能否作為籽粒脫水速率的參考標準, 為適合玉米機械粒收的品種選育和篩選提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2014—2018年, 在京津冀早熟夏玉米區的北京(116°30'E, 39°95'N)、黃淮海夏玉米區的河南新鄉(113°54'E, 35°18'N)、東北春玉米區的黑龍江大慶(124°52'E, 46°38'N)、西北春玉米區的新疆奇臺農場(89°46'E, 43°50'N)和昌吉(87°80'E, 44°29'N)進行, 其中新鄉試驗點在2015—2016年分別設置播期試驗, 奇臺農場設置4個試驗點, 所選玉米品種為推廣面積較大的鄭單958和先玉335。各個試驗點的田間管理均與當地情況一致。

試驗期間調查并記錄品種的播種、吐絲、生理成熟和含水率降至25%的日期(表1)。生理成熟日期以果穗中部籽粒的黑層完全形成為依據[24]; 含水率降至25%的日期從動態數據中獲取。吐絲后連續測定籽粒含水率, 直至收獲, 取樣間隔大約為7 d。每次測定時取5個果穗, 將果穗中部100粒手工脫下, 隨即稱取鮮重, 然后放置在85℃的烘箱中, 干燥48 h, 稱取干重, 計算籽粒含水率(%):

含水率(%) = (鮮重–干重)/鮮重×100

由于含水率的測定具有取樣間隔, 無法精準獲取含水率降至25%的日期, 因此, 將時間序列的含水率數據進行線性插值, 以數值最接近25%的一天作為含水率降至25%日期。按照各地的常規收獲日期, 玉米籽粒含水率不能降至25%, 為了確保籽粒有充足的時間在田間站稈脫水, 各個試驗點的取樣結束日期均不早于當地常規收獲期。

表1 各試驗點品種的播種、吐絲、生理成熟、25%含水率和取樣結束日期(月/日)

#表示籽粒含水率在取樣結束前未降至25%。

# represents that the moisture content of kernel has not dropped to 25% during sampling.

各試驗點的氣象資料從氣象數據共享服務網(http://www.nmic.cn/)下載。

1.2 積溫的計算

計算各生育階段的積溫, 包括播種–吐絲、吐絲–生理成熟、生理成熟–25%含水率、播種–生理成熟和播種–25%含水率。計算公式為[25-26]:

式中, TT為第天的積溫(thermal time),mean為日平均氣溫(daily mean temperature),base為下限溫度(base temperature), TT為某一階段的積溫。玉米的下限溫度報道中有6～10℃[16,27-29], 但是0℃曾被用于灌漿期積溫的計算[26,30-31], 且更適合用于籽粒灌漿和脫水階段[19-20]。為了確定最優的base, 參考前人的方法[20,27,32], 設置base從0～10℃以1℃為單位遞增, 在此基礎上計算新鄉2015—2017年參試品種各個階段的積溫, 以最小變異系數(coef?cient of variation, CV)對應的base作為該階段的最優值。

1.3 數據處理

數據計算和繪圖在Microsoft Excel 2010中完成,箱線圖用Graphpad Prism 5.0繪制, 配對法檢驗(paired samples-test)、相關分析(correlation analysis)和通徑分析(path analysis)在SPSS Statistics 17.0中進行。

2 結果與分析

2.1 各生育階段下限溫度的確定

新鄉2015—2017年, 鄭單958和先玉335各11組試驗數據用于確定各個生育階段的最佳下限溫度(base)。在base從0℃增加至10℃過程中, 播種至吐絲積溫(Planting–Silking)的變異系數(CV)逐漸減小, 先玉335從3.31%降至2.92%, 鄭單958從4.83%降至4.74% (圖1), 表明播種至吐絲階段的積溫計算應選擇10℃作為base。而吐絲至生理成熟(Silking– Maturity)、播種至生理成熟(Planting–Maturity)和播種至25%含水率(Planting–25% moisture)這3個階段, CV隨著base的增加而增加, 2個品種表現一致, 表明當涉及到籽粒灌漿和脫水過程時, 積溫的計算應該選擇0℃作為base。該結果應用于下文中不同階段積溫的計算。

圖1 不同下限溫度計算各生育階段積溫時變異系數的變化

2.2 品種脫水差異評價指標

不同品種播種至生理成熟、播種至25%含水率和生理成熟至25%含水率的積溫具有顯著差異。圖2中數據包括所有年份和地點, 配對法檢驗顯示先玉335和鄭單958播種至生理成熟積溫在0.05水平上差異顯著, 先玉335平均為3039°C d, 變幅為2752～3249°C d, 變異系數為4%; 鄭單958平均為3090°C d, 較先玉335高51°C d, 變幅為2750～ 3546°C d, 變異系數為6%。播種至25%含水率積溫在這2個品種之間差異更大, 顯著性水平為0.001, 先玉335平均為3097°C d, 變幅為2920～3392°C d, 變異系數為4%; 鄭單958平均為3309°C d, 較先玉335高212°C d, 變幅為2980～3613°C d, 變異系數為5%。可見, 相較播種至生理成熟積溫, 播種至25%含水率積溫更能體現品種之間籽粒脫水速率, 可以作為品種脫水差異的評價指標。

一般情況下, 生理成熟后仍需要一段時間至含水率降為25%。如圖2所示, 先玉335生理成熟至25%含水率積溫平均為66°C d, 變幅為0～287°C d, 鄭單958平均為166°C d, 變幅為36～338°C d, 2個品種在0.01水平上差異極顯著, 但是二者的變異系數高達131%和54%。

綜上, 播種至25%含水率積溫, 既能體現品種熟期長短, 又能代表品種脫水速率, 更適合作為機械粒收品種的評價指標。從播種至籽粒含水率降至25%, 包括3個階段: 播種至吐絲、吐絲至生理成熟和生理成熟至25%含水率, 這3個階段的積溫(1、2和3)與播種至25%含水率積溫()的關系如表2。簡單相關分析顯示1、2和3均與顯著或極顯著正相關; 但是偏相關分析顯示1與相關不顯著, 而2和3均與極顯著正相關; 通徑分析剔除掉1, 剩下的2和3對的直接通徑系數分別為0.597和0.484, 間接通徑系數分別為0.028和0.035。以上結果表明, 影響播種至25%含水率積溫的因素主要是吐絲至生理成熟積溫和生理成熟–25%含水率積溫, 與播種至吐絲積溫關系不大。

圖2 先玉335和鄭單958播種至生理成熟、播種至25%含水率和生理成熟至25%含水率的積溫

*、**和***分別表示在0.05、0.01和0.001水平差異顯著; 箱形圖中箱體部分代表50%樣本的分布區域, 即四分位區間(IQR)。兩端線為Tukey法判定的合理觀測樣本邊界。箱體中實線為樣本中位數, ?為異常值點, +為樣本均值。

*,**, and***indicate significantly different at the 0.05, 0.01, and 0.001 probability levels, respectively. The box represents the inter-quartile range (IQR), containing the middle 50% of samples in the Box-whisker plot (from the lower quartile to the upper quartile). The whiskers are drawn according to the Tukey method, extending to the data point that is the closest to 1.5 times the IQR below the lower quartile and above the upper quartile. The solid lines in the box denote the sample medians. ? stands for outliers more than 1.5 times below or above the 1st or 3rd quartiles. + represents the sample mean.

表2 播種至25%含水率積溫的影響因素

1、2和3分別為播種至吐絲積溫、吐絲至生理成熟積溫和生理成熟至25%含水率積溫;*和**分別表示在0.05和0.01水平差異顯著;ns表示沒有顯著差異。

1,2, and3represent the thermal times of planting–silking, silking–maturity, and maturity–25% moisture, respectively.*and**indicate significantly different at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.nsindicates no significance at the 0.05 probability level.

2.3 播種至25%含水率積溫在不同環境條件下的變化

播種至25%含水率積溫在區域之間具有一定差異。如表3所示, 先玉335播種至25%含水率積溫在各個試驗點之間變化范圍為2920～3285°C d, 極差為365°C d; 吐絲至生理成熟積溫在1221～1634°C d之間, 極差為413°C d; 生理成熟至25%含水率積溫在0～168°C d之間, 極差為168°C d; 其中, 這3個階段積溫的最大值和最小值均出現在奇臺的不同試驗點之間。鄭單958在各個試驗點均能實現生理成熟, 吐絲至生理成熟積溫在1244～1654°C d之間, 極差為410°C d; 但是籽粒含水率只能在北京、新鄉、昌吉和奇臺108團降至25%, 在大慶、奇臺一分廠、二分廠和三分廠試驗測定結束之前均不能降至25%。

表3 各試驗點吐絲至生理成熟、生理成熟至25%含水率和播種至25%含水率積溫的差異

(續表3)

#表示籽粒含水率在結束測定前未降至25%。

# represents that the moisture content of kernel has not dropped to 25% during sampling.

播種至25%含水率積溫在年份之間也具有一定差異。如表4所示, 同一地點相近播期的不同年份之間, 先玉335播種至25%含水率積溫在昌吉2017年為3392°C d, 2018年為3142°C d, 差值達到250°C d, 主要是生理成熟至25%含水率積溫在年份之間差異較大; 鄭單958播種至25%含水率積溫在昌吉2017年為3346°C d, 2018年為3613°C d, 差值達到267°Cd, 主要是吐絲至生理成熟積溫在年份之間差異較大。

表4 不同年份吐絲至生理成熟、生理成熟至25%含水率和播種至25%含水率積溫的差異

播種至25%含水率積溫在播期之間表現不同。在新鄉2015年和2016年的播期試驗中(圖3), 隨著播期的推遲, 播種至25%含水率積溫整體上呈下降趨勢,但是并不完全一致。其中, 先玉335在2015年最后一個播期積溫明顯上升, 鄭單958在2016年前3個播期積溫基本持平。此外播期過晚時, 籽粒含水率在試驗期間未能降至25%。

3 討論

在我國收獲期籽粒含水率偏高的問題限制了玉米機械粒收技術的推廣應用, 選育和篩選籽粒脫水快的品種是解決這一問題的關鍵。本文提出用播種至25%含水率的積溫作為評價籽粒脫水速率的指標, 用于品種選育和篩選, 這對玉米機械粒收技術在國內的發展至關重要。

3.1 播種至25%含水率積溫評價籽粒脫水速率

播種至25%含水率積溫能夠評價籽粒脫水速率, 為機械粒收品種的選育和篩選提供參考。眾所周知, 同一播種日期和收獲日期下先玉335籽粒含水率低于鄭單958, 籽粒脫水速率相對較快[33-34]。本文調查顯示, 先玉335播種至25%含水率積溫顯著低于鄭單958,表明這一指標能夠體現品種之間脫水差異。通常情況下, 玉米在成熟后需要在田間站稈一段時間, 籽粒含水率才能降至25%, 本文也分析了生理成熟至25%含水率的積溫, 雖然這一指標也能體現品種差異, 但是其變異系數非常大, 且這一指標的計算需要先確定生理成熟期。雖然乳線和黑層在判斷生理成熟期時非常便于觀測, 但是黑層的形成有一定過程, Rench和Shaw[35]將其劃分為5個階段, 需要在田間連續觀測才能準確把握黑層完全形成的日期, 且黑層的顏色在品種之間不盡相同, 黑層的形成過程容易受到環境條件影響[24,35-38]。前人報道的生理成熟期籽粒含水率在15%～42%之間[24,35,39-41], 這一范圍除了受品種和環境影響外, 與黑層的判斷也有關。

圖3 不同播期播種至25%含水率積溫

與播種至25%含水率積溫相比, 生育期為人熟知并被廣泛應用, 在審定公告上通常會注明該品種播種至生理成熟的天數或者積溫。生育期在一定程度上也能夠體現籽粒脫水速率, 熟期早的品種成熟后脫水時間更充足, 在收獲時籽粒含水率相應較低。但是生育期相近的品種, 籽粒脫水速率可能差異較大, 此時并不能依據生育期長短來評判品種脫水速率; 而且可能存在生育期有差異但是籽粒脫水速率卻相近的品種, 因此, 單純依據生育期并不能很好地反映品種脫水特性。前人曾報道當籽粒含水率降至35%左右時, 籽粒干重已達到最大, 不再增加[42-43]。由此可見, 在含水率降至25%之前, 籽粒已經完成灌漿過程, 且脫水也進行了一段時間, 播種至25%含水率積溫既能體現品種熟期又能代表籽粒脫水速率, 建議將其作為評價指標, 應用于現階段籽粒快速脫水的品種選育和篩選。

此外, 收獲時籽粒含水率越低, 收獲后的烘干、倉儲成本越低, 但是隨著玉米植株田間站稈脫水時間延長, 倒伏率升高[44], 制約了機械操作, 收獲難度增大, 田間自然落穗損失和機收落穗損失均增加[15]。針對當前國內主栽玉米生育期偏長、收獲期含水率高、機械粒收破碎率高的生產實際, 我們建議將25%含水率作為現階段機械粒收可以實施的收獲標準, 將播種至25%含水率積溫作為適宜粒收品種的選育和篩選指標之一, 為機械粒收技術的推廣應用奠定基礎。機械粒收的最佳含水率應該綜合考慮收獲質量(包括破碎率、損失率和雜質率)、收獲過程中的能耗和收獲后籽粒烘干成本等指標, 實現生產效率和經濟效益的最大化。發達國家玉米機械粒收時籽粒含水率大多在20%以下, 我國通過品種選育、栽培技術進步等措施, 未來同樣能夠逐步實現20%的低含水率收獲, 甚至在含水率15%時收獲。

3.2 播種至25%含水率積溫受環境條件影響

播種至25%含水率積溫在區域、年份和播期之間均有一定差異。分析認為播種至25%含水率積溫主要與吐絲至生理成熟積溫和生理成熟至25%含水率積溫有關, 涉及到籽粒灌漿和脫水2個過程, 溫度、降水、相對濕度、風速等環境因素均影響這2個過程[21-22,45]。本文用積溫來量化播種至25%含水率的持續期長度, 雖然用積溫衡量較用天數更準確[17,46],但是溫度不是驅動作物生長發育的唯一因素[17,27,47]。因此, 在測量品種播種至25%含水率積溫時, 建議統一田塊和播種日期, 確保充足的肥水供應。

此外, 在新鄉試驗點的較晚播期下, 鄭單958和先玉335的籽粒含水率未能降至25%, 這與測試結束日期偏早有關, 該試驗點進入11月份籽粒脫水緩慢, 但是仍能降至較低水平。在奇臺和大慶試驗點, 當測試日期分別延長至11月下旬和12月上旬的時候, 鄭單958的籽粒含水率仍然不能降至25%, 這與當地低溫、降雪等田間環境因素有關, 非常不利于晚熟品種脫水。

4 結論

本研究利用多年多點試驗, 在不同產區調查了先玉335和鄭單958的生育和脫水進程。結果表明, 先玉335和鄭單958播種至生理成熟積溫平均為3039°C d和3090°C d, 播種至25%含水率積溫平均為3097°C d和3309°C d, 生理成熟至25%含水率積溫平均為66°C d和166°C d。這3個階段的積溫在品種之間均差異顯著, 其中播種至25%含水率積溫差異最大, 更能體現品種之間籽粒脫水速率, 可以作為現階段機械粒收品種選育和篩選的熟期指標, 但是該指標在不同環境條件下有一定差異, 在測量時建議統一田塊和播種日期。

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An growing-period indicator of maize cultivars for mechanical kernel harvest

LI Lu-Lu1, MING Bo1, CHU Zhen-Dong2, ZHANG Wan-Xu2, GAO Shang1, WANG Yi-Zhou1, HOU Liang-Yu1, ZHOU Xian-Lin1, XIE Rui-Zhi1, WANG Ke-Ru1, HOU Peng1, and LI Shao-Kun1,*

1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;2Agricultural College, Shihezi University, Shihezi 832003, Xinjiang, China

The high kernel moisture of maize (L.) at harvest stage limits the field-application of mechanical kernel harvesting. The breeding and selection of fast dry-down cultivars is the key to solve this problem. However, there is still a lack of such indicators for evaluating the kernel dry-down rate in China. To explore the indicators, the crop growth and the kernel dry-down of two cultivars, Xianyu 335 and Zhengdan 958, were investigated across various maize belts in China from 2014 to 2018. Between the two cultivars, there were significant varietal differences in thermal times (TT) at the stages of planting–maturity (P–M), planting–25% moisture (P–25%), and maturity–25% moisture (M–25%), respectively. The TTP–Mon average were 3039°C d (2752–3249°C d) for Xianyu 335 and 3090°C d (2750–3546°C d) for Zhengdan 958, with a difference value of 51°C d, and the corresponding coefficient of variations (CV) of TTP–Mwere 4% and 6%, respectively. The TTP–25%on average was 3097°C d (2920–3392°C d) for Xianyu 335 and 3309°C d (2980–3613°C d) for Zhengdan 958, with a larger difference value of 212°C d, while their CV were 4% and 5%. In several, the TTM–25%for Xianyu 335 and Zhengdan 958 were 66°C d (0–287°C d) and 166°C d (36–338°C d) with the CV of 131% and 54%. On account of its better reflection of kernel dry-down rate among cultivars, the TTP–25%could be considered as the growing period indicator for the breeding and selection of cultivars fitting to present mechanical kernel harvesting. In addition, this indicator might vary with region, year, or planting date, the same field and year were recommended to ensure a consistent environmental condition for measuring it. Conclusively, a new indicator (TTP–25%)for breeding and selection of fast dry-down hybrids was proposed, which potentially prompting maize kernel harvesting in China.

maize; kernel moisture; dry-down rate; thermal time; mechanical kernel harvest

10.3724/SP.J.1006.2021.03049

本研究由國家重點研發計劃項目(2016YFD0300110), 國家自然科學基金項目(31971849), 國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-02-25)和中國農業科學院農業科技創新工程項目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300110), the National Natural Science Foundation of China (31971849), the China Agriculture Research System (CARS-02-25), and the Agricultural Science and Technology Innovation Project of Chinese Academy of Agricultural Sciences.

李少昆, E-mail: lishaokun@caas.cn, Tel: 010-82108891

E-mail: lilulu19910818@163.com

2020-08-24;

2021-03-19;

2021-04-06.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210406.1551.002.html