基于GIS的山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的时空分布特征分析
时间：2023-06-04 18:55:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
纪博瀚，耿兴华，陈泽昌，王同超，宋佳兴，陈浩宇，杨锦忠，崔日鲜
(青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109)
近年来我国夏玉米机械收穗技术发展较快，但籽粒机收技术因受小麦玉米一年两熟种植模式所带来的玉米生长季热量资源的限制及品种、收获机具、生产规模等的影响则发展较缓慢[1]。前人研究表明，收获时的籽粒含水率是影响玉米籽粒机收质量的关键因素，籽粒含水率高所导致的收获质量下降是制约玉米籽粒机收技术发展的最主要因素[2－7]。已有研究表明，玉米生理成熟后延长其田间站秆脱水时间、待籽粒含水率降至28%以下收获，便可保证机械收粒质量[3，6]。在小麦玉米一年两熟种植模式下，玉米生理成熟后的田间站秆脱水时间长短直接影响冬小麦的播种及冬前生长，而山东省各地热量资源存在较大差异，因此，包括冬小麦越冬始期、籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期等夏玉米籽粒机收技术相关的热量资源时空分布特征的精细分析对山东省各地区玉米籽粒机收技术的应用具有重要意义。
郑天存[4]、邱军[5]等指出，培育及选用早熟玉米品种和早熟、耐晚播、高产的小麦品种，并配套小麦晚播早收、玉米早播晚收的“双早双晚技术”能够在黄淮海地区实现大面积玉米籽粒机收和小麦玉米轮作全程机械化。高卓等[8]指出，河北省夏玉米区可通过选用早熟小麦、早熟玉米品种及采用“双早双晚技术”为夏玉米生理成熟后的田间站秆脱水提供有利条件。一般认为冬小麦安全越冬至少需要≥0℃冬前积温495～570℃[9]。地处河南西北部的温县、焦作和河南南部新乡所实施的“双晚”试验结果表明，冬小麦播期向后推迟10～15 d，即推迟至10月20日左右播种时，≥0℃冬前积温为500℃左右，完全满足小麦冬前生长需要，且将部分积温和光照资源让给玉米[10]；
夏玉米收获期比常规方法推迟10～15 d，能有效延长玉米灌浆时间[11]，也有利于降低玉米收获时的籽粒含水率。因此，籽粒机收夏玉米技术推广过程中的品种选择、机收时间确定等必须要考虑冬小麦播种时间及冬前积温需求，而这方面的研究内容却鲜有报道。
本研究利用山东省及其周边地区气象站点的数字高程模型数据和1991—2019年气温资料，通过混合插值方法对满足冬小麦冬前积温需求前提下的籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的时空分布进行精细分析，以期为该地区保证冬小麦安全生产前提下的夏玉米籽粒机收技术应用提供理论和技术支持。
1.1 研究区概况
山东省地处我国东部沿海、黄河下游，是我国重要的粮食产区。山东省位于暖温带半湿润季风气候区，气候温和，雨量集中，四季分明，年平均气温为11～14℃，年平均降水量为600～900 mm。
1.2 数据来源
山东省境内17个、周边11个共28个气象站点(图1)1991—2019年的逐日气温数据来自国家气象局气象信息中心。山东省数字高程模型(DEM)数据来自美国航天飞机雷达地形测绘任务(STRM)全 球90 m分 辨 率(cellsize为0.0008333)的数字高程影像资料。为了提高运算速率，本研究对原图像进行重采样获得约450 m分辨率(cellsize为0.004167)的DEM。
图1 山东省境内及周边气象站点分布
1.3 研究方法
1.3.1 山东省冬小麦越冬始期(≥0℃终日)和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的计算 利用5日滑动平均法确定各气象站点各年度≥0℃终日，即冬小麦越冬始期[10，11]，从该日期开始向前推算至积温达到550℃的日期[11－13]，此日期为籽粒机收夏玉米最晚收获期。李璐璐等[14，15]研究表明，黄淮海地区2015—2017年30多个玉米品种生理成熟期的籽粒含水率约为32%，生理成熟后籽粒脱水速度约为0.032%/℃。据此可知，黄淮海地区玉米站秆脱水积温值为150℃时玉米籽粒含水率可下降约4.8%，即站秆脱水后的玉米籽粒含水率降至28%以下。因此，从籽粒机收夏玉米最晚收获期开始向前推算至积温达到150℃的日期，即为山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期。
1.3.2 冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间栅格化 热量资源，包括界限温度的起始日期、积温等，与经度、纬度和海拔等地理信息密切相关[16]，因此首先在分析气象站点冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期与经度、纬度和海拔相关性的基础上，拟合基于经度、纬度和海拔估算上述两个热量指标的多元线性回归模型，然后基于该多元线性回归模型计算山东省及周边区域各栅格点的夏玉米籽粒机收热量指标，进而获得其空间分布。各气象站点的基于多元线性回归模型拟合的估算值与实际计算值不一致，其差值为残差，对残差进行空间插值，最后通过栅格运算，将空间内各栅格点的多元线性回归模型的模拟值加残差空间插值，获得山东省冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布图。冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的建模计算采用80%保证率的分位数。
1.3.3 线性倾向估计 用xi表示样本量为n的某一气象要素，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程[17，18]:
式中:r为相关系数，n为样本数。统计量t服从自由度为 n－2的t分布。在给定的显著性水平α下，当>t(α/2，n－2)时，拒绝原假设，即认为xi的变化趋势是显著的[17，18]。
1.4 数据处理与分析
采用Microsoft Excel 2019进行数据处理，SAS 9.1软件进行冬小麦越冬始期和夏玉米最晚生理成熟期时间序列变化趋势的显著性检验。
2.1 山东省冬小麦越冬始期的空间分布
图2为1991—2019年山东省冬小麦越冬始期的空间分布情况。山东省17个气象站点越冬始期平均为11月30日，最早的站点德州为11月24日，最晚的站点日照和青岛为12月10日。冬小麦越冬始期的变化范围为11月下旬至12月上旬，除中部山区受海拔影响表现较早外，山东省其它地区由西北向东南逐渐滞后。具体分布如下:中部山区及其周边地区和西北部边沿地区为11月27日以前；
山东省中部和西部大部分地区为11月27日至12月1日；
山东半岛和山东南部大部分地区为12月1日至12月5日；
山东省南部少部分地区和包括日照、青岛等沿海地区的冬小麦越冬始期最晚，为12月5日至12月10日。
图2 山东省冬小麦越冬始期的空间分布
2.2 山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布
图3 为山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布情况。可以看出，山东省17个气象站点籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期平均为9月30日，最早的站点沂源为9月25日，最晚的站点青岛为10月5日。山东省东部沿海地区及最南端地区受海洋及纬度的影响秋冬季节的温度较其它地区高，因此这些地区的籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期较其它地区晚，为10月5日至10月8日；
而中部山区及其周边地区和最北部地区受海拔和纬度的影响夏玉米最晚生理成熟期最早，中部山区为9月24日以前，中部山区周边地区和最北部地区为9月24日至9月28日；
除中部山区及其周边地区外的山东省中部大部分地区、西部地区和山东半岛北部地区为9月28日至10月1日；
山东半岛南部地区、除最南端和沿海地区外的西南地区为10月1日至10月5日。
图3 山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布
2.3 山东省冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期时间序列的变化趋势分析
利用线性倾向估计方法对山东省17个气象站点1991—2019年冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的变化趋势进行分析，结果见表1。可以看出，山东省17个气象站点近29年(1991—2019年)冬小麦越冬始期的平均气候倾向率为0.62 d/10a，总体呈推迟趋势。其中，5个站点(德州、青岛、烟台、威海和日照)的气候倾向率小于零，即过去29年来呈提早趋势，其平均气候倾向率为－1.93 d/10a；
其它12个站点(龙口、海阳、惠民、东营、潍坊、济南、莒县、沂源、菏泽、临沂、兖州和莘县)则呈现推迟趋势，其平均气候倾向率为1.67 d/10a。显著性检验结果表明，17个站点冬小麦越冬始期的趋势变化均未达到显著水平，即变化趋势不显著。
表1 山东省冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的气候倾向率
山东省17个气象站点籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的平均气候倾向率为1.13 d/10a，总体呈推迟趋势。其中，仅烟台、威海2个站点的气候倾向率小于零，其籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期呈提早趋势，其平均气候倾向率为－0.86 d/10a；
青岛、龙口等其它15个站点的气候倾向率大于零，即这些站点籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期呈推迟趋势，其平均气候倾向率为1.39 d/10a。17个站点中，潍坊、莒县、沂源、莘县和菏泽的推迟趋势达到显著水平，而其它12个站点的趋势变化未达到显著水平。
玉米籽粒机收是目前我国玉米生产全程机械化发展的瓶颈[1，19]。前人研究指出，玉米籽粒机收时籽粒含水率与籽粒破碎率、杂质率等呈显著相关，表明收获时籽粒含水率偏高是限制机械粒收技术推广的重要因素[1，2，19]。因此，如何降低收获时籽粒含水率是解决黄淮海小麦玉米一年两熟模式下夏玉米籽粒机收问题的有效途径[2，19]。多数研究者指出，黄淮海冬小麦夏玉米一年两熟种植区可通过晚播小麦10～15 d为玉米让出生理成熟后的田间站秆脱水时间，同时加以配套使用适宜机收籽粒的早熟、脱水快的玉米品种及栽培管理措施来实现小麦玉米双机收籽粒[4，5，8]。黄淮海南部的河南南部、安徽北部和江苏北部等地区热量资源丰富，在不影响冬小麦正常播种的前提下，能够满足玉米籽粒含水率降低到适宜机械粒收含水率的热量要求；
而在黄淮海其它地区，由于热量条件的限制，现有品种很难降至适宜机械粒收的含水率，需通过选择早熟和籽粒脱水快的品种加以解决[1，2]。
山东省地处黄淮海北区东部，小麦玉米一年两熟种植模式以及玉米季光热资源的限制较为突出，且山东省区域内热量资源的空间分布差异也较大，因此需要对省内不同地区的夏玉米籽粒机收热量资源进行详细的分析和评估。本研究利用1991—2019年山东省17个及周边共28个气象站点的日平均气温资料和该区域的DEM数据，采用混合插值方法对山东省冬小麦越冬始期和籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布特征进行分析，结果表明:
第一，山东省冬小麦越冬始期的空间分布呈现北部早、南部晚和山区早、沿海地区晚的特征，整体上呈现由北向南向东逐渐推迟的趋势。其中，中部山区及其周边地区和西北部边沿地区冬小麦越冬始期为11月27日以前；
山东省中部大部分地区为11月27日至12月1日；
山东半岛和山东南部大部分地区为12月1日至12月10日。
第二，山东省籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的空间分布呈现北部早、南部晚和山区早、沿海地区晚的特征。其中，山东省中部山区及其周边地区和西北部地区籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期为9月28日以前；
除中部山区及其周边地区外的山东省中部大部分地区、西部地区和山东半岛北部地区为9月28日至10月1日；
西南部、东南部和山东半岛南部地区为10月1日至10月8日。
第三，1991—2019年间，山东省17个气象站点冬小麦越冬始期的平均气候倾向率为0.62 d/10a，济南、潍坊等12个站点呈推迟趋势，青岛、烟台等5个站点呈提早趋势，但所有站点的变化趋势均未达到显著水平；
籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期的平均气候倾向率为1.13 d/10a，除烟台、威海2个站点呈提早趋势外，其它15个站点呈推迟趋势，其中，潍坊、莒县、沂源、莘县和菏泽的推迟趋势达到显著水平。
综上看出，本研究明确了山东省17个气象站点籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期(满足冬小麦冬前积温及玉米生理成熟后的田间站秆脱水热量需求前提下的夏玉米生理成熟期)的空间分布，其变化范围为9月24日至10月8日，根据该结果可确定山东省各地常年播种期至最晚生理成熟期的具体天数或积温。另外，山东省大部分地区9月下旬至10月初的日平均气温高于15℃[17]，考虑到玉米生理成熟后站秆脱水所需要的150℃积温值[14，15]，那么，站秆脱水所需要的时间大致为10 d。因此，在不影响冬小麦正常播种的前提下，山东省籽粒机收夏玉米最晚收获期较籽粒机收夏玉米最晚生理成熟期约晚10 d。本研究结果可以为山东省籽粒机收夏玉米育种目标和种植时期的确定等提供理论和技术支持。
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