通过种植制度改革实现黄淮海北部地区玉米机械籽粒直收

侯梁宇，张镇涛，黄兆福，李璐璐，郭亚南，明博，谢瑞芝，侯鹏，薛军，王克如，李少昆

通过种植制度改革实现黄淮海北部地区玉米机械籽粒直收

1中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室，北京 100081；2中国农业大学资源与环境学院，北京 100193

【目的】机械粒收是玉米收获技术发展的方向。在“冬小麦-夏玉米”一年两季轮作种植制度下，黄淮海北部地区热量资源不足，玉米生长季节有限，收获时籽粒含水率高，难以进行机械粒收，是世界上玉米机械粒收技术应用难度最大的区域，探索玉米机械粒收的可行性对推动区域玉米生产全程机械化和玉米产业提质增效、提升竞争力具有重要意义。【方法】2016—2017年在新乡、2018年在北京分别对郑单958、先玉335、迪卡517、京农科728和丰垦139等不同熟期品种的籽粒脱水积温需求进行系统观测；利用黄淮海北部地区近10年气象数据，以冬前预留500 ℃·d积温为小麦适宜播期，按玉米生长季节活动积温（≥0 ℃）100 ℃为梯度，将其划分为7个积温带；将区域热量资源条件和不同品种籽粒脱水积温需求进行定量匹配分析。【结果】在玉米正常夏播条件下，随着品种熟期提早，各供试品种在黄淮海北部地区达到生理成熟并且可以实现粒收的区域逐渐向北扩展，一般比小麦适宜播期推迟5—10 d，但是区域内北端和西端的积温带Ⅰ—Ⅲ（1 900— 2 800 ℃·d）的热量资源仍无法满足熟期较早的京农科728和丰垦139籽粒含水率下降至25%甚至是达到生理成熟的积温需求。将冬小麦-夏玉米一年两熟改为夏玉米-春玉米-冬小麦两年三熟制后，玉米春播和夏播各供试品种籽粒含水率都能下降至25%以下实现机械粒收，如果选择熟期较早的品种，在冬小麦或春玉米播种前还可以通过田间站秆脱水延迟收获，使籽粒含水率进一步降至20%以下，提高粒收质量，降低烘干成本。【结论】通过种植制度改革可以有效解决黄淮海北部地区玉米生长季节热量不足、收获时期含水率过高导致的玉米成熟度差、容重低、易霉变和机械粒收难度大的问题，实现提质增效。

黄淮海北部地区；热量资源；玉米；籽粒含水率；种植制度；机械粒收

0 引言

【研究意义】黄淮海地区位于我国东部（29°24′— 42°36′N，110°21′—122°42′E），总面积约500 000 km2。区域内大部分属于暖温带季风性气候，四季变化明显，冬季干燥寒冷，夏季高温多雨，降水多集中在每年的7—9月，平均降水量为600—800 mm，是中国最大的小麦-玉米轮作带，夏玉米种植面积和产量分别占全国的36%和40%[1]。机械籽粒收获是现代玉米生产方式的典型特征之一，是玉米生产的重大变革与发展方向。【前人研究进展】热量资源是决定作物生产和种植制度的重要因素，积温是作物完成某一发育阶段或生命过程所需的热量积累，可以用来评价某一地区的热量条件是否满足某种作物生长发育的要求，对于农业生产过程中选择适宜品种、提高作物产量和品质至关重要[2-3]。玉米籽粒成熟和脱水过程与热量资源密切相关，籽粒脱水成熟阶段的积温对生理成熟期籽粒含水率具有显著影响[4-6]。不同玉米品种的积温需求直接影响熟期和籽粒含水率变化特点[7-10]。依据玉米籽粒脱水特性，明确不同种植区生理成熟后籽粒脱水至适宜机械粒收的积温需求，对提高玉米产量、降低收获时籽粒含水率和进一步推动机械粒收具有重要意义[11-14]。【本研究切入点】在冬小麦-夏玉米一年两熟轮作种植制度下，黄淮海北部地区热量资源一季有余、两季不足，玉米收获时籽粒含水率较高，甚至无法达到生理成熟，难以进行机械粒收，是世界上玉米机械粒收技术应用难度最大的区域[15-20]。【拟解决的关键问题】本研究通过分析黄淮海北部地区热量资源分布特点和不同熟期玉米品种的生育期、籽粒脱水积温需求，开展热量资源与品种的合理匹配，探索黄淮海北部地区种植制度改革、实现机械粒收的可行性，为区域玉米生产合理利用热量资源、加快机械粒收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 黄淮海北部地区热量资源分布与研究区域

利用ArcMap地理信息分析工具，以各气象站点的常年玉米播种日序为起点，利用普通克里格法（Ordinary Kriging）进行空间插值并栅格化处理[21-23]。根据黄淮海地区86个气象站点2008—2017年的逐日气象资料（http://data.cma.cn/），将气象站点图层与玉米的播种日序栅格图层进行叠加，利用空间分析工具（spatial analyst tools）提取气象站点所在坐标的播种日序空间插值结果，获取各气象站点的常年玉米生产可利用的热量资源。由于热量资源在年际间均存在较大变化，因此，在构建基于经度、纬度进行空间插值时，均采用了≥0 ℃活动积温80%的保证率。考虑区域内为冬小麦-夏玉米一年两熟，因此预留500 ℃·d作为小麦安全越冬和农时消耗的积温需求[24-27]。

如图1所示，黄淮海地区玉米生长季热量资源自南向北划分为11个积温带，总体上由西北向东南呈递增趋势。结合黄淮海地区热量分布特征，积温≤3 000 ℃·d的积温带Ⅰ—Ⅴ分布的区域和地处山东半岛西北的积温带Ⅵ—Ⅶ为黄淮海北部地区，其中积温带Ⅰ内由一年两熟制向一年一熟制逐渐过渡。黄淮海北部包括北京和天津全境、河北和山东两省大部分地区，以及山西、陕西、河南、江苏4个省份的局部地区，区域南端自东向西依次为临沂、安阳、邢台、长治、临汾和商州等地。

审图号：GS（2019）1829。下同

1.2 试验设计与参试品种

1.3 参试品种生育期与籽粒脱水进程

记录各参试品种的播种时间、吐丝期和生理成熟期，其中生理成熟日期根据果穗中部籽粒完全形成黑层的时间确定。吐丝后连续测定籽粒含水率直至收获，取样间隔5 d。每次测定时取5个果穗，将果穗中部100粒手工脱下，称取鲜重，然后放置在85 ℃烘箱中干燥48 h后再称取干重，计算籽粒含水率公式为：

籽粒含水率（%）=（鲜重-干重）/鲜重×100%

由于含水率测定有取样时间间隔，无法准确获得籽粒含水率降至25%和20%的日期。因此，将时间序列的含水率数据进行线性插值，将含水率数据最接近25%和20%的日期分别作为含水率降至25%和20%的日期，同时，为了确保籽粒充分脱水干燥，2个试验点的取样结束日期均晚于当地正常收获期。

1.4 参试玉米品种生育期各阶段积温需求

根据不同试验站点的气象数据，计算各参试品种自播种至生理成熟、籽粒含水率降至25%和20%的积温需求，计算公式为：

TT=T-T

TT = ∑TT

式中，TT为第天的积温（thermal time），T为日平均气温（daily mean temperature），T为下限温度（base temperature），为某一阶段的积温。

1.5 夏玉米与冬小麦播期

区域内热量资源的分布差异会造成播期的不同，播期不同会影响玉米的生长发育和产量形成，进而影响熟期和籽粒脱水速率[34-35]。根据试验观测的各品种生育期、籽粒脱水积温需求和黄淮海北部各地夏玉米播期调研数据，可以估算出各品种在黄淮海北部地区籽粒含水率下降至25%的最早时间。由于在一年两熟的轮作制度下，夏玉米收获后需要立即种植下季作物冬小麦，通过夏玉米籽粒含水率下降至25%的最早时间和冬小麦适宜播期的对比来判定各品种在黄淮海北部地区实现机械粒收的可行性。黄淮海北部夏玉米播期如图2所示，数据来源于国家玉米产业体系实地调研。

图2 黄淮海北部地区夏玉米实际播期

基于气象站点的逐日平均温度，利用五日滑动平均法，计算稳定通过0 ℃的日期作为入冬日，然后从入冬日往前推算500 ℃·d达到的日期作为黄淮海北部地区冬小麦适宜播期，如图3。

线粒体脑肌病伴高乳酸血症及卒中样发作患者头痛的临床特征 … ……………… 李伟，刘睿婷，陈春富 264

1.6 数据处理与分析

数据计算在Microsoft Office Excel 2010中完成，利用ArcGIS 10.3进行普通克里格法空间差值和栅格化处理。

图3 黄淮海北部地区冬小麦适宜播期

2 结果

2.1 品种积温需求与黄淮海北部地区热量资源分布

2016—2018年各参试品种播种时间、吐丝期、生理成熟期（黑层出现日期）和籽粒含水率变化如表1。郑单958、先玉335、迪卡517、京农科728和丰垦139播种后达到生理成熟时间分别为116—130 d、111—119 d、109—118 d、100—107 d和93—105 d。

表1 参试玉米品种不同年份生育期（新乡，2016—2017；北京，2018）

“—”表示2017年未种植该品种。下同 “—”means that the cultivar was not planted in 2017. The same as below

不同品种的差异除了表现在熟期不同，还表现在收获时的籽粒含水率两方面。生理成熟较早的品种进入籽粒脱水阶段也较早，各参试品种生理成熟后籽粒含水率下降至25%的时间为郑单958（11—15 d）、先玉335（9—11 d）、迪卡517（4—5 d）、京农科728（4—8 d）、丰垦139（10—11 d）（表1）。前人研究表明，籽粒含水率25%以下为玉米机械粒收的适宜时期，其中籽粒含水率在20%左右时，破碎率最低、收获质量最佳[18-19]。各参试品种籽粒含水率从25%进一步下降到20%时间为郑单958（7—12 d）、先玉335（3—6 d）、迪卡517（5—9 d）、京农科728（8—11 d）、丰垦139（4—7 d）。尽管在这一阶段先玉335脱水速率最快，但是由于黄淮海北部地区玉米季热量资源限制，在冬小麦播种前收获时籽粒含水率无法达到这个阶段。

如表2所示，各参试品种播种后达到生理成熟（黑层出现）的平均积温需求为郑单958 3 190.7 ℃·d，积温变幅3 130.7—3 235.9 ℃·d；先玉335 3 058.7 ℃·d，积温变幅3 015.8—3 090.8 ℃·d；迪卡517 2 971.3℃·d，积温变幅2 922.2—3 055.8 ℃·d；京农科728 2 846.6℃·d，积温变幅2 766.7—2 916.3 ℃·d；丰垦139 2 765.6℃·d，积温变幅2 585.3—2 809.9 ℃·d。熟期越晚的品种热量需求越大。

表2 参试玉米品种籽粒降水积温需求

玉米籽粒脱水在生理成熟前主要受籽粒发育控制，而生理成熟后主要受环境影响，生理成熟后籽粒脱水与积温关系密切[36-37]。生理成熟后各参试品种籽粒含水率降至25%的平均积温需求为：郑单958 237.9 ℃·d，积温变幅223.6—274.2 ℃·d；先玉335 139.4 ℃·d，积温变幅66.7—235.5 ℃·d；迪卡517 86.9 ℃·d，积温变幅55.1—123 ℃·d；京农科728 102.9 ℃·d，积温变幅51.7—158.1 ℃·d；丰垦139 168.9 ℃·d，积温变幅180.3—257.6 ℃·d。在这一阶段，迪卡517热量需求最低、脱水最快；各参试品种籽粒含水率从25%进一步下降至20%的积温需求为：郑单958 292.5 ℃·d，积温变幅195.7—440.4 ℃·d；先玉335 194.2 ℃·d，积温变幅133.2—294.4 ℃·d；迪卡517 200.3 ℃·d，积温变幅112.4—295.1 ℃·d；京农科728 234.9 ℃·d，积温变幅190—286.6 ℃·d、丰垦139 171.2 ℃·d，积温变幅93.2—249.1 ℃·d。在这一阶段，各参试品种脱水积温需求更高，其中丰垦139籽粒含水率降至20%的积温需求最低，脱水最快。

从黄淮海北部地区热量资源分布（图1）和各品种达到生理成熟的积温需求（表2）看，除了在位于温带Ⅵ—Ⅶ（3 000—3 200 ℃·d）的山东半岛北部烟台等地，生理成熟积温需求＞3 000 ℃·d的郑单958和先玉335在大部分区域无法达到生理成熟，其中先玉335在积温带Ⅶ（3 100—3 200 ℃·d）籽粒含水率可以下降至25%，从而实现籽粒收获；迪卡517在积温带Ⅴ—Ⅶ（2 900—3 200 ℃·d），如河北省石家庄、山东省济南等地，可以达到生理成熟并在25%籽粒含水率条件下实现籽粒收获；京农科728在积温带Ⅲ—Ⅶ可以达到生理成熟，在积温带Ⅳ—Ⅶ（2 800— 3 200 ℃·d），如天津、石家庄以南及位于区域西端的西安以南地区，籽粒含水率可以达到25%的机械粒收要求，其中在位于积温带Ⅵ—Ⅶ的山东半岛北部籽粒含水率可以进一步下降至25%以下；丰垦139只有在位于积温带Ⅰ（1 900—2 600 ℃·d）的区域西端和北端无法达到生理成熟，在积温带Ⅲ—Ⅶ的天津、石家庄等地均可以实现机械粒收，并在积温带Ⅵ—Ⅶ的山东半岛北部籽粒含水率可以下降至20%，实现最佳收获。按照区域热量资源分布，随着品种熟期的提前，各品种在黄淮海北部地区达到生理成熟并且可以粒收的区域逐渐向北扩展，但是区域内北端和西端的积温带Ⅰ—Ⅲ（1 900—2 800 ℃·d）的热量资源仍无法满足熟期较早的京农科728和丰垦139籽粒含水率下降至25%甚至是达到生理成熟的积温需求。

2.2 夏播玉米籽粒直收适宜收获期

根据试验测得的各品种生育期、籽粒脱水积温需求（表1—表2），以黄淮海北部各地夏玉米播期（图2）为起点，可以推算出各品种在黄淮海北部地区生理成熟后籽粒含水率下降至25%、可以进行机械粒收的适宜时间。

如图4所示，除郑单958以外，其他供试品种最早可在10月17日，最晚在11月16日至21日期间籽粒含水率可以降至25%，实现籽粒收获，收获时间由东南（山东半岛东南部）逐渐向西北推后。以熟期最早的丰垦139为例，在石家庄及周边地区，籽粒含水率在10月17日之前就可下降至25%，但是该地区冬小麦适宜播期在10月7日至12日（图3），比夏玉米机械粒收的适宜时期早5—10 d。如果在适宜收获期进行机械粒收，黄淮海北部地区夏玉米播期需要提前，又会与上一季冬小麦的成熟和收获时间产生冲突。如果在夏玉米收获后不接种冬小麦，玉米收获时间不受冬小麦播期限制，按照当前实际调查的黄淮海北部夏玉米播期，先玉335、迪卡517、京农科728和丰垦139籽粒含水率均可降至25%，在适宜收获期进行机械粒收（图4）；当年夏玉米收获后，来年可种植一季春玉米，春玉米收获后当年种植第三季冬小麦，将目前的冬小麦-夏玉米一年两熟制改为夏玉米-春玉米-冬小麦两年三熟制。

2.3 机械粒收春玉米最晚播期

通常在当地日平均气温稳定通过10 ℃的日期玉米就可以进行春播[21]，但是考虑到第三季冬小麦的种植，需要确定春玉米的最晚播期。根据试验测得的各品种生育期和籽粒脱水积温需求（表1和表2），从冬小麦适宜播期（图3）向前推算各品种在冬小麦播种前籽粒含水率可以下降至25%的适宜播期作为春玉米的最晚播期。

如图5所示，在黄淮海北部地区，由南向北逐渐推后，各参试品种最晚在5月20日至6月10日前春播，在不影响第三季冬小麦播种的前提下，籽粒含水率可以下降至25%以下进行机械籽粒收获。如此，在夏玉米-春玉米-冬小麦两年三熟轮作制度下，黄淮海北部地区热量资源均能满足各品种在春播和夏播条件下籽粒含水率下降至25%以下的积温需求，实现机械粒收，并且不影响第三季冬小麦的适期播种。综合考虑产量和现有资源状况，尽管两年三熟模式由于减少一季作物种植，总产量有一定程度降低，但是能更好地利用有效积温，热量资源利用效率高于一年两熟，在延长收获时间、充分发挥玉米高光效优势的同时也能够兼顾冬小麦产量，同时降低水分消耗，获得较好的经济效益。

3 讨论

3.1 黄淮海北部地区夏玉米生长季节热量资源不足、机械粒收难度大

黄淮海北部热量资源呈明显的纬度地带性分布，随着纬度的增加热量资源降低。热量资源对于作物生长发育以及生理成熟后的籽粒脱水非常重要[38-39]。尽管栽培熟期较长的品种是提高热量资源利用率和获得玉米高产的一个重要途径[40]，但是在冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制度下，黄淮海北部夏玉米生长季节短，夏玉米生长季内积温≤3 000 ℃·d，传统种植的玉米品种，如生理成熟积温需求＞3 000 ℃·d的郑单958和先玉335，生育期较长，而热量资源相对不足，无法达到生理成熟，无法实现机械粒收；虽然在区域内热量条件较好（≥2 800 ℃·d）的南部和东部地区熟期较早品种，如生理成熟积温需求＜3 000 ℃·d的迪卡517、生理成熟积温需求＜2 900 ℃·d的京农科728和丰垦139，可以达到生理成熟，但由于受冬小麦播种期的限制，收获时含水率偏高，破碎率、杂质率和田间损失率较高，难以达到机械粒收的要求[8-15]。在冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制度下，夏玉米生长季热量资源不足成为限制黄淮海北部地区机械粒收技术推广和玉米生产提质增效的主要原因。

图4 黄淮海北部地区在当前夏玉米播期下各参试品种机械粒收适宜时期（25%籽粒含水率）

3.2 通过改革种植制度实现黄淮海北部区域玉米机械粒收

积温是评价热量资源的常用指标，可以用来评价某一地区的热量条件是否满足某作物生长发育的要求[41]。在生产中需要考虑当地热量资源与品种积温需求的匹配关系，从生产管理的角度合理安排品种熟期及其播种时期。在夏玉米-春玉米-冬小麦两年三熟制下，黄淮海北部地区热量资源不仅可以满足春玉米、夏玉米生理成熟后籽粒含水率下降至25%实现机械粒收，也有利于缓和当地小麦过度耗水导致的水资源供需矛盾[41-42]；如果选择熟期较早的品种，在冬小麦播种前还可以延迟收获，通过田间站杆脱水利用盈余热量资源使籽粒含水率降至20%，提高粒收质量，减少收获后烘干成本，降低环境污染排放，增加经济效益[43-44]。考虑到少种一季冬小麦带来的产量和经济损失，在改为两年三熟制后，一方面应尽快培育早熟、脱水快、耐密、抗倒的玉米新品种，在提质增效、节本减排的同时可以通过合理密植的技术措施实现玉米增产增收；另一方面，随着生产条件和生产水平的不断改善，建议研发低破碎、低损耗收获机械，合理配置机械作业能力与农业生产需求，实现农艺与农机相互协调。

4 结论

通过近年来黄淮海北部种植面积较大、不同熟期玉米品种生育进程和籽粒脱水积温需求与当地热量资源匹配的分析表明，黄淮海北部地区大部分区域夏玉米生长季内热量资源不足，传统种植的中晚熟品种无法达到生理成熟。虽然熟期较早品种在区域东部和南部热量条件较好的地区（积温带Ⅴ—Ⅶ）可以达到生理成熟，但是籽粒含水率无法仍然下降至25%。通过种植制度改革可以有效解决黄淮海北部地区玉米生长季节热量不足、收获时期含水率过高导致的玉米成熟度差、容重低、易霉变和机械粒收难度大的问题，实现提质增效。

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Reforming the Cropping System to Achieve Maize Mechanical Grain Harvesting in Northern Huang-Huai-Hai Area of China

HOU LiangYu1, ZHANG ZhenTao2, HUANG ZhaoFu1, LI LuLu1, GUO YaNan1, MING Bo1, XIE RuiZhi1, HOU Peng1, XUE Jun1, WANG KeRu, LI ShaoKun

1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2College of Environment and Resources, China Agricultural University, Beijing 100193

【Objective】Mechanical grain harvesting is the development direction of maize harvesting technique, however, under a crop rotation system of winter wheat and summer maize, which is hardly to be achieved in China, resulting from insufficient heat resource in limited growing season for maize. So far, the northern Huang-Huai-Hai area is the area where the mechanical grain harvesting for maize is most difficult to be applied and spread all over the world. Thus, a study on the feasibility of corn’s mechanical grain harvesting is considerably significant to the whole-process mechanization, quality, proceeds and industrial competitiveness of corn production in Huang-Huai-Hai area.【Method】 In northern Huang-Huai-Hai area, the dynamic observation for the accumulated temperature requirements for grain dehydration of 5 maize cultivars with different physiological maturity, including Zhengdan958, Xianyu335, Dika517, Jingnongke728 and Fengken139, were designed in Xiangxiang, Henan province from 2016 to 2017 and then in Beijing, in 2018 respectively. Then, based on the meteorological data from 2007 to 2018, after reserving 500 ℃·d for winter wheat growth, the northern Huang-Huai-Hai area was divided into 7 accumulated temperature zones according to a temperature gradient of 100 ℃, so as to spatially illustrate the heat resource distribution during maize growth season in this area. Hence, the different cultivars’ accumulated temperature requirements for grain dehydration were mapped under the heat resource distribution in this area. 【Result】 Under the conventional sowing condition of summer maize, each cultivar’s coverage that mechanical grain harvesting could be achieved after physiological maturity, with the advance of maturity, which were gradually extended northwardly, commonly 5-10 d later than the current sowing time for winter wheat in northern Huang-Huai-Hai area. However, the heat resource of accumulated temperature zonesⅠ-Ⅲ(1 900-2 800 ℃·d) were still hardly able to meet the requirements of Jingnongke728 and Fengken139 for a relative earlier physiological maturity than other 3 tested cultivars, not to metion reaching a grain moisture content of 25%. When the double cropping per year (winter wheat-summer maize) was reformed into the triple cropping per 2 years (summer maize-spring maize-winter wheat), the grain moisture content of all the tested cultivars, no matter planted in spring or summer, could reach 25% even less, achieving mechanical grain harvesting. Besides, for early-matured cultivars, by drying in filed and delaying harvesting, their moisture content might reach below 20% before winter wheat’s sowing, thus not only elevating harvesting quality, but also cutting drying costs.【Conclusion】In Northern Huang-Huai-Hai area, the problem, hindering maize production that insufficient heat resource in limited growing season issues in the difficult achievement of mechanical grain harvesting, could be effectively solved by reforming the current cropping system. Meanwhile, it also might provide a new horizon with theoretical foundation for the application of maize mechanical grain harvesting, further improving the quality and efficiency of maize production in Northern Huang-Huai-Hai area.

Northern Huang-Huai-Hai area of China; heat resource; maize; grain moisture content; cropping system; mechanical grain harvesting

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.19.007

2021-11-28；

2022-01-24

国家重点研发计划（2016YFD0300605）、国家自然科学基金（31371575，31360302）、国家玉米产业技术体系建设专项（CARS-02-25）、中国农业科学院农业科技创新工程

侯梁宇，E-mail：105948179@qq.com。张镇涛，E-mail：zhangzhentao@cau.edu.cn。侯梁宇和张镇涛为同等贡献作者。通信作者王克如，E-mail：wkeru01@163.com。通信作者李少昆，E-mail：lishaokun@caas.cn

（责任编辑 杨鑫浩，李莉）