玉米籽粒直收中籽粒及穗軸破損形態(tài)研究

虞順成，李耀明，馬 征，王建廷，胡必友，徐立章，唐 忠

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇沃得農(nóng)業(yè)機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212311)

0 引言

玉米機械化收獲主要有玉米穗收和籽粒直收：玉米穗收是指機械化摘穗和剝皮，經(jīng)晾曬后再用玉米脫粒機脫粒；籽粒直收是指采用機械化一次性完成摘穗、脫粒、分離及清選等工序，該技術(shù)于 20 世紀 50 年代在北美率先開始應(yīng)用[1-3]，可以提高作業(yè)效率、縮短農(nóng)時、降低勞動力成本，是我國玉米收獲技術(shù)的發(fā)展趨勢。

目前，我國大部分地區(qū)處在玉米穗收向籽粒直收的轉(zhuǎn)變過程中。王克如團隊[4]研究表明：我國玉米收獲時籽粒含水率平均值達到 26.65 %，玉米籽粒直收破碎率平均值達到8.56%，高于國標 [“玉米收獲機械 技術(shù)條件”(GB/T 21961-2008)]≤ 5%的要求。破損籽粒不僅降低玉米品質(zhì)和銷售價格，且增大烘干成本及增加貯藏難度。顯然，籽粒破損碎率高已經(jīng)成為我國玉米籽粒直收技術(shù)推廣的重要制約因素[5-6]。

國外學(xué)者 Chowdhury將玉米脫粒機中產(chǎn)生的機械損傷分為嚴重損傷型(籽粒 1/3 缺失)、頂部損傷型、種皮損傷型、胚損傷型、細小顆粒和粉未進行研究[7]。國內(nèi)馬俊以釘齒式滾筒脫粒機為試驗臺進行研究，發(fā)現(xiàn)不同影響因素下玉米穗軸的軸斷比均服從正態(tài)分布，且含水率對玉米穗軸的軸斷比影響顯著[8]。目前，關(guān)于我國玉米籽粒直收中玉米籽粒及穗軸破損形態(tài)的研究較少，大多為針對小型玉米脫粒機或種子玉米脫粒機理的試驗研究[9-12]，針對玉米籽粒直收的研究多為根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計加工成玉米脫粒試驗臺架[13-14]進行室內(nèi)試驗，其設(shè)計大多缺少自主的理論分析依據(jù)，沒有充分考慮田間籽粒直收中玉米破損情況。為此，對玉米籽粒直收中籽粒及穗軸的破損形態(tài)進行了統(tǒng)計分析，旨在為研制適合我國玉米籽粒直收的聯(lián)合收獲機械提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗地點為江蘇省鎮(zhèn)江市世業(yè)洲，玉米品種為鄭單958，生育期平均96天，單穗平均質(zhì)量264g，玉米籽粒含水率27.75%，百粒質(zhì)量平均40g，玉米穗軸含水率68.65%。

試驗設(shè)備為玉米籽粒聯(lián)合收獲機，發(fā)動機功率為117kW，如圖1所示。整機通過掛接行數(shù)為6行、寬度為3 990mm 的玉米摘穗式割臺進行收獲。脫粒裝置為切縱軸流結(jié)構(gòu)，切流滾筒為安裝有長紋桿的閉式滾筒，縱軸流滾筒為安裝有短紋桿的閉式滾筒，脫粒凹板為柵格圓鋼式凹板。

1.2 試驗及統(tǒng)計方法

采用國家標準中規(guī)定的檢測方法(即烘干減重法)測量玉米籽粒及穗軸含水率。

收獲前在同一試驗地測定收獲面積，進行玉米籽粒直收試驗；每次收獲結(jié)束后，取糧箱籽粒樣本及脫出物中玉米穗軸分袋標記。

觀察測量破損玉米穗軸長度發(fā)現(xiàn)：玉米穗軸破損形態(tài)多樣，長度難以測定。為方便統(tǒng)計，按玉米穗軸長度每2cm劃分1個區(qū)間，由于較長穗軸較少，長度大于10cm記為1個區(qū)間[10,a]，共6個區(qū)間([0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]、[10,a])，分別進行統(tǒng)計，計算各區(qū)間穗軸的占比比例。

采用斷面比表述穗軸破損情況，即玉米穗軸斷面的投影面積與完整穗軸橫截面面積的比值。斷面比K用公式表示為

K=s/S

式中s—玉米穗軸斷面的投影面積(mm2)；

S—完整穗軸橫截面面積(mm2)。

根據(jù)玉米穗軸斷面比情況，可將穗軸斷面情況分為3種：斷面比為1/4的穗軸記為1/4斷面，斷面比為1/2的穗軸記為1/2斷面，斷面比為1的記為完整斷面。對以上3種穗軸分別進行統(tǒng)計，計算穗軸的占比比例。

采用四分法[15]對試驗樣品進行取樣。依據(jù)籽粒破損形態(tài)，分為以下幾類并分別稱重：

1)破碎籽?！耆扑槌刹灰?guī)則形狀的籽粒；

2)缺損籽?！睋p少于1/3的籽粒；

3)裂紋籽?！嬖诳梢暳鸭y的籽粒；

4)種皮破損籽粒—表面存在擦傷或擠傷的籽粒。

各破損形態(tài)籽粒占比計算公式為

P=Zp/Z×100%

P1=Z1/Z×100%

P2=Z2/Z×100%

P3=Z3/Z×100%

式中Z—籽粒樣品總質(zhì)量(g)；

Zp—樣品中破損籽?？傎|(zhì)量(g)；

Z1—破碎籽粒質(zhì)量(g)；

Z2—缺損籽粒質(zhì)量(g)；

Z3—裂紋籽粒質(zhì)量(g)；

P—籽?？偲茡p率(%)；

P1—籽粒破碎率(%)；

P2—籽粒缺損率(%)；

P3—籽粒裂紋率(%)。

圖1 玉米籽粒聯(lián)合收獲機

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米籽粒破損形態(tài)

觀察統(tǒng)計收獲籽粒樣本發(fā)現(xiàn)：在各破損形態(tài)中，種皮破損籽粒較少，玉米籽粒存在輕微擦傷或擠傷。其成因主要是收獲玉米籽粒含水率達27.75 %，當(dāng)含水率較高時，玉米籽粒種皮相對較軟，籽粒具有一定柔韌性和塑性，玉米與機械結(jié)構(gòu)、玉米與玉米之間相互擠壓、撞擊和揉搓致使籽粒產(chǎn)生輕微變形或種皮擦傷。

種皮破損籽粒不易識別且占比較少，因此在研究中主要對破碎籽粒(玉米籽粒完全破碎成不規(guī)則形狀)、缺損籽粒(缺損少于籽粒的1/3)及裂紋籽粒(外部肉眼可視裂紋)進行了統(tǒng)計分析。各破損形態(tài)及統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同破損形態(tài)占比

由圖2可知：各破損形態(tài)中破碎籽粒與裂紋籽粒占比差別不大，缺損籽粒占比最小且變化不大。

損傷籽粒中破碎籽粒損傷最嚴重；其次是缺損籽粒，缺損籽粒中絕大多數(shù)是冠部缺損，有少數(shù)胚部缺損；裂紋籽粒損傷較為復(fù)雜，裂紋形態(tài)多樣，同一籽?？赡芡瑫r存在多條長短不一的裂紋，1條裂紋可能同時存在于多個部位。

取裂紋籽粒100粒，分別從冠部、背面、腹面(籽粒有胚的一面)和側(cè)面觀察可視裂紋狀況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 玉米籽粒示意圖

統(tǒng)計玉米籽粒冠部、背面、腹面和側(cè)面存在裂紋的數(shù)量，分別統(tǒng)計計算各部位存在裂紋的比例，如表1所示。

表1 可視裂紋存在部位

由表1可知：玉米籽粒各部位中冠部存在裂紋的比例最高，背面存在裂紋的比例最低，有胚的腹面存在裂紋的比例高于沒有胚的背面。

取裂紋籽粒100粒，觀察統(tǒng)計裂紋橫向、縱向和不規(guī)則裂紋(同時存在橫向、縱向裂紋或任意方向裂紋)的數(shù)量，分別統(tǒng)計計算產(chǎn)生裂紋的方向所占比例，如表2所示。

表2 可視裂紋方向

由表2可知：產(chǎn)生縱向裂紋的比例大于產(chǎn)生橫向裂紋的比例，不規(guī)則裂紋占有一定比例。

玉米籽粒直收中籽粒含水率達27.75%，相關(guān)研究表明[16-17]：含水率的大小對籽粒脫粒性能有很大影響，相對于低含水率籽粒，直收中籽粒果柄較粗，具有一定韌性，機械強度大，增大了玉米籽粒從玉米穗軸上脫下的難度；高含水率籽粒相對飽滿，籽粒之間接觸緊密，側(cè)向與縱向相互擠靠形成支撐，也增大了脫粒難度。玉米籽粒參差不齊，在玉米籽粒直收過程中，玉米果穗上暴露在最外側(cè)的玉米籽粒冠部首先接受沖擊，當(dāng)沖擊達到一定程度時冠部首先產(chǎn)生裂紋，隨著沖擊作用的增強，裂紋趨于嚴重直至破碎。因此，玉米缺損籽粒中絕大多數(shù)是冠部缺損，裂紋籽粒中冠部存在裂紋的比例最高。

研究發(fā)現(xiàn)：裂紋籽粒中腹面存在裂紋的比例高于背面，背面和腹面存在裂紋的籽粒其冠部多數(shù)也存在裂紋，同時半透明的籽粒種皮因具有較好的強度與韌性而不易破裂，對籽粒具有一定保護作用；玉米籽粒冠部、側(cè)面以及背面表層的胚乳為角質(zhì)，中間近胚部分為粉質(zhì)，粉質(zhì)胚乳非常脆弱，相對飽滿的種胚在外力作用下易發(fā)生破裂。冠部產(chǎn)生的裂紋向種胚延伸與擴展，在背面和腹面形成縱向裂紋。

2.2 玉米穗軸破損形態(tài)

SEGHEL等發(fā)現(xiàn)：硬度較大的玉米穗軸在脫粒時對籽粒損傷有顯著影響，斷成幾段的穗軸對籽粒的撞擊增大了籽粒破碎率[18]。玉米穗軸是指玉米果穗脫去籽粒后所剩的果穗軸，也稱為玉米芯，其結(jié)構(gòu)主要由芯髓、木質(zhì)環(huán)形層和穎片3部分組成，每層的組織結(jié)構(gòu)不同，表現(xiàn)出不同的物理力學(xué)特性。其外層穎片結(jié)構(gòu)松軟，易變形；中間木質(zhì)環(huán)形層堅硬、不易變形；內(nèi)層芯髓狀似海綿，易裂[9]。

對收獲前后玉米穗軸進行統(tǒng)計分析，收獲前玉米穗軸長度平均為180 mm，穗軸直徑平均29 mm,籽粒直收后玉米穗軸斷面形態(tài)如圖4所示。

圖4 玉米穗軸斷面形態(tài)

統(tǒng)計結(jié)果如圖5、圖6所示。玉米穗軸長度以2～6cm為主，斷面比以1/4和1/2斷面為主。結(jié)果表明：籽粒直收試驗與脫粒機試驗中玉米穗軸形態(tài)存在明顯差異，玉米穗軸破損形態(tài)復(fù)雜多樣，玉米穗軸全部被打斷或打碎，穗軸斷面中存在的完整斷面絕大多數(shù)是玉米穗軸的小端。

圖5 玉米穗軸長度分布圖

圖6 玉米果穗斷面分布圖

用玉米穗軸完整度Dw來評價破碎的單個玉米穗軸，則Dw可定義為

Dw=l/L×K

式中l(wèi)—破碎的玉米穗軸長度(cm)；

L—整個玉米穗軸長度(cm)；

K—玉米穗軸斷面比。

研究發(fā)現(xiàn)：玉米穗軸小端完整度最大，說明玉米穗軸力學(xué)性質(zhì)受組織結(jié)構(gòu)影響較大。余吉洋等對玉米穗軸的基本特性進行了研究，結(jié)果表明：玉米穗軸不同部位及含水率對玉米穗軸的力學(xué)特性有顯著影響[19]。玉米籽粒直收時玉米穗軸含水率達68.65%，穗軸破碎嚴重，完整度較低，殘留在玉米穗軸上的籽粒不易脫落，造成籽粒二次脫粒損傷，影響籽粒破損率。

3 結(jié)論

1) 玉米籽粒直收中籽粒破損形態(tài)可分為破碎籽粒、缺損籽粒、裂紋籽粒。

2) 裂紋籽粒各部位中，冠部存在裂紋的比例最高，背面存在裂紋的比例最低，有胚的腹面存在裂紋的比例高于沒有胚的背面，產(chǎn)生縱向裂紋大于產(chǎn)生橫向裂紋的比例；缺損籽粒中，絕大多數(shù)是冠部缺損，有少數(shù)胚部缺損，表明玉米籽粒直收中籽粒冠部最易損傷，籽粒易產(chǎn)生縱向損傷。

3) 玉米籽粒直收中玉米穗軸破損形態(tài)復(fù)雜，玉米穗軸長度以2～6cm為主，斷面比以1/4和1/2為主，穗軸小端完整度最大。