四川省夏玉米機(jī)械化籽粒收獲質(zhì)量及其影響因素

趙 波 詹小旭 李小龍 吳雅薇 柯永培 袁繼超 孔凡磊*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 溫江 611130；2.四川農(nóng)大正紅生物技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 雙流 610213)

2010年我國(guó)玉米種植面積突破3 330萬hm2，已成為全國(guó)種植面積第一的農(nóng)作物[1]。其中四川省種植面積在西南玉米生產(chǎn)區(qū)第一，全國(guó)第九。受種植模式和生產(chǎn)生態(tài)條件限制，當(dāng)前四川省玉米生產(chǎn)仍然以人工穗收、晾曬脫粒為主要的收獲方式，存在勞動(dòng)力成本高、效益效率低和晾曬困難的問題，導(dǎo)致種糧大戶普遍存在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)虧損的問題。同時(shí)，傳統(tǒng)的套作(三熟春播)玉米生產(chǎn)由于難以解決機(jī)械化問題，適合機(jī)械化作業(yè)的單作兩熟夏玉米得到了快速發(fā)展，推廣應(yīng)用面積逐年增加。采用機(jī)械粒收可顯著提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，是四川省玉米機(jī)械化生產(chǎn)的迫切需求，開展四川省夏玉米機(jī)械粒收研究迫在眉睫。玉米機(jī)械粒收破碎率、雜質(zhì)率和損失率為評(píng)價(jià)機(jī)械粒收質(zhì)量的主要指標(biāo)[2-3]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明，破碎率、雜質(zhì)率、損失率與機(jī)械粒收籽粒含水率、品種、收獲機(jī)型、田間倒伏(倒折)率等關(guān)系密切[4-11]。受農(nóng)民種植習(xí)慣的影響，四川省的玉米品種主要以高桿大穗晚熟品種為主，而玉米機(jī)械粒收要求株型適宜、早熟脫水快的品種[2,12]。

玉米機(jī)械粒收的相關(guān)研究集中于北方地區(qū)，西南玉米生產(chǎn)區(qū)鮮見相關(guān)報(bào)道。本研究選用四川省大面積主推的20余個(gè)玉米品種，于2017—2018年開展分期玉米機(jī)械粒收試驗(yàn)，分析機(jī)械粒收質(zhì)量指標(biāo)與植株性狀、果穗性狀、器官含水率、籽粒及穗軸力學(xué)強(qiáng)度間的關(guān)系，旨在明確四川省夏玉米機(jī)械粒收質(zhì)量現(xiàn)狀及粒收質(zhì)量的主要影響因素，以期為該區(qū)夏玉米機(jī)械粒收技術(shù)的研究、推廣以及宜機(jī)械粒收品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017—2018年在四川省中江縣輯慶鎮(zhèn)試驗(yàn)基地(31°03′ N，104°68′ E)開展試驗(yàn)研究。參試品種采用60 cm等行距種植，每品種種植3行，行長(zhǎng)25 m，3次重復(fù)，隨機(jī)排列，密度為45 000株/hm2。在玉米成熟期進(jìn)行機(jī)械粒收，2017年于8月27日和9月15日，2018年于9月8日和9月16日收獲，收獲機(jī)型為久保田4LZY-1.8B，配套家家樂4YG-4A玉米收割臺(tái)(3行收割，60 cm+60 cm+60 cm)，參照“玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法”(GBT-21961—2008)[13]標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查各參試品種機(jī)械粒收質(zhì)量。田間管理同當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)，參試品種、播種日期和收獲日期，見表1。

表1 試驗(yàn)基本情況

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1植株、果穗性狀

于吐絲期每個(gè)參試品種選擇 30株代表性植株(分為3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)10株)，分別量取株高、穗位高和莖粗。于生理成熟期每個(gè)參試品種選擇30個(gè)代表性果穗(分為3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)10個(gè))，用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量果穗中部直徑，然后人工脫粒，再測(cè)量穗軸中部直徑。

1.2.2籽粒、穗軸和莖稈含水率

每次收獲前，在規(guī)定的收獲區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取樣長(zhǎng)勢(shì)一致的15株植株，分為3個(gè)重復(fù)，再人為進(jìn)行植株分離，分為莖稈和果穗，并將果穗脫粒，分為籽粒和穗軸，再稱取籽粒、穗軸和莖稈的鮮重，85 ℃烘干至恒重，稱干重，計(jì)算含水率。

1.2.3籽粒、穗軸力學(xué)強(qiáng)度

從測(cè)定籽粒含水率的樣品(經(jīng)充分混勻)中隨機(jī)選取完整籽粒90粒，用石家莊艾沃士科技有限公司生產(chǎn)的玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀(型號(hào)：AWOS-SL0，500 N量程)，采用截面為1 cm2的圓形探測(cè)頭測(cè)定并記錄玉米籽粒立面和側(cè)面被測(cè)頭恰好壓碎時(shí)的最大值。每一品種籽粒各面分別測(cè)定45粒，每15粒為1個(gè)重復(fù)，共3次重復(fù)。

測(cè)定并記錄穗軸被折斷時(shí)的最大值，測(cè)定5個(gè)穗軸，3次重復(fù)；同時(shí)采用截面為1 cm2的圓形探測(cè)頭測(cè)定并記錄穗軸被測(cè)頭壓碎時(shí)的最大值，測(cè)定5個(gè)穗軸，3次重復(fù)。

1.2.4機(jī)械粒收質(zhì)量

每次分品種收獲后，將收獲機(jī)機(jī)倉(cāng)內(nèi)全部籽粒抽空并裝袋。將裝袋籽粒充分混勻后隨機(jī)取2 kg(Wh)，取3次(分為3個(gè)重復(fù))；參照“玉米收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法”(GBT-21961—2008)[13]，人工去除非籽粒部分，并稱取非籽粒部分質(zhì)量(Wz)，再揀出機(jī)器損傷、有明顯裂紋及破皮的籽粒，分別稱出破碎籽粒質(zhì)量(Ws)及樣品籽?？傎|(zhì)量(Wi)，按以下公式計(jì)算籽粒破碎率(Zs)、雜質(zhì)率(Zz)。將非籽粒部分(雜質(zhì))按穗軸、莖稈、殘?jiān)?、其他進(jìn)行組分分類。

Zs=Ws/Wi×100%Zz=Wz/Wh×100%

在每品種完成機(jī)械粒收后隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)試區(qū)域，每個(gè)區(qū)域取2 m長(zhǎng)一個(gè)割幅寬(3行玉米)，收集區(qū)域內(nèi)的所有的落粒，然后稱取籽粒重量，按照區(qū)域面積計(jì)算單位面積的落粒率。

落粒率=單位面積田間落粒重/單位面積實(shí)收產(chǎn)量×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2013 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017和2018年四川省夏玉米機(jī)械粒收質(zhì)量

表2所示，2017年夏玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率為4.91%和4.27%，符合國(guó)家“玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件”(GBT-21962—2008)[3]破碎率標(biāo)準(zhǔn)(≤5.00%)；雜質(zhì)率為4.40%和1.90%；落粒率為1.30%和0.39%；籽粒含水率為27.06%和14.29%。2018年破碎率為8.00%和6.00%，未達(dá)到≤5.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；雜質(zhì)率為2.32%和1.62%，符合國(guó)家“玉米收獲機(jī)械 技術(shù)條件”(GBT-21962—2008)[3]雜質(zhì)率標(biāo)準(zhǔn)(≤3.00%)；落粒率為1.38%和1.00%；籽粒含水率為24.98%和22.92%。籽粒含水率的變異系數(shù)在4次收獲中均明顯低于其他3項(xiàng)調(diào)查指標(biāo)，且隨著籽粒含水率的下降，破碎率的變異系數(shù)有降低的趨勢(shì)。

表3可知，2017年2次機(jī)械粒收符合破碎率標(biāo)準(zhǔn)(≤5.00%)的樣本占比為60.00%和70.00%，雜質(zhì)率符合標(biāo)準(zhǔn)(≤3.00%)的樣本占比為40.00%和80.00%，籽粒含水率符合≤28.00%的樣本占比為60.00%和100.00%；2018年2次機(jī)械粒收符合破碎率標(biāo)準(zhǔn)(≤5.00%)的樣本占比為24.44%和42.22%，雜質(zhì)率符合標(biāo)準(zhǔn)(≤3.00%)的樣本占比為73.33%和88.89%，籽粒含水率符合≤28.00%的樣本占比為75.56%和95.56%。可見，品種間機(jī)械粒收質(zhì)量存在差異，隨著收獲時(shí)期的延遲，籽粒含水率下降，各機(jī)械粒收指標(biāo)均降低，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的占比增加。

2.2 關(guān)于玉米機(jī)械粒收質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性

表4可知，破碎率與籽粒含水率呈極顯著正相關(guān)，與籽粒立面、側(cè)面壓碎強(qiáng)度分別呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)，與其余指標(biāo)間相關(guān)性不顯著；雜質(zhì)率與籽粒含水率、穗軸含水率、株高、穗位高、穗軸壓折強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，與籽粒立面壓碎強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與其余指標(biāo)間相關(guān)性不顯著；落粒率與籽粒含水率呈極顯著正相關(guān)，與莖稈含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，與其余指標(biāo)間相關(guān)性不顯著。

2.3 影響籽粒破碎率的因素分析

圖1可知，隨著籽粒含水率的下降機(jī)械粒收破碎率逐漸降低，兩者間符合線性關(guān)系，當(dāng)籽粒含水率≤20%，不同品種間破碎率差異逐漸縮小，在籽粒含水率低于一定值時(shí)，破碎率有升高的趨勢(shì)；隨著籽粒立面壓碎強(qiáng)度的升高機(jī)械粒收破碎率逐漸降低，兩者間符合線性關(guān)系，當(dāng)籽粒立面壓碎強(qiáng)度≥177 N 時(shí)進(jìn)行機(jī)械粒收，四川省夏玉米破碎率符合≤5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表2 夏玉米機(jī)械粒收質(zhì)量

表3 不同收獲期粒收質(zhì)量差異

表4 關(guān)于機(jī)械粒收質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著。

Note： *represents significant at the 0.05 probability level.**represents significant at the 0.01 probability level.

圖中箭頭表示破碎率在不同籽粒含水率區(qū)段的變化趨勢(shì)；圖中虛線表示籽粒含水率20%和29%。

2.4 影響雜質(zhì)率的因素分析

四川省夏玉米機(jī)械粒收雜質(zhì)主要由穗軸、殘?jiān)?、莖稈和其他組成(圖2)，其中以穗軸所占比例最高為55.49%，其次為其他，比例為21.56%，殘?jiān)急葹?7.29%，莖稈占比為5.66%。可見，機(jī)械粒收雜質(zhì)的主要成分為穗軸。

殘?jiān)? 玉米植株在機(jī)械粒收過程中產(chǎn)生的渣子和灰塵；其他,田間雜草和泥土。

圖3可知，隨著籽粒、穗軸含水率的下降雜質(zhì)率先降低然后逐漸增加，雜質(zhì)率與籽粒含水率、穗軸含水率間符合二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)籽粒含水率≤28.00%、穗軸含水率≤70.00%時(shí)進(jìn)行機(jī)械粒收，雜質(zhì)率符合≤3%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]。雜質(zhì)率與株高、穗位高間符合線性關(guān)系。對(duì)2018年參試品種2次收獲的穗軸力學(xué)強(qiáng)度(平均值)與雜質(zhì)率進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示，雜質(zhì)率與穗軸壓折強(qiáng)度符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，雜質(zhì)率與穗軸壓碎強(qiáng)度間關(guān)系不顯著，但是兩者呈正相關(guān)。

2.5 影響落粒率的因素分析

隨著籽粒含水率的下降機(jī)械粒收落粒率逐漸降低(圖4)，落粒率與籽粒含水率間符合線性關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

玉米籽粒破碎率、雜質(zhì)率和損失率為機(jī)械粒收質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。李少昆等[2]和柴宗文等[6]通過6年試驗(yàn) 1 698 和2 450組樣本分析表明，北方玉米生產(chǎn)區(qū)籽粒破碎率平均達(dá)到8.63%和8.56%，均未達(dá)到≤5.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，雜質(zhì)率平均為1.27%，符合≤3.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，總損失率平均為4.12%，符合≤5.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可見我國(guó)北方機(jī)械粒收存在的主要問題為破碎率偏高，破碎率高也成為我國(guó)玉米機(jī)械粒收發(fā)展的限制性因素[5,14-15]。李璐璐等[16]研究表明，隨著收獲時(shí)期的推遲，籽粒含水率逐漸降低，破碎率和落粒率先降低后升高,雜質(zhì)率逐漸降低。本研究表明，2年4次收獲的破碎率均值為5.80%，未達(dá)到≤5.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，雜質(zhì)率均值為2.56%，符合≤3.00%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，落粒率均值為1.02%。2年機(jī)械粒收破碎率、雜質(zhì)率和落粒率均表現(xiàn)出第二次收獲值小于第一次收獲值。由此可以說明，四川省夏玉米機(jī)械粒收存在的主要問題同樣為破碎率偏高，且適當(dāng)延遲收獲可有效降低籽粒破碎率、雜質(zhì)率和落粒率，提高機(jī)械粒收質(zhì)量，同時(shí)也能減少晾曬次數(shù)和降低烘干成本。

圖3 雜質(zhì)率與籽粒含水率和穗軸含水率、株高和穗位高、穗軸壓折強(qiáng)度和穗軸壓碎強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 落粒率與籽粒含水率的關(guān)系

明確影響四川省夏玉米機(jī)械粒收的主要因素對(duì)于該區(qū)夏玉米機(jī)械粒收發(fā)展具有重要意義。前人研究表明，玉米機(jī)械粒收除受外部生態(tài)氣候因素、栽培措施等[8,17-19]的影響，還主要受收獲時(shí)籽粒含水率、品種、收獲機(jī)型和操作人員等因素的影響，而其中籽粒含水率被認(rèn)為是影響機(jī)械粒收質(zhì)量的關(guān)鍵因素[6,20-25]。本研究在控制同一操作機(jī)手、同一收獲機(jī)型的條件下，對(duì)參試品種進(jìn)行機(jī)械粒收試驗(yàn)，調(diào)查各參試品種植株性狀、果穗性狀，每次收獲時(shí)的器官含水率、籽粒及穗軸的力學(xué)強(qiáng)度和機(jī)械粒收質(zhì)量指標(biāo)。相關(guān)性分析表明，破碎率主要受籽粒含水率及籽粒立面壓碎強(qiáng)度的影響，雜質(zhì)率主要受籽粒含水率、穗軸含水率、株高、穗位高和穗軸壓折強(qiáng)度的影響，落粒率主要受籽粒含水率的影響。籽粒含水率是影響四川省夏玉米機(jī)械粒收破碎率的重要因素，同時(shí)籽粒力學(xué)強(qiáng)度和破碎率間關(guān)系密切，這與前人研究發(fā)現(xiàn)籽粒的生物力學(xué)特性與機(jī)械粒收過程中的脫粒性能關(guān)系密切相吻合，破碎率主要受玉米籽粒壓碎特性的影響，與籽粒最小破碎力呈負(fù)相關(guān)[26-27]。在籽粒含水率較高時(shí)玉米籽粒韌性較好，含水率低時(shí)玉米籽粒強(qiáng)度較高[28]。已有研究發(fā)現(xiàn)，在籽粒含水率低于一定值時(shí)，破碎率呈增加的趨勢(shì)，這可能是由于隨著籽粒含水率下降，籽粒強(qiáng)度增加，但相應(yīng)籽粒的韌性降低造成的，所以在籽粒力學(xué)強(qiáng)度適宜時(shí)進(jìn)行機(jī)械粒收能有效降低破碎率[2,4,6,16]。應(yīng)進(jìn)一步開展多品種、多籽粒類型的籽粒物理力學(xué)特性及機(jī)制研究，為該區(qū)玉米機(jī)械粒收技術(shù)的推廣和宜機(jī)品種的選育提供科學(xué)方向。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，在2年4次機(jī)械粒收試驗(yàn)中，機(jī)械粒收質(zhì)量和籽粒含水率在各參試品種間極差和變異系數(shù)較大(表2)，故通過選擇粒收質(zhì)量較優(yōu)以及后期脫水快的品種可有效提升機(jī)械粒收效率。本研究結(jié)果表明穗軸是主要的雜質(zhì)成分，而穗軸的含水率、壓折強(qiáng)度也與雜質(zhì)率關(guān)系密切，擬合的方程分別為y雜質(zhì)率=0.004 7x穗軸含水率2-0.295 0x穗軸含水率+6.179 4(R2=0.384 4**)，y雜質(zhì)率=0.614 0e0.005 9x穗軸壓折強(qiáng)度(R2=0.264 5**)。已有研究認(rèn)為，落粒率與籽粒含水率呈二次函數(shù)關(guān)系，隨籽粒含水率先降低后升高[16]，而本研究表明，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，四川省夏玉米機(jī)械粒收落粒率與籽粒含水率間呈線性關(guān)系，隨著籽粒含水率的下降，落粒率逐漸降低。本研究中所有測(cè)試樣本籽粒含水率在10.14%～37.16%，基本覆蓋四川省夏玉米籽粒收獲含水率范圍。

綜上所述，在2年機(jī)械粒收試驗(yàn)中，四川省夏玉米收獲時(shí)90.00%測(cè)試樣本籽粒含水率≤29.00%，基本滿足機(jī)械粒收籽粒含水率要求。通過2年的研究，在今后四川省夏玉米生產(chǎn)上應(yīng)選用生育后期脫水快、籽粒物理力學(xué)特性適宜、穗軸力學(xué)強(qiáng)度偏小，株高及穗位高適宜的品種，并根據(jù)氣候條件及作物銜接情況適時(shí)晚收，來提高四川省夏玉米機(jī)械粒收質(zhì)量。