趙 波 李小龍 周茂林 宋 碧 雷 恩 李 鐘 吳雅薇 袁繼超 孔凡磊,*

西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀及影響因素分析

趙 波1李小龍1周茂林2宋 碧3雷 恩4李 鐘5吳雅薇1袁繼超1孔凡磊1,*

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, 四川成都 611130;2重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所, 重慶 401329;3貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴州貴陽(yáng) 550025;4紅河學(xué)院, 云南紅河 661106;5南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 四川南充 637000

籽粒破碎率高是西南玉米機(jī)械粒收技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要限制因素。明確當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀, 研究其主要影響因素, 對(duì)推動(dòng)西南玉米機(jī)械粒收的發(fā)展具有重要意義。利用2017—2018年在西南區(qū)開展的多點(diǎn)多品種系列粒收試驗(yàn)獲得的788組籽粒破碎率樣本數(shù)據(jù), 分析了西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀, 并于2018年采用同一機(jī)型、同一操作人員開展多品種、大跨度多收期試驗(yàn), 調(diào)查不同收獲時(shí)期籽粒破碎率、含水率、力學(xué)強(qiáng)度變化, 分析籽粒含水率、力學(xué)強(qiáng)度與破碎率的關(guān)系。結(jié)果表明, 當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率范圍為0.54%~42.72%, 平均值為8.34%。隨機(jī)械粒收時(shí)期推遲, 籽粒含水率下降, 籽粒力學(xué)強(qiáng)度增加, 破碎率先降低后逐漸升高。破碎率()與籽粒含水率()間的關(guān)系符合= 0.03292?1.3328+15.529 (2= 0.5467**)方程, 在籽粒含水率為20.26%時(shí)破碎率最低, 破碎率≤5%的籽粒含水率范圍為10.76%~29.76%; 破碎率()與籽粒立面(立面)和側(cè)面(側(cè)面)壓碎強(qiáng)度的關(guān)系符合= 0.0006立面2?0.2692立面+32.7030 (2= 0.3138**)和= 0.0021側(cè)面2?0.6092側(cè)面+46.979 (2= 0.3790**)方程, 當(dāng)籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度為224.33 N和145.05 N時(shí)破碎率最低。籽粒壓碎強(qiáng)度與含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)。隨收獲時(shí)期推遲, 籽粒含水率下降導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度的改變是影響破碎率變化的主要原因, 通過選育和選用后期立稈能力強(qiáng)、籽粒脫水快的品種, 當(dāng)籽粒含水率降至28%以下進(jìn)行機(jī)械粒收是降低西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率的重要舉措。

西南玉米; 機(jī)械粒收; 破碎率; 含水率; 力學(xué)強(qiáng)度

西南是我國(guó)三大玉米主產(chǎn)區(qū)之一, 玉米機(jī)械化收獲率卻不足2%, 且主要為機(jī)械穗收[1-2]。玉米機(jī)械粒收是未來我國(guó)玉米機(jī)械收獲的發(fā)展趨勢(shì)[3-4], 同時(shí)也是西南玉米生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的必由之路。機(jī)械粒收籽粒破碎率高是該技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要限制因素, 因此研究當(dāng)前玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率及影響因素, 對(duì)促進(jìn)機(jī)械粒收技術(shù)的發(fā)展和本區(qū)玉米機(jī)械粒收水平的提升具有重要意義。玉米籽粒破碎率、雜質(zhì)率、損失率為機(jī)械粒收質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[5-6]。李少昆團(tuán)隊(duì)[3,5]通過6年試驗(yàn)對(duì)1698、2450組樣本分析表明, 北方玉米區(qū)籽粒破碎率平均達(dá)到8.63%、8.56%, 高于GBT-21962-2008[6]≤5%的要求, 玉米籽粒破碎率高是我國(guó)玉米機(jī)械粒收技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”性問題[7-9]。收獲時(shí)籽粒含水率高是造成破碎率高的主要原因[10-16], 破碎率與籽粒含水率間符合線性和二次多項(xiàng)式關(guān)系[11,14-15,17]。李璐璐等[17]研究表明, 籽粒含水率相近的不同玉米品種在機(jī)械粒收時(shí)機(jī)收質(zhì)量差異較大, 尤其是破碎率。生產(chǎn)上硬粒型、馬齒型、半馬齒型玉米籽粒力學(xué)特性存在較大差異, 且籽粒力學(xué)特性對(duì)機(jī)械脫粒性能影響較大, 其中破碎率主要受玉米籽粒壓碎特性的影響, 兩者呈負(fù)相關(guān)[18-20]。同時(shí)收獲機(jī)型號(hào)、運(yùn)行速度、操作人員等因素也對(duì)粒收質(zhì)量有一定影響[3,21]。前人對(duì)玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率的研究報(bào)道集中于北方地區(qū), 主要統(tǒng)計(jì)分析不同區(qū)域多品種大樣本量數(shù)據(jù), 且側(cè)重于籽粒含水率和品種對(duì)破碎率的影響, 鮮見不同時(shí)期收獲籽粒破碎率、含水率和力學(xué)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化特征及其相互間關(guān)系的系統(tǒng)研究。同時(shí)西南玉米機(jī)械化收獲尚處于起步階段, 機(jī)械化收獲技術(shù)特別是機(jī)械粒收技術(shù)研究尚屬空白。本研究分析了西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀, 于2018年采用同一機(jī)型、同一操作人員, 開展了多品種、大跨度多收期試驗(yàn), 探討了不同收獲時(shí)期籽粒破碎率的動(dòng)態(tài)變化及其與籽粒含水率、力學(xué)強(qiáng)度等因素的關(guān)系, 以期為機(jī)械粒收技術(shù)和西南玉米機(jī)械粒收的發(fā)展提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 機(jī)械粒收試驗(yàn) 2017—2018年在西南區(qū)的四川中江(31°N, 104°E)、四川南充(30°N, 106°E)、貴州安順(26°N, 105°E)、云南紅河(23°N, 102°E)、重慶潼南(30°18′N, 105°83′E)開展了玉米適宜機(jī)械粒收品種篩選及相關(guān)粒收技術(shù)的研究, 在玉米成熟期進(jìn)行了機(jī)械粒收試驗(yàn), 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查了62個(gè)西南玉米主體品種機(jī)械粒收籽粒破碎率情況, 共獲得788組籽粒破碎率樣本數(shù)據(jù), 以明確西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀。試驗(yàn)品種信息見表1 (除北方引進(jìn)品種外, 其余品種均為西南各區(qū)主推品種, 生育期差異較小)。

1.1.2 不同收獲時(shí)期試驗(yàn) 2018年在四川中江(31°N, 104°E)試驗(yàn)基地, 采用大區(qū)帶狀種植, 每帶3行(行距60 cm, 帶間距為1.2 m, 每一品種種植2帶, 帶長(zhǎng)75 m), 種植密度為60,000株 hm–2, 田間管理同當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)。供試品種春玉米4個(gè)(4個(gè)品種的生育期基本一致), 4月8日播種; 夏玉米15個(gè), 5月17日播種(表2)。設(shè)置春玉米6個(gè)收獲時(shí)期, 即7月31日、8月7日、8月13日、8月19日、8月25日、8月31日, 夏玉米分別于9月8日、9月16日粒收, 收獲機(jī)型同為久保田4LZY-1.8B, 配套家家樂4YG-4A玉米收割臺(tái)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 籽粒含水率 每次收獲前, 在規(guī)定的收獲區(qū)域內(nèi)隨機(jī)取長(zhǎng)勢(shì)一致的15個(gè)果穗, 分為3個(gè)重復(fù), 人工脫粒, 稱鮮重, 85℃烘干至恒重, 稱干重, 計(jì)算籽粒含水率。

1.2.2 籽粒壓碎強(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(圖1)被測(cè)頭恰好壓碎時(shí)儀器所顯示的最大值。對(duì)每一品種籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度分別測(cè)定45粒, 每15粒為一個(gè)重復(fù), 共3次重復(fù)。

1.2.3 籽粒破碎率 每次分品種收獲后, 將機(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, 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[22]), 人工去除非籽粒部分, 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(s)及樣品籽?？傎|(zhì)量(i), 按以下公式計(jì)算籽粒破碎率(s)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013處理數(shù)據(jù), SPSS Statistics 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, Origin 9.0軟件建立破碎率與籽粒含水率、力學(xué)強(qiáng)度和籽粒力學(xué)強(qiáng)度與含水率間的回歸方程, 并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀

由圖2可知, 在2年、5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)、62個(gè)品種共計(jì)788組樣本中, 籽粒破碎率范圍為0.54%~ 42.72%, 變異系數(shù)為79.42%, 平均值為8.34%, 高于國(guó)家“玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件”(GBT-21962-2008)≤5%的要求; 所有樣本中破碎率≤5%的占比為35.79%, 5%~8%占比為27.28%, 高于我國(guó)“糧食烘干收儲(chǔ)企業(yè)三級(jí)糧標(biāo)準(zhǔn)”(GBT-1353-2009[23]) ≤8%的占比為36.93%。其中四川中江265組樣本籽粒破碎率范圍為0.54%~16.97%, 平均5.59%, ≤5%的占比為54.34%, 5%~8%的占比為25.66%, ≥8%的占比為20.00%; 四川南充26組樣本籽粒破碎率范圍為1.52%~15.23%, 平均4.51%, ≤5%的占比為43.50%, 5%~8%的占比為25.20%, ≥8%的占比為31.30%; 重慶潼南246組樣本籽粒破碎率范圍為0.54%~ 25.92%, 平均7.89%, ≤5%的占比為43.50%, 5%~8%的占比為25.20%, ≥8%的占比為31.30%; 貴州安順140組樣本籽粒破碎率范圍為0.72%~ 36.52%, 平均11.19%, ≤5%的占比為2.86%, 5%~8%的占比為40.00%, ≥8%的占比為57.14%; 云南紅河111組樣本籽粒破碎率范圍為2.92%~ 42.72%, 平均13.48%, ≤5%的占比為4.50%, 5%~8%的占比為24.32%, ≥8%的占比為71.18%。

2.2 不同收獲時(shí)期籽粒破碎率、含水率、力學(xué)強(qiáng)度變化

春玉米6次收獲中, 隨收獲時(shí)間推遲, 籽粒破碎率表現(xiàn)出先降低后逐漸升高的趨勢(shì)(圖3)。第3次收獲的籽粒破碎率均值最低, 各時(shí)期所取測(cè)試樣本中籽粒破碎率的變幅分別為4.29%~15.05%、3.12%~ 13.91%、0.54%~3.08% (異常值為5.76%)、2.12%~ 3.41% (異常值為5.13%)、1.56%~4.74%和2.58%~ 5.11%, 第3、第4、第5次收獲的測(cè)試樣本中除異常值外全部符合破碎率≤5%的“玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GBT-21962—2008); 6次收獲參試品種測(cè)試樣本破碎率的極差分別為10.76%、10.79%、2.54%、1.29%、3.18%和2.53%, 在第4次收獲的極差最小。夏玉米在9月16日收獲的籽粒破碎率均值小于9月8日, 2次收獲籽粒破碎率范圍分別為3.00%~13.25%和3.03%~9.97%, 2次收獲參試品種破碎率≤5%的占比分別為11.1%和38.9%。

隨收獲時(shí)間推遲, 春夏播玉米籽粒含水率均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì), 且品種間的籽粒含水率存在明顯的差異(圖3)。2018年7月31日至2018年8月31日, 春玉米4個(gè)品種6次收獲所取測(cè)試樣本的籽粒含水率范圍分別為32.79%~36.10%、26.42%~ 32.78%、21.78%~29.50%、15.74%~20.09%、12.49%~ 17.44%和11.24%~13.72%, 測(cè)試樣本籽粒含水率在11.24%~36.10%之間。夏玉米15個(gè)品種2次收獲的籽粒含水率范圍分別為15.92%~30.33%和14.23%~ 27.25%。

表1 機(jī)械粒收試驗(yàn)品種信息(2017?2018)

表2 不同收獲時(shí)期試驗(yàn)品種信息(四川中江, 2018)

圖2 西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率現(xiàn)狀(2017?2018)

春玉米6次收獲中, 隨收獲時(shí)間推遲, 玉米籽粒的立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度均逐漸增加, 但是在最后一個(gè)時(shí)期表現(xiàn)出有降低的趨勢(shì)(圖3)。玉米籽粒立面壓碎強(qiáng)度在各時(shí)期均大于側(cè)面壓碎強(qiáng)度。籽粒立面壓碎強(qiáng)度在7月31日至8月25日間差異達(dá)到顯著水平, 8月25日至8月31日差異不顯著; 籽粒側(cè)面壓碎強(qiáng)度在7月31日至8月7日差異不顯著, 8月7日至8月13日差異達(dá)到顯著水平, 之后各時(shí)期間差異不顯著。

2.3 籽粒破碎率、含水率及力學(xué)強(qiáng)度間關(guān)系分析

破碎率隨籽粒含水率的下降先降低再逐漸升高(圖4), 兩者間符合二次多項(xiàng)式關(guān)系, 可用方程= 0.03292?1.3328+15.529 (2= 0.5467**,= 72)擬合。根據(jù)擬合方程預(yù)測(cè), 當(dāng)籽粒含水率為20.26%時(shí)破碎率最低, 為2.03%, 按照機(jī)械粒收破碎率≤5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及≤8%的糧食儲(chǔ)存三級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 在當(dāng)前參試品種和相應(yīng)配套的收獲條件下, 籽粒含水率應(yīng)該控制在10.76%~29.76%和6.79%~33.73%。從圖中可以看出在籽粒含水率大于32%時(shí), 部分樣本的破碎率仍低于5%。

破碎率隨籽粒力學(xué)強(qiáng)度的增加先降低再逐漸升高(圖4), 破碎率()與立面(立面)和側(cè)面(側(cè)面)的壓碎強(qiáng)度均符合二次多項(xiàng)式關(guān)系, 擬合方程分別為= 0.0006立面2? 0.2692立面+32.703 (2= 0.3138**,= 72)和= 0.0021側(cè)面2? 0.6092側(cè)面+46.97 (2= 0.3790**,= 72)。根據(jù)擬合方程預(yù)測(cè), 當(dāng)籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度為224.33 N和145.05 N時(shí)破碎率最低, 為2.51%和2.78%, 按照機(jī)械粒收籽粒破碎率≤5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及≤8%的糧食儲(chǔ)存三級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 在當(dāng)前參試品種和相應(yīng)配套的收獲條件下, 籽粒立面壓碎強(qiáng)度應(yīng)控制在159.88~288.78 N和128.66~320.01 N, 側(cè)面壓碎強(qiáng)度應(yīng)控制在112.60~177.50 N和95.23~194.86 N。

籽粒力學(xué)強(qiáng)度隨籽粒含水率的下降逐漸增加(圖4)。其中籽粒立面(立面)和側(cè)面(側(cè)面)壓碎強(qiáng)度與籽粒含水率()呈極顯著負(fù)相關(guān), 回歸方程分別為立面= ?4.1606+283.06 (2= 0.6034**,= 72)和側(cè)面= ?1.8552+ 168.4 (2= 0.5840**,= 72), 籽粒含水率每降低1個(gè)百分點(diǎn), 立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度分別增加4.16 N和1.86 N, 當(dāng)籽粒含水率在18%~28%范圍時(shí), 籽粒立面壓碎強(qiáng)度為166.56~208.17 N, 側(cè)面壓碎強(qiáng)度為116.45~135.01 N。

圖3 不同收獲時(shí)期玉米籽粒破碎率、含水率、力學(xué)強(qiáng)度變化(2018)

箱型圖中的箱體部分代表50% (25%~75%)樣本的分布區(qū)域, 為四分位區(qū)間(IQR)。箱體內(nèi)實(shí)線為中位線, “¨”為異常值點(diǎn), “+”為均值。圖中不同小寫字母表示不同時(shí)期在0.05水平下差異顯著。

The box part in the box diagram represents the distribution area of 50% (25%–75%) samples, which is a quadrant interval (IQR). The solid line in the box body is the median line, “¨” is the abnormal point, “+” is the average. Different lowercase letters above boxes show significant differences at the 0.05 probability level in different periods.

2.4 不同品種間的機(jī)械粒收破碎率差異

從表3可以看出, 第1、第2、第3組不同籽粒類型的品種在籽粒含水率相近時(shí), 籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度在品種間差異不顯著, 采用相同收獲機(jī)收獲, 品種間的破碎率差異卻達(dá)極顯著或顯著水平; 第4、第5組別中不同品種間籽粒含水率差異達(dá)極顯著水平, 但籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度差異不顯著, 且籽粒破碎率差異也不顯著; 第6組別中在同一地點(diǎn)、收獲機(jī)和機(jī)手操作下收獲, 同一品種在籽粒含水率相近, 籽粒力學(xué)強(qiáng)度差異不顯著的條件下, 其春播和夏播的籽粒破碎率差異達(dá)顯著水平。以上說明機(jī)械粒收籽粒破碎率不僅受籽粒含水率、力學(xué)強(qiáng)度的影響, 可能還與品種類型、胚乳結(jié)構(gòu)、播期等有關(guān)。

3 討論

3.1 西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率偏高應(yīng)適時(shí)晚收

籽粒破碎率作為評(píng)價(jià)玉米機(jī)械粒收質(zhì)量的主要指標(biāo), GBT-21962-2008 “玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件”中規(guī)定機(jī)收籽粒破碎率≤5%, GBT-1353-2009“糧食烘干收儲(chǔ)企業(yè)三級(jí)糧標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定籽粒破碎率≤8%[5-6,24]。本研究結(jié)果顯示, 當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率范圍為0.54%~42.72%, 平均值為8.34%, 與李少昆等[3,5]在北方的研究結(jié)果相近, 高于國(guó)家“玉米收獲機(jī)械技術(shù)條件”(GBT-21962-2008) ≤5%的要求范圍; 788組測(cè)試樣本中破碎率≥5%的占比為64.21%。隨收獲時(shí)期推遲, 機(jī)械粒收質(zhì)量發(fā)生顯著變化, 特別是破碎率[17]。本研究采用固定品種, 同一地塊、操作人員、收獲機(jī)械, 多收獲時(shí)期的方法, 在一定程度上減少了品種、收獲機(jī)械、人員操作差異等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。結(jié)果顯示, 在本試驗(yàn)條件下, 推遲收獲時(shí)期, 籽粒含水率下降, 籽粒破碎率顯著降低, 但超過一定時(shí)期籽粒破碎率卻逐漸增加; 籽粒破碎率與含水率間關(guān)系符合= 0.03292?1.3328+15.529 (2= 0.5467**)方程, 籽粒含水率為20.26%時(shí)破碎率最低, 籽粒含水率在10.76%~29.76%范圍內(nèi), 破碎率可≤5%, 試驗(yàn)中測(cè)試樣本籽粒含水率在11.24%~36.10%之間, 基本覆蓋西南玉米籽粒收獲含水率范圍。由于西南是多熟制地區(qū), 茬口銜接比較緊, 而且秋季多雨, 加之現(xiàn)有品種以高稈大穗晚熟品種為主, 后期立稈能力較弱, 收獲過遲倒伏嚴(yán)重, 故在籽粒含水率降到28%以下即可考慮機(jī)械粒收, 不必像北方一樣降至25%[5,25]。綜上可見, 當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率偏高, 選育早熟、后期立稈能力強(qiáng)、籽粒脫水快的品種并適時(shí)晚收是西南玉米機(jī)械粒收發(fā)展的有效措施。

表3 不同品種間的機(jī)械粒收破碎率差異(四川中江, 2018)

表中數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示0.05水平下顯著, 不同大寫字母表示0.01水平下顯著。

Data followed by different lower-case letters are significantly different at the 0.05 probability level, and these by different upper-case letters are significantly different at the 0.01 probability level.

3.2 玉米籽粒含水率變化導(dǎo)致籽粒力學(xué)強(qiáng)度變化是破碎率變化的主要原因

影響玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率的因素有品種、機(jī)械、栽培措施、生態(tài)氣候[26-31]。玉米收獲時(shí)籽粒含水率是影響機(jī)械粒收質(zhì)量的關(guān)鍵因素, 收獲時(shí)籽粒含水率高是破碎率偏高的主要原因[3,10-11,16-17,32]。

破碎率與籽粒含水率間符合線性和二次多項(xiàng)式關(guān)系[11,14,17]。但機(jī)械粒收籽粒含水率變化引起破碎率改變的機(jī)理不明。高連興等[33]研究認(rèn)為, 籽粒含水率對(duì)玉米脫粒的影響主要體現(xiàn)在籽粒破損強(qiáng)度和脫粒作用力兩個(gè)方面。張永麗等[34]在玉米籽粒剪切破碎試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn), 含水率不同時(shí), 剪切破碎載荷也不同, 含水率越高, 需要的外力就越小。在玉米機(jī)械脫粒作業(yè)中, 玉米籽粒主要承受擠壓(擠搓)、沖擊(打擊)作用, 其中籽粒力學(xué)特性對(duì)機(jī)械脫粒性能影響較大, 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)[19,35-37]。本研究表明, 破碎率與籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度的關(guān)系密切, 符合二次函數(shù)關(guān)系, 回歸方程分別為= 0.0006立面2? 0.2692立面+ 32.703 (2= 0.3138**)、= 0.0021側(cè)面2?0.6092側(cè)面+46.979 (2= 0.3790**), 當(dāng)籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度為224.33 N和145.05 N時(shí)破碎率最低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 籽粒力學(xué)強(qiáng)度隨著籽粒含水率的下降而逐漸增加, 兩者間呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系, 擬合的方程檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平。表明玉米籽粒含水率變化導(dǎo)致籽粒力學(xué)強(qiáng)度變化是破碎率變化的主要原因。

3.3 加強(qiáng)玉米籽粒力學(xué)特性的研究助力我國(guó)玉米機(jī)械粒收的發(fā)展

前人研究表明, 不同玉米品種在籽粒含水率相近時(shí)收獲質(zhì)量差異較大, 尤其是破碎率[17]。本研究及前人研究[3]均發(fā)現(xiàn)籽粒含水率≥32%及≥30%時(shí), 部分樣本的破碎率仍低于5% (圖4), 表明籽粒含水率不是影響破碎率的唯一因素。本研究發(fā)現(xiàn), 破碎率與籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度關(guān)系密切, 呈二次函數(shù)關(guān)系。破碎率是玉米與剛性部件相互作用的結(jié)果, 籽粒的生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系更為密切[18,36,38], 探明玉米籽粒的力學(xué)特性對(duì)粒收機(jī)械的改良是十分必要的。本研究也發(fā)現(xiàn), 在相同籽粒含水率和籽粒立面與側(cè)面壓碎強(qiáng)度下, 不同品種的破碎率也不盡相同, 這可能是不同品種在機(jī)械脫粒時(shí)的破碎敏感性差異造成的[17]。同一品種在相近籽粒含水率下春播和夏播的破碎率存在顯著差異,這可能與春夏播玉米籽粒特性不同有關(guān)。生產(chǎn)上應(yīng)用的硬粒型、馬齒型、半馬齒型玉米籽粒力學(xué)特性存在較大差異, 同一類型不同品種的胚乳結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特性也可能存在較大差異。因此, 今后應(yīng)加大對(duì)玉米籽粒類型及其物理力學(xué)特性的研究, 為我國(guó)玉米機(jī)械粒收技術(shù)的發(fā)展及宜機(jī)收品種的選育提供理論依據(jù)。

圖4 籽粒破碎率、含水率及力學(xué)強(qiáng)度間的關(guān)系(中江春玉米, 2018)

4 結(jié)論

當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率偏高, 破碎率范圍為0.54%~42.72%, 平均值為8.34%。隨收獲時(shí)期推遲, 籽粒含水率下降, 籽粒力學(xué)強(qiáng)度增加, 破碎率先降低后逐漸升高。破碎率與籽粒含水率的關(guān)系符合= 0.03292? 1.3328+15.529方程, 破碎率與籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度的關(guān)系符合= 0.0006立面2? 0.2692立面+32.703、= 0.0021側(cè)面2? 0.6092側(cè)面+46.979方程, 籽粒壓碎強(qiáng)度與籽粒含水率的關(guān)系符合立面= ?4.1606+283.06、側(cè)面= ?1.8552+168.4方程。在本試驗(yàn)條件下, 籽粒含水率在10.76%~29.76%范圍內(nèi)或籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度在159.88~288.78 N和112.60~177.50 N范圍內(nèi)適宜機(jī)械粒收, 籽粒含水率在20%左右或籽粒立面和側(cè)面壓碎強(qiáng)度在220 N和145 N左右時(shí)收獲效果最佳。通過選育和選用后期立稈能力強(qiáng)、籽粒脫水快的品種, 在籽粒含水率降至28%以下收獲可顯著降低當(dāng)前西南玉米機(jī)械粒收籽粒破碎率。

[1] 鐘耕臣, 安艷玲. 西南丘陵地區(qū)玉米機(jī)械化收獲的現(xiàn)狀及發(fā)展建議. 吉林農(nóng)業(yè), 2018, 16: 32–33. Zhong G C, An Y L. Present situation and development suggestions of maize mechanized harvesting in southwest hilly areas., 2018, 16: 32–33 (in Chinese with English abstract).

[2] 李高科, 潘光堂. 西南玉米區(qū)種質(zhì)利用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展. 玉米科學(xué), 2005, 13(2): 3–7. Li G K, Pan G T. The utilization present situation and study advances of the germplasm in southwest maize zone., 2005, 13(2): 3–7 (in Chinese with English abstract).

[3] 柴宗文, 王克如, 郭銀巧, 謝瑞芝, 李璐璐, 明博, 侯鵬, 劉朝巍, 初振東, 張萬(wàn)旭, 張國(guó)強(qiáng), 劉廣周, 李少昆. 玉米機(jī)械粒收質(zhì)量現(xiàn)狀及其與含水率的關(guān)系. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2036–2043. Chai Z W, Wang K R, Guo Y Q, Xie R Z, Li L L, Ming B, Hou P, Liu Z W, Chu Z D, Zhang W X, Zhang G Q, Liu G Z, Li S K. Current status of maize mechanical grain harvesting and its relationship with grain moisture content., 2017, 50: 2036–2043 (in Chinese with English abstract).

[4] 《玉米科學(xué)》編輯部. 加強(qiáng)機(jī)械粒收研究推動(dòng)玉米生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型. 玉米科學(xué), 2018, 26(4): 62. Editorial Department of. Strengthen the research of mechanical grain harvesting and promote the transformation of maize production mode., 2018, 26(4): 62 (in Chinese with English abstract).

[5] 李少昆. 我國(guó)玉米機(jī)械粒收質(zhì)量影響因素及粒收技術(shù)的發(fā)展方向. 石河子大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2017, 35: 265–272. Li S K. Factors affecting the quality of maize grain mechanical harvest and the development trend of grain harvest technology.(Nat Sci), 2017, 35: 265–272 (in Chinese with English abstract).

[6] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 玉米收獲機(jī)械: 技術(shù)條件. GB/T 21962-2008, 2008. National Standard of People’s Republic of China. Technical Requirements for Maize Combine Harvester. GB/T 21962-2008, 2008 (in Chinese).

[7] 王克如, 李少昆. 玉米機(jī)械粒收破碎率研究進(jìn)展. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2018–2026. Wang K R, Li S K. Progresses in research on grain broken rate by mechanical grain harvesting., 2017, 50: 2018–2026 (in Chinese with English abstract).

[8] 張向前, 王瑞, 張瑞霞, 郭曉霞, 鑒軍帥, 程玉臣, 吳慧, 孫峰成. 內(nèi)蒙古適宜籽粒機(jī)械化收獲春玉米品種篩選. 北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 46(1): 25–29. Zhang X Q, Wang R, Zhang R X, Guo X X, Jian J S, Cheng Y C, Wu H, Sun F C. Screening varieties suitable for mechanical harvesting of spring maize kernel in Inner Mongolia.c, 2018, 46(1): 25–29 (in Chinese with English abstract).

[9] 薛軍, 李璐璐, 張萬(wàn)旭, 王群, 謝瑞芝, 王克如, 明博, 侯鵬, 李少昆. 玉米穗軸機(jī)械強(qiáng)度及其對(duì)機(jī)械粒收籽粒破碎率的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51: 1868–1877. Xue J, Li L L, Zhang W X, Wang Q, Xie R Z, Wang K R, Ming B, Hou P, Li S K. Maize cob mechanical strength and its influence on kernel broken rate., 2018, 51: 1868–1877 (in Chinese with English abstract).

[10] 王克如, 李少昆. 玉米籽粒脫水速率影響因素分析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2027–2035. Wang K R, Li S K. Analysis of influencing factors on kernel dehydration rate of maize hybrids., 2017, 50: 2027–2035 (in Chinese with English abstract).

[11] 李璐璐, 雷曉鵬, 謝瑞芝, 王克如, 侯鵬, 張鳳路, 李少昆. 夏玉米機(jī)械粒收質(zhì)量影響因素分析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2044–2051. Li L L, Lei X P, Xie R Z, Wang K R, Hou P, Zhang F L, Li S K. Analysis of influential factors on mechanical grain harvest qua-lity of summer maize., 2017, 50: 2044–2051 (in Chinese with English abstract).

[12] Ruan L, Wang J, Chen Y, Wang S, Zhang W, Zuo X, Chen H. Dry matter accumulation, moisture content in maize kernel and their in?uences on mechanical harvesting., 2011, 12: 1857–1860.

[13] 雷恩, 環(huán)建華, 王岳東, 楊永兵, 劉寶宏, 盧丙越, 劉艷紅, 袁繼超, 王璞. 云南玉米宜機(jī)械收獲性能和機(jī)收質(zhì)量研究與評(píng)價(jià). 農(nóng)機(jī)化研究, 2018, (4): 156–161. Lei E, Huan J H, Wang Y D, Yang Y B, Liu B H, Lu B Y, Liu Y H, Yuan J C, Wang P. Research and evaluation of suitable for mechanized harvesting performance and mechanical harvesting quality for maize in the Yunnan area., 2018, (4): 156–161 (in Chinese with English abstract).

[14] Filipenco A, Mandache V, Valsan G, Ivan F, Ciocazanu I. Inheritance of grain dry-down in corn (L.)., 2013, 70: 223–226.

[15] Johnson D Q, Russell W A. Genetic variability and relationships of physical grain-quality traits in the BSSS population of maize1., 1982, 22(4): 805–809.

[16] Zhang L, Liang X G , Shen S, Yin H, Zhou L L, Gao Z, Lu X Y , Zhou S L. Increasing the abscisic acid level in maize grains induces precocious maturation by accelerating grain filling and dehydration., 2018, 86(1): 65–79.

[17] 李璐璐, 薛軍, 謝瑞芝, 王克如, 明博, 侯鵬, 高尚, 李少昆. 夏玉米籽粒含水率對(duì)機(jī)械粒收質(zhì)量的影響. 作物學(xué)報(bào), 2018, 44: 1747–1754. Li L L, Xue J, Xie R Z, Wang K R, Ming B, Hou P, Gao S, Li S K. Effects of grain moisture content on mechanical grain harvesting quality of summer maize., 2018, 44: 1747–1754 (in Chinese with English abstract).

[18] 蔡超杰, 陳志, 韓增德, 劉貴明, 張宗玲, 郝俊發(fā). 種子玉米生物力學(xué)特性與脫粒性能的關(guān)系研究. 農(nóng)機(jī)化研究, 2017, (4): 192–196. Cai C J, Chen Z , Han Z D, Liu G M, Zhang Z L, Hao J F. Study on relationship of biomechanical characteristics of corn seed and threshing performance., 2017, (4): 192–196 (in Chinese with English abstract).

[19] 李心平, 馬義東, 金鑫, 高連興. 玉米種子仿生脫粒機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn). 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(7): 97–101. Li X P, Ma Y D, Jin X, Gao L X. Design and test of corn seed bionic thresher., 2015, 46(7): 97–101 (in Chinese with English abstract).

[20] 玉米遺傳育種學(xué)編寫組. 玉米遺傳育種學(xué). 北京: 科學(xué)出報(bào)社, 1979 Writing Group of Maize Genetics and Breeding. Maize Genetics and Breeding. Beijing: Science Press, 1979 (in Chinese).

[21] 柳楓賀, 王克如, 李健, 王喜梅, 孫亞玲, 陳永生, 王玉華, 韓冬生, 李少昆. 影響玉米機(jī)械收粒質(zhì)量因素的分析. 作物雜志, 2013, (4): 116–119. Liu F H, Wang K R, Li J, Wang X M, Sun Y L, Chen Y S, Wang Y H, Han D S, Li S K. Factors affecting corn mechanically harvesting grain quality., 2013, (4): 116–119 (in Chinese with English abstract).

[22] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 玉米收獲機(jī)械: 試驗(yàn)方法. GB/T 21961-2008, 2008. People’s Republic of China National Standard. Technical Requirements for Maize Combine Harvester. GB/T 21961-2008, 2008 (in Chinese).

[23] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì). 玉米. GB1353-2009, 2009. People’s Republic of China National Standard. Maize. GB1353-2009, 2009 (in Chinese).

[24] Waelti H. Physical Properties and Morphological Characteristics of Maize and Their Influence on Threshing Injury of Kernels. PhD Dissertation of Iowa State University, Iowa, America, 1967.

[25] 李璐璐, 明博, 高尚, 謝瑞芝, 侯鵬, 王克如, 李少昆. 夏玉米籽粒脫水特性及與灌漿特性的關(guān)系. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51: 1878–1889. Li L L, Ming B, Gao S, Xie R Z, Hou P, Wang K R, Li S K. Study on grain dehydration characters of summer maize and its relationship with grain filling., 2018, 51: 1878–1889 (in Chinese with English abstract).

[26] Jennings M V. Genotypic Variability in Grain Quality of CornL. PhD Dissertation of Iowa State University, Iowa, America, 1974.

[27] Vyn T J, Moes J. Breakage susceptibility of corn kernels in relation to crop management under long growing season conditions., 1988, 80: 915–920.

[28] Chowdhury M H, Buchele W F. Effects of the operating parameters of the rubber roller sheller., 1975, 18: 482–486.

[29] Gunasekaran S, Paulsen M R. Breakage susceptibility of corn as a function of drying rates., 1985, 28: 2071–2076.

[30] Bauer P J, Carter P R. Effect of seeding date, plant density, moisture availability, and soil nitrogen fertility on maize kernel breakage susceptibility., 1986, 26: 1220–1226.

[31] Plett S. Corn kernel breakage as a function of grain moisture at harvest in a prairie environment., 1994, 74: 543–544.

[32] 郭慶辰, 康浩冉, 王麗娥, 劉洪泉, 陳艷花, 白光紅, 竇秉德. 黃淮區(qū)籽粒機(jī)收玉米標(biāo)準(zhǔn)及育種模式探討. 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2016, (1): 159–162. Guo Q C, Kang H R, Wang L E, Liu H Q, Chen Y H, Bai G H, Dou B D. The standard of corn grain mechanical harvest and breeding mode in Huang-Huai region., 2016, (1): 159–162 (in Chinese).

[33] 高連興, 李飛, 張新偉, 張永麗, 劉新, 焦維鵬. 含水率對(duì)種子玉米脫粒性能的影響機(jī)理. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(12): 92–97. Gao L X, Li F, Zhang X W, Zhang Y L, Liu X, Jiao W P. Mechanism of moisture content effect on corn seed threshing., 2011, 42(12): 92–97 (in Chinese with English abstract).

[34] 張永麗, 高連興, 劉紅力, 李心平. 玉米籽粒剪切破碎的試驗(yàn)研究. 農(nóng)機(jī)化研究, 2007, (5): 136–138. Zhang Y L, Gao L X, Liu H L, Li X P. Experimental study on corn kernel shear crash., 2007, (5): 136–138 (in Chinese).

[35] Martin C R, Converse H H, Czuchajowska Z, Lai F S, Pomeranz Y. Breakage susceptibility and hardness of corn kernels of various sizes and shapes., 1987, 3(1): 104–113.

[36] 李心平. 種子玉米脫粒損傷機(jī)理及 5TYZ-1 型定向喂入式脫粒機(jī)研究. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 遼寧沈陽(yáng), 2007. Li X P. Study on Threshing Damage Mechanism of Seed Corn and Study on 5TYZ-1 Directional Feed Thresher. PhD Dissertation of Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning, China, 2007 (in Chinese with English abstract).

[37] 袁月明, 欒玉振. 玉米籽粒力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 18(4): 75–78. Yuan Y M, Luan Y Z. Experimental investigation of mechanical properties for corn kernels., 1996, 18(4): 75–78 (in Chinese with English abstract).

[38] 李心平, 高連興, 馬福麗. 玉米種子脫粒特性的試驗(yàn)研究. 農(nóng)機(jī)化研究, 2007, (2): 156–158. Li X P, Gao L X, Ma F L. Experimental research of seed corn on the threshing property., 2007, (2): 156–158 (in Chinese).

Current status and influencing factors of broken rate in mechanical grain harvesting of maize in Southwest China

ZHAO Bo1, LI Xiao-Long1, ZHOU Mao-Lin2, SONG Bi3, LEI En4, LI Zhong5, WU Ya-Wei1, YUAN Ji-Chao1, and KONG Fan-Lei1,*

1College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 611130, Sichuan, China;2Corn Research Institute, Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 401329, China;3College of Agronomy, Guizhou Agricultural University, Guiyang 550025, Guizhou, China;4Honghe University, Honghe 661106, Yunnan, China;5Nanchong Academy of Agricultural Sciences, Nanchong 637000, Sichuan, China

Maize mechanical grain harvesting is the development direction of maize production in Southwest China. High grain broken rate is the main limiting factor for the development and application of this technology. It is of great significance to clarify the current status of broken rate of mechanical grain harvesting in Southwest China, to study the main influencing factors, so as to promote the development of mechanical grain harvesting in Southwest China. Using 788 sets of sample data of grain broken rate obtained from a series of multi-point and multi-variety grain harvesting experiments conducted in Southwest China from 2017 to 2018, the present situation of mechanical grain broken rate in Southwest China was analyzed. In 2018, the same machine and operator were used to carry out multi-variety, long-span and multi-harvest experiments to investigate the changes of grain broken rate, grain moisture content and grain mechanical strength in different harvest periods, and to analyze the relationship among grain moisture content, grain mechanical strength and broken rate. The broken rate of mechanically harvested grains was 0.54%–42.72% with the average of 8.34% in Southwest China. With the delayed mechanical grain harvesting, the moisture content of grains decreased, the crushing strength of grains increased, and the broken rate of grains decreased first and then increased. The relationship between broken rate () and grain moisture content () was in accordance with the equation= 0.03292? 1.3328+ 15.529 (2= 0.5467**). The broken rate was the lowest when the moisture content of grains was 20.26%. The range of moisture content of the grains with a broken rate less than 5% was 10.76%–29.76%. The relationship between broken rate () and crushing strength of grain facade (facade) and side (side) was in accordance with the equations of= 0.0006facade2? 0.2692facade+ 32.7030 (2= 0.3138**) and= 0.0021side2? 0.6092side+ 46.979 (2= 0.3790**), respectively. When the crushing strength of grain facade and side was 224.33 N and 145.05 N, the broken rate was the lowest. With delaying harvest time, the change of mechanical strength caused by the decrease of grain moisture content may be the main reason affecting the change of broken rate. Breeding and selecting varieties with strong standing pole ability and quick dehydration, making the moisture content of grain below 28%, is an important measure to reduce the broken rate of mechanical grain harvesting in Southwest China.

southwest maize; mechanical grain harvesting; broken rate; moisture content; mechanical strength

2019-04-18;

2019-08-09;

2019-09-01.

10.3724/SP.J.1006.2020.93026

孔凡磊, E-mail: kflstar@163.com, Tel: 028-86290870

E-mail: sicauzb4633@163.com

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300307, 2017YFD0301704)資助。

This study was supported by the State Key Research and Development Program of China (2016YFD0300307, 2017YFD0301704).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190910.1109.006.html