玉米秆、穗、粒力学特性的品种与密度效应研究

李银昌 张兆玉 曹红波 朱如华 丁山 杨锦忠

摘要：為明确玉米“秆-穗-粒”力学特性的品种与密度效应，于2016年和2017年分别设置20个品种、7个品种×3个密度组合的田间试验，测定玉米茎秆-雌穗和穗轴-籽粒的连接力学特性，以及穗轴、籽粒的力学特性。通过方差分析、效应估算、多重比较、遗传相关等方法分析数据，结果表明，供试玉米品种的茎秆-雌穗连接力、穗轴-籽粒纵向和横向连接力、穗轴抗压碎力和抗弯折力的取值范围分别为291～579、5.57～13.69、5.10～9.66、1 070～3 849、140～355 N，籽粒抗压碎力、抗剪切力、穿刺强度的变化范围分别是89～157 N、42.7～105.0 N及48.1～77.0 MPa。品种、品种×密度互作对茎秆-雌穗连接力和穗轴-籽粒纵向、横向连接力影响显著，品种、密度对穗轴抗压碎力和抗弯折力影响显著，穗轴抗压碎力和抗弯折力随种植密度的增加呈下降趋势。品种对茎秆-雌穗连接力、穗轴-籽粒纵向和横向连接力、穗轴抗压碎力和抗弯折力的总贡献率分别为52.08%、40.55%、18.71%、89.71%、56.92%，均高于其他效应因子的总贡献率。品种对籽粒抗压碎力、抗剪切力、穿刺强度影响显著。籽粒抗压碎力分别与长度、周长、面积、表面积、体积、矩形度呈显著正相关，穿刺强度分别与厚度、面积、表面积、体积、矩形度呈显著正相关，抗压碎力、抗剪切力、穿刺强度分别与比表面积呈显著负相关。综之，品种是影响玉米“秆-穗-粒”连接特性和穗轴、籽粒力学特性的主要因素，籽粒比表面积分别与其抗压碎力、抗剪切力、穿刺强度相关性显著。这些结果可为玉米宜机收品种选育和栽培、收获机具设计提供参考依据。

关键词：玉米;力学特性;茎秆-雌穗连接力;穗轴-籽粒连接力;籽粒;品种;种植密度

中图分类号：S513.01  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0062-07

Abstract In order to clarify variety and density effects on the mechanical properties of stalk， ear and grain of maize， the field trials of 20 varieties and 7 variety × 3 density combinations were set in 2016 and 2017， respectively. The mechanical properties of stalk-ear and cob-grain connection were determined， as well as the mechanical properties of cob and grain. The data were analyzed by ANONA， effect estimation， multiple comparison and genetic correlation analysis. The results showed that the values of stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 291～579， 5.57～13.69， 5.10～9.66， 1 070～3 849 and 140～355 N， respectively. The variation ranges of crushing resistance， shearing resistance and punctur strength were 89～157 N， 42.7～105.0 N and 48.1～77.0 MPa， respectively. Variety and variety×density interaction had significant effects on stalk-ear connection force and cob-grain longitudinal and lateral connection force; variety and density had significant effects on crushing resistance and bending resistance of cob， and the crushing resistance and bending resistance of cob decreased with the increase of planting density. The total contribution rate of varieties to stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 52.08%， 40.55%， 18.71%， 89.71% and 56.92% respectively， and all of them were higher than that of the other effectors. Variety had significant effects on grain crushing resistance， shearing resistance and puncture strength. The crush resistance of grain was significantly positively correlated with length， perimeter， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The puncture strength was significantly positively correlated with thickness， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The crushing resistance， shearing resistance and puncture strength were significantly negatively correlated with the specific surface area， respectively. In summary， variety was the main factor affecting the stalk-ear-grain connection characteristics and the mechanical properties of cob and grain of maize， and the specific surface area of grain was significantly correlated with crushing resistance， shearing resistance and puncture strength， respectively. These results could provide references for maize variety selection and cultivation and harvester design.

Keywords Maize; Mechanical properties; Stalk-ear connection force; Cob-grain connection force; Grain; Variety; Planting density

籽粒机械直收是我国玉米生产发展的必然趋势，但目前普遍存在着高破碎率、高损失率、高杂质率等收获质量问题[1-3]。玉米“秆-穗-粒”彼此连接的力学特性以及穗轴、籽粒的力学特性是影响籽粒收获质量的重要因素，也是收获机具设计的重要依据。因此，研究玉米籽粒直收相关力学特性对于提高籽粒收获质量和推动籽粒直收机具的研发具有重要意义。

对于玉米茎秆、穗轴、籽粒力学特性方面的问题，前人已做过一些研究。崔日鲜等[4]提出一种新的抗倒指数法，并且通过实测数据验证发现，随种植密度增加，玉米植株的风荷载逐渐降低，抗茎倒指数也逐渐降低。Anazodo[5]通过对玉米穗轴进行径向压缩和纯弯曲试验发现，品种、含水率等对穗轴的力学性质均有显著影响。余吉洋[6]通过对玉米穗轴的测试研究发现，品种对玉米穗轴力学性质有显著影响。薛军等[7]通过品种大区鉴选试验发现，当籽粒含水率低于20.1%时，籽粒破碎率随穗轴抗折断力提高呈极显著的指数增加趋势。李心平等[8]对籽粒的冲击破碎试验结果发现，含水率、品种对冲击破坏力有显著影响。虽然目前关于玉米茎秆、穗轴、籽粒力学特性的研究开展较多，但关于茎秆-雌穗和穗轴-籽粒连接力学特性的相关试验研究还鲜见报道。本研究设置品种与密度的互作试验，解析了玉米茎秆-雌穗、穗轴-籽粒的连接特性和穗轴、籽粒力学特性的品种与密度效应，并探明了籽粒力学特性与几何性状之间的相关性。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

田间试验分别于2016年和2017年在青岛农业大学胶州现代农业科技示范园（35.53°N，119.58°E）实施。供试土壤为砂姜黑土。0～20 cm耕层土壤的理化性状：pH=7.38，有机质含量14.11 g/kg，碱解氮78.63 mg/kg，速效磷35.69 mg/kg，速效钾128.52 mg/kg。供试玉米品种见表1。

1.2 试验设计

2016年试验设置20個品种（表1），3次重复，随机区组设计。种植密度统一为每平方米7.5株。每小区种植5行，行长6.6 m，行距0.6 m，株距0.22 m。小麦收获后旋耕，人工双粒点播播种。

2017年试验设置7个品种（表1）和3个密度（每平方米6.0、7.5、9.0株，下同），采用改良间比法设计。每小区种植8行，小区行长6 m，行距0.6 m。麦收后免耕，人工双粒点播播种。

2016年试验于播种前一次性施入22-8-12（N-P2O5-K2O）控释肥825 kg/hm2;6月16日播种，10月17日收获。2017年试验于播种前一次性施入25-11-12（N-P2O5-K2O）控释肥800 kg/hm2;6月20日播种，10月22日收获。其它管理措施同当地大田生产。成熟期采收3～5个代表性植株，用于各项力学和形态指标测定。

1.3 测定项目与方法

除特别说明外，均使用SANS-CMT450电子万能力学试验机测定力学特性。

1.3.1 茎秆-雌穗连接特性 将含果穗的茎秆固定在力学试验机上，下夹具固定结穗位下部茎秆，上夹具套在果穗下方，以7 mm/min的速度垂直向上拉果穗，记录穗柄断裂的拉力峰值，即为茎秆-雌穗连接力。重复3次。

1.3.2 穗轴-籽粒连接特性 每个果穗保留位置充分散开的14颗籽粒，脱粒时避免扰动这些保留籽粒。使用装有托普HF-20数显推拉力仪的玉米果穗轴粒连接力测量装置[9]测定穗轴-籽粒的纵向和横向连接力峰值。每个方向测7粒，重复3次。

1.3.3 穗轴力学特性 将穗轴平放在测试台上，上压力板以7 mm/min的速度匀速向下运动，记录穗轴破裂时的力峰值，即为抗压碎力;测定穗轴抗弯折力则是将其平放在夹具上，两端支点间距60 mm，压头以7 mm/min的速度对准中点向下运动，记录穗轴破裂的力峰值，即为抗弯折力。各3次重复。

1.3.4 籽粒力学特性 将含水率为26%的籽粒立放并固定在测试台上，上压力板以5 mm/min的速度向下运动，测定籽粒的抗压碎力;将籽粒侧放并固定在测试台上，专用剪切刀以5 mm/min的速度向下运动，测定籽粒的抗剪切力。当籽粒被压碎或切碎时，记录窗口显示的力峰值。每个品种测21粒，2次重复。

利用YYD-1B型数字式测力仪沿垂直方向匀速穿刺籽粒无胚面，当籽粒被刺穿时，记录仪器显示的峰值，即为穿刺强度。每个品种测21粒，2次重复。

利用Epson Scan V330扫描仪获取分辨率为600 DPI的籽粒无胚面和有胚面图像，每次扫描21粒，2次重复;使用自编图像处理软件[10]测量籽粒长度、宽度、周长、面积，利用电子数显游标卡尺于籽粒中部测量厚度，每次21粒，2次重复。

籽粒其它形态性状的计算公式如下：矩形度=面积/外接矩形面积，表面积=周长×厚度+面积×2，体积=面积×厚度，比表面积=表面积/体积。

1.4 数据分析

效应大小是指各种因子的作用或影响，用因子的贡献率表示，可以通过方差分析结果进行计算。总贡献率表示某因子的作用占总作用的比例，偏贡献率表示某因子的作用占总偏作用的比例。总作用包括模型其它因子的作用，总偏作用则不包括模型其它因子的作用。二者从不同角度反映因子的作用大小，并且均是无量纲的纯数[11-13]。

因子的总贡献率计算公式为：

2 结果与分析

2.1 玉米“秆-穗-粒”连接特性

2.1.1 茎秆-雌穗连接特性的品种和密度间差异 茎秆-雌穗连接力是玉米收获机摘穗机构设计的重要参数，影响着籽粒机收的损失率。由表2可知，品种、品种×密度互作对茎秆-雌穗连接力影响显著（P<0.05），密度对茎秆-雌穗连接力影响不显著（P>0.05）。

从总贡献率（表2）可以看出，品种取值52.08%，对茎秆-雌穗连接力作用最大;密度和品种×密度互作的取值分别为0.94%和10.95%，远小于品种的取值。偏贡献率也表现出类似的情形。因此，品种是影响玉米茎秆-雌穗连接力的主要因素。

玉米茎秆-雌穗连接力的变异范围为291～579 N（图1）。郑单958的茎秆-雌穗连接力最小，显著低于其他品种;粒收1号的最大，与新单68、丰垦139、创玉107差异不显著。供试品种按茎秆-雌穗连接力从大到小排序是：粒收1号>新单68>丰垦139>创玉107>迪卡517>利单618>郑单958。

2.1.2 穗轴-籽粒连接特性的品种和密度间差异 穗轴-籽粒连接力是玉米收获机脱粒机构设计的重要参数，也影响到籽粒的脱净率。由表3可知，品种、品种×密度互作对穗轴-籽粒纵向、横向连接力的影响均达到显著水平（P<0.05），而密度对它们的影响不显著（P>0.05）。

从总贡献率（表3）上看，品种分别取值40.55%和18.71%，对穗轴-籽粒连接力作用最大;密度的数值为负数，表示其作用为零;而品种×密度互作的数值相对于品种的取值较小。因此，品种是影响玉米穗轴-籽粒连接力的主要因素。

玉米穗轴-籽粒纵向连接力的变幅为5.57～13.69 N（图2）。粒收1号的纵向连接力最大，且与利单618差异不显著;丰垦139的纵向连接力最小，约是粒收1号的40.7%。供试品种按穗轴-籽粒纵向连接力的大小排序为：粒收1号>利单618>新单68>创玉107>郑单958>迪卡517>丰垦139。

2.2 玉米穗轴、籽粒力学特性

2.2.1 穗轴力学特性的品种和密度间差异 在机械脱粒过程中，穗轴的力学特性既影响籽粒的破碎率，也影响杂质率。由表4可知，品种、密度对穗轴抗压碎力和抗弯折力影响显著（P<0.05），品种×密度互作影响不显著（P>0.05）。

从总贡献率（表4）看，品种分别取值89.71%和56.92%，密度和品种×密度互作的数值接近于零，说明品种对穗轴抗压碎力和抗弯折力的作用最大，而密度和品种×密度互作的作用几乎为零。偏贡献率也表现出类似的情形。因此，品种是影响玉米穗轴抗压碎力和抗弯折力的主要因素。

参试玉米品种的穗轴抗压碎力的变异范围是1 070～3 849 N，穗轴抗压碎力随种植密度的提高整体呈现下降趋势（表5、图4）。在3个密度条件下，粒收1号的穗轴抗压碎力均最大，丰垦139的穗轴抗压碎力最小，整体上约是粒收1号的30%。供试品种按穗轴抗压碎力从大到小排序是：粒收1号>创玉107>利单618>迪卡517>郑单958>新单68>丰垦139。

2.2.2 籽粒抗压碎力的品种间差异 籽粒抗压碎力影响籽粒的破碎率。品种对籽粒抗压碎力影响显著（P<0.0001）。20个品种的籽粒抗压碎力在89～157 N内变化，抗压碎力最大的品种是登海528，与聊玉B32、先玉335差异不显著（表6）。

2.2.3 籽粒抗剪切力的品种间差异 籽粒抗剪切力是影响破碎率的另一个重要指标。品种对籽粒抗剪切力影响显著（P<0.0001）。20个品種的籽粒抗剪切力在42.7～105.0 N之间变化，籽粒抗剪切力最大的品种是QN-2，与金海Z-3、QN-1、聊玉B3、鲁单9136等差异不显著（表6）。

2.2.4 籽粒穿刺强度的品种间差异 籽粒穿刺强度也是影响破碎率的重要指标。品种对籽粒穿刺强度影响显著（P<0.0001）。20个品种籽粒穿刺强度的变化范围是48.1～77.0 MPa，穿刺强度最大的品种是连胜2018，先玉335、聊玉B19、聊玉B32、QN-2、QN-3、金海Z-5等与其差异不显著（表6）。

2.2.5 籽粒力学特性与几何性状的遗传相关分析 由表7可知，长度、周长、面积、表面积、体积、矩形度与抗压碎力呈显著正相关;厚度、面积、表面积、体积、矩形度与穿刺强度呈显著正相关;比表面积与籽粒抗压碎力、抗剪切力、穿刺强度均呈显著负相关，相关系数分别为-0.572、-0.534、-0.820。

3 讨论

玉米籽粒机械化收获是指通过收获机械在田间一次性完成摘穗、剥苞叶、脱粒、分离、清选并入仓的过程[14]。关于籽粒机械化收获方面的研究，众多研究将重点放在籽粒的力学特性上，有关摘穗、脱粒时茎秆-雌穗、穗轴-籽粒连接特性的信息很少。茎秆-雌穗连接力和穗轴-籽粒纵向、横向连接力分别影响摘穗和脱粒时的损失率，因此，本试验将重点放在对茎秆-雌穗连接特性、穗轴-籽粒连接特性的研究上，使整个试验囊括了从摘穗到脱粒过程中所涉及到的关键力学特性，构成一个比较完整的体系。

显著性只能表明某因子作用的存在，却无法提供因子作用大小的信息，不能反映因子作用的实质重要性[15]，无法直接比较不同因子的重要性，尤其是在它们拥有相同统计显著性情形下的相对重要性。本研究通过计算因子的效应大小反映因子作用的实质重要性，用总贡献率和偏贡献率作为反映因子效应大小的指标[16]。结果表明，玉米“秆-穗-粒”连接特性及穗轴、籽粒力学特性的品种效应显著大于密度、互作等其他因子的效应。通过不同因子效应大小的比较，能够提供关于效应的更深刻认识。

针对本试验籽粒抗压碎力的测定方向问题，经查阅相关文献发现，玉米籽粒破碎率受最小破碎力影响较大[16]，同一品种、同一含水率的玉米籽粒在立放时的抗压能力最小[18-23]。故本试验均以立放的方式测定籽粒的抗压碎力。张锋伟等[20]测得当含水率为22.6%时金穗4号的籽粒抗压碎力为122.4 N;杨玉芬等[21]测得富油1号和东单1号在籽粒含水率为22.9%时的抗压碎力分别为160.5 N和128.8 N;赵学笃等[23]测得玉米籽粒在24%含水率的条件下的抗压碎力是59 N。本研究测得当籽粒含水率为26%时，20个玉米品种的籽粒抗压碎力在89～157 N范围内变化。这些结果尽管不完全相同，但数值接近，反映了籽粒抗压碎力的基本情况，而且本研究的供试品种遗传背景更加丰富，结果代表性更好。

本研究发现比表面积是一个重要的几何性状，显著影响籽粒的3种力学特性，对穿刺强度的影响尤为明显，二者的相关系数绝对值最大，达0.820。此外，本课题组发现与含水率相比，籽粒穿刺强度能够更精确地预测脱粒破碎率，是影响脱粒破碎率的直接因素（详细数据未列出，将另文发表）。

4 结论

品种是影响玉米“秆-穗-粒”连接特性及穗轴力学特性的主要因素。密度对穗轴抗压碎力和抗弯折力的影响显著，品种×密度互作对茎秆-雌穗连接力、穗轴-籽粒纵向、横向连接力的影响显著。玉米品种对籽粒的穿刺强度、抗压碎力和抗剪切力有强烈影响;籽粒比表面积与穿刺强度、抗压碎力和抗剪切力相关性显著，是一个重要的几何性状。这些研究发现对于宜机收玉米品种的选育和栽培、收获机具的设计有一定参考价值。

参 考 文 献：

[1] 张东兴. 农机农艺技术融合推动我国玉米机械化生产的发展[J]. 农业技术与装备，2011（9）：22-25.

[2] 柳楓贺， 王克如， 李健， 等. 影响玉米机械收粒质量因素的分析[J]. 作物杂志， 2013（4）：116-119.

[3] 裴建杰， 范国昌. 对玉米收获中籽粒破碎和损失的影响因素试验研究[J]. 河北农业大学学报， 2012， 35（1）：102-105.

[4] 崔日鲜， 张兆玉， 曹洪波， 等. 抗倒指数在作物抗倒性能评价中应用研究[EB/OL]. 北京：中国科技论文在线[2017-09-15]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201709-78.

[5] Anazodo U G N. Mechanical properties of corn cobs [D]. Montreal：McGill University，1980.

[6] 余吉洋. 玉米果穗物理力学性质的测试研究[D]. 吉林：吉林大学， 2014.

[7] 薛军， 李璐璐， 张万旭， 等. 玉米穗轴机械强度及其对机械粒收籽粒破碎率的影响[J]. 中国农业科学， 2018， 51（10）：1868-1877.

[8] 李心平， 马福丽， 高连兴. 玉米种子的跌落式冲击试验[J]. 农业工程学报， 2009， 25（1）：113-116.

[9] 丁山， 高玉香， 李银昌， 等. 玉米果穗轴粒连接力测量装置： CN208060364U[P]. 2018-11-06.

[10] 郝建平， 杨锦忠， 杜天庆， 等. 基于图像处理的玉米品种的种子形态分析及其分类研究[J]. 中国农业科学， 2008， 41（4）：994-1002.

[11] Olejnik S， Algina J. Measures of effect size for comparative studies： applications， interpretations， and limitations [J]. Contemporary Educational Psychology， 2000， 25（3）：241-286.

[12] Lakens D. Calculating and reporting effect sizes to facilitate cumulative science： a practical primer for t-tests and ANOVAs [J]. Frontiers in Psychology， 2013， 4（4）：863.

[13] 丁山， 张兆玉， 杨锦忠， 等. 玉米茎秆力学性状的边际效应研究[J]. 山东农业科学， 2018， 50（11）：37-42.

[14] 王克如， 李少昆. 玉米机械粒收破碎率研究进展[J]. 中国农业科学， 2017， 50（11）：2018-2026.

[15] 杨锦忠， 宋希云. 单一响应变量统计分析在烟草学研究中应用的若干问题[J]. 中国烟草学报， 2014， 20（4）：108-114.

[16] 薛吉全， 梁宗锁， 马国胜， 等. 玉米不同株型耐密性的群体生理指标研究[J]. 应用生态学报， 2002（1）：55-59.

[17] 蔡超杰， 陈志， 韩增德， 等. 种子玉米生物力学特性与脱粒性能的关系研究[J]. 农机化研究， 2017， 39（4）：192-196.

[18] 李心平， 李玉柱， 高吭， 等. 种子玉米籽粒仿生脱粒机理分析[J]. 农业机械学报， 2011， 42（2）：99-103.

[19] 袁月明， 栾玉振. 玉米籽粒力学性质的试验研究[J]. 吉林农业大学学报， 1996（4）：78-81.

[20] 张锋伟， 赵武云， 韩正晟， 等. 玉米籽粒力学性能试验分析[J]. 中国农机化， 2010（3）：75-78.

[21] 杨玉芬， 张永丽， 张本华， 等. 典型玉米种子籽粒的静压破损试验研究[J]. 农机化研究， 2008（7）：149-151.

[22] 李衣菲. 玉米芽种力学特性研究[D]. 大庆： 黑龙江八一农垦大学， 2016.

[23] 赵学笃， 马中苏， 孙永海， 等. 玉米籽粒力学性能的实验研究[J]. 吉林工业大学学报，1996（1）：60-66.