92个花生品种(系)的果柄和荚果力学特性研究

迟晓元王东伟孙 伟许 静陈明娜潘丽娟陈 娜王 通王 冕王 冰陈有庆胡志超*禹山林*

(1.山东省花生研究所,山东 青岛 266100; 2.青岛农业大学机电工程学院,山东 青岛 266109;

3.临沂市农业科学院,山东 临沂 276012; 4.农业农村部南京农业机械化研究所,江苏 南京 210014)

花生作为我国重要的经济作物和油料作物,在国民经济发展中举足轻重[1]。近几年,我国花生种植面积和产量不断增加,花生的机械化发展变得更加重要[2-3]。我国花生收获主要有人工收获、半机械化收获和机械化收获三种方式,以人工收获为主,总体机械化收获水平约为30%左右[4-5]。

花生果柄和荚果力学特性影响着花生收获机作业质量指标。近年一些学者开展了相关研究,主要包含破壳力、含水量、果柄机械特性等方面。沈一等(2012)研究发现100个不同花生品种(系)的果柄强度间存在差异,果嘴、果腰等性状与果柄强度间有相关性[6]。易克传等(2013)研究表明随含水率的增加,花生破壳力和果仁抗破损强度均显著增加。果仁抗破损力高于果壳抗破壳力,仁壳易分离[7]。关萌(2016)发现,在相同含水率下,白沙1016、花育30和四粒红果柄的自身抗拉强度＞秧柄节点＞果柄节点;侧压的破裂力、弹性模量和压缩功＞正压＞立压[2]。杨亚洲等(2016)以调湿处理后的海花1号为研究对象,发现侧放的花生荚果破裂力、花生仁破损力＞正放＞立放。二者随含水率的增加先减小再增加,花生仁破损力高于花生荚果破裂力[8]。品种、含水率、放置方式、冲击角度对花生荚果破壳能量均有影响[9]。吴琪等(2016)表明大田晾晒3d后26个花生品种的果柄强度均较低。大、小花生品种的果柄强度间差异不显著,不同品种的果柄强度随荚果成熟度变化不同[10]。周德欢(2017)以天府 3 号为材料,发现适收期内秧柄节点拉断力＞果柄节点,拉断力先增大后减小。4～5 d晾晒后,拉力值较低,花生秧蔓拉伸和剪切力不断地减小。花生荚果侧压破裂所需力＞正压＞立压[4]。王京等(2017)以大白沙、黑花生、两粒红、小白沙为研究对象,表明受力位置、含水率、放置方式、花生品种、加载速度对荚果的损伤形式、破壳力、变形量有不同的影响[11]。王传堂等(2017)从58个花生新品系中筛选出果柄强度较高,荚果自植株上脱离时不带果柄的花生新品系26个[12]。孙雅文等(2017)发现,在不同成熟度、不同含水率时,不易落果品种的果-柄、柄-茎间断裂拉力显著高于易落果品种[13]。王冰(2018)选取我国11个典型花生品种为研究对象,测定收获期内花生株系基本信息、几何特性、含水率、机械和生物力学特性、结果特性等重要参数,为半喂入花生摘果和筛选技术研究提供了理论基础和新方法[5]。迟晓元等(2018)从76个花生品种(系)中筛选出适宜机械化收获的大花生新品系6个,荚果和籽仁产量均比对照增产[14]。王传堂等(2019)通过对57个花生品种(系)的测定,提出果柄强度最小值不低于5N、果壳强度最小值不低于1.26kN的普通型品种适合鲜花生机械化收获。并筛选出10个适合一段式机械收获的花生新品种(系)[15]。研究还发现6个高油酸夏花生新品种(系)的侧向果壳强度＞卧向＞竖向。结实范围、果柄强度与果壳强度间有相关性,3个方向的果壳强度间有相关关系。并筛选出4个适合机械化联合收获的高油酸花生品种(系)[16]。

机械化收获主要有分段、两段式和联合收获三种模式。在现有的花生机械化收获技术中,联合收获设备集成度最高,可一次完成花生挖掘、去土、输送、摘果和清选等作业,具有荚果破损率低、作业顺畅性好、秧蔓可饲料化利用等优点[5]。因此,本研究对92个花生品种(系)鲜荚果的果柄强度、荚果压缩破壳力、荚果层厚度和高度、产量和品质等指标进行测定和分析,以便筛选出适合联合收获机作业的优质花生品种(系),为花生联合收获机的优化设计提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用本课题组培育的92个花生品种(系)为试验材料,对照品种是花育33号(表1)。

1.2 92个花生品种(系)果柄强度测定

试验于2018年在山东省花生研究所莱西试验农场进行。采用SH-50型数显式推拉力计(温州山度仪器有限公司)测量每棵花生植株第一对侧枝上的5个荚果。每个品种(系)选择5棵花生植株。记录最大拉力值,并记录果柄断裂部位(茎处或荚果处)。具体详见迟晓元等[14]的方法。

1.3 92个花生品种(系)荚果层厚度和高度的测定

在地里,从侧面挖掘,小心不碰触花生荚果,去除荚果四周的土壤,露出花生荚果层,测量花生荚果层厚度(花生荚果的水平生长分布范围)和高度(荚果生长底部距离垄顶的高度,也就是在垂直方向的荚果分布范围)。收获后,手持花生,模拟收获机起拔后在夹持输送过程中的状态,再测量花生荚果层厚度(在水平方向的荚果分布范围)和高度(在垂直方向的荚果分布范围)。每个品种(系)测定5棵花生植株。

1.4 92个花生品种(系)荚果压缩破壳力测定

根据王冰等的方法[5],采用CMT4503微机控制电子万能试验机(深圳市新三思材料检测有限公司)测定花生荚果立放(荚果站立)、侧放(果嘴朝外)、正放(果嘴朝下)的压缩破壳力,使上压盘以10mm/min的速度下降,挤压破坏花生。每个品种(系)随机选取30个成熟饱满的双仁鲜荚果,每个方向各有10个测定值。

1.5 92个花生品种(系)荚果成熟度测定

成熟度测定采用中果皮比色法[17],具体详见迟晓元等[14]的方法。

1.6 92个花生品种(系)产量和品质性状的测定

收获后对花生品种(系)的产量进行统计和分析,计算单产、出米率、荚果和籽仁增产比率等产量数据。花生品质性状测定采用近红外光谱仪进行测定和分析。

1.7 统计分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 24进行多重比较分析[18]和相关性分析[19]。

2 结果与分析

2.1 92个花生品种(系)果柄强度分析

表2所示,92个花生品种(系)由于自身特性不同,果柄强度大小差别较大,均值变幅1.94～11.77N。已知果柄强度分四级:低(5.69～8.44N),中(8.45～13.96N),高(13.97～16.72N),极高(＞16.72N)[20]。

表1 试验材料Table 1 List of peanut varieties (lines)

表2 92个花生品种(系)的果柄强度变幅Table 2 Variation of peg strength of 92 peanut varieties (lines)

表3所示,92个花生品种(系)中果柄强度中的有20个,低的有44个,另外有28个品种(系)则比“低”这一标准还要低,纳入“极低”标准。平均果柄强度最大的品种是P18-52(11.77N),其次为花育9120(10.91N),花育35号(10.80N),P18-53(10.48N),P18-67(10.15N),花育50号(10.06N),花育60号(10.01N),最小的是P18-70(1.94N)。位于前10位的品种(系)的果柄强度均值(9.42～11.77N)显著或极显著高于后49位(1.94～6.82N)。果柄强度均值居首位的P18-52(11.77N)显著。或极显著高于后79位,前13位间无显著差异。

表3所示,36个花生品种(系)未熟荚果(黄、白)的果柄强度高于成熟荚果(黑、褐)的果柄强度,38个品种(系)成熟荚果果柄强度高于未熟,另有18个品种(系)只存在一种成熟度故无法比较。花育9114,P18-41,P18-24,P18-101,花育32号的未熟荚果果柄强度显著或极显著高于成熟荚果;P18-67,P18-65,P18-74的成熟荚果果柄强度显著或极显著高于未熟荚果;其余品种(系)差异不显著。此外,有34个品种(系)的荚果处脱落率为100%,27个品种(系)的荚果处脱落率为93%～94%,然而荚果处脱落率最低的仅有53.33%(P18-75)。因此,采用机械收获这些荚果处脱落率较高的品种,其余的采用人工收获较为合适。43个品种(系)秧-柄节点的果柄强度大于果-柄节点,15个品种(系)果-柄节点的果柄强度大于秧-柄节点。15个品种(系)秧-柄节点的果柄强度显著或极显著高于果-柄节点,存在极显著差异的有P18-53,P18-38,P18-73,花育9114,P18-104,P18-103,P18-60,P18-74,P18-57,P18-35;存在显著差异的有花育9120,花育50号,P18-62,P18-81,P18-78,符合果柄强度“秧-柄节点＞果-柄节点”的顺序[2,4]。

2.2 92个花生品种(系)破壳力及荚果层厚度和高度分析

如表4和表5所示,92个花生品种(系)中正压破壳力均值最小的是P18-73(3.39kN),最大的是花育43号(9.76kN)。其中正压破壳力均值位于前6位的花生品种(系)(8.53～9.76kN)显著或极显著高于正压破壳力均值位于后41位的花生品种(系)(3.39～6.03kN),正压破壳力均值前10位之间以及均值后26位之间的花生品种(系)无显著差异。侧压破壳力均值变幅为3.51(花育50号)～11.07kN(R16-5)。其中均值前4位的花生品种(系)(9.43～11.07kN)显著或极显著高于均值位于后65位的花生品种(系)(3.51～7.10 kN)。侧压破壳力均值最高的R16-5在5%水平下显著高于后88位花生品种(系),1%水平下极显著高于后83位花生品种(系)。92个花生品种(系)的立压破壳力均值都低于5 kN,其中均值最高的P18-79(4.86 kN)显著或极显著高于均值位于后79位的花生品种(系),立压破壳力均值前13位之间以及均值后16位之间的花生品种(系)无显著差异。

花生的荚果层厚度和高度在不同品种(系)间差异显著。夹持状态荚果层厚度均值最大的品种(系)是P18-105(18.67cm),最小的是花育32号(9.67cm)。92个花生品种(系)之间在1%水平下均未达到极显著。夹持状态荚果层高度均值变幅为7.33(P18-75)～16.67cm(花育43号),P18-75显著或极显著高于均值位于后64位的花生品种(系)。荚果层厚度的变幅为10.41(R16-5)～19.40cm(P18-62),均值在前11位的显著或极显著高于后76位花生品种(系)。荚果层高度均值最大和最小的品种(系)分别是P18-79(9.20cm)和P18-76(5.30cm),高度均值位于前24位的花生品种(系)显著或极显著高于后16位。另外,同一花生品种(系)在不同状态下也存在一定的差异,其中22个花生品种(系)的荚果层厚度在夹持状态显著或极显著小于地里的自然生长状态;花育60号,P18-17,P18-105,P18-44,P18-81等5个花生品种(系)的荚果层厚度在夹持状态显著或极显著大于地里的自然生长状态;其余65个品种(系)差异不显著。对于花生的荚果层高度,14个花生品种(系)在夹持状态显著大于地里的自然生长状态;花育35号,花育43号等55个品种(系)的荚果层高度在夹持状态极显著大于地里的自然生长状态;其余23个品种(系)差异不显著。

表3 92个花生品种(系)果柄强度Table 3 Peg strength of 92 peanut varieties (lines)

表3 92个花生品种(系)果柄强度 (续表)Table 3 Peg strength of 92 peanut varieties (lines) (Continued)

表4 92个花生品种(系)的荚果压缩破壳力、荚果层厚度和高度变幅Table 4 Variation in pod compression rupture force, thickness and height of pod layer of 92 peanut varieties (lines)

表5 92个花生品种(系)荚果压缩破壳力及荚果层厚度和高度Table 5 Pod compression rupture force, thickness and height of pod layer of 92 peanut varieties (lines)

2.3 相关性分析

对果柄强度、果处脱落百分率、破壳力、荚果层厚度和高度等13个指标进行相关性分析(表6),发现花生的果柄强度与不同方向的压缩破壳力、不同状态下的荚果层厚度与高度之间相关不显著。花生的果柄强度与不同成熟度(黑、褐;黄、白)的果柄强度、果-柄节点的果柄强度、秧-柄节点的果柄强度呈极显著正相关,与荚果处脱落的百分率呈极显著负相关。正压破壳力、立压破壳力、侧压破壳力之间都呈极显著正相关。夹持状态荚果层厚度与荚果层厚度、夹持状态荚果层高度呈显著或极显著正相关,荚果层厚度与荚果层高度呈显著正相关,但是夹持状态荚果层高度与荚果层高度相关不显著。

2.4 92个花生品种(系)产量和品质性状分析

表7所示,92个花生品种(系)中单产最高的是花育9120(386.67kg/667m2),P18-61(339.56 kg/667m2)第二,P18-56(336.89kg/667m2)第三,P17-10(171.00kg/667m2)单产最低。脂肪含量最高的是P18-29(58.52%),最低的是P18-57(40.91%)。蛋白质含量最高是冀甜1号(29.82%),最低是P18-57(19.00%)。油酸含量较高的前五位分别是P18-60(82.48%),P18-43(82.31%),P17-14(81.58%),P17-12(81.13%),花育32(80.95%),最低为花育19,仅为39.21%。油亚比(O/L)较高的前五位分别是P18-17(54.85),P18-75(51.21),P18-43(25.22),P18-60(23.31),P18-69(22.46),最低为花育19,仅为0.93。对照花育33号的单产为275.20 kg/667 m2,与对照相比,增产的品种(系)有46个,其中荚果和籽仁产量均比对照增产的有39个。这39个品种(系)中果柄强度均值高于花育33号(7.81N)的品种(系)有10个,分别为:花育9120,花育35号,P18-53,花育50号,P18-22,P18-100,花育43号,P18-112,P18-34,花育912。它们的正压破壳力均值变幅4.19～9.76kN,侧压破壳力均值变幅3.51～7.08kN,立压破壳力均值变幅1.16～3.58kN,夹持状态荚果层厚度均值变幅12.00～16.67cm,夹持状态荚果层高度均值变幅8.67～16.67cm,荚果层厚度均值变幅12.2～16.6cm,荚果层高度均值变幅5.4～8.2cm。

表7 92个花生品种(系)产量和品质性状变幅Table 7 Variation of yield and quality traits of 92 peanut varieties (lines)

3 结论与讨论

培育筛选适于机械化的花生品种,利于开展花生机械化研究。在本研究中,针对果柄强度、荚果压缩破壳力、荚果层厚度和高度、产量和品质等指标,对92个花生品种(系)进行了分析,筛选适合联合收获的花生品种(系)。这92个花生品种(系)的果柄强度分布在中～极低之间,缺少果柄强度高和极高的品种。我们以前测定过76个花生品种(系)的果柄强度,结果跟这次相似,也缺少果柄强度高和极高的品种。这与王传堂等(2017,2019)[12,15-16]的研究结果相一致。因此,需要我们扩大品种筛选的范围。随着荚果成熟度变化,不同品种(系)的果柄强度变化不同,这与吴琪等(2016)[10]、迟晓元等(2018)[14]结果相似。8个品种(系)的果柄强度在未熟和成熟荚果间存在显著或极显著差异,其余品种(系)差异不显著。92个品种(系)中有34个品种(系)在荚果处脱落率为100%。大多数品种(系)在茎处脱落的果柄强度大于荚果处,符合抗拉伸强度“秧-柄 节 点＞果-柄 节 点”的 顺 序,这 与 关 萌(2016)[2]、周德欢(2017)[4]、王冰(2018)[5]、迟晓元(2018)[14]等研究得出的规律相同。

大多数花生品种(系)的荚果侧压破壳力＞正压＞立压,这与前人的研究结果相一致[2,4-5,8-9]。花生荚果正放和立放时,花生壳结合部位也就是花生棱线处纵向受力,此处纤维组织分布不均匀,结构不连续,所以抗压强度低,易产生纵向裂纹。荚果侧放时,花生两侧面中心位置受力,受力面积大,组织结构连续,纤维组织均匀,所以抗压强度强,易产生横向裂纹[2,4-5,8-9]。我们还发现,大多数品种(系)的夹持状态荚果层高度显著或极显著大于荚果层高度;27个品种(系)的夹持状态荚果层厚度与荚果层厚度之间存在显著差异,其余65个品种(系)差异不显著。王传堂等(2019)发现结实范围、果柄强度与果壳强度间,以及竖放、侧放、卧放的果壳强度间,均存在一定相关关系[15-16]。而我们发现花生的果柄强度与不同方向的压缩破壳力、不同状态下的荚果层厚度与高度之间相关不显著。但是3个方向的破壳力之间存在极显著正相关。需要采用更多花生品种(系)来验证这种相关关系。

本研究还初步筛选出10个适于机械化收获的优质大花生品种(系),果柄强度较高,荚果和籽仁产量均比对照花育33号增产,为培育筛选适宜机械化收获的花生新品种提供了参考,相关研究方法和手段也可为花生株系特性方面的研究提供借鉴。