玉米机械粒收籽粒含杂率与穗轴特性关系分析

2021-10-12孔凡磊刘佳媛李小龙陈谋浩袁继超

农业工程学报 2021年14期

赵波，孔凡磊，陈祥，刘佳媛，李小龙，杜霞，陈谋浩，袁继超

（四川农业大学/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130）

0 引言

中国西南地区因其独特的地形地貌和生态特点，在玉米生产中机械化程度低，尤其是收获环节，严重依赖人力投入，造成玉米生产利润低、市场竞争力弱和可持续性差等问题[1-2]。研发适宜收获机械，选择宜机品种，配套优良栽培及收获技术，提高玉米机械化收获水平，减少人力等不可再生资源的投入，能显著提升玉米生产效益竞争力和可持续发展水平[3-5]。玉米机械粒收质量评价指标主要包括破碎率、杂质率和损失率[6-8]，以往的研究主要集中于机械粒收破碎率和损失率[1,9-11]，机械粒收籽粒含杂率及其影响因素研究较少，鲜见西南地区玉米机械粒收籽粒含杂率的相关研究。因此，明确西南玉米机械粒收籽粒含杂率现状，对于指导该区域实际生产和技术改良具有重要意义。中国西北春玉米区、黄淮海夏玉米区和东北、华北春玉米区机械粒收的杂质率均值为1.27%，范围为0%～18.01%[7]。适期晚收是被认为能够利用光热资源来实现玉米籽粒田间干燥降低含水率达到降本增效和显著提升机械粒收质量的关键技术[6,12-14]，随收获时期后移，籽粒含杂率显著降低[6,13]。赵波等[15]研究发现，穗轴占机械粒收杂质的比例达55.49%。杂质率主要受玉米籽粒含水率和穗轴含水率的影响[16]，玉米穗轴硬度是影响机械粒收破碎率的重要因素[10]，穗轴硬度与籽粒含杂率间存在负相关性[16]。机械操作差异也是影响籽粒含杂率的重要因素，不同的收获机型由于筛网间隙、振动筛结构形式、脱粒滚筒转速、清选风机风力等参数的不同，导致籽粒含杂率存在显著差异[16-18]。作者前期进行了西南玉米机械粒收破碎率的研究[1]，而西南玉米目前推广使用的粒收机型多是水稻、小麦、油菜收获机械改装而来，是否会造成高的机收籽粒含杂率、不同收获期机收杂质中穗轴绝对重量和所占比例的变化以及不同收获期穗轴特性对杂质率的影响尚不清楚。为此，本研究于2018—2020年在四川中江同一地块，采用同一机械、操作人员进行分期收获试验，分析不同收获期杂质组分和穗轴特性变化规律，明确穗轴特性与机械粒收籽粒含杂率的关系，以期为玉米机械粒收技术改良和适宜机械粒收品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2018—2020年在四川省中江试验基地（31°03′N，104°68′E）进行。试验地块平整，肥力相对一致，且 3年保持同一地块。从四川玉米产区有较大种植推广面积、较适合机收的品种中选取仲玉 3号（南充市农业科学院提供）、成单30（四川省农业科学院提供）、先玉 1171（铁岭先锋种子研究有限公司提供）和正红 6号（四川农大正红生物技术有限责任公司），大区种植，行距60 cm，种植密度为60 000株/hm2。2018—2020年播种时间分别为4月8日、3月27日和3月31日，4个参试品种的生育期相近，以乳线消失、黑色层完全形成为生理成熟期判定标准，2018年至2020年生理成熟期分别在7月31日、8月6日和8月3日。2018年设置6个收获期，即7月31日、8月7日、8月13日、8月19日、8月25日和8月31日；2019年设置8个收获期，即7月22日、7月28日、8月10日、8月15日、8月20日、8月25日、8月30日和9月6日；2020年设置5个收获期，即8月3日、8月8日、8月20日、8月25日和9月5日；每次收获均在上午11点左右进行。收获机为久保田4LZY-1.8B，配套家家乐4YG-3A玉米收割台，该机割幅3行（适宜行距55～65 cm），每次收获采用同一台机器、同一作业人员，收获长度不少于 20 m，收获行走速度、机器转速、进风口大小、脱粒滚筒及筛板、割台高度等设置在每次收获时保持一致。每次收获前取样测定玉米穗轴特征值，收获后调查籽粒含杂率情况。试验期间的温度和降雨量见图1。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 穗轴弯曲强度

每次收获前从待收获区域随机选取 15个无穗粒腐病果穗，手工脱粒，采用茎秆强度测定仪（浙江托普仪器有限公司，中国杭州，500 N量程）测定玉米穗轴弯曲强度。以穗轴中部为中心，将穗轴放于支撑架凹槽内，2个支撑点距离10 cm，然后将U型探测头垂直于穗轴方向缓慢匀速下压，记录穗轴折断时仪器所显示的最大力学值[19-20]。每个区域3次重复。

1.2.2 穗轴含水率

在完成穗轴弯曲强度测定后，立即将穗轴称鲜质量（FW），80 ℃烘干至恒质量，称干质量（DW），计算穗轴含水率：

1.2.3 籽粒含质率

每次分品种收获后，将机仓内全部籽粒放空装袋，充分混匀后随机取2 kg（Wh），取3次（3个重复），参照 GBT-21961—2008[21]，人工将其分为籽粒和非籽粒部分，然后称取非籽粒部分质量（Wz），计算籽粒含杂率（Zz）[22]：

1.2.4 杂质种类

将非籽粒部分（杂质）按穗轴、叶片、茎秆、种皮、残渣、其他 6种类型进行人工分拣，并分别称质量，计算各类型杂质的相对含量：

1.3 数据处理

运用MicrosoftExcel 2016进行数据分析处理，利用DPS软件进行统计分析，利用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同收期籽粒含杂率及杂质组分变化

随收获期推迟，玉米机械粒收籽粒含杂率显著降低（图2）。2019年7次收获籽粒含杂率分别为7.90%、4.14%、1.14%、0.37%、0.27%、0.19%、0.11%，2020年4次收获籽粒含杂率分别为3.29%、1.90%、0.97%、0.44%。从杂质组成来看，穗轴是主要杂质组分，不同收获期杂质中穗轴所占比例均较大，2019年和2020年，杂质中穗轴所占比例范围分别为 32%～59%和 45%～79%，平均为51.45%。在2019年7月22日至8月15日和2020年8月3日至8月25日期间杂质绝对含量呈显著性下降，且杂质中穗轴绝对含量也呈显著下降，2019年穗轴绝对含量由26.73 g/kg降至0.53 g/kg，2020年由23.34 g/kg降至1.89 g/kg 。可见推迟收获显著降低机械粒收籽粒含杂率，杂质中穗轴绝对含量的显著降低对于降低玉米机械粒收含杂率十分重要。

2.2 不同收期穗轴特性变化

根据不同收获期穗轴弯曲强度和穗轴含水率的调查结果可知，随收获期后移，穗轴含水率呈逐渐降低的趋势（图3a），2018年和2020年穗轴弯曲强度呈先升高后逐渐降低趋势，但2019年则呈先降低后升高再逐渐降低趋势（图3b），这主要是由于2019年7月22日和7月28日2次收获均在玉米生理成熟前。可见，玉米达到生理成熟期后，穗轴弯曲强度呈先升高后逐渐降低的变化趋势，2018年至2020年分别在8月13日、8月15日和8月20日收获时最高。

2.3 籽粒含杂率与穗轴特性的关系

机械粒收籽粒含杂率与穗轴含水率和穗轴弯曲强度关系分析表明，籽粒含杂率与穗轴含水率呈显著正相关，两者间符合指数函数关系，可用方程y=0.045 6e0.0637x(R2= 0.774 7**,n= 75)拟合，且4个参试品种均表现出相似结果（图4a），玉米穗轴含水率降低至 65.72%以下收获机械粒收籽粒含杂率可降至 3%以下，达到国标标准[23]；而籽粒含杂率与穗轴弯曲强度无显著相关性（图4b）。

进一步对穗轴弯曲强度与籽粒含杂率进行相关分析表明，籽粒含杂率与穗轴弯曲强度不相关（表1）。通过对不同穗轴含水率下的穗轴弯曲强度与籽粒含杂率进行分析（表2），结果表明，26组穗轴含水率范围中，穗轴弯曲强度与籽粒含杂率相关性达显著水平的仅有6组。可见，在穗轴含水率相近时，籽粒含杂率与穗轴弯曲强度关系不大。

表1 穗轴弯曲强度与籽粒含杂率相关分析Table 1 Correlation analysis between cob bending strength and qrain impurity rate

表2 不同穗轴含水率下穗轴弯曲强度与籽粒含杂率的相关分析Table 2 Correlation analysis between cob bending strength and impurity rate of different cob moisture content

3 讨论

玉米机械粒收技术是通过籽粒收获机在田间一次性完成玉米摘穗、脱粒、分离清选等过程[24]，而一般只会有玉米果穗进入脱粒滚筒，因此脱粒和分离清选是影响玉米机械粒收籽粒含杂情况的两个关键环节，在玉米果穗进入脱粒滚筒后遭受 7～9次的冲击，脱粒滚筒中会出现果穗、籽粒和穗轴三种状态[25]。因此，穗轴可能是主要的杂质成分。本研究调查了不同收获期杂质各组分的绝对质量和占比发现，在不同收获期穗轴均是主要的杂质成分，并且随收获期后移，杂质中穗轴绝对质量的降低是机收籽粒含杂率显著下降的主要原因。适期收获被认为是显著提升玉米机械粒收质量的重要措施。本研究表明，在玉米生理成熟后，随收获期后移，穗轴弯曲强度呈先升高后逐渐降低趋势，穗轴含水率和籽粒含杂率呈逐渐降低趋势，穗轴含水率和籽粒含杂率变化趋势与前人研究结果相似[6,10]。分析不同收获期籽粒含杂率与穗轴弯曲强度、穗轴含水率的关系发现，穗轴含水率能更好解释籽粒含杂率的变化，低穗轴含水率表现出低机收籽粒含杂率，这是由于在低穗轴含水率下，穗轴被脱粒元件破碎后，能够顺利在风选系统作用下被分离清选[16,26]（风筛式清选装置因清选效率高在目前玉米粒收机械中应用广泛[27]）。因此，穗轴作为机收杂质的主要成分，通过适当延迟收获，可改变其特性进而有效降低籽粒含杂率。

对玉米穗轴特性与籽粒含杂率关系的分析表明，穗轴含水率与籽粒含杂率呈显著正相关的指数函数关系，而穗轴弯曲强度与籽粒含杂率无显著相关关系。Huang等[16]研究发现，籽粒含杂率主要受籽粒含水率和穗轴含水率的影响，与穗轴硬度间存在非显著负相关关系。Xue等[19]也指出，过软的玉米穗轴可能带来较高的机收籽粒含杂率。赵波等[15]研究发现，四川夏玉米机收籽粒含杂率与穗轴弯曲强度和压碎强度呈正相关。为此，本研究进一步对不同收获期穗轴弯曲强度与籽粒含杂率的关系分析发现，籽粒含杂率与穗轴弯曲强度关系不大。前人通过调查中国北方玉米区不同收获期玉米穗轴弯曲强度发现，生理成熟后穗轴弯曲强度先降低后升高，在生理成熟后6～8d强度最低[10,18]，与本研究结果存在差异，本研究四川春玉米在生理成熟后所处在8月份，2018年至2020年8月份累计降水量分别为194.1、239.9和451.2 mm（图1），显著高于北方玉米区生理成熟后 1个月左右的累计降水量[28-29]。这可能是由于四川春玉米生理成熟后降水量多，穗轴内部特性发生了变化，在穗轴含水率降低的情形下，穗轴硬度并没有表现出同北方玉米区一直增加的趋势。综上可以说明，穗轴含水率能很好反映籽粒含杂率的变化，籽粒含杂率与穗轴硬度关系不大。