不同玉米品种籽粒耐破碎性差异及影响因素

刘佳媛 刘倩倩 陈 祥 邓宗林 袁继超 孔凡磊*

(1.四川农业大学 农学院，成都 611130； 2.四川农业大学 作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130； 3.四川农业大学 资源学院，成都 611130)

玉米机械化收获，尤其是机械粒收可简化生产流程，节约生产成本，提高生产效率，是转变玉米生产方式，实现玉米高产高效协同发展、农机农艺相融合的重要途径[1-3]。同国外相比，我国的玉米机械收获技术起步较晚，近年来北方玉米生产区对玉米机械粒收技术进行了推广应用[3]，黄淮海等玉米种植区正开展积极的研究，尚处于起步阶段[4-6]。目前制约玉米机械粒收技术发展的重要原因是收获时籽粒破碎率较高[7-8]。籽粒破碎率的影响因素主要有品种[9-10]、籽粒含水率[11-14]、栽培措施[15]和机械本身因素[16-17]等，其中籽粒含水率过高是主要因素，破碎率随含水率呈二次曲线变化，且含水率在20%左右时机械粒收破碎率最低[18-19]。不同玉米品种的籽粒硬度存在较大差异，而玉米籽粒较高的硬度与机械粒收时较低的籽粒破碎率关系密切，研究表明籽粒力学特性中穿刺强度对破碎率的变化有直接影响，籽粒压碎特性与破碎率呈负相关关系[16,20-21]。因此，在玉米机械粒收技术的发展过程中，为获得较低籽粒破碎率的重要措施是降低籽粒含水率并选育耐破碎能力强的玉米品种。国外一般采用籽粒破碎敏感度对籽粒耐破碎能力进行评价[22]，国内也有相关研究，利用籽粒含水率与破碎率之间二次函数的平均偏差之和来评估玉米籽粒的耐破碎性能[23]。目前，已有大量研究对玉米机械粒收籽粒破碎及影响因素进行探讨，但鲜见不同玉米品种籽粒硬度及耐破碎性的相关研究。本研究拟通过田间试验，探究玉米籽粒含水率、破碎率和硬度在不同收获时间的动态变化及不同玉米品种间的差异，分析籽粒破碎率与含水率和硬度的关系；基于籽粒破碎率与含水率的关系评价不同玉米品种籽粒的耐破碎性，探究影响籽粒耐破碎性的因素，以期为玉米机械粒收技术的基础研究和耐破碎玉米品种的评价与选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

本试验于2020年进行。试验地点位于四川省中江县合兴乡新建村(30°57′ N，104°37′ E)，该区域试验年份玉米生长季的平均气温与降雨量见图1。玉米采用60 cm等行距种植，每品种种植3行，行长13 m，3次重复，密度60 000 株/hm2，播种时间为2020年3月30日，其他管理措施按当地实际生产进行。各玉米品种设5个收获时间，间隔5～7 d，具体日期如下：2020年8月7日、8月14日、8月20日、8月26日和8月31日。收获的玉米果穗采用轴流式双风道脱粒机脱粒。表1示出13个供试玉米品种的信息。

1.2 测定项目

1.2.1籽粒含水率与破碎率

每次收获前，各品种随机摘取长势一致、无病虫害的果穗5个，果穗中部籽粒进行人工脱粒，充分混匀后随机取样，3次重复，以100粒为单位称鲜重， 85 ℃烘干至恒重，称干重，计算籽粒含水率。每次收获时，选取代表性玉米果穗30个，通过脱粒机脱粒后充分混匀，将混合籽粒平均分成3份，去除杂质后称每份样品籽粒的总质量，再拣出有裂纹、损伤及破皮的破碎籽粒，称破碎籽粒的质量，计算籽粒破碎率。

图1 2020年试验区玉米生长季的平均气温和降雨量Fig.1 Daily precipitation and average temperature in maize growing season in the study area in 2020

表1 供试玉米品种的基本信息Table 1 Basic information of maize cultivars tested

1.2.2籽粒硬度指标

测定仪器为玉米茎秆强度测定仪：型号AWOS-SL0，量程500 N，分度值0.1 N，由石家庄艾沃士科技有限公司生产。每次测定玉米籽粒含水率的同时，随机取中部完整的籽粒样品120粒，利用截面为1 cm2的圆形探测头测定籽粒侧面和顶面的压碎强度，利用针形测头测定籽粒胚乳面和顶面的穿刺强度，每一品种籽粒的各部位分别测定30粒，分3次重复，1次重复测10粒。

1.2.3玉米籽粒耐破碎性评价

采用二次函数分别拟合不同玉米品种分期收获的所有籽粒的含水率和破碎率值，以玉米机械收获时田间籽粒含水率的集中范围(15%～30%)为区间，对拟合曲线进行积分，获得的积分值记为I，该积分值作为评价不同玉米品种籽粒的耐破碎性的指标，积分值越小，籽粒越耐破碎。以所有供试玉米品种籽粒的破碎率与含水率拟合方程的积分值的均值为中心点，设置积分值均值±15%的变幅区间，将供试品种分为3类：耐破碎型、中间型和易破碎型品种[24]。积分值计算公式如下：

式中：I为籽粒破碎率与含水率拟合方程的积分值；x为籽粒含水率；a、b和c为不同玉米品种籽粒破碎率与含水率拟合方程的参数。

1.3 数据处理

采用Excel 2016对数据进行处理，SPSS Statistics 27软件对数据进行统计分析，Excel 2016和Origin 2021软件作图。

2 结果分析

2.1 玉米籽粒不同收获时间的破碎率及含水率

随着收获时间的后移，籽粒破碎率呈现先降低后略微升高的变化趋势(图2 (a))。本试验各次收获时的籽粒破碎率变化范围分别为6.63%～24.06%、4.13%～18.77%、1.90%～10.34%(异常值为13.63%)、1.21%～5.95%和1.20%～6.11%(异常值为8.53%)；根据GB/T 21962—2008 《玉米收获机械 技术条件》， 50.77%的测试样本总体破碎率≤5%，以第3次收获以后的样本为主，其中第4次收获时籽粒破碎率的均值最低。参试品种5次收获籽粒破碎率的均值分别为4.12%、5.69%、9.93%、3.42%、5.36%、6.99%、5.12%、7.18%、5.86%、13.31%、8.57%、5.93%和10.61%(表2)。品种间的籽粒破碎率也存在极显著差异，随收获时间的推迟，品种间籽粒破碎率的差异逐渐减小。

随着收获时间的后移，籽粒含水率呈现逐渐降低的变化趋势(图2(b))。本试验测试籽粒的总体含水率范围为14.79%～34.00%，供试品种各次收获时的籽粒含水率范围分别是27.01%～34.00%、25.02%～32.42%、21.46%～29.12%(异常值为29.94%)、17.78%～26.35%和14.79%～21.12%。参试品种5次收获籽粒含水率的均值分别为24.86%、24.64%、27.99 %、22.52%、23.58%、25.04%、22.93%、24.14%、21.70%、27.69%、25.29%、21.42% 和24.87%(表3)。不同玉米品种在相同收获时间的籽粒含水率的差异达到极显著水平。

箱体部分代表50%样本的分布区域，为四分位区间(IQR)。箱体内实线为中位线，“”为异常值点，“”为均值。图3同。 The box part represents the distribution area of 50% samples, which is a quadrant interval (IQR). The solid line in the box body is the median line, is the abnormal point, and is the average. Same as Fig.3.图2 不同收获时间玉米籽粒破碎率(a)和含水率(b)的变化Fig.2 Changes of grain broken rate (a) and moisture content (b) of maize in different harvest dates

表2 不同收获时间不同玉米品种籽粒的破碎率Table 2 The grain broken rate of different maize varieties in different harvest dates %

表3 不同收获时间不同玉米品种籽粒的含水率Table 3 The grain moisture content of different maize varieties in different harvest dates %

2.2 玉米籽粒不同收获时间的硬度指标

随着收获时间的后移，玉米籽粒胚乳、顶面穿刺强度和侧面、顶面压碎强度均表现出逐渐增大的趋势，且各时期的差异均达到极显著水平(图3)。各次收获时，籽粒穿刺强度均值均表现为，胚乳>顶面，压碎强度均值表现为，顶面>侧面。

不同小写字母表示0.05 水平差异显著。 Different lowercase letters above boxes show significant differences at the 0.05 probability level.图3 不同收获时间玉米籽粒硬度指标的变化Fig.3 Changes of grain hardness index of maize in different harvest dates

2.3 玉米籽粒破碎率与含水率和硬度指标的关系

玉米籽粒破碎率与籽粒含水率极显著正相关，而与胚乳、顶面穿刺强度和侧面、顶面压碎强度均极显著负相关，籽粒含水率与各硬度指标之间也极显著负相关(表4)。各因素与破碎率的相关系数表现为：含水率>胚乳穿刺强度>侧面压碎强度>顶面穿刺强度>顶面压碎强度，表明籽粒含水率与破碎率的关系最为密切，通过测定籽粒的胚乳穿刺强度可以更好地反应籽粒的耐破碎能力。

表4 玉米籽粒破碎率与含水率和各硬度指标的相关系数Table 4 Correlation coefficients between maize broken rate、grain moisture content and hardness index

图4 玉米籽粒破碎率与含水率的关系Fig.4 The relationship between grain broken rate and moisture content

图5 玉米籽粒破碎率与各硬度指标的关系Fig.5 The relationship between grain broken rate and hardness index

2.4 不同玉米品种籽粒耐破碎性及影响因素

在籽粒含水率为15%～30%时，各玉米品种籽粒破碎率与含水率拟合方程的积分值为38.70～138.03，平均值为86.94(图6)。以所有供试品种籽粒破碎率与含水率拟合方程的积分值的均值为中心点，设置积分值均值±15%的变幅区间，对供试品种进行分类，结果见表5：13个供试品种中耐破碎型的品种有5个，分别是硬粒型品种‘太平洋891’、‘中智1608’、‘太平洋99’，半马齿型品种‘仲玉3号’和半硬粒型品种‘辽禾308’，积分值范围为38.70～65.25；易破碎型的品种有4个，分别是马齿型品种‘正红507’、‘正红505’、‘川单99’和‘正红431’，积分值范围为112.20～138.03；其余均为中间型品种，积分值范围为81.77～96.87。耐破碎型玉米品种中以硬粒型较多，其次是半马齿型和半硬粒型，而易破碎型则以马齿型玉米品种为主，但也存在耐破碎能力中等的马齿型品种‘正红6号’和‘渝单30’。因此参试玉米品种耐破碎能力总体上表现为硬粒型>半马齿、半硬粒型>马齿型。

积分值I<73.90为耐破碎型品种，73.90≤I≤99.98为中间型，I>99.98为易破碎型。 The integral value I<73.90 is the high breakage resistant type, 73.90≤I≤99.98 is the intermediate breakage resistant type, and I>99.98 is the low breakage resistant type.图6 供试玉米品种的籽粒破碎率与含水率拟合方程的积分值及耐破碎性分类Fig.6 Integral value of the fitting equation of grain broken rate and moisture content and classification of breakage tolerance of tested maize cultivars

表5 不同玉米品种的籽粒类型及耐破碎性分类Table 5 Kernel type and classification of breakage tolerance of different maize varieties

在相近含水率条件下，不同玉米品种籽粒各硬度指标的差异达极显著水平(P<0.01)，且当籽粒含水率为(25±2)%时的各硬度指标低于籽粒含水率为(20±2)%时的各硬度指标，这表明各硬度指标在籽粒含水率下降时呈现增大的趋势(表6和表7)。当含水率为(25±2)%范围时，耐破碎型玉米品种籽粒的胚乳穿刺强度、顶面穿刺强度、侧面压碎强度和顶面压碎强度的均值分别为52.91、43.27、130.11和158.40 N，比中间型品种高8.69%、35.44%、8.40%和3.21%，比易破碎型品种高10.49%、33.39%、5.88%和3.26%(表6)。含水率为(20±2)%范围时，耐破碎型玉米品种籽粒的胚乳穿刺强度、顶面穿刺强度、侧面压碎强度和顶面压碎强度的均值分别为83.97、63.16、151.56和192.90 N，比中间型品种高16.90%、34.22%、6.82% 和0.76%，比易破碎型品种高18.15%、37.88%、9.23%和5.02%(表7)。可见，耐破碎性玉米品种具有较高的籽粒硬度。

表6 含水率在(25±2)%范围时不同玉米品种籽粒的硬度指标Table 6 Grain hardness index of different maize varieties with the grain moisture content in the range of (25±2)%

表7 含水率在(20±2)%范围时不同玉米品种籽粒的硬度指标Table 7 Grain hardness index of different maize varieties with the grain moisture content in the range of (20±2)%

3 讨 论

3.1 提高玉米籽粒硬度是降低籽粒破碎的关键

3.2 不同玉米品种籽粒的耐破碎能力存在显著差异

国外对于籽粒的耐破碎性一般采用破碎敏感度评价，不同玉米品种的籽粒破碎敏感性不同[19,22,29-30]。本研究基于籽粒含水率和破碎率的关系，采用积分法[24]对不同玉米品种的耐破碎能力进行了评价，结果显示：不同玉米品种的耐破碎能力存在显著差异，其中硬粒型品种、半马齿型品种‘仲玉3号’和半硬粒型品种‘辽禾308’为耐破碎型品种，半硬粒型品种‘先玉1171’、‘川单15’和马齿型品种‘正红6号’、‘渝单30’为中间型品种，其余马齿型品种均为易破碎型品种。本研究中籽粒硬度高的玉米品种表现出较强的耐破碎能力，探究其原因是在相近含水率的条件下，无论是25%±2%范围还是20%±2%范围，耐破碎型玉米品种籽粒胚乳、顶面穿刺强度和侧面、顶面压碎强度均最高，籽粒硬度越大，在脱粒过程中对机械施加形变的抵抗能力就越强，最终表现为籽粒破碎率低。不同籽粒类型玉米品种的籽粒硬度存在较大差异，同一类型不同品种的籽粒硬度也可能存在较大差异[8]。参试的硬粒型、半马齿型品种‘仲玉3号’和半硬粒型品种‘辽禾308’籽粒硬度均较高，表现为耐破碎性强；马齿型玉米品种大多为易破碎型，但也存在耐破碎能力相对较好的中间型品种‘正红6号’和‘渝单30’。可见，选育和选择籽粒硬度高、耐破碎性强的玉米品种是降低籽粒破碎和促进玉米机械粒收技术发展的关键。籽粒硬度除了会随含水率的降低逐渐升高外[31]，籽粒的物理性状，包括大小、形状、重量、密度、容重、角质胚乳与粉质胚乳比例等[15]；籽粒的化学组分，包括蛋白质组分，尤其是醇溶蛋白、淀粉含量和直链淀粉与支链淀粉的含量比等[32]均会导致不同玉米品种的籽粒硬度有所差异。环境和相关栽培措施等也会通过影响籽粒结构和化学组分等来影响其硬度。在今后的研究中，可针对不同玉米品籽粒硬度(力学特性)的差异，从栽培措施调控的角度开展相关研究，为机械粒收筛选和培育耐破碎能力强的玉米品种提供理论依据。

4 结 论

适时推迟收获可降低玉米籽粒含水率，提高籽粒硬度，进而降低籽粒破碎率，提高机械粒收质量。在玉米籽粒的硬度指标中，胚乳穿刺强度与破碎率的相关性最高，可将其作为评估玉米籽粒的耐破碎性和鉴选适宜机械粒收玉米品种的重要指标。不同玉米品种籽粒的硬度和耐破碎能力存在显著差异，籽粒硬度高的玉米品种耐破碎能力强。参试的所有硬粒型玉米品种、半马齿型‘仲玉3号’、半硬粒型 ‘辽禾308’、‘先玉1171’和马齿型‘正红6号’的耐破碎能力强，可作为适宜机械粒收的玉米品种。