成熟时期与收获方式对谷子收获效果的影响

邱述金 ，原向阳 ，张泽乾 ，赵鋆超 ，张林

（1.山西农业大学农业工程学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801）

谷子是我国重要的杂粮作物，目前主要分布在西北、东北和华北的干旱半干旱地区，其产业发展对区域脱贫攻坚和乡村振兴具有重要战略意义［1~3］。2009~2018 年，全国谷子种植面积先增后减［4］，从 1 194 万亩减至 1 167 万亩，减少 2.3%；总产量从126 万t 提高到234 万t，增加85.7%。在丘陵山区，机械化程度依然相对较低，适合小地块配套的农机具尤其是收获装备还有待提升［5］。目前，采用稻麦作物联合收获机对谷子进行收获作业与人工收获等方式多种收获方式并存［6~9］，损失率高、破碎率高、含杂率高是影响谷子收获技术和生产模式的重要因素。

针对农作物收获过程的类似问题，国内外学者对小麦、水稻、玉米等作物的收获装备研制与农业物料生物力学特性等方面开展了较多研究［10~16］。方会敏等［17］研究了收获方式与籽粒含水率对玉米籽粒的收获质量影响，预测籽粒含水率低于32.40%时收获，可满足含杂率国标要求。王文静［18］研究了收获方式对小麦种子活力的调控作用，成熟时期与收获方式均对小麦种子活力影响显著。王桂民等［19］研究了成熟时期对稻麦轮作水稻机收损失构成的影响，指出总损失的最主要来源是干物质损失。苗得雨等［20］对不同成熟时期和方式对水稻碾米品质和产量影响进行了研究，获得了水稻的适宜收获期，给出了收获方式意见。左青松等［21］研究了不同成熟时期对油菜机械收获损失率的影响，指出了油菜适宜机械收获的作业条件。侯华铭等［22］研究了不同含水率的谷子脱出物籽粒、穗瓣、茎秆和叶子的悬浮速度，指出谷子脱出物的适宜清选风速范围为4.29~5.48 m·s-1，最佳清选风速为4.47 m·s-1。还有学者对微藻［23］、玉米［24］、水稻［25］、甜橙［26］、油菜［27］等作物的成熟时期、收获方式和收获品质等方面做了大量研究。

这些研究为谷子机械收获作业时间与方式选择提供了参考，目前不同成熟时期与收获方式对谷子收获效果影响的相关研究还尚未报道。本文主要研究不同成熟时期（乳熟期、蜡熟期、完熟期）和收获方式（联合收获、分段收获和人工收获）对谷子收获效果的影响，同时对不同成熟时期谷子的穗、叶片及茎秆的含水率进行分析。该研究可为谷子机械收获技术提升和生产模式探索提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与作业装备

选用广泛种植于山西地区的晋谷21 号和张杂10 号谷子作为研究对象，样本全部取自山西省寿阳县南燕竹镇（东经 113°07′52″，北纬 37°91′61″，海拔1 076 m），播种前每公顷均匀撒施氮磷钾复合肥（1∶1∶1）750 kg，采用条播方式播种，播种行距为500 mm，种植密度每亩平均为30 000 株。

在实际生产中谷子收获一般可分为联合收获、割晒——捡拾——脱粒分段收获和人工收获等方式，主要研究联合收获、分段收获和人工收获对作业效果的影响。

目前市场上专用于谷子联合收获的机型较少［28］，课题组对沃德皓龙 4LZ-7C 谷物联合收获机的割台、脱粒滚筒及振动筛进行多次改进后，用于谷子的联合收获作业；对于分段收获作业，采用常发佳联4LZ-6 联合收获机改装的割晒机将谷子割倒进行晾晒，采用雷沃谷神GM80 改装的捡拾收获机进行捡拾收获作业；人工收获由工人进行割谷收集，由人工进行脱粒作业。谷子收获机的主要参数如表1 所示，采用不同方式对谷子进行收获。

表1 谷子收获机的主要参数Table 1 Main parameters of the millet harvester

1.2 试验方法

谷子的成熟期一般可分为乳熟期、蜡熟期、完熟期和枯熟期4 个时期，从乳熟期到枯熟期皆可进行收获作业，但不同时期的谷子茎秆、叶片、穗等部位的生物力学特性差异显著［15］，尤其枯熟期谷子茎叶干枯，穗粒极易脱落，因此主要研究乳熟期、蜡熟期、完熟期谷子的收获作业效果。分别在2020 年 9 月 30 日（乳熟期）、10 月 15 日（蜡熟期）和10 月 28 日（完熟期），采用沃德皓龙 4LZ-7C（改装）对晋谷21 号和张杂10 号谷子进行联合收获作业，对蜡熟期的谷子进行联合收获、分段收获和人工收获作业，分别测定总损失率、破碎率、含杂率与含水率等。田间试验时，采用小区作业试验方案，设定机械作业速度为3 km·h-1，作业宽度为2 m，长度为20 m，取收获方式和成熟时期为影响因素，以谷子总损失率、破碎率、含杂率等为试验指标进行试验，同时测定谷子含水率和收获效率。试验数据采用SAS 9.0 软件进行处理。

1.3 试验指标测定

该文的测试方法参考《收获机械联合收获机试验方法》（GB/T 8097-2008）和《农业机械试验条件测定方法的一般规定》（GB/T 5262-2008）。

1.3.1 谷子总损失率

每次试验完成后，分别测量总收获质量、割台落穗质量、割台掉粒质量、晾晒损失质量和脱粒损失质量，按式（1）计算谷子总损失率。

式中Zs——谷子总损失率/%；Wz——谷子总收获质量/g；Wl——割台落穗质量/g；Wd——割台掉粒质量/g；Ws——晾晒损失质量（联合收获时不考虑晾晒损失）/g；Wt——脱粒损失质量/g。

1.3.2 谷子破碎率

在每次试验完成后，将粮仓中所有谷子卸载至运输车上的编织袋中，然后随机抽取1 L 谷子籽粒进行称重，称量其中破裂损伤的籽粒质量，按式（2）计算谷子破碎率。

式中Zp——谷子破碎率/%；Wp——破碎谷子籽粒的质量/g；Wz——谷子总收获质量/g。

1.3.3 谷子含杂率

在每次试验结束后完全卸粮，随机抽取1 L 谷子与杂质混合物样品进行称重，称量其中杂质的质量，按式（3）计算谷子含杂率。

式中Zz——谷子含杂率/%；Wzz——杂质质量/g；Wz——谷子总收获质量/g。

1.3.4 籽粒含水率

每次试验结束卸粮后，立即取一定量无明显损伤、无病害的谷子籽粒并进行称重，均匀装入铝盒后置于恒温鼓风干燥箱中，设置温度为105 ℃，干燥4 h 后取出样品盒并加盖，在密封干燥器内冷却至室温称重，重复上述干燥过程，隔30 min 取出冷却称重，直至前后2 次质量差不大于0.005 g 为止。谷子籽粒的含水率按式（4）计算。

式中Hs——谷子籽粒含水率/%；Wzs——谷子籽粒干燥前质量/g；Wzg——谷子籽粒干燥后质量/g。

1.3.5 收获效率

收获效率按式（5）计算。

式中η——收获效率/（hm2·h-1）；S——作业面积/hm2；t——作业时间/h。

2 结果与分析

2.1 成熟时期对谷子收获效果的影响

不同成熟时期对谷子联合收获的谷子总损失率、破碎率、含杂率的方差分析如表2 所示。

表2 不同成熟时期谷子机收效果Table 2 Harvesting performance of millet at different ripening stages 单位：%

结果表明，不同成熟时期对谷子总损失率、破碎率、含杂率影响均显著，蜡熟期2 个品种谷子机收的总损失率显著低于乳熟期和完熟期，最低为4.81%，张杂10 号谷子在完熟期的机收损失率最大达24.83%；谷子破碎率随成熟时期的推迟呈降低趋势，张杂10 号谷子完熟期的破碎率最低为0.36%，乳熟期的破碎率最高为1.67%；乳熟期和蜡熟期谷子机收的含杂率显著低于完熟期，晋谷21 号谷子蜡熟期机收的含杂率最低为3.39%，完熟期机收的含杂率最高为11.14%。

谷子蜡熟期穗粒含水率为13.69%~15.29%，谷子机械化收获总损失率小，机械收获产量高；从植株形态来看，谷穗基本完全变黄，茎秆和叶片大部分脱水含水率降低，在叶片开始变黑之前收获为宜，收获时间大约可持续5~6 d。若成熟时期推后至完熟期或枯熟期，则谷子穗粒含水率进一步降低，受轻微风载即可形成落粒损失，割台损失率增加，导致总损失率过高。

2.2 收获方式对谷子收获效果的影响

在谷子蜡熟期，课题组采用联合收获、分段收获和人工收获的方法对张杂10 号谷子的收获效果如表3 所示，其中人工收获割穗晾晒14 d 后再采用谷子脱粒机进行脱粒作业。

表3 不同收获方式的谷子收获效果Table 3 Performance of millet in different harvesting methods on grain quality

收获方式对谷子籽粒的总损失率、破碎率和含杂率的影响显著（P＜0.05），采用联合收获方式的总损失率最高为9.40%，采用分段收获方式的总损失率为7.09%，采用人工收获方式的总损失率最低为3.51%；联合收获的谷子破碎率最低为0.96%，分段收获和人工收获的谷子破碎率较高，分别为2.03%和1.76%；联合收获的谷子含杂率最高为4.56%，分段收获和人工收获的谷子破碎率较低，分别为1.85%和1.68%；由于分段收获和人工收获的籽粒含水率分别为9.17%和8.16%，这2 种收获方式都有晾晒环节，均低于联合收获的12.97%。联合收获的作业效率最高为0.303 2 hm2·h-1，分段收获的作业效率为 0.232 4 hm2·h-1，人工收获的作业效率最低为0.001 7 hm2·h-1。

谷子收获的总损失主要包含割台落穗损失、割台掉粒损失、晾晒损失和脱粒损失等，不同收获方式的损失组成如图1 所示。

图1 不同收获方式的谷子损失情况Fig.1 Millet grain loss rate of different harvesting methods

谷子联合收获的总损失率中割台落穗损失和脱粒损失占主要比例，分别为5.36%和3.41%，无晾晒损失；谷子分段收获的总损失率中脱粒损失和晾晒损失占主要比例，分别为3.27%和2.89%；谷子人工收获的总损失率中晾晒损失和脱粒损失占主要比例，分别为2.00% 和1.59%，无落穗损失。

2.3 谷子含水率对联合收获损失的影响

分别测定晋谷21 号与张杂10 号谷子的各部位在不同成熟时期的含水率，并对谷子不同部位的含水率与联合收获效果进行相关性分析（表4，表 5）。

表4 不同成熟时期谷子各部分的含水率Table 4 Moisture contents of millet at different harvesting period 单位：%

表5 谷子含水率与联合收获效果的相关系数Table 5 Correlation coefficient of millet moisture content and combine harvesting effects

乳熟期的谷子穗粒含水率超过30%，叶片含水率在55.08%~68.54%间变化，茎秆的含水率最高可达76.06%，不同品种谷子的含水率差异不显著。从乳熟期到完熟期，谷子的穗粒逐渐生长充实，含水率降低，晋谷21 号谷穗含水率的变幅为10.90%~34.13%；茎秆的含水率最高，变幅为23.17%~74.43%。随着成熟时期的推迟，谷子的穗、叶片和茎秆的含水率均呈现出下降趋势，成熟时期对谷子的穗、叶片和茎秆的含水率影响均极显著（P＜0.05），其中叶片的含水率降速最快，由65.51%降至9.78%；不同品种谷子的叶片含水率随生长期变化率差异显著，晋谷21 号谷子的叶片随生长期增加，含水率降速显著高于张杂10 号谷子；穗粒含水率降速次之，由34.13% 降至10.90%；茎秆含水率降幅最低，由74.43% 降至28.33%。不同品种谷子的谷穗和茎秆含水率的变化率差异不显著。

3 讨论

不同成熟期的谷子含水率差异显著，谷子的含水率对谷子收获中的切割、脱粒和清选等环节的作业效果有重要影响，谷子含水率与联合收获效果的相关性分析表明：谷穗含水率与叶、茎秆含水率显著正相关，说明谷子的各部位含水率随生长时期变化一致；穗含水率、叶含水率、茎秆含水率均与破碎率呈显著正相关，与总损失率、含杂率呈负显著相关，说明含水率是影响谷子联合收获破碎率、总损失率、含杂率的显著因素。含水率对谷子的茎秆、叶片、穗瓣和籽粒等的力学特性影响显著，谷子谷穗、叶片和茎秆的含水率影响谷子机械收获力学特性，对谷子联合收获机的割台、脱粒滚筒及风筛装置等的作业效果和功耗有较大影响。因此谷子在联合收获过程中为了降低损失率、破碎率和含杂率，适宜收获时期的谷穗含水率在13.69%~15.29%为宜，此时联合收获总损失率可控制在7.62%以内。方会敏等［17］在玉米收获方面也有相似结论。联合收获可有效提高作业效率，但需要农户或合作社具有谷子籽粒的晾晒场地、烘干设备等，以防谷子因含水率过高导致堆积发热，影响小米品质。分段收获或延迟收获可避免谷子收获过程中含水率过高的问题，有效提高谷子作业效果，但对于秋季多雨地区（如晋东南地区等），田间晾晒过程中可能导致谷子淋雨霉变等问题，需依具体气候情况进行决策。

4 结论

（1）蜡熟期的谷子穗粒含水率为13.69%~15.29%，此时机械收获的谷子总损失率最小为4.81%，破碎率较低为0.67%，完熟期谷子破碎率最低但损失率和含杂率较高。

（2）收获方式对谷子籽粒的总损失率、破碎率和含杂率的影响显著。采用联合收获方式的谷子总损失率最高为9.40%，破碎率最低为0.96%，含杂率最高为4.56%，工作效率最高为0.303 2 hm2·h-1。采用分段收获方式的谷子损失率为7.09%，破碎率和含杂率较低，工作效率为0.232 4 hm2·h-1。采用人工收获方式的总损失率最低为3.51%，但工作效率较低为 0.001 7 hm2·h-1。

（3）成熟时期对谷子的穗、叶片和茎秆的含水率影响均极显著，随着成熟时期的推后，谷子的穗、叶片和茎秆的含水率均呈现出下降趋势，谷子含水率是影响谷子联合收获破碎率、总损失率、含杂率的显著因素。