适宜机械化种植的花生高产品种筛选与评价

丁 红张冠初许 静修明霞徐 扬郭 庆张智猛*于遒功

(1.山东省农业科学院,山东 济南 250100;2.威海市乳山市果茶蚕工作站,山东 乳山 264500;3.青岛市农业科学院,山东 青岛 266100)

花生是我国重要的经济作物和油料作物,在国民经济的发展中举足轻重。近年来,由于人工等生产成本的增加,提高花生机械化生产水平变得尤为重要,机械化可提高花生生产的作业效率和品质,对提高花生种植效益,降低劳动强度和成本具有重要意义。花生具有典型的“地上开花,地下结果”特征。传统的花生收获和脱壳主要靠人工,收获环节用工占全过程的1/3以上,作业成本占整个生产成本50%以上[1]。花生机械化收获受土壤特性和自身生长特性的影响,存在落果率高和杂质高等问题,反而增加了人工捡拾荚果和去杂的成本[2]。花生的品种特性是影响机械化收获效果的主要因素。在收获作业中,茎枝是与机械接触的重要部位,因受基因型和环境条件的影响,其数量、高度、机械强度等均直接影响机械收获品质[3-4]。

研究表明茎秆干物质积累多、机械组织发达、茎秆坚韧的花生品种可满足机械化收获的需求[5-6]。花生果柄强度特性与机械化收获过程中的损失率和收获荚果的带柄率具有显著相关性,并且影响荚果的商品性和后续的机械化脱壳[7]。已有学者对包含果柄含水量、荚果成熟度、果柄机械特性等方面开展了相关研究,筛选出一些果柄强度适于机械化收获的优质花生品种(系)[8-13]。花生荚壳破裂特性影响花生收获时的破损率,鲁清等研究认为花生荚果的破裂力主要来源于横向挤压[14]。已有的研究多是基于某一花生群体进行的筛选和评价,或仅基于荚果力学的评价,对荚果力学和机械作业品质综合评价的报道较少。本研究对黄淮海地区生产上推广的品种进行综合评价,筛选出结果范围集中、果柄强度和荚果破壳力适中的花生品种,为推广和培育适于机械化种植的花生品种提供了材料基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选取黄淮海地区主栽的18个花生品种进行种植,分别为花育25号(HY25)、菏花11号(HH11)、花育22号(HY22)、花育9120(HY9120)、花育50号(HY50)、花 育39 号(HY39)、花 育9510(HY9510)、冀农花6 号(JNH6)、菏 花20 号(HH20)、花育958(HY958)、花育36号(HY36)、花育917(HY917)、花育60号(HY60)、花育9303(HY9303)、青花6号(QH6)、花育51号(HY51)、花育965(HY965)和菏花26号(HH26)。试验材料在山东省招远市毕郭镇官地村种植,机械起垄覆膜播种,垄宽85 cm,垄高20 cm。每垄2行,穴距20cm,地膜覆盖栽培。田间管理与一般大田生产保持一致。2021年5日14日播种,9月13日采用花生挖掘机挖掘收获。

1.2 测定方法

1.2.1 农艺性状

收获后,每品种选取8株测量主茎高和侧枝长。同时对夹持状态下荚果层的厚度和高度进行测定,测定过程参考迟晓元等[12]的方法。摘取荚果后进行营养器官生物量的测定。

1.2.2 果柄及荚果力学特性

每个品种选取4株长势一致的花生植株,每株选取第一对侧枝上的5个荚果进行果柄及果柄强度测定。果柄长度为荚果果柄着生点到茎着生点的距离。采用HP-200 型数显式推拉力计(乐清市艾德堡仪器有限公司)对所测定荚果进行果柄强度的测定。记录果柄断裂的部位(茎处或荚果处)及果柄断裂时的最大拉力值。

每个品种随机选取36个成熟饱满的双仁荚果,测定花生的荚果破壳力。破壳力指标主要包括正压(果嘴朝下放置)、侧压(果嘴朝外侧放)和立压(荚果站立放置)。将荚果放置在立式推拉力测试台上,缓慢压下推力计,直至荚果破裂,记录荚果破裂时的力。每个方向各得到12个测定值。

1.2.3 荚果产量及产量性状

每个品种的荚果摘下风干后,测定单株结果数、单株双仁果数、单株饱果数及单株荚果产量。

1.2.4 机械作业品质测定

播种后,参考刘敏基等[15]的方法对不同花生品种的播种穴粒合格率和双穴率进行测定。收获时,花生挖掘机(4HW-2(800),商丘市志鸿机械设备有限公司)挖掘后,参考许静等[16]的方法进行地面落果率、埋果率、总损失率及带土率的测定。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0软件进行统计分析,通过主成分分析方法对不同品种农艺性状、荚果性状及荚果力学性状相关的15个指标,以及机械作业品质相关指标进行主成分分析,并利用主成分分析的权重计算出每个品种的综合得分,依据得分对供试品种进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 不同花生品种的农艺性状特性

18个供试品种的农艺性状特性中,变异系数大小为营养器官生物量(20.09%)＞荚果层高度(15.33%)＞主茎高(9.53%)＞侧枝长(7.71%)＞荚果层厚度(7.48%)。变异系数越大,其受品种和栽培措施的影响越大(表1)。主茎高的变化范围为42.75～61.25 cm,其中花育9510的主茎高最大,为主茎高最小的青花6号的1.43倍。侧枝长平均值为54.72 cm,最大值来自花育60号,为62.63 cm,最小值亦来自青花6号,最大值为最小值的1.34 倍(图1A)。18 个品种中,花育9120的营养器官生物量最高,为29.05 g,青花6号最低,最大值与最小值相差1.17倍,波动范围为平均值的131.80%(图1B)。荚果层高度和荚果层厚度反映了花生荚果的结实范围集中程度。荚果层高度平均值11.73 cm,花育9510荚果层高度16.25 cm,为最大值,花育958荚果层高度9.25 cm,为最小值。冀农花6 号和花育60 号的荚果层厚度最大,为13.00 cm,花育39号荚果层厚度最小,为10.00 cm,最大值为最小值的1.30倍,表明18个供试花生品种的荚果层厚度比较相近 (图1C)。

表1 不同花生品种农艺性状特性的平均值和变异系数Table 1 The average value and coefficient of variation of agronomic characteristics for different peanut varieties

图1 不同花生品种的农艺性状特性Fig.1 The agronomic characteristics of different peanut varieties

2.2 不同花生品种的产量及产量构成因素

18个品种的单株产量及产量构成因素的变异系数较高,变异系数大小为单株双仁果数(23.13%)＞单株饱果数(17.18%)＞单株荚果产量(17.02%)＞单株荚果数(16.75%)(表2)。单株荚果数的平均值为26.94个,变化范围为20.00～37.50个。花育917的单株双仁果数最大,为22.75个,花育25最低,为11.13个,18个品种的单株双仁果数标准差为3.60。单株饱果数最大的是花育917,为31.63个,花育36号单株饱果数最小,为16.38个,最大值是最小值的1.93倍(图2A)。花育50、花育917及花育965具有较高的单株荚果产量,每株荚果产量在40 g以上。花育917的单株荚果产量最高(48.88 g),比单株荚果产量最低的花育39号(26.82 g)高82.25%(图2B)。由产量构成因素分析,较高的单株双仁果数和饱果数是取得较高单株产量的基础。

表2 不同花生品种的产量及产量构成因素的均值和变异系数Table 2 The average value and coefficient of variation of yield and yield components for different peanut varieties

图2 不同花生品种的产量及产量构成因素Fig.2 The yield and yield components of different peanut varieties

2.3 不同花生品种的果柄和荚果力学特性

18个花生品种的果柄强度变异广泛,均值变幅为6.68～16.29 N(表3)。已有研究表明,根据拉力值大小可以将花生果柄强度分为低(5.69～8.44 N),中(8.45～13.96 N),高(13.97～16.72 N),极高(＞16.72 N) 四个等级[7]。18 个花生品种中33.33%的品种果柄强度为高,55.56%的品种果柄强度为中等,仅花育39(6.46 N)和花育51(6.68 N)的果柄强度为低(图3A)。花生果柄的长度在不同品种之间存在一定差异。18个花生品种的果柄长度均值为5.49 cm,其中花育22号品种的果柄长度最长,为6.95 cm,花育965品种的果柄长度最短,为3.88 cm。花生荚果从植株上脱落,主要有两个位置,即秧—柄脱落和果—柄脱落,其中果—柄脱落不带果柄,亦称果处脱落。对18个花生品种的果处脱落百分比进行测定,冀农花6号、花育958、花育9303和青花6号等4个品种的果处脱落百分比为100%,花育50的果处脱落比最低,仅为55%。

通过对18个品种的正压、立压和侧压破壳力进行测量,发现花生品种的荚果破壳力具有广泛的变异(图3D)。其中,侧压破壳力最大,均值60.36 N,变幅在45.03～98.56 N之间;其次是立压破壳力,均值46.95 N,变幅在29.57～64.52 N之间;正压破壳力最小,均值44.08 N,18个品种的变异系数相对较小,变幅在33.33～54.71 N之间 (表3)。

潞新矿区内变形较大且较难控制的巷道基本都是实体煤掘进巷道，掘进过程中均出现煤炮频繁、煤体自行片冒、迸射等强烈矿压显现现象。冲击性载荷是造成潞新矿区巷道掘进成形困难和变形量大的主要原因，而冲击性载荷的根源则主要包括高应力、煤岩体的储能特性及结构特性。

图3 不同花生品种的果柄和荚果力学特性Fig.3 The mechanical properties of peg and pod of different peanut varieties

表3 不同花生品种的果柄和荚果力学特性Table 3 The average value and coefficient of variation of mechanical properties of peg and pod for different peanut varieties

2.4 花生品种不同性状的相关性分析

对不同花生品种农艺性状、荚果构成因素及荚果力学特性等性状间的相关性进行分析(图4)。相关系数结果显示果柄强度与营养器官生物量、荚果层高度、果柄长度及立压破壳力呈显著或极显著正相关,与双仁果数和侧压破壳力呈显著负相关。单株荚果产量与单株荚果数、单株双仁果数、单株饱果数均呈极显著正相关,且与单株荚果数间的相关系数最大,为0.84,表明单株荚果数是花生产量构成的重要因素。荚果层高度和主茎高、侧枝长及果柄长度呈显著正相关,荚果层厚度与侧压破壳压力呈显著负相关,与其他性状均呈正相关。果处脱落百分比与其他性状均无显著相关性。由此表明,花生荚果的力学特性是所有性状综合作用的结果。

图4 花生品种不同性状的相关性分析Fig.4 The correlation analysis of different characters of peanut varieties

2.5 不同花生品种农艺性状及荚果力学性状的主成分分析

花生品种农艺性状、产量构成和荚果力学特性的主成分矩阵反映了主要性状指标对此主成分负荷的相对大小和作用方向,即该指标对主成分的影响程度,也称为指标在主成分上的载荷。对主茎高、荚果构成因素、果柄强度、破壳力、结实范围等15个性状进行花生的主成分分析如表4所示,共有5个主成分的特征根大于1,累计贡献率达84.48%,可较好地代替农艺性状及荚果力学等特性对花生品种进行评价和判断。第1主成分贡献率最高,为31.47%,载荷数较高的性状为产量相关指标,其中荚果数载荷最高为0.95,其次为饱果数,可以认定其为产量因子。第2主成分贡献率为24.21%,立压破壳力的载荷数最高为0.76,其次为果柄强度为0.68,认定第2主成分为荚果力学因子。第3主成分的贡献率为13.92%,侧枝长最高为0.76,主茎高次之,为0.65,认定第3主成分为农艺性状因子。第4主成分和第5主成分的贡献率分别为8.50%和7.46%,载荷数最高的性状分别为正压破壳力和果处脱落百分率。由此表明,第2主成分、第4主成分及第5主成分为花生荚果力学因子。

表4 不同花生品种农艺性状、产量因素及荚果力学特性的主成分分析Table 4 The principal component analysis of agronomic characters,yield factors and pod mechanical properties of different peanut varieties

2.6 基于主成分分析的花生品种综合评价

2.6.1 基于农艺性状、产量因素及荚果力学特性的主成分得分

表5可知,供试的18个花生品种,第1主成分产量因子得分最高的是花育917,其次为花育965。第2主成分因子得分最高的是菏花11号,花育60次之。第3主成分农艺性状因子得分最高的是花育51,其次为花育917;第4主成分得分最高的是花育9510,花育965次之;第5主成分得分最高为冀农花6号,青花6号次之。综合得分为正数,得分较高的品种为花育917、花育60、花育958、花育50、菏花11、花育965、花育9510和花育51号。

表5 不同花生品种农艺性状、产量因素及荚果力学特性各主成分得分及综合得分Table 5 The principal component scores and comprehensive scores of agronomic characters,yield factors and pod mechanical properties of different peanut varieties

2.6.2 基于小区产量、播种品质和挖掘机作业品质的主成分得分评价

进一步对小区产量、播种品质和挖掘机作业品质等7个性状进行主成分分析,计算出7个性状的特征根、相应的特征值和特征根的累计贡献率,根据特征值大于1 的标准,选取前4 个主成分,累计贡献率达81.63%,可以概括出7个性状的绝大部分信息 (表6)。

表6 不同花生品种播种品质及挖掘机作业品质的主成分分析Table 6 The principal component analysis of sowing quality and excavator operation quality of different peanut varieties

根据各主成分的系数和权重进行不同品种机械作业的综合得分计算 (表7)。综合得分为正数,得分较高的品种依次为花育9120、花育9303、菏花11号、花育60号、菏花20号、花育50号、花育25号、花育917、花育965和花育51号。选取基于不同品种农艺性状、产量构成及荚果力学特性的主成分分析综合得分和基于机械作业品质主成分分析综合得分排名靠前的品种,认为花育917、花育60号、花育50号、菏花11号、花育965和花育51号为适宜机械化生产的花生品种。

表7 不同花生品种播种品质及机械作业品质各主成分得分及综合得分Table 7 Theprincipal component scores and comprehensive scores of sowing quality and excavator operation quality of different peanut varieties

2.7 基于果柄强度的多元线性回归分析

为进一步探究果柄强度与主茎高、荚果数、果处脱落百分率、破壳力、结实范围等15个性状之间的相关关系,以果柄强度为因变量,其余14个性状为自变量进行多元回归分析。采用逐步多元回归方法排除回归系数不显著的自变量,筛选出与果柄强度均值关联密切的重要性状,得到回归方程:Y=9.768+0.150X4-0.406X6+0.500X9-0.047X14,可看出单株荚果质量(X4)、单株双仁果数(X6)、荚果层厚度(X9)、侧压破壳力(X14)是影响果柄强度的主要性状。

3 结论和讨论

花生的茎枝生长状况是衡量植株健壮的重要指标,与其结果情况密切相关。花生机械化收获除受机械性能和生态环境影响外[6],茎秆特性、抗倒性能、果柄强度、结果集中范围等也是影响机械化收获效果的重要因素[3,17]。花生机械收获作业中,茎枝数量和高度会影响机械收获效果。张甜等[5]研究表明不易落果花生品种株高和分枝适中,茎秆干物质积累多。本研究中18个品种的主茎高和侧枝长的变异系数较小,表明其主要受品种自身影响。根据主成分综合得分筛选得到的6个花生品种的主茎高和侧枝长适中,具有适合机械化收获的品种茎枝特性。

花生荚果力学性状影响收获时荚果的脱落特性及破碎程度。有研究表明,果柄强度偏低的品种在土壤板结条件下荚果损失率可达5%～35%[18],但果柄强度过高会导致荚果带柄率高,影响荚果的商品性。按照果柄强度四级标准,供试18个品种中仅2 个品种的果柄强度较低,有16个品种的果柄强度处于中等以上水平,其中6个品种的果柄强度属于高水平。本研究发现3个方向的荚果破壳力中的侧压破壳力最大,与前人研究结果相同[7];正压破壳力最小,这可能是花生机械收获过程中荚果破碎的主要原因。

通过回归分析表明单株荚果质量、单株双仁果数、荚果层厚度及侧压破壳力是影响果柄强度的主要性状。通过不同品种农艺性状、产量构成及荚果力学特性的主成分分析综合得分和基于机械作业品质主成分分析综合得分,认为花育917、花育60、花育50、菏花11、花育965和花育51这6个品种为适宜机械化生产的花生品种。