不同品种玉米机收适宜性试验
2024-06-17李鑫王占滨张银平张雨滋陈美舟周华
李鑫 王占滨 张银平 张雨滋 陈美舟 周华
摘要：针对黄淮海两熟区夏玉米机械粒收破碎率高、严重阻碍玉米收获机械化发展进程等问题，需优选适宜本地区机械粒收的玉米品种。以两熟区种植的5个主要玉米品种为试验材料，以籽粒含水率与脱水速率为基础，提出一种抗压特性参数作为玉米机收适宜性的辅助评价指标，制定抗压特性的量化方法，进一步通过脱粒试验，以籽粒平均破碎率与平均未脱净率为评价指标，建立描述籽粒机收适宜性的评价方法。对相同含水率条件（33%±1%）下5个品种玉米进行脱粒试验。结果表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分别为5.39%、5.02%、7.13%，生理成熟后脱水慢，不适宜机械粒收；LK868与LD6018籽粒平均破碎率较低，分别为4.76%、4.25%，未脱净率较低，分别为0.83%、0.84%，生理成熟后脱水快，适宜机械粒收。为筛选适宜机收玉米品种的筛选提供参考。
关键词：夏玉米；玉米收获机；抗压特性；机收适宜性；品种筛选
中图分类号：S225.5+1
文献标识码：A
文章编号：2095-5553 （2024） 06-0058-05
收稿日期：2022年11月2日
修回日期：2023年2月20日
*基金项目：中国博士后基金（2018M642685）；山东省现代玉米产业技术体系机械加工岗（SDAIT—02—12）
第一作者：李鑫，男，1996年生，山东淄博人，硕士研究生；研究方向为旱作农业机械化体系及装备。E-mail： 158054069@qq.com
通讯作者：张银平，女，1989年生，山东德州人，博士，副教授；研究方向为玉米机械化播种与收获技术装备。E-mail： zhangyinping929@163.com
Experimental on crop suitability of different varieties of maize
Li Xin， Wang Zhanbin， Zhang Yinping， Zhang Yuzi， Chen Meizhou， Zhou Hua
（School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255049， China）
Abstract： In view of problems such as the high break rate of mechanically harvested summer corn in the Huang-Huai-Hai double-cropping area and the serious hindrance to the development of mechanized corn production， it is necessary to select corn varieties suitable for mechanical harvesting in this area. In this study， five main corn varieties planted in the double-cropping area were used as experimental materials， based on grain water content and dehydration rate， and a compression characteristic parameter was proposed as an auxiliary evaluation index for the suitability of corn harvest， and a quantitative method for the compression characteristic was developed. Further， by means of threshing experiments， the average breakage rate and the average unstripped rate of grains were used as evaluation metrics， so as to establish an evaluation method to characterize the appropriateness of grain harvesting. The results showed that under the same water content condition（33%±1%）， DH605， LY296 and KN21 had high average grain breakage rates of 5.39%， 5.02% and 7.13%， respectively. They are slow to become dehydrated after physiological maturity， making them unsuitable for mechanical grain harvesting. LK868 and LD6018 have an average grain break rate of 4.76% and 4.25%， respectively， and an unstripped break rate of 0.83% and 0.84%， respectively. After physiological maturity， dehydration is rapid and suitable for mechanical grain harvesting. This study provides a reference for selecting suitable corn varieties for machine harvesting.
Keywords： summer corn; corn harvester; compressive characteristics; machine suitability; variety screening
0 引言
玉米是主要粮食作物之一，是我国种植面积最大、产量最高的作物[1]。随着土地的规模化流转和农村劳动力的减少，玉米籽粒机械化收获是减轻劳动强度、提高收获效率的最佳方式[2]。现阶段黄淮海两熟区广泛种植的玉米品种存在成熟期脱水慢、收获时籽粒含水率高等问题，很难达到机械化粒收的要求[3]，对玉米籽粒机收适宜性进行研究，筛选适宜机收的品种，研发高性能的脱粒装置，降低收获时的籽粒破碎率与未脱净率，是保证玉米减损增收的重要措施，对推进玉米生产全程机械化进程、保证粮食安全具有重要意义[4]。
国内外学者对玉米籽粒含水率进行的研究较多。Thomison等对生理成熟期玉米籽粒含水率变化进行了研究，并基于此制定了玉米收获计划；王志红等[5]对不同品种间玉米籽粒的脱水速率进行相关性分析，发现品种及种质特征、农艺性状、穗部性状和品种性状都对籽粒脱水速率有不同程度的影响；张万旭等[6， 7]通过研究得出不同品种籽粒含水率对破碎率的响应程度具有一定差异，整体呈极显著正相关，符合二次函数曲线关系；万泽花等[8]对不同成熟期夏玉米品种生理成熟期脱水速率进行相关性分析，发现早熟品种籽粒后期脱水速率快；贾琳等[9]对不同成熟期玉米杂交种进行籽粒含水率、脱水速率测定，发现适宜机械粒收的玉米品种具有生育期短、含水率低、生理成熟后脱水速率快等特点；王克如等[10， 11]对黄淮海夏玉米区机械粒收质量差异进行分析，发现收获期籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脱水速率控制，该性状是可遗传且品种间具有显著差异；李璐璐等[12， 13]通过研究发现黄淮海夏玉米生理成熟后田间站秆晾晒期间，籽粒含水率显著下降，并发现籽粒含水率与授粉后积温有显著的相关性。上述研究发现，当前普遍认为含水率高是导致破碎率的主要原因，而籽粒抗压特性对破碎率影响的研究还较少。
本文以不同品种玉米籽粒含水率与脱水速率为基础，对籽粒抗压特性进行研究，以籽粒抗压破碎时的最大受力与最大位移为因素对抗压特性进行参数量化，以籽粒破碎率和未脱净率为指标，综合含水率、脱水速率和籽粒抗压特性，对不同品种玉米的机收适宜性进行评价，为适宜机收玉米品种的筛选提供参考。
1 玉米籽粒物理特性测定试验材料与方法
1.1 试验材料
试验选用黄淮海两熟区种植的5个不同品种的夏玉米，分别为登海605（DH605）、立原296（LY296）、莱科868（LK868）、鲁单6018（LD6018）、科诺21（KN21）。玉米果穗采摘于山东省泰安市岳洋农作物专业合作社（117°E，36°N）夏玉米品种展示区，展示区内各品种玉米均同一时间播种（2020年6月14日）、播种密度均相同，不同品种的籽粒类型和生育期如表1所示。
1.2 玉米籽粒含水率与脱水速率测定
黄淮海地区为夏玉米—冬小麦一年两熟种植模式，为抢农时，玉米籽粒在收获时往往含水率偏高，对玉米籽粒的收获质量产生影响，对玉米籽粒成熟期含水率、脱水速率测定，掌握玉米籽粒脱水规律，有助于提高玉米籽粒收获质量。取样于9月27日玉米籽粒乳线消失开始，每天下午5点取样，连续取样10天，每次取样15穗，为保证试验准确性，运输途中密封保存。测定时手工脱粒，将适量籽粒在铝盒称重，记为湿重Ws，称重后的籽粒在105 ℃±3 ℃温度下烘干480 min，取出样品后，称重并记录，再继续烘干60 min，若前后两次干燥质量差不超过0.02 g[14]，记为干重Wg，籽粒含水率Hy与脱水速率St计算如式（1）和式（2）所示。
Hy=Ws－WgWs（1）
St=Hy（n）－Hy（n+1）t（2）
式中： Hy（n）——前一次取样含水率，%；
Hy（n+1）——后一次取样含水率，%；
n——第n天；
t——间隔天数，天。
1.3 玉米籽粒抗压特性测定
脱粒过程中，玉米籽粒主要受到脱粒元件对顶部的力学影响。每隔两天进行一次籽粒顶面抗压试验，将籽粒置于电子万能试验机压缩夹具盘中央，设置横梁初始上升速度为12 mm/min，清零接触力为5 N，即上横梁接触到玉米果穗，与果穗接触力超过5 N后，万能试验机进入压缩试验状态。后设置试验横梁上升速度为4 mm/min，计算机记录玉米果穗压缩试验的“力—位移”曲线并储存数据，当压缩力达到最大断裂压缩力的75%时，横梁停止移动，试验结束。运用 Microsoft Excel和SPSS软件进行数据分析处理和统计分析，使用Origin 2017作图。
2 试验结果与分析
2.1 籽粒含水率、脱水速率动态分析
将测得籽粒含水率数据进行整理，建立含水率随时间变化关系曲线，如图1所示，参试各品种籽粒含水率随时间变化总体均呈下降趋势。不同品种玉米籽粒初进入生理成熟期时含水率均在41%～43%，差异不显著，而由文献可知，玉米籽粒含水率超过33%后将显著提高籽粒破损率。
比较不同品种玉米籽粒进入生理成熟期后含水率的变化情况可知，LY296、LD6018在前期含水率下降较快，在生理成熟后的第3天籽粒含水率降至36%以下，其余品种在前期含水率下降较慢，第3天籽粒含水率仍在36%～40%，在中期含水率下降较平缓，后期较快，在第10天籽粒含水率均降至25%以下，其中LY296在第7天含水率就下降到30%以下，LD6018、LK868在第8天含水率降至30%以下，而DH605、KN21在第10天含水率仍在30%以上。各品种玉米籽粒含水率降至33%以下所需的时间为：DH605需9天；LK868需8天；LY296、KN21需7天；LD6018需6天。
曲线的斜率表示籽粒脱水速率，从图1可以看出，LD6018、LY296、DH605、LK868籽粒脱水速率均逐渐下降，并且前期下降较快，后期趋于稳定；而KN21在第2天到第3天脱水速率有所上升，第3天到第4天有所下降，第4天后趋于稳定。5个品种中LD6018初期脱水速率最大，KN21最小。前4天，各品种之间脱水速率差异显著，5～10天各品种间脱水速率差异不显著，说明籽粒脱水过程主要发生在生理成熟前期。
2.2 籽粒抗压特性动态分析
成熟的玉米籽粒主要由皮、胚乳、胚三部分组成，皮是最坚硬的部分，保护着内部的胚乳和胚[15]。籽粒受压后产生一定的位移形变，图2表示籽粒受力与形变，图2中曲线出现突变点，此时籽粒破碎，突变点的横坐标表示籽粒破碎时时产生的最大位移，纵坐标表示籽粒破碎时所承受的最大压力。
比较不同品种间玉米籽粒破碎时所承受的最大压力和产生的位移可知，含水率为30%±1%时，DH605、LY296、LK868、LD6018和KN21所承受的最大压力分别为66.1 N、75.4 N、100.3 N、80.2 N、63.9 N，最大位移分别为1.61 mm、1.19 mm、2.46 mm、2.21 mm、1.02 mm，由此可知，在相同含水率条件下，不同品种破碎时所承受的最大压力和位移不同，将籽粒破碎时的最大压力Fmax与最大位移xmax的比值用以描述籽粒韧性φ。
φ=Fmaxxmax（3）
由式（3）可知，韧性越好则破碎时能够承受的压力更大，更不容易破碎。由图2可知，DH605、KN21品种玉米籽粒在含水率达到普遍认为的机械粒收标准时，能够承受的位移量很小，更容易破碎，不适宜高速机械粒收；LK868、LY296、LD6018籽粒相对韧性较好，在不同含水率条件下，其韧性变化平稳，可能更适宜机械粒收，但同时还要考虑脱粒籽粒的剥离情况，即对未脱净率的影响。由此可知，除含水率外，籽粒的韧性也与玉米籽粒机收适宜性密切相关。
3 玉米脱粒验证试验
为验证籽粒抗压特性是否可以对机收适宜性进行评价，在5个品种中选取含水率为33%±1%的玉米果穗进行脱粒试验，试验所用的自制脱粒分离试验台如图3所示，试验开始前调整凹板间隙为40 mm，调节滚筒转速到400 r/min[16]，待滚筒运转稳定后，将玉米果穗按品种放入果穗提升器，送入喂入口，待籽粒全部从凹板筛落下时，关闭脱粒装置，收集籽粒，完成1组试验，每组试验重复3次，得到各品种玉米籽粒平均破碎率与平均未脱净率，并对结果进行统计学分析。
每组试验结束后对收集的籽粒进行称重，人工挑出有肉眼可见裂纹或破皮、破碎的玉米籽粒，称重，计算破碎率。然后从完整籽粒中随机选取10粒，用来测定籽粒抗压最大受力与最大位移，并取平均值。试验脱粒情况如图4所示，结果如表2所示。
由GB/T 5262—2008《农业机械试验条件》要求破碎率小于5%。不同品种籽粒破碎率与韧性如表2所示。
由表2可知，在含水率为33%±1%时，DH605韧性为39.470 N/mm，平均破碎率为5.39%，平均未脱净率最高为0.97%，不适宜在此含水率下进行机械粒收；LY296韧性为48.538 N/mm，平均破碎率为5.02%，平均未脱净率较高为0.91%，不适宜在此含水率下进行机械粒收；LK868和LD6018韧性适中，分别为32.618 N/mm与33.471 N/mm，平均破碎率均小于5%，平均未脱净率分别为0.83%与0.84%，适宜在此含水率下进行机械粒收；KN21韧性最小为29.652 N/mm，平均破碎率最高为7.13%，平均未脱净率最小为0.82%，不适宜在此含水率下机械粒收。由此可知，含水率为33%±1%时，不同品种玉米机收适宜性不同，与籽粒韧性也有关系。通过脱粒试验测定可知，韧性过大，虽然籽粒破碎率较低，但是籽粒也更难剥离，导致籽粒平均未脱净率较高；韧性过小，虽然籽粒相对容易剥离，但是籽粒也更容易发生破碎。因此玉米籽粒韧性应适中，在含水率为33%±1%时，韧性应在30～35 N/mm时机收效果最佳。
4 结论
1） 针对黄淮海两熟区夏玉米收获时破碎率高，不利于玉米机收等问题，在机具研究的基础上，进一步针对该地区常见的5个不同品种玉米籽粒的物理特性与机收效果进行研究，分析其机收适宜性。通过对不同品种玉米品种籽粒进行分阶段的烘干测定试验，对其含水率以及脱水速率进行测定；进一步在相同阶段对玉米籽粒抗压特性进行测试，并以此为基础，建立韧性参数作为抗压特性描述性因素。
2） 在相同含水率条件下（33%±1%）对不同品种玉米籽粒进行脱粒性能试验。通过抗压特性曲线得到该含水率条件下籽粒韧性参数，其中，韧性最高的品种为LY296，达到48.538 N/mm；最低的为KN21，为29.652 N/mm。进一步通过脱粒试验统计并计算不同品种玉米籽粒平均破碎率与平均未脱净率。
3） 脱粒试验表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分别为5.39%、5.02%以及7.13%，生理成熟后脱水慢，不适宜机械粒收；LK868与LD6018籽粒平均破碎率较低，分别为4.76%以及4.25%，未脱净率较低，分别为0.83%以及0.84%，生理成熟后脱水快，适宜机械粒收。分析可知，当不同品种籽粒含水率一致时，韧性过高，籽粒易脱不净；韧性过低，籽粒易破碎，因此韧性适中，约30～35 N/mm的LK868与LD6018品种玉米籽粒更适宜机械粒收。本文为筛选适宜机收玉米品种的筛选提供参考。
参 考 文 献
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