玉米機械粒收質量現狀及其與含水率的關系

柴宗文，王克如，郭銀巧，謝瑞芝，李璐璐，明博，侯鵬，劉朝巍，初振東，張萬旭，張國強，劉廣周，李少昆

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玉米機械粒收質量現狀及其與含水率的關系

柴宗文1,3，王克如1，郭銀巧1，謝瑞芝1，李璐璐1，明博1，侯鵬1，劉朝巍2，初振東2，張萬旭2，張國強2，劉廣周1，李少昆1

（1中國農業科學院作物科學研究所/農業部作物生理生態重點實驗室，北京100081；2石河子大學農學院，新疆石河子832003；3甘肅省農業技術推廣總站，蘭州730020）

【目的】機械粒收技術是現代玉米生產的關鍵技術，是國內外玉米收獲技術發展的方向和中國玉米生產轉方式的關鍵。明確當前中國玉米機械粒收質量的現狀，研究影響收獲質量的主要因素，推動玉米機械粒收技術發展?！痉椒ā坷?011—2015年在西北、黃淮海和東北和華北玉米產區15個?。ㄊ校?68個地塊獲得的1 698組收獲質量樣本數據，分析當前中國玉米機械粒收質量的現狀及其影響因素?！窘Y果】結果表明，籽粒破碎率平均為8.63%，雜質率為1.27%，田間損失籽粒（落穗、落粒合計）為24.71 g·m-2，折合每畝損失16.5 kg，平均損失率為4.12%，破碎率高是當前中國玉米機械粒收存在的主要質量問題。收獲玉米籽粒平均含水率為26.83%，含水率與破碎率、雜質率及機收損失率之間均呈極顯著正相關。其中，破碎率（）與籽粒含水率（）符合二次多項式=0.03722-1.483+20.422（2=0.452**，=1 698），在一定含水率范圍內（含水率大于19.9%），破碎率隨籽粒含水率增大而增大。【結論】當前中國玉米機械粒收時破碎率偏高，而籽粒含水率高是導致破碎率高的主要原因。對此，建議選育適當早熟、成熟期籽粒含水率低、脫水速度快的品種，適時收獲，配套烘干存貯設施等作為中國各玉米產區實現機械粒收的關鍵技術措施。

玉米；機械粒收；收獲質量；籽粒含水率；破碎率

0 引言

【研究意義】機械收獲是當前中國實現玉米生產全程機械化的瓶頸[1]，而籽粒直接收獲是未來機械收獲發展的趨勢。目前中國機收玉米以摘穗為主，籽粒收獲正在各地興起，但普遍存在籽粒破碎率高等收獲質量問題[2-4]，嚴重制約了該項技術的推廣，因此，分析當前中國玉米機械粒收的質量現狀，明確影響收獲質量的主控因素，對于機械粒收技術的快速、健康發展具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M展】玉米機械粒收技術于20世紀50年代始于北美，自70年代得到全面推廣。在推廣過程中，隨著機械收獲方式由穗收向粒收轉變、并配套烘干存儲方式以及高含水率籽粒脫粒、高溫干燥、高速處理設備的應用，收獲玉米籽粒含水率高、破碎率大的問題凸顯出來，為此，美國及相關玉米生產技術先進國家圍繞玉米籽粒含水率和破碎等質量問題開展了大量研究，并逐步使這些問題得到解決[5-7]。玉米機械粒收質量包括籽粒破碎率、雜質率、落穗率和落粒率等指標，收獲質量受到種植品種、收獲機械及其作業質量、收獲時間等眾多因素影響?！颈狙芯壳腥朦c】由于國內玉米機械粒收技術研究與應用尚處于起步階段，相關研究報道和能夠參考借鑒的資料甚少，中國玉米種植區域廣泛、生態類型多樣，機械粒收技術在不同區域的大田應用收獲質量存在什么問題均不清楚。為此，本團隊自2010年起在全國各玉米主產區率先開展機械粒收技術的試驗示范與推廣[1]，獲得大量田間收獲質量測試數據?！緮M解決的關鍵問題】本研究通過對玉米機械粒收時籽粒破碎率、雜質率和田間損失率等質量指標以及籽粒含水率的測試，分析中國玉米機械粒收質量的現狀及影響收獲質量的主控因素，為玉米機械粒收技術的推廣提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗年份、地點及樣品數量

本研究自2011年至2015年，在西北灌溉春玉米區的新疆、甘肅和寧夏，黃淮海夏玉米區的河南、山東、河北、安徽、江蘇和天津，東、華北春玉米區的黑龍江、遼寧、吉林、內蒙古、山西和北京等15個?。ㄊ?，區）進行玉米機械粒收試驗與示范，收獲季節進行田間測試，共獲得168個地塊1 698組機械籽粒收獲質量樣本數據（表1）。

表1 試驗示范區域及樣本分布

1.2 調查項目與方法

1.2.1 籽粒含水率及破碎率、雜質率測定方法 在

測試地塊，隨機取收割地塊機倉內收獲的籽粒樣品約2 kg，首先用PM8188水分測定儀測定含水率，然后稱其重量，手工分揀將其分為籽粒和非籽粒兩部分；籽粒部分稱重計為KW1，非籽粒部分稱重計為NKW；再根據籽粒的完整性，將其分為完整籽粒和破碎籽粒并分別稱重，完整粒重量計為KW2，破碎粒重量計為BKW。

雜質率（%）=[NKW/（KW1+NKW）]×100；

籽粒破碎率（%）=[BKW/（KW2+BKW）]×100。

1.2.2 田間機收損失率調查方法 在測試的已收割地塊隨機選取3個樣點，每個樣點取2 m長一個割幅寬（4—8行玉米）面積做為樣區，收集樣區內所有的落穗和落粒，并分別稱其籽粒重，按照樣區面積計算單位面積的落穗重和落粒重，計算總產量損失量。

產量損失率（%）=（單位面積田間落粒重+單位面積田間落穗籽粒重）/單位面積產量×100。

1.3 調查測試的玉米品種

測試品種包括鄭單958、登海605、登海618、登海177、京科968、京農科728、京農科528、MC812、農華101、農華106、農華206、中單909、聯創808、偉科702、橋玉8號、寧玉524、寧玉525、寧玉721、寧玉735、隆平206、遼單565、遼單588、良玉66、DL1101、利民33、陜單619、九玉1011、真金8號、丹玉8201、新玉56、新玉39、先玉335、先玉696、38P05、中種8號、DK516、DK517、DK519、M751、M753、德美亞1號、KX2030、KWS1568、KWS2564、KWS1566、KWS3564、KWS7551、KWS807、KWS5383、KWS5808、KWS9384、利合16等50余個國內外種業培育的玉米品種，基本可以代表當前中國機械粒收采用的主體品種。

1.4 調查測試的機型

調查的收割機型包括約翰迪爾系列（John Deere，JD-3518、JD-3316、JD-3106、JD-1076、JD-1075、JD-1079、JD-W210、JD-C100、JD-C110、JD-C200、JD-C230、JD-S660）、凱斯（CASS-6088）、佳聯-6、東風E-514、東風E-518、麥賽福格森（MF-T7）、福田雷沃谷神（GE50、GK80）、花田玉溪（4YZT-220）、博遠（4YZ-6）等國內外20余種玉米聯合收獲機型。

1.5 調查數據的統計分析方法

調查樣本數據處理及統計分析采用Excel 2003和SPASS 19.0軟件進行。

2 結果

2.1 玉米機械粒收質量現狀

由表2可見，1 698個機械粒收樣本含水率平均為26.83%，分布范圍11.3%—48.0%，變異系數為21.25%；籽粒破碎率最低值為0.34%，最高值為51.49%，均值為8.63%，破碎率指標高于≤5%的國標“玉米收獲機械技術條件”（GBT-21961—2008）要求；雜質率最低值為0，最高值為18.01%，均值為1.27%，低于≤3%的國標（GBT-21961—2008）要求。機收損失率包括落粒損失和落穗損失兩部分，其中，落粒、落穗損失分別占總損失率的34.7%和65.3%，表明當前玉米機械粒收落穗損失大于落粒損失；落粒損失的變異系數也明顯低于落穗損失，表明落穗損失在田塊、品種間收獲變化更大。試驗共獲得1 420個產量損失有效調查樣本，落穗、落粒合計損失籽粒重最低為0.10 g·m-2（折每畝損失0.067 kg），最高為419.88 g·m-2（折每畝損失279.9 kg），均值為24.71 g·m-2，折合每畝損失籽粒重16.5 kg。如果按全國平均單產6 000 kg·hm-2（400 kg/667m2）計，總損失率平均為4.12%，低于≤5%的國標（GBT-21961—2008）標準。

2.2 籽粒含水率與主要收獲質量指標之間的相關性

籽粒含水率、破碎率、雜質率和損失率間的相關分析表明（表3），籽粒破碎率、雜質率、落粒、落穗量及總損失量與含水率之間均呈極顯著正相關，其中破碎率與籽粒含水率的關系最密切，說明籽粒含水率是影響玉米機械粒收質量的主要因素。破碎率與雜質率、落粒量之間也呈極顯著正相關關系。落穗量與總損失量高度相關，即，總損失量中落穗損失所占份額較落粒損失更大。

表2 玉米籽粒收獲質量指標觀測值及其統計描述

表3 籽粒含水率、破碎率、雜質率和損失率間的相關系數

* 在0.05水平上差異顯著，**在0.01水平上差異顯著；NS為差異不顯著

* represents significant at the 0.05 probability level, ** represents significant at the 0.01 probability level, NS represents no significant at the 0.05 probability level

2.3 破碎率與籽粒含水率之間的關系

籽粒破碎率是評價玉米機械收獲質量的重要指標。由圖1可見，籽粒破碎率有隨含水率增大而增大的趨勢。在破碎率≥15%的樣本中，有73.4%的樣本含水率分布在30%以上。在籽粒含水率＜30%的樣本中，雖然破碎率低于8%的樣本較多，但也有一定數量的樣本破碎率超過15%；而在籽粒含水率≥30%的樣本中，也有一些樣本破碎率低于8%，表明籽粒含水率是影響破碎率的重要因素，但不是唯一因素。

籽粒破碎率（）與含水率（）呈極顯著正相關關系（=0.587**，=1698），可用二次多項式= 0.03722- 1.4826+20.422（2=0.452**，=1 698）進行擬合。利用該方程估測，籽粒含水率在19.9%時破碎率最低；如果按破碎率≤5%的國標標準（GBT-21961—2008），在當前品種和收獲條件下，籽粒含水率必須控制在19%左右收獲才能滿足要求；如果按破碎率≤8%的糧食烘干收儲企業三級糧標準（飼料用玉米GB/T17890— 1999），籽粒含水率應控制在28%以下收獲。

2.4 雜質率與籽粒含水率的關系

雜質率是評價玉米機械粒收質量并影響產品收購的一個重要指標。國標（GBT-21961—2008）規定機械粒收雜質率≤3%，糧食烘干收儲企業雖未對該指標進行界定，但要根據抽樣檢測結果扣除雜質。通過1 698組樣本分析（圖2）可見，雜質率有隨籽粒水分含量增大而增大的趨勢，兩者之間呈極顯著正相關關系（=0.404**，n=1 698），可用方程=0.1215- 1.9867（2=0.163**，n=1 698）擬合，利用該方程估測，當籽粒含水率增加到41%時，估測雜質率為2.995%，接近雜質率≤3%國標（GBT-21961—2008）要求，因此，從雜質率角度考慮，籽粒含水率低于40%收獲一般均可以滿足國標要求。

圖1 玉米籽粒破碎率與含水率之間的關系

圖2 雜質率與玉米籽粒含水率間的關系

2.5 最佳機械粒收質量的籽粒含水率范圍

玉米機械粒收最佳的時期應是破碎率、雜質率和田間產量損失率3項指標均較低的時候。由于破碎率、雜質率和田間損失率均與籽粒含水率存在極顯著關系，建立三者與籽粒含水率之間的聯立方程：破碎率=0.03722-1.4826+20.42；雜質率=0.1215-1.9867；損失率=0.1822-8.584+128.07，可以進行不同籽粒含水率時破碎率、雜質率和損失率的估測。表4給出了籽粒含水率14%—35%時估測的破碎率、雜質率和損失率結果。

國標（GB/T 21962—2008）“玉米收獲機械技術條件”中規定了玉米機械粒收總損失率≤5%，籽粒破碎率≤5%，籽粒含雜率≤3%。由表4可見，在籽粒含水率在14%—35%收獲，除破碎率外，雜質率和損失率均低于國標規定值。因此，籽粒破碎率是當前機械粒收的主要質量問題以及確定收獲時期的主要指標。根據擬合結果，籽粒含水率在17%—22%之間收獲，破碎率可控制在5%左右水平；如果按照糧食烘干收儲企業要求的破碎率≤8%的標準，則機械粒收應在籽粒含水率不高于28%時進行。

表4 籽粒不同含水率條件下破碎率、雜質率和損失率的預測

按全國平均單產6000 kg·hm-2計算損失率 The combine lost was calculated by the maize average yield (6000 kg·hm-2) of China

3 討論

3.1 籽粒破碎率高是當前中國玉米機械粒收存在的主要質量問題

本文對中國15個玉米主產?。▍^）168個機械粒收地塊1 698組樣本測試的結果表明，在籽粒破碎率、含雜率和田間損失率3項收獲質量指標中，破碎率平均達到8.63%，高于≤5%的國標“玉米收獲機械技術條件”（GBT-21961—2008）要求；雜質率均值為1.27%、總損失率為4.12%，分別低于≤3%、≤5%的國標要求。籽粒收獲過程中的高破碎率不僅降低了玉米品質等級和銷售價格，而且導致收獲產量下降，并增大烘干成本、增加安全貯藏的難度[5-8]，當前，籽粒破碎率高是中國玉米機械粒收技術推廣面臨的主要質量問題。

20世紀50年代北美率先應用玉米機械粒收技術時，隨著高水分籽粒脫粒、高溫干燥、高速處理設備的應用，也同樣面臨玉米籽粒破碎率高的問題[6-7]。Henry等[6]觀測到，在相同籽粒含水率條件下存放，機械脫粒玉米因存在機械損傷（29%的機械損傷率），其霉變速度比手工脫粒玉米快2—3倍，而且帶有破碎的玉米烘干費用是無破碎的6—7倍。Hill等[9]調查發現，將等級為2級標準的玉米從美國中西部運輸至港口，破碎率超過了4級玉米的標準。因籽粒破碎嚴重，美國玉米在出口貿易時曾經因等級下降，農民遭受巨大損失。這些質量問題嚴重威脅到美國玉米在國際市場的地位[5,10]。為此，美國及相關玉米生產技術先進國家圍繞玉米籽粒破碎問題開展了大量研究，并逐步使這一問題得到了解決。

3.2 籽粒含水率高是導致機械粒收質量差的主要原因

本研究表明籽粒含水率與破碎率、雜質率、田間損失率呈極顯著相關，在一定范圍內，隨著籽粒含水率增加，破碎率、雜質率和田間損失率增加。1 698組測試樣本顯示，當前中國玉米機械粒收時含水率平均為26.83%，遠高于18%—23%這一國外普遍認為的最佳含水率收獲指標。Hall等[11]研究認為，籽粒含水率在20%—23%時收獲破碎率最低；Cowdhury等[12]報道籽粒含水率23%時機械損傷率最低。Plett[13]對加拿大6個玉米品種研究表明，籽粒破碎率與含水率呈顯著相關，破碎率最低時的籽粒含水率為16.7%—22.1%。Paulsen[14]提出籽粒破碎敏感度（breakage susceptibility，BS）與含水率（M）的關系符合BS=171.3exp(-0.29M)，通過該公式可估測籽粒破碎率。本文對當前中國1 698個樣本破碎率與籽粒含水率的回歸分析發現，兩者關系以二次多項式擬合度最高，即破碎率在籽粒含水率較低和較高時均有增大趨勢，破碎率的最低值并非出現在籽粒含水率最低時，根據擬合結果，破碎率最低時的含水率為19.9%，按破碎率、雜質率、田間損失率三者與籽粒含水率之間建立的聯立方程估測，籽粒含水率控制在17%—22%收獲，破碎率可以控制在5%左右水平；如果按破碎率≤8%的糧食烘干收儲企業三級糧標準（飼料用玉米GB/T17890—1999），籽粒含水率應控制在28%以下收獲才能滿足要求，因此，籽粒含水率高是導致當前籽粒破碎率高的主要原因。

在本研究中也看到，籽粒含水率能夠解釋破碎率變化的45.2%，在籽粒含水率＜30%的樣本中，也有一定數量的樣本（占26.6%）破碎率超過15%；而在≥30%的樣本中，同樣，也有一些樣本破碎率低于8%，表明籽粒含水率是影響破碎率的主要因素，但不是唯一因素。由此可見，破碎率不僅受籽粒含水率影響，還受收獲機械類型與調試狀況[11,15]以及品種、栽培措施和生態氣候因素的影響[16-18]。

美國玉米帶在機械粒收技術推廣之初，籽粒破碎率高的原因之一也是收獲期籽粒含水率過高[19-21]，但他們通過延遲收獲使籽粒含水率降至20%甚至更低時收獲[22]，一定程度上解決了這一問題。中國北方春玉米區可借鑒這一做法，但黃淮海夏玉米區因一年兩熟種植制，給玉米收獲預留的時間較短，這一做法不可行，需研究其他途徑來解決。

3.3 收獲時籽粒含水率已經成為一個重要的經濟問題

收獲時較高的籽粒含水率對玉米收獲、烘干、貯藏、運輸和加工利用均產生較大影響，使玉米種植者遭受經濟損失，還易引起籽粒霉變，影響玉米品質。在美國北部及加拿大、北歐和俄羅斯部分地區，以及中國黑龍江北部區域，玉米機械粒收時因含水率高，常造成額外的烘干能耗費用，且增加機械收獲的難度，籽粒破碎率偏高。Dutta[7]認為，籽粒含水率超過20%時收獲機械損傷率急劇增加，美國玉米由機械穗收向粒收方式轉變過程中存在籽粒含水率過高收獲導致機械損傷大的問題。尤其在美國北部，籽粒破碎問題更受關注，因為這些地區收獲時籽粒含水率通常達到25%以上，收獲后要快速干燥至安全含水率，而快速干燥意味著使用高溫干燥，高溫干燥使籽粒破碎敏感度（BS）進一步增大[19-20]。Lackey等[23]報道，在加拿大，當收獲玉米的籽粒含水率在25%以上時，每噸玉米烘干的費用為24加元，每年加拿大因烘干玉米的費用超過2億加元；Ragai等[24]研究發現，當玉米籽粒含水率高于21%時，在自然條件或低溫干燥情況下貯藏會發霉，谷物安全貯藏含水率應低于14%。目前中國許多玉米產區，收獲時玉米籽粒含水率通常在30%—40%，難以實現機械粒收，還導致堆積晾曬過程中的發霉，影響玉米商用品質。由此可見，當前中國玉米收獲時籽粒含水率已經成為一個重要的經濟問題。相關研究表明，收獲時玉米籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脫水速率控制，籽粒脫水速率受基因型、生態氣象因素和栽培措施共同作用[16, 25-28]，因此，選擇適當早熟、成熟期籽粒含水率低、脫水速度快的品種，適時收獲，建立配套烘干存貯設施是中國各玉米產區實現機械粒收技術的關鍵措施。同時，針對中國玉米種植區域廣、種植方式與品種類型多的特點，需要加強玉米籽粒脫水生理機制的研究和各地籽粒脫水特征的系統觀測，為玉米機械粒收技術的推廣和品質改善提供理論依據和技術支撐。

4 結論

通過在中國15個玉米主產省區168個機械粒收地塊1 698組樣本測試結果表明，籽粒破碎率平均達到8.63%，高于≤5%的國標“玉米收獲機械技術條件”（GBT-21961—2008）要求；雜質率均值為1.27%，總損失率為4.12%，分別低于≤3%、≤5%的國標要求。籽粒破碎率高是當前中國玉米機械粒收技術推廣面臨的主要質量問題。破碎率、雜質率和田間損失率3個機收質量指標均與籽粒含水率呈極顯著相關，其中，破碎率與籽粒含水率呈二次曲線關系，可用=0.0112-0.122+3.529估測。如果按破碎率≤8%的糧食烘干收儲企業標準，籽粒含水率應控制在28%以下收獲才能滿足要求。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Current Status of Maize Mechanical Grain Harvesting and Its Relationship with Grain Moisture Content

CHAI ZongWen1,3, WANG KeRu1, GUO YinQiao1, XIE RuiZhi1, LI LuLu1, MING Bo1, HOU Peng1, LIU ChaoWei2, CHU ZhenDong2, ZHANG WanXu2, ZHANG GuoQiang2, LIU GuangZhou1, LI ShaoKun1

(1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081;2Agricultural College of Shihezi University, Shihezi 832003, Xinjiang;3Agricultural Technology Extension Station of Gansu Province, Langzhou 730020)

【Objective】Grain mechanical harvesting is the key technology of modern production of maize, and a developing direction of maize harvesting technology at home and abroad. Making clear the current problems of maize mechanical harvesting technology, and studying the main factors that affect the quality of combine harvest maize are important to promote the development of maize grain harvesting technology in China. 【Method】Since 2011, a number of experiments and demonstration of maize grain harvesting have been carried out in maize production regions, including the northwest, Northeast and North, and huang-huai-hai maize production regions. By the year of 2015, a total of 1 698 sets of sample data of grain harvesting quality were obtained from 168 plots of maize field in 15 provinces. 【Result】The results showed that, (1) the average grain broken rate was 8.63%, the impurity rate was 1.27%, total grain yield loss of ear and kernel was 24.71 g·m-2, equivalent to the loss grain yield of 16.5 kg/667m2, the average total grain loss rate was 4.12%. The high grain breakage rate was the main quality problem for maize grain harvesting in China. The relationship between grain moisture content and broken rate can be fitted by the equation of quadratic polynomial, which is=0.03722-1.483+20.422(2=0.452**,=1698). In a certain range of kernel moisture content (＞19.9%), grain broken rate increased with the increase of grain moisture content. 【Conclusion】At present, grain broken rate for maize mechanical grain harvesting in China is high, and the high moisture content of kernel is the main controlling factor. It is recommended to select maize hybrids which have the characteristics such as appropriate early maturing, low moisture content of grain and rapid dry-down at mature period, and to harvest at right moment, and to match grain drying and storage facilities, are the key measurements to achieve mechanical grain harvesting in maize production areas in China.

maize; mechanical grain harvesting; quality of harvest; grain moisture content; grain broken rate

2017-02-09；

2017-05-22

國家自然科學基金（31371575）、國家重點研發計劃（2016YFD0300101）、中國農業科學院農業科技創新工程、國家玉米產業技術體系項目（CARS-02-25）

李少昆，Tel：010-82108891；E-mail：lishaokun@caas.cn

聯系方式：柴宗文，E-mail：563213516@qq.com。王克如，Tel：010-82108595；E-mail：wkeru01@163.com。柴宗文與王克如為同等貢獻作者。