玉米稈、穗、粒力學特性的品種與密度效應研究

李銀昌 張兆玉 曹紅波 朱如華 丁山 楊錦忠

摘要：為明確玉米“稈-穗-粒”力學特性的品種與密度效應，于2016年和2017年分別設置20個品種、7個品種×3個密度組合的田間試驗，測定玉米莖稈-雌穗和穗軸-籽粒的連接力學特性，以及穗軸、籽粒的力學特性。通過方差分析、效應估算、多重比較、遺傳相關等方法分析數據，結果表明，供試玉米品種的莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽粒縱向和橫向連接力、穗軸抗壓碎力和抗彎折力的取值范圍分別為291～579、5.57～13.69、5.10～9.66、1 070～3 849、140～355 N，籽粒抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強度的變化范圍分別是89～157 N、42.7～105.0 N及48.1～77.0 MPa。品種、品種×密度互作對莖稈-雌穗連接力和穗軸-籽粒縱向、橫向連接力影響顯著，品種、密度對穗軸抗壓碎力和抗彎折力影響顯著，穗軸抗壓碎力和抗彎折力隨種植密度的增加呈下降趨勢。品種對莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽粒縱向和橫向連接力、穗軸抗壓碎力和抗彎折力的總貢獻率分別為52.08%、40.55%、18.71%、89.71%、56.92%，均高于其他效應因子的總貢獻率。品種對籽粒抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強度影響顯著。籽粒抗壓碎力分別與長度、周長、面積、表面積、體積、矩形度呈顯著正相關，穿刺強度分別與厚度、面積、表面積、體積、矩形度呈顯著正相關，抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強度分別與比表面積呈顯著負相關。綜之，品種是影響玉米“稈-穗-粒”連接特性和穗軸、籽粒力學特性的主要因素，籽粒比表面積分別與其抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強度相關性顯著。這些結果可為玉米宜機收品種選育和栽培、收獲機具設計提供參考依據。

關鍵詞：玉米;力學特性;莖稈-雌穗連接力;穗軸-籽粒連接力;籽粒;品種;種植密度

中圖分類號：S513.01 ?文獻標識號：A ?文章編號：1001-4942（2019）06-0062-07

Abstract In order to clarify variety and density effects on the mechanical properties of stalk， ear and grain of maize， the field trials of 20 varieties and 7 variety × 3 density combinations were set in 2016 and 2017， respectively. The mechanical properties of stalk-ear and cob-grain connection were determined， as well as the mechanical properties of cob and grain. The data were analyzed by ANONA， effect estimation， multiple comparison and genetic correlation analysis. The results showed that the values of stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 291～579， 5.57～13.69， 5.10～9.66， 1 070～3 849 and 140～355 N， respectively. The variation ranges of crushing resistance， shearing resistance and punctur strength were 89～157 N， 42.7～105.0 N and 48.1～77.0 MPa， respectively. Variety and variety×density interaction had significant effects on stalk-ear connection force and cob-grain longitudinal and lateral connection force; variety and density had significant effects on crushing resistance and bending resistance of cob， and the crushing resistance and bending resistance of cob decreased with the increase of planting density. The total contribution rate of varieties to stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 52.08%， 40.55%， 18.71%， 89.71% and 56.92% respectively， and all of them were higher than that of the other effectors. Variety had significant effects on grain crushing resistance， shearing resistance and puncture strength. The crush resistance of grain was significantly positively correlated with length， perimeter， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The puncture strength was significantly positively correlated with thickness， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The crushing resistance， shearing resistance and puncture strength were significantly negatively correlated with the specific surface area， respectively. In summary， variety was the main factor affecting the stalk-ear-grain connection characteristics and the mechanical properties of cob and grain of maize， and the specific surface area of grain was significantly correlated with crushing resistance， shearing resistance and puncture strength， respectively. These results could provide references for maize variety selection and cultivation and harvester design.

Keywords Maize; Mechanical properties; Stalk-ear connection force; Cob-grain connection force; Grain; Variety; Planting density

籽粒機械直收是我國玉米生產發展的必然趨勢，但目前普遍存在著高破碎率、高損失率、高雜質率等收獲質量問題[1-3]。玉米“稈-穗-粒”彼此連接的力學特性以及穗軸、籽粒的力學特性是影響籽粒收獲質量的重要因素，也是收獲機具設計的重要依據。因此，研究玉米籽粒直收相關力學特性對于提高籽粒收獲質量和推動籽粒直收機具的研發具有重要意義。

對于玉米莖稈、穗軸、籽粒力學特性方面的問題，前人已做過一些研究。崔日鮮等[4]提出一種新的抗倒指數法，并且通過實測數據驗證發現，隨種植密度增加，玉米植株的風荷載逐漸降低，抗莖倒指數也逐漸降低。Anazodo[5]通過對玉米穗軸進行徑向壓縮和純彎曲試驗發現，品種、含水率等對穗軸的力學性質均有顯著影響。余吉洋[6]通過對玉米穗軸的測試研究發現，品種對玉米穗軸力學性質有顯著影響。薛軍等[7]通過品種大區鑒選試驗發現，當籽粒含水率低于20.1%時，籽粒破碎率隨穗軸抗折斷力提高呈極顯著的指數增加趨勢。李心平等[8]對籽粒的沖擊破碎試驗結果發現，含水率、品種對沖擊破壞力有顯著影響。雖然目前關于玉米莖稈、穗軸、籽粒力學特性的研究開展較多，但關于莖稈-雌穗和穗軸-籽粒連接力學特性的相關試驗研究還鮮見報道。本研究設置品種與密度的互作試驗，解析了玉米莖稈-雌穗、穗軸-籽粒的連接特性和穗軸、籽粒力學特性的品種與密度效應，并探明了籽粒力學特性與幾何性狀之間的相關性。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

田間試驗分別于2016年和2017年在青島農業大學膠州現代農業科技示范園（35.53°N，119.58°E）實施。供試土壤為砂姜黑土。0～20 cm耕層土壤的理化性狀：pH=7.38，有機質含量14.11 g/kg，堿解氮78.63 mg/kg，速效磷35.69 mg/kg，速效鉀128.52 mg/kg。供試玉米品種見表1。

1.2 試驗設計

2016年試驗設置20個品種（表1），3次重復，隨機區組設計。種植密度統一為每平方米7.5株。每小區種植5行，行長6.6 m，行距0.6 m，株距0.22 m。小麥收獲后旋耕，人工雙粒點播播種。

2017年試驗設置7個品種（表1）和3個密度（每平方米6.0、7.5、9.0株，下同），采用改良間比法設計。每小區種植8行，小區行長6 m，行距0.6 m。麥收后免耕，人工雙粒點播播種。

2016年試驗于播種前一次性施入22-8-12（N-P2O5-K2O）控釋肥825 kg/hm2;6月16日播種，10月17日收獲。2017年試驗于播種前一次性施入25-11-12（N-P2O5-K2O）控釋肥800 kg/hm2;6月20日播種，10月22日收獲。其它管理措施同當地大田生產。成熟期采收3～5個代表性植株，用于各項力學和形態指標測定。

1.3 測定項目與方法

除特別說明外，均使用SANS-CMT450電子萬能力學試驗機測定力學特性。

1.3.1 莖稈-雌穗連接特性 將含果穗的莖稈固定在力學試驗機上，下夾具固定結穗位下部莖稈，上夾具套在果穗下方，以7 mm/min的速度垂直向上拉果穗，記錄穗柄斷裂的拉力峰值，即為莖稈-雌穗連接力。重復3次。

1.3.2 穗軸-籽粒連接特性 每個果穗保留位置充分散開的14顆籽粒，脫粒時避免擾動這些保留籽粒。使用裝有托普HF-20數顯推拉力儀的玉米果穗軸粒連接力測量裝置[9]測定穗軸-籽粒的縱向和橫向連接力峰值。每個方向測7粒，重復3次。

1.3.3 穗軸力學特性 將穗軸平放在測試臺上，上壓力板以7 mm/min的速度勻速向下運動，記錄穗軸破裂時的力峰值，即為抗壓碎力;測定穗軸抗彎折力則是將其平放在夾具上，兩端支點間距60 mm，壓頭以7 mm/min的速度對準中點向下運動，記錄穗軸破裂的力峰值，即為抗彎折力。各3次重復。

1.3.4 籽粒力學特性 將含水率為26%的籽粒立放并固定在測試臺上，上壓力板以5 mm/min的速度向下運動，測定籽粒的抗壓碎力;將籽粒側放并固定在測試臺上，專用剪切刀以5 mm/min的速度向下運動，測定籽粒的抗剪切力。當籽粒被壓碎或切碎時，記錄窗口顯示的力峰值。每個品種測21粒，2次重復。

利用YYD-1B型數字式測力儀沿垂直方向勻速穿刺籽粒無胚面，當籽粒被刺穿時，記錄儀器顯示的峰值，即為穿刺強度。每個品種測21粒，2次重復。

利用Epson Scan V330掃描儀獲取分辨率為600 DPI的籽粒無胚面和有胚面圖像，每次掃描21粒，2次重復;使用自編圖像處理軟件[10]測量籽粒長度、寬度、周長、面積，利用電子數顯游標卡尺于籽粒中部測量厚度，每次21粒，2次重復。

籽粒其它形態性狀的計算公式如下：矩形度=面積/外接矩形面積，表面積=周長×厚度+面積×2，體積=面積×厚度，比表面積=表面積/體積。

1.4 數據分析

效應大小是指各種因子的作用或影響，用因子的貢獻率表示，可以通過方差分析結果進行計算。總貢獻率表示某因子的作用占總作用的比例，偏貢獻率表示某因子的作用占總偏作用的比例。總作用包括模型其它因子的作用，總偏作用則不包括模型其它因子的作用。二者從不同角度反映因子的作用大小，并且均是無量綱的純數[11-13]。

因子的總貢獻率計算公式為：

2 結果與分析

2.1 玉米“稈-穗-粒”連接特性

2.1.1 莖稈-雌穗連接特性的品種和密度間差異 莖稈-雌穗連接力是玉米收獲機摘穗機構設計的重要參數，影響著籽粒機收的損失率。由表2可知，品種、品種×密度互作對莖稈-雌穗連接力影響顯著（P<0.05），密度對莖稈-雌穗連接力影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻率（表2）可以看出，品種取值52.08%，對莖稈-雌穗連接力作用最大;密度和品種×密度互作的取值分別為0.94%和10.95%，遠小于品種的取值。偏貢獻率也表現出類似的情形。因此，品種是影響玉米莖稈-雌穗連接力的主要因素。

玉米莖稈-雌穗連接力的變異范圍為291～579 N（圖1）。鄭單958的莖稈-雌穗連接力最小，顯著低于其他品種;粒收1號的最大，與新單68、豐墾139、創玉107差異不顯著。供試品種按莖稈-雌穗連接力從大到小排序是：粒收1號>新單68>豐墾139>創玉107>迪卡517>利單618>鄭單958。

2.1.2 穗軸-籽粒連接特性的品種和密度間差異 穗軸-籽粒連接力是玉米收獲機脫粒機構設計的重要參數，也影響到籽粒的脫凈率。由表3可知，品種、品種×密度互作對穗軸-籽粒縱向、橫向連接力的影響均達到顯著水平（P<0.05），而密度對它們的影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻率（表3）上看，品種分別取值40.55%和18.71%，對穗軸-籽粒連接力作用最大;密度的數值為負數，表示其作用為零;而品種×密度互作的數值相對于品種的取值較小。因此，品種是影響玉米穗軸-籽粒連接力的主要因素。

玉米穗軸-籽粒縱向連接力的變幅為5.57～13.69 N（圖2）。粒收1號的縱向連接力最大，且與利單618差異不顯著;豐墾139的縱向連接力最小，約是粒收1號的40.7%。供試品種按穗軸-籽粒縱向連接力的大小排序為：粒收1號>利單618>新單68>創玉107>鄭單958>迪卡517>豐墾139。

2.2 玉米穗軸、籽粒力學特性

2.2.1 穗軸力學特性的品種和密度間差異 在機械脫粒過程中，穗軸的力學特性既影響籽粒的破碎率，也影響雜質率。由表4可知，品種、密度對穗軸抗壓碎力和抗彎折力影響顯著（P<0.05），品種×密度互作影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻率（表4）看，品種分別取值89.71%和56.92%，密度和品種×密度互作的數值接近于零，說明品種對穗軸抗壓碎力和抗彎折力的作用最大，而密度和品種×密度互作的作用幾乎為零。偏貢獻率也表現出類似的情形。因此，品種是影響玉米穗軸抗壓碎力和抗彎折力的主要因素。

參試玉米品種的穗軸抗壓碎力的變異范圍是1 070～3 849 N，穗軸抗壓碎力隨種植密度的提高整體呈現下降趨勢（表5、圖4）。在3個密度條件下，粒收1號的穗軸抗壓碎力均最大，豐墾139的穗軸抗壓碎力最小，整體上約是粒收1號的30%。供試品種按穗軸抗壓碎力從大到小排序是：粒收1號>創玉107>利單618>迪卡517>鄭單958>新單68>豐墾139。

2.2.2 籽粒抗壓碎力的品種間差異 籽粒抗壓碎力影響籽粒的破碎率。品種對籽粒抗壓碎力影響顯著（P<0.0001）。20個品種的籽粒抗壓碎力在89～157 N內變化，抗壓碎力最大的品種是登海528，與聊玉B32、先玉335差異不顯著（表6）。

2.2.3 籽粒抗剪切力的品種間差異 籽粒抗剪切力是影響破碎率的另一個重要指標。品種對籽粒抗剪切力影響顯著（P<0.0001）。20個品種的籽粒抗剪切力在42.7～105.0 N之間變化，籽粒抗剪切力最大的品種是QN-2，與金海Z-3、QN-1、聊玉B3、魯單9136等差異不顯著（表6）。

2.2.4 籽粒穿刺強度的品種間差異 籽粒穿刺強度也是影響破碎率的重要指標。品種對籽粒穿刺強度影響顯著（P<0.0001）。20個品種籽粒穿刺強度的變化范圍是48.1～77.0 MPa，穿刺強度最大的品種是連勝2018，先玉335、聊玉B19、聊玉B32、QN-2、QN-3、金海Z-5等與其差異不顯著（表6）。

2.2.5 籽粒力學特性與幾何性狀的遺傳相關分析 由表7可知，長度、周長、面積、表面積、體積、矩形度與抗壓碎力呈顯著正相關;厚度、面積、表面積、體積、矩形度與穿刺強度呈顯著正相關;比表面積與籽粒抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強度均呈顯著負相關，相關系數分別為-0.572、-0.534、-0.820。

3 討論

玉米籽粒機械化收獲是指通過收獲機械在田間一次性完成摘穗、剝苞葉、脫粒、分離、清選并入倉的過程[14]。關于籽粒機械化收獲方面的研究，眾多研究將重點放在籽粒的力學特性上，有關摘穗、脫粒時莖稈-雌穗、穗軸-籽粒連接特性的信息很少。莖稈-雌穗連接力和穗軸-籽粒縱向、橫向連接力分別影響摘穗和脫粒時的損失率，因此，本試驗將重點放在對莖稈-雌穗連接特性、穗軸-籽粒連接特性的研究上，使整個試驗囊括了從摘穗到脫粒過程中所涉及到的關鍵力學特性，構成一個比較完整的體系。

顯著性只能表明某因子作用的存在，卻無法提供因子作用大小的信息，不能反映因子作用的實質重要性[15]，無法直接比較不同因子的重要性，尤其是在它們擁有相同統計顯著性情形下的相對重要性。本研究通過計算因子的效應大小反映因子作用的實質重要性，用總貢獻率和偏貢獻率作為反映因子效應大小的指標[16]。結果表明，玉米“稈-穗-粒”連接特性及穗軸、籽粒力學特性的品種效應顯著大于密度、互作等其他因子的效應。通過不同因子效應大小的比較，能夠提供關于效應的更深刻認識。

針對本試驗籽粒抗壓碎力的測定方向問題，經查閱相關文獻發現，玉米籽粒破碎率受最小破碎力影響較大[16]，同一品種、同一含水率的玉米籽粒在立放時的抗壓能力最小[18-23]。故本試驗均以立放的方式測定籽粒的抗壓碎力。張鋒偉等[20]測得當含水率為22.6%時金穗4號的籽粒抗壓碎力為122.4 N;楊玉芬等[21]測得富油1號和東單1號在籽粒含水率為22.9%時的抗壓碎力分別為160.5 N和128.8 N;趙學篤等[23]測得玉米籽粒在24%含水率的條件下的抗壓碎力是59 N。本研究測得當籽粒含水率為26%時，20個玉米品種的籽粒抗壓碎力在89～157 N范圍內變化。這些結果盡管不完全相同，但數值接近，反映了籽粒抗壓碎力的基本情況，而且本研究的供試品種遺傳背景更加豐富，結果代表性更好。

本研究發現比表面積是一個重要的幾何性狀，顯著影響籽粒的3種力學特性，對穿刺強度的影響尤為明顯，二者的相關系數絕對值最大，達0.820。此外，本課題組發現與含水率相比，籽粒穿刺強度能夠更精確地預測脫粒破碎率，是影響脫粒破碎率的直接因素（詳細數據未列出，將另文發表）。

4 結論

品種是影響玉米“稈-穗-粒”連接特性及穗軸力學特性的主要因素。密度對穗軸抗壓碎力和抗彎折力的影響顯著，品種×密度互作對莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽粒縱向、橫向連接力的影響顯著。玉米品種對籽粒的穿刺強度、抗壓碎力和抗剪切力有強烈影響;籽粒比表面積與穿刺強度、抗壓碎力和抗剪切力相關性顯著，是一個重要的幾何性狀。這些研究發現對于宜機收玉米品種的選育和栽培、收獲機具的設計有一定參考價值。

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