玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率與穗軸特性關(guān)系分析

趙 波，孔凡磊，陳 祥，劉佳媛，李小龍，杜 霞，陳謀浩，袁繼超

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，成都 611130）

0 引 言

中國西南地區(qū)因其獨特的地形地貌和生態(tài)特點，在玉米生產(chǎn)中機(jī)械化程度低，尤其是收獲環(huán)節(jié)，嚴(yán)重依賴人力投入，造成玉米生產(chǎn)利潤低、市場競爭力弱和可持續(xù)性差等問題[1-2]。研發(fā)適宜收獲機(jī)械，選擇宜機(jī)品種，配套優(yōu)良栽培及收獲技術(shù)，提高玉米機(jī)械化收獲水平，減少人力等不可再生資源的投入，能顯著提升玉米生產(chǎn)效益競爭力和可持續(xù)發(fā)展水平[3-5]。玉米機(jī)械粒收質(zhì)量評價指標(biāo)主要包括破碎率、雜質(zhì)率和損失率[6-8]，以往的研究主要集中于機(jī)械粒收破碎率和損失率[1,9-11]，機(jī)械粒收籽粒含雜率及其影響因素研究較少，鮮見西南地區(qū)玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率的相關(guān)研究。因此，明確西南玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率現(xiàn)狀，對于指導(dǎo)該區(qū)域?qū)嶋H生產(chǎn)和技術(shù)改良具有重要意義。中國西北春玉米區(qū)、黃淮海夏玉米區(qū)和東北、華北春玉米區(qū)機(jī)械粒收的雜質(zhì)率均值為1.27%，范圍為0%～18.01%[7]。適期晚收是被認(rèn)為能夠利用光熱資源來實現(xiàn)玉米籽粒田間干燥降低含水率達(dá)到降本增效和顯著提升機(jī)械粒收質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)[6,12-14]，隨收獲時期后移，籽粒含雜率顯著降低[6,13]。趙波等[15]研究發(fā)現(xiàn)，穗軸占機(jī)械粒收雜質(zhì)的比例達(dá)55.49%。雜質(zhì)率主要受玉米籽粒含水率和穗軸含水率的影響[16]，玉米穗軸硬度是影響機(jī)械粒收破碎率的重要因素[10]，穗軸硬度與籽粒含雜率間存在負(fù)相關(guān)性[16]。機(jī)械操作差異也是影響籽粒含雜率的重要因素，不同的收獲機(jī)型由于篩網(wǎng)間隙、振動篩結(jié)構(gòu)形式、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、清選風(fēng)機(jī)風(fēng)力等參數(shù)的不同，導(dǎo)致籽粒含雜率存在顯著差異[16-18]。作者前期進(jìn)行了西南玉米機(jī)械粒收破碎率的研究[1]，而西南玉米目前推廣使用的粒收機(jī)型多是水稻、小麥、油菜收獲機(jī)械改裝而來，是否會造成高的機(jī)收籽粒含雜率、不同收獲期機(jī)收雜質(zhì)中穗軸絕對重量和所占比例的變化以及不同收獲期穗軸特性對雜質(zhì)率的影響尚不清楚。為此，本研究于2018—2020年在四川中江同一地塊，采用同一機(jī)械、操作人員進(jìn)行分期收獲試驗，分析不同收獲期雜質(zhì)組分和穗軸特性變化規(guī)律，明確穗軸特性與機(jī)械粒收籽粒含雜率的關(guān)系，以期為玉米機(jī)械粒收技術(shù)改良和適宜機(jī)械粒收品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于 2018—2020年在四川省中江試驗基地（31°03′N，104°68′E）進(jìn)行。試驗地塊平整，肥力相對一致，且 3年保持同一地塊。從四川玉米產(chǎn)區(qū)有較大種植推廣面積、較適合機(jī)收的品種中選取仲玉 3號（南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供）、成單30（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供）、先玉 1171（鐵嶺先鋒種子研究有限公司提供）和正紅 6號（四川農(nóng)大正紅生物技術(shù)有限責(zé)任公司），大區(qū)種植，行距60 cm，種植密度為60 000株/hm2。2018—2020年播種時間分別為4月8日、3月27日和3月31日，4個參試品種的生育期相近，以乳線消失、黑色層完全形成為生理成熟期判定標(biāo)準(zhǔn)，2018年至2020年生理成熟期分別在7月31日、8月6日和8月3日。2018年設(shè)置6個收獲期，即7月31日、8月7日、8月13日、8月19日、8月25日和8月31日；2019年設(shè)置8個收獲期，即7月22日、7月28日、8月10日、8月15日、8月20日、8月25日、8月30日和9月6日；2020年設(shè)置5個收獲期，即8月3日、8月8日、8月20日、8月25日和9月5日；每次收獲均在上午11點左右進(jìn)行。收獲機(jī)為久保田4LZY-1.8B，配套家家樂4YG-3A玉米收割臺，該機(jī)割幅3行（適宜行距55～65 cm），每次收獲采用同一臺機(jī)器、同一作業(yè)人員，收獲長度不少于 20 m，收獲行走速度、機(jī)器轉(zhuǎn)速、進(jìn)風(fēng)口大小、脫粒滾筒及篩板、割臺高度等設(shè)置在每次收獲時保持一致。每次收獲前取樣測定玉米穗軸特征值，收獲后調(diào)查籽粒含雜率情況。試驗期間的溫度和降雨量見圖1。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 穗軸彎曲強(qiáng)度

每次收獲前從待收獲區(qū)域隨機(jī)選取 15個無穗粒腐病果穗，手工脫粒，采用莖稈強(qiáng)度測定儀（浙江托普儀器有限公司，中國杭州，500 N量程）測定玉米穗軸彎曲強(qiáng)度。以穗軸中部為中心，將穗軸放于支撐架凹槽內(nèi)，2個支撐點距離10 cm，然后將U型探測頭垂直于穗軸方向緩慢勻速下壓，記錄穗軸折斷時儀器所顯示的最大力學(xué)值[19-20]。每個區(qū)域3次重復(fù)。

1.2.2 穗軸含水率

在完成穗軸彎曲強(qiáng)度測定后，立即將穗軸稱鮮質(zhì)量（FW），80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量（DW），計算穗軸含水率：

1.2.3 籽粒含質(zhì)率

每次分品種收獲后，將機(jī)倉內(nèi)全部籽粒放空裝袋，充分混勻后隨機(jī)取2 kg（Wh），取3次（3個重復(fù)），參照 GBT-21961—2008[21]，人工將其分為籽粒和非籽粒部分，然后稱取非籽粒部分質(zhì)量（Wz），計算籽粒含雜率（Zz）[22]：

1.2.4 雜質(zhì)種類

將非籽粒部分（雜質(zhì)）按穗軸、葉片、莖稈、種皮、殘渣、其他 6種類型進(jìn)行人工分揀，并分別稱質(zhì)量，計算各類型雜質(zhì)的相對含量：

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用MicrosoftExcel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，利用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同收期籽粒含雜率及雜質(zhì)組分變化

隨收獲期推遲，玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率顯著降低（圖2）。2019年7次收獲籽粒含雜率分別為7.90%、4.14%、1.14%、0.37%、0.27%、0.19%、0.11%，2020年4次收獲籽粒含雜率分別為3.29%、1.90%、0.97%、0.44%。從雜質(zhì)組成來看，穗軸是主要雜質(zhì)組分，不同收獲期雜質(zhì)中穗軸所占比例均較大，2019年和2020年，雜質(zhì)中穗軸所占比例范圍分別為 32%～59%和 45%～79%，平均為51.45%。在2019年7月22日至8月15日和2020年8月3日至8月25日期間雜質(zhì)絕對含量呈顯著性下降，且雜質(zhì)中穗軸絕對含量也呈顯著下降，2019年穗軸絕對含量由26.73 g/kg降至0.53 g/kg，2020年由23.34 g/kg降至1.89 g/kg 。可見推遲收獲顯著降低機(jī)械粒收籽粒含雜率，雜質(zhì)中穗軸絕對含量的顯著降低對于降低玉米機(jī)械粒收含雜率十分重要。

2.2 不同收期穗軸特性變化

根據(jù)不同收獲期穗軸彎曲強(qiáng)度和穗軸含水率的調(diào)查結(jié)果可知，隨收獲期后移，穗軸含水率呈逐漸降低的趨勢（圖3a），2018年和2020年穗軸彎曲強(qiáng)度呈先升高后逐漸降低趨勢，但2019年則呈先降低后升高再逐漸降低趨勢（圖3b），這主要是由于2019年7月22日和7月28日2次收獲均在玉米生理成熟前。可見，玉米達(dá)到生理成熟期后，穗軸彎曲強(qiáng)度呈先升高后逐漸降低的變化趨勢，2018年至2020年分別在8月13日、8月15日和8月20日收獲時最高。

2.3 籽粒含雜率與穗軸特性的關(guān)系

機(jī)械粒收籽粒含雜率與穗軸含水率和穗軸彎曲強(qiáng)度關(guān)系分析表明，籽粒含雜率與穗軸含水率呈顯著正相關(guān)，兩者間符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可用方程y=0.045 6e0.0637x(R2= 0.774 7**,n= 75)擬合，且4個參試品種均表現(xiàn)出相似結(jié)果（圖4a），玉米穗軸含水率降低至 65.72%以下收獲機(jī)械粒收籽粒含雜率可降至 3%以下，達(dá)到國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[23]；而籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度無顯著相關(guān)性（圖4b）。

進(jìn)一步對穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率進(jìn)行相關(guān)分析表明，籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度不相關(guān)（表1）。通過對不同穗軸含水率下的穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率進(jìn)行分析（表2），結(jié)果表明，26組穗軸含水率范圍中，穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率相關(guān)性達(dá)顯著水平的僅有6組。可見，在穗軸含水率相近時，籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度關(guān)系不大。

表1 穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis between cob bending strength and qrain impurity rate

表2 不同穗軸含水率下穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between cob bending strength and impurity rate of different cob moisture content

3 討 論

玉米機(jī)械粒收技術(shù)是通過籽粒收獲機(jī)在田間一次性完成玉米摘穗、脫粒、分離清選等過程[24]，而一般只會有玉米果穗進(jìn)入脫粒滾筒，因此脫粒和分離清選是影響玉米機(jī)械粒收籽粒含雜情況的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在玉米果穗進(jìn)入脫粒滾筒后遭受 7～9次的沖擊，脫粒滾筒中會出現(xiàn)果穗、籽粒和穗軸三種狀態(tài)[25]。因此，穗軸可能是主要的雜質(zhì)成分。本研究調(diào)查了不同收獲期雜質(zhì)各組分的絕對質(zhì)量和占比發(fā)現(xiàn)，在不同收獲期穗軸均是主要的雜質(zhì)成分，并且隨收獲期后移，雜質(zhì)中穗軸絕對質(zhì)量的降低是機(jī)收籽粒含雜率顯著下降的主要原因。適期收獲被認(rèn)為是顯著提升玉米機(jī)械粒收質(zhì)量的重要措施。本研究表明，在玉米生理成熟后，隨收獲期后移，穗軸彎曲強(qiáng)度呈先升高后逐漸降低趨勢，穗軸含水率和籽粒含雜率呈逐漸降低趨勢，穗軸含水率和籽粒含雜率變化趨勢與前人研究結(jié)果相似[6,10]。分析不同收獲期籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度、穗軸含水率的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，穗軸含水率能更好解釋籽粒含雜率的變化，低穗軸含水率表現(xiàn)出低機(jī)收籽粒含雜率，這是由于在低穗軸含水率下，穗軸被脫粒元件破碎后，能夠順利在風(fēng)選系統(tǒng)作用下被分離清選[16,26]（風(fēng)篩式清選裝置因清選效率高在目前玉米粒收機(jī)械中應(yīng)用廣泛[27]）。因此，穗軸作為機(jī)收雜質(zhì)的主要成分，通過適當(dāng)延遲收獲，可改變其特性進(jìn)而有效降低籽粒含雜率。

對玉米穗軸特性與籽粒含雜率關(guān)系的分析表明，穗軸含水率與籽粒含雜率呈顯著正相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率無顯著相關(guān)關(guān)系。Huang等[16]研究發(fā)現(xiàn)，籽粒含雜率主要受籽粒含水率和穗軸含水率的影響，與穗軸硬度間存在非顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Xue等[19]也指出，過軟的玉米穗軸可能帶來較高的機(jī)收籽粒含雜率。趙波等[15]研究發(fā)現(xiàn)，四川夏玉米機(jī)收籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度和壓碎強(qiáng)度呈正相關(guān)。為此，本研究進(jìn)一步對不同收獲期穗軸彎曲強(qiáng)度與籽粒含雜率的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，籽粒含雜率與穗軸彎曲強(qiáng)度關(guān)系不大。前人通過調(diào)查中國北方玉米區(qū)不同收獲期玉米穗軸彎曲強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，生理成熟后穗軸彎曲強(qiáng)度先降低后升高，在生理成熟后6～8d強(qiáng)度最低[10,18]，與本研究結(jié)果存在差異，本研究四川春玉米在生理成熟后所處在8月份，2018年至2020年8月份累計降水量分別為194.1、239.9和451.2 mm（圖1），顯著高于北方玉米區(qū)生理成熟后 1個月左右的累計降水量[28-29]。這可能是由于四川春玉米生理成熟后降水量多，穗軸內(nèi)部特性發(fā)生了變化，在穗軸含水率降低的情形下，穗軸硬度并沒有表現(xiàn)出同北方玉米區(qū)一直增加的趨勢。綜上可以說明，穗軸含水率能很好反映籽粒含雜率的變化，籽粒含雜率與穗軸硬度關(guān)系不大。

4 結(jié) 論

本文基于多年玉米分期機(jī)械粒收試驗，研究了玉米機(jī)械粒收雜質(zhì)組分和穗軸特性變化規(guī)律，分析了玉米機(jī)械粒收含雜率與穗軸特性的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

1）隨收獲期推遲，玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率和穗軸含水率降低，果穗穗軸是雜質(zhì)的主要成分，占比達(dá)32%～79%，平均為51.45%。

2）玉米穗軸含水率能很好反映玉米機(jī)械粒收籽粒含雜率的變化，而籽粒含雜率與穗軸硬度關(guān)系不大。機(jī)械粒收含雜率與穗軸含水率的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)玉米穗軸含水率降低至65.72%以下收獲機(jī)械粒收籽粒含雜率可降至3%以下。

實際生產(chǎn)中，選擇和選育玉米穗軸脫水快、含水率低的玉米品種，或通過推遲收獲期在玉米穗軸含水率較低時進(jìn)行機(jī)械粒收，可顯著降低機(jī)械粒收含雜率。