不同花生品種機械化收獲適宜性及莢果力學差異研究

陳小姝，趙躍，郭峰，李美君，高華援，劉海龍，呂永超，寧洽，李春雨，孫曉蘋，張志民，王飛

（1.吉林省農業科學院花生研究所，吉林公主嶺 136100；2.山東省農業科學院農作物種質資源研究所，山東濟南 250100；3.吉林省農業科學院經濟植物研究所，吉林 公主嶺 136105）

花生（Arachis hypogaea）是我國重要的油料作物和經濟作物，2019年全國花生種植面積450.84萬hm2，居世界第2位，產量達1757.27萬t，居世界第1位［1］。我國花生種植區域廣，由北向南跨越寒溫帶、溫帶、亞熱帶和熱帶的廣大地區，南北跨度超過34個緯度，東西跨越58個經度［2］。而花生特有的地上開花地下結果的生物學特性導致機械化收獲水平低，生產成本高。目前，花生收獲方式有人工收獲、分段式收獲和聯合收獲，但收獲、摘果和脫殼等環節均適合機械化的品種少，導致品種特性與機械無法相適應，農機農藝融合進程較慢。

花生莢果力學特性主要包括果柄抗拉能力、果殼耐壓能力和莢果成熟度等。花生莢果依靠果柄與植株相連。果柄通常因抗拉能力不夠而斷裂，造成較大的落埋果損失［2］，同時果柄強度對后期機械化摘果也有較大影響。無論人工收獲還是機械收獲，都要求花生品種具有落果率低、莢果不易開裂或破碎的特性，這就要求適合機收品種的果柄和莢果具有較強的抗沖擊力［3］。王傳堂等［3］對57個花生品種（系）的果柄強度和鮮莢果不同方向的果殼強度進行測定，提出適合鮮花生機械化收獲的普通型花生品種的技術指標，即果柄強度不低于5 N且果殼強度不低于1.26 kN。沈一等［4］對100個花生品種（系）進行果柄拉力的測試與分析，發現不同來源材料間果柄強度有一定的差異，莢果的其它性狀如果嘴、果腰等與果柄強度間有一定的關系。隋榮娟等［5］以魯南地區主栽品種豐花1號和魯花11為研究對象，對不同成熟度下花生秧蔓-果柄節點、果柄-莢果節點的抗拉性能進行測試與分析，發現秧蔓-果柄節點的抗拉性能高于果柄-莢果節點，且隨著成熟度的增加，兩者之間的差值變大。遲曉元等［6］對92個花生品種（系）的果柄強度和莢果壓縮破殼力進行測定和分析，發現秧-柄節點的果柄強度大于果-柄節點，莢果側壓破殼力＞正壓＞立壓。王傳堂等［7］對6個高油酸夏花生新品種（系）機械收獲特性的研究結果表明，3個方向（豎向、側向、臥向）的果殼強度以側向強度為最大，臥向次之。

目前，吉林省花生種植面積達26.7萬hm2，以區域性大面積種植為主，機械化種植、收獲程度較高，但不同的花生品種其莢果特性也不盡相同，應篩選或培育果柄粗壯有力、耐熟、抗拉能力強、果殼破殼能力較低的花生品種以適應機械化作業，提高機械化水平，降低生產成本。為此，針對吉林省花生機械化收獲采用“機械挖掘+撿拾聯合收獲”模式的技術要求，本研究對22個花生品種（系）的果殼力學相關指標進行測定及分析，以期篩選出適合吉林花生產區機械化收獲、摘果的花生品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年在吉林省農業科學院試驗田（公主嶺市：43°31′N，124°49′E）進行。供試花生品種（系）共22個（表1），分別來自于河南省農業科學院經濟作物研究所、山東省花生研究所、山東農業大學、河北省農林科學院糧油作物研究所、濮陽市農業科學院、唐山市農業科學院、錦州市農業科學院、徐州市農業科學院、濰坊市農業科學院和吉林省農業科學院花生研究所。

表1 供試花生品種（系）名稱和類型

1.2 試驗方法

1.2.1 花生果柄強度測定 于9月7日人工收獲后，測定結果范圍（第一對側枝與主莖交匯點至最遠結實節位處的距離），收獲第1天（收獲當日）至第5天每天采用HLD（HP-500，樂清市艾德堡儀器有限公司）立式推拉力計測量每株花生植株第一對側枝上成熟飽滿莢果的果柄強度（花生秧蔓-果柄節點和莢果-果柄節點）。測量時，用夾子夾住莢果中部與拉力計相連，垂直向上緩慢拉動拉力計直至果柄斷裂，記錄最大拉力值［8］，將測出的果柄強度數值分為4級［9］：低（5.69～8.44 N）、中（＞8.44～13.96 N）、高（＞13.96～16.72 N）和極高（＞16.72 N）。每個品種重復測定15次。

1.2.2 花生果柄含水率測定 將連續測量5天并每天拉斷后的果柄剪碎，稱鮮重，然后放置在烘箱內105℃烘干稱重，計算果柄含水率。

1.2.3 花生果殼強度測定 各參試品種（系）均分別取成熟飽滿的雙仁莢果，采用HLD（HP-500）立式推拉力計做壓縮破殼試驗，測定正面、豎立面、側面（圖1）的果殼強度（即莢果壓縮力）。隨壓力增大莢果變形，并逐漸破裂［10］，記錄壓力峰值和壓力峰值對應的位移值。每個品種（系）各方向重復測定15次。

圖1 從3個不同方向測定果殼強度

1.3 數據分析

數據統計分析使用Microsoft Excel 2007和DPS軟件，采用Duncan’s新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 22個花生品種（系）的果柄強度分析

由表2可以看出，22個花生品種（系）的結實范圍在5.42～14.30 cm之間，平均值為9.63 cm。其中，15個花生品種（系）的結實范圍在8～12 cm之間，冀農花15號、天府32、H20-187的結實范圍大于12 cm，大幅高于皖花12、徐1313、冀農花6號和花育9621，后者結實更為集中。

表2 22個花生品種（系）的結實范圍、果柄強度和果柄含水率

收獲當日至第5天，22個花生品種（系）的果柄含水率均值從67%降為24%，其總趨勢隨著收獲天數的增加而降低，而致收獲后果柄強度、抗拉強度增加；果柄強度差別較大，拉力均值變幅為7.92～1 4.64 N。

收獲第5天，WH2188莢果-果柄的拉力最大，為18.20 N，大幅高于花育9623、冀農花15號、湘花254、H20-187和豫花9327；WH2188秧蔓-果柄的拉力為17.71 N，大幅高于H20-126、H20-127、H20-187、花育9623、開農308、天府32、湘花254和豫花9327。

收獲第1天至第5天，22個花生品種（系）的莢果-果柄拉力平均值分別為10.74、10.72、9.02、10.56、7.92 N，秧蔓-果柄拉力平均值分別為13.29、13.65、12.71、14.64、10.33 N，顯示拉力總趨勢為先下降再升高又下降，第4天時秧蔓-果柄的拉力最大，且秧蔓-果柄的拉力大于莢果-果柄的拉力。

2.2 22個花生品種（系）的果柄強度等級分析

由表3可知，22個花生品種（系）的果柄強度從收獲當日到第5天，每一天的拉力等級范圍都有變化。

表3 22個花生品種（系）的果柄強度分級

對莢果-果柄的拉力等級分析可知，18WH2007、H20-126、阜花38、吉花11號、開農308和徐1313第1至第5天拉力等級都在中級范圍（＞8.44～13.96 N）；H20-187和湘花254的拉力等級第1至第4天在中級范圍，第5天為低級（5.69～8.44 N）；皖花12、冀農花6號的拉力等級第1至第4天在中級范圍，第5天為高級（＞13.96～16.72 N）；極高范圍（＞16.72 N）有3個品種，分別為冀農花15號第3天、豫花9327第4天、WH2188第5天。

對秧蔓-果柄的拉力等級分析可知，H20-127收獲后第1至第5天拉力等級都在中級范圍；H20-126、H20-127、H20-187、花育9623、開農308、天府32、豫花9327和湘花254第5天拉力等級均在中級范圍；18WH2007、吉花11號、吉花20、冀花2011、冀農花15號、冀農花6號、泉花22、山花34、皖花12和遠雜9307第5天拉力等級均在高級范圍；皖花12和湘花254第3天拉力等級達到極高范圍，冀農花15號和冀農花6號第4天達到極高范圍，WH2188、阜花38、花育9621和徐1313第5天達到極高范圍。

2.3 22個花生品種（系）的果殼強度分析

22個花生品種（系）莢果立面、側面、正面3個方向的果殼強度測試結果見表4。其中，立壓果殼強度均值最小的是花育9621（28.29 N），最大的是皖花12（58.38 N）。皖花12、吉花20、H20-187、泉花22和阜花38的立壓果殼強度均值（45.99～58.38 N）顯著或極顯著高于冀花2011、H20-127、花育9623、天府32和花育9621（28.29～30.74 N），其余花生品種（系）間立壓果殼強度均值無顯著差異。

表4 22個花生品種（系）的果殼強度 （N）

側壓果殼強度均值變幅為50.70（豫花9327）～90.41 N（徐1313）。其中徐1313、阜花38、皖花12、冀農花15號和冀農花6號的側壓果殼強度均值（74.38～90.41 N）顯著或極顯著高于H20-127（55.34 N）、花育9621（55.22 N）、冀花2011（53.43）、開農308（52.86 N）和豫花9327（50.70 N），其余花生品種（系）間均值無顯著差異。所有花生品種（系）的側壓果殼強度均值都高于50 N。

正壓果殼強度均值都低于65 N，其中均值最高的H20-187（64.39 N）顯著或極顯著高于其它花生品種（系），正壓果殼強度最低的是冀花2011（24.21 N），極差為40.18 N。H20-187、皖花12、阜花38、冀農花15號和湘花254的正壓果殼強度均值（54.13～64.39 N）顯著或極顯著高于豫花9327、18WH2007、天府32、吉花20、遠雜9307、H20-127和冀花2011（24.21～37.59 N）。

H20-187的正壓果殼強度＞側壓果殼強度＞立壓果殼強度，冀花2011和吉花20的側壓果殼強度＞立壓果殼強度＞正壓果殼強度，皖花12、吉花11號、徐1313等其它19個品種（系）的側壓果殼強度＞正壓果殼強度＞立壓果殼強度。

對果殼開裂后的壓力位移值進行測量，結果（表5）顯示，立壓位移值均值按高到低排序前5位的是H20-187、皖花12、山花34、H20-127和阜花38（2.59～5.00 mm），顯著或極顯著高于泉花22（1.52 mm）和湘花254（1.46 mm）。H20-187立壓位移值為5.00 mm，極顯著高于其它21個花生品種（系）。

表5 22個花生品種（系）的果殼壓力位移值 （mm）

側壓位移值均值從大到小位列前9位的是遠雜9307、花育9623、冀農花6號、阜花38、冀農花15號、開農308、豫花9327、H20-187和徐1313，變幅為4.69～5.79 mm，顯著或極顯著高于山花34、H20-126、湘花254、18WH2007和泉花22。

正壓位移值均值H20-187最大，為5.05 mm，泉花22最小，為2.08 mm。H20-187、開農308、花育9623、阜花38、天府32和遠雜9307正壓位移值極顯著高于WH2188、H20-126、冀花2011和泉花22。

除天府32、H20-187正壓位移值最大外，其它20個品種（系）側壓位移值均最大；除H20-127、H20-187、皖花12外，其余品種（系）均為立壓位移值最小。

2.4 花生果柄強度、果柄含水率、結實范圍和果殼強度指標間的相關性分析

由表6可見，花生果柄含水率、結實范圍與其它指標間無顯著相關性。兩個節點（莢果-果柄、秧蔓-果柄）的果柄強度間顯著正相關，相關系數為0.4200。3個方向的果殼強度之間有一定的相關性，其中正壓果殼強度與立壓果殼強度呈極顯著正相關，相關系數為0.6100。果殼強度與壓力位移值也有一定的相關性，其中側壓果殼強度與側壓位移值呈顯著正相關，相關系數為0.5000；正壓果殼強度、立壓果殼強度與立壓位移值呈極顯著正相關，相關系數分別為0.6000、0.5600。正壓位移值與側壓位移值、立壓位移值呈極顯著正相關，相關系數分別為0.5800、0.6000。

表6 果柄強度指標、果柄含水率、結實范圍、果殼強度和果殼壓力位移值間的相關系數

3 討論與結論

目前，花生種植面積和產量逐年增加，對機械化適宜性好的花生品種需求增多。機收時希望花生品種具有落果率低、莢果不易開裂或破碎的特性，機械化摘果時則希望花生莢果-果柄間拉力小，果殼強度更耐機械沖擊不開裂。為了減少作業功耗，收獲機械的挖掘鏟一般深入土層約12 cm鏟斷花生主根并疏松土壤，而超出該范圍的部分花生莢果將直接埋于未疏松土壤，造成埋果損失［2］。本研究的22個花生品種（系）中有19個結實范圍小于12 cm。為了便于機收，應培育和推廣結果范圍更集中的花生品種。

收獲第1天至第5天，22個花生品種（系）的莢果-果柄拉力要小于秧蔓-果柄拉力，符合抗拉伸強度“秧-柄節點＞果-柄節點”的順序，與前人研究結果相同［6，8，11-13］。從收獲當日到第5天，隨著果柄含水量逐漸降低，18WH2007、H20-187、花育9623、湘花254、天府32和豫花9327的莢果-果柄拉力降低，花育9621、花育9623、冀花2011、冀農花15號、天府32、徐1313和遠雜9307的秧蔓-果柄拉力會增大。種植機收花生，選擇果柄強度大的品種，可在一定程度上降低收獲時的落埋果損失，而機械化摘果時，應選擇秧蔓-果柄拉力大于莢果-果柄拉力的品種，且莢果-果柄拉力要低于收獲前期，這樣可加快機械摘果速度。

機械摘果時，花生既受到拉力也受到壓力，其多面的可承受力大小是影響莢果完整性及籽仁破碎率的主要原因。本研究對花生莢果正面、側面和立面的壓力測定結果顯示，21個花生品種（系）的果殼強度側壓時最高，這與前人的研究結果一致［6，11-14］。果殼壓力位移值的結果與果殼強度結果基本一致：擠壓花生莢果時，側面承受壓力更大，位移值也相對較高，19個花生品種（系）的側壓位移值較高。同時位移值也與花生籽仁大小和飽滿程度有關，花生籽仁越大，位移值越小。剝殼時花生果殼破殼變形量增大，會增加剝殼難度，影響生產效率，同時容易造成花生籽仁破損。凌軒等［15］對花生摘果測力系統研制時發現，引起鮮莢果破裂的力較大，約為摘果力的10倍左右，且隨收獲時間的延長而增大，這也與本試驗結果一致。在實際生產中應選擇果殼強度大、位移值小的花生品種種植。

根據結實范圍、果柄強度和果殼強度等相關指標，本研究從供試22個花生品種（系）中篩選出8個適合于機械化收獲的花生品種：18WH2007、H20-126、H20-127、阜花38、吉花20、開農308、豫花9327和遠雜9307；篩選出11個適合于機械化摘果的花生品種：18WH2007、H20-127、WH2188、阜花38、花育9621、吉花11號、吉花20、冀花2011、山花34、徐1313和遠雜9307；選出5個適合機械化聯合收獲的花生品種（系）：18WH2007、H20-127、阜花38、吉花20、遠雜9307。