不同收獲期玉米籽粒穿刺強度差異及其與破碎率的相關性分析

尚賞 郭書亞 張艷 湯其寧 盧廣遠

摘要：籽粒破碎率高是玉米進行機械粒收技術推廣和發展的主要制約因素，為明確玉米籽粒破碎率與穿刺強度、含水率之間的關系，以8個夏播玉米品種為試驗材料，設置5個不同收獲期，對籽粒的破碎率、含水率和穿刺強度進行動態變化和差異分析，探討與籽粒破碎率關系較密切的因素，提出降低籽粒破碎率的方法，對推動玉米機械粒收技術的發展有重要意義。結果表明：隨著收獲期的推后，籽粒含水率呈逐漸降低趨勢，破碎率在H1至H4收獲期呈逐漸降低趨勢，在H4至H5收獲期呈增加趨勢，籽粒胚和胚乳的穿刺強度均呈逐漸增大趨勢。收獲期、品種對破碎率、含水率、胚和胚乳的穿刺強度影響均達到極顯著水平，而收獲期與品種互作對籽粒含水率的影響不顯著，對破碎率、胚和胚乳穿刺強度影響均為極顯著。由籽粒破碎率與含水率、穿刺強度的相關關系分析得知，破碎率與含水率極顯著正相關，與籽粒穿刺強度極顯著負相關，由相關系數的大小得出影響破碎率的因素關系為籽粒含水率>胚乳的穿刺強度>胚的穿刺強度。破碎率與胚和胚乳的穿刺強度均符合二次函數關系，擬合方程分別為y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和y=0.002 4x2-0.398 4x+20.801（r2=0.828 1**），當胚的穿刺強度在12.27～18.58 N、胚乳的穿刺強度在65.56～100.44 N，籽粒破碎率均可符合小于5%的機收標準。推遲收獲時間，選用籽粒含水率較低、籽粒穿刺強度較大的玉米品種，是降低籽粒破碎率的重要舉措。

關鍵詞：玉米;收獲期;破碎率;穿刺強度;含水率

中圖分類號：S513.01 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）12-0081-06

收稿日期：2022-03-10

基金項目：河南省現代農業產業技術體系建設專項（編號：Z2019-02-02）。

作者簡介：尚 賞（1984—），女，河南商丘人，碩士，助理研究員，主要從事玉米栽培和遺傳育種研究。E-mail：shangshangsq@163.com。

通信作者：盧廣遠，研究員，主要從事玉米栽培與遺傳育種研究。E-mail：lugy378@163.com。

玉米是我國重要的三大糧食作物之一，機械化粒收是玉米生產收獲的重要發展趨勢[1]。破碎率是評價玉米機械粒收的一個重要指標，籽粒破碎率高是我國當前玉米主要產區在進行機械粒收時面臨的主要問題[2-4]，是限制玉米機械粒收技術推廣和發展的主要因素[5-6]。破碎率高還能導致籽粒品質的下降，影響玉米出售的價格，也會增加后期籽粒烘干的成本和籽粒儲存引發霉變的概率[7-8]。研究影響籽粒破碎率的主要因素，提出降低籽粒破碎率的方法措施，對提升玉米機械粒收質量水平和加快玉米產業轉變發展有重要意義。前人研究表明，籽粒破碎率與收獲時籽粒含水率呈極顯著正相關關系，破碎率隨籽粒含水率的降低呈先降低后升高的趨勢[9-11]，除籽粒含水率外，玉米品種[12]、種植密度[13]、播期[14]、收獲時受到的外力摩擦[15-16]等因素也會影響籽粒破碎率。王克如研究團隊在2012—2019年對玉米主產區的機收質量指標數據分析得出黃淮海地區籽粒破碎率最高[17];李璐璐等研究表明，收獲時籽粒含水率為20.05%，籽粒破碎率可達到最低，為3.58%[18];劉志輝等研究表明，延遲玉米收獲時間可降低長江中游春玉米的籽粒破碎率[19]。少數研究表明，籽粒與果穗穗軸間的連接強度能顯著影響籽粒破碎率[20]，籽粒壓碎強度越大、百粒質量越大，籽粒的破碎率就越小，籽粒破碎率與籽粒胚部、頂面的壓碎強度呈顯著和極顯著的負相關關系[21]，還有研究表明，籽粒偏角質或角質類型的耐破碎能力較強，而偏粉質類型籽粒耐破碎的能力較弱[22]。前人研究大多是圍繞玉米機械粒收質量指標（破碎率、雜質率和損失率）與含水率之間的關系進行探討，對不同收獲時期玉米品種本身的硬度差異及其與籽粒破碎率之間的關系研究較少。本研究在前人研究的基礎上，擬通過田間試驗設置5次收獲期，研究不同玉米品種在不同收獲時期籽粒胚和胚乳的穿刺強度的動態變化及差異，探討籽粒破碎率與含水率、穿刺強度間的關系，明確影響籽粒破碎率的主要因素，以期為提升玉米機械粒收技術提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年在河南省商丘市農林科學院試驗基地薛莊（115°64′E，34°50′N）進行。該試驗地點屬于暖溫帶大陸性季風氣候，玉米生育期6—10月降水量和氣溫見圖 生育期當日最大降水量為115.7 mm，總降水量626.4 mm，當日最低平均溫度為9.6 ℃，當日最高平均溫度為30.5 ℃，生育期間日平均溫度為22.8 ℃，氣象數據由商丘市氣象局提供。試驗地塊種植作物是玉米—小麥輪作，前茬種植冬小麥。

1.2 試驗設計

選取8種不同籽粒類型的玉米品種為試驗材料，分別為新單68、豫單9953、鄭單958、澤玉8911、聯創825、鄭單1102、禾博士126和先玉335，所選玉米品種的生育期見圖2。玉米種植采用等距離播種，行距60 cm，行長6 m，每個品種種植5行，種植密度為7.5萬株/hm2。于2020年6月13日統一種植，設置5次收獲時間，分別為9月25日、9月30日、10月5日，10月10日和10月15日，分別記作H1、H2、H3、H4和H5，試驗的田間管理與大田生產相同。

1.3 試驗測定項目

1.3.1 不同收獲期籽粒含水率的測定

在每次收獲期隨機選取長勢整齊的30個玉米果穗，用玉米脫粒機脫粒，充分混勻脫下的籽粒后，使用谷物水分測量儀（LDS-1G）測量玉米籽粒水分，重復測量3次取其平均值，記作本次收獲期的籽粒含水率。

1.3.2 不同收獲期籽粒破碎率的測定

每次收獲期將脫粒的玉米籽粒除去穗軸等雜質后，隨機取出2 kg 左右的籽粒進行人工分揀，將籽粒分為破碎籽粒和完整籽粒，分別測量這2部分質量，并分別記作mbkw和mkw，籽粒破碎率的計算公式為：

破碎率=mbkw/（mbkw+mkw）×100%。

1.3.3 不同收獲期籽粒胚和胚乳穿刺強度的測定

玉米籽粒胚和胚乳穿刺強度的測定均使用莖稈強度測定儀（YYD-1），將橫截面積為1 mm2的探頭對準玉米籽粒胚和胚乳，緩慢勻速穿透，讀取儀器的數值，每次收獲期每個品種選取5粒，3次重復，取其平均值記作籽粒胚和胚乳的穿刺強度。

1.4 數據統計與分析方法

使用Excel 010進行數據統計、計算和作圖，使用DPS 7.5軟件進行方差分析，處理間采取LSD法進行差異顯著性檢驗，使用SPSS 3.0軟件進行相關性分析，分析結果用Person相關系數表示。

2 結果與分析

2.1 不同收獲期籽粒含水率和籽粒破碎率的分析

由圖3-a可以看出，隨著收獲時間的推后，籽粒含水率呈逐漸降低的趨勢，8個玉米品種在5次收獲期下籽粒含水率的均值分別為37.2%、33.9%、26.9%、20.8%和16.2%，第1次收獲期籽粒含水率的均值最高，第5次收獲期的均值最低。不同品種在同一收獲期籽粒含水率也存在差異，8個不同玉米品種在5次收獲期的籽粒含水率均值范圍為14.3%～39.5%，在第1次收獲期時鄭單1102的含水率均值最低，在第5次收獲期時豫單9953的含水率最低，禾博士126除在第2次收獲期外，其他收獲期籽粒含水率均值均最高。

由圖3-b可以看出，隨著收獲時間的推后，籽粒破碎率在H1至H4收獲期呈現逐漸降低的趨勢，但在H4至H5收獲期籽粒破碎率呈現升高的趨勢，8個玉米品種在5次收獲期下籽粒破碎率的均值分別為13.2%、9.8%、7.1%、3.1%和4.8%，H1至H3收獲期8個品種的籽粒破碎率均高于國家《玉米收獲機械 技術條件》（GB/T 1962—2008）要求小于5%的機收標準[23]，籽粒破碎率均值在第4次收獲期達到最低，H5收獲期籽粒破碎率雖有升高，但H4和H5收獲期的8個玉米品種的籽粒破碎率均符合小于5%的機收標準。不同玉米品種在同一收獲期的籽粒破碎率也存在差異，8個不同玉米品種在5次收獲期的籽粒破碎率均值范圍為1.5%～17.8%，新單68在H1至H3收獲期籽粒破碎率均值均最低，豫單9953在H4和H5收獲期籽粒破碎率均值均最低，聯創825在5次收獲期籽粒破碎率均值均最高。

2.2 不同收獲期籽粒胚和胚乳的穿刺強度分析

由圖4可知，隨著收獲期的推后，胚和胚乳的穿刺強度均值均表現出逐漸增加的趨勢，8個玉米品種在5次收獲期下胚和胚乳的穿刺強度均值分別為5.18、7.50、11.18、12.48、16.22 N和20.65、37.79、61.24、66.25、89.29 N，5次收獲期籽粒穿刺強度均值均表現為胚的穿刺強度<胚乳的穿刺強度。胚和胚乳的穿刺強度在前2次收獲期增加較緩慢，在第3次收獲期開始呈加快增加趨勢。同一收獲期不同玉米品種胚和胚乳的穿刺強度也存在差異，聯創825除在第3次收獲期外，其他收獲期胚的穿刺強度均值均最小，8個品種在每次收獲期胚的穿刺強度最大均值表現均不同，在第1次收獲期豫單9953胚的穿刺強度最大，第3次和第5次均為鄭單958胚的穿刺強度最大。聯創825除了在第4次收獲期外，其他收獲期胚乳的穿刺強度均值均最小，新單68在第1次、第4次、第5次收獲期胚乳的穿刺強度最大，第2次和第3次收獲期胚乳穿刺強度均值最大的分別為澤玉8911和豫單9953。8個品種在5次收獲期胚和胚乳的穿刺強度均值分別為11.49、11.54、11.85、10.34、8.45、10.44、10.37、9.60 N和64.15、58.82、56.11、60.94、43.49、56.91、47.58、52.34 N。聯創825在5次收獲期胚和胚乳的穿刺強度均值均最小， 鄭單958在5次收獲期胚的穿刺均值最大，而新單68在 5次收獲期胚乳的穿刺均值最大。

2.3 收獲期、品種對籽粒破碎率、含水率和穿刺強度的影響

通過對8個不同玉米品種5次收獲期的籽粒破碎率、含水率和穿刺強度的方差分析（表1）得知，收獲期、品種對破碎率、含水率和穿刺強度的影響均達到極顯著水平，收獲期與品種互作對籽粒破碎率和穿刺強度的影響均極顯著，而對籽粒含水率的影響不顯著。由F值的大小可以看出，收獲期、品種、收獲期與品種互作3個因素對破碎率、含水率和胚乳的穿刺強度影響關系為收獲期>品種>收獲期×品種，而對胚的穿刺強度影響因素關系為收獲期>收獲期×品種>品種，由此可以看出，收獲期是影響籽粒破碎率、含水率、胚和胚乳的穿刺強度的關鍵因素。

2.4 籽粒穿刺強度與籽粒破碎率、含水率的相關性分析

由表2可以看出，籽粒含水率與破碎率呈極顯著正相關，胚和胚乳的穿刺強度與籽粒破碎率均呈極顯著負相關關系，其相關系數分別為0.866、-0.793、-0.834，由相關系數分析籽粒含水率、胚的穿刺強度和胚乳的穿刺強度對籽粒破碎率的影響關系為籽粒含水率>胚乳的穿刺強度>胚的穿刺強度，這表明玉米收獲時籽粒含水率與籽粒破碎率的關系最密切，胚乳的穿刺強度比胚的穿刺強度能更好地反映玉米籽粒耐破碎的能力。胚和胚乳的穿刺強度與籽粒含水率也呈極顯著負相關關系，其相關系數分別為-0.896和-0.928，結果表明胚和胚乳的穿刺強度隨含水率的降低顯著增加，胚乳的穿刺與籽粒含水率的關系更為密切。

2.5 籽粒含水率和穿刺強度對籽粒破碎率的影響

由圖5-a可知，籽粒破碎率與籽粒含水率符合二次函數關系，所得的擬合方程為y=0.02x2-0.647 x+9.193 9（r2=0.825 0**），由擬合方程推算出，當籽粒含水率為16.2%時，籽粒破碎率最低，為3.96%，當籽粒含水率在低于23.4%的范圍內，可以滿足機收籽粒破碎率小于5%的標準。由圖

5-b、圖5-c可知，籽粒破碎率與胚和胚乳的穿刺強度間均符合二次函數關系，其擬合方程分別為 y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和 y=0.002 4x2-0.398 4x+20.801（r2=0.828 1**），由擬合方程可知，當胚的穿刺強度為15.42 N，籽粒破碎率最低，為4.2%，當胚的穿刺強度在12.27～18.58 N范圍，可以滿足機收籽粒破碎率小于5%的標準;當胚乳的穿刺強度為83.00 N時，籽粒破碎率最低，為4.3%，當胚乳的穿刺強度在65.56～100.44 N范圍，可以滿足機收籽粒破碎率小于5%的標準。

3 討論

3.1 適期收獲能顯著降低籽粒含水率和破碎率

籽粒破碎率、損失率和雜質率是評價玉米機械化粒收質量水平的主要指標[24]，破碎率高是當前玉米主產區在進行機械粒收時面臨的主要難題，適期收獲是降低籽粒破碎率、提升機械粒收質量水平的重要措施之一[2，17，25]。本研究通過對5次收獲期8個不同夏玉米品種進行研究表明，隨著收獲期的推后，籽粒含水率呈逐漸降低趨勢，籽粒破碎率在H1至H4收獲期呈逐漸降低趨勢，H4至H5收獲期呈升高趨勢，含水率和破碎率隨收獲期變化的研究結果與前人研究結果[18-19，26]一致。當含水率低于23.4%時，籽粒破碎率可滿足小于5%的機收標準，研究結果與李璐璐等研究認為含水率在16.15%～24.78%是黃淮海地區進行玉米機收的合適時期[18]相接近。本試驗條件下前3次收獲期籽粒破碎率均值分別為13.2%、9.8%、7.1%，均高于國家規定的小于5%的機收標準，H4收獲期籽粒破碎率均值達到最低，為3.1%，雖然在H5收獲期所選品種破碎率均值有所上升，但H4和H5收獲期的破碎率均符合機收標準。在品種方面新單68和豫單9953的破碎率較低，而聯創825在5次收獲期籽粒破碎率均值均最高。通過對籽粒含水率、破碎率的方差分析可知，收獲期、品種對含水率和破碎率的影響均達到了極顯著水平（P<0.01），收獲期與品種互作對籽粒破碎率的影響極顯著，但對籽粒含水率的影響不顯著，由F值的大小得知對籽粒破碎率、含水率和胚乳的穿刺強度影響大小均為收獲期>品種>收獲期×品種，馬文杰等研究表明，影響籽粒破碎率的重要因素首先是品種，其次為收獲期[13]，本研究結果與之不一致，主要原因可能與種植密度、品種和種植地區的不同有關。任佰朝等研究表明，黃淮海地區夏玉米收獲時籽粒含水率高于35%，籽粒損傷嚴重，不利于機械粒收，適時晚收和選擇生育期適宜的夏玉米品種可提高產量和機收質量[27]。本試驗條件下收獲期是影響籽粒含水率和破碎率較關鍵的因素，適期收獲、選擇籽粒含水率低和脫水速率快的品種可顯著降低籽粒破碎率，提高玉米機械粒收質量水平。

3.2 增大玉米籽粒穿刺強度可降低籽粒破碎率

玉米籽粒硬度是評價機收質量和玉米品質的一個重要指標，可通過刺入、破碎和剪切等方法來測定[28]。玉米進行機械脫粒過程中籽粒會在外力打擊、擠壓下造成不同程度的損傷，不同玉米品種在脫粒過程中耐破碎程度存在較大差異[16，29]。劉佳媛等研究表明，籽粒破碎率與硬度指標呈極顯著負相關關系[12];郭亞南等研究表明，隨著籽粒含水率的降低，籽粒胚和胚乳的硬度均增大[30];姜春雨等研究表明，籽粒抗側壓碎力和穿刺強度均隨含水率的增加呈指數式下降趨勢，籽粒力學特性因子是影響破碎率的直接原因[31]。本研究表明，隨著收獲期的推后，籽粒胚和胚乳的穿刺強度呈增加趨勢，在第5次收獲期胚和胚乳的穿刺強度均值達到最大，分別為16.22 N和89.28 N，胚和胚乳的穿刺強度與籽粒破碎率均呈極顯著負相關關系，由相關系數可以看出，胚乳的穿刺比胚的穿刺強度對籽粒破碎率的影響更大，籽粒穿刺強度隨收獲時間的變化趨勢及其與破碎率的相關性研究結果與前人研究[2，9，26]一致。本研究發現，籽粒破碎率與胚和胚乳的穿刺強度間均符合二次函數關系，擬合方程分別為y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和y=0.002 4x2-0.3984x+20.801（r2=0.828 1**），當胚和胚乳的穿刺強度分別為15.42 N和83.00 N時，籽粒破碎率最小。本研究還表明不同玉米品種在不同收獲期的穿刺強度存在差異，在5次收獲期胚和胚乳的穿刺強度均值最大的品種分別為鄭單958和新單68，而聯創825在5次收獲期胚和胚乳的穿刺強度均值均最小。適時推后收獲時間，選擇籽粒穿刺強度較大的玉米品種，是降低籽粒破碎率的有效措施。

4 結論

適時收獲可降低籽粒含水率、破碎率，增大籽粒的穿刺強度，能夠提高玉米機械粒收質量水平。籽粒胚和胚乳的穿刺強度與籽粒破碎率均呈極顯著負相關關系（r=-0.793**，r=-0.834**），籽粒含水率與破碎率相關性最高，其次是胚乳的穿刺強度，胚的穿刺與破碎率相關性最低。在本試驗條件下，當含水率低于23.4%，胚、胚乳的穿刺強度在12.27～18.58、65.56～100.44 N范圍內變化，籽粒破碎率可滿足小于5%的機收標準，收獲效果較佳。胚乳的穿刺強度可作為籽粒硬度指標來評估籽粒的耐破碎性，可作為選育適宜機械粒收品種的一個重要指標。

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