不同品種玉米機收適宜性試驗

李鑫 王占濱 張銀平 張雨滋 陳美舟 周華

摘要：針對黃淮海兩熟區夏玉米機械粒收破碎率高、嚴重阻礙玉米收獲機械化發展進程等問題，需優選適宜本地區機械粒收的玉米品種。以兩熟區種植的5個主要玉米品種為試驗材料，以籽粒含水率與脫水速率為基礎，提出一種抗壓特性參數作為玉米機收適宜性的輔助評價指標，制定抗壓特性的量化方法，進一步通過脫粒試驗，以籽粒平均破碎率與平均未脫凈率為評價指標，建立描述籽粒機收適宜性的評價方法。對相同含水率條件（33%±1%）下5個品種玉米進行脫粒試驗。結果表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分別為5.39%、5.02%、7.13%，生理成熟后脫水慢，不適宜機械粒收；LK868與LD6018籽粒平均破碎率較低，分別為4.76%、4.25%，未脫凈率較低，分別為0.83%、0.84%，生理成熟后脫水快，適宜機械粒收。為篩選適宜機收玉米品種的篩選提供參考。

關鍵詞：夏玉米；玉米收獲機；抗壓特性；機收適宜性；品種篩選

中圖分類號：S225.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0058-05

收稿日期：2022年11月2日

修回日期：2023年2月20日

*基金項目：中國博士后基金（2018M642685）；山東省現代玉米產業技術體系機械加工崗（SDAIT—02—12）

第一作者：李鑫，男，1996年生，山東淄博人，碩士研究生；研究方向為旱作農業機械化體系及裝備。E-mail： 158054069@qq.com

通訊作者：張銀平，女，1989年生，山東德州人，博士，副教授；研究方向為玉米機械化播種與收獲技術裝備。E-mail： zhangyinping929@163.com

Experimental on crop suitability of different varieties of maize

Li Xin， Wang Zhanbin， Zhang Yinping， Zhang Yuzi， Chen Meizhou， Zhou Hua

（School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255049， China）

Abstract： In view of problems such as the high break rate of mechanically harvested summer corn in the Huang-Huai-Hai double-cropping area and the serious hindrance to the development of mechanized corn production， it is necessary to select corn varieties suitable for mechanical harvesting in this area. In this study， five main corn varieties planted in the double-cropping area were used as experimental materials， based on grain water content and dehydration rate， and a compression characteristic parameter was proposed as an auxiliary evaluation index for the suitability of corn harvest， and a quantitative method for the compression characteristic was developed. Further， by means of threshing experiments， the average breakage rate and the average unstripped rate of grains were used as evaluation metrics， so as to establish an evaluation method to characterize the appropriateness of grain harvesting. The results showed that under the same water content condition（33%±1%）， DH605， LY296 and KN21 had high average grain breakage rates of 5.39%， 5.02% and 7.13%， respectively. They are slow to become dehydrated after physiological maturity， making them unsuitable for mechanical grain harvesting. LK868 and LD6018 have an average grain break rate of 4.76% and 4.25%， respectively， and an unstripped break rate of 0.83% and 0.84%， respectively. After physiological maturity， dehydration is rapid and suitable for mechanical grain harvesting. This study provides a reference for selecting suitable corn varieties for machine harvesting.

Keywords： summer corn; corn harvester; compressive characteristics; machine suitability; variety screening

0 引言

玉米是主要糧食作物之一，是我國種植面積最大、產量最高的作物^[1]。隨著土地的規模化流轉和農村勞動力的減少，玉米籽粒機械化收獲是減輕勞動強度、提高收獲效率的最佳方式^[2]。現階段黃淮海兩熟區廣泛種植的玉米品種存在成熟期脫水慢、收獲時籽粒含水率高等問題，很難達到機械化粒收的要求^[3]，對玉米籽粒機收適宜性進行研究，篩選適宜機收的品種，研發高性能的脫粒裝置，降低收獲時的籽粒破碎率與未脫凈率，是保證玉米減損增收的重要措施，對推進玉米生產全程機械化進程、保證糧食安全具有重要意義^[4]。

國內外學者對玉米籽粒含水率進行的研究較多。Thomison等對生理成熟期玉米籽粒含水率變化進行了研究，并基于此制定了玉米收獲計劃；王志紅等^[5]對不同品種間玉米籽粒的脫水速率進行相關性分析，發現品種及種質特征、農藝性狀、穗部性狀和品種性狀都對籽粒脫水速率有不同程度的影響；張萬旭等^{[6， 7]}通過研究得出不同品種籽粒含水率對破碎率的響應程度具有一定差異，整體呈極顯著正相關，符合二次函數曲線關系；萬澤花等^[8]對不同成熟期夏玉米品種生理成熟期脫水速率進行相關性分析，發現早熟品種籽粒后期脫水速率快；賈琳等^[9]對不同成熟期玉米雜交種進行籽粒含水率、脫水速率測定，發現適宜機械粒收的玉米品種具有生育期短、含水率低、生理成熟后脫水速率快等特點；王克如等^{[10， 11]}對黃淮海夏玉米區機械粒收質量差異進行分析，發現收獲期籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脫水速率控制，該性狀是可遺傳且品種間具有顯著差異；李璐璐等^{[12， 13]}通過研究發現黃淮海夏玉米生理成熟后田間站稈晾曬期間，籽粒含水率顯著下降，并發現籽粒含水率與授粉后積溫有顯著的相關性。上述研究發現，當前普遍認為含水率高是導致破碎率的主要原因，而籽粒抗壓特性對破碎率影響的研究還較少。

本文以不同品種玉米籽粒含水率與脫水速率為基礎，對籽粒抗壓特性進行研究，以籽粒抗壓破碎時的最大受力與最大位移為因素對抗壓特性進行參數量化，以籽粒破碎率和未脫凈率為指標，綜合含水率、脫水速率和籽粒抗壓特性，對不同品種玉米的機收適宜性進行評價，為適宜機收玉米品種的篩選提供參考。

1 玉米籽粒物理特性測定試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用黃淮海兩熟區種植的5個不同品種的夏玉米，分別為登海605（DH605）、立原296（LY296）、萊科868（LK868）、魯單6018（LD6018）、科諾21（KN21）。玉米果穗采摘于山東省泰安市岳洋農作物專業合作社（117°E，36°N）夏玉米品種展示區，展示區內各品種玉米均同一時間播種（2020年6月14日）、播種密度均相同，不同品種的籽粒類型和生育期如表1所示。

1.2 玉米籽粒含水率與脫水速率測定

黃淮海地區為夏玉米—冬小麥一年兩熟種植模式，為搶農時，玉米籽粒在收獲時往往含水率偏高，對玉米籽粒的收獲質量產生影響，對玉米籽粒成熟期含水率、脫水速率測定，掌握玉米籽粒脫水規律，有助于提高玉米籽粒收獲質量。取樣于9月27日玉米籽粒乳線消失開始，每天下午5點取樣，連續取樣10天，每次取樣15穗，為保證試驗準確性，運輸途中密封保存。測定時手工脫粒，將適量籽粒在鋁盒稱重，記為濕重W_s，稱重后的籽粒在105 ℃±3 ℃溫度下烘干480 min，取出樣品后，稱重并記錄，再繼續烘干60 min，若前后兩次干燥質量差不超過0.02 g^[14]，記為干重W_g，籽粒含水率H_y與脫水速率S_t計算如式（1）和式（2）所示。

H_y=W_s－W_gW_s（1）

S_t=H_y（n）－H_y（n+1）t（2）

式中： H_y（n）——前一次取樣含水率，%；

H_y（n+1）——后一次取樣含水率，%；

n——第n天；

t——間隔天數，天。

1.3 玉米籽粒抗壓特性測定

脫粒過程中，玉米籽粒主要受到脫粒元件對頂部的力學影響。每隔兩天進行一次籽粒頂面抗壓試驗，將籽粒置于電子萬能試驗機壓縮夾具盤中央，設置橫梁初始上升速度為12 mm/min，清零接觸力為5 N，即上橫梁接觸到玉米果穗，與果穗接觸力超過5 N后，萬能試驗機進入壓縮試驗狀態。后設置試驗橫梁上升速度為4 mm/min，計算機記錄玉米果穗壓縮試驗的“力—位移”曲線并儲存數據，當壓縮力達到最大斷裂壓縮力的75%時，橫梁停止移動，試驗結束。運用 Microsoft Excel和SPSS軟件進行數據分析處理和統計分析，使用Origin 2017作圖。

2 試驗結果與分析

2.1 籽粒含水率、脫水速率動態分析

將測得籽粒含水率數據進行整理，建立含水率隨時間變化關系曲線，如圖1所示，參試各品種籽粒含水率隨時間變化總體均呈下降趨勢。不同品種玉米籽粒初進入生理成熟期時含水率均在41%～43%，差異不顯著，而由文獻可知，玉米籽粒含水率超過33%后將顯著提高籽粒破損率。

比較不同品種玉米籽粒進入生理成熟期后含水率的變化情況可知，LY296、LD6018在前期含水率下降較快，在生理成熟后的第3天籽粒含水率降至36%以下，其余品種在前期含水率下降較慢，第3天籽粒含水率仍在36%～40%，在中期含水率下降較平緩，后期較快，在第10天籽粒含水率均降至25%以下，其中LY296在第7天含水率就下降到30%以下，LD6018、LK868在第8天含水率降至30%以下，而DH605、KN21在第10天含水率仍在30%以上。各品種玉米籽粒含水率降至33%以下所需的時間為：DH605需9天；LK868需8天；LY296、KN21需7天；LD6018需6天。

曲線的斜率表示籽粒脫水速率，從圖1可以看出，LD6018、LY296、DH605、LK868籽粒脫水速率均逐漸下降，并且前期下降較快，后期趨于穩定；而KN21在第2天到第3天脫水速率有所上升，第3天到第4天有所下降，第4天后趨于穩定。5個品種中LD6018初期脫水速率最大，KN21最小。前4天，各品種之間脫水速率差異顯著，5～10天各品種間脫水速率差異不顯著，說明籽粒脫水過程主要發生在生理成熟前期。

2.2 籽粒抗壓特性動態分析

成熟的玉米籽粒主要由皮、胚乳、胚三部分組成，皮是最堅硬的部分，保護著內部的胚乳和胚^[15]。籽粒受壓后產生一定的位移形變，圖2表示籽粒受力與形變，圖2中曲線出現突變點，此時籽粒破碎，突變點的橫坐標表示籽粒破碎時時產生的最大位移，縱坐標表示籽粒破碎時所承受的最大壓力。

比較不同品種間玉米籽粒破碎時所承受的最大壓力和產生的位移可知，含水率為30%±1%時，DH605、LY296、LK868、LD6018和KN21所承受的最大壓力分別為66.1 N、75.4 N、100.3 N、80.2 N、63.9 N，最大位移分別為1.61 mm、1.19 mm、2.46 mm、2.21 mm、1.02 mm，由此可知，在相同含水率條件下，不同品種破碎時所承受的最大壓力和位移不同，將籽粒破碎時的最大壓力F_max與最大位移x_max的比值用以描述籽粒韌性φ。

φ=F_maxx_max（3）

由式（3）可知，韌性越好則破碎時能夠承受的壓力更大，更不容易破碎。由圖2可知，DH605、KN21品種玉米籽粒在含水率達到普遍認為的機械粒收標準時，能夠承受的位移量很小，更容易破碎，不適宜高速機械粒收；LK868、LY296、LD6018籽粒相對韌性較好，在不同含水率條件下，其韌性變化平穩，可能更適宜機械粒收，但同時還要考慮脫粒籽粒的剝離情況，即對未脫凈率的影響。由此可知，除含水率外，籽粒的韌性也與玉米籽粒機收適宜性密切相關。

3 玉米脫粒驗證試驗

為驗證籽粒抗壓特性是否可以對機收適宜性進行評價，在5個品種中選取含水率為33%±1%的玉米果穗進行脫粒試驗，試驗所用的自制脫粒分離試驗臺如圖3所示，試驗開始前調整凹板間隙為40 mm，調節滾筒轉速到400 r/min^[16]，待滾筒運轉穩定后，將玉米果穗按品種放入果穗提升器，送入喂入口，待籽粒全部從凹板篩落下時，關閉脫粒裝置，收集籽粒，完成1組試驗，每組試驗重復3次，得到各品種玉米籽粒平均破碎率與平均未脫凈率，并對結果進行統計學分析。

每組試驗結束后對收集的籽粒進行稱重，人工挑出有肉眼可見裂紋或破皮、破碎的玉米籽粒，稱重，計算破碎率。然后從完整籽粒中隨機選取10粒，用來測定籽粒抗壓最大受力與最大位移，并取平均值。試驗脫粒情況如圖4所示，結果如表2所示。

由GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件》要求破碎率小于5%。不同品種籽粒破碎率與韌性如表2所示。

由表2可知，在含水率為33%±1%時，DH605韌性為39.470 N/mm，平均破碎率為5.39%，平均未脫凈率最高為0.97%，不適宜在此含水率下進行機械粒收；LY296韌性為48.538 N/mm，平均破碎率為5.02%，平均未脫凈率較高為0.91%，不適宜在此含水率下進行機械粒收；LK868和LD6018韌性適中，分別為32.618 N/mm與33.471 N/mm，平均破碎率均小于5%，平均未脫凈率分別為0.83%與0.84%，適宜在此含水率下進行機械粒收；KN21韌性最小為29.652 N/mm，平均破碎率最高為7.13%，平均未脫凈率最小為0.82%，不適宜在此含水率下機械粒收。由此可知，含水率為33%±1%時，不同品種玉米機收適宜性不同，與籽粒韌性也有關系。通過脫粒試驗測定可知，韌性過大，雖然籽粒破碎率較低，但是籽粒也更難剝離，導致籽粒平均未脫凈率較高；韌性過小，雖然籽粒相對容易剝離，但是籽粒也更容易發生破碎。因此玉米籽粒韌性應適中，在含水率為33%±1%時，韌性應在30～35 N/mm時機收效果最佳。

4 結論

1） 針對黃淮海兩熟區夏玉米收獲時破碎率高，不利于玉米機收等問題，在機具研究的基礎上，進一步針對該地區常見的5個不同品種玉米籽粒的物理特性與機收效果進行研究，分析其機收適宜性。通過對不同品種玉米品種籽粒進行分階段的烘干測定試驗，對其含水率以及脫水速率進行測定；進一步在相同階段對玉米籽粒抗壓特性進行測試，并以此為基礎，建立韌性參數作為抗壓特性描述性因素。

2） 在相同含水率條件下（33%±1%）對不同品種玉米籽粒進行脫粒性能試驗。通過抗壓特性曲線得到該含水率條件下籽粒韌性參數，其中，韌性最高的品種為LY296，達到48.538 N/mm；最低的為KN21，為29.652 N/mm。進一步通過脫粒試驗統計并計算不同品種玉米籽粒平均破碎率與平均未脫凈率。

3） 脫粒試驗表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分別為5.39%、5.02%以及7.13%，生理成熟后脫水慢，不適宜機械粒收；LK868與LD6018籽粒平均破碎率較低，分別為4.76%以及4.25%，未脫凈率較低，分別為0.83%以及0.84%，生理成熟后脫水快，適宜機械粒收。分析可知，當不同品種籽粒含水率一致時，韌性過高，籽粒易脫不凈；韌性過低，籽粒易破碎，因此韌性適中，約30～35 N/mm的LK868與LD6018品種玉米籽粒更適宜機械粒收。本文為篩選適宜機收玉米品種的篩選提供參考。

參 考 文 獻

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