玉米穗轴机械强度及其对机械粒收籽粒破碎率的影响

薛军，李璐璐，张万旭，王群，谢瑞芝，王克如，明博，侯鹏，李少昆



玉米穗轴机械强度及其对机械粒收籽粒破碎率的影响

薛军，李璐璐，张万旭，王群，谢瑞芝，王克如，明博，侯鹏，李少昆

（中国农业科学院作物科学研究所/农业部作物生理生态重点实验室，北京 100081）

【目的】明确玉米穗轴机械强度变化规律及其对机械粒收籽粒破碎率的影响，为提高玉米收获质量提供理论依据。【方法】本研究通过设置品种大区鉴选试验，对各品种进行分期收获，历次收获均以相同粒收机械与农机操作人员实施，同步调查玉米穗轴形态、含水率、干物质积累、力学特征以及籽粒含水率、机收破碎率等指标，研究玉米生育后期穗轴机械强度的变化特征及其影响因素，分析穗轴机械强度与籽粒破碎率之间的关系。【结果】结果显示，随着收获期推迟，玉米籽粒和穗轴含水率逐渐降低，而穗轴8 cm和全长抗折断力及籽粒破碎率均呈现先降低后升高的趋势。籽粒含水率低于20.1%时，机械粒收籽粒破碎率随穗轴抗折断力提高呈极显著的指数增加趋势；当籽粒含水率高于20.1%时，破碎率与穗轴全长抗折断力呈极显著的指数模型关系，与8 cm抗折断力的回归分析未达到显著水平。穗轴抗折断力与穗轴含水率呈显著负相关，与穿刺强度、干重、单位长度干重、单位体积干重呈显著正相关；通径分析表明穗轴单位长度干重对抗折断力的贡献最大。【结论】玉米穗轴机械强度是影响机械粒收籽粒破碎的重要因素之一，生育后期穗轴干物质积累和含水率是影响穗轴机械强度的重要因素。

玉米；穗轴；抗折断力；机械粒收；破碎率

0 引言

【研究意义】破碎率偏高是当前我国玉米机械粒收存在的主要质量问题[1]，探索籽粒破碎的原因，明确机械籽粒收获最佳时期，对于提高机械粒收质量、推进机械籽粒收获技术具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明，影响籽粒破碎的因素包括品种、收获机械及操作、种植区生态气象因素、栽培措施及收获时期等[2-3]，其中，收获时籽粒含水率高是导致破碎率高的主要因素[3-7]。破碎率与玉米籽粒含水率符合二次多项式关系，当含水率高于一定值时（20%左右），破碎率随含水率增大而增大；而含水率较低时，破碎率随含水率的降低而有增大的趋势[6]。目前，国际上普遍认为，籽粒含水率在18%—23%时破碎率最低、机械粒收效果最佳[8-9]。但含水率低于一定程度后收获破碎率增加的原因仍存在一定争议[3-9]。当前主流的玉米籽粒机械收获机具在脱粒过程中，果穗要遭受7—9 次冲击才能将籽粒从穗轴上脱下，被脱下的籽粒还有相当一部分会随着滚筒转动而遭受脱粒元件、果穗、穗轴的多次打击与磨擦[10]。一般认为，当籽粒含水率过低时，籽粒自身弹性降低，受到机械、果穗和穗轴的碰撞，容易发生破裂。籽粒从穗轴上脱下但未能及时通过凹板又被栅格条和滚筒等冲击造成的损伤占总损伤的50%以上[11]。还有一些学者认为，玉米穗轴特性对籽粒机械损伤可能存在显著影响[12-15]。WAELTI[13]研究表明穗轴较小的果穗收获时籽粒更容易破碎。玉米穗轴机械强度是指穗轴受到外力作用发生形变时的力学值，包括穗轴穿刺强度和抗折断力[14]。SEHGAL等[15]发现果穗穗轴硬的品种在脱粒时，因穗轴容易断成几段，机械脱粒中因破碎的穗轴对籽粒的撞击造成籽粒破碎率增大。穗轴抗折断力与籽粒破碎率呈显著正相关[16]。国外对玉米穗轴机械强度与籽粒破碎的研究多在20世纪60至90年代[13-15]，我国玉米机械粒收处于起步阶段，此方面研究较少。【本研究切入点】玉米生育后期，籽粒含水率不断降低，穗轴的含水率也随之下降[17]，但有关玉米穗轴机械强度评价指标、穗轴机械强度的变化规律、影响穗轴机械强度变化的因素以及穗轴机械强度的变化与籽粒破碎率的关系等研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究在同一田块，采用相同机械和操作人员分期收获，调查玉米生育后期籽粒和穗轴的含水率、穗轴机械强度和籽粒破碎率，分析玉米穗轴力学强度的变化特征及其影响因素，探讨穗轴机械强度与籽粒破碎率之间的关系，为提高玉米机械粒收质量提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年在中国农业科学院作物科学研究所河南新乡农业综合试验站（35°10′N，113°47′E）和新疆奇台总场试验示范基地（43°50' N，89°46′E）进行。其中在新乡试验站选用28个适合机械粒收并且具有高产潜力的主栽玉米品种（表1），大区种植，行距为60 cm，行长为100 m，每个品种种植行数不少于10行，种植面积不少于600 m2，种植密度均为6.75×104株/hm2。6月17日和6月18日播种，田间管理同当地大田生产。分别于10月6日、10月16日、10月27日、11月10日和11月25日在田间进行机械籽粒收获。收获机为福田雷沃谷神GE 50，割台为立广机械厂生产的喜盈盈牌玉米专用割台，该机割幅4行，5次收获采用同一台机器、同一操作手，收获机行走速度、转速、割台高低、筛孔大小等设置在5次收获时均一致。每次收获长度不少于20 m，每次收获前测定玉米穗轴特征值，收获后测试籽粒相关质量。同年，在新疆奇台试验示范基地测定40个具有高产潜力玉米品种（表1）的穗轴机械强度和机械粒收籽粒破碎率，播期为4月22日，密度为13.0×104株/hm2，采用宽窄行种植，行距为40 cm +70 cm，测定日期统一为10月18日，收获机械为约翰迪尔1076，割幅为6行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 籽粒含水率 机械籽粒收获前，在田间随机摘取长势均匀的5个果穗，手工脱粒，称籽粒鲜重，烘干，称干重，计算籽粒含水率，籽粒含水率（%）=（籽粒鲜重-籽粒干重）/籽粒鲜重×100%[6,17]。

1.2.2 穗轴长度、直径和外壁厚度 随机取5个代表性果穗，用直尺测量脱粒后的长度（L），在穗轴中部（1/2处）用游标卡尺测量穗轴的外直径（D）和髓部直径（d），计算穗轴外壁厚度，外壁厚度=（D-d）/2，每个穗轴外径和内径均测定2次，取平均值[18]。

表1 供试玉米品种

1.2.3 穗轴力学强度 取测定完长度的5个果穗，用茎秆强度测定仪（浙江托普仪器有限公司，中国杭州，最大量程为500 N）将直径为1 mm、长度为1.5 cm的测头，在穗轴中部1/2处垂直于穗轴方向匀速缓慢插入，读取穿透穗轴外壁的最大值，测定点位于籽粒和穗轴连接的部位，每个穗轴测定4次；同时，分别以穗轴中部8 cm和全长为支点，两端固定，测定穗轴刚好被折断时的最大力学值[12, 18]。

1.2.4 穗轴含水率和干物质积累 力学强度测定完成后，将穗轴称鲜重（CW1），烘干，称干重（CW2），计算含水率、单位长度干重（dry weight per unit length，DWUL）、单位体积干重（dry weight per unit volume，DWUV）。其中，含水率（%）=（CW1-CW2）/CW1×100%，DWUL（g·cm-1）=CW2/L，DWUV（g·cm-3）= CW2/V，V为穗轴体积，其计算公式按圆柱体计算，即V=L×π×(D/2)2[17-19]。

1.2.5 籽粒破碎率 机械粒收后，取收获机粮仓内的籽粒样品约2 kg，称重，手工分拣破碎籽粒（KW1）和完整籽粒（KW2），计算破碎率，破碎率（%）=KW1/（KW1+KW2）×100%，重复3次[6]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和Predictive Analytics Software（PASW）18.0分析处理试验数据；用最小显著差数法（LSD0.05）检验平均数；用广义线性模型和Pearson相关分析法分析影响玉米穗轴机械强度和籽粒破碎率的因素；用Microsoft Excel 2010进行方程拟合；用DPS进行通径分析。用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果

2.1 不同时期收获对玉米穗轴机械强度、含水率和籽粒含水率、破碎率的影响

河南新乡夏玉米分期收获结果表明，随收获期后移，玉米籽粒含水率逐渐降低；穗轴含水率也呈逐渐降低的趋势，前3次穗轴含水率降低幅度较小，从10月27日之后显著降低；籽粒破碎率呈先降低后升高的趋势，11月10日的破碎率最低；穗轴8 cm抗折力和全长抗折力呈先降低后升高的趋势，其中以10月27日收获时最低，11月25日收获时显著高于其他收获期。对所有样本籽粒含水率和破碎率数据进行拟合分析表明，当籽粒含水率高于20.1%时，破碎率随含水率的降低而降低；当籽粒含水率低于20.1%时，破碎率随含水率的降低而升高。这种变化趋势可能与穗轴机械强度及其他因素有关（图1）。

2.2 穗轴机械强度与籽粒破碎率的关系

河南新乡夏玉米试验点的5次收获数据分段分析表明，当籽粒含水率低于20.1%时，玉米穗轴中部8 cm抗折断力、全长抗折断力均与机械粒收破碎率符合指数曲线，分别为=2.0355e0.0049x（2=0.2061**，=40）和=2.7621e0.0054x（2=0.1413**，=40）；当籽粒含水率高于20.1%时，玉米穗轴全长抗折断力与破碎率拟合方程为=1.4457e0.0152x（2=0.1978**，=72）（图2）。由此说明，穗轴机械强度显著影响机械粒收籽粒破碎率，尤其在籽粒含水率小于20.1%时，是造成破碎率升高的重要因素之一。

图1 不同收获日期下玉米籽粒含水率、破碎率、穗轴含水率和抗折断力（河南新乡，夏玉米）

图A、B为籽粒含水率低于20.1%，图C、D为籽粒含水率高于20.1%。**表示0.01水平显著差异，ns表示无显著性。下同

对新疆奇台高产春玉米40个品种的穗轴抗折断力和籽粒破碎率进行拟合，结果表明，籽粒含水率在21.2%—34.3%时，玉米穗轴8 cm抗折断力和全长抗折断力均与籽粒破碎率符合指数曲线，分别为=2.5438e0.0035x（2=0.2697**，=40）和=2.5801e0.0054x（2=0.3001**，=40）（图3）。由此进一步说明玉米穗轴机械强度是影响破碎率的重要因素之一，籽粒破碎率随穗轴机械强度增大而升高。

图3 玉米穗轴抗折断力与机械粒收籽粒破碎率的关系（新疆奇台，春玉米）

2.3 影响玉米穗轴机械强度变化的因素分析

采用广义线性模型对影响抗折断力的因素进行综合分析可知，定性因素中收获日期和品种对8 cm抗折断力和全长抗折断力均有显著影响；定量因素中穗轴含水率、单位长度干重及长度/外径对8 cm抗折断力影响显著（表2）。

进一步分析可知，玉米穗轴8 cm抗折断力与穗轴外直径、内直径、穿刺强度、干重、单位长度干重、单位体积干重均呈显著正相关，其中相关度最高的是单位长度干重（= 0.7064**）；而穗轴含水率、长度/直径均与8 cm抗折断力呈显著负相关关系。穗轴全长抗折断力与穿刺强度、干重、单位长度干重、单位体积干重呈显著正相关，与穗轴含水率、长度/外径呈显著负相关（表3）。总体来看，穿刺强度、穗轴含水率和干物质积累对穗轴抗折断力影响较大，穗轴形态特征参数对抗折断力影响较小。

对穗轴抗折断力与穿刺强度、穗轴含水率及干物质积累量进行拟合，结果表明，穗轴穿刺强度、含水率、干重、单位长度干重、单位体积干重与8 cm抗折断力及全长抗折断力符合线性关系（图4）。穿刺强度与抗折断力拟合的2为0.3303—0.4497，含水率与抗折断力拟合2为0.0946—0.1286，穗轴干物质积累与抗折断力拟合2为0.1234—0.496。由此说明，穗轴穿刺强度可以解释抗折断力33%—45%的变化，穗轴含水率解释了穗轴抗折断力9%—13%的变化，穗轴干物质积累解释了折断力12%—50%的变化。

表2 玉米抗折断力影响因素分析（河南新乡，夏玉米）

*和**分别表示0.05和0.01水平显著差异，ns表示无显著性。下同

* and ** represent significant difference at 0.05 and 0.01levels, respectively, ns represents no significantly different. The same as below

表3 玉米穗轴形态、干重、含水率与抗折断力的相关性分析（河南新乡，夏玉米）

10月6日至10月16日、10月27日至11月25日和10月6日至11月25日3个收获阶段8cm抗折断力的样本量分别为56、84和140，全长抗折断力样本量分别为28、84和112

The samples of bending strength of 8 cm cob were 56 from 10-6 to10-16, 84 from 10-27 to 11-25, and 140 from 10-6 to 11-25. The samples of bending strength of whole cob were 28 from 10-6 to10-16, 84 from 10-27 to 11-25, and 112 from 10-6 to 11-25

玉米穗轴抗折断力与含水率、穿刺强度及干物质积累等指标5次收获期的通径分析表明，对穗轴8 cm抗折断力的直接作用为单位长度干重＞单位体积干重＞含水率＞穿刺强度＞干重，对全长抗折断力的直接作用为单位长度干重＞穿刺强度＞干重＞单位体积干重＞含水率，说明单位长度干重是影响玉米穗轴抗折力的主要因素（表4）。间接通径系数也可以看出，含水率通过穿刺强度对抗折断力的影响最大，干重、单位体积干重和穿刺强度通过单位长度干重对抗折力的贡献最大。由此说明，促进穗轴碳水化合物向籽粒转运，适当降低穗轴单位长度干重和硬度，可有效降低机械粒收时的籽粒破碎率。

3 讨论

3.1 玉米穗轴机械强度是影响机械粒收籽粒破碎率的重要因素之一

本研究通过河南新乡夏玉米分期收获试验表明，籽粒含水率随收获期推迟呈逐渐降低的趋势，而籽粒破碎率随收获期推迟呈先降低后升高的趋势，说明当籽粒含水率低于一定值时，含水率不能解释籽粒破碎率升高的原因。穗轴抗折断力和籽粒破碎率有相似的变化趋势，均呈先降低后升高的趋势，对穗轴抗折断力和籽粒破碎率拟合分析表明，籽粒破碎率随穗轴机械强度增加而提高，尤其是在籽粒含水率低于20.1%时决定系数较高。同样的趋势也在新疆奇台春玉米试验中得到验证，说明穗轴机械强度是导致破碎率升高的重要原因之一，尤其是在籽粒含水偏低时作用更大。

图4 玉米穗轴穿刺强度、含水率及干物质积累与抗折断力之间的关系（河南新乡，夏玉米）

表4 玉米穗轴含水率、干物质积累、穿刺强度与抗折断力的通径分析（河南新乡，夏玉米）

X、X、X、X和X分别表示穗轴含水率、干重、单位长度干重、单位体积干重和穿刺强度，8 cm抗折断力和全长抗折断力的模型决定系数分别为2=0.638**和2=0.616**

X, X,X,XandXindicate maize cob moisture content, dry weight, dry weight per unit length, dry weight per unit volume, and penetration strength, respectively. The coefficient of determination is 0.638** inbending strength of 8 cm cob and 0.616** in bending strength of whole cob

机械粒收过程中玉米籽粒破碎受多种因素的影响。本研究表明，玉米穗轴抗折断力和籽粒破碎率拟合曲线的决定系数在0.1413*—0.1978**，说明穗轴机械强度仅能解释破碎率的14%—20%，除籽粒含水率和穗轴机械强度之外，还有其他因素影响籽粒的破碎率。前人研究表明，影响玉米籽粒破碎率的力学特征包括籽粒脱粒力、籽粒强度、籽粒变形能力（加压前籽粒厚度与加压后籽粒厚度之差）和穗轴机械强度等[11-13,15]。籽粒破碎率与籽粒分离力、籽粒形变量及穗轴机械强度呈正相关，与籽粒强度呈负相关[11]。籽粒硬度随含水率降低而升高[12-13, 20]，籽粒含水率过低时更容易脱粒，但是籽粒弹性降低，对撞击的缓冲能力下降[21-22]，导致在脱离过程中多次冲击出现更多的机械损伤[10]。穗轴是机械内部撞击籽粒的重要因素之一[12]，因此穗轴越硬，破碎率也越高。Chowdhury[11]对含水率16%—28%的籽粒进行脱粒，结果表明当籽粒含水率在16%时，机械损伤最高，特别是籽粒顶部损伤；随着籽粒含水率增大，顶部损伤变小，但种皮损伤增大；胚损伤在籽粒含水率22%—23%时最低。玉米籽粒破碎也与其外部形态及胚乳质地有关，研究表明，圆形籽粒具有较高的胚乳应力损伤，收获时破碎率更高，外形较小且胚乳呈角质化的籽粒破碎率较低[23-25]。总之，当籽粒含水率过高时，因为籽粒硬度较差而引起破碎率较高，而籽粒含水率过低时，在脱粒过程中受机械部件、穗轴等碰撞会导致破碎率的升高。

3.2 生育后期玉米穗轴干物质和含水率是影响穗轴机械强度的重要因素

玉米穗轴和茎秆有相似的结构，前人研究认为玉米茎秆碳水化合物是机械强度形成的物质基础，茎秆机械强度与单位长度干重呈显著正相关[18]。借鉴茎秆强度研究方法，本研究分析了玉米穗轴碳水化合物含量与机械强度之间的关系。结果表明，穗轴单位长度干重和单位体积干重与8 cm抗折断力、全长抗折断力均呈线性正相关。同时，本研究还表明生育后期玉米穗轴含水率与机械穿刺强度呈显著负相关。通径分析结果显示，穗轴单位长度干重对抗折断力的直接影响作用最大，干重、单位体积干重和穿刺强度通过单位长度干重对抗折断力有较高的影响。由此说明，玉米生育后期穗轴干物质积累与转运以及含水率是影响穗轴机械强度的重要因素。

本研究中玉米穗轴抗折断力在生育后期的变化趋势与前人研究结果相似，Anazodo[12]认为玉米生育后期穗轴抗折力先降低后升高，并且不同玉米品种之间穗轴弹性系数和抗折力差异显著。在本研究的5次收获中，第1次（10月6日）收获时28个品种均未达到生理成熟，第2次（10月16日）收获时仅有7个品种达到生理成熟，第3次（10月27日）及以后收获时所有玉米品种均达到生理成熟期。玉米穗轴机械强度在5次收获中呈先降低后升高的趋势，这可能是因为生理成熟前，玉米穗轴中碳水化合物向籽粒中运输[26-27]，使穗轴的单位长度干重和单位体积干重降低，导致穗轴机械强度下降；生理成熟后穗轴干物质变化幅度较小，而含水率显著降低，使细胞失水、排列变得紧凑，从而提高了穗轴机械强度。

综上所述，玉米穗轴机械强度是影响机械粒收籽粒破碎率的重要因素，尤其是在籽粒含水率低于一定值（20.1%）时，表现更为突出；影响玉米穗轴机械强度的主要因素为碳水化合物的积累与转运及含水率。生产中应选用生育后期籽粒脱水快、穗轴适当偏软、易脱粒、穗轴干物质转运率高的玉米品种，适时收获，有助于降低籽粒破碎率、提高玉米机械粒收质量。

4 结论

玉米籽粒含水率降低到一定程度时，穗轴机械强度是影响机械粒收籽粒破碎率的重要因素之一；玉米生长后期穗轴机械强度随收获时期推迟呈先降低后升高的趋势，主要受穗轴干物质积累和含水率变化的影响。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Maize cob mechanical strength and its influence on kernel broken rate

XUE Jun, LI LuLu, ZHANG WanXu, Wang Qun, XIE RuiZhi, WANG KeRu, MING Bo, HOU Peng, LI ShaoKun

(Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

【Objective】The objectives of this study were to investigate the variation of maize cob mechanical strength and its influence on kernel broken rate to provide a theoretical basis for improving maize harvest quality. 【Method】Maize cultivars selection experiments were conducted in large area field. The same combine harvester and operating personnel were used in different harvest date to study the variation regularity and influence factors of maize cob mechanical strength during late growth period, to analyze the relationship between cob mechanical strength and kernel broken rate. The cob morphology, moisture content, dry matter accumulation, mechanical strength characters, kernel moisture content, and broken rate were investigated in this research. 【Result】The results showed that, as harvest date delayed, maize kernel and cob moisture content decreased, and the bending strength of 8 cm and whole cob, and kernel broken rate showed a trend of decrease first and then increase. When kernel moisture content was below 20.1%, kernel broken rate increased exponentially with the increase in cob strength. When kernel moisture content was higher than 20.1%, kernel broken rate increased exponentially with the increase in bending strength of whole cob, and there was no significant relationship between kernel broken rate and bending strength of 8 cm cob. The bending strength was significantly and negatively correlated with moisture content of cob. In contrast, bending strength were significantly and positively correlated with penetration strength, dry weight, dry weight per unit length, and dry weight per unit volume. Path analysis showed that dry weight per unit length had the greatest effect on bending strength of cob. 【Conclusion】Cob mechanical strength is one of the important factors affecting kernel broken rate in maize grain harvest. The dry matter accumulation and moisture content are important factors affecting the mechanical strength of the cob during late stage.

maize; cob; bending strength; mechanical grain harvest; broken rate

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.10.006

2018-01-11；

2018-03-30

国家重点研发计划（2016YFD0300101，2016YFD0300110）、国家自然科学基金（31371575）、国家玉米产业技术体系项目（CARS-02-25）、中国农业科学院农业科技创新工程

薛军，Tel：010-82108595；E-mail：xuejun5519@126.com。通信作者李少昆，Tel：010-82108891；E-mail：lishaokun@caas.cn