四川省夏玉米机械化籽粒收获质量及其影响因素

赵 波 詹小旭 李小龙 吴雅薇 柯永培 袁继超 孔凡磊*

(1.四川农业大学 农学院/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川 温江 611130；2.四川农大正红生物技术有限责任公司，四川 双流 610213)

2010年我国玉米种植面积突破3 330万hm2，已成为全国种植面积第一的农作物[1]。其中四川省种植面积在西南玉米生产区第一，全国第九。受种植模式和生产生态条件限制，当前四川省玉米生产仍然以人工穗收、晾晒脱粒为主要的收获方式，存在劳动力成本高、效益效率低和晾晒困难的问题，导致种粮大户普遍存在生产经营亏损的问题。同时，传统的套作(三熟春播)玉米生产由于难以解决机械化问题，适合机械化作业的单作两熟夏玉米得到了快速发展，推广应用面积逐年增加。采用机械粒收可显著提高生产效率，降低人工成本，是四川省玉米机械化生产的迫切需求，开展四川省夏玉米机械粒收研究迫在眉睫。玉米机械粒收破碎率、杂质率和损失率为评价机械粒收质量的主要指标[2-3]。国内外相关研究表明，破碎率、杂质率、损失率与机械粒收籽粒含水率、品种、收获机型、田间倒伏(倒折)率等关系密切[4-11]。受农民种植习惯的影响，四川省的玉米品种主要以高杆大穗晚熟品种为主，而玉米机械粒收要求株型适宜、早熟脱水快的品种[2,12]。

玉米机械粒收的相关研究集中于北方地区，西南玉米生产区鲜见相关报道。本研究选用四川省大面积主推的20余个玉米品种，于2017—2018年开展分期玉米机械粒收试验，分析机械粒收质量指标与植株性状、果穗性状、器官含水率、籽粒及穗轴力学强度间的关系，旨在明确四川省夏玉米机械粒收质量现状及粒收质量的主要影响因素，以期为该区夏玉米机械粒收技术的研究、推广以及宜机械粒收品种的选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2017—2018年在四川省中江县辑庆镇试验基地(31°03′ N，104°68′ E)开展试验研究。参试品种采用60 cm等行距种植，每品种种植3行，行长25 m，3次重复，随机排列，密度为45 000株/hm2。在玉米成熟期进行机械粒收，2017年于8月27日和9月15日，2018年于9月8日和9月16日收获，收获机型为久保田4LZY-1.8B，配套家家乐4YG-4A玉米收割台(3行收割，60 cm+60 cm+60 cm)，参照“玉米收获机械 试验方法”(GBT-21961—2008)[13]标准调查各参试品种机械粒收质量。田间管理同当地实际生产，参试品种、播种日期和收获日期，见表1。

表1 试验基本情况

1.2 测定项目与方法

1.2.1植株、果穗性状

于吐丝期每个参试品种选择 30株代表性植株(分为3个重复，每重复10株)，分别量取株高、穗位高和茎粗。于生理成熟期每个参试品种选择30个代表性果穗(分为3个重复，每重复10个)，用电子游标卡尺测量果穗中部直径，然后人工脱粒，再测量穗轴中部直径。

1.2.2籽粒、穗轴和茎秆含水率

每次收获前，在规定的收获区域内随机取样长势一致的15株植株，分为3个重复，再人为进行植株分离，分为茎秆和果穗，并将果穗脱粒，分为籽粒和穗轴，再称取籽粒、穗轴和茎秆的鲜重，85 ℃烘干至恒重，称干重，计算含水率。

1.2.3籽粒、穗轴力学强度

从测定籽粒含水率的样品(经充分混匀)中随机选取完整籽粒90粒，用石家庄艾沃士科技有限公司生产的玉米茎秆强度测定仪(型号：AWOS-SL0，500 N量程)，采用截面为1 cm2的圆形探测头测定并记录玉米籽粒立面和侧面被测头恰好压碎时的最大值。每一品种籽粒各面分别测定45粒，每15粒为1个重复，共3次重复。

测定并记录穗轴被折断时的最大值，测定5个穗轴，3次重复；同时采用截面为1 cm2的圆形探测头测定并记录穗轴被测头压碎时的最大值，测定5个穗轴，3次重复。

1.2.4机械粒收质量

每次分品种收获后，将收获机机仓内全部籽粒抽空并装袋。将装袋籽粒充分混匀后随机取2 kg(Wh)，取3次(分为3个重复)；参照“玉米收获机械 试验方法”(GBT-21961—2008)[13]，人工去除非籽粒部分，并称取非籽粒部分质量(Wz)，再拣出机器损伤、有明显裂纹及破皮的籽粒，分别称出破碎籽粒质量(Ws)及样品籽粒总质量(Wi)，按以下公式计算籽粒破碎率(Zs)、杂质率(Zz)。将非籽粒部分(杂质)按穗轴、茎秆、残渣、其他进行组分分类。

Zs=Ws/Wi×100%Zz=Wz/Wh×100%

在每品种完成机械粒收后随机选取3个测试区域，每个区域取2 m长一个割幅宽(3行玉米)，收集区域内的所有的落粒，然后称取籽粒重量，按照区域面积计算单位面积的落粒率。

落粒率=单位面积田间落粒重/单位面积实收产量×100%

1.3 数据处理

采用 Excel 2013 对数据进行处理，SPSS Statistics 17.0软件进行统计分析，Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 2017和2018年四川省夏玉米机械粒收质量

表2所示，2017年夏玉米机械粒收籽粒破碎率为4.91%和4.27%，符合国家“玉米收获机械 技术条件”(GBT-21962—2008)[3]破碎率标准(≤5.00%)；杂质率为4.40%和1.90%；落粒率为1.30%和0.39%；籽粒含水率为27.06%和14.29%。2018年破碎率为8.00%和6.00%，未达到≤5.00%的国家标准；杂质率为2.32%和1.62%，符合国家“玉米收获机械 技术条件”(GBT-21962—2008)[3]杂质率标准(≤3.00%)；落粒率为1.38%和1.00%；籽粒含水率为24.98%和22.92%。籽粒含水率的变异系数在4次收获中均明显低于其他3项调查指标，且随着籽粒含水率的下降，破碎率的变异系数有降低的趋势。

表3可知，2017年2次机械粒收符合破碎率标准(≤5.00%)的样本占比为60.00%和70.00%，杂质率符合标准(≤3.00%)的样本占比为40.00%和80.00%，籽粒含水率符合≤28.00%的样本占比为60.00%和100.00%；2018年2次机械粒收符合破碎率标准(≤5.00%)的样本占比为24.44%和42.22%，杂质率符合标准(≤3.00%)的样本占比为73.33%和88.89%，籽粒含水率符合≤28.00%的样本占比为75.56%和95.56%。可见，品种间机械粒收质量存在差异，随着收获时期的延迟，籽粒含水率下降，各机械粒收指标均降低，达到国家标准要求的占比增加。

2.2 关于玉米机械粒收质量指标的相关性

表4可知，破碎率与籽粒含水率呈极显著正相关，与籽粒立面、侧面压碎强度分别呈极显著和显著负相关，与其余指标间相关性不显著；杂质率与籽粒含水率、穗轴含水率、株高、穗位高、穗轴压折强度呈极显著正相关，与籽粒立面压碎强度呈极显著负相关，与其余指标间相关性不显著；落粒率与籽粒含水率呈极显著正相关，与茎秆含水率呈显著负相关，与其余指标间相关性不显著。

2.3 影响籽粒破碎率的因素分析

图1可知，随着籽粒含水率的下降机械粒收破碎率逐渐降低，两者间符合线性关系，当籽粒含水率≤20%，不同品种间破碎率差异逐渐缩小，在籽粒含水率低于一定值时，破碎率有升高的趋势；随着籽粒立面压碎强度的升高机械粒收破碎率逐渐降低，两者间符合线性关系，当籽粒立面压碎强度≥177 N 时进行机械粒收，四川省夏玉米破碎率符合≤5%的国家标准。

表2 夏玉米机械粒收质量

表3 不同收获期粒收质量差异

表4 关于机械粒收质量指标的相关性分析

注：*表示在0.05水平上差异显著，**表示在0.01水平上差异显著。

Note： *represents significant at the 0.05 probability level.**represents significant at the 0.01 probability level.

图中箭头表示破碎率在不同籽粒含水率区段的变化趋势；图中虚线表示籽粒含水率20%和29%。

2.4 影响杂质率的因素分析

四川省夏玉米机械粒收杂质主要由穗轴、残渣、茎秆和其他组成(图2)，其中以穗轴所占比例最高为55.49%，其次为其他，比例为21.56%，残渣占比为17.29%，茎秆占比为5.66%。可见，机械粒收杂质的主要成分为穗轴。

残渣, 玉米植株在机械粒收过程中产生的渣子和灰尘；其他,田间杂草和泥土。

图3可知，随着籽粒、穗轴含水率的下降杂质率先降低然后逐渐增加，杂质率与籽粒含水率、穗轴含水率间符合二次函数关系。当籽粒含水率≤28.00%、穗轴含水率≤70.00%时进行机械粒收，杂质率符合≤3%的国家标准[13]。杂质率与株高、穗位高间符合线性关系。对2018年参试品种2次收获的穗轴力学强度(平均值)与杂质率进行拟合，结果显示，杂质率与穗轴压折强度符合指数函数关系，杂质率与穗轴压碎强度间关系不显著，但是两者呈正相关。

2.5 影响落粒率的因素分析

随着籽粒含水率的下降机械粒收落粒率逐渐降低(图4)，落粒率与籽粒含水率间符合线性关系。

3 讨论与结论

玉米籽粒破碎率、杂质率和损失率为机械粒收质量的主要评价指标。李少昆等[2]和柴宗文等[6]通过6年试验 1 698 和2 450组样本分析表明，北方玉米生产区籽粒破碎率平均达到8.63%和8.56%，均未达到≤5.00%的国家标准，杂质率平均为1.27%，符合≤3.00%的国家标准，总损失率平均为4.12%，符合≤5.00%的国家标准，可见我国北方机械粒收存在的主要问题为破碎率偏高，破碎率高也成为我国玉米机械粒收发展的限制性因素[5,14-15]。李璐璐等[16]研究表明，随着收获时期的推迟，籽粒含水率逐渐降低，破碎率和落粒率先降低后升高,杂质率逐渐降低。本研究表明，2年4次收获的破碎率均值为5.80%，未达到≤5.00%的国家标准，杂质率均值为2.56%，符合≤3.00%的国家标准，落粒率均值为1.02%。2年机械粒收破碎率、杂质率和落粒率均表现出第二次收获值小于第一次收获值。由此可以说明，四川省夏玉米机械粒收存在的主要问题同样为破碎率偏高，且适当延迟收获可有效降低籽粒破碎率、杂质率和落粒率，提高机械粒收质量，同时也能减少晾晒次数和降低烘干成本。

图3 杂质率与籽粒含水率和穗轴含水率、株高和穗位高、穗轴压折强度和穗轴压碎强度的关系

图4 落粒率与籽粒含水率的关系

明确影响四川省夏玉米机械粒收的主要因素对于该区夏玉米机械粒收发展具有重要意义。前人研究表明，玉米机械粒收除受外部生态气候因素、栽培措施等[8,17-19]的影响，还主要受收获时籽粒含水率、品种、收获机型和操作人员等因素的影响，而其中籽粒含水率被认为是影响机械粒收质量的关键因素[6,20-25]。本研究在控制同一操作机手、同一收获机型的条件下，对参试品种进行机械粒收试验，调查各参试品种植株性状、果穗性状，每次收获时的器官含水率、籽粒及穗轴的力学强度和机械粒收质量指标。相关性分析表明，破碎率主要受籽粒含水率及籽粒立面压碎强度的影响，杂质率主要受籽粒含水率、穗轴含水率、株高、穗位高和穗轴压折强度的影响，落粒率主要受籽粒含水率的影响。籽粒含水率是影响四川省夏玉米机械粒收破碎率的重要因素，同时籽粒力学强度和破碎率间关系密切，这与前人研究发现籽粒的生物力学特性与机械粒收过程中的脱粒性能关系密切相吻合，破碎率主要受玉米籽粒压碎特性的影响，与籽粒最小破碎力呈负相关[26-27]。在籽粒含水率较高时玉米籽粒韧性较好，含水率低时玉米籽粒强度较高[28]。已有研究发现，在籽粒含水率低于一定值时，破碎率呈增加的趋势，这可能是由于随着籽粒含水率下降，籽粒强度增加，但相应籽粒的韧性降低造成的，所以在籽粒力学强度适宜时进行机械粒收能有效降低破碎率[2,4,6,16]。应进一步开展多品种、多籽粒类型的籽粒物理力学特性及机制研究，为该区玉米机械粒收技术的推广和宜机品种的选育提供科学方向。同时本研究发现，在2年4次机械粒收试验中，机械粒收质量和籽粒含水率在各参试品种间极差和变异系数较大(表2)，故通过选择粒收质量较优以及后期脱水快的品种可有效提升机械粒收效率。本研究结果表明穗轴是主要的杂质成分，而穗轴的含水率、压折强度也与杂质率关系密切，拟合的方程分别为y杂质率=0.004 7x穗轴含水率2-0.295 0x穗轴含水率+6.179 4(R2=0.384 4**)，y杂质率=0.614 0e0.005 9x穗轴压折强度(R2=0.264 5**)。已有研究认为，落粒率与籽粒含水率呈二次函数关系，随籽粒含水率先降低后升高[16]，而本研究表明，在当前试验条件下，四川省夏玉米机械粒收落粒率与籽粒含水率间呈线性关系，随着籽粒含水率的下降，落粒率逐渐降低。本研究中所有测试样本籽粒含水率在10.14%～37.16%，基本覆盖四川省夏玉米籽粒收获含水率范围。

综上所述，在2年机械粒收试验中，四川省夏玉米收获时90.00%测试样本籽粒含水率≤29.00%，基本满足机械粒收籽粒含水率要求。通过2年的研究，在今后四川省夏玉米生产上应选用生育后期脱水快、籽粒物理力学特性适宜、穗轴力学强度偏小，株高及穗位高适宜的品种，并根据气候条件及作物衔接情况适时晚收，来提高四川省夏玉米机械粒收质量。