赵 波 李小龙 周茂林 宋 碧 雷 恩 李 钟 吴雅薇 袁继超 孔凡磊,*
西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状及影响因素分析
赵 波1李小龙1周茂林2宋 碧3雷 恩4李 钟5吴雅薇1袁继超1孔凡磊1,*
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, 四川成都 611130;2重庆市农业科学院玉米研究所, 重庆 401329;3贵州大学农学院, 贵州贵阳 550025;4红河学院, 云南红河 661106;5南充市农业科学院, 四川南充 637000
籽粒破碎率高是西南玉米机械粒收技术发展和应用的主要限制因素。明确当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状, 研究其主要影响因素, 对推动西南玉米机械粒收的发展具有重要意义。利用2017—2018年在西南区开展的多点多品种系列粒收试验获得的788组籽粒破碎率样本数据, 分析了西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状, 并于2018年采用同一机型、同一操作人员开展多品种、大跨度多收期试验, 调查不同收获时期籽粒破碎率、含水率、力学强度变化, 分析籽粒含水率、力学强度与破碎率的关系。结果表明, 当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率范围为0.54%~42.72%, 平均值为8.34%。随机械粒收时期推迟, 籽粒含水率下降, 籽粒力学强度增加, 破碎率先降低后逐渐升高。破碎率()与籽粒含水率()间的关系符合= 0.03292−1.3328+15.529 (2= 0.5467**)方程, 在籽粒含水率为20.26%时破碎率最低, 破碎率≤5%的籽粒含水率范围为10.76%~29.76%; 破碎率()与籽粒立面(立面)和侧面(侧面)压碎强度的关系符合= 0.0006立面2−0.2692立面+32.7030 (2= 0.3138**)和= 0.0021侧面2−0.6092侧面+46.979 (2= 0.3790**)方程, 当籽粒立面和侧面压碎强度为224.33 N和145.05 N时破碎率最低。籽粒压碎强度与含水率呈极显著负相关。随收获时期推迟, 籽粒含水率下降导致其力学强度的改变是影响破碎率变化的主要原因, 通过选育和选用后期立秆能力强、籽粒脱水快的品种, 当籽粒含水率降至28%以下进行机械粒收是降低西南玉米机械粒收籽粒破碎率的重要举措。
西南玉米; 机械粒收; 破碎率; 含水率; 力学强度
西南是我国三大玉米主产区之一, 玉米机械化收获率却不足2%, 且主要为机械穗收[1-2]。玉米机械粒收是未来我国玉米机械收获的发展趋势[3-4], 同时也是西南玉米生产实现跨越式发展的必由之路。机械粒收籽粒破碎率高是该技术发展和应用的主要限制因素, 因此研究当前玉米机械粒收籽粒破碎率及影响因素, 对促进机械粒收技术的发展和本区玉米机械粒收水平的提升具有重要意义。玉米籽粒破碎率、杂质率、损失率为机械粒收质量的主要评价指标[5-6]。李少昆团队[3,5]通过6年试验对1698、2450组样本分析表明, 北方玉米区籽粒破碎率平均达到8.63%、8.56%, 高于GBT-21962-2008[6]≤5%的要求, 玉米籽粒破碎率高是我国玉米机械粒收技术发展的“瓶颈”性问题[7-9]。收获时籽粒含水率高是造成破碎率高的主要原因[10-16], 破碎率与籽粒含水率间符合线性和二次多项式关系[11,14-15,17]。李璐璐等[17]研究表明, 籽粒含水率相近的不同玉米品种在机械粒收时机收质量差异较大, 尤其是破碎率。生产上硬粒型、马齿型、半马齿型玉米籽粒力学特性存在较大差异, 且籽粒力学特性对机械脱粒性能影响较大, 其中破碎率主要受玉米籽粒压碎特性的影响, 两者呈负相关[18-20]。同时收获机型号、运行速度、操作人员等因素也对粒收质量有一定影响[3,21]。前人对玉米机械粒收籽粒破碎率的研究报道集中于北方地区, 主要统计分析不同区域多品种大样本量数据, 且侧重于籽粒含水率和品种对破碎率的影响, 鲜见不同时期收获籽粒破碎率、含水率和力学强度动态变化特征及其相互间关系的系统研究。同时西南玉米机械化收获尚处于起步阶段, 机械化收获技术特别是机械粒收技术研究尚属空白。本研究分析了西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状, 于2018年采用同一机型、同一操作人员, 开展了多品种、大跨度多收期试验, 探讨了不同收获时期籽粒破碎率的动态变化及其与籽粒含水率、力学强度等因素的关系, 以期为机械粒收技术和西南玉米机械粒收的发展提供科技支撑。
1.1.1 机械粒收试验 2017—2018年在西南区的四川中江(31°N, 104°E)、四川南充(30°N, 106°E)、贵州安顺(26°N, 105°E)、云南红河(23°N, 102°E)、重庆潼南(30°18′N, 105°83′E)开展了玉米适宜机械粒收品种筛选及相关粒收技术的研究, 在玉米成熟期进行了机械粒收试验, 统一标准调查了62个西南玉米主体品种机械粒收籽粒破碎率情况, 共获得788组籽粒破碎率样本数据, 以明确西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状。试验品种信息见表1 (除北方引进品种外, 其余品种均为西南各区主推品种, 生育期差异较小)。
1.1.2 不同收获时期试验 2018年在四川中江(31°N, 104°E)试验基地, 采用大区带状种植, 每带3行(行距60 cm, 带间距为1.2 m, 每一品种种植2带, 带长75 m), 种植密度为60,000株 hm–2, 田间管理同当地实际生产。供试品种春玉米4个(4个品种的生育期基本一致), 4月8日播种; 夏玉米15个, 5月17日播种(表2)。设置春玉米6个收获时期, 即7月31日、8月7日、8月13日、8月19日、8月25日、8月31日, 夏玉米分别于9月8日、9月16日粒收, 收获机型同为久保田4LZY-1.8B, 配套家家乐4YG-4A玉米收割台。
1.2.1 籽粒含水率 每次收获前, 在规定的收获区域内随机取长势一致的15个果穗, 分为3个重复, 人工脱粒, 称鲜重, 85℃烘干至恒重, 称干重, 计算籽粒含水率。
1.2.2 籽粒压碎强度 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(图1)被测头恰好压碎时仪器所显示的最大值。对每一品种籽粒立面和侧面压碎强度分别测定45粒, 每15粒为一个重复, 共3次重复。
1.2.3 籽粒破碎率 每次分品种收获后, 将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, 取3次(分为3个重复), 参照“玉米收获机械试验方法”(GBT-21961-2008[22]), 人工去除非籽粒部分, 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(s)及样品籽粒总质量(i), 按以下公式计算籽粒破碎率(s)。
采用Microsoft Excel 2013处理数据, SPSS Statistics 17.0软件进行统计分析, Origin 9.0软件建立破碎率与籽粒含水率、力学强度和籽粒力学强度与含水率间的回归方程, 并作图。
由图2可知, 在2年、5个试验点、62个品种共计788组样本中, 籽粒破碎率范围为0.54%~ 42.72%, 变异系数为79.42%, 平均值为8.34%, 高于国家“玉米收获机械技术条件”(GBT-21962-2008)≤5%的要求; 所有样本中破碎率≤5%的占比为35.79%, 5%~8%占比为27.28%, 高于我国“粮食烘干收储企业三级粮标准”(GBT-1353-2009[23]) ≤8%的占比为36.93%。其中四川中江265组样本籽粒破碎率范围为0.54%~16.97%, 平均5.59%, ≤5%的占比为54.34%, 5%~8%的占比为25.66%, ≥8%的占比为20.00%; 四川南充26组样本籽粒破碎率范围为1.52%~15.23%, 平均4.51%, ≤5%的占比为43.50%, 5%~8%的占比为25.20%, ≥8%的占比为31.30%; 重庆潼南246组样本籽粒破碎率范围为0.54%~ 25.92%, 平均7.89%, ≤5%的占比为43.50%, 5%~8%的占比为25.20%, ≥8%的占比为31.30%; 贵州安顺140组样本籽粒破碎率范围为0.72%~ 36.52%, 平均11.19%, ≤5%的占比为2.86%, 5%~8%的占比为40.00%, ≥8%的占比为57.14%; 云南红河111组样本籽粒破碎率范围为2.92%~ 42.72%, 平均13.48%, ≤5%的占比为4.50%, 5%~8%的占比为24.32%, ≥8%的占比为71.18%。
春玉米6次收获中, 随收获时间推迟, 籽粒破碎率表现出先降低后逐渐升高的趋势(图3)。第3次收获的籽粒破碎率均值最低, 各时期所取测试样本中籽粒破碎率的变幅分别为4.29%~15.05%、3.12%~ 13.91%、0.54%~3.08% (异常值为5.76%)、2.12%~ 3.41% (异常值为5.13%)、1.56%~4.74%和2.58%~ 5.11%, 第3、第4、第5次收获的测试样本中除异常值外全部符合破碎率≤5%的“玉米收获机械技术条件”国家标准(GBT-21962—2008); 6次收获参试品种测试样本破碎率的极差分别为10.76%、10.79%、2.54%、1.29%、3.18%和2.53%, 在第4次收获的极差最小。夏玉米在9月16日收获的籽粒破碎率均值小于9月8日, 2次收获籽粒破碎率范围分别为3.00%~13.25%和3.03%~9.97%, 2次收获参试品种破碎率≤5%的占比分别为11.1%和38.9%。
随收获时间推迟, 春夏播玉米籽粒含水率均呈现逐渐降低的趋势, 且品种间的籽粒含水率存在明显的差异(图3)。2018年7月31日至2018年8月31日, 春玉米4个品种6次收获所取测试样本的籽粒含水率范围分别为32.79%~36.10%、26.42%~ 32.78%、21.78%~29.50%、15.74%~20.09%、12.49%~ 17.44%和11.24%~13.72%, 测试样本籽粒含水率在11.24%~36.10%之间。夏玉米15个品种2次收获的籽粒含水率范围分别为15.92%~30.33%和14.23%~ 27.25%。
表1 机械粒收试验品种信息(2017−2018)
表2 不同收获时期试验品种信息(四川中江, 2018)
图2 西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状(2017−2018)
春玉米6次收获中, 随收获时间推迟, 玉米籽粒的立面和侧面压碎强度均逐渐增加, 但是在最后一个时期表现出有降低的趋势(图3)。玉米籽粒立面压碎强度在各时期均大于侧面压碎强度。籽粒立面压碎强度在7月31日至8月25日间差异达到显著水平, 8月25日至8月31日差异不显著; 籽粒侧面压碎强度在7月31日至8月7日差异不显著, 8月7日至8月13日差异达到显著水平, 之后各时期间差异不显著。
破碎率随籽粒含水率的下降先降低再逐渐升高(图4), 两者间符合二次多项式关系, 可用方程= 0.03292−1.3328+15.529 (2= 0.5467**,= 72)拟合。根据拟合方程预测, 当籽粒含水率为20.26%时破碎率最低, 为2.03%, 按照机械粒收破碎率≤5%的国家标准以及≤8%的粮食储存三级标准, 在当前参试品种和相应配套的收获条件下, 籽粒含水率应该控制在10.76%~29.76%和6.79%~33.73%。从图中可以看出在籽粒含水率大于32%时, 部分样本的破碎率仍低于5%。
破碎率随籽粒力学强度的增加先降低再逐渐升高(图4), 破碎率()与立面(立面)和侧面(侧面)的压碎强度均符合二次多项式关系, 拟合方程分别为= 0.0006立面2− 0.2692立面+32.703 (2= 0.3138**,= 72)和= 0.0021侧面2− 0.6092侧面+46.97 (2= 0.3790**,= 72)。根据拟合方程预测, 当籽粒立面和侧面压碎强度为224.33 N和145.05 N时破碎率最低, 为2.51%和2.78%, 按照机械粒收籽粒破碎率≤5%的国家标准以及≤8%的粮食储存三级标准, 在当前参试品种和相应配套的收获条件下, 籽粒立面压碎强度应控制在159.88~288.78 N和128.66~320.01 N, 侧面压碎强度应控制在112.60~177.50 N和95.23~194.86 N。
籽粒力学强度随籽粒含水率的下降逐渐增加(图4)。其中籽粒立面(立面)和侧面(侧面)压碎强度与籽粒含水率()呈极显著负相关, 回归方程分别为立面= −4.1606+283.06 (2= 0.6034**,= 72)和侧面= −1.8552+ 168.4 (2= 0.5840**,= 72), 籽粒含水率每降低1个百分点, 立面和侧面压碎强度分别增加4.16 N和1.86 N, 当籽粒含水率在18%~28%范围时, 籽粒立面压碎强度为166.56~208.17 N, 侧面压碎强度为116.45~135.01 N。
图3 不同收获时期玉米籽粒破碎率、含水率、力学强度变化(2018)
箱型图中的箱体部分代表50% (25%~75%)样本的分布区域, 为四分位区间(IQR)。箱体内实线为中位线, “¨”为异常值点, “+”为均值。图中不同小写字母表示不同时期在0.05水平下差异显著。
The box part in the box diagram represents the distribution area of 50% (25%–75%) samples, which is a quadrant interval (IQR). The solid line in the box body is the median line, “¨” is the abnormal point, “+” is the average. Different lowercase letters above boxes show significant differences at the 0.05 probability level in different periods.
从表3可以看出, 第1、第2、第3组不同籽粒类型的品种在籽粒含水率相近时, 籽粒立面和侧面压碎强度在品种间差异不显著, 采用相同收获机收获, 品种间的破碎率差异却达极显著或显著水平; 第4、第5组别中不同品种间籽粒含水率差异达极显著水平, 但籽粒立面和侧面压碎强度差异不显著, 且籽粒破碎率差异也不显著; 第6组别中在同一地点、收获机和机手操作下收获, 同一品种在籽粒含水率相近, 籽粒力学强度差异不显著的条件下, 其春播和夏播的籽粒破碎率差异达显著水平。以上说明机械粒收籽粒破碎率不仅受籽粒含水率、力学强度的影响, 可能还与品种类型、胚乳结构、播期等有关。
籽粒破碎率作为评价玉米机械粒收质量的主要指标, GBT-21962-2008 “玉米收获机械技术条件”中规定机收籽粒破碎率≤5%, GBT-1353-2009“粮食烘干收储企业三级粮标准”中规定籽粒破碎率≤8%[5-6,24]。本研究结果显示, 当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率范围为0.54%~42.72%, 平均值为8.34%, 与李少昆等[3,5]在北方的研究结果相近, 高于国家“玉米收获机械技术条件”(GBT-21962-2008) ≤5%的要求范围; 788组测试样本中破碎率≥5%的占比为64.21%。随收获时期推迟, 机械粒收质量发生显著变化, 特别是破碎率[17]。本研究采用固定品种, 同一地块、操作人员、收获机械, 多收获时期的方法, 在一定程度上减少了品种、收获机械、人员操作差异等因素对试验结果造成的影响。结果显示, 在本试验条件下, 推迟收获时期, 籽粒含水率下降, 籽粒破碎率显著降低, 但超过一定时期籽粒破碎率却逐渐增加; 籽粒破碎率与含水率间关系符合= 0.03292−1.3328+15.529 (2= 0.5467**)方程, 籽粒含水率为20.26%时破碎率最低, 籽粒含水率在10.76%~29.76%范围内, 破碎率可≤5%, 试验中测试样本籽粒含水率在11.24%~36.10%之间, 基本覆盖西南玉米籽粒收获含水率范围。由于西南是多熟制地区, 茬口衔接比较紧, 而且秋季多雨, 加之现有品种以高秆大穗晚熟品种为主, 后期立秆能力较弱, 收获过迟倒伏严重, 故在籽粒含水率降到28%以下即可考虑机械粒收, 不必像北方一样降至25%[5,25]。综上可见, 当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率偏高, 选育早熟、后期立秆能力强、籽粒脱水快的品种并适时晚收是西南玉米机械粒收发展的有效措施。
表3 不同品种间的机械粒收破碎率差异(四川中江, 2018)
表中数据后不同小写字母表示0.05水平下显著, 不同大写字母表示0.01水平下显著。
Data followed by different lower-case letters are significantly different at the 0.05 probability level, and these by different upper-case letters are significantly different at the 0.01 probability level.
影响玉米机械粒收籽粒破碎率的因素有品种、机械、栽培措施、生态气候[26-31]。玉米收获时籽粒含水率是影响机械粒收质量的关键因素, 收获时籽粒含水率高是破碎率偏高的主要原因[3,10-11,16-17,32]。
破碎率与籽粒含水率间符合线性和二次多项式关系[11,14,17]。但机械粒收籽粒含水率变化引起破碎率改变的机理不明。高连兴等[33]研究认为, 籽粒含水率对玉米脱粒的影响主要体现在籽粒破损强度和脱粒作用力两个方面。张永丽等[34]在玉米籽粒剪切破碎试验研究中发现, 含水率不同时, 剪切破碎载荷也不同, 含水率越高, 需要的外力就越小。在玉米机械脱粒作业中, 玉米籽粒主要承受挤压(挤搓)、冲击(打击)作用, 其中籽粒力学特性对机械脱粒性能影响较大, 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[19,35-37]。本研究表明, 破碎率与籽粒立面和侧面压碎强度的关系密切, 符合二次函数关系, 回归方程分别为= 0.0006立面2− 0.2692立面+ 32.703 (2= 0.3138**)、= 0.0021侧面2−0.6092侧面+46.979 (2= 0.3790**), 当籽粒立面和侧面压碎强度为224.33 N和145.05 N时破碎率最低。进一步分析发现, 籽粒力学强度随着籽粒含水率的下降而逐渐增加, 两者间呈负相关线性关系, 拟合的方程检验达到极显著水平。表明玉米籽粒含水率变化导致籽粒力学强度变化是破碎率变化的主要原因。
前人研究表明, 不同玉米品种在籽粒含水率相近时收获质量差异较大, 尤其是破碎率[17]。本研究及前人研究[3]均发现籽粒含水率≥32%及≥30%时, 部分样本的破碎率仍低于5% (图4), 表明籽粒含水率不是影响破碎率的唯一因素。本研究发现, 破碎率与籽粒立面和侧面压碎强度关系密切, 呈二次函数关系。破碎率是玉米与刚性部件相互作用的结果, 籽粒的生物力学特性与脱粒性能的关系更为密切[18,36,38], 探明玉米籽粒的力学特性对粒收机械的改良是十分必要的。本研究也发现, 在相同籽粒含水率和籽粒立面与侧面压碎强度下, 不同品种的破碎率也不尽相同, 这可能是不同品种在机械脱粒时的破碎敏感性差异造成的[17]。同一品种在相近籽粒含水率下春播和夏播的破碎率存在显著差异,这可能与春夏播玉米籽粒特性不同有关。生产上应用的硬粒型、马齿型、半马齿型玉米籽粒力学特性存在较大差异, 同一类型不同品种的胚乳结构及其力学特性也可能存在较大差异。因此, 今后应加大对玉米籽粒类型及其物理力学特性的研究, 为我国玉米机械粒收技术的发展及宜机收品种的选育提供理论依据。
图4 籽粒破碎率、含水率及力学强度间的关系(中江春玉米, 2018)
当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率偏高, 破碎率范围为0.54%~42.72%, 平均值为8.34%。随收获时期推迟, 籽粒含水率下降, 籽粒力学强度增加, 破碎率先降低后逐渐升高。破碎率与籽粒含水率的关系符合= 0.03292− 1.3328+15.529方程, 破碎率与籽粒立面和侧面压碎强度的关系符合= 0.0006立面2− 0.2692立面+32.703、= 0.0021侧面2− 0.6092侧面+46.979方程, 籽粒压碎强度与籽粒含水率的关系符合立面= −4.1606+283.06、侧面= −1.8552+168.4方程。在本试验条件下, 籽粒含水率在10.76%~29.76%范围内或籽粒立面和侧面压碎强度在159.88~288.78 N和112.60~177.50 N范围内适宜机械粒收, 籽粒含水率在20%左右或籽粒立面和侧面压碎强度在220 N和145 N左右时收获效果最佳。通过选育和选用后期立秆能力强、籽粒脱水快的品种, 在籽粒含水率降至28%以下收获可显著降低当前西南玉米机械粒收籽粒破碎率。
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Current status and influencing factors of broken rate in mechanical grain harvesting of maize in Southwest China
ZHAO Bo1, LI Xiao-Long1, ZHOU Mao-Lin2, SONG Bi3, LEI En4, LI Zhong5, WU Ya-Wei1, YUAN Ji-Chao1, and KONG Fan-Lei1,*
1College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Crop Ecophysiology and Cultivation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 611130, Sichuan, China;2Corn Research Institute, Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 401329, China;3College of Agronomy, Guizhou Agricultural University, Guiyang 550025, Guizhou, China;4Honghe University, Honghe 661106, Yunnan, China;5Nanchong Academy of Agricultural Sciences, Nanchong 637000, Sichuan, China
Maize mechanical grain harvesting is the development direction of maize production in Southwest China. High grain broken rate is the main limiting factor for the development and application of this technology. It is of great significance to clarify the current status of broken rate of mechanical grain harvesting in Southwest China, to study the main influencing factors, so as to promote the development of mechanical grain harvesting in Southwest China. Using 788 sets of sample data of grain broken rate obtained from a series of multi-point and multi-variety grain harvesting experiments conducted in Southwest China from 2017 to 2018, the present situation of mechanical grain broken rate in Southwest China was analyzed. In 2018, the same machine and operator were used to carry out multi-variety, long-span and multi-harvest experiments to investigate the changes of grain broken rate, grain moisture content and grain mechanical strength in different harvest periods, and to analyze the relationship among grain moisture content, grain mechanical strength and broken rate. The broken rate of mechanically harvested grains was 0.54%–42.72% with the average of 8.34% in Southwest China. With the delayed mechanical grain harvesting, the moisture content of grains decreased, the crushing strength of grains increased, and the broken rate of grains decreased first and then increased. The relationship between broken rate () and grain moisture content () was in accordance with the equation= 0.03292− 1.3328+ 15.529 (2= 0.5467**). The broken rate was the lowest when the moisture content of grains was 20.26%. The range of moisture content of the grains with a broken rate less than 5% was 10.76%–29.76%. The relationship between broken rate () and crushing strength of grain facade (facade) and side (side) was in accordance with the equations of= 0.0006facade2− 0.2692facade+ 32.7030 (2= 0.3138**) and= 0.0021side2− 0.6092side+ 46.979 (2= 0.3790**), respectively. When the crushing strength of grain facade and side was 224.33 N and 145.05 N, the broken rate was the lowest. With delaying harvest time, the change of mechanical strength caused by the decrease of grain moisture content may be the main reason affecting the change of broken rate. Breeding and selecting varieties with strong standing pole ability and quick dehydration, making the moisture content of grain below 28%, is an important measure to reduce the broken rate of mechanical grain harvesting in Southwest China.
southwest maize; mechanical grain harvesting; broken rate; moisture content; mechanical strength
2019-04-18;
2019-08-09;
2019-09-01.
10.3724/SP.J.1006.2020.93026
孔凡磊, E-mail: kflstar@163.com, Tel: 028-86290870
E-mail: sicauzb4633@163.com
本研究由国家重点研发计划项目(2016YFD0300307, 2017YFD0301704)资助。
This study was supported by the State Key Research and Development Program of China (2016YFD0300307, 2017YFD0301704).
URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190910.1109.006.html