黄淮海夏玉米机械化粒收质量及其主要影响因素

王克如，李璐璐，鲁镇胜，高 尚，王浥州，黄兆福，谢瑞芝，明 博，侯 鹏，薛 军，张镇涛，侯梁宇，李少昆

·农业装备工程与机械化·

黄淮海夏玉米机械化粒收质量及其主要影响因素

王克如1，李璐璐1，鲁镇胜2，高 尚1，王浥州1，黄兆福1，谢瑞芝1，明 博1，侯 鹏1，薛 军1，张镇涛3，侯梁宇1，李少昆1※

（1. 中国农业科学院作物科学研究所/农业农村部作物生理生态重点实验室，北京 100081；2. 河南省漯河市农机推广服务中心，漯河 462000；3. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

针对黄淮海夏玉米区机械粒收质量差及其主要影响因素不明确，该研究选择黄淮海夏玉米区2013－2019年机械粒收技术联合试验示范的1 250组测试样本进行籽粒含水率、破碎率、杂质率和损失率等粒收质量统计分析，结果表明，夏玉米机械粒收时籽粒含水率平均为27.38%，破碎率平均为9.29%，杂质率平均为1.68%，损失率平均为3.28%，籽粒含水率和破碎率明显高于全国平均值。从不同年份收获质量看，2018、2019年收获籽粒平均含水率下降至25.45%和25.05%，平均破碎率下降至9.07%和7.88%，虽仍然高出国家玉米机械收获规定的破碎率标准（≤5%）的要求，但收获质量已发生明显改善。破碎率与收获期籽粒含水率之间呈二次曲线关系，破碎率最低时籽粒含水率为21.08%。因此，破碎率高仍然是黄淮海夏玉米机械粒收存在的主要质量问题，而收获期籽粒含水率高是导致破碎率高、制约机械粒收的主要原因。针对黄淮海夏播区热量资源梯度分布差异较大，玉米收获季节窗口期短的特点，选择早熟、脱水快的品种，进行品种脱水与区域气候资源配置，进一步降低收获期籽粒含水率，规范宜机械粒收栽培技术以及收获机操作规程是破解黄淮海夏玉米粒收质量差的关键。

机械化；作物；夏玉米；机械粒收；收获质量；品种；热量资源

0 引 言

玉米机械粒收技术是世界上最先进的玉米收获技术，20世纪50年代率先在北美等国家开始应用，随着大量适合机械粒收玉米品种的应用推广和联合收获机械的不断改进，以及籽粒烘干技术和设备的进步与普及，到20世纪70年代中后期，美、加、德、法等发达国家的玉米基本实现机械粒收，并朝着低含水率粒收后直接贮存的方向发展[1-2]。该技术在中国应用较晚，20世纪90年代最早在新疆兵团和黑龙江农垦开始尝试应用，但由于玉米品种、收获机械、烘干设施和生产规模等因素制约，应用推广较慢[1-2]。

黄淮海夏玉米区是中国第二大玉米产区，玉米面积和总产量占全国的近1/3，种植制度为小麦-玉米一年两熟，与欧、美等先进国家一年一熟制相比，玉米生长季被限定，玉米收获作业窗口期短，加之生产经营规模小，籽粒烘干、晾晒能力不足，国外玉米品种、种植模式和收获机械难以在该区域直接应用[1]，被认为是世界上机械粒收技术应用难度最大的区域。近年，随着中国社会经济发展和合作社、家庭农场等新型经营主体的兴起，规模化种植将成为玉米生产的主要形式，为黄淮海夏玉米机械粒收技术的应用提供了条件[2]。黄淮海夏播区进行玉米机械粒收应用存在以下优势：1）地势平坦，利于收获机械作业；2）玉米为夏播优势作物，连片种植面积大，能够提高收获机械作业效率；3）用于小麦收获的联合收获机保有量大，通过改装后即可用于玉米收获，实现“一机多用”。因此，在该区域开展玉米粒收技术的研究与应用，建立黄淮海夏玉米区的机械粒收技术体系，并应用推广，对于推动玉米机械收粒技术整体发展、提高该区域玉米产业竞争力均具有重要的理论与实践意义。

为推动夏玉米机械粒收技术的应用，中国农科院作物栽培与生理创新团队自2010年起，在黄淮海夏玉米区率先开展机械粒收理论与关键技术创新，系统开展了夏玉米籽粒脱水特征[3]、宜粒收品种筛选[4]、籽粒耐破碎机制与评价方法[5-7]、区域生态特点与品种热量资源的匹配[8]、后期植株抗倒性[9-10]、收获机械配套与应用[11]等研究，并在河南、河北、山东、安徽、江苏、天津、北京、陕西关中等省区集成玉米机械粒收生产技术，形成技术标准，推动玉米机械粒收技术的应用与发展。

玉米粒收质量包括收获籽粒的含水率、破碎率、杂质率和落粒落穗损失率。本研究通过分析2013—2019年在黄淮海夏玉米区获得的1 250组机械粒收质量田间测试样本，明确黄淮海夏玉米区机械粒收收获质量的现状与变化趋势，探明影响该区域机械粒收质量的主要因素，探讨提高该区域粒收质量的策略，为中国黄淮海夏玉米机械粒收质量的改进与技术发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验示范测试点与收获时期

2013—2019年在黄淮海夏播玉米区的河南、河北、山东、江苏、安徽、天津、北京广泛布设夏玉米机械粒收试验示范，测试点按其经纬度、参加试验示范的年次，制作分布图，参加年次越多标注的圈越大（图1），测试点涵盖了黄淮海夏播区的大部分区域，具有一定代表性。

各测试点的收获时间统计见表1，2013－2019年机械粒收的日期主要集中在9月25日－10月20日之间，其中，10月1日前收获的样本占26.48%，10月份收获的样本占73.52%。从不同年份看，2014年各测试点收获时期主要集中在10月11－15日，2015年集中在10月6－10日，2016年集中在10月1－10日；2017年集中在10月6—20日；2018年集中在9月20－30日；2019年集中在10月6—10日。

表1 黄淮海夏玉米各试验测试年份的收获日期

1.2 主要调查指标及调查方法

1.2.1 收获籽粒含水率、破碎率和杂质率

在各测试点，每个品种收获时随机取收割机仓内收获的籽粒样品约2 kg，首先用PM-8188谷物水分测定仪测定含水率，重复5次，然后称质量，手工分拣将其分为籽粒和非籽粒2部分；籽粒部分称质量记为KW1，非籽粒部分称质量记为NKW；再根据籽粒的完整性，将其分为完整籽粒和破碎籽粒并分别称质量，完整粒质量记为KW2，破碎粒质量记为BKW，籽粒破碎率、杂质率计算公式如下：

籽粒破碎率=[BKW/(KW2+BKW)]×100% （1）

杂质率=[NKW/(KW1+NKW)]×100% （2）

1.2.2 田间损失率

在测试品种的已收割地块随机选取样点，每个样点取2 m长、一个割幅宽度的面积，收集样区内所有落穗和落粒，记录穗数并脱粒，分别称落穗、落粒的籽粒质量，结合收获时的籽粒含水率，按照样区面积计算单位面积含水率为14%的落穗质量和落粒质量，3次重复。结合收获田块产量数据计算产量损失率。

1.3 黄淮海夏玉米区6－10月玉米生长季热量资源分布

根据2010－2019年玉米生长季6－10月的活动积温分布（图2）可见，黄淮海夏玉米区热量资源从南到北依次降低，南北间差异较大，可将黄淮海夏玉米主产区域划分为3部分：其中，南部区域6－10月积温大于3 250 ℃，主要是河南许昌以南（包括南阳、驻马店和漯河）和安徽的阜阳及宿州；中部区域6－10月的积温在3 000～3 250 ℃之间，主要是河南安阳到许昌之间，以及安徽的亳州和江苏的徐州、连云港，山东的菏泽、枣庄等地；北部区域6－10月积温在2 750～3 000 ℃，主要包括河北邯郸以北，保定以南，山东大部（聊城、济宁、济南、泰安），占据了黄淮海夏玉米的绝大部分。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010、SPSS18.0软件进行数据处理和统计分析，用R软件和Microsoft Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 黄淮海夏玉米机械粒收收获质量的总体情况

2013－2019年在黄淮海夏玉米区的7个省市区共获得了20种收获机型、420个玉米品种的1 250组大田机械粒收质量样本数据（表2），统计结果表明，收获时籽粒含水率范围为11.13%～44.60%，平均为27.38%；破碎率范围为1.11%～33.94%，平均为9.29%，比5%的国家标准高出85.8%；杂质率范围为0～12.25%，平均为1.68%，满足3%的国家标准要求；损失量范围为4.2～7 156.5 kg/hm2，平均为280.05 kg/hm2，产量损失率范围为0～79.82%，平均为为3.28%，符合5%的国家标准。产量损失包括落粒损失和落穗损失，其中，落粒量平均为122.1 kg/hm2，落穗量平均304.95 kg/hm2，落粒占总损失率的28.70%，落穗占71.30%，落穗损失大于落粒损失，是损失的主要部分；且田块间落穗量差异较大，变异系数高达235.25%。

表2 2013－2019年黄淮海夏玉米机械粒收质量统计（n =1 250）

籽粒含水率和破碎率总体呈正态分布，杂质率和田间损失率呈偏态分布（图3）。含水率≤25%和≤20%的样本分别占33.76%和8.16%，高于30%的样本占26%。破碎率低于5%的样本仅占20.79%，低于8%的样本占49.91%。杂质率平均值未超过低于3%的国家标准，其中，低于1%的样本占50.09%，但仍有17.07%的样本杂质率高于3%。田间损失率平均值低于国家标准对损失率（5%）的要求，但有19.05%的样点损失率超过5%。

2.2 籽粒破碎率、杂质率与含水率的关系

玉米籽粒破碎率与含水率之间呈二次曲线关系（图4），由方程可知，籽粒含水率为21.08%时，破碎率最低，为7.18%。由方程可知，籽粒含水率为25%的适宜粒收水分时，杂质率为1.40%；如果以破碎率最低时的籽粒水分（21.08%）收获，则杂质率为0.78%。

2.3 不同年份机械粒收质量的变化

不同年份间破碎率、杂质率和损失率总体均呈逐年下降趋势（图5）。

注：** 表示相关性极显著（<0.01）

Note: ** represent significant correlation at the 0.01 probability level.

图4 夏玉米籽粒含水率与破碎率、杂质率的关系（2013－2019年，=1 250）

Fig.4 Relationship between the grain moisture content, breakage rate, and impurity rate of summer maize (2013-2019,=1 250)

2014－2019年，收获时籽粒平均含水率每年下降0.61个百分点；2014年和2015年平均含水率高于28%，其余年份均低于28%，2018年和2019年平均含水率分别为25.45%和25.05%，已接近25%的宜粒收含水率。籽粒破碎率以2014年最高、样本间分布范围最大，之后均值和分布范围均呈逐年下降趋势，平均每年下降0.91个百分点，2018年和2019年的均值分别为9.07%和7.88%，高于5%的国家标准，说明破碎率高仍然是当前黄淮海夏玉米粒收中的重要问题。杂质率以2014年最高，之后虽然有波动，但总体呈下降趋势，平均每年下降0.41个百分点。损失率在不同年份均存在高损失率样点，随年份变化趋势不明显。玉米单产随着年份变化无明显规律（图6）。由此说明，随着年份变化玉米机械粒收质量逐渐提高，但并未出现单产下降现象。

2.4 夏玉米不同品种籽粒含水率差异

近年通过国审或省审适合机械粒收的品种主要包括：京农科728，迪卡517，吉单66，泽玉8911，新单61，新单58，豫单9953，丰德存玉10，郑原玉432，天塔619，C1212，C1210，迪卡653，辽单575，SK567等，统计2013－2019年这些品种占测试品种样本的比例（图7）分别是0、11.11%、14.86%、22.02%、21.64%、56.49%和59.32%，即随年份推移宜粒收品种比例不断增加，与籽粒含水率不断降低相一致。

以郑单958和先玉335为传统品种类型代表，以DK517、京农科728和泽玉8911代表新审定的适合粒收品种类型，通过在新乡试点（2015－2018年）测试数据，分析其从播种到生理成熟、再到籽粒水分降至25%适宜粒收所需的积温需求，结果表明（表3），与传统品种相比，适宜粒收的品种从播种到生理成熟所需积温少289～496℃，播种到籽粒含水率降至25%所需积温少416～479℃。由此可见，正是这部分积温使籽粒的含水率降至适合粒收的25%以下的范围。

2.5 黄淮海不同区域收获质量差异

黄淮海夏玉米区机械粒收质量的核心指标是收获期籽粒的含水率，因为含水率影响破碎率、杂质率和收获损失率等收获质量指标，而当品种确定时，收获期籽粒含水率主要受玉米生长期间及成熟后田间脱水期的温度影响，黄淮海夏播区玉米生长期的热量资源存在明显梯度，现以河南漯河的粒收数据代表黄淮海南部，以河南新乡的粒收数据代表黄淮海中部，以山东聊城的粒收数据代表黄淮海北部，对其热量资源和粒收质量进行对比分析。结果表明（表４），南部籽粒水分最低，较中、北部分别低0.93和4.96个百分点，破碎率也以南部最低，分别比中、北部低1.33和1.55个百分点；杂质率以中部最低，分别比南部和北部低0.44和2.24个百分点；损失率则以南部最高，分别比中部和北部高1.02和2.53个百分点。

表3 传统品种与适宜粒收品种播种至生理成熟和至25%水分所需积温比较

表4 2013－2019年黄淮海南、中、北部粒收质量主要指标对比

3 讨 论

3.1 黄淮海夏玉米机械粒收质量现状及影响因素

黄淮海夏玉米区以小麦玉米一年两熟制为主，玉米生育期积温不足，是世界上公认的机械粒收技术最难实施的区域。本研究中近80%的样本未达到破碎率5%的国家标准，有近一半的样本未达到破碎率8%的企业收购标准（国家三等玉米标准），因此，破碎率高是黄淮海夏玉米机械收获质量的最大问题。破碎率与收获时籽粒含水率呈二次曲线关系，理论上破碎率最低时籽粒含水率为21.08%。收获时籽粒平均含水率为27.38%，按国内外普遍认为的含水率25%为适宜粒收标准看[12-13]，夏玉米含水率低于25%的样本仅占33.76%，因此，籽粒含水率偏高是导致黄淮海夏玉米破碎率高的主要因素。

杂质率主要与品种、收获时植株状态、收获机械以及收获时天气状况有关。黄淮海区的一些田块存在杂质率超标现象，这除了与收获时植株整体含水率高有关外，也与收获机械有关[11]。收获时的损失率主要包括落粒与落穗2种形式。落粒损失主要与品种易脱粒性、收获时籽粒含水率和收获机械有关[12-17]；落穗主要与品种易落穗性、玉米螟危害程度、收获时的倒伏率以及收获机械有关[9,12-13,18-19]。本研究结果表明，落粒占总损失率的28.7%，落穗占71.3%，落穗损失是黄淮海夏播区玉米田间损失的主要部分。

3.2 适宜粒收品种的选育有助于提高机械粒收质量

收获期玉米籽粒的含水率主要受品种、气候因素和收获期影响[2,13,20-22]。2013－2019年黄淮海夏玉米生长季节平均积温和累积降雨量在年际间有波动，但无明显变化规律，说明近几年收获期籽粒含水率总体下降的趋势与气候因素无关。为推动适宜粒收品种的选育，2014年河南省在玉米区试中增加了机收组，国家良种攻关项目2015年也开始进行适宜粒收品种的联合测试与审定，并于2017年开始陆续审定出脱水快、适宜粒收的品种并被不断加入到试验示范中，这可能是收获期粒籽含水率近年呈快速下降的主要原因。

3.3 黄淮海夏玉米早熟性与单产的关系

选用早熟、脱水快的品种是实现机械粒收的重要途径，但更换熟期短的早熟品种可能会降低单产。本研究表明，虽然早熟、脱水快的适宜粒收品种比例逐年增加，但是单产并没有呈显著下降趋势。分析其原因，除了与所选品种自身的产量潜力较高外，被推荐的宜粒收品种均采取较当地品种增密7 500～15 000株/hm2的方式种植。由此表明，筛选早熟、脱水快宜粒收品种，通过增密种植在黄淮海夏玉米区可实现降低含水率的同时实现稳产。

3.4 品种脱水特性与区域积温的定量配置是提高机械粒收质量的重要策略

黄淮海夏玉米区热量资源从南到北差异较大，尽管整个黄淮海区域收获期籽粒含水率高是导致破碎率高的共同问题，但北部更为突出；而南部虽然收获期含水率降低，但带来的问题是损失率偏高。因此，南部在考虑进一步降低收获期籽粒水分的同时，应注重如何减少因此带来的收获损失，即早熟品种后期倒伏和落穗损失；而北部重点是通过选用早熟、脱水快的品种来解决收获期籽粒水分过高的问题。在当前粒收品种缺乏的背景下，从基因型与环境互作角度，通过早熟品种逆向越区种植技术，可使普通玉米品种实现机械粒收，降低现阶段对粒收品种选育的压力，加快机械粒收技术推广应用。因此，定量分析热量资源与品种籽粒脱水特性，构建不同品种的籽粒脱水模型及其机械粒收收获期预测专家系统，合理配置粒收品种与配套技术，充分利用热量资源，是实现夏玉米高质量粒收的重要途径。

3.5 影响玉米机械粒收的其他因素及技术途径

收获机械是影响破碎率、杂质率和损失率等收获质量的另一重要因素。选择先进的、低破碎收获机械能显著提高收获质量[20,23-24]；收获机手的操作也影响收获质量，培训熟练的收获机手按规范操作收获机能显著提高收获质量[14,17,23]。针对黄淮海小麦联合收获机保有量高的现状和玉米粒收的机械需求，应加强研发基于小麦收获机的玉米割台和配套脱粒滚筒、清选装置，制定互换收获装置式玉米籽粒联合收获机操作规程，实现了小麦/玉米粒收一机多用。

黄淮海夏玉米区如果大面积采用机械粒收技术，势必造成大面积集中收获，即使籽粒水分降至25%以下收获，也难以直接贮存，只有烘干机械化配套与跟进发展，能解决该区域机械粒收技术推广的困境。此外，针对黄淮海北部积温严重不足的问题，可以改一年两季为春玉米一熟或两年三熟，保证夏玉米后期的脱水，实现机械粒收；而在黄淮南部热量资源充分的地区，可以探索籽粒低水分收获，降低烘干成本。

4 结 论

2013－2019年对黄淮海夏玉米1 250组机械粒收样本测试，结果表明：

1）黄淮海夏玉米机械粒收的破碎率高，均值为9.29%，为该区域存在的主要收获质量问题；收获时籽粒含水率平均为27.38%，且与破碎率、杂质率和落粒损失量均呈极显著正相关，含水率为21.08%时破碎率最低，因此，破碎率高主要是籽粒含水率高引起的。

2）收获损失率平均为3.28%，符合国家标准（5%）对收获机械作业的要求，但地块间差异较大，损失率高于5%的样本仍有19.05%。收获损失中落粒占总28.70%，落穗占71.30%，落穗损失是造成收获损失的主要部分。

3）黄淮海夏播区热量资源从南向北逐渐递减，籽粒含水率和破碎率也明显表现出南部<中部<北部。

近年来，随宜粒收玉米品种的推广和栽培技术的熟化，玉米粒收质量得到明显改善。选用新审定的早熟、脱水快宜粒收品种，通过增加种植密度来弥补产量的损失，并依据品种脱水特征和区域气候特点进行品种配置，适期收获等措施，是破解黄淮海夏玉米收获质量差的关键。

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Mechanized grain harvesting quality of summer maize and its major influencing factors in Huanghuaihai region of China

Wang Keru1, Li Lulu1, Lu Zhensheng2, Gao Shang1, Wang Yizhou1, Huang Zhaofu1, Xie Ruizhi1, Ming Bo1, Hou Peng1, Xue Jun1, Zhang Zhentao3, Hou Liangyu1, Li Shaokun1※

(1./,,100081,; 2.,462000,;3.100193,)

Huanghuaihai Summer Maize Region (HSMR) is one of the most difficult harvesting areas in the world, particularly in terms of mechanical grain harvesting. In this study, a multi-point experiment was therefore conducted in the HSMR to assess the influencing factors for better implementation of mechanical grain harvesting. 1 250 groups of field test datasets were collected, including 20 harvester types and 420 maize varieties, for the grain quality after mechanical harvesting between 2013 and 2019. The harvesting quality of maize grain was determined using the moisture content, breakage rate, impurity rate, and harvest losses from fallen ears and grain. The results show that the moisture content of grain ranged from 11.13% to 44.60%, with an average of 27.38% for the summer maize harvested by a combine harvester. The breakage rate of grain ranged from 1.11% to 33.94%, with an average of 9.29%. The impurity rate ranged from 0 to 12.25%, with an average of 1.68%. The harvest yield loss rate ranged from 0 to 79.82%, with an average of 3.28%. The average moisture content and breakage rate of grain were significantly higher than the national average values. The average moisture contents of grain at harvest were 25.45%, and 25.05% in 2018 and 2019, respectively, whereas, the average breakage rates of grain were 9.07% and 7.88%, respectively. Although the average breakage rate of grain in the HSMR was still higher than the Chinese national standard (5%), the harvest quality had significantly improved since 2013. There was a quadratic relationship between the breakage rate and moisture content of grain at harvest. The minimum breakage rate occurred at the grain moisture content of 21.08%. A high breakage rate of grain was currently the main quality issue to restrict the application of mechanical harvesting in this region, due mostly to the high moisture content of grain at harvest. The average impurity rate met the national standard of 3%, whereas, the average harvest yield loss rate met the national standard of 5%. Nevertheless, the impurity rate of more than 3% was 17.07% of samples, and the harvest yield loss rate of more than 5% was 19.05% of samples. The grain loss accounted for 28.70% of the total loss, and the ear loss accounted for 71.30%. The harvest loss from fallen ears contributed to the main part of harvest loss. There was a large difference in the number of falling ears in the experimental fields, with a variation coefficient of 235.22%. The proportion of maize varieties suitable for mechanical harvesting tended to increase over the study period, indicating better agreement with the continuous decrease in the grain moisture content, breakage rate, impurity rate, and harvest loss rate. Additionally, the yield remained unchanged over the study period. The grain moisture content and breakage rate clearly represented the heat resources with a gradual decrease from south to north, indicating the highest in the north, the second-highest in the middle, and the lowest in the southern region. Consequently, the optimal selection varieties with early maturity and fast dehydration can contribute to reducing the grain moisture content at harvest under the regional climate in the HSMR. Alternatively, an appropriate maize grain harvesting machine with a low grain breakage rate can also be expected to enhance the harvest quality, with emphasis on the high crushing-resistant maize varieties, cultivation technology, and operating procedures of a harvester, even harvesting at the appropriate time.

mechanization; crops;summer maize; mechanized grain harvest; harvest quality; varieties; heat resources

2020-09-03

2021-01-17

国家重点研发计划项目（2016YFD0300101；2016YFD03001010）；国家自然科学基金项目（31371575）；国家玉米产业技术体系项目（CARS-02-25）；中国农业科学院科技创新项目

王克如，研究方向为玉米精准栽培与管理。Email：wangkeru@caas.cn

李少昆，研究员，博士生导师，研究方向为玉米精准栽培与管理。Email：lishaokun@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.001

S225.31

A

1002-6819(2021)-07-0001-07

王克如，李璐璐，鲁镇胜，等. 黄淮海夏玉米机械化粒收质量及其主要影响因素[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：1-7. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.001 http://www.tcsae.org

Wang Keru, Li Lulu, Lu Zhensheng, et al. Mechanized grain harvesting quality of summer maize and its major influencing factors in Huanghuaihai region of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 1-7. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.001 http://www.tcsae.org