不同收获期玉米籽粒穿刺强度差异及其与破碎率的相关性分析

尚赏 郭书亚 张艳 汤其宁 卢广远

摘要：籽粒破碎率高是玉米进行机械粒收技术推广和发展的主要制约因素，为明确玉米籽粒破碎率与穿刺强度、含水率之间的关系，以8个夏播玉米品种为试验材料，设置5个不同收获期，对籽粒的破碎率、含水率和穿刺强度进行动态变化和差异分析，探讨与籽粒破碎率关系较密切的因素，提出降低籽粒破碎率的方法，对推动玉米机械粒收技术的发展有重要意义。结果表明：随着收获期的推后，籽粒含水率呈逐渐降低趋势，破碎率在H1至H4收获期呈逐渐降低趋势，在H4至H5收获期呈增加趋势，籽粒胚和胚乳的穿刺强度均呈逐渐增大趋势。收获期、品种对破碎率、含水率、胚和胚乳的穿刺强度影响均达到极显著水平，而收获期与品种互作对籽粒含水率的影响不显著，对破碎率、胚和胚乳穿刺強度影响均为极显著。由籽粒破碎率与含水率、穿刺强度的相关关系分析得知，破碎率与含水率极显著正相关，与籽粒穿刺强度极显著负相关，由相关系数的大小得出影响破碎率的因素关系为籽粒含水率>胚乳的穿刺强度>胚的穿刺强度。破碎率与胚和胚乳的穿刺强度均符合二次函数关系，拟合方程分别为y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和y=0.002 4x2-0.398 4x+20.801（r2=0.828 1**），当胚的穿刺强度在12.27～18.58 N、胚乳的穿刺强度在65.56～100.44 N，籽粒破碎率均可符合小于5%的机收标准。推迟收获时间，选用籽粒含水率较低、籽粒穿刺强度较大的玉米品种，是降低籽粒破碎率的重要举措。

关键词：玉米;收获期;破碎率;穿刺强度;含水率

中图分类号：S513.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）12-0081-06

收稿日期：2022-03-10

基金项目：河南省现代农业产业技术体系建设专项（编号：Z2019-02-02）。

作者简介：尚 赏（1984—），女，河南商丘人，硕士，助理研究员，主要从事玉米栽培和遗传育种研究。E-mail：shangshangsq@163.com。

通信作者：卢广远，研究员，主要从事玉米栽培与遗传育种研究。E-mail：lugy378@163.com。

玉米是我国重要的三大粮食作物之一，机械化粒收是玉米生产收获的重要发展趋势[1]。破碎率是评价玉米机械粒收的一个重要指标，籽粒破碎率高是我国当前玉米主要产区在进行机械粒收时面临的主要问题[2-4]，是限制玉米机械粒收技术推广和发展的主要因素[5-6]。破碎率高还能导致籽粒品质的下降，影响玉米出售的价格，也会增加后期籽粒烘干的成本和籽粒储存引发霉变的概率[7-8]。研究影响籽粒破碎率的主要因素，提出降低籽粒破碎率的方法措施，对提升玉米机械粒收质量水平和加快玉米产业转变发展有重要意义。前人研究表明，籽粒破碎率与收获时籽粒含水率呈极显著正相关关系，破碎率随籽粒含水率的降低呈先降低后升高的趋势[9-11]，除籽粒含水率外，玉米品种[12]、种植密度[13]、播期[14]、收获时受到的外力摩擦[15-16]等因素也会影响籽粒破碎率。王克如研究团队在2012—2019年对玉米主产区的机收质量指标数据分析得出黄淮海地区籽粒破碎率最高[17];李璐璐等研究表明，收获时籽粒含水率为20.05%，籽粒破碎率可达到最低，为3.58%[18];刘志辉等研究表明，延迟玉米收获时间可降低长江中游春玉米的籽粒破碎率[19]。少数研究表明，籽粒与果穗穗轴间的连接强度能显著影响籽粒破碎率[20]，籽粒压碎强度越大、百粒质量越大，籽粒的破碎率就越小，籽粒破碎率与籽粒胚部、顶面的压碎强度呈显著和极显著的负相关关系[21]，还有研究表明，籽粒偏角质或角质类型的耐破碎能力较强，而偏粉质类型籽粒耐破碎的能力较弱[22]。前人研究大多是围绕玉米机械粒收质量指标（破碎率、杂质率和损失率）与含水率之间的关系进行探讨，对不同收获时期玉米品种本身的硬度差异及其与籽粒破碎率之间的关系研究较少。本研究在前人研究的基础上，拟通过田间试验设置5次收获期，研究不同玉米品种在不同收获时期籽粒胚和胚乳的穿刺强度的动态变化及差异，探讨籽粒破碎率与含水率、穿刺强度间的关系，明确影响籽粒破碎率的主要因素，以期为提升玉米机械粒收技术提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在河南省商丘市农林科学院试验基地薛庄（115°64′E，34°50′N）进行。该试验地点属于暖温带大陆性季风气候，玉米生育期6—10月降水量和气温见图 生育期当日最大降水量为115.7 mm，总降水量626.4 mm，当日最低平均温度为9.6 ℃，当日最高平均温度为30.5 ℃，生育期间日平均温度为22.8 ℃，气象数据由商丘市气象局提供。试验地块种植作物是玉米—小麦轮作，前茬种植冬小麦。

1.2 试验设计

选取8种不同籽粒类型的玉米品种为试验材料，分别为新单68、豫单9953、郑单958、泽玉8911、联创825、郑单1102、禾博士126和先玉335，所选玉米品种的生育期见图2。玉米种植采用等距离播种，行距60 cm，行长6 m，每个品种种植5行，种植密度为7.5万株/hm2。于2020年6月13日统一种植，设置5次收获时间，分别为9月25日、9月30日、10月5日，10月10日和10月15日，分别记作H1、H2、H3、H4和H5，试验的田间管理与大田生产相同。

1.3 试验测定项目

1.3.1 不同收获期籽粒含水率的测定

在每次收获期随机选取长势整齐的30个玉米果穗，用玉米脱粒机脱粒，充分混匀脱下的籽粒后，使用谷物水分测量仪（LDS-1G）测量玉米籽粒水分，重复测量3次取其平均值，记作本次收获期的籽粒含水率。

1.3.2 不同收获期籽粒破碎率的测定

每次收获期将脱粒的玉米籽粒除去穗轴等杂质后，随机取出2 kg 左右的籽粒进行人工分拣，将籽粒分为破碎籽粒和完整籽粒，分别测量这2部分质量，并分别记作mbkw和mkw，籽粒破碎率的计算公式为：

破碎率=mbkw/（mbkw+mkw）×100%。

1.3.3 不同收获期籽粒胚和胚乳穿刺强度的测定

玉米籽粒胚和胚乳穿刺强度的测定均使用茎秆强度测定仪（YYD-1），将横截面积为1 mm2的探头对准玉米籽粒胚和胚乳，缓慢匀速穿透，读取仪器的数值，每次收获期每个品种选取5粒，3次重复，取其平均值记作籽粒胚和胚乳的穿刺强度。

1.4 数据统计与分析方法

使用Excel 010进行数据统计、计算和作图，使用DPS 7.5软件进行方差分析，处理间采取LSD法进行差异显著性检验，使用SPSS 3.0软件进行相关性分析，分析结果用Person相关系数表示。

2 结果与分析

2.1 不同收获期籽粒含水率和籽粒破碎率的分析

由图3-a可以看出，随着收获时间的推后，籽粒含水率呈逐渐降低的趋势，8个玉米品种在5次收获期下籽粒含水率的均值分别为37.2%、33.9%、26.9%、20.8%和16.2%，第1次收获期籽粒含水率的均值最高，第5次收获期的均值最低。不同品种在同一收获期籽粒含水率也存在差异，8个不同玉米品种在5次收获期的籽粒含水率均值范围为14.3%～39.5%，在第1次收获期时郑单1102的含水率均值最低，在第5次收获期时豫单9953的含水率最低，禾博士126除在第2次收获期外，其他收获期籽粒含水率均值均最高。

由图3-b可以看出，随着收获时间的推后，籽粒破碎率在H1至H4收获期呈现逐渐降低的趋势，但在H4至H5收获期籽粒破碎率呈现升高的趋势，8个玉米品种在5次收获期下籽粒破碎率的均值分别为13.2%、9.8%、7.1%、3.1%和4.8%，H1至H3收获期8个品种的籽粒破碎率均高于国家《玉米收获机械 技术条件》（GB/T 1962—2008）要求小于5%的机收标准[23]，籽粒破碎率均值在第4次收获期达到最低，H5收获期籽粒破碎率虽有升高，但H4和H5收获期的8个玉米品种的籽粒破碎率均符合小于5%的机收标准。不同玉米品种在同一收获期的籽粒破碎率也存在差异，8个不同玉米品种在5次收获期的籽粒破碎率均值范围为1.5%～17.8%，新单68在H1至H3收获期籽粒破碎率均值均最低，豫单9953在H4和H5收获期籽粒破碎率均值均最低，联创825在5次收获期籽粒破碎率均值均最高。

2.2 不同收获期籽粒胚和胚乳的穿刺强度分析

由图4可知，随着收获期的推后，胚和胚乳的穿刺强度均值均表现出逐渐增加的趋势，8个玉米品种在5次收获期下胚和胚乳的穿刺强度均值分别为5.18、7.50、11.18、12.48、16.22 N和20.65、37.79、61.24、66.25、89.29 N，5次收獲期籽粒穿刺强度均值均表现为胚的穿刺强度<胚乳的穿刺强度。胚和胚乳的穿刺强度在前2次收获期增加较缓慢，在第3次收获期开始呈加快增加趋势。同一收获期不同玉米品种胚和胚乳的穿刺强度也存在差异，联创825除在第3次收获期外，其他收获期胚的穿刺强度均值均最小，8个品种在每次收获期胚的穿刺强度最大均值表现均不同，在第1次收获期豫单9953胚的穿刺强度最大，第3次和第5次均为郑单958胚的穿刺强度最大。联创825除了在第4次收获期外，其他收获期胚乳的穿刺强度均值均最小，新单68在第1次、第4次、第5次收获期胚乳的穿刺强度最大，第2次和第3次收获期胚乳穿刺强度均值最大的分别为泽玉8911和豫单9953。8个品种在5次收获期胚和胚乳的穿刺强度均值分别为11.49、11.54、11.85、10.34、8.45、10.44、10.37、9.60 N和64.15、58.82、56.11、60.94、43.49、56.91、47.58、52.34 N。联创825在5次收获期胚和胚乳的穿刺强度均值均最小， 郑单958在5次收获期胚的穿刺均值最大，而新单68在 5次收获期胚乳的穿刺均值最大。

2.3 收获期、品种对籽粒破碎率、含水率和穿刺强度的影响

通过对8个不同玉米品种5次收获期的籽粒破碎率、含水率和穿刺强度的方差分析（表1）得知，收获期、品种对破碎率、含水率和穿刺强度的影响均达到极显著水平，收获期与品种互作对籽粒破碎率和穿刺强度的影响均极显著，而对籽粒含水率的影响不显著。由F值的大小可以看出，收获期、品种、收获期与品种互作3个因素对破碎率、含水率和胚乳的穿刺强度影响关系为收获期>品种>收获期×品种，而对胚的穿刺强度影响因素关系为收获期>收获期×品种>品种，由此可以看出，收获期是影响籽粒破碎率、含水率、胚和胚乳的穿刺强度的关键因素。

2.4 籽粒穿刺强度与籽粒破碎率、含水率的相关性分析

由表2可以看出，籽粒含水率与破碎率呈极显著正相关，胚和胚乳的穿刺强度与籽粒破碎率均呈极显著负相关关系，其相关系数分别为0.866、-0.793、-0.834，由相关系数分析籽粒含水率、胚的穿刺强度和胚乳的穿刺强度对籽粒破碎率的影响关系为籽粒含水率>胚乳的穿刺强度>胚的穿刺强度，这表明玉米收获时籽粒含水率与籽粒破碎率的关系最密切，胚乳的穿刺强度比胚的穿刺强度能更好地反映玉米籽粒耐破碎的能力。胚和胚乳的穿刺强度与籽粒含水率也呈极显著负相关关系，其相关系数分别为-0.896和-0.928，结果表明胚和胚乳的穿刺强度随含水率的降低显著增加，胚乳的穿刺与籽粒含水率的关系更为密切。

2.5 籽粒含水率和穿刺强度对籽粒破碎率的影响

由图5-a可知，籽粒破碎率与籽粒含水率符合二次函数关系，所得的拟合方程为y=0.02x2-0.647 x+9.193 9（r2=0.825 0**），由拟合方程推算出，当籽粒含水率为16.2%时，籽粒破碎率最低，为3.96%，当籽粒含水率在低于23.4%的范围内，可以满足机收籽粒破碎率小于5%的标准。由图

5-b、图5-c可知，籽粒破碎率与胚和胚乳的穿刺强度间均符合二次函数关系，其拟合方程分别为 y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和 y=0.002 4x2-0.398 4x+20.801（r2=0.828 1**），由拟合方程可知，当胚的穿刺强度为15.42 N，籽粒破碎率最低，为4.2%，当胚的穿刺强度在12.27～18.58 N范围，可以满足机收籽粒破碎率小于5%的标准;当胚乳的穿刺强度为83.00 N时，籽粒破碎率最低，为4.3%，当胚乳的穿刺强度在65.56～100.44 N范围，可以满足机收籽粒破碎率小于5%的标准。

3 讨论

3.1 适期收获能显著降低籽粒含水率和破碎率

籽粒破碎率、损失率和杂质率是评价玉米机械化粒收质量水平的主要指标[24]，破碎率高是当前玉米主产区在进行机械粒收时面临的主要难题，适期收获是降低籽粒破碎率、提升机械粒收质量水平的重要措施之一[2，17，25]。本研究通过对5次收获期8个不同夏玉米品种进行研究表明，随着收获期的推后，籽粒含水率呈逐渐降低趋势，籽粒破碎率在H1至H4收获期呈逐渐降低趋势，H4至H5收获期呈升高趋势，含水率和破碎率随收获期变化的研究结果与前人研究结果[18-19，26]一致。当含水率低于23.4%时，籽粒破碎率可满足小于5%的机收标准，研究结果与李璐璐等研究认为含水率在16.15%～24.78%是黄淮海地区进行玉米机收的合适时期[18]相接近。本试验条件下前3次收获期籽粒破碎率均值分别为13.2%、9.8%、7.1%，均高于国家规定的小于5%的机收标准，H4收获期籽粒破碎率均值达到最低，为3.1%，虽然在H5收获期所选品种破碎率均值有所上升，但H4和H5收获期的破碎率均符合机收标准。在品种方面新单68和豫单9953的破碎率较低，而联创825在5次收获期籽粒破碎率均值均最高。通过对籽粒含水率、破碎率的方差分析可知，收获期、品种对含水率和破碎率的影响均达到了极显著水平（P<0.01），收获期与品种互作对籽粒破碎率的影响极显著，但对籽粒含水率的影响不显著，由F值的大小得知对籽粒破碎率、含水率和胚乳的穿刺强度影响大小均为收获期>品种>收获期×品种，马文杰等研究表明，影响籽粒破碎率的重要因素首先是品种，其次为收获期[13]，本研究结果与之不一致，主要原因可能与种植密度、品种和种植地区的不同有关。任佰朝等研究表明，黄淮海地区夏玉米收获时籽粒含水率高于35%，籽粒损伤严重，不利于机械粒收，适时晚收和选择生育期适宜的夏玉米品种可提高产量和机收质量[27]。本试验条件下收获期是影响籽粒含水率和破碎率较关键的因素，适期收获、选择籽粒含水率低和脱水速率快的品种可显著降低籽粒破碎率，提高玉米机械粒收质量水平。

3.2 增大玉米籽粒穿刺强度可降低籽粒破碎率

玉米籽粒硬度是評价机收质量和玉米品质的一个重要指标，可通过刺入、破碎和剪切等方法来测定[28]。玉米进行机械脱粒过程中籽粒会在外力打击、挤压下造成不同程度的损伤，不同玉米品种在脱粒过程中耐破碎程度存在较大差异[16，29]。刘佳媛等研究表明，籽粒破碎率与硬度指标呈极显著负相关关系[12];郭亚南等研究表明，随着籽粒含水率的降低，籽粒胚和胚乳的硬度均增大[30];姜春雨等研究表明，籽粒抗侧压碎力和穿刺强度均随含水率的增加呈指数式下降趋势，籽粒力学特性因子是影响破碎率的直接原因[31]。本研究表明，随着收获期的推后，籽粒胚和胚乳的穿刺强度呈增加趋势，在第5次收获期胚和胚乳的穿刺强度均值达到最大，分别为16.22 N和89.28 N，胚和胚乳的穿刺强度与籽粒破碎率均呈极显著负相关关系，由相关系数可以看出，胚乳的穿刺比胚的穿刺强度对籽粒破碎率的影响更大，籽粒穿刺强度随收获时间的变化趋势及其与破碎率的相关性研究结果与前人研究[2，9，26]一致。本研究发现，籽粒破碎率与胚和胚乳的穿刺强度间均符合二次函数关系，拟合方程分别为y=0.082 8x2-2.554 1x+23.872（r2=0.766 7**）和y=0.002 4x2-0.3984x+20.801（r2=0.828 1**），当胚和胚乳的穿刺强度分别为15.42 N和83.00 N时，籽粒破碎率最小。本研究还表明不同玉米品种在不同收获期的穿刺强度存在差异，在5次收获期胚和胚乳的穿刺强度均值最大的品种分别为郑单958和新单68，而联创825在5次收获期胚和胚乳的穿刺强度均值均最小。适时推后收获时间，选择籽粒穿刺强度较大的玉米品种，是降低籽粒破碎率的有效措施。

4 结论

适时收获可降低籽粒含水率、破碎率，增大籽粒的穿刺强度，能够提高玉米机械粒收质量水平。籽粒胚和胚乳的穿刺强度与籽粒破碎率均呈极显著负相关关系（r=-0.793**，r=-0.834**），籽粒含水率与破碎率相关性最高，其次是胚乳的穿刺强度，胚的穿刺与破碎率相关性最低。在本试验条件下，当含水率低于23.4%，胚、胚乳的穿刺强度在12.27～18.58、65.56～100.44 N范围内变化，籽粒破碎率可满足小于5%的机收标准，收获效果较佳。胚乳的穿刺强度可作为籽粒硬度指标来评估籽粒的耐破碎性，可作为选育适宜机械粒收品种的一个重要指标。

参考文献：

[1]李少昆. 我国玉米机械粒收质量影响因素及粒收技术的发展方向[J]. 石河子大学学报（自然科学版），2017，35（3）：265-272.

[2]赵 波，李小龙，周茂林，等. 西南玉米机械粒收籽粒破碎率现状及影响因素分析[J]. 作物学报，2020，46（1）：74-83.

[3]卫晓轶，魏 锋，洪德峰，等. 黄淮海不同生态区玉米机械化粒收初步研究[J]. 河南农业科学，2019，48（11）：40-44.

[4]王克如，李少昆. 玉米机械粒收破碎率研究进展[J]. 中国农业科学，2017，50（11）：2018-2026.

[5]王元东，赵久然，张华生，等. 玉米宜粒收品种的选育及种质创新策略[J]. 分子植物育种，2020，18（10）：3455-3460.

[6]柳枫贺，王克如，李 健，等. 影响玉米机械收粒质量因素的分析[J]. 作物杂志，2013（4）：116-119.

[7]刘京宝，房志勇，赵 霞，等. 河南省夏玉米最佳收获期研究[J]. 河南农业科学，201 40（6）：46-48，55.

[8]李淑芳，张春宵，路 明，等. 玉米籽粒自然脱水速率研究进展[J]. 分子植物育种，2014，12（4）：825-829.

[9]王振华，张忠臣，常华章，等. 黑龙江省38个玉米自交系生理成熟期及子粒自然脱水速率的分析[J]. 玉米科学，200 9（2）：53-55.

[10]董朋飞，王 群，王振华，等. 河南省夏玉米品种筛选与机械粒收质量研究[J]. 玉米科学，2020，28（2）：128-134.

[11]孔凡磊，赵 波，詹小旭，等. 四川省夏玉米机械粒收适宜品种筛选与影响因素分析[J]. 中国生态农业学报（中英文），2020，28（6）：835-842.

[12]刘佳媛，刘倩倩，陈 祥，等. 不同玉米品种籽粒耐破碎性差异及影响因素[J]. 中国农业大学学报，202 6（12）：207-220.

[13]马文杰，邓 敏，胡锦祥，等. 洞庭湖区夏玉米机收籽粒破碎率和含杂率相关因素分析[J]. 分子植物育种，202 19（7）：2338-2345.

[14]董朋飛，李潮海，李少昆，等. 持续阴雨对不同播期玉米子粒含水率和机械粒收质量的影响[J]. 玉米科学，2019，27（5）：137-142.

[15]李心平，马义东，金 鑫，等. 玉米种子仿生脱粒机设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46（7）：97-101.

[16]蔡超杰，陈 志，韩增德，等. 种子玉米生物力学特性与脱粒性能的关系研究[J]. 农机化研究，2017，39（4）：192-196.

[17]王克如，李璐璐，高 尚，等. 中国玉米机械粒收质量主要指标分析[J]. 作物学报，202 47（12）：2440-2449.

[18]李璐璐，薛 军，谢瑞芝，等. 夏玉米籽粒含水率对机械粒收质量的影响[J]. 作物学报，2018，44（12）：1747-1754.

[19]刘志辉，展 茗，梁如玉，等. 延迟收获对长江中游春玉米农艺性状及机收质量的影响[J]. 中国农业大学学报，202 6（11）：10-22.

[20]薛 军，李璐璐，张万旭，等. 玉米穗轴机械强度及其对机械粒收籽粒破碎率的影响[J]. 中国农业科学，2018，51（10）：1868-1877.

[21]赵 波，吴雅薇，李小龙，等. 玉米强弱势粒间机械脱粒破碎率的差异[J]. 中国生态农业学报（中英文），2020，28（6）：843-851.

[22]张万旭，王克如，谢瑞芝，等. 玉米机械收获子粒破碎率与含水率关系的品种间差异[J]. 玉米科学，2018，26（4）：74-78.

[23]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 玉米收获机械 技术条件：GB/T 1962—2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[24]尚 赏，郭书亚，张 艳，等. 不同收获期对豫东地区夏玉米机械粒收质量的影响[J]. 江苏农业学报，202 37（4）：867-873.

[25]柴宗文，王克如，郭银巧，等. 玉米机械粒收质量现状及其与含水率的关系[J]. 中国农业科学，2017，50（11）：2036-2043.

[26]孔凡磊，赵 波，吴雅薇，等. 收获时期对四川春玉米机械粒收质量的影响[J]. 中国生态农业学报（中英文），2020，28（1）：50-56.

[27]任佰朝，高 飞，魏玉君，等. 冬小麦—夏玉米周年生产条件下夏玉米的适宜熟期与积温需求特性[J]. 作物学报，2018，44（1）：137-143.

[28]张锋伟，赵武云，韩正晟，等. 玉米籽粒力学性能试验分析[J]. 中国农机化，2010，31（3）：75-78.

[29]雷 恩，邵 迪，朱天彪，等. 饲用玉米器官含水率、力学强度与籽粒机收质量的关系研究[J]. 草业学报，2020，29（9）：125-135.

[30]郭亚南，薛 军，明 博，等. 不同玉米品种子粒硬度差异及与含水率的关系[J]. 玉米科学，2020，28（6）：121-126.

[31]姜春雨，李银昌，杨锦忠，等. 玉米脱粒破碎率关键影响因子及其最优预测模型研究[J]. 玉米科学，2020，28（3）：142-147.