引用本文
雷恩, 邵迪, 朱天彪, 舒星, 杨永兵, 王岳东, 唐启源. 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. 草业学报, 2020,29(9): 125-135
LEI En, SHAO Di, ZHU Tian-biao, SHU Xing, YANG Yong-bing, WANG Yue-dong, TANG Qi-yuan. Role of grain crushing resistance and grain threshing characteristics in determining suitability of feed maize cultivars for machine harvesting and effect of plant moisture content. Acta Prataculturae Sinica,2020,29(9): 125-135  
Doi:10.11686/cyxb2019517
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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
雷恩1,2, 邵迪2, 朱天彪2, 舒星2, 杨永兵3, 王岳东3, 唐启源1,*
1.湖南农业大学农学院,湖南 长沙 410128
2.红河学院生命科学与技术学院,云南 蒙自 661199
3.云南省红河哈尼族彝族自治州农业机械研究所,云南 蒙自 661100
*通信作者Corresponding author. E-mail: cntqy@aliyun.com

作者简介:雷恩(1982-),男,内蒙古乌兰察布人,在读博士。E-mail: tlf3300@126.com

收稿日期: 2019-11-26
基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFD030030705)和红河学院中青年学术带头人后备人才基金(2016HB0402)资助
摘要

在玉米正常收获期间,明确器官含水率、力学强度和机收质量的变化规律,探明影响籽粒机收效果的直接因素,对实现玉米籽粒机收和提升机收质量具有重要意义。本试验以两个不同熟性品种为材料,采用半喂入式籽粒收割机,开展分期收获的田间试验研究。结果表明,籽粒静态压碎强度(耐破碎性)和籽粒与穗轴连接强度(易脱粒性)分别与籽粒破碎率形成了直接的因果关系,两者同是影响破碎率的关键因素。籽粒压碎强度( x)与破碎率( y)可高度拟合为二项式回归关系( R2=0.8827, P<0.001),回归方程为$\hat{y}$=0.0021 x2-1.5443 x+293.78,籽粒和穗轴连接强度( x)与破碎率( y)可高度拟合为幂函数型回归关系( R2=0.7656, P<0.001),回归方程为$\hat{y}$=0.007 x4.12,而穗轴弯折强度与破碎率之间的关系小于上述( R2=0.1644,0.01< P<0.05)。在玉米收获后期,虽然早熟品种‘金玉99’的籽粒与穗轴连接强度明显小于晚熟品种‘宝玉9号’,但是‘宝玉9号’的籽粒压碎强度却显著大于‘金玉99’,最终导致两品种的籽粒破碎率差异不显著( P>0.05)。落地籽粒损失率除了与植株倒伏倒折有关以外,对刀式割台容易在果穗脱粒前产生落地籽粒损失,并且越容易脱粒的籽粒损失越大,籽粒含杂率总体上随杂质器官含水率的下降而显著降低。适宜籽粒机收的玉米品种应具备的主要特征是茎秆坚韧抗倒伏、籽粒坚硬易脱粒。

关键词: 玉米; 机械粒收; 器官含水率; 力学强度; 籽粒破碎率
Role of grain crushing resistance and grain threshing characteristics in determining suitability of feed maize cultivars for machine harvesting and effect of plant moisture content
LEI En1,2, SHAO Di2, ZHU Tian-biao2, SHU Xing2, YANG Yong-bing3, WANG Yue-dong3, TANG Qi-yuan1,*
1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
2.College of Life Science and Technology, Honghe University, Mengzi 661199, China
3.Agricultural Maechinery Research Institute of Yunnan Honghe Hani and Yi Autonomous Prefecture, Mengzi 661100, China
Abstract

This research studied the role of selected mechanical properties of grain and cob (in particular grain crushing resistance and the detachment resistance of grain on the cob) and plant and cob moisture content in determining suitability for machine harvesting in feed maize. This information is important for improving harvest outcomes for feed maize crops in Southwest China. An early and a late maturing cultivar were tested. The experiment involved a mechanical harvester and a large field study. It was found that the grain crushing resistance (CR, force required to crush grains) and detachment resistance (DR, force required to detach grains from the cob) directly affected the percentage of broken grain (%BG). The relationship between %BG and CR could be described by the quadratic regression relationship: $\overline{\%BG}$=0.0021CR2-1.5443CR+293.78 ( R2=0.8827, P<0.001), and the relationship between %BG and DR by a power regression relationship: $\overline{\%BG}$=0.007DR4.12 ( R2=0.7656, P<0.001). The relationship between %BG and crushing resistance of the cobs was much lower than the aforementioned ( R2=0.1644, 0.01< P<0.05). In the later stages of maturation, although the DR of early maturing cultivar ‘JY99’ was significantly lower than that of late maturing cultivar ‘BY9’, the grain crushing strength of ‘BY9’ was significantly higher than that of ‘JY99’, so that these two factors cancelled each other, leading to there being no significant difference in %BG between the two cultivars. In addition to these relationships there was also an association between plant lodging and grain loss; the stripper rotor of the header harvester readily caused grain loss before ear threshing. Further, the grain loss was greater when grains were easy to thresh. Overall, grain impurity rate significantly declined as the water content of the non grain organs reduced. A maize cultivar suitable for mechanical grain harvesting should possess specific characteristics, including tough stalks that are resistant to lodging, with grains that are hard and easily detachable.

Keyword: maize; mechanical grain harvesting; organs moisture content; mechanical strength; grain broken rate

玉米(Zea mays)是重要的饲料作物, 当前我国以籽粒为收获对象的生产方式正面临着重大变革, 其中机械粒收是全程机械化生产的最后一关, 对降低成本、提高品质、增强我国玉米产业竞争力、实现玉米高质量发展具有重大意义。然而, 目前农机农艺深度融合的条件尚未形成, 一是缺少适宜各生态区籽粒机收的新品种, 二是缺乏适宜不同地形和籽粒收获的机械设备, 在此技术背景下, 各地区玉米的籽粒机收质量普遍表现不佳, 尤其以籽粒破碎率高的问题最为突出[1]。因此从农艺学角度出发, 亟需从根本上彻底探明影响籽粒机收效果的关键因素, 不断揭示机收质量问题形成的共性机制, 这将对我国全面实现玉米籽粒机收和提升机收质量具有重要意义。

评价玉米籽粒机收质量的指标包括籽粒破碎率、含杂率、落地籽粒损失率[2]。有研究指出, 籽粒破碎率与收获时籽粒含水率有关, 含水率越高则破碎率越大[3, 4, 5], 故认为籽粒含水率高是造成破碎率大的主要原因[6, 7, 8, 9], 还有研究指出, 籽粒含杂率和落地籽粒损失率也随籽粒含水率的升高而显著增加[10], 为此特别强调将早熟、籽粒脱水速率快[1, 11]作为宜籽粒机收的主要性状。然而, 也有研究结果表明, 籽粒机收质量与籽粒类型[5, 12, 13]、器官力学强度[14, 15, 16]以及栽培措施[17]等关系密切。纵观前人对籽粒机收质量及其影响因素的研究, 主要集中在籽粒破碎率和籽粒水分上, 而对于籽粒含杂率、落地籽粒损失率以及与籽粒机收质量有直接关系的器官力学特性的研究甚少。本试验采用两个熟性不同的玉米品种, 在同一地块、同一台收割机、同一名机手条件下, 进行分期收获试验, 以期全面了解玉米正常收获期间各器官含水率、力学强度以及籽粒机收质量的变化特征, 探明他们之间的相互关系, 明确影响籽粒机收质量的直接因素, 为育种家选育适宜籽粒机收新品种提供新的理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验设计

试验于2017年在位于我国西南夏玉米集中产区的云南省红河州泸西县金马镇加乐村开展田间试验研究。试验设置不同品种和收获期两因素, 采用裂区试验设计, 品种为主区因素, 收获期为副区因素, 每个处理小区长55 m, 宽2.4 m, 3次重复, 试验总面积约4000 m2。选取两个当地具代表性且籽粒均为硬粒型的饲用玉米品种, 分别为早熟品种‘ 金玉99’ (JY99)和晚熟品种‘ 宝玉9号’ (BY9), 两品种吐丝期相同, 但生理成熟期不一致, ‘ JY99’ 吐丝至成熟60 d; ‘ BY9号’ 吐丝至成熟69 d。收获期设5次, 从吐丝期(R1)之后的第60天开始收获, 之后每隔7 d一次, 即R1+60 d、R1+67 d、R1+74 d、R1+81 d、R1+88 d。种植密度6.75万株· hm-2, 3行种植, 玉米出苗后先在小区内规划出机收区和取样区, 机收区连续长度不小于50 m。4月29日播种, 机械开沟精量点播。施N、P2O5和K2O肥分别为180.0 kg· hm-2、112.5 kg· hm-2和135.0 kg· hm-2, 其中氮肥和钾肥均按基肥∶ 穗肥=5∶ 5施入, 磷肥作基肥一次性施入。田间精细管理, 全程进行有效的病虫草害防治。玉米收割机采用久保田(PRO688Q)4LZ-2.5型纵轴流履带式主机, 配套家家乐4YG-4A 半喂入对刀式割台, 每次收割3行玉米, 每期收割机行走速度为1.0 m· s-1, 其他收割参数始终保持一致。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 器官含水率 玉米收获当天, 处理小区代表性取样4株, 按茎秆、叶片(含叶鞘)、苞叶、穗轴、籽粒分样, 称鲜重后, 置于75 ℃恒温鼓风干燥箱烘至恒重, 称干重, 计算器官含水率。

含水率= 鲜重-干重鲜重× 100%

1.2.2 器官力学强度 玉米收获前一天, 处理小区代表性取样6株, 按器官分别测试茎秆拉伸和弯折强度、穗轴弯折和籽粒静态压碎强度、籽粒与穗轴连接强度。采用仪器为高精度电动拉压力学试验机ZQ-PT880(东莞市智取精密仪器有限公司生产), 测试茎秆和穗轴力学强度时, 拉伸及压缩速度和预警速度设置为100 mm· min-1, 预紧最小力为9.99 N, 断点为10%; 与籽粒有关的力学强度的测试速度和预警速度分别为3和30 mm· min-1, 预紧力为0.09 N, 断点为1%。

茎秆拉伸强度的测定:选取植株地上第4和6节间, 分别用上、下夹具固定, 测试间距为10 cm的最大拉断力和位移。茎秆弯折强度:选取地上第3和5节间, 置于支架上, 测试间距为10 cm的最大折断力和位移。穗轴弯折强度:选取完整果穗置于支架上, 测试间距为10 cm的最大折断力。籽粒静态压碎强度:选取果穗上、中、下部各5粒, 胚体向上平放, 测试籽粒面的最大破碎力。籽粒与穗轴连接强度, 果穗人工脱粒, 留取对等两行籽粒, 再按果穗的上、中、下3个部位, 分别测试单籽粒与穗轴的连接强度, 其中一行籽粒测籽粒与穗轴径向连接强度, 另外一行测横向连接强度。各器官力学强度受力状态见图1。

图1 器官力学强度受力示意图Fig.1 Organs mechanical strength stress diagram

1.2.3 籽粒机收质量 在每个处理小区的机收区域内进行机械粒收, 收获后将仓体内全部籽粒卸出, 称总重量。籽粒破碎率的测定:在“ 玉米收获机械试验方法GB/T 21961-2008” [2]的基础上, 依据籽粒损伤程度由大到小, 把籽粒破碎(broken)分为破缺(fragmentation)、破裂(cracked)、破皮(ruptured seed coats)3种不同类型。破缺是指籽粒外观形状不完整, 呈碎块状; 破裂是指籽粒外观形状完整, 胚乳内部有明显裂纹(缝); 破皮是指籽粒外观完整, 胚乳没有裂纹, 但种皮有明显擦伤。籽粒破碎率等于以上3种损伤率的和。落地籽粒损失率和籽粒含杂率均按“ 玉米收获机械试验方法GB/T 21961-2008” [2]进行测定。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010处理数据, 采用SPSS Statistics 17.0 软件进行统计分析, 采用Origin 9.0 软件建立器官含水率、力学强度与籽粒机收质量的回归方程, 并作图。

2 结果与分析
2.1 籽粒机收玉米的器官含水率变化特征

玉米在吐丝后60~88 d的收获期间, 器官含水率随收获期后移呈逐渐降低趋势, 唯有叶片的最后一次收获时又升高, 这是由于收获前受降水影响所致(表1)。不同器官间的含水率有明显差异, 由小到大依次是籽粒(31.81%)、叶片(51.32%)、苞叶(52.36%)、穗轴(55.44%)、茎秆(79.63%), 其中茎秆是籽粒的2.50倍。器官间的日平均脱水速率也有差异, 叶片脱水最快, 日平均含水率减小0.86个百分点, 其次是苞叶, 为0.70个百分点, 再次是穗轴, 为0.36个百分点, 茎秆的最小, 为0.12个百分点, 由此可见, 收获时器官含水率的大小并不一定与脱水速度的快慢有关, 以籽粒含水率为例, 虽然日平均脱水率并不是最大(0.33个百分点), 但是含水率在整个收获期间始终保持最低。这就说明, 收获时籽粒含水率与生理成熟时保持一致, 籽粒脱水特性与其他器官存在本质差异。

表1 玉米器官含水率在收获期间的变化特征 Table 1 Change characteristics of moisture content in different organs during the maize harvest period (%)

早熟品种‘ JY99’ 除了茎秆和苞叶含水率与晚熟品种‘ BY9’ 差异不显著以外, 其余各器官含水率均显著小于‘ BY9’ , 尤其以籽粒、叶片较为突出。品种与收获时期互作处理的方差分析结果表明, 对于‘ JY99’ 而言, 每个收获期下的籽粒及叶片含水率均显著小于‘ BY9’ , 也就是说, 选用早熟品种的确可以降低收获时籽粒和叶片含水率, 而对茎秆和苞叶的影响不明显。

2.2 籽粒机收玉米的器官力学强度变化特征

2.2.1 玉米茎秆力学强度 玉米茎秆拉伸强度随收获期后移呈先增加(R1+67 d)后又逐渐降低的趋势, 但拉伸最大位移没有明显改变, 而茎秆弯折强度以及茎秆折断位移均呈逐渐降低趋势(表2)。适时晚收可显著降低茎秆拉伸断裂强度, 这对减轻收割机作业负荷及减少机械能耗具有重要意义, 但是茎秆抗弯折的韧性在减弱, 脆性增大, 这势必会增加植株后期倒伏和倒折风险, 对机收不利。与茎秆拉伸强度相比, 茎秆弯折强度却要小的多, 拉伸强度是弯折强度的7.27倍, 即器官力学强度除了受器官种类的影响以外, 还与外力加载的方式关系密切。

表2 茎秆力学强度在收获期间的变化特征 Table 2 Change characteristics of stem mechanical strength during the maize harvest period

‘ JY99’ 的茎秆拉伸强度显著大于‘ BY9’ , 但是弯折强度却显著小于‘ BY9’ 。从植株抗倒伏倒折性能和机械收获作业强度方面分析, 本次试验条件下选用的晚熟品种优于早熟品种, 但在生产中应优先考查后期田间立秆性能, 因为这是能否实现机械化收获的前提条件。

2.2.2 玉米穗部器官力学强度 从玉米果穗在收割机械中的运行过程来看, 与籽粒机械脱粒关系密切的器官力学强度主要体现在籽粒压碎强度、籽粒与穗轴的连接强度以及穗轴弯折强度这3个方面。随收获期后移, 籽粒静态压碎强度随收获后移呈显著增加趋势, 籽粒与穗轴的连接强度, 不论是径向还是横向连接力均呈明显下降趋势(表3)。穗轴弯折强度虽然总体上呈现下降趋势, 但变化幅度并不明显, ‘ JY99’ 没有显著改变, 而‘ BY9’ 在吐丝74 d以后下降不明显。可以看出, 适时晚收在显著提高籽粒耐破碎性的同时, 还能显著降低籽粒与穗轴的连接强度, 这可能对降低籽粒机械损伤具有重要意义。

表3 玉米穗部器官力学强度在收获期间的变化特征 Table 3 Change characteristics of ear organs mechanical strength during the maize harvest period (N)

‘ JY99’ 的籽粒静态压碎强度以及籽粒与穗轴的连接强度均显著小于‘ BY9’ , 如果从提升籽粒机收质量角度来看, ‘ JY99’ 尽管表现有籽粒不耐破碎的不利特征, 但是具有容易脱粒的有利特性。不难看出, 不同熟性品种类型对穗部器官的力学强度影响比较复杂, 尤其对宜籽粒机收力学强度的作用效果并非一致。

2.3 籽粒机收玉米的籽粒机收质量变化特征

2.3.1 玉米籽粒破碎率 籽粒破碎主要以破裂和破皮为主, 这两类机械损伤占了破碎率的90%以上(表4)。随收获期后移, 籽粒破裂率和破皮率均呈逐渐下降趋势, 而破缺率先增加(R1+67 d)后又逐渐下降, 但是总的破碎率始终表现为显著下降的趋势。‘ JY99’ 在吐丝67 d以前的籽粒破碎率显著大于‘ BY9’ , 除此以外, ‘ JY99’ 和‘ BY9’ 二者间的籽粒破碎率差异不显著, 即使‘ JY99’ 吐丝81 d以后的破碎率样本值小于‘ BY9’ , 但是方差分析发现并未达到显著性水平(P> 0.05)。适时晚收可以有效降低籽粒破碎率, 然而不同熟性品种对籽粒破碎率的影响复杂。

表4 玉米籽粒破碎率在收获期间的变化规律 Table 4 Change characteristics of grains broken rate during the maize harvest period (%)

2.3.2 玉米落地籽粒损失率和籽粒含杂率 玉米落地籽粒损失率随收获期后移呈逐渐增加趋势, 并且品种间差异显著, ‘ JY99’ 显著大于‘ BY9’ (表5)。籽粒含杂率方面, 本试验将掺入到籽粒中的杂质分拣出杂质茎鞘、杂质叶片(包括苞叶)和杂质穗轴3种不同的成分, 杂质穗轴是籽粒含杂的主要成分, 平均占总含杂率的90%左右, 其中除了杂质叶片率在收获期间没有显著变化以外, 杂质茎鞘率、杂质穗轴率以及总含杂率均表现为随收获期后移呈先降低又略有升高(R1+88 d)的趋势, 分析最后一次收获时杂质率上升的原因, 极有可能与收获前的降水有关, 雨水提高了籽粒及非籽粒破碎组织的表面湿性和黏性, 进而增加了机械清选难度。‘ JY99’ 的杂质穗轴率显著大于‘ BY9’ , 而杂质茎鞘以及杂质叶片率却又显著小于‘ BY9’ , 但是两个品种间的总含杂率差异不显著(P> 0.05)。

表5 玉米落地籽粒损失率和籽粒含杂率在收获期间的变化规律 Table 5 Change characteristics of grain loss rate on the ground and impurity rate during the maize harvest period (%)
2.4 影响籽粒机收玉米机收质量的因素分析

2.4.1 与籽粒破碎率有关的因素 玉米籽粒破碎率是评价籽粒机收质量的重要指标。从收割机内部结构及果穗脱粒过程来看, 果穗进入机械脱粒机构以后, 在高速运转滚筒上经脱粒元件的挤压、滚筒板钉齿的打击以及滚筒盖板和脱粒凹板格栅的擦搓之下, 果穗被破碎的同时也完成了脱粒, 同时也发生籽粒机械损伤。籽粒破裂率(图2a)、破皮率(图2b)、破缺率(图2c)、破碎率(图2d)总体上表现为随籽粒压碎强度增加而呈明显下降趋势, 均与籽粒压碎强度可拟合为极显著的二次函数型回归方程(P< 0.001), 并且按照决定系数进行排序, 受籽粒压碎强度影响程度由大到小依次是破裂率、破碎率、破皮率和破缺率。其中, 籽粒破裂率和破碎率在二次函数曲线尾部表现出较为明显的上翘特征, 这可能是籽粒在后期脱水干燥时韧性不断减弱而脆性逐渐增强而形成的。籽粒破裂率(图3a)、破皮率(图3b)和破碎率(图3d)均随籽粒与穗轴连接强度的减小而显著降低, 并且分别与连接强度可拟合为极显著的幂函数型回归关系(P< 0.001)。而籽粒破缺率(图3c)和籽粒与穗轴连接强度呈极显著的二次函数型回归关系(P< 0.001), 从函数图形中可以看出, 破缺率随着连接强度增大而增加, 之后出现明显而短暂下降, 连接强度较大时籽粒接近于生理成熟期前后, 此时籽粒黏性大易粘连, 故不易形成缺刻现象。综上所述, 籽粒压碎强度以及籽粒与穗轴连接强度均对破碎率构成有显著而直接的影响。

图2 籽粒压碎强度与籽粒机械损伤的关系Fig.2 Relationship between grain crushing strength and grain mechanical damage

图3 籽粒与穗轴连接强度与籽粒机械损伤的关系Fig.3 Relationship between grain with cob connection strength and grain mechanical damage

2.4.2 与落地籽粒损失率和籽粒含杂率有关的因素 本试验采用半喂入对刀式割台的籽粒收割机, 从收割机摘穗过程来看, 割台在收拢和刈割植株时, 茎秆被径向拉伸切碎的同时也完成了摘穗, 摘穗瞬间穗部底端紧贴割台, 这时位于果穗底端的籽粒在高速旋转刀片的剪切和拨禾链的冲击之下, 就会发生脱粒进而产生落粒现象, 经调查发现, 这是本次试验落粒的主要来源。落地籽粒损失率随籽粒与穗轴连接强度增加而显著降低, 并且两者呈极显著的指数型函数回归关系(P< 0.001)(图4a), 这就不难理解表5中的落地籽粒损失为何随收获期后移而逐渐增加, 因为随着收获期后移籽粒与穗轴连接力变小, 即籽粒松动易脱粒, 进而容易产生落籽。同理, 由于早熟品种‘ JY99’ 的籽粒与穗轴连接力小于晚熟品种‘ BY9’ (表3), 故‘ JY99’ 的落地籽粒损失率显著大于‘ BY9’ 。

图4 落地籽粒损失率和籽粒含杂率的回归分析Fig.4 Regression analysis of grain loss rate on the ground and grain impurity rate

从玉米籽粒含杂的形成过程来分析, 在果穗机械脱粒以及籽粒清选的时候, 同时被脱粒滚筒粉碎的穗轴、部分茎秆、叶片、苞叶等非籽粒器官组织碎块, 一同随籽粒穿过滚筒凹板栅格和筛子网孔时, 没能被风机及时清选出去, 最终随同籽粒一起混入籽粒仓, 进而形成籽粒含杂现象。本次试验各收获期和不同品种的籽粒平均含杂率小于3%, 满足籽粒机收玉米的标准要求, 但是籽粒含杂率在品种间有差异的形成原因较为复杂。尽管如此, 籽粒含杂率随非籽粒器官的平均含水率增大而增加, 并且两者间呈极显著的指数型函数回归关系(P< 0.001)(图4b)。显而易见, 籽粒清选效果除了受机械设计性能的影响以外, 另外与杂质自身水分有关, 即杂质含水率越小, 则比重越轻, 清选就越容易。

3 讨论

生产实践表明, 当前我国玉米籽粒机收质量存在的突出问题是籽粒破碎率高。国内针对影响籽粒破碎率因素的研究有不少报道, 研究指出, 破碎率与籽粒含水率有显著的相关性, 认为收获时较高的含水率是造成破碎率高的主要原因[10, 11, 18, 19, 20]。本研究也得出, 籽粒破碎率随含水率的升高而呈增大趋势, 并且二者间呈显著的线性关系(P< 0.001, R2=0.7103)。然而, 最近的研究却发现收获时籽粒含水率低, 其破碎率并非也低, 有些品种籽粒含水率超过30%, 破碎率也能低于8%[11]。还有研究发现, 在籽粒含水率相同或相近时进行收获, 破碎率也存在显著差异[19], 这就表明籽粒含水率可能不是影响破碎率的最直接因素。其实在20世纪五六十年代, 在最早开展玉米籽粒机收的北美地区, 同样存在籽粒破碎率高的问题[16, 21], 开始也认为籽粒发生破碎与高的籽粒含水率直接相关[3], 之后重新定义了籽粒机械损伤概念, 创新了破碎测试方法[22], 进而逐渐转向研究破碎率对果穗脱粒特性[23]、收获加工[8, 22]及栽培措施[24]等方面的响应。

根据玉米机械收获时的脱粒过程不难发现, 玉米果穗在脱粒滚筒打击擦搓的同时完成了脱粒, 此时籽粒因遭受来自各种脱粒元件的冲击力, 进而导致机械损伤和破碎, 因此穗部器官的力学强度与籽粒破碎应存在直接的因果关系[14, 15, 16, 21]。曾经就有研究指出, 籽粒破碎率随穗轴弯折强度提高呈显著的指数增长趋势[23], 但是穗轴弯折强度仅能解释破碎率的14%~20%[25]。本试验结果表明, 籽粒压碎强度(x)与破碎率(y)存在极显著的相关性(P< 0.001, R2=0.8827), 二者可高度拟合为二项式回归关系, 回归方程为 y˙=0.0021x2-1.5443x+293.78, 即破碎率随籽粒压碎强度增加而显著下降, 之后又略有上升, 上升的原因可能与籽粒后期成熟脱水时产生应力损伤有关[26]。特别值得注意的是, 籽粒与穗轴的连接强度(x)同样与破碎率(y)关系密切(P< 0.001, R2=0.7656), 破碎率随籽粒与穗轴连接强度减弱而显著下降, 二者可高度拟合为幂函数型回归关系, 回归方程为 y˙=0.007x4.12, 而穗轴弯折强度与破碎率间的关系程度远小于上述, 最大决定系数为0.1644。这就说明, 籽粒机械损伤除了与籽粒硬度有关以外, 籽粒脱粒的难易程度同样对其有显著影响, 玉米籽粒越容易脱粒, 在脱粒滚筒中滞留时间就越短, 受脱粒元件机械打击的机会和次数就越少, 籽粒破碎率就低。即籽粒压碎强度、籽粒与穗轴连接强度分别与破碎率具有直接的因果关系, 而籽粒含水率可能是影响籽粒破碎的间接因素, 这也是本次试验两个供试品种籽粒破碎率没有差异的原因。与晚熟品种‘ 宝玉9号’ 相比, 早熟品种‘ 金玉99’ 籽粒虽然抗压碎强度小, 但是籽粒与穗轴连接强度小, 即易脱粒, 故两者破碎率没有显著差异。综合以上, 从籽粒机械力学强度这一角度分析, 籽粒的耐破碎性和易脱粒性可作为选育宜籽粒机收新品种的关键评价指标。

国外一般使用籽粒破碎敏感度来评价籽粒的耐破碎性能, 而且不同玉米品种间的籽粒破碎敏感度存在显著差异[5, 16, 27, 28, 29]。有研究发现, 籽粒在生理成熟后期, 随着成熟度逐渐增加, 胚乳内部会不断形成细微裂纹, 这些裂纹被称为应力损伤(内伤), 而应力损伤与籽粒破碎敏感度呈显著的正相关[30]。对不同品种籽粒的应力损伤观察发现, 籽粒裂纹条数越多的品种其破碎敏感度越高[31], 破碎率也越大。研究还指出, 籽粒应力损伤可能跟籽粒的密度、形态及熟性等关系密切, 密度容重大[5, 32]、体积小[8, 13]、扁平型[13]以及晚熟品种[24]的籽粒应力损伤小, 破碎敏感度低, 耐破碎性能强。本试验采用的两个不同熟性的玉米品种在籽粒类型上均属于硬粒型, 但在整个收获期间, 晚熟品种‘ 宝玉9号’ 的籽粒耐压碎强度较早熟品种‘ 金玉99’ 提高了10%以上, 并且随着籽粒成熟度的逐渐增加, 晚熟品种耐破碎性能的优势越明显, 这与前人的研究结果一致[24]。在本试验过程中发现籽粒灌浆期间, 籽粒内含物的化学组分及其物理结构对破碎敏感度产生有显著影响, 具体有待下一步深入分析。

4 结论

玉米籽粒破碎率分别随籽粒静态压碎强度的增大及籽粒与穗轴连接强度的减小而显著降低, 两者同是直接影响破碎率的关键因素。在玉米收获后期, 虽然早熟品种‘ 金玉99’ 的籽粒与穗轴连接强度明显小于晚熟品种‘ 宝玉9号’ , 但是‘ 宝玉9号’ 的籽粒压碎强度却显著大于‘ 金玉99’ , 最终导致两品种的籽粒破碎率差异不显著。对刀式割台容易在果穗脱粒前产生落地籽粒损失, 并且越容易脱粒的籽粒损失越大, 而籽粒含杂率随杂质器官含水率的下降而显著降低。从器官力学强度角度来看, 适宜籽粒机收玉米品种所具备的主要特征是茎秆坚韧抗倒伏、籽粒坚硬易脱粒。

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