邱述金 ,原向陽 ,張澤乾 ,趙鋆超 ,張林
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山西 太谷 030801;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西 太谷 030801)
谷子是我國重要的雜糧作物,目前主要分布在西北、東北和華北的干旱半干旱地區(qū),其產(chǎn)業(yè)發(fā)展對區(qū)域脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興具有重要戰(zhàn)略意義[1~3]。2009~2018 年,全國谷子種植面積先增后減[4],從 1 194 萬畝減至 1 167 萬畝,減少 2.3%;總產(chǎn)量從126 萬t 提高到234 萬t,增加85.7%。在丘陵山區(qū),機(jī)械化程度依然相對較低,適合小地塊配套的農(nóng)機(jī)具尤其是收獲裝備還有待提升[5]。目前,采用稻麥作物聯(lián)合收獲機(jī)對谷子進(jìn)行收獲作業(yè)與人工收獲等方式多種收獲方式并存[6~9],損失率高、破碎率高、含雜率高是影響谷子收獲技術(shù)和生產(chǎn)模式的重要因素。
針對農(nóng)作物收獲過程的類似問題,國內(nèi)外學(xué)者對小麥、水稻、玉米等作物的收獲裝備研制與農(nóng)業(yè)物料生物力學(xué)特性等方面開展了較多研究[10~16]。方會敏等[17]研究了收獲方式與籽粒含水率對玉米籽粒的收獲質(zhì)量影響,預(yù)測籽粒含水率低于32.40%時收獲,可滿足含雜率國標(biāo)要求。王文靜[18]研究了收獲方式對小麥種子活力的調(diào)控作用,成熟時期與收獲方式均對小麥種子活力影響顯著。王桂民等[19]研究了成熟時期對稻麥輪作水稻機(jī)收損失構(gòu)成的影響,指出總損失的最主要來源是干物質(zhì)損失。苗得雨等[20]對不同成熟時期和方式對水稻碾米品質(zhì)和產(chǎn)量影響進(jìn)行了研究,獲得了水稻的適宜收獲期,給出了收獲方式意見。左青松等[21]研究了不同成熟時期對油菜機(jī)械收獲損失率的影響,指出了油菜適宜機(jī)械收獲的作業(yè)條件。侯華銘等[22]研究了不同含水率的谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈和葉子的懸浮速度,指出谷子脫出物的適宜清選風(fēng)速范圍為4.29~5.48 m·s-1,最佳清選風(fēng)速為4.47 m·s-1。還有學(xué)者對微藻[23]、玉米[24]、水稻[25]、甜橙[26]、油菜[27]等作物的成熟時期、收獲方式和收獲品質(zhì)等方面做了大量研究。
這些研究為谷子機(jī)械收獲作業(yè)時間與方式選擇提供了參考,目前不同成熟時期與收獲方式對谷子收獲效果影響的相關(guān)研究還尚未報(bào)道。本文主要研究不同成熟時期(乳熟期、蠟熟期、完熟期)和收獲方式(聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲)對谷子收獲效果的影響,同時對不同成熟時期谷子的穗、葉片及莖稈的含水率進(jìn)行分析。該研究可為谷子機(jī)械收獲技術(shù)提升和生產(chǎn)模式探索提供科學(xué)依據(jù)。
選用廣泛種植于山西地區(qū)的晉谷21 號和張雜10 號谷子作為研究對象,樣本全部取自山西省壽陽縣南燕竹鎮(zhèn)(東經(jīng) 113°07′52″,北緯 37°91′61″,海拔1 076 m),播種前每公頃均勻撒施氮磷鉀復(fù)合肥(1∶1∶1)750 kg,采用條播方式播種,播種行距為500 mm,種植密度每畝平均為30 000 株。
在實(shí)際生產(chǎn)中谷子收獲一般可分為聯(lián)合收獲、割曬——撿拾——脫粒分段收獲和人工收獲等方式,主要研究聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲對作業(yè)效果的影響。
目前市場上專用于谷子聯(lián)合收獲的機(jī)型較少[28],課題組對沃德皓龍 4LZ-7C 谷物聯(lián)合收獲機(jī)的割臺、脫粒滾筒及振動篩進(jìn)行多次改進(jìn)后,用于谷子的聯(lián)合收獲作業(yè);對于分段收獲作業(yè),采用常發(fā)佳聯(lián)4LZ-6 聯(lián)合收獲機(jī)改裝的割曬機(jī)將谷子割倒進(jìn)行晾曬,采用雷沃谷神GM80 改裝的撿拾收獲機(jī)進(jìn)行撿拾收獲作業(yè);人工收獲由工人進(jìn)行割谷收集,由人工進(jìn)行脫粒作業(yè)。谷子收獲機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示,采用不同方式對谷子進(jìn)行收獲。
表1 谷子收獲機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the millet harvester
谷子的成熟期一般可分為乳熟期、蠟熟期、完熟期和枯熟期4 個時期,從乳熟期到枯熟期皆可進(jìn)行收獲作業(yè),但不同時期的谷子莖稈、葉片、穗等部位的生物力學(xué)特性差異顯著[15],尤其枯熟期谷子莖葉干枯,穗粒極易脫落,因此主要研究乳熟期、蠟熟期、完熟期谷子的收獲作業(yè)效果。分別在2020 年 9 月 30 日(乳熟期)、10 月 15 日(蠟熟期)和10 月 28 日(完熟期),采用沃德皓龍 4LZ-7C(改裝)對晉谷21 號和張雜10 號谷子進(jìn)行聯(lián)合收獲作業(yè),對蠟熟期的谷子進(jìn)行聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲作業(yè),分別測定總損失率、破碎率、含雜率與含水率等。田間試驗(yàn)時,采用小區(qū)作業(yè)試驗(yàn)方案,設(shè)定機(jī)械作業(yè)速度為3 km·h-1,作業(yè)寬度為2 m,長度為20 m,取收獲方式和成熟時期為影響因素,以谷子總損失率、破碎率、含雜率等為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),同時測定谷子含水率和收獲效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.0 軟件進(jìn)行處理。
該文的測試方法參考《收獲機(jī)械聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T 8097-2008)和《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》(GB/T 5262-2008)。
1.3.1 谷子總損失率
每次試驗(yàn)完成后,分別測量總收獲質(zhì)量、割臺落穗質(zhì)量、割臺掉粒質(zhì)量、晾曬損失質(zhì)量和脫粒損失質(zhì)量,按式(1)計(jì)算谷子總損失率。
式中Zs——谷子總損失率/%;Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g;Wl——割臺落穗質(zhì)量/g;Wd——割臺掉粒質(zhì)量/g;Ws——晾曬損失質(zhì)量(聯(lián)合收獲時不考慮晾曬損失)/g;Wt——脫粒損失質(zhì)量/g。
1.3.2 谷子破碎率
在每次試驗(yàn)完成后,將糧倉中所有谷子卸載至運(yùn)輸車上的編織袋中,然后隨機(jī)抽取1 L 谷子籽粒進(jìn)行稱重,稱量其中破裂損傷的籽粒質(zhì)量,按式(2)計(jì)算谷子破碎率。
式中Zp——谷子破碎率/%;Wp——破碎谷子籽粒的質(zhì)量/g;Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g。
1.3.3 谷子含雜率
在每次試驗(yàn)結(jié)束后完全卸糧,隨機(jī)抽取1 L 谷子與雜質(zhì)混合物樣品進(jìn)行稱重,稱量其中雜質(zhì)的質(zhì)量,按式(3)計(jì)算谷子含雜率。
式中Zz——谷子含雜率/%;Wzz——雜質(zhì)質(zhì)量/g;Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g。
1.3.4 籽粒含水率
每次試驗(yàn)結(jié)束卸糧后,立即取一定量無明顯損傷、無病害的谷子籽粒并進(jìn)行稱重,均勻裝入鋁盒后置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,設(shè)置溫度為105 ℃,干燥4 h 后取出樣品盒并加蓋,在密封干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱重,重復(fù)上述干燥過程,隔30 min 取出冷卻稱重,直至前后2 次質(zhì)量差不大于0.005 g 為止。谷子籽粒的含水率按式(4)計(jì)算。
式中Hs——谷子籽粒含水率/%;Wzs——谷子籽粒干燥前質(zhì)量/g;Wzg——谷子籽粒干燥后質(zhì)量/g。
1.3.5 收獲效率
收獲效率按式(5)計(jì)算。
式中η——收獲效率/(hm2·h-1);S——作業(yè)面積/hm2;t——作業(yè)時間/h。
不同成熟時期對谷子聯(lián)合收獲的谷子總損失率、破碎率、含雜率的方差分析如表2 所示。
表2 不同成熟時期谷子機(jī)收效果Table 2 Harvesting performance of millet at different ripening stages 單位:%
結(jié)果表明,不同成熟時期對谷子總損失率、破碎率、含雜率影響均顯著,蠟熟期2 個品種谷子機(jī)收的總損失率顯著低于乳熟期和完熟期,最低為4.81%,張雜10 號谷子在完熟期的機(jī)收損失率最大達(dá)24.83%;谷子破碎率隨成熟時期的推遲呈降低趨勢,張雜10 號谷子完熟期的破碎率最低為0.36%,乳熟期的破碎率最高為1.67%;乳熟期和蠟熟期谷子機(jī)收的含雜率顯著低于完熟期,晉谷21 號谷子蠟熟期機(jī)收的含雜率最低為3.39%,完熟期機(jī)收的含雜率最高為11.14%。
谷子蠟熟期穗粒含水率為13.69%~15.29%,谷子機(jī)械化收獲總損失率小,機(jī)械收獲產(chǎn)量高;從植株形態(tài)來看,谷穗基本完全變黃,莖稈和葉片大部分脫水含水率降低,在葉片開始變黑之前收獲為宜,收獲時間大約可持續(xù)5~6 d。若成熟時期推后至完熟期或枯熟期,則谷子穗粒含水率進(jìn)一步降低,受輕微風(fēng)載即可形成落粒損失,割臺損失率增加,導(dǎo)致總損失率過高。
在谷子蠟熟期,課題組采用聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲的方法對張雜10 號谷子的收獲效果如表3 所示,其中人工收獲割穗晾曬14 d 后再采用谷子脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒作業(yè)。
表3 不同收獲方式的谷子收獲效果Table 3 Performance of millet in different harvesting methods on grain quality
收獲方式對谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著(P<0.05),采用聯(lián)合收獲方式的總損失率最高為9.40%,采用分段收獲方式的總損失率為7.09%,采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%;聯(lián)合收獲的谷子破碎率最低為0.96%,分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較高,分別為2.03%和1.76%;聯(lián)合收獲的谷子含雜率最高為4.56%,分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較低,分別為1.85%和1.68%;由于分段收獲和人工收獲的籽粒含水率分別為9.17%和8.16%,這2 種收獲方式都有晾曬環(huán)節(jié),均低于聯(lián)合收獲的12.97%。聯(lián)合收獲的作業(yè)效率最高為0.303 2 hm2·h-1,分段收獲的作業(yè)效率為 0.232 4 hm2·h-1,人工收獲的作業(yè)效率最低為0.001 7 hm2·h-1。
谷子收獲的總損失主要包含割臺落穗損失、割臺掉粒損失、晾曬損失和脫粒損失等,不同收獲方式的損失組成如圖1 所示。
圖1 不同收獲方式的谷子損失情況Fig.1 Millet grain loss rate of different harvesting methods
谷子聯(lián)合收獲的總損失率中割臺落穗損失和脫粒損失占主要比例,分別為5.36%和3.41%,無晾曬損失;谷子分段收獲的總損失率中脫粒損失和晾曬損失占主要比例,分別為3.27%和2.89%;谷子人工收獲的總損失率中晾曬損失和脫粒損失占主要比例,分別為2.00% 和1.59%,無落穗損失。
分別測定晉谷21 號與張雜10 號谷子的各部位在不同成熟時期的含水率,并對谷子不同部位的含水率與聯(lián)合收獲效果進(jìn)行相關(guān)性分析(表4,表 5)。
表4 不同成熟時期谷子各部分的含水率Table 4 Moisture contents of millet at different harvesting period 單位:%
表5 谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of millet moisture content and combine harvesting effects
乳熟期的谷子穗粒含水率超過30%,葉片含水率在55.08%~68.54%間變化,莖稈的含水率最高可達(dá)76.06%,不同品種谷子的含水率差異不顯著。從乳熟期到完熟期,谷子的穗粒逐漸生長充實(shí),含水率降低,晉谷21 號谷穗含水率的變幅為10.90%~34.13%;莖稈的含水率最高,變幅為23.17%~74.43%。隨著成熟時期的推遲,谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢,成熟時期對谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著(P<0.05),其中葉片的含水率降速最快,由65.51%降至9.78%;不同品種谷子的葉片含水率隨生長期變化率差異顯著,晉谷21 號谷子的葉片隨生長期增加,含水率降速顯著高于張雜10 號谷子;穗粒含水率降速次之,由34.13% 降至10.90%;莖稈含水率降幅最低,由74.43% 降至28.33%。不同品種谷子的谷穗和莖稈含水率的變化率差異不顯著。
不同成熟期的谷子含水率差異顯著,谷子的含水率對谷子收獲中的切割、脫粒和清選等環(huán)節(jié)的作業(yè)效果有重要影響,谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關(guān)性分析表明:谷穗含水率與葉、莖稈含水率顯著正相關(guān),說明谷子的各部位含水率隨生長時期變化一致;穗含水率、葉含水率、莖稈含水率均與破碎率呈顯著正相關(guān),與總損失率、含雜率呈負(fù)顯著相關(guān),說明含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。含水率對谷子的莖稈、葉片、穗瓣和籽粒等的力學(xué)特性影響顯著,谷子谷穗、葉片和莖稈的含水率影響谷子機(jī)械收獲力學(xué)特性,對谷子聯(lián)合收獲機(jī)的割臺、脫粒滾筒及風(fēng)篩裝置等的作業(yè)效果和功耗有較大影響。因此谷子在聯(lián)合收獲過程中為了降低損失率、破碎率和含雜率,適宜收獲時期的谷穗含水率在13.69%~15.29%為宜,此時聯(lián)合收獲總損失率可控制在7.62%以內(nèi)。方會敏等[17]在玉米收獲方面也有相似結(jié)論。聯(lián)合收獲可有效提高作業(yè)效率,但需要農(nóng)戶或合作社具有谷子籽粒的晾曬場地、烘干設(shè)備等,以防谷子因含水率過高導(dǎo)致堆積發(fā)熱,影響小米品質(zhì)。分段收獲或延遲收獲可避免谷子收獲過程中含水率過高的問題,有效提高谷子作業(yè)效果,但對于秋季多雨地區(qū)(如晉東南地區(qū)等),田間晾曬過程中可能導(dǎo)致谷子淋雨霉變等問題,需依具體氣候情況進(jìn)行決策。
(1)蠟熟期的谷子穗粒含水率為13.69%~15.29%,此時機(jī)械收獲的谷子總損失率最小為4.81%,破碎率較低為0.67%,完熟期谷子破碎率最低但損失率和含雜率較高。
(2)收獲方式對谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著。采用聯(lián)合收獲方式的谷子總損失率最高為9.40%,破碎率最低為0.96%,含雜率最高為4.56%,工作效率最高為0.303 2 hm2·h-1。采用分段收獲方式的谷子損失率為7.09%,破碎率和含雜率較低,工作效率為0.232 4 hm2·h-1。采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%,但工作效率較低為 0.001 7 hm2·h-1。
(3)成熟時期對谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著,隨著成熟時期的推后,谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢,谷子含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。