李鑫 王占濱 張銀平 張雨滋 陳美舟 周華

摘要：針對(duì)黃淮海兩熟區(qū)夏玉米機(jī)械粒收破碎率高、嚴(yán)重阻礙玉米收獲機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程等問(wèn)題，需優(yōu)選適宜本地區(qū)機(jī)械粒收的玉米品種。以兩熟區(qū)種植的5個(gè)主要玉米品種為試驗(yàn)材料，以籽粒含水率與脫水速率為基礎(chǔ)，提出一種抗壓特性參數(shù)作為玉米機(jī)收適宜性的輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，制定抗壓特性的量化方法，進(jìn)一步通過(guò)脫粒試驗(yàn)，以籽粒平均破碎率與平均未脫凈率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立描述籽粒機(jī)收適宜性的評(píng)價(jià)方法。對(duì)相同含水率條件（33%±1%）下5個(gè)品種玉米進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。結(jié)果表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分別為5.39%、5.02%、7.13%，生理成熟后脫水慢，不適宜機(jī)械粒收；LK868與LD6018籽粒平均破碎率較低，分別為4.76%、4.25%，未脫凈率較低，分別為0.83%、0.84%，生理成熟后脫水快，適宜機(jī)械粒收。為篩選適宜機(jī)收玉米品種的篩選提供參考。

關(guān)鍵詞：夏玉米；玉米收獲機(jī)；抗壓特性；機(jī)收適宜性；品種篩選

中圖分類號(hào)：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0058-05

收稿日期：2022年11月2日

修回日期：2023年2月20日

*基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后基金（2018M642685）；山東省現(xiàn)代玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械加工崗（SDAIT—02—12）

第一作者：李鑫，男，1996年生，山東淄博人，碩士研究生；研究方向?yàn)楹底鬓r(nóng)業(yè)機(jī)械化體系及裝備。E-mail： 158054069@qq.com

通訊作者：張銀平，女，1989年生，山東德州人，博士，副教授；研究方向?yàn)橛衩讬C(jī)械化播種與收獲技術(shù)裝備。E-mail： zhangyinping929@163.com

Experimental on crop suitability of different varieties of maize

Li Xin， Wang Zhanbin， Zhang Yinping， Zhang Yuzi， Chen Meizhou， Zhou Hua

（School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255049， China）

Abstract： In view of problems such as the high break rate of mechanically harvested summer corn in the Huang-Huai-Hai double-cropping area and the serious hindrance to the development of mechanized corn production， it is necessary to select corn varieties suitable for mechanical harvesting in this area. In this study， five main corn varieties planted in the double-cropping area were used as experimental materials， based on grain water content and dehydration rate， and a compression characteristic parameter was proposed as an auxiliary evaluation index for the suitability of corn harvest， and a quantitative method for the compression characteristic was developed. Further， by means of threshing experiments， the average breakage rate and the average unstripped rate of grains were used as evaluation metrics， so as to establish an evaluation method to characterize the appropriateness of grain harvesting. The results showed that under the same water content condition（33%±1%）， DH605， LY296 and KN21 had high average grain breakage rates of 5.39%， 5.02% and 7.13%， respectively. They are slow to become dehydrated after physiological maturity， making them unsuitable for mechanical grain harvesting. LK868 and LD6018 have an average grain break rate of 4.76% and 4.25%， respectively， and an unstripped break rate of 0.83% and 0.84%， respectively. After physiological maturity， dehydration is rapid and suitable for mechanical grain harvesting. This study provides a reference for selecting suitable corn varieties for machine harvesting.

Keywords： summer corn; corn harvester; compressive characteristics; machine suitability; variety screening

0 引言

玉米是主要糧食作物之一，是我國(guó)種植面積最大、產(chǎn)量最高的作物^[1]。隨著土地的規(guī)?；鬓D(zhuǎn)和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，玉米籽粒機(jī)械化收獲是減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高收獲效率的最佳方式^[2]。現(xiàn)階段黃淮海兩熟區(qū)廣泛種植的玉米品種存在成熟期脫水慢、收獲時(shí)籽粒含水率高等問(wèn)題，很難達(dá)到機(jī)械化粒收的要求^[3]，對(duì)玉米籽粒機(jī)收適宜性進(jìn)行研究，篩選適宜機(jī)收的品種，研發(fā)高性能的脫粒裝置，降低收獲時(shí)的籽粒破碎率與未脫凈率，是保證玉米減損增收的重要措施，對(duì)推進(jìn)玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化進(jìn)程、保證糧食安全具有重要意義^[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米籽粒含水率進(jìn)行的研究較多。Thomison等對(duì)生理成熟期玉米籽粒含水率變化進(jìn)行了研究，并基于此制定了玉米收獲計(jì)劃；王志紅等^[5]對(duì)不同品種間玉米籽粒的脫水速率進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)品種及種質(zhì)特征、農(nóng)藝性狀、穗部性狀和品種性狀都對(duì)籽粒脫水速率有不同程度的影響；張萬(wàn)旭等^{[6， 7]}通過(guò)研究得出不同品種籽粒含水率對(duì)破碎率的響應(yīng)程度具有一定差異，整體呈極顯著正相關(guān)，符合二次函數(shù)曲線關(guān)系；萬(wàn)澤花等^[8]對(duì)不同成熟期夏玉米品種生理成熟期脫水速率進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)早熟品種籽粒后期脫水速率快；賈琳等^[9]對(duì)不同成熟期玉米雜交種進(jìn)行籽粒含水率、脫水速率測(cè)定，發(fā)現(xiàn)適宜機(jī)械粒收的玉米品種具有生育期短、含水率低、生理成熟后脫水速率快等特點(diǎn)；王克如等^{[10， 11]}對(duì)黃淮海夏玉米區(qū)機(jī)械粒收質(zhì)量差異進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)收獲期籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脫水速率控制，該性狀是可遺傳且品種間具有顯著差異；李璐璐等^{[12， 13]}通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)黃淮海夏玉米生理成熟后田間站稈晾曬期間，籽粒含水率顯著下降，并發(fā)現(xiàn)籽粒含水率與授粉后積溫有顯著的相關(guān)性。上述研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前普遍認(rèn)為含水率高是導(dǎo)致破碎率的主要原因，而籽粒抗壓特性對(duì)破碎率影響的研究還較少。

本文以不同品種玉米籽粒含水率與脫水速率為基礎(chǔ)，對(duì)籽?？箟禾匦赃M(jìn)行研究，以籽?？箟浩扑闀r(shí)的最大受力與最大位移為因素對(duì)抗壓特性進(jìn)行參數(shù)量化，以籽粒破碎率和未脫凈率為指標(biāo)，綜合含水率、脫水速率和籽?？箟禾匦?，對(duì)不同品種玉米的機(jī)收適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為適宜機(jī)收玉米品種的篩選提供參考。

1 玉米籽粒物理特性測(cè)定試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用黃淮海兩熟區(qū)種植的5個(gè)不同品種的夏玉米，分別為登海605（DH605）、立原296（LY296）、萊科868（LK868）、魯單6018（LD6018）、科諾21（KN21）。玉米果穗采摘于山東省泰安市岳洋農(nóng)作物專業(yè)合作社（117°E，36°N）夏玉米品種展示區(qū)，展示區(qū)內(nèi)各品種玉米均同一時(shí)間播種（2020年6月14日）、播種密度均相同，不同品種的籽粒類型和生育期如表1所示。

1.2 玉米籽粒含水率與脫水速率測(cè)定

黃淮海地區(qū)為夏玉米—冬小麥一年兩熟種植模式，為搶農(nóng)時(shí)，玉米籽粒在收獲時(shí)往往含水率偏高，對(duì)玉米籽粒的收獲質(zhì)量產(chǎn)生影響，對(duì)玉米籽粒成熟期含水率、脫水速率測(cè)定，掌握玉米籽粒脫水規(guī)律，有助于提高玉米籽粒收獲質(zhì)量。取樣于9月27日玉米籽粒乳線消失開(kāi)始，每天下午5點(diǎn)取樣，連續(xù)取樣10天，每次取樣15穗，為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，運(yùn)輸途中密封保存。測(cè)定時(shí)手工脫粒，將適量籽粒在鋁盒稱重，記為濕重W_s，稱重后的籽粒在105 ℃±3 ℃溫度下烘干480 min，取出樣品后，稱重并記錄，再繼續(xù)烘干60 min，若前后兩次干燥質(zhì)量差不超過(guò)0.02 g^[14]，記為干重W_g，籽粒含水率H_y與脫水速率S_t計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

H_y=W_s－W_gW_s（1）

S_t=H_y（n）－H_y（n+1）t（2）

式中： H_y（n）——前一次取樣含水率，%；

H_y（n+1）——后一次取樣含水率，%；

n——第n天；

t——間隔天數(shù)，天。

1.3 玉米籽粒抗壓特性測(cè)定

脫粒過(guò)程中，玉米籽粒主要受到脫粒元件對(duì)頂部的力學(xué)影響。每隔兩天進(jìn)行一次籽粒頂面抗壓試驗(yàn)，將籽粒置于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮夾具盤中央，設(shè)置橫梁初始上升速度為12 mm/min，清零接觸力為5 N，即上橫梁接觸到玉米果穗，與果穗接觸力超過(guò)5 N后，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入壓縮試驗(yàn)狀態(tài)。后設(shè)置試驗(yàn)橫梁上升速度為4 mm/min，計(jì)算機(jī)記錄玉米果穗壓縮試驗(yàn)的“力—位移”曲線并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，當(dāng)壓縮力達(dá)到最大斷裂壓縮力的75%時(shí)，橫梁停止移動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)束。運(yùn)用 Microsoft Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 2017作圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 籽粒含水率、脫水速率動(dòng)態(tài)分析

將測(cè)得籽粒含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立含水率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，如圖1所示，參試各品種籽粒含水率隨時(shí)間變化總體均呈下降趨勢(shì)。不同品種玉米籽粒初進(jìn)入生理成熟期時(shí)含水率均在41%～43%，差異不顯著，而由文獻(xiàn)可知，玉米籽粒含水率超過(guò)33%后將顯著提高籽粒破損率。

比較不同品種玉米籽粒進(jìn)入生理成熟期后含水率的變化情況可知，LY296、LD6018在前期含水率下降較快，在生理成熟后的第3天籽粒含水率降至36%以下，其余品種在前期含水率下降較慢，第3天籽粒含水率仍在36%～40%，在中期含水率下降較平緩，后期較快，在第10天籽粒含水率均降至25%以下，其中LY296在第7天含水率就下降到30%以下，LD6018、LK868在第8天含水率降至30%以下，而DH605、KN21在第10天含水率仍在30%以上。各品種玉米籽粒含水率降至33%以下所需的時(shí)間為：DH605需9天；LK868需8天；LY296、KN21需7天；LD6018需6天。

曲線的斜率表示籽粒脫水速率，從圖1可以看出，LD6018、LY296、DH605、LK868籽粒脫水速率均逐漸下降，并且前期下降較快，后期趨于穩(wěn)定；而KN21在第2天到第3天脫水速率有所上升，第3天到第4天有所下降，第4天后趨于穩(wěn)定。5個(gè)品種中LD6018初期脫水速率最大，KN21最小。前4天，各品種之間脫水速率差異顯著，5～10天各品種間脫水速率差異不顯著，說(shuō)明籽粒脫水過(guò)程主要發(fā)生在生理成熟前期。

2.2 籽粒抗壓特性動(dòng)態(tài)分析

成熟的玉米籽粒主要由皮、胚乳、胚三部分組成，皮是最堅(jiān)硬的部分，保護(hù)著內(nèi)部的胚乳和胚^[15]。籽粒受壓后產(chǎn)生一定的位移形變，圖2表示籽粒受力與形變，圖2中曲線出現(xiàn)突變點(diǎn)，此時(shí)籽粒破碎，突變點(diǎn)的橫坐標(biāo)表示籽粒破碎時(shí)時(shí)產(chǎn)生的最大位移，縱坐標(biāo)表示籽粒破碎時(shí)所承受的最大壓力。

比較不同品種間玉米籽粒破碎時(shí)所承受的最大壓力和產(chǎn)生的位移可知，含水率為30%±1%時(shí)，DH605、LY296、LK868、LD6018和KN21所承受的最大壓力分別為66.1 N、75.4 N、100.3 N、80.2 N、63.9 N，最大位移分別為1.61 mm、1.19 mm、2.46 mm、2.21 mm、1.02 mm，由此可知，在相同含水率條件下，不同品種破碎時(shí)所承受的最大壓力和位移不同，將籽粒破碎時(shí)的最大壓力F_max與最大位移x_max的比值用以描述籽粒韌性φ。

φ=F_maxx_max（3）

由式（3）可知，韌性越好則破碎時(shí)能夠承受的壓力更大，更不容易破碎。由圖2可知，DH605、KN21品種玉米籽粒在含水率達(dá)到普遍認(rèn)為的機(jī)械粒收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，能夠承受的位移量很小，更容易破碎，不適宜高速機(jī)械粒收；LK868、LY296、LD6018籽粒相對(duì)韌性較好，在不同含水率條件下，其韌性變化平穩(wěn)，可能更適宜機(jī)械粒收，但同時(shí)還要考慮脫粒籽粒的剝離情況，即對(duì)未脫凈率的影響。由此可知，除含水率外，籽粒的韌性也與玉米籽粒機(jī)收適宜性密切相關(guān)。

3 玉米脫粒驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證籽?？箟禾匦允欠窨梢詫?duì)機(jī)收適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，在5個(gè)品種中選取含水率為33%±1%的玉米果穗進(jìn)行脫粒試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的自制脫粒分離試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示，試驗(yàn)開(kāi)始前調(diào)整凹板間隙為40 mm，調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速到400 r/min^[16]，待滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將玉米果穗按品種放入果穗提升器，送入喂入口，待籽粒全部從凹板篩落下時(shí)，關(guān)閉脫粒裝置，收集籽粒，完成1組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，得到各品種玉米籽粒平均破碎率與平均未脫凈率，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

每組試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)收集的籽粒進(jìn)行稱重，人工挑出有肉眼可見(jiàn)裂紋或破皮、破碎的玉米籽粒，稱重，計(jì)算破碎率。然后從完整籽粒中隨機(jī)選取10粒，用來(lái)測(cè)定籽?？箟鹤畲笫芰εc最大位移，并取平均值。試驗(yàn)脫粒情況如圖4所示，結(jié)果如表2所示。

由GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件》要求破碎率小于5%。不同品種籽粒破碎率與韌性如表2所示。

由表2可知，在含水率為33%±1%時(shí)，DH605韌性為39.470 N/mm，平均破碎率為5.39%，平均未脫凈率最高為0.97%，不適宜在此含水率下進(jìn)行機(jī)械粒收；LY296韌性為48.538 N/mm，平均破碎率為5.02%，平均未脫凈率較高為0.91%，不適宜在此含水率下進(jìn)行機(jī)械粒收；LK868和LD6018韌性適中，分別為32.618 N/mm與33.471 N/mm，平均破碎率均小于5%，平均未脫凈率分別為0.83%與0.84%，適宜在此含水率下進(jìn)行機(jī)械粒收；KN21韌性最小為29.652 N/mm，平均破碎率最高為7.13%，平均未脫凈率最小為0.82%，不適宜在此含水率下機(jī)械粒收。由此可知，含水率為33%±1%時(shí)，不同品種玉米機(jī)收適宜性不同，與籽粒韌性也有關(guān)系。通過(guò)脫粒試驗(yàn)測(cè)定可知，韌性過(guò)大，雖然籽粒破碎率較低，但是籽粒也更難剝離，導(dǎo)致籽粒平均未脫凈率較高；韌性過(guò)小，雖然籽粒相對(duì)容易剝離，但是籽粒也更容易發(fā)生破碎。因此玉米籽粒韌性應(yīng)適中，在含水率為33%±1%時(shí)，韌性應(yīng)在30～35 N/mm時(shí)機(jī)收效果最佳。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)黃淮海兩熟區(qū)夏玉米收獲時(shí)破碎率高，不利于玉米機(jī)收等問(wèn)題，在機(jī)具研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對(duì)該地區(qū)常見(jiàn)的5個(gè)不同品種玉米籽粒的物理特性與機(jī)收效果進(jìn)行研究，分析其機(jī)收適宜性。通過(guò)對(duì)不同品種玉米品種籽粒進(jìn)行分階段的烘干測(cè)定試驗(yàn)，對(duì)其含水率以及脫水速率進(jìn)行測(cè)定；進(jìn)一步在相同階段對(duì)玉米籽?？箟禾匦赃M(jìn)行測(cè)試，并以此為基礎(chǔ)，建立韌性參數(shù)作為抗壓特性描述性因素。

2） 在相同含水率條件下（33%±1%）對(duì)不同品種玉米籽粒進(jìn)行脫粒性能試驗(yàn)。通過(guò)抗壓特性曲線得到該含水率條件下籽粒韌性參數(shù)，其中，韌性最高的品種為L(zhǎng)Y296，達(dá)到48.538 N/mm；最低的為KN21，為29.652 N/mm。進(jìn)一步通過(guò)脫粒試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算不同品種玉米籽粒平均破碎率與平均未脫凈率。

3） 脫粒試驗(yàn)表明：DH605、LY296和KN21籽粒平均破碎率高，分別為5.39%、5.02%以及7.13%，生理成熟后脫水慢，不適宜機(jī)械粒收；LK868與LD6018籽粒平均破碎率較低，分別為4.76%以及4.25%，未脫凈率較低，分別為0.83%以及0.84%，生理成熟后脫水快，適宜機(jī)械粒收。分析可知，當(dāng)不同品種籽粒含水率一致時(shí)，韌性過(guò)高，籽粒易脫不凈；韌性過(guò)低，籽粒易破碎，因此韌性適中，約30～35 N/mm的LK868與LD6018品種玉米籽粒更適宜機(jī)械粒收。本文為篩選適宜機(jī)收玉米品種的篩選提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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