樊廷录^,1,*, 王淑英¹, 续创业², 李尚中¹, 王甲玺², 王克如³, 赵刚¹, 程万莉¹, 张建军¹, 王磊¹, 党翼¹1 甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070
2 平凉市农业科学院, 甘肃平凉744000
3 中国农业科学院作物研究所, 北京100081

Relationship between Grain Moisture and Maize Mechanical Harvesting Qualities in Dry Highland of Loess Plateau

FAN Ting-Lu^,1,*, WANG Shu-Ying¹, XU Chuang-Ye², LI Shang-Zhong¹, WANG Jia-Xi², WANG Ke-Ru³, ZHAO Gang¹, CHENG Wan-Li¹, ZHANG Jian-Jun¹, WANG Lei¹, DANG Yi¹ 1 Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Water Efficient Use in Dryland, Lanzhou 730070, Gansu, China
2 Pingliang Academy of Agricultural Sciences , Pingliang 744000, Gansu, China
3 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

通讯作者: ^* 通信作者(Corresponding author): 樊廷录, E-mail: fantinglu3394@163.com

收稿日期:2018-01-12接受日期:2018-06-12网络出版日期:2018-06-30

基金资助:

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项.CARS-02-55 国家重点研发计划项目.2018YFD0100206 国家公益性行业(农业)科研专项.201503214

Received:2018-01-12Accepted:2018-06-12Online:2018-06-30

Fund supported:

This study was supported by the China Agriculture Research System.CARS-02-55 National Key Research and Development Program of China.2018YFD0100206 Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest.201503214

摘要
玉米机械粒收是全程机械化的关键, 但存在着籽粒破碎、果穗和落粒损失严重等备受关注的问题。开展机械粒收质量及其影响因素研究, 对推进旱作玉米机械粒收技术应用具有重要意义。本研究选择国内玉米主栽品种33个, 于2016-2017年在甘肃泾川同一地块上用福田雷沃谷神收割机械粒收, 分析籽粒水分与机械粒收质量指标的关系。结果表明, 基因型差异是造成玉米机械粒收质量不同的主要原因, 两年收获时平均籽粒水分26.05%, 破碎率7.47%, 产量损失率3.25%, 落穗损失率2.58%, 杂质率1.04%; 籽粒水分(X)与破碎率(Y₁)、产量损失率(Y₂)显著正相关, 并且存在Y₁ = 0.027X²-0.987X+14.06 (R² = 0.373 ^**, n = 51), Y₂ = 0.052X²-2.223X+24.86 (R² = 0.418 ^**, n = 51)的变化关系, 籽粒水分依次下降到18.3%、21.4%时, 对应的破碎率(5.1%)、产量损失率(1.1%)最低, 即在一定含水率范围内随着籽粒水分的增加破碎率、产量损失率升高, 机械粒收的籽粒适宜水分为18%~22%, 破碎率可控制在5.0%~5.5%的范围内; 籽粒水分对落穗损失的影响大于落粒损失, 随着籽粒水分增加落穗损失率增加的幅度明显高于落粒损失率的升高; 各因素对玉米机械粒收产量损失的影响为: 落穗损失率(0.924)>籽粒水分(0.048)>破碎率(0.043), 因而籽粒水分高和落穗损失量大是影响黄土高原旱作玉米机械粒收质量的主要因素。
关键词： 旱作玉米;机械粒收;粒收质量;籽粒水分;破碎率;产量损失

Abstract
Grain harvesting is a key process in whole mechanization of maize, and grain breakage and ear and kenenal losses have attracted more and more attention, therefore studying on maize mechanical harvesting qualities and its related factors has very important practical significance for promoting maize grain harvesting techniques in dryland. From 2016 to 2017, 33 maize varieties were used under full film mulched ridge-furrow planting system at Pingliang, Jingchuan county to harvest grain with Futian leiwo Ceres harvester for determining relationship between grain harvesting qualities and grain moisture. Grain harvesting qualities highly depended on maize genotypes, the average values were 26.05% in grain moisture content, 7.47% in grain broken rate, 2.58% in ear loss rate, 1.04% in impurity rate, and 3.25% in total grain loss rate. Grain broken rate (Y₁) and total grain yield loss rate (Y₂) were significantly and positively correlated with grain moisture content (X), expressing as Y₁ = 0.027X²-0.987X+14.06 (R² = 0.373 ^**, n = 51) and Y₂ = 0.052X²-2.223X+24.86 (R² = 0.418 ^**, n = 51). When grain moisture content declined to 18.3% in Y₁ and 21.4% in Y₂, grain breakage rate and grain loss reduced to minimum value of 5.1% and 1.1%, respectively. When the suitable grain moisture for mechanical harvesting was 18%-22% in the broken rate was in a range of 5.0%-5.5%. In a certain range of grain moisture content, grain broken rate and grain loss rate increased with the increase of grain moisture content. Effect of grain moisture on ear loss rate was higher than that on kernel loss rate, and the increasing extent of ear loss rate along with grain moisture was much higher than that of kernel loss rate. The effect of problem factors in maize mechanical harvesting on total grain loss was era loss rate > grain moisture > broken rate, showing that high grain moisture content and high ear loss are main factors affecting maize mechanical harvesting qualities in dryland.
Keywords：dryland maize;grain harvest;harvest quality;grain moisture;grain broken rate;grain loss


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本文引用格式
樊廷录, 王淑英, 续创业, 李尚中, 王甲玺, 王克如, 赵刚, 程万莉, 张建军, 王磊, 党翼. 黄土高原旱作玉米籽粒水分与机械粒收质量的关系[J]. 作物杂志, 2018, 44(9): 1411-1429. doi:10.3724/SP.J.1006.2018.01411
FAN Ting-Lu, WANG Shu-Ying, XU Chuang-Ye, LI Shang-Zhong, WANG Jia-Xi, WANG Ke-Ru, ZHAO Gang, CHENG Wan-Li, ZHANG Jian-Jun, WANG Lei, DANG Yi. Relationship between Grain Moisture and Maize Mechanical Harvesting Qualities in Dry Highland of Loess Plateau[J]. Telecommunications Science, 2018, 44(9): 1411-1429. doi:10.3724/SP.J.1006.2018.01411


机械收获是破解我国玉米高成本低效益的关键^[1], 籽粒直收正在成为玉米机械收获的发展方向^[2]。黄土旱塬区因地势相对平坦和水热条件较好, 是西北旱作春玉米主产区、潜力提升区和适宜机收区。但目前仍以人工摘穗收获为主, 机械摘穗收获面积小, 籽粒直收还处在探索阶段, 普遍存在籽粒破碎率高等质量问题^[3,4], 加之受制于干旱缺水, 制约着该项技术应用。研究玉米机械粒收的质量现状, 明确影响收获质量的主控因素, 对推动旱作玉米机械粒收技术的发展具有重要意义。早在20世纪50年代北美就开始玉米机械粒收技术研究^[5], 70年代以后开始大面积应用。随着机械收获方式由穗收向粒收的转变, 玉米籽粒高含水率与高破碎率的问题逐渐凸显出来, 美国等国家围绕这一关键问题相继开展了大量研究^[6,7]。玉米机械粒收质量包括籽粒破碎率、杂质率、落穗率和落粒率等指标^[8], 它们受到品种基因型、收获机械及其作业质量、收获时间等众多因素影响。中国农业科学院作物科学研究所李少昆团队通过西北灌区、黄淮海、东北、华北15省区历时多年的系统研究^[9], 明确了我国玉米机械粒收质量与籽粒含水率的关系。总体上, 国内玉米机械粒收研究与应用起步较晚, 相关研究报道和能够参考借鉴的资料不多, 加之玉米种植区域跨度大、生态类型多样、生产条件复杂, 机械粒收质量在不同区域和不同种植模式下差异很大, 尤其是旱作覆盖种植下的玉米机械粒收研究鲜见报道。为此, 本团队借助国家玉米产业技术体系兰州综合试验站工作, 在甘肃陇东旱塬开展了机械粒收技术研究与示范, 获得了不同玉米品种田间收获质量数据。本研究通过对不同玉米品种机械粒收时籽粒破碎率、杂质率和田间损失率(落穗和落粒)等质量指标以及籽粒含水率的测试, 分析旱作覆膜种植模式下玉米机械粒收质量现状及影响因素, 为该区玉米机械粒收技术的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验年份与测试品种

试验于2016年和2017年在甘肃平凉泾川平凉农业科学研究院高平试验农场进行, 该海拔1150 m, 年均气温8.0℃, 年均降水540 mm, 年蒸发量1380 mm, 无霜期170 d。试验地土壤为覆盖黑垆土, 无灌溉条件。2016年、2017年玉米生育期降雨(4月15日至9月25日) 391 mm和413 mm, 但2017年正值玉米开花授粉和灌浆初期的7月中旬到下旬降水(22.6 mm)较2016年同期(159.4 mm)减少85.8%, 干旱影响籽粒灌浆(表1), 玉米生理成熟比2016年早6~8 d。2017年9月26日机械收获时遇到连阴雨天气(9月25日晚到26日早晨降雨8.3 mm), 对籽粒收获质量指标有一定影响, 2016年10月3日天气正常。

Table 1
表1
表12016年和2017年玉米生育期旬降水量分布情况
Table 1Rainfall distribution during maize growing period of April to September in 2016 and 2017

月份 Month	旬 10-day	降水量 Rainfall (mm)
		2016	2017
4月 Apr.	上旬 The first 10-day of a month	7.1	18.9
	中旬 The middle 10-day of a month	20.6	2.2
	下旬 The last 10-day of a month	0.3	0
5月 May	上旬 The first 10-day of a month	12.3	35.5
	中旬 The middle 10-day of a month	15.4	13.1
	下旬 The last 10-day of a month	15.4	13.3
6月 June	上旬 The first 10-day of a month	21.3	63.6
	中旬 The middle 10-day of a month	2.4	23.9
	下旬 The last 10-day of a month	27.4	12.1
7月 July	上旬 The first 10-day of a month	12.3	14.3
	中旬 The middle 10-day of a month	128.6	20.5
	下旬 The last 10-day of a month	30.8	2.1
8月 Aug.	上旬 The first 10-day of a month	0.2	17.9
	中旬 The middle 10-day of a month	0	86.8
	下旬 The last 10-day of a month	78.6	85.3
9月Sept.	上旬 The first 10-day of a month	5.1	9.0
	中旬 The middle 10-day of a month	20.5	5.0
	下旬 The last 10-day of a month	0	8.3

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2016年测试品种24个, 即陕单636、陕单609、大丰30、瑞普908、五谷704、郑单958、M753、迪卡519、新引M751、新玉47、敦玉328、新玉41、KWS3376、京科968、新玉80、敦玉13、KWS2564、陇单10号、敦玉15、西蒙6号、豫玉22、先玉335、陇单9号、吉祥1号; 2017年测试品种27个, 即先玉335、吉祥1号、西蒙6号、大丰30、迪卡519、M753、瑞普908、新玉41、豫玉22、五谷704、郑单958、陕单636、陇单9号、新科891、敦玉328、敦玉13、KWS2564、敦玉15、京科968、九玉Y02、新玉47、九玉J03、郁青358、九玉M03、陕单650、九洋528、JH089。这33个品种是国内外种业培育的主栽品种, 本研究用来测试在旱地条件下是否适宜机械籽收。

两年度均按全膜双垄沟技术规范(宽垄70 cm和窄垄40 cm)机械覆膜种植, 控释氮肥(折算为纯N量225.0 kg hm^-2)、磷肥(折算为P₂O₅ 180.0 kg hm^-2)和农家肥(折算为N 48.0 kg hm^-2、P₂O₅ 13.6 kg hm^-2、K₂O 840.0 kg hm^-2)覆膜前一次基施, 生育期不追施氮肥。4月20日种植, 9月下旬至10月上旬收获, 每个品种0.133 hm²。

1.2 调查项目及测试方法

1.2.1 籽粒含水率及破碎率、杂质率测定方法 在每个品种机械收粒后, 在机仓内随机取籽粒样品约2 kg, 先用PM8188水分测定仪测定含水率, 然后称其重量, 手工分拣将其分为籽粒和非籽粒两部分; 籽粒部分称重计KW1, 非籽粒部分称重计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重, 完整粒重量计KW2, 破碎粒重量计为BKW。

杂质率(%)=[NKW/(KW1+NKW)×100]

籽粒破碎率(%)=[BKW/(KW2+BKW)×100]

1.2.2 田间机收损失率调查方法 在已收割的每个品种测试地块随机选取3个样点, 每个样点取2 m长一个割幅宽(4行玉米)面积为样区, 收集样区内所有的落穗和落粒, 并分别称其籽粒重, 按照样区面积计算单位面积的落穗重和落粒重, 计算总产量损失量。

产量损失率(%)=[(单位面积田间落粒粒重+单位面积田间落穗粒重)/单位面积产量×100]

1.2.3 调查测试机型 两年均租用同一师傅操作的同一台福田雷沃谷神(GE50)玉米籽粒收割机, 成熟期统一收割测试计产, 每个品种收获0.044 hm², 每次收4行, 行长100 m, 行走速度8 km h^-1。

1.3 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2003和SAS 8.0软件调查样本数据及统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种机械粒收质量指标

两年机械粒收质量指标表明(表2), 收获时的籽粒水分、破碎率、杂质率、落粒和落穗产量损失率、机收粒收产量总损失率6个指标, 品种之间最大值与最小值的极差较大, 各指标变异系数(CV)2016年从10.52%增加到109.36%, 2017年从9.50%上升到79.17%。两年平均, 籽粒水分、破碎率、杂质率、落粒和落穗产量损失率、机收产量总损失率依次为26.05%、7.47%、1.04%、0.57%和2.58%、3.25%。如2016年10月3日收获时24个品种籽粒水分平均25.51%, 最大值30.52%与最小值18.44%相差12.08个百分点; 籽粒破碎率平均7.75%, 明显高于“玉米收获机械技术条件”(GBT-21961-2008)规定的≤5.0%规定的要求, 而杂质率平均1.52%, 低于国标≤3%该指标的要求。

Table 2
表2
表2不同玉米品种籽粒收获质量指标观测值及其统计量
Table 2Observed values of maize grain harvesting qualities and the statistical description in different genotypes

测试指标 Variability	品种数 No.	平均数Avg.	最大值 Max.	最大值对应品种 Varieties matched for the max.	最小值Min.	最小值对应品种 Varieties matched for the min.		极差Range	变异系数CV (%)
2016
产量 Yield (kg hm-2)	24	11292.0	14137.5	新玉47 Xinyu 47	9462.0	陇单9号Longdan 9		4675.5	15.79
籽粒水分Grain moisture (%)	24	25.51	30.52	敦玉328 Dunyu 328	18.44	KWS3376		12.08	10.52
破碎率Broken rate (%)	24	7.75	14.72	KWS3376	3.88	郑单958 Zhengdan 958		10.84	36.96
杂质率Impurity rate (%)	24	1.52	4.47	京科968 Jingke 968	0.43	KWS3376		4.04	63.93
落粒损失Kernel loss (kg hm-2)	24	15.45	52.7	陕单609 Shaandan 609	1.05	豫玉22 Yuyu 22		51.6	79.13
落粒损失率Kernel loss rate (%)	24	0.14	0.53	陕单609 Shaandan 609	0.01	豫玉22 Yuyu 22		0.52	83.8
落穗损失Ear losses (kg hm-2)	24	151.5	666.8	新玉41 Xinyu 47	46.35	西蒙6号 Ximeng 6		620.4	105.11
落穗损失率Ear loss rate (%)	24	1.40	6.44	新玉41 Xinyu 47	0.42	西蒙6号 Ximeng 6		6.02	109.36
总损失Total grain loss (kg hm-2)	24	166.9	667.8	新玉41 Xinyu 47	49.50	西蒙6号 Ximeng 6		618.3	93.44
损失率Grain loss rate (%)	24	1.66	6.45	新玉41 Xinyu 47	0.44	西蒙6号 Ximeng 6		6.01	—
2017
产量Yield (kg hm-2)	27	12426.0	14220.0	敦玉15 Dunyu 15	9922.5	九洋528 Jiuyang 528		4297.5	9.50
籽粒水分Grain moisture (%)	27	26.53	31.72	豫玉22 Yuyu 22	21.71	先玉335 Xianyu 335		10.01	11.02
破碎率Broken rate (%)	27	7.23	10.52	敦玉15 Dunyu 15	4.21	M753		11.01	24.31
杂质率Impurity rate (%)	27	0.62	2.13	豫玉22 Yuyu 22	0.12	九洋528 Jiuyang 528		2.01	79.17
落粒损失Kernel loss (kg hm-2)	27	117.60	214.1	陕单650 Shaandan 650	31.1	新玉41 Xinyu 41		183.0	43.59
落粒损失率Kernel loss rate (%)	24	0.96	1.92	京科968 Jingke 968	0.26	先玉335 Xianyu 335		1.66	49.79
落穗损失Ear loss (kg hm-2)	27	451.95	1029.2	郑单958 Zhengdan 58	83.9	九玉M03 Jiuyu M03		945.3	60.69
落穗损失率Ear loss rate (%)	27	3.62	7.98	郑单958 Zhengdan 58	0.73	九玉M03 Jiuyu M03		7.25	58.56
总损失Total grain loss (kg hm-2)	27	568.7	1101.0	郑单958 Zhengdan 58	117.3	先玉335 Xianyu 335		983.7	45.96
损失率Grain loss rate (%)	27	4.66	8.54	郑单958 Zhengdan 58	0.91	先玉335 Xianyu 335		7.63	—
	27	26.53	31.72		0.91

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机收损失率包括落粒损失和落穗损失两部分, 其中落粒、落穗产量损失率平均为0.14%和1.40%, 分别占总损失率的9.25%和90.75%, 表明玉米机械粒收落穗损失远大于落粒损失; 品种之间落粒损失的变异系数明显小于落穗损失, 即品种差异是造成机械粒收落穗损失率高的主要原因。两年平均机收损失310.5 kg hm^-2, 最高1101.0 kg hm^-2, 其中2016年、2017年机收产量损失平均166.9 kg hm^-2和568.7 kg hm^-2, 损失率依次为1.66%、4.66%, 低于国标≤5%该指标的要求。机收产量损失率品种之间同样差异较大, 2016年新玉41达到6.45%, 西蒙6号仅0.44%, 2017年郑单958高达8.54%, 先玉335只有0.91%, 即同一机型同一机手操作下品种是决定机械粒收损失率的关键因素。

2.2 籽粒水分与主要收获质量指标之间的相关性

尽管产量损失量与各指标之间的相关性2个年份之间有差异(表3), 但籽粒水分、落穗损失量与产量损失量之间均达到显著和极显著正相关水平, 破碎率与产量损失量仅在2017年达到极显著相关; 破碎率、落穗损失量均与籽粒水分高度正相关。因此, 籽粒水分和落穗损失是造成机械粒收产量损失的主要因素。

Table 3
表3
表3籽粒水分、破碎率、杂质率和损失率间的相关系数
Table 3Correlation coefficient among grain moisture content, broken rate, impurity rate and grain loss rate

	籽粒水分 Grain moisture content	破碎率 Grain broken rate	杂质率 Impurity rate	落粒损失量 Grain loss	落穗损失量 Ear loss
2016
破碎率Grain broken rate	0.657***
杂质率Impurity rate	0.547**	0.453*
落粒损失量Grain loss	0.035NS	-0.166NS	0.086NS
落穗损失量Ear loss	0.339*	0.073NS	-0.089NS	-0.297NS
总损失量Total grain loss	0.351*	0.062NS	-0.084NS	-0.225NS	0.997***
2017
破碎率Grain broken rate	0.734***
杂质率Impurity rate	0.299NS	0.024NS
落粒损失量Grain loss	0.083NS	0.652***	0.329NS
落穗损失量Ear loss	0.736***	0.095NS	-0.009NS	-0.337NS
总损失量Total grain loss	0.816***	0.703***	0.343NS	-0.159NS	0.983***

^*, ^**, ^***: significant difference at the 0.05, 0.01, and 0.001 probability levels, respectively. NS: not significant at the 0.05 level.
^*、^**、^***依次表示在0.05、0.01、0.001水平上的差异显著性; NS表示在0.05水平上差异不显著。

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2.3 破碎率与籽粒水分之间的关系

籽粒平均破碎率和果穗籽粒最高水分含量两年接近, 2016年为7.75%和30.52%, 2017年为7.23%和31.72%。2016年破碎率≥7.7%的品种中, 有88.9%的品种籽粒水分在25%以上; 籽粒水分<30%的品种中, 破碎率低于5%的品种只有3个(吉祥1号、KWS3376、M753), 有5个品种的破碎率超过了10%。2017年破籽率≥7.2%的品种中, 全部品种籽粒水分超过了25%; 籽粒水分<30%的品种中, 破碎率低于5%的品种也只有3个(吉祥1号、新科891、M753), 2个品种的破碎率超过了10%。

综合两年结果, 机收籽粒破碎率(Y)与籽粒水分(X)呈二次曲线关系(图1), Y = 0.027X²-0.987X+14.06 (R² = 0.373^**, n = 51)当籽粒水分下降到18.3%时, 籽粒破碎率最低(5.1%), 籽粒水分变化对破碎率的贡献为37.3%。破籽率与籽粒水分的这种回归关系, 两年之间有所差异(图1), 2016年呈显著的二次曲线关系, Y = 0.078X²-3.364X+ 41.88 (R² = 0.446^**, n = 24)籽粒水分决定了破籽率变异的44.6%, 但2017年随着籽粒水分的增加破籽率直线升高, Y = 0.434X-4.294 (R² = 0.516^**, n = 27)籽粒水分变化决定破籽率变异的份额上升到了51.6%。2016年破碎率达到最低(5.61%)时的籽粒水分为21.6%, 2017年达到此含水率时破碎率为5.08%。因此, 籽粒水分是影响破碎率的重要因素之一, 但不是唯一因素, 在当前品种和机收条件下, 籽粒水分在18%~22%之间机械粒收时, 破碎率可控制在5.0%~5.5%的范围内, 略高于破碎率≤5%的国标标准(GBT-21961-2008); 如果按破碎率≤8%的粮食烘干收储企业三级粮标准(饲料用玉米GB/T17890-1999), 籽粒水分在28.7%以下收获可满足其要求。

图1

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图1玉米机收破碎率与籽粒水分的关系

Fig. 1Relationship between grain broken rate and grain moisture content

2.4 杂质率与籽粒水分的关系

杂质是影响玉米机械粒收质量和产品收购的一个重要指标。玉米机械粒收的杂质率与籽粒水分的关系两年之间有所不同。2016年的24个测试品种中杂质率随籽粒水分增加而增大(图2), 两者之间显著正相关(r = 0.547^**), 可用方程Y = 0.195X-3.480 (R² = 0.299^**, n = 24)拟合, 当籽粒水分33.2%时, 杂质率接近3.0% (GBT-21961-2008)要求; 但在2017年的27个玉米品种中, 籽粒水分对杂质率影响不显著(R²=0.089^NS)。收获期遇到降水使植株和苞叶潮湿及籽粒表面水分增加, 会影响机械脱籽净度而增加杂质数量, 但本试验缺少数据, 有待进一步研究。

图2

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图2玉米机收杂质率与籽粒水分的关系

Fig. 2Relationship between grain impurity and grain moisture content

2.5 机械粒收产量损失与籽粒水分之间的关系

尽管两年玉米生育期降水总量仅相差21 mm, 但2016年生育期降水分配相对均匀, 2017年玉米开花授粉和灌浆前期的7月份降雨量(36.9 mm)只有2016年同期降雨的21.5%, 干旱使玉米生育期提前, 测试品种对灌浆前期干旱的反映程度存在明显差异, 收获时恰遇降雨, 玉米茎叶和苞叶潮湿、籽粒表面水分含量高, 影响到收获质量指标。但两年结果表明, 产量损失率随籽粒水分增加而显著增加, 这种关系在不同年份之间有一定的差异(图3)。2016年除KWS3376、新玉80、新玉41三个早熟和中早熟品种成熟较早外, 其余熟期相近的21个品种籽粒产量损失与水分呈Y = 0.104X²-5.088X+62.34 (R² = 0.71^***, n = 21)的二次曲线关系, 2017年有Y = 0.571X-10.510 (R² = 0.654^**, n = 27)的直线增加关系。2016年籽粒水分达到24.5%时产量损失率最低(0.14%), 由此推测2017年达到该水分时产量损失率为3.5%, 符合国家玉米籽粒直接收获标准的要求。两年结果综合分析, 机收产量损失与籽粒水分有Y = 0.052X²-2.223X+24.86 (R² = 0.418^**, n = 51)的变化关系, 当籽粒水分为21.4%时, 籽粒损失率下降到1.1%。

图3

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图3玉米机收产量损失与籽粒含水率的关系

Fig. 3Relationship between grain loss and grain moisture content



前面分析表明, 产量总损失中落穗损失显著大于落粒损失。尽管两年气候条件特别是收获时降水天气对落穗和落粒影响较大, 但落穗损失总是随水分的增加而提高(图4), 籽粒含水率对落粒损失影响不明显, 高籽粒水分时以落穗损失为主, 低水分时落粒损失增加但落穗损失仍占较大比例。另外, 产量损失与熟期早晚也有较大关系, 如2016年KWS3376、新玉80、新玉41的生育天数逐渐增加(最大相差20 d), 10月3日收获时籽粒水分为18.4%、21.1%和25.6%, 产量损失率依次为1.3%、2.2%和6.4%。

图4

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图4籽粒水分与落粒和落穗产量损失的关系

Fig. 4Relationship of ear loss and kernel loss with grain moisture content



进一步分析影响玉米机械粒收产量损失与各质量指标的关系, 在西北黄土旱塬春玉米一年一熟种植制度下, 果穗籽粒水分(X₁)、籽粒破碎率(X₂)、田间落穗损失率(X₃)是直接影响产量总损失率(Y)的3个关键因素, 籽粒水分又直接影响破碎率。综合分析两年结果, 产量总损失率与这些因素的多元回归关系可表示为y=0.773+0.039X₁+0.048 X₂+1.004 X₃(R²=0.929,n=51) , 标准化回归方程为y=0.148 X₁+0.043 X₂+0.924 X₃, 标准化回归系数因无量纲, 可用来比较它们对机械粒收产量损失的相对贡献大小, 即落穗损失率(0.924) > 籽粒水分(0.048) > 破碎率(0.043)。可见, 机收落穗对产量损失贡献最大(占90%以上), 籽粒水分和破碎率贡献相近, 均不足5%。

3 讨论

3.1 破碎率高是目前西北旱作玉米机械粒收质量差的主要问题

连续两年在甘肃陇东黄土旱塬同一块地旱作覆膜条件下, 对来自国内不同育种单位和种子企业33个玉米品种机械粒收的测试结果表明, 籽粒破碎率和杂质率品种间变异较大, 破碎率平均7.23%~7.75%, 最高达14.72%, 显著高于≤5%的国标要求; 杂质率平均0.62%~1.52%, 低于≤3%的国标要求。高破碎率在降低玉米品质等级的同时, 也降低了产量^[10,11], 是目前旱作玉米机械粒收技术推广面临的关键难题。北美在应用玉米机械粒收技术时, 同样遇到了籽粒破碎率高的难题^[6,7]。Dutta^[6]认为, 籽粒含水率超过20%时收获机械损伤率急剧增加。在相同籽粒含水率条件下存放, 机械脱粒玉米因存在机械损伤(29%的机械损伤率), 其霉变速度比手工脱粒玉米快2~3倍, 而且带有破碎的玉米烘干费用是无破碎的6~7倍^[10]。籽粒破碎率与玉米品种类型和籽粒含水率等密切相关。Sehgal等^[12]研究玉米脱粒机制时发现, 籽粒与穗轴联结较紧密的品种在脱粒时籽粒破碎较高。Waelti^[7]发现, 不同品种籽粒破碎对滚筒转速变化的响应存在差异, 籽粒含水率22%时, Pioneer X比Pioneer 3418反应更敏感, 这可能与两品种籽粒内部结构不同有关。不同玉米品种籽粒破碎敏感度(BS)不同, 根据BS值可将玉米品种的破碎表现划分为感、抗和中间型等不同类型, 籽粒的感或抗破碎性有较高的遗传力^[13,14,15]。品种间破碎率的差异主要是籽粒含水率和容重不同所致, 破碎率与籽粒含水率呈极显著正相关, 与容重呈极显著负相关; 玉米籽粒的破碎与籽粒胚乳特性有关, 圆形籽粒具有较高的胚乳应力损伤, 收获时破碎率更高。Bauer等^[16]研究表明, 雨养条件下玉米产量仅有灌溉条件的一半, 而籽粒破碎率更低; 不同年份间相同品种破碎率表现出的差异与不同年份籽粒发育阶段的气候条件有关, 本研究2016年和2017年的结果同样说明生育期降雨对不同基因型玉米破碎率影响较大, 但究竟如何影响, 有待进一步研究。国际上普遍认为, 籽粒含水率为18%~23%时机械粒收为最佳^[17,18,19], 破碎率最低, 这与本研究籽粒水分在18%~22%之间收获, 破碎控制在5.0%~5.5%范围相一致。

3.2 水分含量高是影响旱作玉米机械粒收质量的关键原因

西北黄土旱塬玉米机械粒收时籽粒水分存在显著的基因型差异, 最高值与最低值相差10~12个百分点, 籽粒含水率平均25%~26%, 高于18%~23%这一国外普遍认为的适宜含水率收获指标范围。玉米果穗和苞叶特征^[20]、植株农艺性状^[8,21]对生育后期籽粒水分有显著影响, 是导致不同品种籽粒脱水速率差异的主要原因。本研究籽粒含水率与破碎率、田间产量损失率显著相关, 随着籽粒含水率增加破碎率和田间产量损失率增加, 籽粒破碎率随着含水率增加呈现直线或二次曲线增加关系。Hall等^[17]研究认为, 籽粒含水率在20%~23%时收获破碎率最低。籽粒破碎敏感度(BS)与籽粒水分(X)的关系符合BS= 171.3exp(-0.29X) ^[22]。Plett^[23]对加拿大6个玉米品种研究表明, 籽粒破碎率与含水率显著相关, 破碎率最低时的籽粒水分为16.7%~22.1%。柴宗文等^[9]对我国不同地区1698个收获样本的测试表明, 籽粒水分平均26.83%, 破碎率8.63%, 破碎率与水分极显著正相关。目前西北旱塬区主栽玉米品种收获时籽粒含水率一般在25%~30%之间, 活秆成熟现象比较普遍, 田间机械粒收损失率偏高, 后期遇连阴雨导致堆积晾晒过程中的霉变损失, 影响玉米商用品质。

本研究结果籽粒水分能够解释破碎率平均变化的37.3%, 最高达到51.6%, 这与王克如等^[23]45.2%的结果类似, 即籽粒水分是影响破碎率的主要因素, 但不是唯一因素。不同年份破碎率、杂质率分别与籽粒含水率之间变化趋势的差异与生育期降水分布有关, 特别是收获时连阴雨天气造成籽粒应力损失程度加大, 破碎率增加; 玉米籽粒含水率决定籽粒的软硬程度, 直接影响粒收的破碎率、损失率和杂质率^[24]。

3.3 产量损失率偏高尤其是落穗损失量高是旱作玉米机械粒收应高度重视的问题

产量损失率高低是衡量机械粒收技术应用的关键, 从机械粒收田间产量损失率及组成来看, 两年测试品种产量总损失率平均为1.66%~4.66%, 品种之间差异很大, 最大损失率2016年为6.54%和2017年为8.54%, 平均损失率低于≤5%的国标要求, 而最大损失率超过了国标。全国机械粒收玉米产量平均损失率4.12% ^[9], 与本试验结果相近, 但最大损失率高达69.98%。2017年受收获时阴雨天气影响, 27个品种中有44.4%的品种产量损失率超过了5%, 而2016年24个品种中仅8.3%品种产量损失超过了5%, 即收获时气候对产量损失影响较大。

本研究玉米机械粒收落穗损失率品种之间相差10倍以上, 落穗损失对产量损失贡献最大, 2016年为90.7%和2017年为79.4%。柴宗文等^[9]的研究表明, 落穗损失占机械粒收总损失的65.3%, 品种间落粒损失的变异系数明显低于落穗损失。国内外研究认为, 落穗损失受制于收获前的掉穗、植株倒伏倒折状况。收获期抗倒性强的品种落穗率低, 茎腐病是导致玉米倒伏和落穗率高的主要原因^[8]。本研究田间产量损失与籽粒水分高度相关, 当籽粒水分≤21.4%时, 产量损失率最低, 籽粒水分每增加1个百分点产量损失提高0.50个百分点, 其中落穗产量损失增加0.44个百分点。随着籽粒含水量增加落穗损失率提高, 这与国内品种生理成熟后苞叶散开慢、穗不易脱离有关, 也与生理成熟时籽粒水分含量较高时的倒伏有关^[25], 有待进一步研究。因此, 培育中早熟、籽粒脱水快、收获时籽粒含水量低、抗倒伏、耐茎腐病, 特别是生理成熟后抗倒性好的品种, 是机械粒收的关键。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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