0 引言
【研究意义】收获是玉米种植中最繁重的环节,也是目前玉米全程机械化的“瓶颈”。相对于机械穗收,粒收具有作业环节少,生产效率高、劳动强度低的优势。美国等西方发达国家在20世纪70年代后已大面积推广应用机械粒收技术[1]。与之相比,中国的玉米机械粒收技术还处于起步阶段。【前人研究进展】前人研究表明,影响机械粒收技术推广应用的限制因素包括品种、收获机具、耕作模式、生产规模、农户意识等,其中收获质量的影响最为显著[2-4]。玉米机械粒收的质量指标主要包括籽粒破碎率、杂质率和损失率,损失率又包括落穗率和落粒率[5]。国内外相关研究表明玉米籽粒含水率显著影响机械收获破碎率,且含水率越高,破碎率越大[6-8]。适合机械粒收的品种应该满足早熟、耐密、抗倒和籽粒脱水快的要求[9-10],且农机和农艺相结合可推动该技术的应用[1,11-12]。本团队前期研究证实,影响玉米机械粒收质量的主要因素是籽粒含水率,且籽粒破碎率和杂质率随着含水率的升高显著增加[13-14];田间损失率随含水率增加明显上升[14],当籽粒含水率在15%以下时机收,田间损失率因落粒率增大而增大[13];此外,不同机型、不同机器及其维护和作业也是影响玉米粒收质量的重要因素[15]。【本研究切入点】玉米收获以人工收穗或机械收穗为主,转变该区玉米收获方式势在必行。该区小麦/玉米一年两作,玉米生长发育时间受到农时的限制,收获时籽粒含水率高,影响了机械粒收质量和该技术在本地区的推广应用。【拟解决的关键问题】河南新乡位于黄淮海地区中部,是典型的夏播玉米区,本研究通过在新乡连续3年的试验研究,探讨影响夏玉米机械粒收质量的因素,以期为黄淮海夏玉米机械粒收的推广和应用提供理论和技术支持。1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2013—2015年在中国农业科学院河南新乡综合试验站（北纬35°18′,东经113°54′）进行。试验地前茬为冬小麦,供试土壤为黏质壤土,前茬小麦秸秆全部粉碎还田,用当地普通播种机贴茬播种,行宽60 cm,种植密度67 500 株/hm2。供试品种以当前生产主栽品种为主,其中,2013年10个,2014年11个,2015年11个（表1）。大区种植,田间随机排列。为便于机械收获的调查,每个品种播种两个收获割幅以上宽度,行长200 m以上。其他管理措施同当地大田生产。收获机为福田雷沃谷神GE50,配套喜盈盈4YB-4半喂入玉米籽粒收获割台,割幅4行,收割速度0.8 m·s-1。2013年分别在9月25日和10月12日进行2次收获,2014年在10月9日进行1次收获,2015年分别在9月26日和10月8日进行2次收获。Table 1
表1
表1试验选用的玉米品种信息
Table 1Information of selected maize varieties
| 序号 Number | 品种 Cultivar | 种植年度 Crop year | 审定信息 Audited information | 亲本 Parent | 生育期 Growth period |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 郑单958 Zhengdan958 | 2013、2014、2015 | 国审玉20000009 State trial corn 20000009 | 郑58×昌7-2 Zheng58×Chang7-2 | 96天 黄淮海夏播 96 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 2 | 先玉335 Xianyu335 | 2013、2014、2015 | 国审玉2004017 State trial corn 2004017 | PH6WC×PH4CV | 98天 黄淮海夏播 98 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 3 | 农华101 Nonghua101 | 2013、2015 | 国审玉2010008 State trial corn 2010008 | NH60×S121 | 100天 黄淮海夏播 100 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 4 | 中单909 Zhongdan909 | 2013、2015 | 国审玉2011011 State trial corn 2011011 | 郑58×HD586 Zheng58×HD586 | 101天 黄淮海夏播 101 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 5 | 中种8号 Zhongzhong8 | 2013、2014 | 豫审玉2010008 Henan trial corn 2010008 | CR2919×CRE2 | 101天 黄淮海夏播 101 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 6 | 滑玉15 Huayu15 | 2013 | 豫审玉2009006 Henan trial corn 2009006 | HF2458-1×C712 | 99天 黄淮海夏播 99 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 7 | 德单121 Dedan121 | 2013 | 豫审玉2013014 Henan trial corn 2013014 | HG58×T昌7-2 | 97—103天 黄淮海夏播 97-103 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 8 | 德单5号 Dedan5 | 2013 | 豫审玉2010021 Henan trial corn 2010021 | 5818×昌7-2 5818×Chang7-2 | 100天 黄淮海夏播 100 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 9 | 登海11号 Denghai11 | 2013 | 国审玉2001005 State trial corn 2001005 | DH65232×DH40 | 97天 黄淮海夏播 97 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 10 | 登海618 Denghai618 | 2014 | 鲁农审2013010 Shandong trial corn 2013010 | 521×DH392 | 106天 黄淮海夏播 106 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 11 | 宁玉525 Ningyu525 | 2014 | 国审玉2008003 State trial corn 2008003 | 宁晨62×宁晨39 Ningchen62×Ningchen39 | 129天 东北早熟春玉米区 129 days, spring maize in Northeast area |
| 12 | 宁玉721 Ningyu721 | 2014、2015 | 滇审玉2011005 Yunnan trial corn 2011005 | 宁晨26×宁晨137 Ningchen26×Ningchen137 | 127天 东华北春玉米区 127 days, spring maize in Northeast and North China |
| 13 | 良玉66号 Liangyu66 | 2014 | 辽审玉2008365 Liaoning trial corn 2008365 | M54×S121 | 129天 辽宁省春播 129 days, spring maize in Liaoning province |
| 14 | 迪卡517 Dika517 | 2014 | 鲁农审2014015 Shandong trial corn 2014015 | D1798Z/HCL645 | 105天 黄淮海夏播 105 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 15 | 联创808 Lianchuang808 | 2014、2015 | 国审玉2015015 State trial corn 2015015 | CT3566×CT3354 | 102天 黄淮海夏播 102 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 16 | 金9913 Jin9913 | 2013 | 冀审玉2016005 Hebei trial corn 2016005 | H823×L42082 | 101天,黄淮海夏播 101 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 17 | MC812 | 2014 | 京审玉2015003 Beijing trial corn 2015003 | 京B547×京2416 Jing B547×Jing 2416 | 103天 黄淮海夏播 103 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 18 | DL1101 | 2014 | — | — | — |
| 19 | 京农科728 Jingnongke728 | 2015 | 国审玉2012003 State trial corn 2012003 | 京MC01×京2416 Jing MC01×Jing 2416 | 98天 京津唐夏播 98 days, summer maize in Beijing, Tianjin and Tangshan |
| 20 | 裕丰303 Yufeng303 | 2015 | 国审玉2015010 State trial corn 2015010 | CT1669×CT3354 | 102天 黄淮海夏播 102 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 21 | 中科玉505 Zhongkeyu505 | 2015 | 豫审玉2016002 Henan trial corn 2016002 | CT1668×CT3354 | 98—104天 黄淮海夏播 98-104 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 22 | 农华816 Nonghua816 | 2015 | 国审玉2015016 State trial corn 2015016 | 7P402×B8328 | 101天 黄淮海夏播 101 days, summer maize in Huang-Huai-Hai |
| 23 | 禾田1号 Hetian1 | 2015 | 黑审玉2012034 Heilongjiang trial corn 2015016 | B10194×合344 B10194×He344 | 115天 黑龙江第三积温带 115 days, the third accumulated temperature zone in Heilongjiang |
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1.2 数据调查
生长发育情况记录：记录田间生长情况,吐丝期选择代表性区域,调查株高、穗位高等。大田测产：选择长势均匀一致处作为样区,在收割前调查10 m行长的株数,计算收获密度。同时在此区域内连续选择20穗,调查行粒数、穗行数,计算平均单穗粒数,脱粒后用PM8188水分测定仪测定机械收获前含水率,并测定百粒重,计算理论产量。
1.3 机械粒收质量评价
在测试地块,随机取收获机机仓内收获的籽粒样品约2 kg,用PM8188水分测定仪测定含水率,然后手工分拣将其分为籽粒和非籽粒两部分;对籽粒部分称其重量并计为KW1,非籽粒部分称重计为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,完整粒部分重量计为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
在测定收获速度的收割段选取3个样点,每个样点取2 m长一个割幅宽（4行玉米）的面积,收集样点内的落穗和落粒,测定落穗、落粒重。将理论产量、落穗和落粒重分别折合成单位面积数值,计算产量损失率：
产量损失率（%）=（单位面积田间落粒重+单位面积田间落穗籽粒重）/单位面积产量×100。
1.4 气候因素
试验点2013年、2014年和2015年玉米生育季节以及常年（1992—2015年平均）气象数据见表2。数据显示,2013年玉米生育季节（第1、2组）积温明显偏高、降水偏少,其中,积温较常年增加236.0—287.1℃,降水减少64.5—88.3 mm。2014年玉米生育季节积温接近常年,但降水量偏高、日照时数偏短。2015年玉米生育季节积温和日照时数略高于常年,降水量则低于常年平均水平。Table 2
表2
表2试验点气候条件
Table 2Climatic conditions of the experimental station
| 组别 Group | 生育期 Growth period | 积温 Accumulated temperature (℃) | 降水 Precipitation (mm) | 日照时数 Duration of solar radiation (h) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2013/6/15-2013/9/25 1992-2015 6/15-9/25 | 2815.9 2579.9 | 314.3 378.8 | 582.0 593.1 |
| 2 | 2013/6/15-2013/10/12 1992-2015 6/15-10/12 | 3163.0 2875.9 | 314.3 402.6 | 682.0 672.1 |
| 3 4 5 | 2014/6/12-2014/10/9 1992-2015 6/12-10/9 2015/6/10-2015/9/26 1992-2015 6/10-9/26 2015/6/10-2015/10/8 1992-2015 6/10-10/8 | 2916.9 2907.2 2813.9 2730.9 3061.7 2941.7 | 451.5 398.1 319.5 383.0 327.1 399.6 | 562.1 683.4 658.0 637.6 715.2 694.9 |
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1.5 数据处理与分析
采用 SPSS Statistics 17.0 和 Excel 2007 软件进行数据处理与分析。2 结果
2.1 籽粒破碎率与含水率的关系
2013—2015年共131个样点的调查显示,籽粒破碎率变幅为4.98%—41.36%。按GB1353—2009玉米国标[16]三等玉米破碎率8%的标准,调查范围内破碎率低于8%的有38个样点,占比29.01%;破碎率高于8%的有93个样点,占比70.99%。收获时玉米籽粒含水率在20.80%—41.08%,参照谢瑞芝等[14]的数据分析方法,将玉米机械收粒的籽粒破碎率与含水率的关系分为两个阶段,籽粒含水率大于27.10%时,籽粒含水率对破碎率的影响明显增加（图1）。籽粒含水率低于26.92%时,收获的玉米籽粒能够满足破碎率8%以下的要求。2015年收获时玉米籽粒含水率均在27.53%以上,破碎率在8.75%以上,籽粒破碎率随含水率的增加呈线性增加（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12013和2014年籽粒含水率与破碎率
-->Fig. 1The relationship between the kernel moisture and the broken rate in 2013 and 2014
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22015年籽粒含水率与破碎率
-->Fig. 2The relationship between the kernel moisture and the broken rate in 2015
-->
2.2 籽粒杂质率与含水率的关系
2013—2015年134个样点的杂质率变幅为0.37%—5.28%。根据GB/T 21962—2008[17]标准,杂质率应控制在3%以下,调查范围内杂质率低于3%的样点有107个,占比79.85%;高于3%的样点有27个,占比20.15%。2013和2014年,杂质率与籽粒含水率的关系可以分为两个阶段（图3）,籽粒含水率大于28.39%时,籽粒含水率对杂质率的影响明显增加。2013和2014年试验条件下籽粒含水率低于28.27%时,杂质率低于3%;2015年收获时籽粒含水率虽然较高,但杂质率均在3%以下（图4）,能够满足国家标准。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32013和2014籽粒含水率与杂质率
-->Fig. 3The relationship between the kernel moisture and the impurity rate in 2013 and 2014
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42015籽粒含水率与杂质率
-->Fig. 4The relationship between the kernel moisture and the impurity rate in 2015
-->
2.3 田间损失率与籽粒含水率的关系
2013—2015共调查108个样点,田间损失率（落粒率与落穗率）在0.18%—2.85%之间。玉米机械收粒的田间损失率与籽粒含水率的关系如图5所示,随着籽粒含水率的增加,田间损失率有增加的趋势。根据GB/T 21962—2008标准,收获的田间损失率应控制在5%以下,调查范围内的田间损失率均能满足国家标准。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5籽粒含水率与损失率
-->Fig. 5The relationship between the kernel moisture and the shatter loss
-->
2.4 品种间机械粒收质量的差异
研究发现,即使籽粒含水率相近,不同品种进行机械籽粒收获时的破碎率和杂质率也存在明显差异。表3列出了3年内在同一收获时期、籽粒含水率相近的不同品种收获质量的差异。5组不同品种的破碎率差值在3.55%—8.74%之间,杂质率差值相对较小,为0.20%—2.47%;且随着籽粒含水率的增大,品种间破碎率差值有增大趋势。Table 3
表3
表3相同籽粒含水率时不同品种间收获质量的差异
Table 3Differences in the harvest quality among cultivars at the same level of kernel moisture
| 组别Group | 收获时间 Harvest time | 品种 Cultivar | 含水率 Moisture (%) | 破碎率 Broken rate (%) | 杂质率 Impurity rate (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2014.10.09 | DL1101 | 24.37 | 9.43** | 2.83* |
| MC812 | 24.77 | 5.88** | 2.34* | ||
| 2 | 2014.10.09 | 迪卡517 Dika517 | 26.13 | 3.71** | 1.44** |
| 宁玉525 Ningyu525 | 26.30 | 9.75** | 3.91** | ||
| 3 | 2015.10.08 | 郑单958 zhengdan958 | 28.77 | 10.12* | 0.60 |
| 农华816 Nonghua816 | 28.83 | 16.05* | 0.80 | ||
| 4 | 2015.10.08 | 宁玉721 Ninhyu721 | 28.30 | 13.73** | 0.92* |
| 先玉335 Xianyu335 | 28.00 | 22.47** | 1.93* | ||
| 5 | 2015.09.26 | 农华816 Nonghua816 | 38.10 | 41.36* | 1.66 |
| 联创808 Lianchuang808 | 39.92 | 27.36* | 1.36 |
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3 讨论
3.1 籽粒含水率与机械粒收质量
玉米收获时籽粒含水率是影响机械粒收质量的关键因素。在本研究条件下,131个样点籽粒破碎率变幅为4.98%—41.36%,破碎率偏高是制约黄淮海夏玉米机械粒收的主要质量指标。籽粒破碎率随着含水率的升高而升高,呈现出极显著正相关关系,这与前人研究结果一致[6-8,13-14]。籽粒含水率较高时,机械脱粒所需的较大分离作用力可能是造成高破碎率的原因之一[18]。前人认为籽粒含水率22%—24%时为玉米脱粒质量最佳时期[19],黄淮海地区机械粒收的含水率应小于28%[10],本试验结果显示,黄淮海夏玉米破碎率满足三等玉米质量要求的籽粒含水率条件应低于26.92%。除了籽粒含水率对破碎率的影响,田间损失率也表现出随着籽粒含水率的升高而升高的趋势,但在调查范围内损失率均未超过国家标准,表明现阶段损失率不是制约黄淮海夏玉米机械收获质量的主要因素。杂质率同样随着籽粒含水率的增加而增加,但两者关系在年际间变化较大。2013和2014年籽粒含水率低于28.27%时杂质率可满足3%的国家标准要求,而2015年在较高的籽粒含水率下杂质率也未超过标准,分析认为杂质率可能受到收获机械及其作业质量等因素的影响,需要进一步研究证实。3.2 品种对机械粒收质量的影响
玉米收获期籽粒含水率受到品种脱水速率[20-21]、生育期[22]以及环境条件[23-24]等的影响。研究还证实,即使籽粒含水率相近,不同玉米品种之间破碎率也存在明显差异,这可能是籽粒本身的理化特性等因素造成的。PAULSEN等[25]研究认为玉米不同品种之间籽粒破碎敏感性存在显著差异。MARTIN等[26]研究表明玉米籽粒大小、类型、结构特征和硬度等影响机械收获的破碎率,机械收获时大籽粒相对于小籽粒更易受损[27],且圆形籽粒受损较多,方形籽粒的顶部容易受损[18];籽粒中不同的物质组成也会影响机械损伤[18]。此外,WAELTI[28]研究表明籽粒破损随着穗轴的减小而增大。JENNINGS[27]还证实,虽然不同玉米品种的果皮厚度差异很大,但是并不影响机械收获质量。因此适宜机械收获的品种除了应该具有籽粒脱水快的特性外,还应该在籽粒类型、物理特性和化学组成等方面有一定的适应性,这对品种选育提出了更高的要求。3.3 影响机械粒收质量的其他因素
玉米机械粒收质量不仅受籽粒含水率影响,还受到其他众多因素影响。CLONINGER等[29]研究认为机械收获的籽粒破碎随着密度增加而增加,延迟收获并不影响籽粒破碎率,但是落穗损失率因倒伏和机收前田间掉穗而增加。卜俊周等[30]研究表明在相同密度下60 cm行距配置较65 cm行距配置的机械粒收损失率小,收获效率高。本团队前期研究提出影响机械粒收质量的因素还包括种植密度、行距配置和机械作业等[4]。王克如等[15]认为,机械粒收时不同机型显著影响籽粒破碎率和落粒损失率;同一机型不同机器、不同机手之间作业也会对籽粒破碎率、杂质率和落粒损失率产生显著影响。NGUYEN[31]报道,玉米果穗进入脱粒装置时,与转轴之间呈垂直、平行和斜向三个角度。脱粒装置的组配以及籽粒喂入方向等均会影响脱粒质量,脱粒装置在较低的运转速率下,籽粒破碎减小[18,28]。相茂国[32]研究表明,随着脱粒转速的升高玉米籽粒破碎率先降低后升高,2.99—7.77 m·s-1为适合脱粒速度。本研究调查范围内,虽然2015年收获时籽粒含水率较高,但收获的杂质率却远低于2013和2014年在相应籽粒含水率下的水平,分析认为可能与机械的调试状态和机手作业质量有关。4 结论
连续3年的测试表明,收获时的籽粒含水率是影响夏玉米机械粒收质量的关键因素,在相同含水率条件下,品种之间收获质量表现出显著差异。在当前主栽玉米品种熟期、类型及收获机械条件下,籽粒含水率低于26.92%（27%）时,籽粒破碎率、杂质率和损失率可分别控制在8%、3%和5%的国家标准内。通过选择熟期更早、脱水快的品种,控制播期和收获时间,以河南新乡为代表的黄淮海夏玉米区可以实现机械粒收,并保证收获质量。The authors have declared that no competing interests exist.
