0 引言
【研究意义】机械收获是当前中国实现玉米生产全程机械化的瓶颈[1],而籽粒直接收获是未来机械收获发展的趋势。目前中国机收玉米以摘穗为主,籽粒收获正在各地兴起,但普遍存在籽粒破碎率高等收获质量问题[2-4],严重制约了该项技术的推广,因此,分析当前中国玉米机械粒收的质量现状,明确影响收获质量的主控因素,对于机械粒收技术的快速、健康发展具有重要的意义。【前人研究进展】玉米机械粒收技术于20世纪50年代始于北美,自70年代得到全面推广。在推广过程中,随着机械收获方式由穗收向粒收转变、并配套烘干存储方式以及高含水率籽粒脱粒、高温干燥、高速处理设备的应用,收获玉米籽粒含水率高、破碎率大的问题凸显出来,为此,美国及相关玉米生产技术先进国家围绕玉米籽粒含水率和破碎等质量问题开展了大量研究,并逐步使这些问题得到解决[5-7]。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,收获质量受到种植品种、收获机械及其作业质量、收获时间等众多因素影响。【本研究切入点】由于国内玉米机械粒收技术研究与应用尚处于起步阶段,相关研究报道和能够参考借鉴的资料甚少,中国玉米种植区域广泛、生态类型多样,机械粒收技术在不同区域的大田应用收获质量存在什么问题均不清楚。为此,本团队自2010年起在全国各玉米主产区率先开展机械粒收技术的试验示范与推广[1],获得大量田间收获质量测试数据。【拟解决的关键问题】本研究通过对玉米机械粒收时籽粒破碎率、杂质率和田间损失率等质量指标以及籽粒含水率的测试,分析中国玉米机械粒收质量的现状及影响收获质量的主控因素,为玉米机械粒收技术的推广提供依据。1 材料与方法
1.1 试验年份、地点及样品数量
本研究自2011年至2015年,在西北灌溉春玉米区的新疆、甘肃和宁夏,黄淮海夏玉米区的河南、山东、河北、安徽、江苏和天津,东、华北春玉米区的黑龙江、辽宁、吉林、内蒙古、山西和北京等15个省（市,区）进行玉米机械粒收试验与示范,收获季节进行田间测试,共获得168个地块1 698组机械籽粒收获质量样本数据（表1）。Table 1
表1
表1试验示范区域及样本分布
Table 1The numbers and distribution of tested samples at different regions
| 区域 Experimental region | 省份 Province | 调查地块数 Numbers of field | 样本数 Numbers of sample |
|---|---|---|---|
| 西北灌溉春玉米区 Spring maize area in Northwest China | 新疆、甘肃、宁夏 Xinjiang, Gansu, Ningxia | 122 | 770 |
| 黄淮海夏玉米区 Summer maize area in Huang-Huai-Hai | 河南、山东、河北、安徽、江苏、天津 Henan, Shandong, Hebei, Anhui, Jiangsu, Tianjing | 23 | 479 |
| 东北、华北春玉米区 Spring maize area in North, Northeast China | 黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山西、北京 Heilongjiang, Jilin, Liaoning, Inner Mongolia, Shanxi, Beijing | 23 | 449 |
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1.2 调查项目与方法
1.2.1 籽粒含水率及破碎率、杂质率测定方法 在测试地块,随机取收割地块机仓内收获的籽粒样品约2 kg,首先用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。
1.2.2 田间机收损失率调查方法 在测试的已收割地块随机选取3个样点,每个样点取2 m长一个割幅宽（4—8行玉米）面积做为样区,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（%）=（单位面积田间落粒重+单位面积田间落穗籽粒重）/单位面积产量×100。
1.3 调查测试的玉米品种
测试品种包括郑单958、登海605、登海618、登海177、京科968、京农科728、京农科528、MC812、农华101、农华106、农华206、中单909、联创808、伟科702、桥玉8号、宁玉524、宁玉525、宁玉721、宁玉735、隆平206、辽单565、辽单588、良玉66、DL1101、利民33、陕单619、九玉1011、真金8号、丹玉8201、新玉56、新玉39、先玉335、先玉696、38P05、中种8号、DK516、DK517、DK519、M751、M753、德美亚1号、KX2030、KWS1568、KWS2564、KWS1566、KWS3564、KWS7551、KWS807、KWS5383、KWS5808、KWS9384、利合16等50余个国内外种业培育的玉米品种,基本可以代表当前中国机械粒收采用的主体品种。1.4 调查测试的机型
调查的收割机型包括约翰迪尔系列（John Deere,JD-3518、JD-3316、JD-3106、JD-1076、JD-1075、JD-1079、JD-W210、JD-C100、JD-C110、JD-C200、JD-C230、JD-S660）、凯斯（CASS-6088）、佳联-6、东风E-514、东风E-518、麦赛福格森（MF-T7）、福田雷沃谷神（GE50、GK80）、花田玉溪（4YZT-220）、博远（4YZ-6）等国内外20余种玉米联合收获机型。1.5 调查数据的统计分析方法
调查样本数据处理及统计分析采用Excel 2003和SPASS 19.0软件进行。2 结果
2.1 玉米机械粒收质量现状
由表2可见,1 698个机械粒收样本含水率平均为26.83%,分布范围11.3%—48.0%,变异系数为21.25%;籽粒破碎率最低值为0.34%,最高值为51.49%,均值为8.63%,破碎率指标高于≤5%的国标“玉米收获机械技术条件”（GBT-21961—2008）要求;杂质率最低值为0,最高值为18.01%,均值为1.27%,低于≤3%的国标（GBT-21961—2008）要求。机收损失率包括落粒损失和落穗损失两部分,其中,落粒、落穗损失分别占总损失率的34.7%和65.3%,表明当前玉米机械粒收落穗损失大于落粒损失;落粒损失的变异系数也明显低于落穗损失,表明落穗损失在田块、品种间收获变化更大。试验共获得1 420个产量损失有效调查样本,落穗、落粒合计损失籽粒重最低为0.10 g·m-2（折每亩损失0.067 kg）,最高为419.88 g·m-2（折每亩损失279.9 kg）,均值为24.71 g·m-2,折合每亩损失籽粒重16.5 kg。如果按全国平均单产6 000 kg·hm-2（400 kg/667m2）计,总损失率平均为4.12%,低于≤5%的国标（GBT-21961—2008）标准。Table 2
表2
表2玉米籽粒收获质量指标观测值及其统计描述
Table 2The observed values of maize grain harvesting quality and the statistical description
| 调查指标 Variability | 样本量 Number | 平均数 Average | 最大值 Max. | 最小值 Min. | 极差 Range | 变异系数 CV (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 籽粒含水率 Grain moisture content (%) | 1698 | 26.83 | 48.00 | 11.30 | 36.70 | 21.25 |
| 破碎率 Broken rate (%) | 1698 | 8.63 | 51.49 | 0.34 | 51.49 | 71.63 |
| 杂质率 Impurity rate (%) | 1698 | 1.27 | 18.01 | 0.00 | 18.01 | 134.57 |
| 落粒损失量 Kernel loss (g·m-2) | 1420 | 8.58 | 181.99 | 0.07 | 181.92 | 145.34 |
| 落穗损失量 Ear loss (g·m-2) | 1420 | 16.13 | 416.67 | 0.00 | 416.67 | 257.78 |
| 机收总损失量 Total loss (g·m-2) | 1420 | 24.71 | 419.88 | 0.10 | 419.88 | 164.51 |
| 损失率 Loss rate (%) | 1420 | 4.12 | 69.98 | 0.02 | 69.96 | — |
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2.2 籽粒含水率与主要收获质量指标之间的相关性
籽粒含水率、破碎率、杂质率和损失率间的相关分析表明（表3）,籽粒破碎率、杂质率、落粒、落穗量及总损失量与含水率之间均呈极显著正相关,其中破碎率与籽粒含水率的关系最密切,说明籽粒含水率是影响玉米机械粒收质量的主要因素。破碎率与杂质率、落粒量之间也呈极显著正相关关系。落穗量与总损失量高度相关,即,总损失量中落穗损失所占份额较落粒损失更大。Table 3
表3
表3籽粒含水率、破碎率、杂质率和损失率间的相关系数
Table 3The correlation coefficient between grain moisture content, broken rate, impurity rate and loss rate
| 籽粒含水率 Grain moisture content | 破碎率 Grain breakage rate | 杂质率 Impurity rate | 落粒量 Grain loss | 落穗量 Ear loss | |
|---|---|---|---|---|---|
| 破碎率 Grain broken rate | 0.587** | ||||
| 杂质率 Impurity rate | 0.404** | 0.300** | |||
| 落粒量 Grain loss | 0.136** | 0.208** | 0.124* | ||
| 落穗量 Ear loss | 0.163** | -0.05NS | 0.301** | 0.115* | |
| 总损失量 Total loss | 0.190** | 0.118* | 0.253** | 0.392** | 0.961** |
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2.3 破碎率与籽粒含水率之间的关系
籽粒破碎率是评价玉米机械收获质量的重要指标。由图1可见,籽粒破碎率有随含水率增大而增大的趋势。在破碎率≥15%的样本中,有73.4%的样本含水率分布在30%以上。在籽粒含水率<30%的样本中,虽然破碎率低于8%的样本较多,但也有一定数量的样本破碎率超过15%;而在籽粒含水率≥30%的样本中,也有一些样本破碎率低于8%,表明籽粒含水率是影响破碎率的重要因素,但不是唯一因素。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1玉米籽粒破碎率与含水率之间的关系
-->Fig. 1The correlation between grain broken rate with grain moisture content
-->
籽粒破碎率（y）与含水率（x）呈极显著正相关关系（r=0.587**,n=1698）,可用二次多项式y= 0.0372x2- 1.4826x+20.422（R2=0.452**,n=1 698）进行拟合。利用该方程估测,籽粒含水率在19.9%时破碎率最低;如果按破碎率≤5%的国标标准（GBT-21961—2008）,在当前品种和收获条件下,籽粒含水率必须控制在19%左右收获才能满足要求;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）,籽粒含水率应控制在28%以下收获。
2.4 杂质率与籽粒含水率的关系
杂质率是评价玉米机械粒收质量并影响产品收购的一个重要指标。国标（GBT-21961—2008）规定机械粒收杂质率≤3%,粮食烘干收储企业虽未对该指标进行界定,但要根据抽样检测结果扣除杂质。通过1 698组样本分析（图2）可见,杂质率有随籽粒水分含量增大而增大的趋势,两者之间呈极显著正相关关系（r=0.404**,n=1 698）,可用方程y=0.1215- 1.9867（R2=0.163**,n=1 698）拟合,利用该方程估测,当籽粒含水率增加到41%时,估测杂质率为2.995%,接近杂质率≤3%国标（GBT-21961—2008）要求,因此,从杂质率角度考虑,籽粒含水率低于40%收获一般均可以满足国标要求。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2杂质率与玉米籽粒含水率间的关系
-->Fig. 2The correlation between impurity rate and grain moisture content
-->
2.5 最佳机械粒收质量的籽粒含水率范围
玉米机械粒收最佳的时期应是破碎率、杂质率和田间产量损失率3项指标均较低的时候。由于破碎率、杂质率和田间损失率均与籽粒含水率存在极显著关系,建立三者与籽粒含水率之间的联立方程：Y破碎率=0.0372X2-1.4826X+20.42;Y杂质率=0.1215X-1.9867;Y损失率=0.182X2-8.584X+128.07,可以进行不同籽粒含水率时破碎率、杂质率和损失率的估测。表4给出了籽粒含水率14%—35%时估测的破碎率、杂质率和损失率结果。Table 4
表4
表4籽粒不同含水率条件下破碎率、杂质率和损失率的预测
Table 4The estimated values of grain broken rate, impurity rate, and combine loss rate
| 籽粒含水率 Moisture content (%) | 破碎率 Broken rate (%) | 杂质率 Impurity rate (%) | 机收损失率 Loss rate (%) | 籽粒含水率 Moisture content (%) | 破碎率 Broken rate (%) | 杂质率 Impurity rate (%) | 机收损失率 Loss rate (%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 14 | 6.96 | 0 | 3.63 | 25 | 6.61 | 1.05 | 2.09 | |
| 15 | 6.55 | 0 | 3.34 | 26 | 7.02 | 1.17 | 2.13 | |
| 16 | 6.22 | 0 | 3.08 | 27 | 7.51 | 1.29 | 2.21 | |
| 17 | 5.97 | 0.08 | 2.85 | 28 | 8.07 | 1.42 | 2.31 | |
| 18 | 5.79 | 0.20 | 2.64 | 29 | 8.71 | 1.54 | 2.45 | |
| 19 | 5.68 | 0.32 | 2.47 | 30 | 9.42 | 1.66 | 2.61 | |
| 20 | 5.65 | 0.44 | 2.33 | 31 | 10.21 | 1.78 | 2.81 | |
| 21 | 5.69 | 0.56 | 2.22 | 32 | 11.07 | 1.90 | 3.04 | |
| 22 | 5.81 | 0.69 | 2.14 | 33 | 12.01 | 2.02 | 3.30 | |
| 23 | 6.01 | 0.81 | 2.10 | 34 | 13.02 | 2.14 | 3.58 | |
| 24 | 6.27 | 0.93 | 2.08 | 35 | 14.10 | 2.27 | 3.90 |
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国标（GB/T 21962—2008）“玉米收获机械 技术条件”中规定了玉米机械粒收总损失率≤5%,籽粒破碎率≤5%,籽粒含杂率≤3%。由表4可见,在籽粒含水率在14%—35%收获,除破碎率外,杂质率和损失率均低于国标规定值。因此,籽粒破碎率是当前机械粒收的主要质量问题以及确定收获时期的主要指标。根据拟合结果,籽粒含水率在17%—22%之间收获,破碎率可控制在5%左右水平;如果按照粮食烘干收储企业要求的破碎率≤8%的标准,则机械粒收应在籽粒含水率不高于28%时进行。
3 讨论
3.1 籽粒破碎率高是当前中国玉米机械粒收存在的主要质量问题
本文对中国15个玉米主产省（区）168个机械粒收地块1 698组样本测试的结果表明,在籽粒破碎率、含杂率和田间损失率3项收获质量指标中,破碎率平均达到8.63%,高于≤5%的国标“玉米收获机械 技术条件”（GBT-21961—2008）要求;杂质率均值为1.27%、总损失率为4.12%,分别低于≤3%、≤5%的国标要求。籽粒收获过程中的高破碎率不仅降低了玉米品质等级和销售价格,而且导致收获产量下降,并增大烘干成本、增加安全贮藏的难度[5-8],当前,籽粒破碎率高是中国玉米机械粒收技术推广面临的主要质量问题。20世纪50年代北美率先应用玉米机械粒收技术时,随着高水分籽粒脱粒、高温干燥、高速处理设备的应用,也同样面临玉米籽粒破碎率高的问题[6-7]。HENRY等[6]观测到,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。HILL等[9]调查发现,将等级为2级标准的玉米从美国中西部运输至港口,破碎率超过了4级玉米的标准。因籽粒破碎严重,美国玉米在出口贸易时曾经因等级下降,农民遭受巨大损失。这些质量问题严重威胁到美国玉米在国际市场的地位[5,10]。为此,美国及相关玉米生产技术先进国家围绕玉米籽粒破碎问题开展了大量研究,并逐步使这一问题得到了解决。
3.2 籽粒含水率高是导致机械粒收质量差的主要原因
本研究表明籽粒含水率与破碎率、杂质率、田间损失率呈极显著相关,在一定范围内,随着籽粒含水率增加,破碎率、杂质率和田间损失率增加。1 698组测试样本显示,当前中国玉米机械粒收时含水率平均为26.83%,远高于18%—23%这一国外普遍认为的最佳含水率收获指标。HALL等[11]研究认为,籽粒含水率在20%—23%时收获破碎率最低;COWDHURY等[12]报道籽粒含水率23%时机械损伤率最低。PLETT[13]对加拿大6个玉米品种研究表明,籽粒破碎率与含水率呈显著相关,破碎率最低时的籽粒含水率为16.7%—22.1%。PAULSEN[14]提出籽粒破碎敏感度（breakage susceptibility,BS）与含水率（M）的关系符合BS=171.3exp(-0.29M),通过该公式可估测籽粒破碎率。本文对当前中国1 698个样本破碎率与籽粒含水率的回归分析发现,两者关系以二次多项式拟合度最高,即破碎率在籽粒含水率较低和较高时均有增大趋势,破碎率的最低值并非出现在籽粒含水率最低时,根据拟合结果,破碎率最低时的含水率为19.9%,按破碎率、杂质率、田间损失率三者与籽粒含水率之间建立的联立方程估测,籽粒含水率控制在17%—22%收获,破碎率可以控制在5%左右水平;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）,籽粒含水率应控制在28%以下收获才能满足要求,因此,籽粒含水率高是导致当前籽粒破碎率高的主要原因。在本研究中也看到,籽粒含水率能够解释破碎率变化的45.2%,在籽粒含水率<30%的样本中,也有一定数量的样本（占26.6%）破碎率超过15%;而在≥30%的样本中,同样,也有一些样本破碎率低于8%,表明籽粒含水率是影响破碎率的主要因素,但不是唯一因素。由此可见,破碎率不仅受籽粒含水率影响,还受收获机械类型与调试状况[11,15]以及品种、栽培措施和生态气候因素的影响 [16-18]。
美国玉米带在机械粒收技术推广之初,籽粒破碎率高的原因之一也是收获期籽粒含水率过高[19-21],但他们通过延迟收获使籽粒含水率降至20%甚至更低时收获[22],一定程度上解决了这一问题。中国北方春玉米区可借鉴这一做法,但黄淮海夏玉米区因一年两熟种植制,给玉米收获预留的时间较短,这一做法不可行,需研究其他途径来解决。
3.3 收获时籽粒含水率已经成为一个重要的经济问题
收获时较高的籽粒含水率对玉米收获、烘干、贮藏、运输和加工利用均产生较大影响,使玉米种植者遭受经济损失,还易引起籽粒霉变,影响玉米品质。在美国北部及加拿大、北欧和俄罗斯部分地区,以及中国黑龙江北部区域,玉米机械粒收时因含水率高,常造成额外的烘干能耗费用,且增加机械收获的难度,籽粒破碎率偏高。DUTTA[7]认为,籽粒含水率超过20%时收获机械损伤率急剧增加,美国玉米由机械穗收向粒收方式转变过程中存在籽粒含水率过高收获导致机械损伤大的问题。尤其在美国北部,籽粒破碎问题更受关注,因为这些地区收获时籽粒含水率通常达到25%以上,收获后要快速干燥至安全含水率,而快速干燥意味着使用高温干燥,高温干燥使籽粒破碎敏感度（BS）进一步增大[19-20]。LACKEY等[23]报道,在加拿大,当收获玉米的籽粒含水率在25%以上时,每吨玉米烘干的费用为24加元,每年加拿大因烘干玉米的费用超过2亿加元;RAGAI等[24]研究发现,当玉米籽粒含水率高于21%时,在自然条件或低温干燥情况下贮藏会发霉,谷物安全贮藏含水率应低于14%。目前中国许多玉米产区,收获时玉米籽粒含水率通常在30%—40%,难以实现机械粒收,还导致堆积晾晒过程中的发霉,影响玉米商用品质。由此可见,当前中国玉米收获时籽粒含水率已经成为一个重要的经济问题。相关研究表明,收获时玉米籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脱水速率控制,籽粒脱水速率受基因型、生态气象因素和栽培措施共同作用[16, 25-28],因此,选择适当早熟、成熟期籽粒含水率低、脱水速度快的品种,适时收获,建立配套烘干存贮设施是中国各玉米产区实现机械粒收技术的关键措施。同时,针对中国玉米种植区域广、种植方式与品种类型多的特点,需要加强玉米籽粒脱水生理机制的研究和各地籽粒脱水特征的系统观测,为玉米机械粒收技术的推广和品质改善提供理论依据和技术支撑。4 结论
通过在中国15个玉米主产省区168个机械粒收地块1 698组样本测试结果表明,籽粒破碎率平均达到8.63%,高于≤5%的国标“玉米收获机械 技术条件”（GBT-21961—2008）要求;杂质率均值为1.27%,总损失率为4.12%,分别低于≤3%、≤5%的国标要求。籽粒破碎率高是当前中国玉米机械粒收技术推广面临的主要质量问题。破碎率、杂质率和田间损失率3个机收质量指标均与籽粒含水率呈极显著相关,其中,破碎率与籽粒含水率呈二次曲线关系,可用y=0.011x2-0.122x+3.529估测。如果按破碎率≤8%的粮食烘干收储企业标准,籽粒含水率应控制在28%以下收获才能满足要求。The authors have declared that no competing interests exist.
