玉米籽粒直收中籽粒及穗軸破損形態研究

虞順成，李耀明，馬 征，王建廷，胡必友，徐立章，唐 忠

(1.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇沃得農業機械有限公司，江蘇 鎮江 212311)

0 引言

玉米機械化收獲主要有玉米穗收和籽粒直收：玉米穗收是指機械化摘穗和剝皮，經晾曬后再用玉米脫粒機脫粒；籽粒直收是指采用機械化一次性完成摘穗、脫粒、分離及清選等工序，該技術于 20 世紀 50 年代在北美率先開始應用[1-3]，可以提高作業效率、縮短農時、降低勞動力成本，是我國玉米收獲技術的發展趨勢。

目前，我國大部分地區處在玉米穗收向籽粒直收的轉變過程中。王克如團隊[4]研究表明：我國玉米收獲時籽粒含水率平均值達到 26.65 %，玉米籽粒直收破碎率平均值達到8.56%，高于國標 [“玉米收獲機械 技術條件”(GB/T 21961-2008)]≤ 5%的要求。破損籽粒不僅降低玉米品質和銷售價格，且增大烘干成本及增加貯藏難度。顯然，籽粒破損碎率高已經成為我國玉米籽粒直收技術推廣的重要制約因素[5-6]。

國外學者 Chowdhury將玉米脫粒機中產生的機械損傷分為嚴重損傷型(籽粒 1/3 缺失)、頂部損傷型、種皮損傷型、胚損傷型、細小顆粒和粉未進行研究[7]。國內馬俊以釘齒式滾筒脫粒機為試驗臺進行研究，發現不同影響因素下玉米穗軸的軸斷比均服從正態分布，且含水率對玉米穗軸的軸斷比影響顯著[8]。目前，關于我國玉米籽粒直收中玉米籽粒及穗軸破損形態的研究較少，大多為針對小型玉米脫粒機或種子玉米脫粒機理的試驗研究[9-12]，針對玉米籽粒直收的研究多為根據經驗設計加工成玉米脫粒試驗臺架[13-14]進行室內試驗，其設計大多缺少自主的理論分析依據，沒有充分考慮田間籽粒直收中玉米破損情況。為此，對玉米籽粒直收中籽粒及穗軸的破損形態進行了統計分析，旨在為研制適合我國玉米籽粒直收的聯合收獲機械提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗地點為江蘇省鎮江市世業洲，玉米品種為鄭單958，生育期平均96天，單穗平均質量264g，玉米籽粒含水率27.75%，百粒質量平均40g，玉米穗軸含水率68.65%。

試驗設備為玉米籽粒聯合收獲機，發動機功率為117kW，如圖1所示。整機通過掛接行數為6行、寬度為3 990mm 的玉米摘穗式割臺進行收獲。脫粒裝置為切縱軸流結構，切流滾筒為安裝有長紋桿的閉式滾筒，縱軸流滾筒為安裝有短紋桿的閉式滾筒，脫粒凹板為柵格圓鋼式凹板。

1.2 試驗及統計方法

采用國家標準中規定的檢測方法(即烘干減重法)測量玉米籽粒及穗軸含水率。

收獲前在同一試驗地測定收獲面積，進行玉米籽粒直收試驗；每次收獲結束后，取糧箱籽粒樣本及脫出物中玉米穗軸分袋標記。

觀察測量破損玉米穗軸長度發現：玉米穗軸破損形態多樣，長度難以測定。為方便統計，按玉米穗軸長度每2cm劃分1個區間，由于較長穗軸較少，長度大于10cm記為1個區間[10,a]，共6個區間([0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]、[10,a])，分別進行統計，計算各區間穗軸的占比比例。

采用斷面比表述穗軸破損情況，即玉米穗軸斷面的投影面積與完整穗軸橫截面面積的比值。斷面比K用公式表示為

K=s/S

式中s—玉米穗軸斷面的投影面積(mm2)；

S—完整穗軸橫截面面積(mm2)。

根據玉米穗軸斷面比情況，可將穗軸斷面情況分為3種：斷面比為1/4的穗軸記為1/4斷面，斷面比為1/2的穗軸記為1/2斷面，斷面比為1的記為完整斷面。對以上3種穗軸分別進行統計，計算穗軸的占比比例。

采用四分法[15]對試驗樣品進行取樣。依據籽粒破損形態，分為以下幾類并分別稱重：

1)破碎籽?！耆扑槌刹灰巹t形狀的籽粒；

2)缺損籽?！睋p少于1/3的籽粒；

3)裂紋籽?！嬖诳梢暳鸭y的籽粒；

4)種皮破損籽?！砻娲嬖诓羵驍D傷的籽粒。

各破損形態籽粒占比計算公式為

P=Zp/Z×100%

P1=Z1/Z×100%

P2=Z2/Z×100%

P3=Z3/Z×100%

式中Z—籽粒樣品總質量(g)；

Zp—樣品中破損籽?？傎|量(g)；

Z1—破碎籽粒質量(g)；

Z2—缺損籽粒質量(g)；

Z3—裂紋籽粒質量(g)；

P—籽粒總破損率(%)；

P1—籽粒破碎率(%)；

P2—籽粒缺損率(%)；

P3—籽粒裂紋率(%)。

圖1 玉米籽粒聯合收獲機

2 結果與分析

2.1 玉米籽粒破損形態

觀察統計收獲籽粒樣本發現：在各破損形態中，種皮破損籽粒較少，玉米籽粒存在輕微擦傷或擠傷。其成因主要是收獲玉米籽粒含水率達27.75 %，當含水率較高時，玉米籽粒種皮相對較軟，籽粒具有一定柔韌性和塑性，玉米與機械結構、玉米與玉米之間相互擠壓、撞擊和揉搓致使籽粒產生輕微變形或種皮擦傷。

種皮破損籽粒不易識別且占比較少，因此在研究中主要對破碎籽粒(玉米籽粒完全破碎成不規則形狀)、缺損籽粒(缺損少于籽粒的1/3)及裂紋籽粒(外部肉眼可視裂紋)進行了統計分析。各破損形態及統計結果如圖2所示。

圖2 不同破損形態占比

由圖2可知：各破損形態中破碎籽粒與裂紋籽粒占比差別不大，缺損籽粒占比最小且變化不大。

損傷籽粒中破碎籽粒損傷最嚴重；其次是缺損籽粒，缺損籽粒中絕大多數是冠部缺損，有少數胚部缺損；裂紋籽粒損傷較為復雜，裂紋形態多樣，同一籽?？赡芡瑫r存在多條長短不一的裂紋，1條裂紋可能同時存在于多個部位。

取裂紋籽粒100粒，分別從冠部、背面、腹面(籽粒有胚的一面)和側面觀察可視裂紋狀況，結果如圖3所示。

圖3 玉米籽粒示意圖

統計玉米籽粒冠部、背面、腹面和側面存在裂紋的數量，分別統計計算各部位存在裂紋的比例，如表1所示。

表1 可視裂紋存在部位

由表1可知：玉米籽粒各部位中冠部存在裂紋的比例最高，背面存在裂紋的比例最低，有胚的腹面存在裂紋的比例高于沒有胚的背面。

取裂紋籽粒100粒，觀察統計裂紋橫向、縱向和不規則裂紋(同時存在橫向、縱向裂紋或任意方向裂紋)的數量，分別統計計算產生裂紋的方向所占比例，如表2所示。

表2 可視裂紋方向

由表2可知：產生縱向裂紋的比例大于產生橫向裂紋的比例，不規則裂紋占有一定比例。

玉米籽粒直收中籽粒含水率達27.75%，相關研究表明[16-17]：含水率的大小對籽粒脫粒性能有很大影響，相對于低含水率籽粒，直收中籽粒果柄較粗，具有一定韌性，機械強度大，增大了玉米籽粒從玉米穗軸上脫下的難度；高含水率籽粒相對飽滿，籽粒之間接觸緊密，側向與縱向相互擠靠形成支撐，也增大了脫粒難度。玉米籽粒參差不齊，在玉米籽粒直收過程中，玉米果穗上暴露在最外側的玉米籽粒冠部首先接受沖擊，當沖擊達到一定程度時冠部首先產生裂紋，隨著沖擊作用的增強，裂紋趨于嚴重直至破碎。因此，玉米缺損籽粒中絕大多數是冠部缺損，裂紋籽粒中冠部存在裂紋的比例最高。

研究發現：裂紋籽粒中腹面存在裂紋的比例高于背面，背面和腹面存在裂紋的籽粒其冠部多數也存在裂紋，同時半透明的籽粒種皮因具有較好的強度與韌性而不易破裂，對籽粒具有一定保護作用；玉米籽粒冠部、側面以及背面表層的胚乳為角質，中間近胚部分為粉質，粉質胚乳非常脆弱，相對飽滿的種胚在外力作用下易發生破裂。冠部產生的裂紋向種胚延伸與擴展，在背面和腹面形成縱向裂紋。

2.2 玉米穗軸破損形態

SEGHEL等發現：硬度較大的玉米穗軸在脫粒時對籽粒損傷有顯著影響，斷成幾段的穗軸對籽粒的撞擊增大了籽粒破碎率[18]。玉米穗軸是指玉米果穗脫去籽粒后所剩的果穗軸，也稱為玉米芯，其結構主要由芯髓、木質環形層和穎片3部分組成，每層的組織結構不同，表現出不同的物理力學特性。其外層穎片結構松軟，易變形；中間木質環形層堅硬、不易變形；內層芯髓狀似海綿，易裂[9]。

對收獲前后玉米穗軸進行統計分析，收獲前玉米穗軸長度平均為180 mm，穗軸直徑平均29 mm,籽粒直收后玉米穗軸斷面形態如圖4所示。

圖4 玉米穗軸斷面形態

統計結果如圖5、圖6所示。玉米穗軸長度以2～6cm為主，斷面比以1/4和1/2斷面為主。結果表明：籽粒直收試驗與脫粒機試驗中玉米穗軸形態存在明顯差異，玉米穗軸破損形態復雜多樣，玉米穗軸全部被打斷或打碎，穗軸斷面中存在的完整斷面絕大多數是玉米穗軸的小端。

圖5 玉米穗軸長度分布圖

圖6 玉米果穗斷面分布圖

用玉米穗軸完整度Dw來評價破碎的單個玉米穗軸，則Dw可定義為

Dw=l/L×K

式中l—破碎的玉米穗軸長度(cm)；

L—整個玉米穗軸長度(cm)；

K—玉米穗軸斷面比。

研究發現：玉米穗軸小端完整度最大，說明玉米穗軸力學性質受組織結構影響較大。余吉洋等對玉米穗軸的基本特性進行了研究，結果表明：玉米穗軸不同部位及含水率對玉米穗軸的力學特性有顯著影響[19]。玉米籽粒直收時玉米穗軸含水率達68.65%，穗軸破碎嚴重，完整度較低，殘留在玉米穗軸上的籽粒不易脫落，造成籽粒二次脫粒損傷，影響籽粒破損率。

3 結論

1) 玉米籽粒直收中籽粒破損形態可分為破碎籽粒、缺損籽粒、裂紋籽粒。

2) 裂紋籽粒各部位中，冠部存在裂紋的比例最高，背面存在裂紋的比例最低，有胚的腹面存在裂紋的比例高于沒有胚的背面，產生縱向裂紋大于產生橫向裂紋的比例；缺損籽粒中，絕大多數是冠部缺損，有少數胚部缺損，表明玉米籽粒直收中籽粒冠部最易損傷，籽粒易產生縱向損傷。

3) 玉米籽粒直收中玉米穗軸破損形態復雜，玉米穗軸長度以2～6cm為主，斷面比以1/4和1/2為主，穗軸小端完整度最大。