玉米稈、穗、粒力學(xué)特性的品種與密度效應(yīng)研究

李銀昌 張兆玉 曹紅波 朱如華 丁山 楊錦忠

摘要：為明確玉米“稈-穗-?！绷W(xué)特性的品種與密度效應(yīng)，于2016年和2017年分別設(shè)置20個(gè)品種、7個(gè)品種×3個(gè)密度組合的田間試驗(yàn)，測(cè)定玉米莖稈-雌穗和穗軸-籽粒的連接力學(xué)特性，以及穗軸、籽粒的力學(xué)特性。通過方差分析、效應(yīng)估算、多重比較、遺傳相關(guān)等方法分析數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，供試玉米品種的莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽粒縱向和橫向連接力、穗軸抗壓碎力和抗彎折力的取值范圍分別為291～579、5.57～13.69、5.10～9.66、1 070～3 849、140～355 N，籽?？箟核榱?、抗剪切力、穿刺強(qiáng)度的變化范圍分別是89～157 N、42.7～105.0 N及48.1～77.0 MPa。品種、品種×密度互作對(duì)莖稈-雌穗連接力和穗軸-籽粒縱向、橫向連接力影響顯著，品種、密度對(duì)穗軸抗壓碎力和抗彎折力影響顯著，穗軸抗壓碎力和抗彎折力隨種植密度的增加呈下降趨勢(shì)。品種對(duì)莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽粒縱向和橫向連接力、穗軸抗壓碎力和抗彎折力的總貢獻(xiàn)率分別為52.08%、40.55%、18.71%、89.71%、56.92%，均高于其他效應(yīng)因子的總貢獻(xiàn)率。品種對(duì)籽?？箟核榱?、抗剪切力、穿刺強(qiáng)度影響顯著。籽粒抗壓碎力分別與長度、周長、面積、表面積、體積、矩形度呈顯著正相關(guān)，穿刺強(qiáng)度分別與厚度、面積、表面積、體積、矩形度呈顯著正相關(guān)，抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強(qiáng)度分別與比表面積呈顯著負(fù)相關(guān)。綜之，品種是影響玉米“稈-穗-?！边B接特性和穗軸、籽粒力學(xué)特性的主要因素，籽粒比表面積分別與其抗壓碎力、抗剪切力、穿刺強(qiáng)度相關(guān)性顯著。這些結(jié)果可為玉米宜機(jī)收品種選育和栽培、收獲機(jī)具設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米;力學(xué)特性;莖稈-雌穗連接力;穗軸-籽粒連接力;籽粒;品種;種植密度

中圖分類號(hào)：S513.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A ?文章編號(hào)：1001-4942（2019）06-0062-07

Abstract In order to clarify variety and density effects on the mechanical properties of stalk， ear and grain of maize， the field trials of 20 varieties and 7 variety × 3 density combinations were set in 2016 and 2017， respectively. The mechanical properties of stalk-ear and cob-grain connection were determined， as well as the mechanical properties of cob and grain. The data were analyzed by ANONA， effect estimation， multiple comparison and genetic correlation analysis. The results showed that the values of stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 291～579， 5.57～13.69， 5.10～9.66， 1 070～3 849 and 140～355 N， respectively. The variation ranges of crushing resistance， shearing resistance and punctur strength were 89～157 N， 42.7～105.0 N and 48.1～77.0 MPa， respectively. Variety and variety×density interaction had significant effects on stalk-ear connection force and cob-grain longitudinal and lateral connection force; variety and density had significant effects on crushing resistance and bending resistance of cob， and the crushing resistance and bending resistance of cob decreased with the increase of planting density. The total contribution rate of varieties to stalk-ear connection force， cob-grain longitudinal and lateral connection force， crushing resistance and bending resistance of cob were 52.08%， 40.55%， 18.71%， 89.71% and 56.92% respectively， and all of them were higher than that of the other effectors. Variety had significant effects on grain crushing resistance， shearing resistance and puncture strength. The crush resistance of grain was significantly positively correlated with length， perimeter， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The puncture strength was significantly positively correlated with thickness， area， surface area， volume， and rectangularity， respectively. The crushing resistance， shearing resistance and puncture strength were significantly negatively correlated with the specific surface area， respectively. In summary， variety was the main factor affecting the stalk-ear-grain connection characteristics and the mechanical properties of cob and grain of maize， and the specific surface area of grain was significantly correlated with crushing resistance， shearing resistance and puncture strength， respectively. These results could provide references for maize variety selection and cultivation and harvester design.

Keywords Maize; Mechanical properties; Stalk-ear connection force; Cob-grain connection force; Grain; Variety; Planting density

籽粒機(jī)械直收是我國玉米生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但目前普遍存在著高破碎率、高損失率、高雜質(zhì)率等收獲質(zhì)量問題[1-3]。玉米“稈-穗-?！北舜诉B接的力學(xué)特性以及穗軸、籽粒的力學(xué)特性是影響籽粒收獲質(zhì)量的重要因素，也是收獲機(jī)具設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。因此，研究玉米籽粒直收相關(guān)力學(xué)特性對(duì)于提高籽粒收獲質(zhì)量和推動(dòng)籽粒直收機(jī)具的研發(fā)具有重要意義。

對(duì)于玉米莖稈、穗軸、籽粒力學(xué)特性方面的問題，前人已做過一些研究。崔日鮮等[4]提出一種新的抗倒指數(shù)法，并且通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，隨種植密度增加，玉米植株的風(fēng)荷載逐漸降低，抗莖倒指數(shù)也逐漸降低。Anazodo[5]通過對(duì)玉米穗軸進(jìn)行徑向壓縮和純彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，品種、含水率等對(duì)穗軸的力學(xué)性質(zhì)均有顯著影響。余吉洋[6]通過對(duì)玉米穗軸的測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，品種對(duì)玉米穗軸力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。薛軍等[7]通過品種大區(qū)鑒選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)籽粒含水率低于20.1%時(shí)，籽粒破碎率隨穗軸抗折斷力提高呈極顯著的指數(shù)增加趨勢(shì)。李心平等[8]對(duì)籽粒的沖擊破碎試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含水率、品種對(duì)沖擊破壞力有顯著影響。雖然目前關(guān)于玉米莖稈、穗軸、籽粒力學(xué)特性的研究開展較多，但關(guān)于莖稈-雌穗和穗軸-籽粒連接力學(xué)特性的相關(guān)試驗(yàn)研究還鮮見報(bào)道。本研究設(shè)置品種與密度的互作試驗(yàn)，解析了玉米莖稈-雌穗、穗軸-籽粒的連接特性和穗軸、籽粒力學(xué)特性的品種與密度效應(yīng)，并探明了籽粒力學(xué)特性與幾何性狀之間的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和材料

田間試驗(yàn)分別于2016年和2017年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園（35.53°N，119.58°E）實(shí)施。供試土壤為砂姜黑土。0～20 cm耕層土壤的理化性狀：pH=7.38，有機(jī)質(zhì)含量14.11 g/kg，堿解氮78.63 mg/kg，速效磷35.69 mg/kg，速效鉀128.52 mg/kg。供試玉米品種見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年試驗(yàn)設(shè)置20個(gè)品種（表1），3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。種植密度統(tǒng)一為每平方米7.5株。每小區(qū)種植5行，行長6.6 m，行距0.6 m，株距0.22 m。小麥?zhǔn)斋@后旋耕，人工雙粒點(diǎn)播播種。

2017年試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)品種（表1）和3個(gè)密度（每平方米6.0、7.5、9.0株，下同），采用改良間比法設(shè)計(jì)。每小區(qū)種植8行，小區(qū)行長6 m，行距0.6 m。麥?zhǔn)蘸竺飧?，人工雙粒點(diǎn)播播種。

2016年試驗(yàn)于播種前一次性施入22-8-12（N-P2O5-K2O）控釋肥825 kg/hm2;6月16日播種，10月17日收獲。2017年試驗(yàn)于播種前一次性施入25-11-12（N-P2O5-K2O）控釋肥800 kg/hm2;6月20日播種，10月22日收獲。其它管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。成熟期采收3～5個(gè)代表性植株，用于各項(xiàng)力學(xué)和形態(tài)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

除特別說明外，均使用SANS-CMT450電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)定力學(xué)特性。

1.3.1 莖稈-雌穗連接特性 將含果穗的莖稈固定在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，下夾具固定結(jié)穗位下部莖稈，上夾具套在果穗下方，以7 mm/min的速度垂直向上拉果穗，記錄穗柄斷裂的拉力峰值，即為莖稈-雌穗連接力。重復(fù)3次。

1.3.2 穗軸-籽粒連接特性 每個(gè)果穗保留位置充分散開的14顆籽粒，脫粒時(shí)避免擾動(dòng)這些保留籽粒。使用裝有托普HF-20數(shù)顯推拉力儀的玉米果穗軸粒連接力測(cè)量裝置[9]測(cè)定穗軸-籽粒的縱向和橫向連接力峰值。每個(gè)方向測(cè)7粒，重復(fù)3次。

1.3.3 穗軸力學(xué)特性 將穗軸平放在測(cè)試臺(tái)上，上壓力板以7 mm/min的速度勻速向下運(yùn)動(dòng)，記錄穗軸破裂時(shí)的力峰值，即為抗壓碎力;測(cè)定穗軸抗彎折力則是將其平放在夾具上，兩端支點(diǎn)間距60 mm，壓頭以7 mm/min的速度對(duì)準(zhǔn)中點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，記錄穗軸破裂的力峰值，即為抗彎折力。各3次重復(fù)。

1.3.4 籽粒力學(xué)特性 將含水率為26%的籽粒立放并固定在測(cè)試臺(tái)上，上壓力板以5 mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，測(cè)定籽粒的抗壓碎力;將籽粒側(cè)放并固定在測(cè)試臺(tái)上，專用剪切刀以5 mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，測(cè)定籽粒的抗剪切力。當(dāng)籽粒被壓碎或切碎時(shí)，記錄窗口顯示的力峰值。每個(gè)品種測(cè)21粒，2次重復(fù)。

利用YYD-1B型數(shù)字式測(cè)力儀沿垂直方向勻速穿刺籽粒無胚面，當(dāng)籽粒被刺穿時(shí)，記錄儀器顯示的峰值，即為穿刺強(qiáng)度。每個(gè)品種測(cè)21粒，2次重復(fù)。

利用Epson Scan V330掃描儀獲取分辨率為600 DPI的籽粒無胚面和有胚面圖像，每次掃描21粒，2次重復(fù);使用自編圖像處理軟件[10]測(cè)量籽粒長度、寬度、周長、面積，利用電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺于籽粒中部測(cè)量厚度，每次21粒，2次重復(fù)。

籽粒其它形態(tài)性狀的計(jì)算公式如下：矩形度=面積/外接矩形面積，表面積=周長×厚度+面積×2，體積=面積×厚度，比表面積=表面積/體積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

效應(yīng)大小是指各種因子的作用或影響，用因子的貢獻(xiàn)率表示，可以通過方差分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。總貢獻(xiàn)率表示某因子的作用占總作用的比例，偏貢獻(xiàn)率表示某因子的作用占總偏作用的比例?？傋饔冒Ｐ推渌蜃拥淖饔?，總偏作用則不包括模型其它因子的作用。二者從不同角度反映因子的作用大小，并且均是無量綱的純數(shù)[11-13]。

因子的總貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米“稈-穗-粒”連接特性

2.1.1 莖稈-雌穗連接特性的品種和密度間差異 莖稈-雌穗連接力是玉米收獲機(jī)摘穗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，影響著籽粒機(jī)收的損失率。由表2可知，品種、品種×密度互作對(duì)莖稈-雌穗連接力影響顯著（P<0.05），密度對(duì)莖稈-雌穗連接力影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻(xiàn)率（表2）可以看出，品種取值52.08%，對(duì)莖稈-雌穗連接力作用最大;密度和品種×密度互作的取值分別為0.94%和10.95%，遠(yuǎn)小于品種的取值。偏貢獻(xiàn)率也表現(xiàn)出類似的情形。因此，品種是影響玉米莖稈-雌穗連接力的主要因素。

玉米莖稈-雌穗連接力的變異范圍為291～579 N（圖1）。鄭單958的莖稈-雌穗連接力最小，顯著低于其他品種;粒收1號(hào)的最大，與新單68、豐墾139、創(chuàng)玉107差異不顯著。供試品種按莖稈-雌穗連接力從大到小排序是：粒收1號(hào)>新單68>豐墾139>創(chuàng)玉107>迪卡517>利單618>鄭單958。

2.1.2 穗軸-籽粒連接特性的品種和密度間差異 穗軸-籽粒連接力是玉米收獲機(jī)脫粒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也影響到籽粒的脫凈率。由表3可知，品種、品種×密度互作對(duì)穗軸-籽粒縱向、橫向連接力的影響均達(dá)到顯著水平（P<0.05），而密度對(duì)它們的影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻(xiàn)率（表3）上看，品種分別取值40.55%和18.71%，對(duì)穗軸-籽粒連接力作用最大;密度的數(shù)值為負(fù)數(shù)，表示其作用為零;而品種×密度互作的數(shù)值相對(duì)于品種的取值較小。因此，品種是影響玉米穗軸-籽粒連接力的主要因素。

玉米穗軸-籽?？v向連接力的變幅為5.57～13.69 N（圖2）。粒收1號(hào)的縱向連接力最大，且與利單618差異不顯著;豐墾139的縱向連接力最小，約是粒收1號(hào)的40.7%。供試品種按穗軸-籽?？v向連接力的大小排序?yàn)椋毫Ｊ?號(hào)>利單618>新單68>創(chuàng)玉107>鄭單958>迪卡517>豐墾139。

2.2 玉米穗軸、籽粒力學(xué)特性

2.2.1 穗軸力學(xué)特性的品種和密度間差異 在機(jī)械脫粒過程中，穗軸的力學(xué)特性既影響籽粒的破碎率，也影響雜質(zhì)率。由表4可知，品種、密度對(duì)穗軸抗壓碎力和抗彎折力影響顯著（P<0.05），品種×密度互作影響不顯著（P>0.05）。

從總貢獻(xiàn)率（表4）看，品種分別取值89.71%和56.92%，密度和品種×密度互作的數(shù)值接近于零，說明品種對(duì)穗軸抗壓碎力和抗彎折力的作用最大，而密度和品種×密度互作的作用幾乎為零。偏貢獻(xiàn)率也表現(xiàn)出類似的情形。因此，品種是影響玉米穗軸抗壓碎力和抗彎折力的主要因素。

參試玉米品種的穗軸抗壓碎力的變異范圍是1 070～3 849 N，穗軸抗壓碎力隨種植密度的提高整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（表5、圖4）。在3個(gè)密度條件下，粒收1號(hào)的穗軸抗壓碎力均最大，豐墾139的穗軸抗壓碎力最小，整體上約是粒收1號(hào)的30%。供試品種按穗軸抗壓碎力從大到小排序是：粒收1號(hào)>創(chuàng)玉107>利單618>迪卡517>鄭單958>新單68>豐墾139。

2.2.2 籽粒抗壓碎力的品種間差異 籽?？箟核榱τ绊懽蚜５钠扑槁?。品種對(duì)籽?？箟核榱τ绊戯@著（P<0.0001）。20個(gè)品種的籽?？箟核榱υ?9～157 N內(nèi)變化，抗壓碎力最大的品種是登海528，與聊玉B32、先玉335差異不顯著（表6）。

2.2.3 籽粒抗剪切力的品種間差異 籽粒抗剪切力是影響破碎率的另一個(gè)重要指標(biāo)。品種對(duì)籽粒抗剪切力影響顯著（P<0.0001）。20個(gè)品種的籽粒抗剪切力在42.7～105.0 N之間變化，籽?？辜羟辛ψ畲蟮钠贩N是QN-2，與金海Z-3、QN-1、聊玉B3、魯單9136等差異不顯著（表6）。

2.2.4 籽粒穿刺強(qiáng)度的品種間差異 籽粒穿刺強(qiáng)度也是影響破碎率的重要指標(biāo)。品種對(duì)籽粒穿刺強(qiáng)度影響顯著（P<0.0001）。20個(gè)品種籽粒穿刺強(qiáng)度的變化范圍是48.1～77.0 MPa，穿刺強(qiáng)度最大的品種是連勝2018，先玉335、聊玉B19、聊玉B32、QN-2、QN-3、金海Z-5等與其差異不顯著（表6）。

2.2.5 籽粒力學(xué)特性與幾何性狀的遺傳相關(guān)分析 由表7可知，長度、周長、面積、表面積、體積、矩形度與抗壓碎力呈顯著正相關(guān);厚度、面積、表面積、體積、矩形度與穿刺強(qiáng)度呈顯著正相關(guān);比表面積與籽?？箟核榱?、抗剪切力、穿刺強(qiáng)度均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.572、-0.534、-0.820。

3 討論

玉米籽粒機(jī)械化收獲是指通過收獲機(jī)械在田間一次性完成摘穗、剝苞葉、脫粒、分離、清選并入倉的過程[14]。關(guān)于籽粒機(jī)械化收獲方面的研究，眾多研究將重點(diǎn)放在籽粒的力學(xué)特性上，有關(guān)摘穗、脫粒時(shí)莖稈-雌穗、穗軸-籽粒連接特性的信息很少。莖稈-雌穗連接力和穗軸-籽粒縱向、橫向連接力分別影響摘穗和脫粒時(shí)的損失率，因此，本試驗(yàn)將重點(diǎn)放在對(duì)莖稈-雌穗連接特性、穗軸-籽粒連接特性的研究上，使整個(gè)試驗(yàn)?zāi)依藦恼氲矫摿＿^程中所涉及到的關(guān)鍵力學(xué)特性，構(gòu)成一個(gè)比較完整的體系。

顯著性只能表明某因子作用的存在，卻無法提供因子作用大小的信息，不能反映因子作用的實(shí)質(zhì)重要性[15]，無法直接比較不同因子的重要性，尤其是在它們擁有相同統(tǒng)計(jì)顯著性情形下的相對(duì)重要性。本研究通過計(jì)算因子的效應(yīng)大小反映因子作用的實(shí)質(zhì)重要性，用總貢獻(xiàn)率和偏貢獻(xiàn)率作為反映因子效應(yīng)大小的指標(biāo)[16]。結(jié)果表明，玉米“稈-穗-?！边B接特性及穗軸、籽粒力學(xué)特性的品種效應(yīng)顯著大于密度、互作等其他因子的效應(yīng)。通過不同因子效應(yīng)大小的比較，能夠提供關(guān)于效應(yīng)的更深刻認(rèn)識(shí)。

針對(duì)本試驗(yàn)籽?？箟核榱Φ臏y(cè)定方向問題，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒破碎率受最小破碎力影響較大[16]，同一品種、同一含水率的玉米籽粒在立放時(shí)的抗壓能力最小[18-23]。故本試驗(yàn)均以立放的方式測(cè)定籽粒的抗壓碎力。張鋒偉等[20]測(cè)得當(dāng)含水率為22.6%時(shí)金穗4號(hào)的籽粒抗壓碎力為122.4 N;楊玉芬等[21]測(cè)得富油1號(hào)和東單1號(hào)在籽粒含水率為22.9%時(shí)的抗壓碎力分別為160.5 N和128.8 N;趙學(xué)篤等[23]測(cè)得玉米籽粒在24%含水率的條件下的抗壓碎力是59 N。本研究測(cè)得當(dāng)籽粒含水率為26%時(shí)，20個(gè)玉米品種的籽粒抗壓碎力在89～157 N范圍內(nèi)變化。這些結(jié)果盡管不完全相同，但數(shù)值接近，反映了籽?？箟核榱Φ幕厩闆r，而且本研究的供試品種遺傳背景更加豐富，結(jié)果代表性更好。

本研究發(fā)現(xiàn)比表面積是一個(gè)重要的幾何性狀，顯著影響籽粒的3種力學(xué)特性，對(duì)穿刺強(qiáng)度的影響尤為明顯，二者的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，達(dá)0.820。此外，本課題組發(fā)現(xiàn)與含水率相比，籽粒穿刺強(qiáng)度能夠更精確地預(yù)測(cè)脫粒破碎率，是影響脫粒破碎率的直接因素（詳細(xì)數(shù)據(jù)未列出，將另文發(fā)表）。

4 結(jié)論

品種是影響玉米“稈-穗-?！边B接特性及穗軸力學(xué)特性的主要因素。密度對(duì)穗軸抗壓碎力和抗彎折力的影響顯著，品種×密度互作對(duì)莖稈-雌穗連接力、穗軸-籽?？v向、橫向連接力的影響顯著。玉米品種對(duì)籽粒的穿刺強(qiáng)度、抗壓碎力和抗剪切力有強(qiáng)烈影響;籽粒比表面積與穿刺強(qiáng)度、抗壓碎力和抗剪切力相關(guān)性顯著，是一個(gè)重要的幾何性狀。這些研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于宜機(jī)收玉米品種的選育和栽培、收獲機(jī)具的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)：

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