王克如，李少昆

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玉米機(jī)械粒收破碎率研究進(jìn)展

王克如，李少昆

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

機(jī)械粒收是玉米收獲技術(shù)發(fā)展的方向，是玉米實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化、轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式的關(guān)鍵。當(dāng)前，籽粒收獲過程中破碎率高的問題不僅降低玉米等級(jí)和銷售價(jià)格，而且導(dǎo)致收獲產(chǎn)量下降，并增大烘干成本、增加安全貯藏的難度，是推廣機(jī)械粒收技術(shù)面臨的重要問題。玉米不同基因型間籽粒破碎率存在顯著差異，抗破碎特性是可遺傳的性狀，可通過育種培育抗破碎率的品種；不同收獲機(jī)械和作業(yè)參數(shù)對(duì)籽粒破碎率有顯著影響，選擇軸流式收獲機(jī)，并根據(jù)玉米生長(zhǎng)、成熟和籽粒含水率狀況及時(shí)檢查與調(diào)試收獲機(jī)參數(shù)是保證低破碎率的有效措施；生態(tài)環(huán)境因素對(duì)破碎率也有顯著的影響，籽粒形成、自然干燥和收獲期的光照、溫度、濕度等因素均會(huì)影響到籽粒硬度、容重、含水率和質(zhì)地等與籽粒破碎相關(guān)的特性；種植密度、水肥管理、收獲時(shí)期等栽培管理措施對(duì)籽粒破碎率也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。因此，針對(duì)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件，應(yīng)選擇適宜生育期內(nèi)能與當(dāng)?shù)毓鉁刭Y源匹配的品種以及確定品種適宜的種植區(qū)域。合理種植密度、優(yōu)化氮肥管理和適量灌溉有利于降低破碎率，而選擇在最佳收獲期收獲是降低籽粒破碎率的最有效措施。

玉米；機(jī)械收獲；籽粒；破碎率；影響因素；籽粒含水率

玉米是中國第一大糧食作物，2015年種植面積超過3800萬公頃，總產(chǎn)超過2.18億噸。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力已無法滿足傳統(tǒng)玉米生產(chǎn)方式的需求，全程機(jī)械化是玉米生產(chǎn)發(fā)展的必然之路。當(dāng)前，玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸在機(jī)械收獲，而機(jī)械粒收是玉米機(jī)械收獲技術(shù)發(fā)展的方向[1]。作者團(tuán)隊(duì)自2010年起開展玉米籽粒收獲技術(shù)的研究與推廣，至2016年共獲得2 450組田間機(jī)械籽粒收獲測(cè)試樣本，結(jié)果顯示籽粒破碎率平均達(dá)到8.56%，變幅為0.13%—51.82%，遠(yuǎn)高于國外≤5%的標(biāo)準(zhǔn)[2]。破碎率高不僅降低玉米等級(jí)和銷售價(jià)格，導(dǎo)致收獲產(chǎn)量下降，也增大烘干成本、增加安全貯藏的難度。這些調(diào)研表明籽粒破碎率已經(jīng)成為中國玉米機(jī)械粒收技術(shù)推廣的重要限制因素。為進(jìn)一步提高中國玉米籽粒收獲機(jī)械化程度，降低收獲成本，提高機(jī)械粒收的比較效益，明確籽粒破損率的研究方向，本文對(duì)國內(nèi)外有關(guān)籽粒收獲破碎率方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 籽粒破碎率的定義

籽粒破碎是由于機(jī)械損傷籽粒后產(chǎn)生的結(jié)果。STEELE等[3]給籽粒機(jī)械損傷（mechanical damage）定義為機(jī)械收獲的籽粒出現(xiàn)任何破裂（rupture）或種皮破損均為機(jī)械損傷。同時(shí)他還強(qiáng)調(diào)機(jī)械損傷與官方定義的BS（breakage susceptibility，即BS）標(biāo)準(zhǔn)有所不同。美國一般采用破碎敏感度BS表示籽粒受機(jī)械損傷及產(chǎn)生破碎的程度。1983年美國谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)對(duì)玉米籽粒BS的定義是在機(jī)械搬運(yùn)過程中，籽粒遭受到?jīng)_擊力產(chǎn)生損傷或破裂的可能性（the potential for kernel fragmentation or breakage of a load or batch of corn subjected to impact force when transported mechanically）。測(cè)定方法一般采用特定儀器（如Wisconsin breakage tester和Stein breakage tester）模擬籽粒脫粒時(shí)遭受的沖擊力，通過對(duì)一定量籽粒樣品施加外力、作用一定時(shí)間后，將處理過的樣品過12/64英寸（4.76 mm）圓孔篩，根據(jù)過篩后的物品重量占樣品總重的百分比來表征BS[4]。WELLER等[5]對(duì)玉米籽粒在外力作用下的應(yīng)力損傷值和兩種籽粒破碎儀（wisconsin breakage tester，WBT和stein breakage tester，SBT）測(cè)定的BS值研究表明，應(yīng)力損傷值和WBT、SBT測(cè)試的BS值之間的相關(guān)值分別為0.72和0.47（192個(gè)樣本）；WBT和SBT兩者之間測(cè)試結(jié)果相關(guān)系數(shù)是0.64。SBT測(cè)試值相關(guān)性較低與其受收獲時(shí)籽粒水分含量影響較大有關(guān)。可見玉米籽?？蛊扑樾钥捎闷湓谑艿酵饬_擊作用時(shí)產(chǎn)生的破碎程度即籽粒破碎敏感度（BS）來表示。

2 籽粒破碎率高曾是國外玉米機(jī)械收獲技術(shù)發(fā)展的重要制約因素

玉米機(jī)械粒收技術(shù)于20世紀(jì)50年代在北美率先開始應(yīng)用[6]。美國在推廣機(jī)械脫粒技術(shù)初期，因脫粒時(shí)籽粒含水率較為合適，一般在20%以下，機(jī)械損傷問題并不突出。隨著機(jī)械收獲方式及相配套的烘干存儲(chǔ)方式轉(zhuǎn)變和高含水率籽粒脫粒、高溫干燥、高速處理設(shè)備的應(yīng)用，收獲玉米的籽粒含水率范圍擴(kuò)大，20%—35%的玉米也能收獲，收獲高含水率玉米時(shí)，籽粒機(jī)械損傷過大、玉米籽粒破碎率增加等問題日益凸顯出來[7-8]。Dutta[4]認(rèn)為，籽粒含水率超過20%時(shí)收獲機(jī)械損傷率急劇增加，美國玉米由機(jī)械穗收向粒收方式轉(zhuǎn)變過程中存在籽粒含水率過高收獲導(dǎo)致機(jī)械損傷大的問題。尤其在美國北部，籽粒破碎問題更受關(guān)注，因?yàn)檫@些地區(qū)收獲時(shí)籽粒含水率通常達(dá)到25%以上，收獲后要快速干燥至安全含水率，而快速干燥意味著使用高溫干燥，高溫干燥使籽粒破碎敏感度（breakage susceptibility，BS）進(jìn)一步增大。Waelti等[8]觀測(cè)到，在相同籽粒含水率條件下存放，機(jī)械脫粒玉米因存在機(jī)械損傷（29%的機(jī)械損傷率），其霉變速度比手工脫粒玉米快2—3倍，而且?guī)в衅扑橛衩椎暮娓少M(fèi)用是無破碎玉米的6—7倍。HILL等[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，將等級(jí)為2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的玉米從美國中西部運(yùn)輸至港口，破碎率超過了4級(jí)玉米的標(biāo)準(zhǔn)。因籽粒破碎嚴(yán)重，美國玉米在出口貿(mào)易時(shí)曾經(jīng)等級(jí)下降，農(nóng)民遭受巨大損失。這些質(zhì)量問題嚴(yán)重威脅到美國玉米在國際市場(chǎng)的地位[7,10]。為此，美國及相關(guān)玉米生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)國家圍繞玉米籽粒破碎問題開展了大量研究，并逐步使這一問題得到了解決。

3 影響籽粒破碎率的主要因素

造成玉米籽粒破碎率高的原因很多，主要包括品種、機(jī)械、栽培措施和生態(tài)氣候因素等。

3.1 品種因素

Sehgal等[11]研究玉米脫粒機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，籽粒與穗軸聯(lián)結(jié)較緊密的品種在脫粒時(shí)籽粒破碎較高，品種與籽粒含水率均顯著影響脫粒時(shí)機(jī)械損傷程度。李川等[12]、易克傳等[13]研究結(jié)果也顯示品種及籽粒含水率顯著影響籽粒破碎率。Waelti[7]發(fā)現(xiàn)，在相同含水率條件下機(jī)械收獲，雜交種PioneerX的破碎率顯著高于Pioneer 3418；不同品種籽粒破碎對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)存在差異，在籽粒含水率為22%時(shí)，PioneerX比Pioneer3418反應(yīng)更敏感，分析這一差異可能與兩品種籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。此后大量研究證實(shí)，不同基因型間玉米籽粒破碎敏感度（BS）不同，根據(jù)BS值可將玉米品種的破碎表現(xiàn)劃分為感、抗和中間型等不同類型，籽粒的感或抗破碎性有較高的遺傳力[14-16]。JOHNSON等[17]對(duì)80個(gè)自交系和來自于這些自交系組配的40個(gè)雜交種研究發(fā)現(xiàn)，自交系和雜交種間籽?？蛊扑樾源嬖陲@著差異，對(duì)這些材料抗破碎性的遺傳力估計(jì)為77%—87%；基因型和環(huán)境的互作效應(yīng)顯著，其中基因型的貢獻(xiàn)在25%—58%；抗破碎材料通常籽粒較小且胚乳堅(jiān)硬。

Duarte等[18]對(duì)巴西10個(gè)品種在4種氮肥處理（0—180 kg N·hm-2）下的測(cè)試結(jié)果表明，籽粒硬度和BS受基因型和氮肥用量影響，其中基因型影響更大。Vyn等[19]在加拿大的安大略省研究了5個(gè)雜交種在2種密度（5.5株/m2和7株/m2）、不同籽粒含水率（30%和24%）下收獲及在不同溫度（20，40，80，100℃）下干燥后籽粒的破碎率，結(jié)果表明不同品種BS有差異，一些可遺傳的品種籽粒性狀與破碎率有關(guān)，如籽粒大?。ㄐ×１却罅Ｆ贩N更抗破碎）、籽粒形態(tài)（圓形籽粒破碎率較高，而扁平籽粒較低）、粒重（粒重與BS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，粒重越大，BS越?。?、籽粒體積密度（密度越大的籽粒破碎率越低）。Kniep等[20]選用2個(gè)Opaque-2玉米品種和2個(gè)普通品種測(cè)試表明，Opaque-2品種籽粒密度較正常品種低5%，其破碎率是普通品種的2.4倍，認(rèn)為這種差異與兩類品種籽粒成份及結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。Plett[21]對(duì)加拿大6個(gè)玉米品種研究表明，品種間籽粒破碎率存在差異，籽粒含水率在15.1%—22.1%間破碎率最低；破碎率與播種至吐絲期的天數(shù)、籽粒含水率呈極顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，認(rèn)為品種間破碎率的差異主要是籽粒含水率和容重不同所致。VYN等[22]選用1959至1988年在加拿大Ontario中部種植面積較大的6個(gè)雜交種代表不同年代品種，研究表明新品種籽粒的容重、籽粒密度、粒重均高于老品種，氮含量也高于老品種，但不同年代品種間破碎率并無顯著差異。TSAI[23]研究認(rèn)為晚熟品種BS更低，早、晚熟玉米籽粒灌漿期最大的差異在于醇溶蛋白含量和氮的同化過程不同，晚熟品種醇溶蛋白含量高與其籽粒破碎率低有關(guān)。Bauer等[24]發(fā)現(xiàn)早熟品種隨著播期推遲其籽粒BS增大，而晚熟品種推遲播期BS并未增大，認(rèn)為晚熟品種BS低主要是由品種內(nèi)在特性決定的。

DORSEYREDDING等[25]認(rèn)為玉米籽粒的破碎與籽粒胚乳特性有關(guān)。籽粒硬度是玉米胚乳內(nèi)在特性的反映，它與籽粒BS不同，盡管兩者有一定相關(guān)性。在機(jī)械收獲時(shí)，籽粒常產(chǎn)生應(yīng)力損傷，即內(nèi)部損傷，受內(nèi)傷的籽粒從外觀看并沒有破碎，因此不同品種胚乳的硬度不同，其產(chǎn)生的應(yīng)力損傷也不同。他們還發(fā)現(xiàn)，籽粒的應(yīng)力損失降低了籽粒硬度，結(jié)果導(dǎo)致更高的BS。Vyn等[19]發(fā)現(xiàn)高的籽粒破碎率與高的胚乳應(yīng)力損傷有關(guān)，圓形籽粒具有較高的胚乳應(yīng)力損傷，收獲時(shí)破碎率更高。Weller等[5]對(duì)4個(gè)玉米品種籽粒應(yīng)力損傷和破碎敏感度的測(cè)試表明，不同品種間籽粒的應(yīng)力損傷與BS有顯著差異。BS隨著籽粒含水率的增加而增加，相同品種在籽粒不同水分含量下收獲，其應(yīng)力損傷無顯著差異，但BS差異顯著。Gunasekaran等[26]研究了2個(gè)玉米品種應(yīng)力損傷與籽粒BS之間的關(guān)系，并對(duì)不同品種籽粒的應(yīng)力損傷（籽粒上有細(xì)的裂紋）進(jìn)行了分類，包括1條裂紋、2條裂紋、多條裂紋和無裂紋4類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩品種樣品中有裂紋的籽粒比例較相似，但具有不同裂紋條數(shù)的籽粒比例有顯著差異，多條裂紋籽粒比例高的品種具有高的BS。

除了胚乳特性外，一些學(xué)者還提出玉米穗軸特性對(duì)籽粒機(jī)械損傷有顯著影響[8,11]。Seghel等[11]發(fā)現(xiàn)果穗穗軸硬的品種在脫粒時(shí)，因穗軸容易斷成幾段，機(jī)械脫粒中因破碎的穗軸對(duì)籽粒的撞擊造成籽粒破碎率增大，認(rèn)為可以通過對(duì)親本自交系穗軸特性的研究來預(yù)測(cè)后代機(jī)械收獲的性能。Waelti等[8]發(fā)現(xiàn)隨著籽粒含水率下降，籽粒形狀變小，表明籽粒在脫水過程中發(fā)生皺縮；隨著籽粒含水率下降，籽粒的強(qiáng)度和應(yīng)力增強(qiáng)；籽粒的脫粒力（即籽粒脫離穗軸的力）不依賴于籽粒含水率和籽粒其他特性；隨著籽粒含水率的下降，籽粒脫粒時(shí)的損傷率下降；果穗在田間脫粒和帶回實(shí)驗(yàn)室脫粒，籽粒的損傷率無顯著差異，并認(rèn)為影響籽粒脫粒損傷的主要因素是籽粒的脫粒力、籽粒強(qiáng)度、籽粒變形能力（加壓前籽粒厚度與加壓后籽粒厚度之差）、穗軸硬度，低的籽粒破損率總是與低的脫粒力、高的籽粒強(qiáng)度、低的籽粒變形能力和低的穗軸硬度相聯(lián)系。Sriatave等[27]、楊玉芬等[28]研究發(fā)現(xiàn)脫粒時(shí)籽粒受沖擊的部位及沖擊力大小是造成損傷的主要因素。脫粒過程中籽?？v向破裂多于橫向破裂，表明籽?？箍v向沖擊的能力較弱。通過沿縱向施加剪應(yīng)力（shear stress）時(shí)發(fā)現(xiàn)籽粒很少能傳遞這種力，證明是其抗縱向沖擊力弱的主要原因。因此，認(rèn)為籽粒沿縱向單位面積吸收的能量與抗破碎密切相關(guān)，縱向剪應(yīng)力參數(shù)可作為籽?？箾_擊破碎可信度較高的參數(shù)，可用于品種評(píng)價(jià)。

3.2 機(jī)械因素

玉米機(jī)械粒收是指通過收獲機(jī)械在田間一次性完成收攏玉米植株、摘穗、剝?nèi)ス肷系陌~、脫粒、分離并清選，然后把干凈的籽粒送入收割機(jī)谷物倉的過程，與機(jī)械收穗作業(yè)最大的不同在于脫粒和籽粒清選環(huán)節(jié)[6]。谷物脫粒根據(jù)其原理不同可以分為沖擊脫粒、擦搓脫粒、梳刷脫粒、碾壓脫粒和振動(dòng)脫粒。聯(lián)合收獲機(jī)上主要采用的是沖擊、擦搓和梳刷3種脫粒方式，但不同類型收獲機(jī)采用的脫粒方式不同，脫粒時(shí)產(chǎn)生的破碎也不同。目前發(fā)展的軸流式收獲機(jī)是以擦搓式脫粒為主，機(jī)械損傷率較低，而傳統(tǒng)收獲機(jī)多以切流加沖擊式脫粒為主，相對(duì)于軸流式有更高的破碎率[6,29-31]。

玉米聯(lián)合收獲機(jī)脫粒裝置普遍采用的是滾筒加凹板組合成的脫粒結(jié)構(gòu)。滾筒上焊接或安裝有板（釘）齒或紋桿，板（釘）齒和紋桿有不同形狀和大小，不同類型的聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒元件以及在滾筒上的數(shù)量及其排列方式不同。一般來說，脫粒元件在滾筒上呈螺旋式分布，便于玉米果穗轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沿軸向運(yùn)動(dòng)，并能降低破碎率。玉米脫粒是在滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)下帶動(dòng)果穗運(yùn)動(dòng)，果穗在滾筒和凹板間與滾筒上的脫粒元件相互作用以及果穗與果穗相互作用下，對(duì)果穗產(chǎn)生打擊、擠壓、搓擦力使籽粒脫下。因此，滾筒類型、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒與凹板間隙、滾筒上的脫粒元件等均會(huì)影響脫粒時(shí)的籽粒破碎率[32]。滾筒與凹板的前后間隙大小對(duì)果穗產(chǎn)生的擠壓和搓擦力不同，對(duì)籽粒破碎率會(huì)有一定影響，因此，即使是同一型號(hào)的收割機(jī)，因不同機(jī)器其間隙設(shè)置不同，也會(huì)造成籽粒破碎率的不同。MAHMOUD等[33]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于大麥?zhǔn)斋@，紋桿滾筒破碎率大，而釘齒滾筒破碎率??；BRANDINI[34]在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試發(fā)現(xiàn)，脫粒玉米時(shí)，紋桿滾筒的破碎率比橡膠面的角桿滾筒破碎率低；BRASS[35]也得到相似結(jié)果。CHOWDHURY等[36]通過室內(nèi)玉米脫粒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滾筒上的釘齒數(shù)由6個(gè)增加至12個(gè)時(shí)，籽粒破碎率顯著增加。Arnold[37]研究了紋桿滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒直徑、紋桿間距、凹板間隙喂入量、喂入方向?qū)γ摿Ｐ屎推扑槁实挠绊懀Y(jié)果表明，降低滾筒轉(zhuǎn)速是消除或減輕機(jī)械損傷最有效的途徑，但降低滾筒轉(zhuǎn)速的同時(shí)也降低了脫粒的工作效率。吳多峰等[38]研究發(fā)現(xiàn)靠擠搓力脫粒的板齒式滾筒較靠打擊力脫粒的釘齒式滾筒的籽粒破碎率更低。余羅謙[39]利用有限元分析法分析板齒式玉米脫粒機(jī)的脫粒效果，得出當(dāng)板齒螺旋角在35—40度時(shí)脫粒性能最優(yōu)。李心平等[40]依據(jù)雞喙和手搓方式研制出仿生脫粒裝置進(jìn)行玉米脫粒時(shí)有更低的破碎率。Waelti[8]的研究表明，造成籽粒機(jī)械損傷的主要原因是滾筒轉(zhuǎn)速、其次是滾筒與凹板間隙，滾筒上板齒的類型、數(shù)量及排列方式均對(duì)其有影響。Fox等[41]利用高速拍照系統(tǒng)觀測(cè)玉米機(jī)械脫粒過程，發(fā)現(xiàn)脫粒時(shí)果穗要遭受7—9次沖擊才能將籽粒從穗軸上脫下來，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，被脫下的籽粒并非立即就能通過凹板的柵格，脫粒過程中有相當(dāng)一部分被脫下的籽粒隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并遭受脫粒元件、果穗、穗軸的多次打擊與磨擦，使籽粒破碎率進(jìn)一步提高。滾筒轉(zhuǎn)速顯著影響籽粒破碎，對(duì)于籽粒含水率為28%的玉米果穗，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為每分鐘300轉(zhuǎn)時(shí)，籽粒損傷率是15%；當(dāng)提高到700轉(zhuǎn)時(shí)，損傷率高達(dá)28%。Ayres等[42]調(diào)查了美國Iowa州玉米的田間收獲，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)收獲的玉米籽粒損傷率在16.4%—79.4%，而且主要是脫粒時(shí)通過凹板造成的損傷，損傷范圍在12%—60%。

Koehler[43]研究了兩款脫粒機(jī)脫粒造成的損傷部位，發(fā)現(xiàn)14.3%的籽粒損傷是頂部損傷，29.8%損傷是胚乳損傷，13.4%是其他部位和種皮損傷；Brass[44]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械損傷籽粒中56%的損傷粒是胚乳和種皮損傷，44%的損傷是籽粒頂端破損。李心平等[45]研究了含水率為15.6%時(shí)東單1號(hào)玉米籽粒不同部位破碎的最大承載力后發(fā)現(xiàn)，籽粒腹面最抗破碎（其承載的最大破碎力為399.3 N），其次是籽粒側(cè)面（227.3 N），而籽粒頂部最易破碎（174 N）；Chowdhury等[46]研究認(rèn)為籽粒破碎隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加而增加，而且胚和種皮損傷是籽粒從穗軸上脫下但未能及時(shí)通過凹板又被柵格條和滾筒等沖擊造成的損傷，這部分損傷占總損傷的50%以上，即如果改進(jìn)脫粒裝置，使脫下的籽粒及時(shí)通過凹板可降低脫粒損傷至少50%。Chowdhury將玉米籽粒收獲中產(chǎn)生的機(jī)械損傷分為嚴(yán)重?fù)p傷型（籽粒1/3缺失）、頂部損傷型、胚損傷型和種皮損傷型，以及細(xì)小顆粒和粉未。他們發(fā)現(xiàn)各類損傷均隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高而增大，其中嚴(yán)重?fù)p傷型增大幅度最明顯；在各類損傷中，種皮損傷最多，其次是頂部損傷，再次是胚損傷，第四是嚴(yán)重?fù)p傷，第五是細(xì)小顆粒和粉末（12/64 inch篩）。不同籽粒含水率（16%—28%）脫粒的結(jié)果表明，當(dāng)籽粒含水率在16%時(shí)，機(jī)械損傷最高，特別是頂部損傷；隨著籽粒含水率增大，頂部損傷變小，但種皮損傷增大；胚損傷在籽粒含水率在22%—23%時(shí)最低。籽粒含水率過低時(shí)容易脫粒，但滾筒正常轉(zhuǎn)速使脫下的籽粒不能及時(shí)通過凹板的柵條導(dǎo)致被二次或更多次沖擊出現(xiàn)更多的機(jī)械損傷。因此，低含水率（低于20%）玉米收獲時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低滾筒轉(zhuǎn)速，而籽粒含水率在22%—23%時(shí)收獲最為適宜[47]。

Johnson等[48]對(duì)機(jī)械脫粒原理的研究認(rèn)為，籽粒從穗軸上脫落是果穗受外部壓力產(chǎn)生不同變形引起的，脫粒壓力的產(chǎn)生是籽粒間相互傳遞負(fù)載的壓力而不是由果穗變形誘導(dǎo)的；橫向載荷使果穗橫截面被剖開；軸向載荷使果穗沿軸向斷裂成更小的斷片。果穗的破壞和變化分析表明，籽粒的脫粒主要是由于外力作用下籽粒與穗軸連接的花梗組織（pedicel tissue）產(chǎn)生彎曲變形導(dǎo)致籽粒側(cè)面產(chǎn)生接觸力。籽粒頂端產(chǎn)生磨擦力的結(jié)果是果穗拉伸應(yīng)力，這種力對(duì)脫粒的作用似乎相對(duì)較低；脫粒的機(jī)制是沖擊載荷作用的結(jié)果，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)載荷作用下產(chǎn)生較高的變形應(yīng)力（deflections and stresses）。試驗(yàn)結(jié)果還表明，隨著籽粒脫下數(shù)量的增加，繼續(xù)脫下籽粒時(shí)所需的能量是下降的，因?yàn)樵诟叩臎_擊力作用下，更多籽粒處于脫下與未脫之間的臨界狀態(tài)。籽粒被脫下所需的能量隨著籽粒含水率的增加而增加，因?yàn)楦吆实墓胼S在破裂前需吸收更多的能量。施加壓力的模式（橫向或軸向）并未對(duì)脫粒所需能量產(chǎn)生顯著的影響；籽粒的破碎隨著籽粒含水率和施加壓力模式的變化而增大，在軸向方向施加壓力和在高含水率下的破碎率更高。Sriastava等[49]研究認(rèn)為籽粒損傷主要發(fā)生在玉米收獲脫粒過程和烘干過程，脫粒時(shí)籽粒受沖擊的部位、沖擊力大小是影響籽粒損傷的主要因素，而沖擊力持續(xù)時(shí)間對(duì)籽粒損傷的影響不明顯；籽?？v向抗沖擊的能力比較弱，導(dǎo)致機(jī)械脫粒過程中縱向破裂的籽粒數(shù)多于橫向破裂數(shù)，Mohamed[50]的試驗(yàn)得出相同結(jié)論。因此，在設(shè)計(jì)脫粒裝置時(shí)有必要考慮籽粒的這一特點(diǎn)，以減輕脫粒過程中對(duì)籽粒施加的縱向切力。

3.3 生態(tài)氣象因素

大量研究表明，與籽粒破碎有關(guān)的籽粒硬度、容重、密度等特性均與玉米生長(zhǎng)發(fā)育期間所處的生態(tài)環(huán)境因素密切相關(guān)。Plett[21]在加拿大中南部的Manitoba對(duì)6個(gè)玉米品種3年中收獲時(shí)籽粒機(jī)械損傷問題研究發(fā)現(xiàn)，破碎率與籽粒含水率呈極顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。不同年際間因籽粒發(fā)育期光照、溫度和濕度的不同，使得成熟期籽粒容重和含水率均有差異。破碎率最低時(shí)的籽粒含水率為15.6%，最高時(shí)為21.8%，在不同年份間有差異，表明籽粒形成發(fā)育和收獲期間的環(huán)境對(duì)籽粒破碎率產(chǎn)生顯著影響。Bauer等[24]研究表明，雨養(yǎng)條件下玉米產(chǎn)量?jī)H有灌溉條件的一半，但籽粒破碎率更低；不同年份間相同品種破碎率表現(xiàn)出的差異與不同年份籽粒發(fā)育階段的氣候條件有關(guān)；推遲播期，早熟品種BS增大與籽粒發(fā)育所處環(huán)境改變有關(guān)。

籽粒在田間干燥脫水階段的溫濕度變化，或干濕交替變化均會(huì)導(dǎo)致玉米籽粒產(chǎn)生應(yīng)力損傷，為機(jī)收脫粒時(shí)的破碎提供內(nèi)在條件。籽粒生理成熟至收獲期間，晴天與雨天交替，即干濕交替次數(shù)越多、干濕差異強(qiáng)度越大，造成籽粒應(yīng)力損傷程度也越大。機(jī)械收獲時(shí)大氣的溫、濕度同樣也影響籽粒的破碎率。Benson[51]報(bào)道生理成熟前遭遇霜凍是造成籽粒變脆、BS增大的重要原因，機(jī)械收獲時(shí)破碎率高。Vyn等[19]研究發(fā)現(xiàn)田間籽粒脫水階段干燥溫度的增高會(huì)造成籽粒長(zhǎng)度、寬度和厚度增加，導(dǎo)致粒重下降，進(jìn)而影響收獲時(shí)籽粒的破碎。

3.4 栽培措施

作物生產(chǎn)農(nóng)藝因素對(duì)籽粒物理特性有重要影響，并進(jìn)一步影響機(jī)收時(shí)籽粒的破碎率。GUNASEKARA等[52]研究認(rèn)為種植密度、播期影響籽粒形成期的光溫條件，進(jìn)而影響籽粒破碎敏感度；MOENTONO等[15]發(fā)現(xiàn)種植密度和土壤氮素水平顯著影響兩個(gè)供試品種籽粒破碎敏感度；Bauer等[24]研究了播期、種植密度、灌溉（水地）與非灌溉（旱地）、氮肥施用量、不同熟期品種等5個(gè)方面對(duì)玉米籽粒BS的影響，發(fā)現(xiàn)BS隨播期后延而增大，每后延10 d，增大1.6%；種植密度每增加2.0 株/m2，BS平均增大1.5%—2.0%；灌溉與非灌溉比較，無灌溉的旱地處理產(chǎn)量（483 g·m-2）只有灌溉處理（893 g·m-2）的55%，但籽粒BS卻顯著低于灌溉處理；籽粒BS隨氮肥用量增加（0—11g·m-2）而下降。Vyn等[19]研究了5個(gè)玉米雜交種在2種密度（5.5株/m2和7株/m2）、不同籽粒含水率（30%和24%）下收獲和在不同溫度（20，40，80，100℃）下干燥后籽粒的破碎率，結(jié)果表明，增加種植密度，籽粒BS略有增加；收獲時(shí)較低的籽粒含水率有利于降低BS；BS與籽粒干燥溫度密切相關(guān)，籽粒破碎率隨干燥溫度增加而增加。因此，選擇適宜品種、在較低籽粒含水率條件下收獲以及在較低溫度下干燥能夠減少破碎。此外，晚收破碎率低，除了籽粒含水率低外，粒重增加也是原因之一。

玉米籽粒角質(zhì)胚乳比例高有利于降低BS，多施氮肥能提高籽粒中角質(zhì)胚乳的比例[52-53]。Duarte等[18]研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥，籽粒產(chǎn)量增加，籽粒氮含量增加，籽粒硬度略有增加，籽粒BS降低1.9%—6.9%。Kniep等[20]研究表明，增加氮肥用量所有參試品種的BS均下降，而灌溉使籽粒BS增大。MOENTONO[15]研究認(rèn)為，高的種植密度會(huì)增大籽粒破碎率；土壤肥力低、氮肥用量少、缺氮時(shí)籽粒破碎率增大；而高的氮肥施用量會(huì)降低籽粒BS，破碎可能性降低。

3.5 籽粒含水率

Johnson等[17]用收獲的籽粒能通過12/64inch圓孔篩的部分代表籽粒破碎率，發(fā)現(xiàn)脫粒時(shí)破碎率在籽粒含水率為20%時(shí)只有0.5%，隨著籽粒含水率增加，破碎率呈指數(shù)增加，到籽粒含水率35%時(shí)，破碎率已超過3.5%；Waelti等[8]把外表有損傷的籽粒都算做破碎，其結(jié)果與Johnson的相似，只是破碎率值高很多，在籽粒含水率為35%時(shí)，破碎率高達(dá)40%。Hall等[54]研究認(rèn)為，籽粒含水率在20%—23%時(shí)收獲破碎率最低；Chowdhury等[46]報(bào)道籽粒含水率23%時(shí)機(jī)械損傷率最低。Plett[21]對(duì)加拿大6個(gè)玉米品種研究表明，籽粒破碎率與含水率呈顯著相關(guān)，破碎率最低時(shí)的籽粒含水率在16.7%—22.1% 。GUNASEKARAN[52]提出籽粒BS與含水率（M）的關(guān)系符合BS=171.3exp(-0.29M)，通過該公式可估測(cè)籽粒破碎率。易克傳等[13]比較了鄭單958和鳳玉906的收獲效果，結(jié)果表明籽粒破碎率隨含水率增加而增加，當(dāng)籽粒含水率低于28%時(shí)收獲破碎率低于3%，但不同品種間有差異。當(dāng)前中國玉米籽粒收獲時(shí)含水率和破碎率普遍偏高，本課題組對(duì)1 698個(gè)收獲樣本的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，籽粒平均含水率為26.83%，破碎率為8.63%，玉米籽粒破碎率總體隨含水率升高呈增大趨勢(shì)，兩者呈極顯著正相關(guān)（=0.587**），符合二次多項(xiàng)式破碎率=0.03722-1.483+20.422（2= 0.452**，= 1 698）[2]。

BRASS[35]認(rèn)為當(dāng)籽粒含水率更高時(shí)，籽粒破碎率隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加而快速增加。Waelti[3]研究了籽粒含水率在20%—31%范圍內(nèi)不同品種籽粒破碎率對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)同一品種在不同籽粒含水率條件下收獲，其籽粒破碎對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速的響應(yīng)不同；PioneerX在籽粒含水率22%時(shí)反應(yīng)最敏感，即此時(shí)籽?？箾_擊能力變?nèi)?，?dǎo)致該水分條件下籽粒破碎率隨滾筒轉(zhuǎn)速提高而顯著增大；而Pioneer3418在含水率為21%時(shí)，其籽粒破碎對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速變化的反應(yīng)不敏感。即不同品種機(jī)械收獲時(shí)破碎率最低的水分含量有所不同。

4 建議

綜上所述，破碎率高不僅降低玉米等級(jí)和銷售價(jià)格，而且導(dǎo)致收獲產(chǎn)量下降，并增大烘干成本、增加安全貯藏的難度，是推廣機(jī)械粒收技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)代玉米生產(chǎn)必須解決的關(guān)鍵問題。國外有關(guān)玉米籽粒破碎率及其影響因素的研究主要集中于20世紀(jì)60—90年代，與國外大面積推廣機(jī)械粒收技術(shù)的時(shí)期基本一致。國內(nèi)近年隨著玉米機(jī)械收獲技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)研究呈增加趨勢(shì)，但總體較為薄弱，已成為制約機(jī)械粒收技術(shù)推廣應(yīng)用的重要因素。鑒于中國玉米種植區(qū)域廣、品種類型多，生態(tài)環(huán)境和栽培方式均不同于國外，國外的研究結(jié)果難以直接應(yīng)用，但其研究思路、方法、測(cè)試技術(shù)等可供國內(nèi)研究借鑒。

4.1 加大抗破裂、宜機(jī)收品種的篩選與選育

在機(jī)械粒收時(shí)玉米不同基因型間籽粒機(jī)械損傷程度存在顯著差異，表明可以通過育種手段選育抗破碎的品種，為機(jī)械粒收大面積推廣提供品種基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段可以通過對(duì)現(xiàn)有品種篩選，找出破碎率低的品種，作為機(jī)械粒收的過渡性品種；進(jìn)一步品種選育時(shí)應(yīng)考慮籽粒脫粒和抗破碎這一特性，特別是要重視抗縱向破裂的品種培育。

4.2 改進(jìn)收獲機(jī)械作業(yè)性能降低玉米籽粒破碎率

收獲作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)地塊玉米生長(zhǎng)情況及時(shí)調(diào)整。不同類型收割機(jī)，因其滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、振動(dòng)篩孔大小和清選風(fēng)機(jī)風(fēng)力大小等機(jī)械參數(shù)不同在收獲時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的籽粒破碎率。即使同一臺(tái)玉米聯(lián)合收割機(jī)在收割作業(yè)時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、振動(dòng)篩孔大小和清選風(fēng)機(jī)風(fēng)力等機(jī)械參數(shù)也應(yīng)根據(jù)每塊地玉米的品種、長(zhǎng)勢(shì)狀況、籽粒含水率等不同進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，在保證機(jī)械作業(yè)效率的前提下使籽粒破碎降至最低程度。

機(jī)械籽粒收獲過程中滾筒轉(zhuǎn)速是造成籽粒破碎最主要的機(jī)械原因。高的滾筒轉(zhuǎn)速已超出籽粒脫下所需要的力，更多的力會(huì)通過滾筒及脫粒元件傳遞給籽粒導(dǎo)致更大的機(jī)械損傷。采用傳統(tǒng)脫粒裝置的聯(lián)合收割機(jī)，降低滾筒轉(zhuǎn)速可以降低籽粒破碎率，但脫粒不凈率會(huì)增大，脫粒效率也會(huì)下降。為克服這一缺陷，目前聯(lián)合收割機(jī)企業(yè)通常對(duì)脫粒裝置做如下改進(jìn)：加長(zhǎng)滾筒長(zhǎng)度，在降低滾筒轉(zhuǎn)速時(shí)通過延長(zhǎng)果穗在滾筒內(nèi)的行程解決脫不凈和效率低的問題；或在不增大滾筒轉(zhuǎn)速前提下通過改變或增加滾筒上的釘齒或紋桿等脫粒元件來增大對(duì)果穗的打擊和揉搓力；或采取兩段式脫粒，第一段為低轉(zhuǎn)速脫粒，脫下果穗上的大部分籽粒，以此降低破碎率；第二段為較高轉(zhuǎn)速，脫下果穗上剩余籽粒。因此，不同類型的聯(lián)合收割機(jī)，可能因采用的滾筒長(zhǎng)度不同、滾筒轉(zhuǎn)速不同，或脫粒元件不同，在同一地塊收獲時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同的破碎率。

此外，在機(jī)械收獲中，喂入量的大小、喂入是否均勻以及果穗進(jìn)入方式均會(huì)影響籽粒的破碎率。喂入量過大、喂入不均勻會(huì)增加破碎率，而果穗軸向進(jìn)入滾筒其破碎率會(huì)比徑向進(jìn)入的低。一般每種收獲機(jī)的喂入量在出廠時(shí)已標(biāo)注，應(yīng)按標(biāo)注的喂入量操作，根據(jù)玉米田間長(zhǎng)勢(shì)或產(chǎn)量設(shè)置適合的收割速度來控制喂入量。收割過程中根據(jù)玉米長(zhǎng)勢(shì)或種植密度及時(shí)調(diào)整速度，在保證喂入量不超過額定值的前提下盡可能使其均勻。當(dāng)前生產(chǎn)中不對(duì)行收獲較為普遍，由于喂入量的不均勻，可能會(huì)影響收獲質(zhì)量。

4.3 重視生態(tài)環(huán)境因素對(duì)玉米籽粒破碎的影響

針對(duì)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件，應(yīng)注意選擇在適宜生育期內(nèi)能與當(dāng)?shù)毓鉁貤l件匹配的品種以及確定品種適宜的種植區(qū)域。籽粒形成發(fā)育期間的高溫、低溫凍害和干旱等脅迫環(huán)境均會(huì)增大籽粒破碎的風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要進(jìn)一步研究這些環(huán)境脅迫因子導(dǎo)致籽粒破碎的機(jī)制和各自作用的程度、閾值，為品種選育和篩選、種植區(qū)劃以及采取針對(duì)性的栽培管理提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Progresses in Research on Grain Broken Rate by Mechanical Grain Harvesting

WANG KeRu, LI ShaoKun

(Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

Mechanical grain harvesting is the developing direction of maize harvesting technology. It is the key technology to realize entire mechanization of maize production and change the mode of production. At present, the high kernel broken rate of maize harvesting not only lowers the grade of corn but also reduce corn sales price. Moreover, it leads to the decline of maize yield and increases the cost of grain artificial drying, and increases the difficulty of safe storage of maize. Therefore, high broken rate is the major problem that we are facing to popularize grain mechanical harvesting techniques. Kernel broken rates of different genotypes of maize differ significantly. As the resistance to kernel broken is a heritable trait, the anti-breaking maize varieties can be bred. Because of the significant influence that harvest machines and operational parameters have on kernel broken rates, it is also an effective measure to ensure low broken rate by choosing rotary (axial-flow) combines and adjusting its parameters according to the plants growth condition, maturity and moisture content of maize kernel. In addition, ecological environment also has significant influences on broken rates of grain. The factors of sunshine times, atmospheric temperature, relative humidity, and so on in the process of grain filling, natural drying, and harvesting period will affect the characters associated with kernel broken such as grain hardness, test weight and kernel moisture content. Hence, according to ecological conditions in different regions, it is necessary to choose maize varieties which can match the local light and temperature conditions in the suitable growth period of maize, and to determine the suitable planting area for those maize varieties. Cultivation managing measures such as planting density, management of irrigation and fertilizers, harvesting time have obvious influences on kernel broken rates. Reasonable planting density, optimized nitrogen fertilizers management and moderate irrigation make for the reduction of broken kernels, and the most effective measure to reduce the kernel broken rate is harvesting at optimum harvest period.

maize; mechanical harvesting; grain broken rate; effect factors; grain moisture content

2017-02-07；

2017-03-21

國家自然科學(xué)基金（31371575）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程、國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS-02-25）

李少昆，Tel：010-82108891；E-mail：lishaokun@caas.cn

聯(lián)系方式：王克如，Tel：010-82108595；E-mail：wkeru01@163.com。