張新偉，易克傳 安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽鳳陽(yáng)233100；玉米育種安徽省 工程技術(shù)研究院（安徽科技學(xué)院），安徽鳳陽(yáng)233100

劉向東 (新疆大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000)

趙學(xué)觀 (北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

玉米是我國(guó)主要種植的糧食作物之一。不論是分段收獲還是籽粒直收，都不可避免地存在機(jī)械損傷，其嚴(yán)重影響商品玉米的品質(zhì)。機(jī)械損傷分為顯性損傷和隱性損傷2種[1]。顯性損傷是指玉米籽粒的破碎、破損等容易被發(fā)現(xiàn)的損傷形式，隱性損傷是指肉眼不易察覺(jué)的損傷形式，裂紋為其主要表現(xiàn)形式。存在機(jī)械裂紋的玉米籽粒抗擠壓能力明顯降低，容易使玉米籽粒吸水、受潮、發(fā)霉、生蟲(chóng)，甚至產(chǎn)生黃曲霉素等對(duì)人體有害的物質(zhì)[2]。因此，系統(tǒng)研究玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生機(jī)理與規(guī)律，對(duì)減少機(jī)械裂紋的產(chǎn)生，提高玉米產(chǎn)品外觀品質(zhì)有重要意義。

近年來(lái)，對(duì)于玉米收獲損傷的研究主要集中在以下幾方面：收獲原理研究[3～9]，機(jī)械裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展規(guī)律與檢測(cè)的方法分析[10～19]，機(jī)械損傷，特別是機(jī)械裂紋對(duì)種用玉米籽粒發(fā)芽的影響規(guī)律研究[20,21]，玉米籽粒力學(xué)特性的研究[22～30]。分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究主要是從收獲裝備的角度研究機(jī)械裂紋，而玉米籽粒機(jī)械裂紋的產(chǎn)生除與收獲裝備的結(jié)構(gòu)、裝置有關(guān)外，還與品種、含水率、籽粒在果穗上的位置以及玉米果穗的類(lèi)型等玉米自身的生物物理特性有關(guān)。為此，本研究從玉米自身的生物物理特性出發(fā)，對(duì)影響玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的各因素進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

以遼丹526、遼丹565、鄭單958等3個(gè)品種玉米作為試驗(yàn)材料，所有試材均來(lái)源于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所。

主要設(shè)備有5TYA-1型釘齒式玉米脫粒機(jī)、紅外線(xiàn)水分測(cè)試儀、F617290游標(biāo)卡尺和圖像采集系統(tǒng)等。玉米籽粒均是自然干燥后通過(guò)5TYA-1型釘齒式玉米脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒得到，滾筒轉(zhuǎn)速900～1000r/min。圖像采集系統(tǒng)由燈箱系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成(圖1)，其中成像系統(tǒng)由尼康SMZ800立體顯微鏡(放大范圍0.75 ～ 7.5倍)、佳能PowerShot SX700 HS(1600萬(wàn)像素)和計(jì)算機(jī)(聯(lián)想揚(yáng)天T4900D，酷睿i3-7100，4G內(nèi)存，500GB硬盤(pán))等組成，該系統(tǒng)可以方便地調(diào)整圖像倍數(shù)，獲取玉米籽粒圖像并對(duì)其上的機(jī)械裂紋數(shù)量和種類(lèi)進(jìn)行觀察與分析。

1．燈泡；2．通光孔；3．玉米果穗；4．玻璃；5．遮光板；6．光箱；7．目鏡；8．?dāng)z像頭；9．支架；10．微型計(jì)算機(jī)；11．反射光源；12．透射光源；13．物鏡；14．載物臺(tái)圖1 圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 玉米籽粒三軸尺寸及其對(duì)機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

1.冠部;2.腹面;3.背面;4.側(cè)面圖2 玉米籽粒外形尺寸示意圖

圖3 玉米果穗部位劃分

隨機(jī)選取遼丹526、遼丹565、鄭單958玉米籽粒各100粒，用游標(biāo)卡尺測(cè)其長(zhǎng)度H、寬度B、厚度T，如圖2所示。分別記錄其存在單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數(shù)，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

將籽粒的含水率處理為3個(gè)范圍：10%～15%、16%～20%和21%～25%。選取大小相近、含水率不同的3個(gè)品種玉米果穗各100穗。脫粒后用紅外線(xiàn)水分測(cè)試儀測(cè)其含水率，每個(gè)品種隨機(jī)取100粒，并記錄產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數(shù)量，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3 果穗不同部位對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

圖4 玉米籽粒果穗類(lèi)型

選取大小、粗細(xì)相近的3個(gè)品種玉米果穗各100穗。將玉米果穗分成上、中、下3部分[31]，如圖3所示。在測(cè)試任一部分之前，先用人工脫粒的方式將其余2部分的玉米籽粒脫掉。用脫粒機(jī)對(duì)玉米果穗分別進(jìn)行脫粒，在得到的3組玉米籽粒中分別隨機(jī)選取100粒，分別記錄其單裂紋、雙裂紋和龜裂紋玉米籽粒數(shù)量，試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 果穗類(lèi)型對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

根據(jù)李心平[31]的研究，將玉米果穗類(lèi)型分為4種：長(zhǎng)筒型、短筒型、長(zhǎng)錐型和短錐型，如圖4所示。選取不同類(lèi)型的3個(gè)品種玉米果穗各100穗，分別對(duì)4種類(lèi)型玉米果穗進(jìn)行脫粒，分別收集并隨機(jī)選取100粒玉米籽粒，記錄出現(xiàn)單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數(shù)，試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米籽粒三軸尺寸及其對(duì)機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

表1 不同品種玉米籽粒三軸尺寸的測(cè)定

對(duì)3個(gè)品種玉米籽粒進(jìn)行三軸尺寸測(cè)定，結(jié)果如表1所示。從長(zhǎng)度來(lái)看,以鄭單958的長(zhǎng)度最大，為10.06mm，比遼丹526長(zhǎng)0.56mm，遼丹565的長(zhǎng)度最短，僅為8.78mm；從寬度來(lái)看,以鄭單958最寬，為8.74mm，較遼丹526寬0.51mm，遼丹565寬度最小，僅為7.66mm；從厚度來(lái)看,遼丹526為5.62mm，僅比鄭單958厚0.22mm，遼丹565厚度值最小，僅為5.11mm。從三軸尺寸的數(shù)據(jù)可以看出，鄭單958總體優(yōu)于遼丹526和遼丹565，遼丹526優(yōu)于遼丹565。不同品種玉米籽粒外觀差異顯著。

3個(gè)品種玉米對(duì)應(yīng)的機(jī)械裂紋數(shù)量見(jiàn)表2。從表2可以看出，遼丹526玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為32、7.67、16.67；遼丹565玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為22.33、4.67、6；鄭單958玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為18、5.33、9.33。

從測(cè)定結(jié)果可知：玉米籽粒的三軸尺寸對(duì)機(jī)械裂紋的產(chǎn)生影響顯著。對(duì)于同一品種，存在單裂紋的玉米籽粒數(shù)量最多，其次為龜裂紋，存在雙裂紋的玉米籽粒數(shù)量最少；對(duì)于不同品種，遼丹526存在裂紋的玉米籽粒數(shù)量普遍高于遼丹565和鄭單958，這可能與遼丹526為馬齒型而遼丹565和鄭單958為半馬齒型玉米有關(guān)。

表2 不同品種玉米籽粒的機(jī)械裂紋數(shù)量

2.2 含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響如表3所示。從表3可以看出，當(dāng)含水率為10%～15%時(shí)，遼丹526、遼丹565和鄭單958產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次為18.33、15.33、15.67；18.67、10.67、13.67；18.67、16、16；當(dāng)含水率為16%～20%時(shí)，遼丹526、遼丹565和鄭單958產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次是含水率為10%～15%時(shí)各類(lèi)裂紋的94.5%、69.6%、76.6%；66.0%、121.8%、97.5%；96.4%、79.2%、75%；當(dāng)含水率為21%～25%時(shí)，遼丹526、遼丹565和鄭單958產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次是25、24、21.67；23.67、24、18.67；25、21.33、23.33。

表3 含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

從測(cè)定結(jié)果可知，含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋的產(chǎn)生影響顯著。當(dāng)含水率在21%～25%時(shí)，機(jī)械脫粒后產(chǎn)生機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量最多，其次為10%～15%，含水率在16%～20%時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量最少。分析認(rèn)為當(dāng)含水率較高時(shí)，玉米籽粒與果穗穗芯之間的連接力較大，脫粒時(shí)需要更多的能量，導(dǎo)致產(chǎn)生機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量增多；當(dāng)含水率較低時(shí)，玉米籽粒的脆性增大，蠕性減小，脫粒時(shí)籽粒受到脫粒部件的打擊強(qiáng)度相對(duì)增加，產(chǎn)生的機(jī)械裂紋隨之增加。

2.3 果穗不同部位對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

玉米果穗上不同部位的籽粒機(jī)械脫粒后產(chǎn)生的裂紋數(shù)量如表4所示。從表4可以看出：遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗下部產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次為18.67、12.33、15.67；15.33、13、14.33；18、18.67、19；遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗中部產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次為下部產(chǎn)生裂紋的66.1%、70.3%、72.3%；71.8%、74.4%、69.8%；64.8%、57.2%、73.7%；遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗上部產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數(shù)量依次為下部產(chǎn)生裂紋的51.8%、43.2%、55.3%；56.6%、61.5%、62.8%；50%、37.5%、43.9%。

表4 玉米果穗不同部位對(duì)籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

分析發(fā)現(xiàn)，果穗的不同位置對(duì)機(jī)械裂紋的產(chǎn)生影響顯著。收獲過(guò)程中，玉米果穗的下部產(chǎn)生的機(jī)械裂紋籽粒數(shù)量最多，其次為中部，玉米果穗上部產(chǎn)生機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量最少。這可能與玉米果穗上部呈圓錐形、且其直徑小于果穗下部，收獲作業(yè)時(shí)所受脫粒部件沖擊強(qiáng)度較弱，籽粒的損傷程度較輕，導(dǎo)致產(chǎn)生機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量較少。

2.4 果穗類(lèi)型對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

不同類(lèi)型玉米果穗機(jī)械脫粒后產(chǎn)生的機(jī)械裂紋數(shù)量如表5所示。從表5可以看出，長(zhǎng)筒型、短筒型玉米果穗在機(jī)械脫粒后產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋及龜裂紋的粒數(shù)均值分別為21.67、13.33、9.67；28.67、19.33、13.33。長(zhǎng)錐形、短錐形玉米果穗在機(jī)械脫粒后產(chǎn)生單裂紋、雙裂紋及龜裂紋的粒數(shù)均值分別為17.67、11、10.67；23.33、15、11.67。

表5 玉米果穗不同類(lèi)型對(duì)籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響

從測(cè)定結(jié)果可知，不同類(lèi)型玉米果穗對(duì)機(jī)械裂紋的產(chǎn)生影響顯著。短筒型玉米果穗在機(jī)械脫粒后產(chǎn)生的機(jī)械裂紋數(shù)量最多，其次為短錐形，再次為長(zhǎng)筒型，長(zhǎng)錐形玉米果穗產(chǎn)生的裂紋數(shù)量最少。

3 結(jié)論與討論

1)品種對(duì)玉米籽粒產(chǎn)生機(jī)械裂紋數(shù)量差異顯著；同一玉米品種，單裂紋玉米籽粒數(shù)量最多，其次為龜裂紋，雙裂紋玉米籽粒數(shù)量最少；不同玉米品種中，遼丹526存在機(jī)械裂紋的玉米籽粒數(shù)量普遍高于遼丹565和鄭單958。

2)含水率對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋的產(chǎn)生影響顯著。含水率在21%～25%時(shí)，機(jī)械脫粒后玉米裂紋數(shù)量最多，其次為10%～15%，含水率在16%～20%時(shí)，玉米裂紋數(shù)量最少。

3)玉米果穗下部位置的籽粒脫粒后產(chǎn)生的裂紋數(shù)最多，其次為中部，在上部產(chǎn)生的裂紋最少。

4)短筒型玉米果穗在機(jī)械脫粒后產(chǎn)生的裂紋數(shù)量最多，其次為短錐形，長(zhǎng)錐形玉米果穗產(chǎn)生的裂紋數(shù)量最少。

5)本研究?jī)H從品種、含水率、玉米果穗的不同位置和玉米穗的類(lèi)型等自身生理特性對(duì)玉米籽粒機(jī)械裂紋產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究，未涉及玉米脫粒裝置對(duì)其產(chǎn)生的影響。