邱述金 ，原向陽 ，張澤乾 ，趙鋆超 ，張林

（1.山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院，山西 太谷 030801；2.山西農業(yè)大學農學院，山西 太谷 030801）

谷子是我國重要的雜糧作物，目前主要分布在西北、東北和華北的干旱半干旱地區(qū)，其產業(yè)發(fā)展對區(qū)域脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興具有重要戰(zhàn)略意義［1~3］。2009~2018 年，全國谷子種植面積先增后減［4］，從 1 194 萬畝減至 1 167 萬畝，減少 2.3%；總產量從126 萬t 提高到234 萬t，增加85.7%。在丘陵山區(qū)，機械化程度依然相對較低，適合小地塊配套的農機具尤其是收獲裝備還有待提升［5］。目前，采用稻麥作物聯(lián)合收獲機對谷子進行收獲作業(yè)與人工收獲等方式多種收獲方式并存［6~9］，損失率高、破碎率高、含雜率高是影響谷子收獲技術和生產模式的重要因素。

針對農作物收獲過程的類似問題，國內外學者對小麥、水稻、玉米等作物的收獲裝備研制與農業(yè)物料生物力學特性等方面開展了較多研究［10~16］。方會敏等［17］研究了收獲方式與籽粒含水率對玉米籽粒的收獲質量影響，預測籽粒含水率低于32.40%時收獲，可滿足含雜率國標要求。王文靜［18］研究了收獲方式對小麥種子活力的調控作用，成熟時期與收獲方式均對小麥種子活力影響顯著。王桂民等［19］研究了成熟時期對稻麥輪作水稻機收損失構成的影響，指出總損失的最主要來源是干物質損失。苗得雨等［20］對不同成熟時期和方式對水稻碾米品質和產量影響進行了研究，獲得了水稻的適宜收獲期，給出了收獲方式意見。左青松等［21］研究了不同成熟時期對油菜機械收獲損失率的影響，指出了油菜適宜機械收獲的作業(yè)條件。侯華銘等［22］研究了不同含水率的谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈和葉子的懸浮速度，指出谷子脫出物的適宜清選風速范圍為4.29~5.48 m·s-1，最佳清選風速為4.47 m·s-1。還有學者對微藻［23］、玉米［24］、水稻［25］、甜橙［26］、油菜［27］等作物的成熟時期、收獲方式和收獲品質等方面做了大量研究。

這些研究為谷子機械收獲作業(yè)時間與方式選擇提供了參考，目前不同成熟時期與收獲方式對谷子收獲效果影響的相關研究還尚未報道。本文主要研究不同成熟時期（乳熟期、蠟熟期、完熟期）和收獲方式（聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲）對谷子收獲效果的影響，同時對不同成熟時期谷子的穗、葉片及莖稈的含水率進行分析。該研究可為谷子機械收獲技術提升和生產模式探索提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與作業(yè)裝備

選用廣泛種植于山西地區(qū)的晉谷21 號和張雜10 號谷子作為研究對象，樣本全部取自山西省壽陽縣南燕竹鎮(zhèn)（東經 113°07′52″，北緯 37°91′61″，海拔1 076 m），播種前每公頃均勻撒施氮磷鉀復合肥（1∶1∶1）750 kg，采用條播方式播種，播種行距為500 mm，種植密度每畝平均為30 000 株。

在實際生產中谷子收獲一般可分為聯(lián)合收獲、割曬——撿拾——脫粒分段收獲和人工收獲等方式，主要研究聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲對作業(yè)效果的影響。

目前市場上專用于谷子聯(lián)合收獲的機型較少［28］，課題組對沃德皓龍 4LZ-7C 谷物聯(lián)合收獲機的割臺、脫粒滾筒及振動篩進行多次改進后，用于谷子的聯(lián)合收獲作業(yè)；對于分段收獲作業(yè)，采用常發(fā)佳聯(lián)4LZ-6 聯(lián)合收獲機改裝的割曬機將谷子割倒進行晾曬，采用雷沃谷神GM80 改裝的撿拾收獲機進行撿拾收獲作業(yè)；人工收獲由工人進行割谷收集，由人工進行脫粒作業(yè)。谷子收獲機的主要參數(shù)如表1 所示，采用不同方式對谷子進行收獲。

表1 谷子收獲機的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the millet harvester

1.2 試驗方法

谷子的成熟期一般可分為乳熟期、蠟熟期、完熟期和枯熟期4 個時期，從乳熟期到枯熟期皆可進行收獲作業(yè)，但不同時期的谷子莖稈、葉片、穗等部位的生物力學特性差異顯著［15］，尤其枯熟期谷子莖葉干枯，穗粒極易脫落，因此主要研究乳熟期、蠟熟期、完熟期谷子的收獲作業(yè)效果。分別在2020 年 9 月 30 日（乳熟期）、10 月 15 日（蠟熟期）和10 月 28 日（完熟期），采用沃德皓龍 4LZ-7C（改裝）對晉谷21 號和張雜10 號谷子進行聯(lián)合收獲作業(yè)，對蠟熟期的谷子進行聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲作業(yè)，分別測定總損失率、破碎率、含雜率與含水率等。田間試驗時，采用小區(qū)作業(yè)試驗方案，設定機械作業(yè)速度為3 km·h-1，作業(yè)寬度為2 m，長度為20 m，取收獲方式和成熟時期為影響因素，以谷子總損失率、破碎率、含雜率等為試驗指標進行試驗，同時測定谷子含水率和收獲效率。試驗數(shù)據(jù)采用SAS 9.0 軟件進行處理。

1.3 試驗指標測定

該文的測試方法參考《收獲機械聯(lián)合收獲機試驗方法》（GB/T 8097-2008）和《農業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》（GB/T 5262-2008）。

1.3.1 谷子總損失率

每次試驗完成后，分別測量總收獲質量、割臺落穗質量、割臺掉粒質量、晾曬損失質量和脫粒損失質量，按式（1）計算谷子總損失率。

式中Zs——谷子總損失率/%；Wz——谷子總收獲質量/g；Wl——割臺落穗質量/g；Wd——割臺掉粒質量/g；Ws——晾曬損失質量（聯(lián)合收獲時不考慮晾曬損失）/g；Wt——脫粒損失質量/g。

1.3.2 谷子破碎率

在每次試驗完成后，將糧倉中所有谷子卸載至運輸車上的編織袋中，然后隨機抽取1 L 谷子籽粒進行稱重，稱量其中破裂損傷的籽粒質量，按式（2）計算谷子破碎率。

式中Zp——谷子破碎率/%；Wp——破碎谷子籽粒的質量/g；Wz——谷子總收獲質量/g。

1.3.3 谷子含雜率

在每次試驗結束后完全卸糧，隨機抽取1 L 谷子與雜質混合物樣品進行稱重，稱量其中雜質的質量，按式（3）計算谷子含雜率。

式中Zz——谷子含雜率/%；Wzz——雜質質量/g；Wz——谷子總收獲質量/g。

1.3.4 籽粒含水率

每次試驗結束卸糧后，立即取一定量無明顯損傷、無病害的谷子籽粒并進行稱重，均勻裝入鋁盒后置于恒溫鼓風干燥箱中，設置溫度為105 ℃，干燥4 h 后取出樣品盒并加蓋，在密封干燥器內冷卻至室溫稱重，重復上述干燥過程，隔30 min 取出冷卻稱重，直至前后2 次質量差不大于0.005 g 為止。谷子籽粒的含水率按式（4）計算。

式中Hs——谷子籽粒含水率/%；Wzs——谷子籽粒干燥前質量/g；Wzg——谷子籽粒干燥后質量/g。

1.3.5 收獲效率

收獲效率按式（5）計算。

式中η——收獲效率/（hm2·h-1）；S——作業(yè)面積/hm2；t——作業(yè)時間/h。

2 結果與分析

2.1 成熟時期對谷子收獲效果的影響

不同成熟時期對谷子聯(lián)合收獲的谷子總損失率、破碎率、含雜率的方差分析如表2 所示。

表2 不同成熟時期谷子機收效果Table 2 Harvesting performance of millet at different ripening stages 單位：%

結果表明，不同成熟時期對谷子總損失率、破碎率、含雜率影響均顯著，蠟熟期2 個品種谷子機收的總損失率顯著低于乳熟期和完熟期，最低為4.81%，張雜10 號谷子在完熟期的機收損失率最大達24.83%；谷子破碎率隨成熟時期的推遲呈降低趨勢，張雜10 號谷子完熟期的破碎率最低為0.36%，乳熟期的破碎率最高為1.67%；乳熟期和蠟熟期谷子機收的含雜率顯著低于完熟期，晉谷21 號谷子蠟熟期機收的含雜率最低為3.39%，完熟期機收的含雜率最高為11.14%。

谷子蠟熟期穗粒含水率為13.69%~15.29%，谷子機械化收獲總損失率小，機械收獲產量高；從植株形態(tài)來看，谷穗基本完全變黃，莖稈和葉片大部分脫水含水率降低，在葉片開始變黑之前收獲為宜，收獲時間大約可持續(xù)5~6 d。若成熟時期推后至完熟期或枯熟期，則谷子穗粒含水率進一步降低，受輕微風載即可形成落粒損失，割臺損失率增加，導致總損失率過高。

2.2 收獲方式對谷子收獲效果的影響

在谷子蠟熟期，課題組采用聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲的方法對張雜10 號谷子的收獲效果如表3 所示，其中人工收獲割穗晾曬14 d 后再采用谷子脫粒機進行脫粒作業(yè)。

表3 不同收獲方式的谷子收獲效果Table 3 Performance of millet in different harvesting methods on grain quality

收獲方式對谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著（P＜0.05），采用聯(lián)合收獲方式的總損失率最高為9.40%，采用分段收獲方式的總損失率為7.09%，采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%；聯(lián)合收獲的谷子破碎率最低為0.96%，分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較高，分別為2.03%和1.76%；聯(lián)合收獲的谷子含雜率最高為4.56%，分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較低，分別為1.85%和1.68%；由于分段收獲和人工收獲的籽粒含水率分別為9.17%和8.16%，這2 種收獲方式都有晾曬環(huán)節(jié)，均低于聯(lián)合收獲的12.97%。聯(lián)合收獲的作業(yè)效率最高為0.303 2 hm2·h-1，分段收獲的作業(yè)效率為 0.232 4 hm2·h-1，人工收獲的作業(yè)效率最低為0.001 7 hm2·h-1。

谷子收獲的總損失主要包含割臺落穗損失、割臺掉粒損失、晾曬損失和脫粒損失等，不同收獲方式的損失組成如圖1 所示。

圖1 不同收獲方式的谷子損失情況Fig.1 Millet grain loss rate of different harvesting methods

谷子聯(lián)合收獲的總損失率中割臺落穗損失和脫粒損失占主要比例，分別為5.36%和3.41%，無晾曬損失；谷子分段收獲的總損失率中脫粒損失和晾曬損失占主要比例，分別為3.27%和2.89%；谷子人工收獲的總損失率中晾曬損失和脫粒損失占主要比例，分別為2.00% 和1.59%，無落穗損失。

2.3 谷子含水率對聯(lián)合收獲損失的影響

分別測定晉谷21 號與張雜10 號谷子的各部位在不同成熟時期的含水率，并對谷子不同部位的含水率與聯(lián)合收獲效果進行相關性分析（表4，表 5）。

表4 不同成熟時期谷子各部分的含水率Table 4 Moisture contents of millet at different harvesting period 單位：%

表5 谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of millet moisture content and combine harvesting effects

乳熟期的谷子穗粒含水率超過30%，葉片含水率在55.08%~68.54%間變化，莖稈的含水率最高可達76.06%，不同品種谷子的含水率差異不顯著。從乳熟期到完熟期，谷子的穗粒逐漸生長充實，含水率降低，晉谷21 號谷穗含水率的變幅為10.90%~34.13%；莖稈的含水率最高，變幅為23.17%~74.43%。隨著成熟時期的推遲，谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢，成熟時期對谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著（P＜0.05），其中葉片的含水率降速最快，由65.51%降至9.78%；不同品種谷子的葉片含水率隨生長期變化率差異顯著，晉谷21 號谷子的葉片隨生長期增加，含水率降速顯著高于張雜10 號谷子；穗粒含水率降速次之，由34.13% 降至10.90%；莖稈含水率降幅最低，由74.43% 降至28.33%。不同品種谷子的谷穗和莖稈含水率的變化率差異不顯著。

3 討論

不同成熟期的谷子含水率差異顯著，谷子的含水率對谷子收獲中的切割、脫粒和清選等環(huán)節(jié)的作業(yè)效果有重要影響，谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關性分析表明：谷穗含水率與葉、莖稈含水率顯著正相關，說明谷子的各部位含水率隨生長時期變化一致；穗含水率、葉含水率、莖稈含水率均與破碎率呈顯著正相關，與總損失率、含雜率呈負顯著相關，說明含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。含水率對谷子的莖稈、葉片、穗瓣和籽粒等的力學特性影響顯著，谷子谷穗、葉片和莖稈的含水率影響谷子機械收獲力學特性，對谷子聯(lián)合收獲機的割臺、脫粒滾筒及風篩裝置等的作業(yè)效果和功耗有較大影響。因此谷子在聯(lián)合收獲過程中為了降低損失率、破碎率和含雜率，適宜收獲時期的谷穗含水率在13.69%~15.29%為宜，此時聯(lián)合收獲總損失率可控制在7.62%以內。方會敏等［17］在玉米收獲方面也有相似結論。聯(lián)合收獲可有效提高作業(yè)效率，但需要農戶或合作社具有谷子籽粒的晾曬場地、烘干設備等，以防谷子因含水率過高導致堆積發(fā)熱，影響小米品質。分段收獲或延遲收獲可避免谷子收獲過程中含水率過高的問題，有效提高谷子作業(yè)效果，但對于秋季多雨地區(qū)（如晉東南地區(qū)等），田間晾曬過程中可能導致谷子淋雨霉變等問題，需依具體氣候情況進行決策。

4 結論

（1）蠟熟期的谷子穗粒含水率為13.69%~15.29%，此時機械收獲的谷子總損失率最小為4.81%，破碎率較低為0.67%，完熟期谷子破碎率最低但損失率和含雜率較高。

（2）收獲方式對谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著。采用聯(lián)合收獲方式的谷子總損失率最高為9.40%，破碎率最低為0.96%，含雜率最高為4.56%，工作效率最高為0.303 2 hm2·h-1。采用分段收獲方式的谷子損失率為7.09%，破碎率和含雜率較低，工作效率為0.232 4 hm2·h-1。采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%，但工作效率較低為 0.001 7 hm2·h-1。

（3）成熟時期對谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著，隨著成熟時期的推后，谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢，谷子含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。