中國玉米機械粒收質量主要指標分析

王克如 李璐璐 高 尚 王浥州 黃兆福 謝瑞芝 明 博 侯 鵬 薛 軍 張國強 侯梁宇 李少昆

中國農業科學院作物科學研究所 / 農業部作物生理生態重點實驗室, 北京 100081

玉米籽粒機械收獲是現代玉米生產方式的典型特征之一[1]。1954年John Deere公司制造出第一臺兩行玉米割臺, 連接在自走式聯合收獲機上實現了真正意義上的玉米籽粒機械收獲之后, 美國開始在大田生產中推廣應用[2], 其中, Iowa、Illinois、Indiana、Minnesota等主產州玉米籽粒聯合收獲的面積從1964年的24%上升到1968年的48%[3], 至20世紀70年代美國已全面實現了玉米機械粒收[4]。我國最早于20世紀80年代在新疆兵團和黑龍江墾區,引進歐美等國先進的收獲機械, 并開始玉米機械粒收技術的探索, 但推廣面積很小, 相關研究也較為薄弱[5]。直到近10年, 隨著我國社會經濟的發展, 合作社、家庭農場等新型經營主體的興起和規?；N植的發展, 為玉米機械粒收技術的應用提供了條件。為推動玉米機械粒收技術在全國的應用, 中國農業科學院作物科學研究所作物栽培與生理創新團隊自2010年起, 在全國玉米主產區開展玉米機械粒收關鍵技術的研究與集成示范[6], 從籽粒脫水特征[7-9]、宜粒收品種篩選[10-11]、籽粒耐破碎機制與評價方法[12-15]、區域生態特點與品種熱量資源的匹配[16-17]、后期植株抗倒性[18-20]、收獲機械配套與應用[21], 以及烘干等角度開展了大量的研究, 并分區域集成玉米機械粒收生產技術, 形成技術標準, 推動玉米機械粒收技術的應用與發展。

玉米粒收質量包括收獲籽粒的含水率、碎碎率、雜質率和落粒、落穗損失率[22], 這些指標不僅能反映收獲玉米質量的高低, 又為后續籽粒烘干、晾曬、清選、貯藏等作業的安排和適合方式、方法與工藝的選擇提供依據[23], 并影響玉米銷售時的定等定級、最終用途及市場價格[24]。因此, 對玉米收獲質量各指標開展測試和研究是非常必要的。成立于1960年的美國谷物協會(U.S. grains council)為增加美國農產品在國際市場中的份額, 針對玉米收獲質量問題, 自2011年開始, 每年在玉米收獲季節從12個出口量最大的州采集籽粒樣品分析收獲玉米質量,發布年度質量報告(corn-harvest-quality-report), 為美國玉米市場交易提供依據[25], 從市場需求方面引導和推動美國玉米收獲質量的不斷提高。本團隊曾利用2011—2015年在各地的測試數據對中國玉米機械粒收質量及其與水分含量的關系做了初步報道[22],但隨著近幾年適宜機械粒收玉米品種的選育與應用、收獲機械的改進、粒收技術的配套與集成應用,各地對機械粒收技術的認識提高, 粒收技術得到快速發展[6], 為回答以下問題: 玉米機械粒收收獲質量現狀與變化趨勢; 近年來收獲質量指標中哪些有進步？哪些還存在問題？可能的解決途徑是什么？中美玉米收獲質量的比較等, 本文對2012—2019年在中國不同產區、不同年份獲得的2987組玉米機械粒收質量田間測試樣本數據進行分析, 為我國玉米機械粒收質量的改進與技術的發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗示范地點、參試品種

自2012—2019年共在西北灌溉春玉米區(Northwest irrigated maize region, NW; 包括新疆、甘肅、寧夏、陜西北部, 內蒙古中部和西部)、東北春玉米區(Northeast spring maize region, NE; 包括遼寧、吉林、黑龍江、內蒙古東四盟)、黃淮海夏播玉米區(Huang-Huai-Hai summer maize region, HH; 包括河南、河北、山東、江蘇、安徽、陜西關中)、華北春播玉米區(North China spring maize region, NC; 包括北京、天津、山西)、西南玉米區(Southwest maize region, SW; 包括四川、云南、湖南、湖北、西藏)等21個省(市、區)、155個點次布設了玉米機械粒收試驗示范, 共有865個品種參加了測試。各試驗示范點按其經緯度和參加試驗示范的年次繪制分布圖(圖1), 參加年次越多的試點標注的圈越大, 同時每個省份按其玉米種植面積標注不同顏色。從圖1可見, 試驗示范點基本涵蓋了東北、西北、黃淮海和西南四大玉米主產區, 且主要集中在玉米種植面積較大的省份和縣市, 具有一定代表性。由于西南玉米區以丘陵山地為主, 機械化進程慢, 樣本量較少, 本文對該區不做具體分析。

1.2 主要調查與測試指標及方法

1.2.1 籽粒含水率、破碎率和雜質率 在各機械粒收試驗示范點, 每個品種收獲時隨機取收割機倉內收獲的籽粒樣品約2 kg, 首先用PM-8188水分測定儀測定含水率, 重復5次, 然后稱重量, 手工分揀將其分為籽粒和非籽粒兩部分; 籽粒部分稱重記為KW1, 非籽粒部分稱重記為NKW; 再根據籽粒的完整性, 將其分為完整籽粒和破碎籽粒并分別稱重,完整粒重量記為KW2, 破碎粒重量記為BKW, 籽粒破碎率、雜質率計算公式:

1.2.2 田間損失率 在測試品種已收割地塊隨機選取樣點, 每個樣點長度2 m、寬度一個割幅, 收集樣區內所有落穗和落粒, 記錄穗數并脫粒, 分別稱落穗、落粒的籽粒重, 結合收獲時的籽粒含水率, 按照樣區面積計算單位面積含水率為14%的落穗重和落粒重, 3次重復。結合收獲田塊產量數據計算產量損失率。

1.3 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010、SPSS18.0軟件進行數據處理和統計分析, 用R軟件、ArcMap 10.4和Microsoft Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 機械粒收收獲質量的總體情況

對2012—2019年獲取的2987組大田機械粒收樣本數據分析, 總體結果表明(表1), 收獲時籽粒平均含水率為25.91%, 分布范圍為10.63%~44.6%; 破碎率為7.96% (分布范圍為0.05%~33.94%), 比5%的國家標準高出2.96%; 雜質率平均1.18% (分布范圍為0~13.24%), 未超過3%的國家標準; 收獲損失量平均為345.15 kg hm–2(分布范圍為0~9288.45 kg hm–2), 產量損失率平均3.54% (分布范圍0~58.55%),總體未超過5%的國家標準。產量損失包括落粒損失和落穗損失, 其中, 落粒量平均113.55 kg hm–2, 落穗量平均351.15 kg hm–2, 落粒占總損失量的23.5%,落穗占76.5%, 落穗損失大于落粒損失。落穗量在田塊間的表現為0~8960.1 kg hm–2, 變異系數200.99%,在各收獲質量指標中變異最大, 說明田塊間落穗損失存在較大差異, 落穗損失是影響玉米粒收質量的又一重要因素。

表1 2012–2019年玉米機械粒收質量統計Table 1 Statistics of the quality of mechanically harvested corn from 2012 to 2019

不同年際間的測試結果(表1)顯示, 收獲時籽粒平均含水率以2017年最高, 達到27.28%, 之后逐年下降, 2018年和2019年分別下降至24.85%和23.88%, 下降了2.43%和3.40%; 相應破碎率和雜質率自2017年以來也呈快速下降趨勢, 其中, 2018年和2019年破碎率為7.83%和6.48%, 較2017年分別下降了0.96%和2.31%; 雜質率為1.25%和0.76%,較2017年分別下降了0.21%和0.70%。但近2年落粒、落穗損失有增加的趨勢, 其中總損失率2018年和2019年分別較2017年增加了1.50%和2.05%。

2.2 主要收獲質量指標的分布

2012—2019年收獲的籽粒含水率總體呈正態分布(圖2), 籽粒含水率最高為44.60%, 最低為10.63%, 平均為25.91%, 其中, 含水率≤25%的樣本占41.98%, ≤20%的樣本僅占13.09%, 而含水率高于25%的樣本比例達到58.02%, ≥30%的樣本占20.09%。

籽粒破碎率分布頻次結果見圖2, 破碎率分布在0.05%~33.94%之間, 其中, 50%的樣本分布在4.84%~11.76%之間, 破碎率≤8%的樣本占57.53%,僅有30.98%的樣本破碎率≤5%。

2.3 不同產區玉米機械粒收質量比較

2.3.1 籽粒含水率 收獲期不同產區玉米籽粒含水率存在較大差異(圖3), 其中, 黃淮海夏播玉米籽粒含水率均值27.38%, 顯著高于其他區域, 也高于適宜粒收含水率范圍(≤25%); 其次是東北春玉米區,平均含水率為25.16%; 西北春玉米籽粒含水率均值為24.94%, 略低于東北春玉米; 含水率最低的是華北春玉米, 其均值為22.76%, 處于適宜粒收的籽粒水分范圍。

2.3.2 破碎率 不同產區籽粒破碎率結果見圖4,破碎率從大到小依次為黃淮海夏播區、西北春玉米區、東北春玉米區和華北春雨米區, 其中, 黃淮海夏播玉米破碎率均值為9.29%, 高出全國平均值1.33%,并高出國家標準(≤5%) 4.29%, 因此, 破碎率高是黃淮海夏播玉米粒收質量存在的最突出問題; 其次是西北春玉米區, 其均值為7.33%, 低于全國平均值0.60%, 但高出國家標準2.33%; 第三是東北春玉米, 其均值為6.96%, 低于全國平均值1.00%, 但高于國家標準; 華北春玉米籽粒破碎率最低, 其均值為5.59%, 低于全國均值3.70%, 但略高于國家標準。

從樣本破碎率分布看, 黃淮海夏播玉米79.21%的樣本破碎率大于5%, 50.09%的樣本高于8%; 西北春玉米和東北春玉米分別有54.35%和56.71%的樣本破碎率大于5%, 有30.52%和32.94%的樣本高于8%; 華北春玉米有51.49%的樣本破碎率大于5%,高于8%的樣本占16.42%。說明不同產區收獲質量均存在破碎率偏高的問題, 且以黃淮海夏播玉米最為嚴重, 而華北春玉米相對較好, 有83.58%的樣本可以達到國家3等玉米的破碎率標準(≤8%)。

2.3.3 雜質率 雜質率比較結果見圖5, 四大產區雜質率均值均低于≤3%的國家標準, 但以華北春玉米的雜質率相對最高, 均值為1.83%, 高出全國平均值0.65%; 其次是黃淮海夏播玉米, 均值為1.68%, 高出全國平均值0.50%; 而西北、東北春玉米雜質率均值分別為0.65%和0.75%, 相應低于全國平均值0.53%和0.43%。

2.3.4 損失率 不同產區機械粒收損失率結果見圖6, 其中, 東北春玉米的損失率最高, 均值為5.72%, 高出國家標準(≤5%) 0.72%; 西北、黃淮海和華北3個產區的損失率均值均低于國家標準, 但其中以華北春玉米的損失相對較高, 其均值達到4.34%, 高出全國平均值0.80%; 黃淮海夏玉米損失率均值為3.28%, 低于全國平均值0.26%; 西北春玉米的損失率均值最低, 為2.37%, 較全國均值低1.17%。

從損失率樣本分布頻次看, 東北春玉米區有24.49%的樣點損失率高于5%。華北春玉米雖然損失率均值低于東北春玉米, 但損失率變幅較大, 有24.79%的樣點損失率超過5%; 黃淮海夏玉米和西北春玉米區中各有15.71%和8.71%的樣點損失率超過5%。

2.4 收獲質量指標之間的關系

2987組大田收獲樣本各質量指標間的相關分析見表2, 破碎率、雜質率均與籽粒含水率呈極顯著正相關, 說明籽粒破碎率和雜質率隨收獲期籽粒含水率的增加總體呈增加的趨勢; 落穗損失、總損失率與籽粒含水率均呈極顯著負相關, 說明較低的含水率下收獲, 雖然能顯著降低籽粒破碎率和雜質率,但也會引起落穗和總損失率的增加, 因此, 適宜收獲期的確定應綜合考慮籽粒破碎率和損失率均較低的時間。

表2 籽粒含水率與破碎率、雜質率、損失率間的相關關系(2012–2019)Table 2 Pearson correlation coefficient between grain moisture content, broken corn, foreign material, grains loss, and ears loss from 2012 to 2019

進一步分析(圖7)可見, 籽粒破碎率(y)與收獲期籽粒含水率(x)之間呈二次曲線關系, 擬合方程為:y= 0.028x2? 1.0052x+ 14.51 (R2= 0.2677,n= 2987)。依據該方程計算, 理論上破碎率最低時籽粒含水率為19.06%, 即在該含水率下收獲, 破碎率最低。

3 討論

3.1 玉米收獲質量的總體情況

本文通過2012—2019年獲取的2987組大田機械粒收樣本測試數據分析發現, 籽粒破碎率平均值為7.96%, 比國家標準(≤5%)高出2.96%; 雜質率平均為1.18%, 未超過國家標準(≤3%); 產量損失率平均為3.54%, 總體未超過國家標準(≤5%), 但損失率在田塊間差異較大, 其中, 落穗量變幅為0~8960.1 kg hm-2, 變異系數200.99%。產量損失中落粒占23.5%、落穗占76.5%, 落穗損失大于落粒損失。2987組樣本的籽粒含水率平均值為25.91%, 破碎率、雜質率與籽粒含水率均呈極顯著正相關, 其中,籽粒破碎率(y)與含水率(x)之間呈二次曲線關系, 擬合方程為:y= 0.028x2? 1.0052x+ 14.51 (R2= 0.2677,n= 2987), 破碎率最低時籽粒含水率為19.06%。國內外大量研究認為玉米機械粒收最適宜的籽粒含水率應在25%以下, 破碎率最低的籽粒含水率在18%~23%之間[26]; 落穗損失主要來自收獲期植株倒伏造成的落穗[18], 由此可見, 收獲時籽粒含水率高導致的較高破碎率和部分田塊倒伏造成的落穗損失大是當前我國玉米機械粒收存在的主要質量問題。

與2012—2015年測試結果[22]相比, 近年我國玉米收獲質量中的主要指標得到明顯改善。2018年和2019年測試樣本平均籽粒含水率分別為24.85%和23.88%, 較2012—2015年(平均26.83%)分別降低了1.98%和2.95%; 破碎率為7.83%和6.48%, 較2012—2015年(平均8.63%)分別下降了0.8%和2.15%; 雜質率為1.25%和0.76%, 較2012—2015年(平均1.27%)分別下降了0.02%和0.51%; 但2018年和2019年損失率分別為4.81%和5.36%, 較2012—2015年(平均4.12%)分別增加了0.66%和1.24%, 應予以關注。統計2015年以來的測試數據(圖8)可見, 收獲期籽粒水分和破碎率均呈顯著下降趨勢, 其中, 籽粒含水率平均每年下降0.78%、破碎率平均每年下降0.51%。分析認為, 近年來隨著各地對玉米機械粒收技術認識的深入、玉米專用粒收品種的選育和審定推廣、粒收機械的改進、品種脫水與區域氣候配置等技術逐漸成熟, 玉米收獲質量主要指標得到質的改善。

3.2 不同產區玉米收獲質量的差異

收獲時籽粒水分偏高、破碎率大、部分田間損失率高是各產區玉米粒收存在的共性質量問題, 但不同產區所表現出的情況有所不同。其中, 黃淮海夏玉米區收獲時籽粒破碎率是各產區最高的, 破碎率高主要與收獲期籽粒含水率高有關。該區域為一年兩作的種植制度、玉米品種熟期偏長、生理成熟后田間站稈脫水時間較短, 導致收獲時籽粒含水率偏高。該區域今后的重點應放在早熟、脫水快品種的培育和區域熱量資源與品種熟期、脫水特征配置技術的推廣。收獲時籽粒含水率和破碎率以華北春玉米最低, 主要與該區域春玉米成熟時處于氣溫較高、有利于脫水的條件有關。該區域中京津唐夏播區因地下水限采問題, 春玉米種植面積將呈增加趨勢, 熱量資源不是春玉米籽粒脫水的關鍵限制因素,而后期站稈晾曬期間的倒伏是需要重點關注的問題。東北春玉米區是我國玉米種植面積最大的區域,機械粒收存在損失率偏高、落穗損失田塊間變幅較大的問題, 分析原因可能與玉米螟危害、后期植株抗倒能力差有關。因此, 東北春玉米區今后機械粒收的重點應放在早熟、籽粒脫水快、田間后期站稈能力強品種的選育上。西北春玉米區一年一季, 后期空氣干燥, 非常適合玉米籽粒脫水, 該區域機械粒收損失率也是最低的, 主要與氣候干燥、玉米螟和莖腐病發生較輕、玉米落穗、倒伏輕有關。該產區今后應重點加強脫水快、收獲期含水率低品種的選育, 合理增加密度, 實現玉米產量和收獲質量的協同提高。

3.3 與美國玉米收獲質量的比較

美國谷物委員會每年都會從12個玉米產量與出口量最高的州抽取樣本進行質量分析并形成收獲質量報告[25], 整理2011—2019年的報告數據(表3)可見,美國收獲玉米籽粒含水率平均為16.41%, 最低8.9%,最高30.0%, 且年際間變動不大, 變幅為15.6%~17.7%, 極差2.1%, 表明美國玉米收獲期籽粒含水率較為穩定。本文對2012—2019年我國大田樣本統計, 收獲時籽粒平均含水率為25.91%, 較美國高出9.5%。

表3 2011–2019年美國玉米機械粒收質量主要指標統計Table 3 Statistics of the main attributes of mechanical corn harvest quality in the United States from 2011 to 2019 (%)

美國玉米2011—2019年收獲籽粒樣本的破碎率(broken corn, BC)平均值為0.61%, 變幅在0~10.1%之間; 雜質率(foreign material, FM)平均值為0.2%,變幅在0~7.3%之間。而本文平均破碎率為7.96%, 變幅在0.05%~33.94%之間; 雜質率平均為1.18%, 變幅在0~13.24%之間, 平均值及變幅范圍均大于美國。由此可見, 降低收獲時籽粒含水率、破碎率和雜質率是今后我國玉米機械粒收需要重點改進的質量指標。

需要說明的是中、美兩國在破碎率和雜質率的測定方法與標準上有所不同, 美國是通過不同孔徑篩子來測定樣品破碎和雜質率, 其中, 破碎玉米是指樣品中通過直徑為12/64英寸(相當于4.76 mm)的圓孔篩部分, 但不包括通過直徑為6/64英寸(相當于2.38 mm)的圓孔篩部分; 雜質是通過直徑為6/64英寸的圓孔篩部分和未通過12/64英寸圓孔篩的非玉米部分[25]。而中國是采取人工分檢方式確定樣品破碎率和雜質率, 其中, 對破碎粒的認定原則上只要是玉米粒的一部分, 包括種皮破裂的籽粒、不完整籽粒和籽粒的破碎部分均視為破碎粒; 對雜質的認定是樣品中的非玉米籽粒部分, 包括玉米莖、葉、花絲、穗軸的破碎部分和土塊、非玉米粒的粉末等物體[22]。中美兩種方法測定的結果差異有待進一步比較。

4 結論

由2012—2019年獲得的2987組玉米機械粒收田間測試樣本分析發現, 我國玉米機械粒收的籽粒平均破碎率為7.96%、雜質率為1.18%、損失率為3.54%, 除破碎率外, 其他指標符合國家玉米收獲機械收獲質量標準要求。收獲時玉米籽粒含水率平均為25.91%, 較美國玉米收獲高出9.5%; 降低收獲時籽粒含水率, 可顯著降低破碎率和雜質率, 籽粒水分在19.06%時收獲破碎率最低。產量損失中落穗占76.5%, 是造成收獲損失的主要部分。從不同年份看,近年玉米收獲質量得到明顯改善, 其中, 2015年以來收獲期籽粒含水率平均每年下降0.78%、破碎率平均每年下降0.51%; 從不同玉米產區看, 黃淮海夏播區玉米收獲時籽粒含水率和破碎率最高、華北春玉米最低, 西北和東北春玉米居中。為提高玉米機械粒收質量, 今后應加強脫水快、收獲期含水率低、后期站稈性能好、抗倒伏品種的選育, 推廣品種脫水與區域氣候配置技術, 改進收獲機械, 并適期收獲。