玉米籽粒直收中籽粒及穗轴破损形态研究

时间：2024-05-24

虞顺成，李耀明，马征，王建廷，胡必友，徐立章，唐忠

(1.江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江 212013；2.江苏沃得农业机械有限公司，江苏镇江 212311)

0 引言

玉米机械化收获主要有玉米穗收和籽粒直收：玉米穗收是指机械化摘穗和剥皮，经晾晒后再用玉米脱粒机脱粒；籽粒直收是指采用机械化一次性完成摘穗、脱粒、分离及清选等工序，该技术于 20 世纪 50 年代在北美率先开始应用[1-3]，可以提高作业效率、缩短农时、降低劳动力成本，是我国玉米收获技术的发展趋势。

目前，我国大部分地区处在玉米穗收向籽粒直收的转变过程中。王克如团队[4]研究表明：我国玉米收获时籽粒含水率平均值达到 26.65 %，玉米籽粒直收破碎率平均值达到8.56%，高于国标 [“玉米收获机械技术条件”(GB/T 21961-2008)]≤ 5%的要求。破损籽粒不仅降低玉米品质和销售价格，且增大烘干成本及增加贮藏难度。显然，籽粒破损碎率高已经成为我国玉米籽粒直收技术推广的重要制约因素[5-6]。

国外学者 Chowdhury将玉米脱粒机中产生的机械损伤分为严重损伤型(籽粒 1/3 缺失)、顶部损伤型、种皮损伤型、胚损伤型、细小颗粒和粉未进行研究[7]。国内马俊以钉齿式滚筒脱粒机为试验台进行研究，发现不同影响因素下玉米穗轴的轴断比均服从正态分布，且含水率对玉米穗轴的轴断比影响显著[8]。目前，关于我国玉米籽粒直收中玉米籽粒及穗轴破损形态的研究较少，大多为针对小型玉米脱粒机或种子玉米脱粒机理的试验研究[9-12]，针对玉米籽粒直收的研究多为根据经验设计加工成玉米脱粒试验台架[13-14]进行室内试验，其设计大多缺少自主的理论分析依据，没有充分考虑田间籽粒直收中玉米破损情况。为此，对玉米籽粒直收中籽粒及穗轴的破损形态进行了统计分析，旨在为研制适合我国玉米籽粒直收的联合收获机械提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验地点为江苏省镇江市世业洲，玉米品种为郑单958，生育期平均96天，单穗平均质量264g，玉米籽粒含水率27.75%，百粒质量平均40g，玉米穗轴含水率68.65%。

试验设备为玉米籽粒联合收获机，发动机功率为117kW，如图1所示。整机通过挂接行数为6行、宽度为3 990mm 的玉米摘穗式割台进行收获。脱粒装置为切纵轴流结构，切流滚筒为安装有长纹杆的闭式滚筒，纵轴流滚筒为安装有短纹杆的闭式滚筒，脱粒凹板为栅格圆钢式凹板。

1.2 试验及统计方法

采用国家标准中规定的检测方法(即烘干减重法)测量玉米籽粒及穗轴含水率。

收获前在同一试验地测定收获面积，进行玉米籽粒直收试验；每次收获结束后，取粮箱籽粒样本及脱出物中玉米穗轴分袋标记。

观察测量破损玉米穗轴长度发现：玉米穗轴破损形态多样，长度难以测定。为方便统计，按玉米穗轴长度每2cm划分1个区间，由于较长穗轴较少，长度大于10cm记为1个区间[10,a]，共6个区间([0,2]、[2,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10]、[10,a])，分别进行统计，计算各区间穗轴的占比比例。

采用断面比表述穗轴破损情况，即玉米穗轴断面的投影面积与完整穗轴横截面面积的比值。断面比K用公式表示为

K=s/S

式中s—玉米穗轴断面的投影面积(mm2)；

S—完整穗轴横截面面积(mm2)。

根据玉米穗轴断面比情况，可将穗轴断面情况分为3种：断面比为1/4的穗轴记为1/4断面，断面比为1/2的穗轴记为1/2断面，断面比为1的记为完整断面。对以上3种穗轴分别进行统计，计算穗轴的占比比例。

采用四分法[15]对试验样品进行取样。依据籽粒破损形态，分为以下几类并分别称重：

1)破碎籽粒—完全破碎成不规则形状的籽粒；

2)缺损籽粒—缺损少于1/3的籽粒；

3)裂纹籽粒—存在可视裂纹的籽粒；

4)种皮破损籽粒—表面存在擦伤或挤伤的籽粒。

各破损形态籽粒占比计算公式为

P=Zp/Z×100%

P1=Z1/Z×100%

P2=Z2/Z×100%

P3=Z3/Z×100%

式中Z—籽粒样品总质量(g)；

Zp—样品中破损籽粒总质量(g)；

Z1—破碎籽粒质量(g)；

Z2—缺损籽粒质量(g)；

Z3—裂纹籽粒质量(g)；

P—籽粒总破损率(%)；

P1—籽粒破碎率(%)；

P2—籽粒缺损率(%)；

P3—籽粒裂纹率(%)。

图1 玉米籽粒联合收获机

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒破损形态

观察统计收获籽粒样本发现：在各破损形态中，种皮破损籽粒较少，玉米籽粒存在轻微擦伤或挤伤。其成因主要是收获玉米籽粒含水率达27.75 %，当含水率较高时，玉米籽粒种皮相对较软，籽粒具有一定柔韧性和塑性，玉米与机械结构、玉米与玉米之间相互挤压、撞击和揉搓致使籽粒产生轻微变形或种皮擦伤。

种皮破损籽粒不易识别且占比较少，因此在研究中主要对破碎籽粒(玉米籽粒完全破碎成不规则形状)、缺损籽粒(缺损少于籽粒的1/3)及裂纹籽粒(外部肉眼可视裂纹)进行了统计分析。各破损形态及统计结果如图2所示。

图2 不同破损形态占比

由图2可知：各破损形态中破碎籽粒与裂纹籽粒占比差别不大，缺损籽粒占比最小且变化不大。

损伤籽粒中破碎籽粒损伤最严重；其次是缺损籽粒，缺损籽粒中绝大多数是冠部缺损，有少数胚部缺损；裂纹籽粒损伤较为复杂，裂纹形态多样，同一籽粒可能同时存在多条长短不一的裂纹，1条裂纹可能同时存在于多个部位。

取裂纹籽粒100粒，分别从冠部、背面、腹面(籽粒有胚的一面)和侧面观察可视裂纹状况，结果如图3所示。

图3 玉米籽粒示意图

统计玉米籽粒冠部、背面、腹面和侧面存在裂纹的数量，分别统计计算各部位存在裂纹的比例，如表1所示。

表1 可视裂纹存在部位

由表1可知：玉米籽粒各部位中冠部存在裂纹的比例最高，背面存在裂纹的比例最低，有胚的腹面存在裂纹的比例高于没有胚的背面。

取裂纹籽粒100粒，观察统计裂纹横向、纵向和不规则裂纹(同时存在横向、纵向裂纹或任意方向裂纹)的数量，分别统计计算产生裂纹的方向所占比例，如表2所示。

表2 可视裂纹方向

由表2可知：产生纵向裂纹的比例大于产生横向裂纹的比例，不规则裂纹占有一定比例。

玉米籽粒直收中籽粒含水率达27.75%，相关研究表明[16-17]：含水率的大小对籽粒脱粒性能有很大影响，相对于低含水率籽粒，直收中籽粒果柄较粗，具有一定韧性，机械强度大，增大了玉米籽粒从玉米穗轴上脱下的难度；高含水率籽粒相对饱满，籽粒之间接触紧密，侧向与纵向相互挤靠形成支撑，也增大了脱粒难度。玉米籽粒参差不齐，在玉米籽粒直收过程中，玉米果穗上暴露在最外侧的玉米籽粒冠部首先接受冲击，当冲击达到一定程度时冠部首先产生裂纹，随着冲击作用的增强，裂纹趋于严重直至破碎。因此，玉米缺损籽粒中绝大多数是冠部缺损，裂纹籽粒中冠部存在裂纹的比例最高。

研究发现：裂纹籽粒中腹面存在裂纹的比例高于背面，背面和腹面存在裂纹的籽粒其冠部多数也存在裂纹，同时半透明的籽粒种皮因具有较好的强度与韧性而不易破裂，对籽粒具有一定保护作用；玉米籽粒冠部、侧面以及背面表层的胚乳为角质，中间近胚部分为粉质，粉质胚乳非常脆弱，相对饱满的种胚在外力作用下易发生破裂。冠部产生的裂纹向种胚延伸与扩展，在背面和腹面形成纵向裂纹。

2.2 玉米穗轴破损形态

SEGHEL等发现：硬度较大的玉米穗轴在脱粒时对籽粒损伤有显著影响，断成几段的穗轴对籽粒的撞击增大了籽粒破碎率[18]。玉米穗轴是指玉米果穗脱去籽粒后所剩的果穗轴，也称为玉米芯，其结构主要由芯髓、木质环形层和颖片3部分组成，每层的组织结构不同，表现出不同的物理力学特性。其外层颖片结构松软，易变形；中间木质环形层坚硬、不易变形；内层芯髓状似海绵，易裂[9]。

对收获前后玉米穗轴进行统计分析，收获前玉米穗轴长度平均为180 mm，穗轴直径平均29 mm,籽粒直收后玉米穗轴断面形态如图4所示。

图4 玉米穗轴断面形态

统计结果如图5、图6所示。玉米穗轴长度以2～6cm为主，断面比以1/4和1/2断面为主。结果表明：籽粒直收试验与脱粒机试验中玉米穗轴形态存在明显差异，玉米穗轴破损形态复杂多样，玉米穗轴全部被打断或打碎，穗轴断面中存在的完整断面绝大多数是玉米穗轴的小端。

图5 玉米穗轴长度分布图

图6 玉米果穗断面分布图

用玉米穗轴完整度Dw来评价破碎的单个玉米穗轴，则Dw可定义为

Dw=l/L×K

式中l—破碎的玉米穗轴长度(cm)；

L—整个玉米穗轴长度(cm)；

K—玉米穗轴断面比。

研究发现：玉米穗轴小端完整度最大，说明玉米穗轴力学性质受组织结构影响较大。余吉洋等对玉米穗轴的基本特性进行了研究，结果表明：玉米穗轴不同部位及含水率对玉米穗轴的力学特性有显著影响[19]。玉米籽粒直收时玉米穗轴含水率达68.65%，穗轴破碎严重，完整度较低，残留在玉米穗轴上的籽粒不易脱落，造成籽粒二次脱粒损伤，影响籽粒破损率。