王克如 李璐璐 高 尚 王浥州 黄兆福 谢瑞芝 明 博 侯 鹏 薛 军 张国强 侯梁宇 李少昆

中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态重点实验室, 北京 100081

玉米籽粒机械收获是现代玉米生产方式的典型特征之一[1]。1954年John Deere公司制造出第一台两行玉米割台, 连接在自走式联合收获机上实现了真正意义上的玉米籽粒机械收获之后, 美国开始在大田生产中推广应用[2], 其中, Iowa、Illinois、Indiana、Minnesota等主产州玉米籽粒联合收获的面积从1964年的24%上升到1968年的48%[3], 至20世纪70年代美国已全面实现了玉米机械粒收[4]。我国最早于20世纪80年代在新疆兵团和黑龙江垦区,引进欧美等国先进的收获机械, 并开始玉米机械粒收技术的探索, 但推广面积很小, 相关研究也较为薄弱[5]。直到近10年, 随着我国社会经济的发展, 合作社、家庭农场等新型经营主体的兴起和规模化种植的发展, 为玉米机械粒收技术的应用提供了条件。为推动玉米机械粒收技术在全国的应用, 中国农业科学院作物科学研究所作物栽培与生理创新团队自2010年起, 在全国玉米主产区开展玉米机械粒收关键技术的研究与集成示范[6], 从籽粒脱水特征[7-9]、宜粒收品种筛选[10-11]、籽粒耐破碎机制与评价方法[12-15]、区域生态特点与品种热量资源的匹配[16-17]、后期植株抗倒性[18-20]、收获机械配套与应用[21], 以及烘干等角度开展了大量的研究, 并分区域集成玉米机械粒收生产技术, 形成技术标准, 推动玉米机械粒收技术的应用与发展。

玉米粒收质量包括收获籽粒的含水率、碎碎率、杂质率和落粒、落穗损失率[22], 这些指标不仅能反映收获玉米质量的高低, 又为后续籽粒烘干、晾晒、清选、贮藏等作业的安排和适合方式、方法与工艺的选择提供依据[23], 并影响玉米销售时的定等定级、最终用途及市场价格[24]。因此, 对玉米收获质量各指标开展测试和研究是非常必要的。成立于1960年的美国谷物协会(U.S. grains council)为增加美国农产品在国际市场中的份额, 针对玉米收获质量问题, 自2011年开始, 每年在玉米收获季节从12个出口量最大的州采集籽粒样品分析收获玉米质量,发布年度质量报告(corn-harvest-quality-report), 为美国玉米市场交易提供依据[25], 从市场需求方面引导和推动美国玉米收获质量的不断提高。本团队曾利用2011—2015年在各地的测试数据对中国玉米机械粒收质量及其与水分含量的关系做了初步报道[22],但随着近几年适宜机械粒收玉米品种的选育与应用、收获机械的改进、粒收技术的配套与集成应用,各地对机械粒收技术的认识提高, 粒收技术得到快速发展[6], 为回答以下问题: 玉米机械粒收收获质量现状与变化趋势; 近年来收获质量指标中哪些有进步？哪些还存在问题？可能的解决途径是什么？中美玉米收获质量的比较等, 本文对2012—2019年在中国不同产区、不同年份获得的2987组玉米机械粒收质量田间测试样本数据进行分析, 为我国玉米机械粒收质量的改进与技术的发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验示范地点、参试品种

自2012—2019年共在西北灌溉春玉米区(Northwest irrigated maize region, NW; 包括新疆、甘肃、宁夏、陕西北部, 内蒙古中部和西部)、东北春玉米区(Northeast spring maize region, NE; 包括辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古东四盟)、黄淮海夏播玉米区(Huang-Huai-Hai summer maize region, HH; 包括河南、河北、山东、江苏、安徽、陕西关中)、华北春播玉米区(North China spring maize region, NC; 包括北京、天津、山西)、西南玉米区(Southwest maize region, SW; 包括四川、云南、湖南、湖北、西藏)等21个省(市、区)、155个点次布设了玉米机械粒收试验示范, 共有865个品种参加了测试。各试验示范点按其经纬度和参加试验示范的年次绘制分布图(图1), 参加年次越多的试点标注的圈越大, 同时每个省份按其玉米种植面积标注不同颜色。从图1可见, 试验示范点基本涵盖了东北、西北、黄淮海和西南四大玉米主产区, 且主要集中在玉米种植面积较大的省份和县市, 具有一定代表性。由于西南玉米区以丘陵山地为主, 机械化进程慢, 样本量较少, 本文对该区不做具体分析。

1.2 主要调查与测试指标及方法

1.2.1 籽粒含水率、破碎率和杂质率 在各机械粒收试验示范点, 每个品种收获时随机取收割机仓内收获的籽粒样品约2 kg, 首先用PM-8188水分测定仪测定含水率, 重复5次, 然后称重量, 手工分拣将其分为籽粒和非籽粒两部分; 籽粒部分称重记为KW1, 非籽粒部分称重记为NKW; 再根据籽粒的完整性, 将其分为完整籽粒和破碎籽粒并分别称重,完整粒重量记为KW2, 破碎粒重量记为BKW, 籽粒破碎率、杂质率计算公式:

1.2.2 田间损失率 在测试品种已收割地块随机选取样点, 每个样点长度2 m、宽度一个割幅, 收集样区内所有落穗和落粒, 记录穗数并脱粒, 分别称落穗、落粒的籽粒重, 结合收获时的籽粒含水率, 按照样区面积计算单位面积含水率为14%的落穗重和落粒重, 3次重复。结合收获田块产量数据计算产量损失率。

1.3 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010、SPSS18.0软件进行数据处理和统计分析, 用R软件、ArcMap 10.4和Microsoft Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 机械粒收收获质量的总体情况

对2012—2019年获取的2987组大田机械粒收样本数据分析, 总体结果表明(表1), 收获时籽粒平均含水率为25.91%, 分布范围为10.63%~44.6%; 破碎率为7.96% (分布范围为0.05%~33.94%), 比5%的国家标准高出2.96%; 杂质率平均1.18% (分布范围为0~13.24%), 未超过3%的国家标准; 收获损失量平均为345.15 kg hm–2(分布范围为0~9288.45 kg hm–2), 产量损失率平均3.54% (分布范围0~58.55%),总体未超过5%的国家标准。产量损失包括落粒损失和落穗损失, 其中, 落粒量平均113.55 kg hm–2, 落穗量平均351.15 kg hm–2, 落粒占总损失量的23.5%,落穗占76.5%, 落穗损失大于落粒损失。落穗量在田块间的表现为0~8960.1 kg hm–2, 变异系数200.99%,在各收获质量指标中变异最大, 说明田块间落穗损失存在较大差异, 落穗损失是影响玉米粒收质量的又一重要因素。

表1 2012–2019年玉米机械粒收质量统计Table 1 Statistics of the quality of mechanically harvested corn from 2012 to 2019

不同年际间的测试结果(表1)显示, 收获时籽粒平均含水率以2017年最高, 达到27.28%, 之后逐年下降, 2018年和2019年分别下降至24.85%和23.88%, 下降了2.43%和3.40%; 相应破碎率和杂质率自2017年以来也呈快速下降趋势, 其中, 2018年和2019年破碎率为7.83%和6.48%, 较2017年分别下降了0.96%和2.31%; 杂质率为1.25%和0.76%,较2017年分别下降了0.21%和0.70%。但近2年落粒、落穗损失有增加的趋势, 其中总损失率2018年和2019年分别较2017年增加了1.50%和2.05%。

2.2 主要收获质量指标的分布

2012—2019年收获的籽粒含水率总体呈正态分布(图2), 籽粒含水率最高为44.60%, 最低为10.63%, 平均为25.91%, 其中, 含水率≤25%的样本占41.98%, ≤20%的样本仅占13.09%, 而含水率高于25%的样本比例达到58.02%, ≥30%的样本占20.09%。

籽粒破碎率分布频次结果见图2, 破碎率分布在0.05%~33.94%之间, 其中, 50%的样本分布在4.84%~11.76%之间, 破碎率≤8%的样本占57.53%,仅有30.98%的样本破碎率≤5%。

2.3 不同产区玉米机械粒收质量比较

2.3.1 籽粒含水率 收获期不同产区玉米籽粒含水率存在较大差异(图3), 其中, 黄淮海夏播玉米籽粒含水率均值27.38%, 显著高于其他区域, 也高于适宜粒收含水率范围(≤25%); 其次是东北春玉米区,平均含水率为25.16%; 西北春玉米籽粒含水率均值为24.94%, 略低于东北春玉米; 含水率最低的是华北春玉米, 其均值为22.76%, 处于适宜粒收的籽粒水分范围。

2.3.2 破碎率 不同产区籽粒破碎率结果见图4,破碎率从大到小依次为黄淮海夏播区、西北春玉米区、东北春玉米区和华北春雨米区, 其中, 黄淮海夏播玉米破碎率均值为9.29%, 高出全国平均值1.33%,并高出国家标准(≤5%) 4.29%, 因此, 破碎率高是黄淮海夏播玉米粒收质量存在的最突出问题; 其次是西北春玉米区, 其均值为7.33%, 低于全国平均值0.60%, 但高出国家标准2.33%; 第三是东北春玉米, 其均值为6.96%, 低于全国平均值1.00%, 但高于国家标准; 华北春玉米籽粒破碎率最低, 其均值为5.59%, 低于全国均值3.70%, 但略高于国家标准。

从样本破碎率分布看, 黄淮海夏播玉米79.21%的样本破碎率大于5%, 50.09%的样本高于8%; 西北春玉米和东北春玉米分别有54.35%和56.71%的样本破碎率大于5%, 有30.52%和32.94%的样本高于8%; 华北春玉米有51.49%的样本破碎率大于5%,高于8%的样本占16.42%。说明不同产区收获质量均存在破碎率偏高的问题, 且以黄淮海夏播玉米最为严重, 而华北春玉米相对较好, 有83.58%的样本可以达到国家3等玉米的破碎率标准(≤8%)。

2.3.3 杂质率 杂质率比较结果见图5, 四大产区杂质率均值均低于≤3%的国家标准, 但以华北春玉米的杂质率相对最高, 均值为1.83%, 高出全国平均值0.65%; 其次是黄淮海夏播玉米, 均值为1.68%, 高出全国平均值0.50%; 而西北、东北春玉米杂质率均值分别为0.65%和0.75%, 相应低于全国平均值0.53%和0.43%。

2.3.4 损失率 不同产区机械粒收损失率结果见图6, 其中, 东北春玉米的损失率最高, 均值为5.72%, 高出国家标准(≤5%) 0.72%; 西北、黄淮海和华北3个产区的损失率均值均低于国家标准, 但其中以华北春玉米的损失相对较高, 其均值达到4.34%, 高出全国平均值0.80%; 黄淮海夏玉米损失率均值为3.28%, 低于全国平均值0.26%; 西北春玉米的损失率均值最低, 为2.37%, 较全国均值低1.17%。

从损失率样本分布频次看, 东北春玉米区有24.49%的样点损失率高于5%。华北春玉米虽然损失率均值低于东北春玉米, 但损失率变幅较大, 有24.79%的样点损失率超过5%; 黄淮海夏玉米和西北春玉米区中各有15.71%和8.71%的样点损失率超过5%。

2.4 收获质量指标之间的关系

2987组大田收获样本各质量指标间的相关分析见表2, 破碎率、杂质率均与籽粒含水率呈极显著正相关, 说明籽粒破碎率和杂质率随收获期籽粒含水率的增加总体呈增加的趋势; 落穗损失、总损失率与籽粒含水率均呈极显著负相关, 说明较低的含水率下收获, 虽然能显著降低籽粒破碎率和杂质率,但也会引起落穗和总损失率的增加, 因此, 适宜收获期的确定应综合考虑籽粒破碎率和损失率均较低的时间。

表2 籽粒含水率与破碎率、杂质率、损失率间的相关关系(2012–2019)Table 2 Pearson correlation coefficient between grain moisture content, broken corn, foreign material, grains loss, and ears loss from 2012 to 2019

进一步分析(图7)可见, 籽粒破碎率(y)与收获期籽粒含水率(x)之间呈二次曲线关系, 拟合方程为:y= 0.028x2− 1.0052x+ 14.51 (R2= 0.2677,n= 2987)。依据该方程计算, 理论上破碎率最低时籽粒含水率为19.06%, 即在该含水率下收获, 破碎率最低。

3 讨论

3.1 玉米收获质量的总体情况

本文通过2012—2019年获取的2987组大田机械粒收样本测试数据分析发现, 籽粒破碎率平均值为7.96%, 比国家标准(≤5%)高出2.96%; 杂质率平均为1.18%, 未超过国家标准(≤3%); 产量损失率平均为3.54%, 总体未超过国家标准(≤5%), 但损失率在田块间差异较大, 其中, 落穗量变幅为0~8960.1 kg hm-2, 变异系数200.99%。产量损失中落粒占23.5%、落穗占76.5%, 落穗损失大于落粒损失。2987组样本的籽粒含水率平均值为25.91%, 破碎率、杂质率与籽粒含水率均呈极显著正相关, 其中,籽粒破碎率(y)与含水率(x)之间呈二次曲线关系, 拟合方程为:y= 0.028x2− 1.0052x+ 14.51 (R2= 0.2677,n= 2987), 破碎率最低时籽粒含水率为19.06%。国内外大量研究认为玉米机械粒收最适宜的籽粒含水率应在25%以下, 破碎率最低的籽粒含水率在18%~23%之间[26]; 落穗损失主要来自收获期植株倒伏造成的落穗[18], 由此可见, 收获时籽粒含水率高导致的较高破碎率和部分田块倒伏造成的落穗损失大是当前我国玉米机械粒收存在的主要质量问题。

与2012—2015年测试结果[22]相比, 近年我国玉米收获质量中的主要指标得到明显改善。2018年和2019年测试样本平均籽粒含水率分别为24.85%和23.88%, 较2012—2015年(平均26.83%)分别降低了1.98%和2.95%; 破碎率为7.83%和6.48%, 较2012—2015年(平均8.63%)分别下降了0.8%和2.15%; 杂质率为1.25%和0.76%, 较2012—2015年(平均1.27%)分别下降了0.02%和0.51%; 但2018年和2019年损失率分别为4.81%和5.36%, 较2012—2015年(平均4.12%)分别增加了0.66%和1.24%, 应予以关注。统计2015年以来的测试数据(图8)可见, 收获期籽粒水分和破碎率均呈显著下降趋势, 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%。分析认为, 近年来随着各地对玉米机械粒收技术认识的深入、玉米专用粒收品种的选育和审定推广、粒收机械的改进、品种脱水与区域气候配置等技术逐渐成熟, 玉米收获质量主要指标得到质的改善。

3.2 不同产区玉米收获质量的差异

收获时籽粒水分偏高、破碎率大、部分田间损失率高是各产区玉米粒收存在的共性质量问题, 但不同产区所表现出的情况有所不同。其中, 黄淮海夏玉米区收获时籽粒破碎率是各产区最高的, 破碎率高主要与收获期籽粒含水率高有关。该区域为一年两作的种植制度、玉米品种熟期偏长、生理成熟后田间站秆脱水时间较短, 导致收获时籽粒含水率偏高。该区域今后的重点应放在早熟、脱水快品种的培育和区域热量资源与品种熟期、脱水特征配置技术的推广。收获时籽粒含水率和破碎率以华北春玉米最低, 主要与该区域春玉米成熟时处于气温较高、有利于脱水的条件有关。该区域中京津唐夏播区因地下水限采问题, 春玉米种植面积将呈增加趋势, 热量资源不是春玉米籽粒脱水的关键限制因素,而后期站秆晾晒期间的倒伏是需要重点关注的问题。东北春玉米区是我国玉米种植面积最大的区域,机械粒收存在损失率偏高、落穗损失田块间变幅较大的问题, 分析原因可能与玉米螟危害、后期植株抗倒能力差有关。因此, 东北春玉米区今后机械粒收的重点应放在早熟、籽粒脱水快、田间后期站秆能力强品种的选育上。西北春玉米区一年一季, 后期空气干燥, 非常适合玉米籽粒脱水, 该区域机械粒收损失率也是最低的, 主要与气候干燥、玉米螟和茎腐病发生较轻、玉米落穗、倒伏轻有关。该产区今后应重点加强脱水快、收获期含水率低品种的选育, 合理增加密度, 实现玉米产量和收获质量的协同提高。

3.3 与美国玉米收获质量的比较

美国谷物委员会每年都会从12个玉米产量与出口量最高的州抽取样本进行质量分析并形成收获质量报告[25], 整理2011—2019年的报告数据(表3)可见,美国收获玉米籽粒含水率平均为16.41%, 最低8.9%,最高30.0%, 且年际间变动不大, 变幅为15.6%~17.7%, 极差2.1%, 表明美国玉米收获期籽粒含水率较为稳定。本文对2012—2019年我国大田样本统计, 收获时籽粒平均含水率为25.91%, 较美国高出9.5%。

表3 2011–2019年美国玉米机械粒收质量主要指标统计Table 3 Statistics of the main attributes of mechanical corn harvest quality in the United States from 2011 to 2019 (%)

美国玉米2011—2019年收获籽粒样本的破碎率(broken corn, BC)平均值为0.61%, 变幅在0~10.1%之间; 杂质率(foreign material, FM)平均值为0.2%,变幅在0~7.3%之间。而本文平均破碎率为7.96%, 变幅在0.05%~33.94%之间; 杂质率平均为1.18%, 变幅在0~13.24%之间, 平均值及变幅范围均大于美国。由此可见, 降低收获时籽粒含水率、破碎率和杂质率是今后我国玉米机械粒收需要重点改进的质量指标。

需要说明的是中、美两国在破碎率和杂质率的测定方法与标准上有所不同, 美国是通过不同孔径筛子来测定样品破碎和杂质率, 其中, 破碎玉米是指样品中通过直径为12/64英寸(相当于4.76 mm)的圆孔筛部分, 但不包括通过直径为6/64英寸(相当于2.38 mm)的圆孔筛部分; 杂质是通过直径为6/64英寸的圆孔筛部分和未通过12/64英寸圆孔筛的非玉米部分[25]。而中国是采取人工分检方式确定样品破碎率和杂质率, 其中, 对破碎粒的认定原则上只要是玉米粒的一部分, 包括种皮破裂的籽粒、不完整籽粒和籽粒的破碎部分均视为破碎粒; 对杂质的认定是样品中的非玉米籽粒部分, 包括玉米茎、叶、花丝、穗轴的破碎部分和土块、非玉米粒的粉末等物体[22]。中美两种方法测定的结果差异有待进一步比较。

4 结论

由2012—2019年获得的2987组玉米机械粒收田间测试样本分析发现, 我国玉米机械粒收的籽粒平均破碎率为7.96%、杂质率为1.18%、损失率为3.54%, 除破碎率外, 其他指标符合国家玉米收获机械收获质量标准要求。收获时玉米籽粒含水率平均为25.91%, 较美国玉米收获高出9.5%; 降低收获时籽粒含水率, 可显著降低破碎率和杂质率, 籽粒水分在19.06%时收获破碎率最低。产量损失中落穗占76.5%, 是造成收获损失的主要部分。从不同年份看,近年玉米收获质量得到明显改善, 其中, 2015年以来收获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%; 从不同玉米产区看, 黄淮海夏播区玉米收获时籽粒含水率和破碎率最高、华北春玉米最低, 西北和东北春玉米居中。为提高玉米机械粒收质量, 今后应加强脱水快、收获期含水率低、后期站秆性能好、抗倒伏品种的选育, 推广品种脱水与区域气候配置技术, 改进收获机械, 并适期收获。