92個花生品種(系)的果柄和莢果力學(xué)特性研究

遲曉元王東偉孫 偉許 靜陳明娜潘麗娟陳 娜王 通王 冕王 冰陳有慶胡志超*禹山林*

(1.山東省花生研究所,山東 青島 266100; 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,山東 青島 266109;

3.臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東 臨沂 276012; 4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所,江蘇 南京 210014)

花生作為我國重要的經(jīng)濟作物和油料作物,在國民經(jīng)濟發(fā)展中舉足輕重[1]。近幾年,我國花生種植面積和產(chǎn)量不斷增加,花生的機械化發(fā)展變得更加重要[2-3]。我國花生收獲主要有人工收獲、半機械化收獲和機械化收獲三種方式,以人工收獲為主,總體機械化收獲水平約為30%左右[4-5]。

花生果柄和莢果力學(xué)特性影響著花生收獲機作業(yè)質(zhì)量指標。近年一些學(xué)者開展了相關(guān)研究,主要包含破殼力、含水量、果柄機械特性等方面。沈一等(2012)研究發(fā)現(xiàn)100個不同花生品種(系)的果柄強度間存在差異,果嘴、果腰等性狀與果柄強度間有相關(guān)性[6]。易克傳等(2013)研究表明隨含水率的增加,花生破殼力和果仁抗破損強度均顯著增加。果仁抗破損力高于果殼抗破殼力,仁殼易分離[7]。關(guān)萌(2016)發(fā)現(xiàn),在相同含水率下,白沙1016、花育30和四粒紅果柄的自身抗拉強度＞秧柄節(jié)點＞果柄節(jié)點;側(cè)壓的破裂力、彈性模量和壓縮功＞正壓＞立壓[2]。楊亞洲等(2016)以調(diào)濕處理后的?；?號為研究對象,發(fā)現(xiàn)側(cè)放的花生莢果破裂力、花生仁破損力＞正放＞立放。二者隨含水率的增加先減小再增加,花生仁破損力高于花生莢果破裂力[8]。品種、含水率、放置方式、沖擊角度對花生莢果破殼能量均有影響[9]。吳琪等(2016)表明大田晾曬3d后26個花生品種的果柄強度均較低。大、小花生品種的果柄強度間差異不顯著,不同品種的果柄強度隨莢果成熟度變化不同[10]。周德歡(2017)以天府 3 號為材料,發(fā)現(xiàn)適收期內(nèi)秧柄節(jié)點拉斷力＞果柄節(jié)點,拉斷力先增大后減小。4～5 d晾曬后,拉力值較低,花生秧蔓拉伸和剪切力不斷地減小?；ㄉv果側(cè)壓破裂所需力＞正壓＞立壓[4]。王京等(2017)以大白沙、黑花生、兩粒紅、小白沙為研究對象,表明受力位置、含水率、放置方式、花生品種、加載速度對莢果的損傷形式、破殼力、變形量有不同的影響[11]。王傳堂等(2017)從58個花生新品系中篩選出果柄強度較高,莢果自植株上脫離時不帶果柄的花生新品系26個[12]。孫雅文等(2017)發(fā)現(xiàn),在不同成熟度、不同含水率時,不易落果品種的果-柄、柄-莖間斷裂拉力顯著高于易落果品種[13]。王冰(2018)選取我國11個典型花生品種為研究對象,測定收獲期內(nèi)花生株系基本信息、幾何特性、含水率、機械和生物力學(xué)特性、結(jié)果特性等重要參數(shù),為半喂入花生摘果和篩選技術(shù)研究提供了理論基礎(chǔ)和新方法[5]。遲曉元等(2018)從76個花生品種(系)中篩選出適宜機械化收獲的大花生新品系6個,莢果和籽仁產(chǎn)量均比對照增產(chǎn)[14]。王傳堂等(2019)通過對57個花生品種(系)的測定,提出果柄強度最小值不低于5N、果殼強度最小值不低于1.26kN的普通型品種適合鮮花生機械化收獲。并篩選出10個適合一段式機械收獲的花生新品種(系)[15]。研究還發(fā)現(xiàn)6個高油酸夏花生新品種(系)的側(cè)向果殼強度＞臥向＞豎向。結(jié)實范圍、果柄強度與果殼強度間有相關(guān)性,3個方向的果殼強度間有相關(guān)關(guān)系。并篩選出4個適合機械化聯(lián)合收獲的高油酸花生品種(系)[16]。

機械化收獲主要有分段、兩段式和聯(lián)合收獲三種模式。在現(xiàn)有的花生機械化收獲技術(shù)中,聯(lián)合收獲設(shè)備集成度最高,可一次完成花生挖掘、去土、輸送、摘果和清選等作業(yè),具有莢果破損率低、作業(yè)順暢性好、秧蔓可飼料化利用等優(yōu)點[5]。因此,本研究對92個花生品種(系)鮮莢果的果柄強度、莢果壓縮破殼力、莢果層厚度和高度、產(chǎn)量和品質(zhì)等指標進行測定和分析,以便篩選出適合聯(lián)合收獲機作業(yè)的優(yōu)質(zhì)花生品種(系),為花生聯(lián)合收獲機的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用本課題組培育的92個花生品種(系)為試驗材料,對照品種是花育33號(表1)。

1.2 92個花生品種(系)果柄強度測定

試驗于2018年在山東省花生研究所萊西試驗農(nóng)場進行。采用SH-50型數(shù)顯式推拉力計(溫州山度儀器有限公司)測量每棵花生植株第一對側(cè)枝上的5個莢果。每個品種(系)選擇5棵花生植株。記錄最大拉力值,并記錄果柄斷裂部位(莖處或莢果處)。具體詳見遲曉元等[14]的方法。

1.3 92個花生品種(系)莢果層厚度和高度的測定

在地里,從側(cè)面挖掘,小心不碰觸花生莢果,去除莢果四周的土壤,露出花生莢果層,測量花生莢果層厚度(花生莢果的水平生長分布范圍)和高度(莢果生長底部距離壟頂?shù)母叨?也就是在垂直方向的莢果分布范圍)。收獲后,手持花生,模擬收獲機起拔后在夾持輸送過程中的狀態(tài),再測量花生莢果層厚度(在水平方向的莢果分布范圍)和高度(在垂直方向的莢果分布范圍)。每個品種(系)測定5棵花生植株。

1.4 92個花生品種(系)莢果壓縮破殼力測定

根據(jù)王冰等的方法[5],采用CMT4503微機控制電子萬能試驗機(深圳市新三思材料檢測有限公司)測定花生莢果立放(莢果站立)、側(cè)放(果嘴朝外)、正放(果嘴朝下)的壓縮破殼力,使上壓盤以10mm/min的速度下降,擠壓破壞花生。每個品種(系)隨機選取30個成熟飽滿的雙仁鮮莢果,每個方向各有10個測定值。

1.5 92個花生品種(系)莢果成熟度測定

成熟度測定采用中果皮比色法[17],具體詳見遲曉元等[14]的方法。

1.6 92個花生品種(系)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的測定

收獲后對花生品種(系)的產(chǎn)量進行統(tǒng)計和分析,計算單產(chǎn)、出米率、莢果和籽仁增產(chǎn)比率等產(chǎn)量數(shù)據(jù)?；ㄉ焚|(zhì)性狀測定采用近紅外光譜儀進行測定和分析。

1.7 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 24進行多重比較分析[18]和相關(guān)性分析[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 92個花生品種(系)果柄強度分析

表2所示,92個花生品種(系)由于自身特性不同,果柄強度大小差別較大,均值變幅1.94～11.77N。已知果柄強度分四級:低(5.69～8.44N),中(8.45～13.96N),高(13.97～16.72N),極高(＞16.72N)[20]。

表1 試驗材料Table 1 List of peanut varieties (lines)

表2 92個花生品種(系)的果柄強度變幅Table 2 Variation of peg strength of 92 peanut varieties (lines)

表3所示,92個花生品種(系)中果柄強度中的有20個,低的有44個,另外有28個品種(系)則比“低”這一標準還要低,納入“極低”標準。平均果柄強度最大的品種是P18-52(11.77N),其次為花育9120(10.91N),花育35號(10.80N),P18-53(10.48N),P18-67(10.15N),花育50號(10.06N),花育60號(10.01N),最小的是P18-70(1.94N)。位于前10位的品種(系)的果柄強度均值(9.42～11.77N)顯著或極顯著高于后49位(1.94～6.82N)。果柄強度均值居首位的P18-52(11.77N)顯著?；驑O顯著高于后79位,前13位間無顯著差異。

表3所示,36個花生品種(系)未熟莢果(黃、白)的果柄強度高于成熟莢果(黑、褐)的果柄強度,38個品種(系)成熟莢果果柄強度高于未熟,另有18個品種(系)只存在一種成熟度故無法比較?；ㄓ?114,P18-41,P18-24,P18-101,花育32號的未熟莢果果柄強度顯著或極顯著高于成熟莢果;P18-67,P18-65,P18-74的成熟莢果果柄強度顯著或極顯著高于未熟莢果;其余品種(系)差異不顯著。此外,有34個品種(系)的莢果處脫落率為100%,27個品種(系)的莢果處脫落率為93%～94%,然而莢果處脫落率最低的僅有53.33%(P18-75)。因此,采用機械收獲這些莢果處脫落率較高的品種,其余的采用人工收獲較為合適。43個品種(系)秧-柄節(jié)點的果柄強度大于果-柄節(jié)點,15個品種(系)果-柄節(jié)點的果柄強度大于秧-柄節(jié)點。15個品種(系)秧-柄節(jié)點的果柄強度顯著或極顯著高于果-柄節(jié)點,存在極顯著差異的有P18-53,P18-38,P18-73,花育9114,P18-104,P18-103,P18-60,P18-74,P18-57,P18-35;存在顯著差異的有花育9120,花育50號,P18-62,P18-81,P18-78,符合果柄強度“秧-柄節(jié)點＞果-柄節(jié)點”的順序[2,4]。

2.2 92個花生品種(系)破殼力及莢果層厚度和高度分析

如表4和表5所示,92個花生品種(系)中正壓破殼力均值最小的是P18-73(3.39kN),最大的是花育43號(9.76kN)。其中正壓破殼力均值位于前6位的花生品種(系)(8.53～9.76kN)顯著或極顯著高于正壓破殼力均值位于后41位的花生品種(系)(3.39～6.03kN),正壓破殼力均值前10位之間以及均值后26位之間的花生品種(系)無顯著差異。側(cè)壓破殼力均值變幅為3.51(花育50號)～11.07kN(R16-5)。其中均值前4位的花生品種(系)(9.43～11.07kN)顯著或極顯著高于均值位于后65位的花生品種(系)(3.51～7.10 kN)。側(cè)壓破殼力均值最高的R16-5在5%水平下顯著高于后88位花生品種(系),1%水平下極顯著高于后83位花生品種(系)。92個花生品種(系)的立壓破殼力均值都低于5 kN,其中均值最高的P18-79(4.86 kN)顯著或極顯著高于均值位于后79位的花生品種(系),立壓破殼力均值前13位之間以及均值后16位之間的花生品種(系)無顯著差異。

花生的莢果層厚度和高度在不同品種(系)間差異顯著。夾持狀態(tài)莢果層厚度均值最大的品種(系)是P18-105(18.67cm),最小的是花育32號(9.67cm)。92個花生品種(系)之間在1%水平下均未達到極顯著。夾持狀態(tài)莢果層高度均值變幅為7.33(P18-75)～16.67cm(花育43號),P18-75顯著或極顯著高于均值位于后64位的花生品種(系)。莢果層厚度的變幅為10.41(R16-5)～19.40cm(P18-62),均值在前11位的顯著或極顯著高于后76位花生品種(系)。莢果層高度均值最大和最小的品種(系)分別是P18-79(9.20cm)和P18-76(5.30cm),高度均值位于前24位的花生品種(系)顯著或極顯著高于后16位。另外,同一花生品種(系)在不同狀態(tài)下也存在一定的差異,其中22個花生品種(系)的莢果層厚度在夾持狀態(tài)顯著或極顯著小于地里的自然生長狀態(tài);花育60號,P18-17,P18-105,P18-44,P18-81等5個花生品種(系)的莢果層厚度在夾持狀態(tài)顯著或極顯著大于地里的自然生長狀態(tài);其余65個品種(系)差異不顯著。對于花生的莢果層高度,14個花生品種(系)在夾持狀態(tài)顯著大于地里的自然生長狀態(tài);花育35號,花育43號等55個品種(系)的莢果層高度在夾持狀態(tài)極顯著大于地里的自然生長狀態(tài);其余23個品種(系)差異不顯著。

表3 92個花生品種(系)果柄強度Table 3 Peg strength of 92 peanut varieties (lines)

表3 92個花生品種(系)果柄強度 (續(xù)表)Table 3 Peg strength of 92 peanut varieties (lines) (Continued)

表4 92個花生品種(系)的莢果壓縮破殼力、莢果層厚度和高度變幅Table 4 Variation in pod compression rupture force, thickness and height of pod layer of 92 peanut varieties (lines)

表5 92個花生品種(系)莢果壓縮破殼力及莢果層厚度和高度Table 5 Pod compression rupture force, thickness and height of pod layer of 92 peanut varieties (lines)

2.3 相關(guān)性分析

對果柄強度、果處脫落百分率、破殼力、莢果層厚度和高度等13個指標進行相關(guān)性分析(表6),發(fā)現(xiàn)花生的果柄強度與不同方向的壓縮破殼力、不同狀態(tài)下的莢果層厚度與高度之間相關(guān)不顯著。花生的果柄強度與不同成熟度(黑、褐;黃、白)的果柄強度、果-柄節(jié)點的果柄強度、秧-柄節(jié)點的果柄強度呈極顯著正相關(guān),與莢果處脫落的百分率呈極顯著負相關(guān)。正壓破殼力、立壓破殼力、側(cè)壓破殼力之間都呈極顯著正相關(guān)。夾持狀態(tài)莢果層厚度與莢果層厚度、夾持狀態(tài)莢果層高度呈顯著或極顯著正相關(guān),莢果層厚度與莢果層高度呈顯著正相關(guān),但是夾持狀態(tài)莢果層高度與莢果層高度相關(guān)不顯著。

2.4 92個花生品種(系)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀分析

表7所示,92個花生品種(系)中單產(chǎn)最高的是花育9120(386.67kg/667m2),P18-61(339.56 kg/667m2)第二,P18-56(336.89kg/667m2)第三,P17-10(171.00kg/667m2)單產(chǎn)最低。脂肪含量最高的是P18-29(58.52%),最低的是P18-57(40.91%)。蛋白質(zhì)含量最高是冀甜1號(29.82%),最低是P18-57(19.00%)。油酸含量較高的前五位分別是P18-60(82.48%),P18-43(82.31%),P17-14(81.58%),P17-12(81.13%),花育32(80.95%),最低為花育19,僅為39.21%。油亞比(O/L)較高的前五位分別是P18-17(54.85),P18-75(51.21),P18-43(25.22),P18-60(23.31),P18-69(22.46),最低為花育19,僅為0.93。對照花育33號的單產(chǎn)為275.20 kg/667 m2,與對照相比,增產(chǎn)的品種(系)有46個,其中莢果和籽仁產(chǎn)量均比對照增產(chǎn)的有39個。這39個品種(系)中果柄強度均值高于花育33號(7.81N)的品種(系)有10個,分別為:花育9120,花育35號,P18-53,花育50號,P18-22,P18-100,花育43號,P18-112,P18-34,花育912。它們的正壓破殼力均值變幅4.19～9.76kN,側(cè)壓破殼力均值變幅3.51～7.08kN,立壓破殼力均值變幅1.16～3.58kN,夾持狀態(tài)莢果層厚度均值變幅12.00～16.67cm,夾持狀態(tài)莢果層高度均值變幅8.67～16.67cm,莢果層厚度均值變幅12.2～16.6cm,莢果層高度均值變幅5.4～8.2cm。

表7 92個花生品種(系)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀變幅Table 7 Variation of yield and quality traits of 92 peanut varieties (lines)

3 結(jié)論與討論

培育篩選適于機械化的花生品種,利于開展花生機械化研究。在本研究中,針對果柄強度、莢果壓縮破殼力、莢果層厚度和高度、產(chǎn)量和品質(zhì)等指標,對92個花生品種(系)進行了分析,篩選適合聯(lián)合收獲的花生品種(系)。這92個花生品種(系)的果柄強度分布在中～極低之間,缺少果柄強度高和極高的品種。我們以前測定過76個花生品種(系)的果柄強度,結(jié)果跟這次相似,也缺少果柄強度高和極高的品種。這與王傳堂等(2017,2019)[12,15-16]的研究結(jié)果相一致。因此,需要我們擴大品種篩選的范圍。隨著莢果成熟度變化,不同品種(系)的果柄強度變化不同,這與吳琪等(2016)[10]、遲曉元等(2018)[14]結(jié)果相似。8個品種(系)的果柄強度在未熟和成熟莢果間存在顯著或極顯著差異,其余品種(系)差異不顯著。92個品種(系)中有34個品種(系)在莢果處脫落率為100%。大多數(shù)品種(系)在莖處脫落的果柄強度大于莢果處,符合抗拉伸強度“秧-柄 節(jié) 點＞果-柄 節(jié) 點”的 順 序,這 與 關(guān) 萌(2016)[2]、周德歡(2017)[4]、王冰(2018)[5]、遲曉元(2018)[14]等研究得出的規(guī)律相同。

大多數(shù)花生品種(系)的莢果側(cè)壓破殼力＞正壓＞立壓,這與前人的研究結(jié)果相一致[2,4-5,8-9]。花生莢果正放和立放時,花生殼結(jié)合部位也就是花生棱線處縱向受力,此處纖維組織分布不均勻,結(jié)構(gòu)不連續(xù),所以抗壓強度低,易產(chǎn)生縱向裂紋。莢果側(cè)放時,花生兩側(cè)面中心位置受力,受力面積大,組織結(jié)構(gòu)連續(xù),纖維組織均勻,所以抗壓強度強,易產(chǎn)生橫向裂紋[2,4-5,8-9]。我們還發(fā)現(xiàn),大多數(shù)品種(系)的夾持狀態(tài)莢果層高度顯著或極顯著大于莢果層高度;27個品種(系)的夾持狀態(tài)莢果層厚度與莢果層厚度之間存在顯著差異,其余65個品種(系)差異不顯著。王傳堂等(2019)發(fā)現(xiàn)結(jié)實范圍、果柄強度與果殼強度間,以及豎放、側(cè)放、臥放的果殼強度間,均存在一定相關(guān)關(guān)系[15-16]。而我們發(fā)現(xiàn)花生的果柄強度與不同方向的壓縮破殼力、不同狀態(tài)下的莢果層厚度與高度之間相關(guān)不顯著。但是3個方向的破殼力之間存在極顯著正相關(guān)。需要采用更多花生品種(系)來驗證這種相關(guān)關(guān)系。

本研究還初步篩選出10個適于機械化收獲的優(yōu)質(zhì)大花生品種(系),果柄強度較高,莢果和籽仁產(chǎn)量均比對照花育33號增產(chǎn),為培育篩選適宜機械化收獲的花生新品種提供了參考,相關(guān)研究方法和手段也可為花生株系特性方面的研究提供借鑒。