不同玉米品種籽粒耐破碎性差異及影響因素

劉佳媛 劉倩倩 陳 祥 鄧宗林 袁繼超 孔凡磊*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，成都 611130； 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，成都 611130)

玉米機械化收獲，尤其是機械粒收可簡化生產(chǎn)流程，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，是轉(zhuǎn)變玉米生產(chǎn)方式，實現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效協(xié)同發(fā)展、農(nóng)機農(nóng)藝相融合的重要途徑[1-3]。同國外相比，我國的玉米機械收獲技術(shù)起步較晚，近年來北方玉米生產(chǎn)區(qū)對玉米機械粒收技術(shù)進行了推廣應(yīng)用[3]，黃淮海等玉米種植區(qū)正開展積極的研究，尚處于起步階段[4-6]。目前制約玉米機械粒收技術(shù)發(fā)展的重要原因是收獲時籽粒破碎率較高[7-8]。籽粒破碎率的影響因素主要有品種[9-10]、籽粒含水率[11-14]、栽培措施[15]和機械本身因素[16-17]等，其中籽粒含水率過高是主要因素，破碎率隨含水率呈二次曲線變化，且含水率在20%左右時機械粒收破碎率最低[18-19]。不同玉米品種的籽粒硬度存在較大差異，而玉米籽粒較高的硬度與機械粒收時較低的籽粒破碎率關(guān)系密切，研究表明籽粒力學(xué)特性中穿刺強度對破碎率的變化有直接影響，籽粒壓碎特性與破碎率呈負相關(guān)關(guān)系[16,20-21]。因此，在玉米機械粒收技術(shù)的發(fā)展過程中，為獲得較低籽粒破碎率的重要措施是降低籽粒含水率并選育耐破碎能力強的玉米品種。國外一般采用籽粒破碎敏感度對籽粒耐破碎能力進行評價[22]，國內(nèi)也有相關(guān)研究，利用籽粒含水率與破碎率之間二次函數(shù)的平均偏差之和來評估玉米籽粒的耐破碎性能[23]。目前，已有大量研究對玉米機械粒收籽粒破碎及影響因素進行探討，但鮮見不同玉米品種籽粒硬度及耐破碎性的相關(guān)研究。本研究擬通過田間試驗，探究玉米籽粒含水率、破碎率和硬度在不同收獲時間的動態(tài)變化及不同玉米品種間的差異，分析籽粒破碎率與含水率和硬度的關(guān)系；基于籽粒破碎率與含水率的關(guān)系評價不同玉米品種籽粒的耐破碎性，探究影響籽粒耐破碎性的因素，以期為玉米機械粒收技術(shù)的基礎(chǔ)研究和耐破碎玉米品種的評價與選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

本試驗于2020年進行。試驗地點位于四川省中江縣合興鄉(xiāng)新建村(30°57′ N，104°37′ E)，該區(qū)域試驗?zāi)攴萦衩咨L季的平均氣溫與降雨量見圖1。玉米采用60 cm等行距種植，每品種種植3行，行長13 m，3次重復(fù)，密度60 000 株/hm2，播種時間為2020年3月30日，其他管理措施按當(dāng)?shù)貙嶋H生產(chǎn)進行。各玉米品種設(shè)5個收獲時間，間隔5～7 d，具體日期如下：2020年8月7日、8月14日、8月20日、8月26日和8月31日。收獲的玉米果穗采用軸流式雙風(fēng)道脫粒機脫粒。表1示出13個供試玉米品種的信息。

1.2 測定項目

1.2.1籽粒含水率與破碎率

每次收獲前，各品種隨機摘取長勢一致、無病蟲害的果穗5個，果穗中部籽粒進行人工脫粒，充分混勻后隨機取樣，3次重復(fù)，以100粒為單位稱鮮重， 85 ℃烘干至恒重，稱干重，計算籽粒含水率。每次收獲時，選取代表性玉米果穗30個，通過脫粒機脫粒后充分混勻，將混合籽粒平均分成3份，去除雜質(zhì)后稱每份樣品籽粒的總質(zhì)量，再揀出有裂紋、損傷及破皮的破碎籽粒，稱破碎籽粒的質(zhì)量，計算籽粒破碎率。

圖1 2020年試驗區(qū)玉米生長季的平均氣溫和降雨量Fig.1 Daily precipitation and average temperature in maize growing season in the study area in 2020

表1 供試玉米品種的基本信息Table 1 Basic information of maize cultivars tested

1.2.2籽粒硬度指標(biāo)

測定儀器為玉米莖稈強度測定儀：型號AWOS-SL0，量程500 N，分度值0.1 N，由石家莊艾沃士科技有限公司生產(chǎn)。每次測定玉米籽粒含水率的同時，隨機取中部完整的籽粒樣品120粒，利用截面為1 cm2的圓形探測頭測定籽粒側(cè)面和頂面的壓碎強度，利用針形測頭測定籽粒胚乳面和頂面的穿刺強度，每一品種籽粒的各部位分別測定30粒，分3次重復(fù)，1次重復(fù)測10粒。

1.2.3玉米籽粒耐破碎性評價

采用二次函數(shù)分別擬合不同玉米品種分期收獲的所有籽粒的含水率和破碎率值，以玉米機械收獲時田間籽粒含水率的集中范圍(15%～30%)為區(qū)間，對擬合曲線進行積分，獲得的積分值記為I，該積分值作為評價不同玉米品種籽粒的耐破碎性的指標(biāo)，積分值越小，籽粒越耐破碎。以所有供試玉米品種籽粒的破碎率與含水率擬合方程的積分值的均值為中心點，設(shè)置積分值均值±15%的變幅區(qū)間，將供試品種分為3類：耐破碎型、中間型和易破碎型品種[24]。積分值計算公式如下：

式中：I為籽粒破碎率與含水率擬合方程的積分值；x為籽粒含水率；a、b和c為不同玉米品種籽粒破碎率與含水率擬合方程的參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行處理，SPSS Statistics 27軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Excel 2016和Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 玉米籽粒不同收獲時間的破碎率及含水率

隨著收獲時間的后移，籽粒破碎率呈現(xiàn)先降低后略微升高的變化趨勢(圖2 (a))。本試驗各次收獲時的籽粒破碎率變化范圍分別為6.63%～24.06%、4.13%～18.77%、1.90%～10.34%(異常值為13.63%)、1.21%～5.95%和1.20%～6.11%(異常值為8.53%)；根據(jù)GB/T 21962—2008 《玉米收獲機械 技術(shù)條件》， 50.77%的測試樣本總體破碎率≤5%，以第3次收獲以后的樣本為主，其中第4次收獲時籽粒破碎率的均值最低。參試品種5次收獲籽粒破碎率的均值分別為4.12%、5.69%、9.93%、3.42%、5.36%、6.99%、5.12%、7.18%、5.86%、13.31%、8.57%、5.93%和10.61%(表2)。品種間的籽粒破碎率也存在極顯著差異，隨收獲時間的推遲，品種間籽粒破碎率的差異逐漸減小。

隨著收獲時間的后移，籽粒含水率呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(圖2(b))。本試驗測試籽粒的總體含水率范圍為14.79%～34.00%，供試品種各次收獲時的籽粒含水率范圍分別是27.01%～34.00%、25.02%～32.42%、21.46%～29.12%(異常值為29.94%)、17.78%～26.35%和14.79%～21.12%。參試品種5次收獲籽粒含水率的均值分別為24.86%、24.64%、27.99 %、22.52%、23.58%、25.04%、22.93%、24.14%、21.70%、27.69%、25.29%、21.42% 和24.87%(表3)。不同玉米品種在相同收獲時間的籽粒含水率的差異達到極顯著水平。

箱體部分代表50%樣本的分布區(qū)域，為四分位區(qū)間(IQR)。箱體內(nèi)實線為中位線，“”為異常值點，“”為均值。圖3同。 The box part represents the distribution area of 50% samples, which is a quadrant interval (IQR). The solid line in the box body is the median line, is the abnormal point, and is the average. Same as Fig.3.圖2 不同收獲時間玉米籽粒破碎率(a)和含水率(b)的變化Fig.2 Changes of grain broken rate (a) and moisture content (b) of maize in different harvest dates

表2 不同收獲時間不同玉米品種籽粒的破碎率Table 2 The grain broken rate of different maize varieties in different harvest dates %

表3 不同收獲時間不同玉米品種籽粒的含水率Table 3 The grain moisture content of different maize varieties in different harvest dates %

2.2 玉米籽粒不同收獲時間的硬度指標(biāo)

隨著收獲時間的后移，玉米籽粒胚乳、頂面穿刺強度和側(cè)面、頂面壓碎強度均表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且各時期的差異均達到極顯著水平(圖3)。各次收獲時，籽粒穿刺強度均值均表現(xiàn)為，胚乳>頂面，壓碎強度均值表現(xiàn)為，頂面>側(cè)面。

不同小寫字母表示0.05 水平差異顯著。 Different lowercase letters above boxes show significant differences at the 0.05 probability level.圖3 不同收獲時間玉米籽粒硬度指標(biāo)的變化Fig.3 Changes of grain hardness index of maize in different harvest dates

2.3 玉米籽粒破碎率與含水率和硬度指標(biāo)的關(guān)系

玉米籽粒破碎率與籽粒含水率極顯著正相關(guān)，而與胚乳、頂面穿刺強度和側(cè)面、頂面壓碎強度均極顯著負相關(guān)，籽粒含水率與各硬度指標(biāo)之間也極顯著負相關(guān)(表4)。各因素與破碎率的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為：含水率>胚乳穿刺強度>側(cè)面壓碎強度>頂面穿刺強度>頂面壓碎強度，表明籽粒含水率與破碎率的關(guān)系最為密切，通過測定籽粒的胚乳穿刺強度可以更好地反應(yīng)籽粒的耐破碎能力。

表4 玉米籽粒破碎率與含水率和各硬度指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between maize broken rate、grain moisture content and hardness index

圖4 玉米籽粒破碎率與含水率的關(guān)系Fig.4 The relationship between grain broken rate and moisture content

圖5 玉米籽粒破碎率與各硬度指標(biāo)的關(guān)系Fig.5 The relationship between grain broken rate and hardness index

2.4 不同玉米品種籽粒耐破碎性及影響因素

在籽粒含水率為15%～30%時，各玉米品種籽粒破碎率與含水率擬合方程的積分值為38.70～138.03，平均值為86.94(圖6)。以所有供試品種籽粒破碎率與含水率擬合方程的積分值的均值為中心點，設(shè)置積分值均值±15%的變幅區(qū)間，對供試品種進行分類，結(jié)果見表5：13個供試品種中耐破碎型的品種有5個，分別是硬粒型品種‘太平洋891’、‘中智1608’、‘太平洋99’，半馬齒型品種‘仲玉3號’和半硬粒型品種‘遼禾308’，積分值范圍為38.70～65.25；易破碎型的品種有4個，分別是馬齒型品種‘正紅507’、‘正紅505’、‘川單99’和‘正紅431’，積分值范圍為112.20～138.03；其余均為中間型品種，積分值范圍為81.77～96.87。耐破碎型玉米品種中以硬粒型較多，其次是半馬齒型和半硬粒型，而易破碎型則以馬齒型玉米品種為主，但也存在耐破碎能力中等的馬齒型品種‘正紅6號’和‘渝單30’。因此參試玉米品種耐破碎能力總體上表現(xiàn)為硬粒型>半馬齒、半硬粒型>馬齒型。

積分值I<73.90為耐破碎型品種，73.90≤I≤99.98為中間型，I>99.98為易破碎型。 The integral value I<73.90 is the high breakage resistant type, 73.90≤I≤99.98 is the intermediate breakage resistant type, and I>99.98 is the low breakage resistant type.圖6 供試玉米品種的籽粒破碎率與含水率擬合方程的積分值及耐破碎性分類Fig.6 Integral value of the fitting equation of grain broken rate and moisture content and classification of breakage tolerance of tested maize cultivars

表5 不同玉米品種的籽粒類型及耐破碎性分類Table 5 Kernel type and classification of breakage tolerance of different maize varieties

在相近含水率條件下，不同玉米品種籽粒各硬度指標(biāo)的差異達極顯著水平(P<0.01)，且當(dāng)籽粒含水率為(25±2)%時的各硬度指標(biāo)低于籽粒含水率為(20±2)%時的各硬度指標(biāo)，這表明各硬度指標(biāo)在籽粒含水率下降時呈現(xiàn)增大的趨勢(表6和表7)。當(dāng)含水率為(25±2)%范圍時，耐破碎型玉米品種籽粒的胚乳穿刺強度、頂面穿刺強度、側(cè)面壓碎強度和頂面壓碎強度的均值分別為52.91、43.27、130.11和158.40 N，比中間型品種高8.69%、35.44%、8.40%和3.21%，比易破碎型品種高10.49%、33.39%、5.88%和3.26%(表6)。含水率為(20±2)%范圍時，耐破碎型玉米品種籽粒的胚乳穿刺強度、頂面穿刺強度、側(cè)面壓碎強度和頂面壓碎強度的均值分別為83.97、63.16、151.56和192.90 N，比中間型品種高16.90%、34.22%、6.82% 和0.76%，比易破碎型品種高18.15%、37.88%、9.23%和5.02%(表7)?？梢姡推扑樾杂衩灼贩N具有較高的籽粒硬度。

表6 含水率在(25±2)%范圍時不同玉米品種籽粒的硬度指標(biāo)Table 6 Grain hardness index of different maize varieties with the grain moisture content in the range of (25±2)%

表7 含水率在(20±2)%范圍時不同玉米品種籽粒的硬度指標(biāo)Table 7 Grain hardness index of different maize varieties with the grain moisture content in the range of (20±2)%

3 討 論

3.1 提高玉米籽粒硬度是降低籽粒破碎的關(guān)鍵

3.2 不同玉米品種籽粒的耐破碎能力存在顯著差異

國外對于籽粒的耐破碎性一般采用破碎敏感度評價，不同玉米品種的籽粒破碎敏感性不同[19,22,29-30]。本研究基于籽粒含水率和破碎率的關(guān)系，采用積分法[24]對不同玉米品種的耐破碎能力進行了評價，結(jié)果顯示：不同玉米品種的耐破碎能力存在顯著差異，其中硬粒型品種、半馬齒型品種‘仲玉3號’和半硬粒型品種‘遼禾308’為耐破碎型品種，半硬粒型品種‘先玉1171’、‘川單15’和馬齒型品種‘正紅6號’、‘渝單30’為中間型品種，其余馬齒型品種均為易破碎型品種。本研究中籽粒硬度高的玉米品種表現(xiàn)出較強的耐破碎能力，探究其原因是在相近含水率的條件下，無論是25%±2%范圍還是20%±2%范圍，耐破碎型玉米品種籽粒胚乳、頂面穿刺強度和側(cè)面、頂面壓碎強度均最高，籽粒硬度越大，在脫粒過程中對機械施加形變的抵抗能力就越強，最終表現(xiàn)為籽粒破碎率低。不同籽粒類型玉米品種的籽粒硬度存在較大差異，同一類型不同品種的籽粒硬度也可能存在較大差異[8]。參試的硬粒型、半馬齒型品種‘仲玉3號’和半硬粒型品種‘遼禾308’籽粒硬度均較高，表現(xiàn)為耐破碎性強；馬齒型玉米品種大多為易破碎型，但也存在耐破碎能力相對較好的中間型品種‘正紅6號’和‘渝單30’?？梢?，選育和選擇籽粒硬度高、耐破碎性強的玉米品種是降低籽粒破碎和促進玉米機械粒收技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。籽粒硬度除了會隨含水率的降低逐漸升高外[31]，籽粒的物理性狀，包括大小、形狀、重量、密度、容重、角質(zhì)胚乳與粉質(zhì)胚乳比例等[15]；籽粒的化學(xué)組分，包括蛋白質(zhì)組分，尤其是醇溶蛋白、淀粉含量和直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量比等[32]均會導(dǎo)致不同玉米品種的籽粒硬度有所差異。環(huán)境和相關(guān)栽培措施等也會通過影響籽粒結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分等來影響其硬度。在今后的研究中，可針對不同玉米品籽粒硬度(力學(xué)特性)的差異，從栽培措施調(diào)控的角度開展相關(guān)研究，為機械粒收篩選和培育耐破碎能力強的玉米品種提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

適時推遲收獲可降低玉米籽粒含水率，提高籽粒硬度，進而降低籽粒破碎率，提高機械粒收質(zhì)量。在玉米籽粒的硬度指標(biāo)中，胚乳穿刺強度與破碎率的相關(guān)性最高，可將其作為評估玉米籽粒的耐破碎性和鑒選適宜機械粒收玉米品種的重要指標(biāo)。不同玉米品種籽粒的硬度和耐破碎能力存在顯著差異，籽粒硬度高的玉米品種耐破碎能力強。參試的所有硬粒型玉米品種、半馬齒型‘仲玉3號’、半硬粒型 ‘遼禾308’、‘先玉1171’和馬齒型‘正紅6號’的耐破碎能力強，可作為適宜機械粒收的玉米品種。