成熟時(shí)期與收獲方式對(duì)谷子收獲效果的影響

邱述金 ，原向陽 ，張澤乾 ，趙鋆超 ，張林

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801）

谷子是我國重要的雜糧作物，目前主要分布在西北、東北和華北的干旱半干旱地區(qū)，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)區(qū)域脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興具有重要戰(zhàn)略意義［1~3］。2009~2018 年，全國谷子種植面積先增后減［4］，從 1 194 萬畝減至 1 167 萬畝，減少 2.3%；總產(chǎn)量從126 萬t 提高到234 萬t，增加85.7%。在丘陵山區(qū)，機(jī)械化程度依然相對(duì)較低，適合小地塊配套的農(nóng)機(jī)具尤其是收獲裝備還有待提升［5］。目前，采用稻麥作物聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)谷子進(jìn)行收獲作業(yè)與人工收獲等方式多種收獲方式并存［6~9］，損失率高、破碎率高、含雜率高是影響谷子收獲技術(shù)和生產(chǎn)模式的重要因素。

針對(duì)農(nóng)作物收獲過程的類似問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥、水稻、玉米等作物的收獲裝備研制與農(nóng)業(yè)物料生物力學(xué)特性等方面開展了較多研究［10~16］。方會(huì)敏等［17］研究了收獲方式與籽粒含水率對(duì)玉米籽粒的收獲質(zhì)量影響，預(yù)測籽粒含水率低于32.40%時(shí)收獲，可滿足含雜率國標(biāo)要求。王文靜［18］研究了收獲方式對(duì)小麥種子活力的調(diào)控作用，成熟時(shí)期與收獲方式均對(duì)小麥種子活力影響顯著。王桂民等［19］研究了成熟時(shí)期對(duì)稻麥輪作水稻機(jī)收損失構(gòu)成的影響，指出總損失的最主要來源是干物質(zhì)損失。苗得雨等［20］對(duì)不同成熟時(shí)期和方式對(duì)水稻碾米品質(zhì)和產(chǎn)量影響進(jìn)行了研究，獲得了水稻的適宜收獲期，給出了收獲方式意見。左青松等［21］研究了不同成熟時(shí)期對(duì)油菜機(jī)械收獲損失率的影響，指出了油菜適宜機(jī)械收獲的作業(yè)條件。侯華銘等［22］研究了不同含水率的谷子脫出物籽粒、穗瓣、莖稈和葉子的懸浮速度，指出谷子脫出物的適宜清選風(fēng)速范圍為4.29~5.48 m·s-1，最佳清選風(fēng)速為4.47 m·s-1。還有學(xué)者對(duì)微藻［23］、玉米［24］、水稻［25］、甜橙［26］、油菜［27］等作物的成熟時(shí)期、收獲方式和收獲品質(zhì)等方面做了大量研究。

這些研究為谷子機(jī)械收獲作業(yè)時(shí)間與方式選擇提供了參考，目前不同成熟時(shí)期與收獲方式對(duì)谷子收獲效果影響的相關(guān)研究還尚未報(bào)道。本文主要研究不同成熟時(shí)期（乳熟期、蠟熟期、完熟期）和收獲方式（聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲）對(duì)谷子收獲效果的影響，同時(shí)對(duì)不同成熟時(shí)期谷子的穗、葉片及莖稈的含水率進(jìn)行分析。該研究可為谷子機(jī)械收獲技術(shù)提升和生產(chǎn)模式探索提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與作業(yè)裝備

選用廣泛種植于山西地區(qū)的晉谷21 號(hào)和張雜10 號(hào)谷子作為研究對(duì)象，樣本全部取自山西省壽陽縣南燕竹鎮(zhèn)（東經(jīng) 113°07′52″，北緯 37°91′61″，海拔1 076 m），播種前每公頃均勻撒施氮磷鉀復(fù)合肥（1∶1∶1）750 kg，采用條播方式播種，播種行距為500 mm，種植密度每畝平均為30 000 株。

在實(shí)際生產(chǎn)中谷子收獲一般可分為聯(lián)合收獲、割曬——撿拾——脫粒分段收獲和人工收獲等方式，主要研究聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲對(duì)作業(yè)效果的影響。

目前市場上專用于谷子聯(lián)合收獲的機(jī)型較少［28］，課題組對(duì)沃德皓龍 4LZ-7C 谷物聯(lián)合收獲機(jī)的割臺(tái)、脫粒滾筒及振動(dòng)篩進(jìn)行多次改進(jìn)后，用于谷子的聯(lián)合收獲作業(yè)；對(duì)于分段收獲作業(yè)，采用常發(fā)佳聯(lián)4LZ-6 聯(lián)合收獲機(jī)改裝的割曬機(jī)將谷子割倒進(jìn)行晾曬，采用雷沃谷神GM80 改裝的撿拾收獲機(jī)進(jìn)行撿拾收獲作業(yè)；人工收獲由工人進(jìn)行割谷收集，由人工進(jìn)行脫粒作業(yè)。谷子收獲機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示，采用不同方式對(duì)谷子進(jìn)行收獲。

表1 谷子收獲機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the millet harvester

1.2 試驗(yàn)方法

谷子的成熟期一般可分為乳熟期、蠟熟期、完熟期和枯熟期4 個(gè)時(shí)期，從乳熟期到枯熟期皆可進(jìn)行收獲作業(yè)，但不同時(shí)期的谷子莖稈、葉片、穗等部位的生物力學(xué)特性差異顯著［15］，尤其枯熟期谷子莖葉干枯，穗粒極易脫落，因此主要研究乳熟期、蠟熟期、完熟期谷子的收獲作業(yè)效果。分別在2020 年 9 月 30 日（乳熟期）、10 月 15 日（蠟熟期）和10 月 28 日（完熟期），采用沃德皓龍 4LZ-7C（改裝）對(duì)晉谷21 號(hào)和張雜10 號(hào)谷子進(jìn)行聯(lián)合收獲作業(yè)，對(duì)蠟熟期的谷子進(jìn)行聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲作業(yè)，分別測定總損失率、破碎率、含雜率與含水率等。田間試驗(yàn)時(shí)，采用小區(qū)作業(yè)試驗(yàn)方案，設(shè)定機(jī)械作業(yè)速度為3 km·h-1，作業(yè)寬度為2 m，長度為20 m，取收獲方式和成熟時(shí)期為影響因素，以谷子總損失率、破碎率、含雜率等為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)測定谷子含水率和收獲效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS 9.0 軟件進(jìn)行處理。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定

該文的測試方法參考《收獲機(jī)械聯(lián)合收獲機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 8097-2008）和《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》（GB/T 5262-2008）。

1.3.1 谷子總損失率

每次試驗(yàn)完成后，分別測量總收獲質(zhì)量、割臺(tái)落穗質(zhì)量、割臺(tái)掉粒質(zhì)量、晾曬損失質(zhì)量和脫粒損失質(zhì)量，按式（1）計(jì)算谷子總損失率。

式中Zs——谷子總損失率/%；Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g；Wl——割臺(tái)落穗質(zhì)量/g；Wd——割臺(tái)掉粒質(zhì)量/g；Ws——晾曬損失質(zhì)量（聯(lián)合收獲時(shí)不考慮晾曬損失）/g；Wt——脫粒損失質(zhì)量/g。

1.3.2 谷子破碎率

在每次試驗(yàn)完成后，將糧倉中所有谷子卸載至運(yùn)輸車上的編織袋中，然后隨機(jī)抽取1 L 谷子籽粒進(jìn)行稱重，稱量其中破裂損傷的籽粒質(zhì)量，按式（2）計(jì)算谷子破碎率。

式中Zp——谷子破碎率/%；Wp——破碎谷子籽粒的質(zhì)量/g；Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g。

1.3.3 谷子含雜率

在每次試驗(yàn)結(jié)束后完全卸糧，隨機(jī)抽取1 L 谷子與雜質(zhì)混合物樣品進(jìn)行稱重，稱量其中雜質(zhì)的質(zhì)量，按式（3）計(jì)算谷子含雜率。

式中Zz——谷子含雜率/%；Wzz——雜質(zhì)質(zhì)量/g；Wz——谷子總收獲質(zhì)量/g。

1.3.4 籽粒含水率

每次試驗(yàn)結(jié)束卸糧后，立即取一定量無明顯損傷、無病害的谷子籽粒并進(jìn)行稱重，均勻裝入鋁盒后置于恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)置溫度為105 ℃，干燥4 h 后取出樣品盒并加蓋，在密封干燥器內(nèi)冷卻至室溫稱重，重復(fù)上述干燥過程，隔30 min 取出冷卻稱重，直至前后2 次質(zhì)量差不大于0.005 g 為止。谷子籽粒的含水率按式（4）計(jì)算。

式中Hs——谷子籽粒含水率/%；Wzs——谷子籽粒干燥前質(zhì)量/g；Wzg——谷子籽粒干燥后質(zhì)量/g。

1.3.5 收獲效率

收獲效率按式（5）計(jì)算。

式中η——收獲效率/（hm2·h-1）；S——作業(yè)面積/hm2；t——作業(yè)時(shí)間/h。

2 結(jié)果與分析

2.1 成熟時(shí)期對(duì)谷子收獲效果的影響

不同成熟時(shí)期對(duì)谷子聯(lián)合收獲的谷子總損失率、破碎率、含雜率的方差分析如表2 所示。

表2 不同成熟時(shí)期谷子機(jī)收效果Table 2 Harvesting performance of millet at different ripening stages 單位：%

結(jié)果表明，不同成熟時(shí)期對(duì)谷子總損失率、破碎率、含雜率影響均顯著，蠟熟期2 個(gè)品種谷子機(jī)收的總損失率顯著低于乳熟期和完熟期，最低為4.81%，張雜10 號(hào)谷子在完熟期的機(jī)收損失率最大達(dá)24.83%；谷子破碎率隨成熟時(shí)期的推遲呈降低趨勢(shì)，張雜10 號(hào)谷子完熟期的破碎率最低為0.36%，乳熟期的破碎率最高為1.67%；乳熟期和蠟熟期谷子機(jī)收的含雜率顯著低于完熟期，晉谷21 號(hào)谷子蠟熟期機(jī)收的含雜率最低為3.39%，完熟期機(jī)收的含雜率最高為11.14%。

谷子蠟熟期穗粒含水率為13.69%~15.29%，谷子機(jī)械化收獲總損失率小，機(jī)械收獲產(chǎn)量高；從植株形態(tài)來看，谷穗基本完全變黃，莖稈和葉片大部分脫水含水率降低，在葉片開始變黑之前收獲為宜，收獲時(shí)間大約可持續(xù)5~6 d。若成熟時(shí)期推后至完熟期或枯熟期，則谷子穗粒含水率進(jìn)一步降低，受輕微風(fēng)載即可形成落粒損失，割臺(tái)損失率增加，導(dǎo)致總損失率過高。

2.2 收獲方式對(duì)谷子收獲效果的影響

在谷子蠟熟期，課題組采用聯(lián)合收獲、分段收獲和人工收獲的方法對(duì)張雜10 號(hào)谷子的收獲效果如表3 所示，其中人工收獲割穗晾曬14 d 后再采用谷子脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒作業(yè)。

表3 不同收獲方式的谷子收獲效果Table 3 Performance of millet in different harvesting methods on grain quality

收獲方式對(duì)谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著（P＜0.05），采用聯(lián)合收獲方式的總損失率最高為9.40%，采用分段收獲方式的總損失率為7.09%，采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%；聯(lián)合收獲的谷子破碎率最低為0.96%，分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較高，分別為2.03%和1.76%；聯(lián)合收獲的谷子含雜率最高為4.56%，分段收獲和人工收獲的谷子破碎率較低，分別為1.85%和1.68%；由于分段收獲和人工收獲的籽粒含水率分別為9.17%和8.16%，這2 種收獲方式都有晾曬環(huán)節(jié)，均低于聯(lián)合收獲的12.97%。聯(lián)合收獲的作業(yè)效率最高為0.303 2 hm2·h-1，分段收獲的作業(yè)效率為 0.232 4 hm2·h-1，人工收獲的作業(yè)效率最低為0.001 7 hm2·h-1。

谷子收獲的總損失主要包含割臺(tái)落穗損失、割臺(tái)掉粒損失、晾曬損失和脫粒損失等，不同收獲方式的損失組成如圖1 所示。

圖1 不同收獲方式的谷子損失情況Fig.1 Millet grain loss rate of different harvesting methods

谷子聯(lián)合收獲的總損失率中割臺(tái)落穗損失和脫粒損失占主要比例，分別為5.36%和3.41%，無晾曬損失；谷子分段收獲的總損失率中脫粒損失和晾曬損失占主要比例，分別為3.27%和2.89%；谷子人工收獲的總損失率中晾曬損失和脫粒損失占主要比例，分別為2.00% 和1.59%，無落穗損失。

2.3 谷子含水率對(duì)聯(lián)合收獲損失的影響

分別測定晉谷21 號(hào)與張雜10 號(hào)谷子的各部位在不同成熟時(shí)期的含水率，并對(duì)谷子不同部位的含水率與聯(lián)合收獲效果進(jìn)行相關(guān)性分析（表4，表 5）。

表4 不同成熟時(shí)期谷子各部分的含水率Table 4 Moisture contents of millet at different harvesting period 單位：%

表5 谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient of millet moisture content and combine harvesting effects

乳熟期的谷子穗粒含水率超過30%，葉片含水率在55.08%~68.54%間變化，莖稈的含水率最高可達(dá)76.06%，不同品種谷子的含水率差異不顯著。從乳熟期到完熟期，谷子的穗粒逐漸生長充實(shí)，含水率降低，晉谷21 號(hào)谷穗含水率的變幅為10.90%~34.13%；莖稈的含水率最高，變幅為23.17%~74.43%。隨著成熟時(shí)期的推遲，谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，成熟時(shí)期對(duì)谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著（P＜0.05），其中葉片的含水率降速最快，由65.51%降至9.78%；不同品種谷子的葉片含水率隨生長期變化率差異顯著，晉谷21 號(hào)谷子的葉片隨生長期增加，含水率降速顯著高于張雜10 號(hào)谷子；穗粒含水率降速次之，由34.13% 降至10.90%；莖稈含水率降幅最低，由74.43% 降至28.33%。不同品種谷子的谷穗和莖稈含水率的變化率差異不顯著。

3 討論

不同成熟期的谷子含水率差異顯著，谷子的含水率對(duì)谷子收獲中的切割、脫粒和清選等環(huán)節(jié)的作業(yè)效果有重要影響，谷子含水率與聯(lián)合收獲效果的相關(guān)性分析表明：谷穗含水率與葉、莖稈含水率顯著正相關(guān)，說明谷子的各部位含水率隨生長時(shí)期變化一致；穗含水率、葉含水率、莖稈含水率均與破碎率呈顯著正相關(guān)，與總損失率、含雜率呈負(fù)顯著相關(guān)，說明含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。含水率對(duì)谷子的莖稈、葉片、穗瓣和籽粒等的力學(xué)特性影響顯著，谷子谷穗、葉片和莖稈的含水率影響谷子機(jī)械收獲力學(xué)特性，對(duì)谷子聯(lián)合收獲機(jī)的割臺(tái)、脫粒滾筒及風(fēng)篩裝置等的作業(yè)效果和功耗有較大影響。因此谷子在聯(lián)合收獲過程中為了降低損失率、破碎率和含雜率，適宜收獲時(shí)期的谷穗含水率在13.69%~15.29%為宜，此時(shí)聯(lián)合收獲總損失率可控制在7.62%以內(nèi)。方會(huì)敏等［17］在玉米收獲方面也有相似結(jié)論。聯(lián)合收獲可有效提高作業(yè)效率，但需要農(nóng)戶或合作社具有谷子籽粒的晾曬場地、烘干設(shè)備等，以防谷子因含水率過高導(dǎo)致堆積發(fā)熱，影響小米品質(zhì)。分段收獲或延遲收獲可避免谷子收獲過程中含水率過高的問題，有效提高谷子作業(yè)效果，但對(duì)于秋季多雨地區(qū)（如晉東南地區(qū)等），田間晾曬過程中可能導(dǎo)致谷子淋雨霉變等問題，需依具體氣候情況進(jìn)行決策。

4 結(jié)論

（1）蠟熟期的谷子穗粒含水率為13.69%~15.29%，此時(shí)機(jī)械收獲的谷子總損失率最小為4.81%，破碎率較低為0.67%，完熟期谷子破碎率最低但損失率和含雜率較高。

（2）收獲方式對(duì)谷子籽粒的總損失率、破碎率和含雜率的影響顯著。采用聯(lián)合收獲方式的谷子總損失率最高為9.40%，破碎率最低為0.96%，含雜率最高為4.56%，工作效率最高為0.303 2 hm2·h-1。采用分段收獲方式的谷子損失率為7.09%，破碎率和含雜率較低，工作效率為0.232 4 hm2·h-1。采用人工收獲方式的總損失率最低為3.51%，但工作效率較低為 0.001 7 hm2·h-1。

（3）成熟時(shí)期對(duì)谷子的穗、葉片和莖稈的含水率影響均極顯著，隨著成熟時(shí)期的推后，谷子的穗、葉片和莖稈的含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，谷子含水率是影響谷子聯(lián)合收獲破碎率、總損失率、含雜率的顯著因素。