三七種苗的物理機械特性試驗

田 蕊，張兆國*，程一啟，崔秀明

(1.昆明理工大學 現代農業工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大學 生命科學與技術學院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地藥材可持續發展利用重點實驗室，云南 昆明 650500)

三七種苗的物理機械特性試驗

田 蕊1,2,4，張兆國1,2,4*，程一啟1,2,4，崔秀明3,4

(1.昆明理工大學 現代農業工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大學 生命科學與技術學院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地藥材可持續發展利用重點實驗室，云南 昆明 650500)

對不同等級三七種苗的質量、根長和根直徑、密度、含水率、壓縮特性和剪切特性進行試驗研究。結果表明，質量、根長和根直徑、密度、含水率都與三七種苗的等級呈正相關，其最大軸向壓縮應力、徑向壓縮應力、軸向剪切應力、徑向剪切應力分別為1.82、0.41、0.51、1.14 Mpa，平均軸向壓縮彈性模量、徑向壓縮彈性模量、軸向剪切模量、徑向剪切模量分別為0.051、0.008、0.011和0.032 Mpa。通過研究三七種苗的物理機械特性，為其移栽和采挖機械設計提供理論基礎。

三七種苗； 物理機械特性； 統計分析

三七(Panaxnotoginseng)在中國云南省文山州多有種植，為多年生草本植物。三七紅籽(種子)在種植1年以后長成三七種苗，在每年11月到翌年1月進行種苗采挖并移栽，3年后收獲。至2015年底，三七種植面積已達3萬hm2，且種植面積逐年上升[1-4]。

三七移栽主要依靠人工，勞動強度大，耗時耗力，因而研制出適合三七種苗采挖和移栽的農業機械意義重大[5]。

目前對于三七種苗的分級尚無統一的標準，董弗照等將其分為三級[6]，中國醫學科學院藥用植物資源開發研究所將其分為四級[7]，崔秀明等依據種苗對三七生長發育的影響和產量對三七種苗進行了分類，分為四級[8]。

對于三七種苗的研究多集中在生物學特性、化學成分等方面[9-10]，而對于三七種苗的物理機械特性的研究鮮有報道。筆者根據崔秀明的分級標準(一級種苗3 g以上，二級種苗2～3 g，三級種苗1～2 g，三級以下種苗1 g以下)[8]研究不同等級的文山道地三七種苗的物理特性，包括質量、根長和根直徑、密度、含水率、壓縮特性和剪切特性[11-14]，以期為三七種苗的采挖和移栽機械化提供必要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試樣于2016年11月取自云南文山州七丹藥業股份有限公司的三七GAP種植基地，經張兆國教授鑒定為三七種苗。將采挖后的新鮮三七種苗莖桿切除，只留有根系部分，并將其上的土壤洗凈，自然風干。

1.2 儀器

試驗儀器主要有電子天平(精度0.01 g)、游標卡尺(精度0.01 mm)、直尺(精度0.1 mm)、量筒(20 mL)、北京中興偉業儀器有限公司生產的靈敏度為±1 ℃，使用溫度為RT+10～250 ℃的電熱鼓風干燥箱(101-2AB型)、美國FTC公司生產的TMS-PRO型專業食品物型分析儀，該儀器力傳感精度為0.015%，測量的范圍為0～2.5 KN，收集的最高頻率為2 Khz。

1.3 方法

1.3.1 質量、根長和根直徑的測量

選取205株新鮮的三七種苗，用電子天平測量每株三七種苗的質量，確定其等級，并算出其每一等級的平均質量；用直尺測量從根莖基部(開始處)至最長的須根末端的長度即為根長；用游標卡尺測量根的最粗處，測三點取平均值為根直徑。

1.3.2 密度的測量

采用液浸法測量種苗的體積，計算種苗質量與體積的比值，即密度。

1.3.3 含水率的測量

試驗標準參照GB/T 14095—2007農產品干燥的試驗方法[15]，按照常壓恒溫烘干法對剛從土壤里挖取的新鮮三七種苗進行含水率的測量。

1.3.4 壓縮和剪切特性的測量

將種苗制作成長方體試樣進行壓縮試驗。選用直徑為10 mm的平板探頭，溫度20 ℃，空氣濕度為50%，加載前速度為60 mm·s-1，加載速度為1 mm·s-1，試驗標準參照GB/T 1928—2009木材物理力學試驗方法總則[14]，采用的壓縮位移為試樣高度的70%。每組試驗選取6個試樣。選用和壓縮試驗相同的試樣，選用刀片厚度為1.34 mm重型單刀復合剪切探頭，試驗環境溫度為20 ℃，空氣濕度為55%，加載前速度為60 mm·s-1，加載速度為1 mm·s-1，每組試驗選取6個試樣。試樣尺寸如表1所示。

表1 試樣的尺寸 mm

2 結果與分析

2.1 質量、根長與根直徑

2.1.1 質量

由圖1可知，不同等級的三七種苗的數量分布基本呈正態分布，一級種苗有9株，占4.39%；二級種苗有59株，占28.78%；三級種苗有110株，占53.66%；三級以下種苗有27株，占13.17%。二級和三級種苗最多，共占82.44%，二級和三級種苗在第3年收獲時基本為30～60頭的三七，和現有的三七統計學規律基本一致。

圖1 三七種苗級數分布

由圖2可知，被測三七種苗質量等級的平均質量分布呈上升趨勢，其中，三級以下種苗的平均質量為0.82 g，三級種苗的平均質量為1.52 g，二級種苗的平均質量為2.42 g，一級種苗的平均質量為3.51 g。

圖2 三七種苗質量等級

由SPSS 22.0中的單因素方差分析得出，不同等級的三七種苗之間的質量存在差異性，在α=0.05和α=0.01的情況下，各級三七種苗之間的質量差異顯著和極顯著，表明分級合理。

2.1.2 根長與直徑

由圖3和圖4可知，三七種苗的根長和根直徑隨著三七種苗的等級提高而呈現整體上升趨勢，說明隨著級數的增加，不但根長增加，根粗也不斷增加，符合三七生長規律。造成三七根長標準差較大的原因是三七種苗生長的不規律性，且種苗分級時考慮的因素為質量而非長度。

圖3 根長分布情況

圖4 根直徑分布情況

由SPSS 22.0中的單因素方差分析可知，不同等級的三七種苗之間的根長存在差異性。在α=0.05時，各等級之間的三七種苗差異不顯著，只是三級與二級之間差異顯著，究其原因，可能是三七分級時，重量為主要因素，根長的差異對三七的生長影響沒有質量的影響大，各級之間的根長差距并不如質量明顯。

方差分析可知，不同等級的三七種苗之間的根直徑存在差異性。在α=0.05時，不同等級之間的三七種苗根直徑的差異不都顯著，三級以下和三級之間與二級和一級之間差異顯著。究其原因，可能是三七種苗的直徑差異并不突出，尤其是三級和二級種苗之間質量差別不大，而直徑間的差異尤其小。

2.2 密度

如圖5所示，三七種苗的密度隨著等級的上升呈上升趨勢，但整體變化幅度不大。

圖5 三七種苗的密度

方差分析可知，不同等級三七種苗間的密度存在差異。在α=0.05時，除三級以下和三級之間的差異性不大外，其余均有顯著差異，主要原因是三七種苗的質量差異顯著。

2.3 含水率

如圖6所示，三七種苗的含水率隨著等級上升呈上升趨勢，但整體變化幅度不大。由方差分析得出，不同等級三七種苗間含水率存在差異。在α=0.05時，各等級間除一級和二級之間的差異顯著外，其余均無顯著差異。

圖6 三七種苗的含水率

2.4 壓縮特性

由圖7可以看出，軸向壓縮和徑向壓縮有明顯的不同，為各項異性材料。隨著壓縮位移的不斷增加，應力也不斷上升，并呈近似線性關系，為彈性變形的階段。軸向應力最大值為1.82 MPa，其軸向彈性模量為0.051 MPa；徑向應力的最大值為0.41 MPa，其徑向彈性模量為0.008 MPa。

圖7 三七種苗的壓縮特性

2.5 剪切特性

由圖8可知，軸向剪切和徑向剪切也有所不同。隨著剪切位移的不斷增加，應力也不斷上升，并呈近似線性關系，為彈性變形的階段。軸向應力的最大值為0.51 MPa，其徑向剪切模量為0.011 MPa；應力的最大值為1.14 MPa，其徑向剪切模量為0.032 MPa。

圖8 三七種苗的剪切特性

3 小結

三七種苗不同等級數量分布基本呈正態分布，一級種苗占4.39%，二級種苗占28.78%，三級種苗占53.66%，三級以下種苗占13.17%；質量等級分布呈上升趨勢，三級以下種苗的平均質量為0.82 g，三級種苗的平均質量為1.52 g，二級種苗的平均質量為2.42 g，一級種苗的平均質量為3.51 g；根長和根直徑隨著三七種苗的等級提高而呈整體上升趨勢；三七種苗的密度，三級以下平均密度為0.8 kg·m-3，三級平均密度為0.86 kg·m-3，二級平均密度為0.97 kg·m-3，一級平均密度為1.2 kg·m-3；新鮮三七種苗的初始含水率，三級以下為81.2%，三級為81.4%，二級為81.6%，一級為83.7%；三七種苗軸向壓縮應力最大值為1.82 MPa，軸向平均彈性模量為0.051 MPa，徑向壓縮應力的最大值為0.41 MPa，其徑向平均彈性模量為0.008 MPa；三七種苗的軸向剪切應力最大值為0.51 MPa，軸向平均剪切模量為0.011 MPa；徑向剪切應力的最大值為1.14 MPa，徑向平均剪切模量為0.032 MPa。

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(責任編輯：張瑞麟)

2017-02-22

云南省重點新產品開發項目(2014BC007)；云南省重大科技專項(2016ZF001)；云南省高校工程研究中心建設計劃資助

田 蕊(1992—)，女，山東濟寧人，在讀碩士，研究方向為中藥材物理機械特性，E-mail：1148463538@qq.com。

張兆國(1966—)，男，山東單縣人，教授，博士，從事農業機械裝備與技術方面研究工作，E-mail：zhaoguozhang@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170827

S567

A

0528-9017(2017)08-1379-04

文獻著錄格式：田蕊，張兆國，程一啟，等. 三七種苗的物理機械特性試驗[J].浙江農業科學，2017，58(8)：1379-1382.