茄子藤秸稈微觀結構及剪切力學特性

郭　茜， 張西良， 徐云峰， 李萍萍， 陳　成

[1.無錫技師學院(江蘇省無錫立信中等專業學校)電氣工程系，江蘇無錫 214053；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江 212013；3.江蘇大學農業工程研究院現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇鎮江 212013；4.南京林業大學森林資源與環境學院，江蘇南京 210037]

中國設施園藝面積已發展到420多萬hm2，占全世界面積的89.3%，其中茄子等茄果類蔬菜食用方便，富含維生素A、C以及多種有益礦物質，深受消費者喜愛，已成為目前主要的蔬菜作物。以茄果類為主體的藤莖類秸稈與殘茬數量巨大，為重要的生物資源，其開發利用日益受到重視[1]。這些秸稈還田破碎和腐熟處理困難，作業機械在設施園藝上難于展開[2-5]，隨意廢棄致使病蟲害嚴重發生，而普遍焚燒處理又嚴重威脅交通安全、污染社會環境[6]。因此，急須開展茄子藤秸稈資源化綜合利用研究。

目前，國內外學者對秸稈力學性能相關研究已有諸多報道。如O’Dogherty等測試得到麥稈的剪切強度為4.91～7.26 MPa，彈性模量為4.76～6.58 Gpa[7]。Chatopadhyay等在萬能試驗機上對高粱莖稈的壓縮、剪切和彎曲特性進行了測定，對壓縮強度、壓縮過程和彎曲過程中吸收的能量變化規律進行了探索[8]。Chancellor試驗測得梯牧草勁性模量為1 260～3 900 N/mm2[9]。泉裕巳等應用萬能材料試驗機對甘蔗進行拉伸、壓入和抗壓試驗[10]。Prasad等通過試驗發現，加載速度從20 cm/min增加到100 cm/min，玉米稈的平均最大剪切強度從3.3 MPa降低到2 MPa[11]。陳爭光等通過試驗研究得到，影響剪切強度較顯著的因素為剪切速度和含水率[12]。于勇等研究了玉米秸稈不同部位的含水率特性和拉壓特性[13]。李玉道等對棉花秸稈的剪切力學性能試驗表明，秸稈的剪切強度與含水率關系密切，并且確定了剪切強度與剪切功之間的關系[14]。孫占峰等通過試驗研究了稻草秸稈的壓縮、剪切和彎曲力學特性[15]。

從國內外的研究現狀來看，研究主要集中在高粱、小麥、玉米、棉花等農作物秸稈力學特性上，以試驗研究為主，而對于如茄子藤這樣的藤莖類秸稈的力學特性研究卻少見報道[16-18]。秸稈資源綜合利用的首要環節就是秸稈切割，而切割時秸稈的品種、成熟狀況、收割后存放風化時間(具有不同的含水率)、不同部位微觀組織結構及其橫截面積、連接方式等因素都與其力學特性有著密切的關系。本試驗以茄子藤秸稈為研究對象，開展其不同部位、不同含水率下剪切力學特性研究，為研發收獲及加工機械提供基本數據和理論基礎，對促進其資源化綜合利用有著十分重要的意義。

1　材料與方法

1.1　試驗材料選取

選取成熟期茄子藤秸稈為試驗對象。茄子藤取自江蘇省無錫市某農莊溫室大棚，收獲季節為7月，要求秸稈試樣生長良好、表皮無開裂或損傷等明顯缺陷，無蟲害損傷。秸稈存放于自然通風條件下保存，以待試驗。

根部試樣為主莖稈上距離根部端點100 mm的截取部分，頂部試樣為主莖稈上距離頂部的端點100 mm的截取部分，中部試樣為根部與頂部中間部分截取100 mm的部分，每個試樣兩端各留10 mm用于夾持。

1.2　試驗方法

含水率測定方法：利用干燥法測定茄子藤秸稈收割后存放風化不同時間(1～15 d)、不同部位(根部、中部和頂部)的平均含水率。

秸稈橫截面積測定方法：由于茄子藤秸稈為中空內芯，因此根據秸稈上3個不同部位的實際橫截面積分別計算出1個形狀因子，再利用形狀因子和秸稈直徑估算各部位實際的橫截面積，在計算機中輸入計算數據，精確至0.1 mm。3個部位實際橫截面積的計算公式為：

S=ad2。

(1)

式中：a為形狀因子，通過計算機圖形學的方法得到實際面積S；d為秸稈直徑。由式(1)統計計算得到a根部=0.71，a中部0.69，a頂部=0.46。

剪切試驗方法：將秸稈試樣兩端水平固定在質構儀的夾具之間，剪切刀片垂直安裝于試樣上方，刀片的中心位置對準試樣的中部。加載速度為20 mm/min，質構儀以均勻速率加載荷直至刀片切斷試樣，記錄下剪切載荷，準確至10 N。計算機軟件自動記錄下載荷F-位移ε值。

試驗數據處理分析方法：對茄子藤秸稈3個部位各采樣15個試樣，分別進行拉伸斷裂試驗和剪切試驗，采用線性回歸的方法對試驗所得的曲線中近似線性的離散數據進行處理，分別得到秸稈3個部位的拉伸和剪切的應力σ-應變ε曲線，分析秸稈拉伸斷裂和剪切的力學特性[19]。

2　結果與分析

2.1　茄子藤秸稈平均含水率變化及其對切割性能的影響分析

茄子藤秸稈收割后存放風化不同時間、不同部位的平均含水率如圖1所示。3個部位收獲1 d后平均含水率分別為69%、57%、42%，15 d后平均含水率分別降為30%、23%、19%。

秸稈中的水分并不是均勻分布的，采用干燥法測定的根部、中部和頂部的含水率存在明顯不同，根部的含水率約是頂部含水率的1.5倍。這是因為土壤提供給秸稈的水分從根部向頂部傳導，遠離土壤的部分水分越少，因此秸稈含水率從根部到頂部呈下降分布的趨勢。

隨著存放風化時間增加，3個部位的含水率逐漸下降，并趨于水分平衡。從圖1可以看出，秸稈不同部位達到水分平衡的時間從頂部到根部逐漸延長(頂部約9 d，中部約 12 d，

根部超過15 d)，并且各部位達到水分平衡后，各部位的平衡含水率也不相同，從頂部到根部逐漸升高。這是由于各部位的組織結構不同，根部的組織結構比較致密，鎖水性能較好，故達到水分平衡的時間較長，平衡含水率較高。

水分本身是影響秸稈力學特性的主要因素，在對茄子藤秸稈切割試驗研究后發現含水率對切割電能和切割時間有較大影響[20]。在含水率超過60%的試驗中，一方面，含水率的增加使秸稈細胞壁結合較緊密，秸稈強度大，需要的切割能大；另一方面，秸稈中的水分蒸發成水蒸氣，使切割粉碎室中的細小秸稈結塊黏結在齒板上，增加了切割電能和切割時間，同時黏結的秸稈顆粒會堵塞出料口，降低出料效果。因此，被切割的秸稈含水率不宜過高，一般可以在收獲后干燥一段時間再進行切割處理[20]。下文主要針對收割后存放15 d的茄子藤秸稈進行的試驗分析。

2.2　茄子藤秸稈不同部位組織結構變化及其對力學特性影響分析

茄子藤秸稈不同部位的微觀組織結構如圖2所示，通過公式(1)計算得到：根部的橫截面積一般在23.07～42.09 mm2之間，中部的橫截面積一般在12.17～30.97 mm2之間，頂部的橫截面積一般在3.11～15.47 mm2之間。

從圖2可以看出，茄子藤秸稈是一種復合材料，其微觀組織結構主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。秸稈表皮有1層排列緊密較小的細胞，細胞壁外壁角質化的角質層屬于初生保護組織，對秸稈有保護作用，通常，這種組織結構非常有利于秸稈抵抗破碎。靠近表皮內側的排列緊密較小的皮層細胞具有厚壁組織，無細胞間隙，具有支撐作用。排列在橫切面形成1環的維管束，由木質部、韌皮部和形成層組成，在薄壁組織之間分散排列。由排列疏松體積較大的薄壁細胞組成的髓被維管束圍繞在秸稈中央，髓具有一定的儲存能力。

前期研究表明，當秸稈具有較厚的表皮、較多的維管束和較發達的機械組織時，秸稈抵抗變形的能力就較強[5]。秸稈抵抗破碎的強度主要來自于表皮、皮層和維管束，而髓主要起連接和傳遞載荷的作用。雖然秸稈3個部位的顯微結構基本相同，但由于不同部位的各種組織結構比例、連接方式等不相同，導致秸稈不同部位呈現不同的特性。從圖2可以看出，表皮、皮層和維管束的面積在根部中所占比例較大，而在中部和頂部中所占的比例較小，茄子藤根部的機械組織比較發達，維管束較多，表皮較厚，因此根部抵抗變形的能力均高于中部和頂部。

由此可見，茄子藤秸稈的微觀組織結構無論是組成部分還是組織結構比例等均不同于常見的大田農作物秸稈，因此也就具有不同的力學特性。

2.3　茄子藤秸稈剪切特性測試分析

2.3.1茄子藤秸稈剪切變形過程的應力-應變曲線從圖3可以看出，剪切曲線的初始階段，隨著載荷的緩慢增加，變形也緩慢增大，這是因為秸稈的中部為空心結構，表皮逐步被壓扁；隨著載荷的進一步增加，秸稈發生破裂，空心的秸稈變為表皮上下層接觸的實體，因此剪切時所需的應力越來越大，直至秸稈完全被切斷，剪切過程完成。

從圖3還可以看出，在剪切變形的過程中，秸稈根部的剪切應力均高于中部和頂部。這是由于根部的含水率比較高，根部組織的木質化程度比較嚴重，纖維含量也較高，抵抗變形的能力較強。

2.3.2茄子藤秸稈剪切力學特性分析根據剪切強度和剪切模量的計算公式，從試驗數據中計算可以得到表1。

對試驗數據方差分析得到秸稈不同部位的剪切強度和剪切模量的方差分析表，如表2和表3所示。

表1　茄子藤秸稈不同部位的剪切強度和剪切模量

表2　茄子藤秸稈不同部位的剪切強度方差分析

表3　茄子藤秸稈不同部位的剪切模量方差分析

從表1可以看出，茄子藤秸稈的剪切強度和剪切模量從根部到頂部逐漸減小，這與剪切應力的變化趨勢相一致。從表2、表3可知，茄子藤秸稈不同部位對剪切強度和剪切模量的影響均是顯著的(P<0.05)。這是因為含水率是影響秸稈剪切力學特性的一個重要因素。當含水率較低時，脆性變形占主導，在剪切過程中容易破壞；當含水率較高時，秸稈具有一定的彈性，其剪切強度也有所提高。此外，由于秸稈根部的木質化程度比較高，因此剪切強度也更高。

根據研究報道可以得到其他秸稈的剪切力學特性指標[15，21-23]，結果如表4所示。將表4中的秸稈與茄子藤秸稈進行比較可以發現，茄子藤秸稈3個部位對剪切強度和剪切模量的影響趨勢與其他幾種秸稈的趨勢是一致的，即從根部到頂部，剪切強度和剪切模量均呈下降趨勢；茄子藤秸稈的剪切強度遠遠低于其余幾種秸稈。這說明茄子藤秸稈抵抗剪切應力的能力比較弱，材料的剛性比較差，這是由于茄子藤秸稈內部結構、微觀組織結構的性能及組成比例與其他幾種秸稈顯著不同所導致的。

表4　其他秸稈剪切力學特性指標

3　結論

通過對茄子藤秸稈纖維組織結構微觀觀察分析發現，茄子藤秸稈是一種復合材料，其微觀組織結構主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。秸稈抵抗破碎的強度主要來自于表皮、皮層和維管束，而髓主要起連接和傳遞載荷的作用。茄子藤根部的機械組織比較發達，維管束較多，表皮較厚，因此根部抵抗變形的能力均高于中部和頂部。

通過試驗研究茄子藤秸稈的剪切力學特性，獲得了其剪切力學特性指標。秸稈的剪切應力、剪切強度和剪切模量從根部到頂部均呈現逐漸減小的趨勢，并且秸稈的不同部位對剪切強度和剪切模量的影響均極顯著。與其他秸稈相比，茄子藤秸稈的剪切強度遠遠低于其余幾種秸稈。

以上研究結論為茄子藤秸稈的收獲及加工機械研發、確定切割時的工作參數，提供了必要的試驗數據和理論基礎，有助于促進藤莖類秸稈資源化綜合利用技術應用和推廣。

參考文獻：

[1]陳蒙蒙. 秸稈焚燒的法律規制[D]. 蘇州：蘇州大學，2014.

[2]Zhao S C，He P，Qiu S J，et al. Longterm effects of potassium fertilization and straw return on soil potassium levels and crop yields in north-central China[J]. Field Crops Research，2014，169：116-122.

[3]Wang X H，Yang H S，Liu J，et al. Effects of ditchburied straw return on soil organic carbon and rice yields in a rice-wheat rotation system[J]. Catena，2015，127：56-63.

[4]Kumar A，Kumar P，Yadav S K，et al. Effect of integrated nutrient management on yield and economics of pearlmillet-wheat cropping system[J]. Environment and Ecology，2012，30(1)：57-59.

[5]張西良，孫曉佳，徐云峰，等. 黃瓜藤秸稈力學特性與顯微結構研究[J]. 農機化研究，2014，36(4)：156-159.

[6]景璟. 廣西農作物秸稈綜合利用現狀與對策研究——以武鳴縣為例[D]. 南寧：廣西大學，2012.

[7]O’dogherty M J，Huber J A，Dyson J，et al. A study of the physical and mechanical properties of wheat straw[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1995，62(2)：133-142.

[8]Chatopadhyay P S，Pandey K P. Mechanical properties of sorghum stalk in relation to quasi-static deformation[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1999，73(2)：199-206.

[9]Chancellor W J. Basic concepts of cutting hay[D]. New York：Cornell Univ，1957.

[10]泉裕巳，秋永孝，國府田佳弘. 甘蔗收獲機基礎研究[J]. 農業機械學會志，1980，42(1)：69-74.

[11]Prasad J，Gupta C P. Mechanical-properties of maize stalk as related to harvesting[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1975，20(1)：79-87.

[12]陳爭光，王德福，李利橋，等. 玉米秸稈皮拉伸和剪切特性試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(21)：59-65.

[13]于勇，毛明，泮進明. 玉米秸稈不同部位含水率特性和拉伸學特性研究[J]. 中國農機化，2012，242(4)：75-77.

[14]李玉道，杜現軍，宋占華，等. 棉花秸稈剪切力學性能試驗[J]. 農業工程學報，2011，27(2)：124-128.

[15]孫占峰，蔣恩臣. 稻草秸稈力學特性研究[J]. 東北農業大學學報，2007，38(5)：660-664.

[16]Kroes S，Harris H D. Cutting forces and energy during animpact cut of sugarcane stalks[C]. Eur Ag Eng，1996.

[17]Grpta C P，Oduri M F. Design of the revolving knife type sugarcane bass-cutter[J]. American Society of Agriculture Engineer，1992，35(6)：1747-1752.

[18]Gyu M K，Chong N C. Mean cutting force prediction in ballend milling using force map method[J]. Journal of Materials Processing Technology，2004，146(3)：303-310.

[19]孫曉佳. 黃瓜藤秸稈切割性能研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2013.

[20]郭茜，張西良，徐云峰，等. 藤莖類秸稈專用切割刀片的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(24)：47-53.

[21]侯杰. 玉米秸稈力學特性與理化指標及其關聯性[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2013.

[22]杜現軍. 棉稈力學特性研究與切割實驗臺的研制[D]. 泰安：山東農業大學，2011.

[23]李小城，劉梅英，牛智有. 小麥秸稈剪切力學性能的測試[J]. 華中農業大學學報，2012，31(2)：253-257.