谷子莖稈葉鞘葉片及其結合部位的拉伸力學性能

李紅波，薛晉霞，王炳軒，張燕青，武新慧，李曉斌，崔清亮，楊作梅

谷子莖稈葉鞘葉片及其結合部位的拉伸力學性能

李紅波1，薛晉霞1，王炳軒1，張燕青1，武新慧1，李曉斌1，崔清亮1※，楊作梅2

（1. 山西農業大學工學院，太谷 030801；2. 太原理工大學機械與運載工程學院，太原 030024）

針對谷子機械收獲作業過程中存在的稈葉易纏繞問題，該研究以晉谷21、張雜10為對象，分別對谷子不同節間的莖稈、葉鞘、葉片和葉環各部位進行拉伸力學測試，并利用SAS統計軟件對測試數據做分析，在此基礎上分析了相關力學參數沿莖稈節間的變化規律。2個谷子品種的莖稈在上下節間處的彈性模量、抗拉力和抗拉強度均差異顯著（<0.05）。由莖稈表皮拉伸測試測得晉谷21的莖稈彈性模量為4.15～6.64 GPa，抗拉強度為67.65～130.13 MPa，抗拉力為343.97～1 598.37 N；張雜10的莖稈彈性模量為4.54～7.98 GPa，抗拉強度為73.22～136.50 MPa，抗拉力為167.66～567.54 N。2個谷子品種在不同節間位置、不同部位（葉鞘、葉片及葉環）的抗拉力和抗拉強度差異均極顯著（<0.01）。晉谷21的中上部節間葉鞘、葉片及葉環平均抗拉強度分別為13.30、10.13和4.18 MPa，平均抗拉力分別為122.16、41.23和25.80 N。張雜10的中上部節間葉鞘、葉片及葉環平均抗拉強度分別為13.30、11.77和4.24 MPa，平均抗拉力分別為104.30、59.48和22.87 N。測試結果表明，谷子莖稈、葉鞘、葉片和葉環部位中抗拉強度最弱位置在鞘葉相連接的葉環位置處。谷子機械收獲時可選擇在莖稈中部以上、穗部第2節間以下各節間的葉環位置處進行稈葉分離，施力大小20～25 N。研究結果可為谷子收獲裝置的設計與優化提供參數依據。

作物；收獲；試驗；谷子；拉伸特性；強度；莖稈；葉鞘；葉片

0 引 言

谷子是中國北方地區廣泛種植的代表性雜糧作物，產區主要分布在北方各省的干旱、半干旱地區。近年來谷子產業發展勢頭良好，生產面積穩中有升，規?；藴驶a得到了進一步提高[1-2]，已成為許多地方發展綠色有機農業實現鄉村振興的支柱產業。目前谷子生產存在收獲作業過程機械化水平不高、專用聯合收割機較少的問題，嚴重制約著谷子產業的發展。

谷子莖稈細長，株高0.8～2.0 m。一方面谷子莖稈普遍具有韌性強、強度大的特點，沿莖稈長度方向不容易拉斷；另一方面，灌漿后期穗部較重，莖稈中空易彎折倒伏，機械收獲作業時，莖稈在外力作用下易壓扁折彎，加之谷穗低垂、谷葉較長且摩擦系數大，使穗、稈、葉以及莖稈相互纏繞難以分離，導致機械收獲作業中易形成割臺兩側絞穗、割臺掉穗和撥禾輪纏繞，攪龍和喂入裝置等部位纏繞堵塞現象，影響作業效率且谷物損失嚴重。忽略谷子強韌、高彈、稈細、穗重、易纏繞等特點，在原有水稻收割機或小麥收割機基礎上對撥禾輪、割臺等部位進行改造的裝備存在適用性不強、割臺易纏繞、損失率高、含雜率高、生產效率低等問題[3-6]，因此亟需對谷子莖稈開展力學特性研究。

莖稈類植物生物力學特性測試方法一般有拉伸壓縮、彎曲、剪切、扭轉等[7-10]。Wright等[11]對小麥、大麥和玉米等莖稈作物開展了力學測試。梁莉等[12]測試研究了小麥、玉米、高粱、大豆、谷子等莖稈作物慣性矩、彈性模量、抗彎剛度、抗彎強度等生物力學指標與抗倒性之間的關系。劉慶庭等[13-14]對植物莖稈力學理論和測試方法做了綜述報道。Leblicq等[15]以小麥和大麥為研究對象，對空心植物莖稈彎曲力學特性做了理論推導和力學測試，考慮了彎曲過程中空心莖稈局部橢圓化和屈曲對莖稈彎曲力學特性的影響。在農業機械收獲作業過程中需對莖稈各組成部分相互間的連接力加以考慮，高夢祥等[16]以玉米秸稈為研究對象，對莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性以及莖稈、葉鞘的抗沖擊特性進行了測試，發現相關力學參數與葉鞘所處部位、莖葉含水率密切相關。陳爭光等[17]對玉米秸稈表皮做了拉伸和剪切測試，分析了秸稈皮抗拉強度、抗剪強度與莖稈含水率以及取樣高度的關系。牟何偉等[18-22]則對甘蔗葉鞘破壞力學機理以及剝葉方式等做了大量試驗研究。相關研究為開展谷子莖稈力學特性研究提供了方法參考。張燕青等[23]通過對谷子莖稈做剪切測試研究了谷子莖稈的剪切力學特性，考慮了莖稈切割部位、切割傾角、刀片斜角、切割速度等對莖稈切割力、切割功耗等參數的影響。張寧等[24-25]開展了谷子葉片與不同金屬薄板的摩擦特性和葉片拉伸力學特性研究。

由于組織結構不同，谷子不同節間、同一節間不同部位包括莖稈、葉鞘和葉片的拉伸力學特性也存在很大差異，在設計谷子收獲機械時需要對谷子作物各節間、各部位的力學指標加以考慮。本文選取收獲期的代表性谷子品種晉谷21和張雜10為研究對象，分別對莖稈不同節間的莖稈表皮機械組織、葉鞘、葉片和鞘葉結合部即葉環等做拉伸力學測試，測取并分析谷子莖稈不同位置處抗拉力、抗拉強度、彈性模量等力學指標的變化規律，以期為機械化生產裝備的改進與優化提供參數支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗對象為河北、山西等地區廣泛種植的晉谷21和張雜10兩個谷子品種。選取成熟收獲期谷子節數及粗細相近且沒有蟲蛀或開裂的完整谷子莖稈（其中晉谷21節數16節、張雜10節數15節）制備試樣。將試樣從根部節間截取后，用保鮮袋包裹并帶回實驗室進行相關力學特性測試。

1.2 試驗儀器

試驗在山西農業大學農業生物力學實驗室的高精度萬能材料試驗機（INSTRON5544，USA）上進行（圖1），采用拉伸測試方法分別對莖稈、葉鞘、葉片以及鞘葉結合部位開展力學測試。

“有著殖民地半殖民地人民最可寶貴的性格，即沒有絲毫的奴顏與媚骨”[1]698的魯迅是一個無可非議的愛國者。人們注意到的更多的，或許是他在文學所展現的“格式的特別和表現的深切”，然而這些還遠遠不夠，作為愛國者的魯迅，救國才是其思想發展的主流，魯迅的救國思想不斷發展變化，經歷了從科技救國到文藝救國到革命救國的轉變。

1.立柱 2.測力傳感器 3.夾頭 4.控制面板 5.測試系統界面

1.3 試驗方法

按作物品種分類，從試樣中隨機選取完整莖稈，按下列步驟分別取樣：

1）用數顯式游標卡尺測量谷子各節間、葉鞘、葉片長度尺寸；

(4)深入配合施工現場。安排一位有經驗的配合施工技術人員作為項目導師，帶領其參加1個大型項目的站前、站后工程配合施工工作。在配合施工過程中解決現場問題，將現場實際與設計理論有機結合，幫助深入理解設計工作。

由最大抗拉力計算抗拉強度：

3）從根部到穗部依次對去鞘莖稈進行切割、排序并用數顯式游標卡尺測量莖稈長短徑尺寸（莖稈近似橢圓形，沿垂直方向分別測量其長短徑），保鮮袋保存。

2.3.1 抗拉力沿節間變化

5）對各節間葉鞘、葉片及葉環做拉伸力學測試：依次取出各節間帶葉葉鞘，按部位將其分割成葉鞘、葉環及葉片3部分，分別做拉伸測試。測試速度為10 mm/s。重復測量5次取平均值。

對2個谷子品種中上部節間不同部位處抗拉強度和抗拉力測試結果均表明，抗拉強度最薄弱位置在葉環位置處，即鞘葉相結合的部位。

張雜10不同節間位置、不同部位（葉鞘、葉片及葉環）的抗拉強度差異也極顯著（<0.01）。張雜10葉鞘抗拉強度沿節間自下向上整體呈遞增趨勢，中上部節間（8～15節）平均抗拉強度為13.30 MPa；葉片的抗拉強度自下向上（1～6節）迅速增大，第6節間增至最大（18.17 MPa），向上又逐漸減小，在第11～15節間較為接近（8.56 MPa），中上部節間平均抗拉強度為11.77 MPa；葉環抗拉強度自下向上逐漸增加，中上部節間平均4.24 MPa。可以看出：中上部節間（8～15節）處抗拉強度由大到小依次是葉鞘、葉片、葉環（葉鞘、葉片抗拉強度分別為葉環的3.1、2.8倍）。張雜10與晉谷21相同，葉環部位抗拉強度最弱。

2）用鋒利刀片從各莖節位置處沿環向割取并剝離帶葉葉鞘，實施葉鞘、莖稈分離；

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1.4 數據處理方法

采用統計分析軟件SAS 9.2對試驗數據進行方差分析，采用Duncan法進行均值多重比較。

2 結果與分析

2.1 拉伸測試結果分析

谷子莖稈、葉鞘、葉片及葉環各部位