高粱穗瓣籽粒拉伸力學(xué)特性研究

馮 禹，邱述金，原向陽(yáng)，崔清亮，武翠卿

(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)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日新月異，人民生活水平不斷提高，由此對(duì)糧食及其他農(nóng)產(chǎn)品的需求量越來(lái)越高[1]。高粱作為我國(guó)一種重要的旱地作物，由于自身具有的多重抗逆性、用途多樣性，其重要地位不言而喻。尤其對(duì)于山西地區(qū)而言，由于水資源缺乏，而高粱本身抗旱、耐瘠和耐鹽堿性較強(qiáng)，因此是山西主要的雜糧作物[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥、玉米、大豆和水稻等大籽粒谷物的相關(guān)研究較多[3-10]。ANAZODO U G N等[11]在標(biāo)準(zhǔn)壓縮和彎曲模式下測(cè)試玉米籽粒的物理力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)玉米種子和收獲期對(duì)籽粒的力學(xué)特性有顯著影響。LU R等[12]通過(guò)壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了稻米精米產(chǎn)量與籽粒力學(xué)特性的關(guān)聯(lián)性。VERMA R C等[13]研究了玉米的熱力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)玉米籽粒破裂力、破裂能和破碎變形與含水率有關(guān)。楊作梅等[14]對(duì)常溫靜載條件下不同含水率谷子籽粒進(jìn)行了壓縮力學(xué)性能和摩擦特性試驗(yàn)，研究了不同含水率對(duì)谷子籽粒擠壓力學(xué)性質(zhì)和摩擦特性的影響規(guī)律。侯華銘等[15]設(shè)計(jì)分段懸浮試驗(yàn)測(cè)量了谷子經(jīng)聯(lián)合收獲時(shí)的待清選脫出物各組分的懸浮速度及其在不同含水率下的懸浮速度，探究了谷子脫出物懸浮速度與其含水率的關(guān)系，預(yù)估了適宜的清選風(fēng)速范圍，并通過(guò)清選試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。劉曉東等[16]對(duì)成熟期的甜高粱秸稈進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)，利用Matlab、SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到各因素下甜高粱秸稈彎曲的抗彎強(qiáng)度、最大載荷和彈性模量，以及有節(jié)和無(wú)節(jié)對(duì)甜高粱秸稈彎曲特性的影響規(guī)律，研究表明，谷物壓縮強(qiáng)度的影響參數(shù)是含水量、溫度、加載速率和加載位置及物料尺寸。目前，針對(duì)谷子收獲已有相關(guān)的配套機(jī)械，但是專門針對(duì)高粱收獲的相關(guān)機(jī)械研究還尚未完善。本文對(duì)高粱穗瓣及籽粒的脫落力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，為高粱收獲機(jī)械的研制提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料選用“遼雜37號(hào)”“晉雜34號(hào)”和“興湘梁2號(hào)”3種高粱為研究對(duì)象，產(chǎn)地為承德農(nóng)科院。為了探究不同收獲期對(duì)高粱力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，試驗(yàn)材料分兩次采集：第1次采集時(shí)間為2020年9月12日，為高粱收獲的蠟熟期；第2次采集的時(shí)間為2020年10月2日，為高粱收獲的完熟期。采用恒溫干燥法測(cè)量不同收獲期高粱含水率[17]。選取若干高粱籽粒在電子天平上稱質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)精確至0.01 g，然后將所取試樣放入溫度為105 ℃的干燥箱中干燥4.5 h，取出稱質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，再次重新放入干燥箱中干燥0.5 h，重復(fù)上述操作，若最終稱取的質(zhì)量差<0.02 g，則認(rèn)為干燥完成。含水率按式(1)進(jìn)行計(jì)算，重復(fù)3次取平均值。

(1)

式中H——含水率， %

A——高粱初始鮮質(zhì)量，g

B——烘干后質(zhì)量，g

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

CMT-6104型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，加載速度20 mm/min，自制夾具；MP2002型電子天平(上海精密儀器儀表有限公司)，量程300 g，精度0.01 g；電熱恒溫鼓風(fēng)烘箱。

1.3 試驗(yàn)原理與方法

1.3.1試驗(yàn)樣品制備

將采集到的3個(gè)品種的高粱根據(jù)生長(zhǎng)位勢(shì)分為上、中、下3個(gè)部分，用剪刀依次剪開(kāi)。將不同生長(zhǎng)部位的高粱樣品放入密封塑料袋中密封保存，再置于2 ℃冰箱內(nèi)冷藏，以保證含水率的穩(wěn)定。在進(jìn)行試驗(yàn)前，需提前將試驗(yàn)樣本從冰箱中取出，在常溫下靜置0.5 h，使其恢復(fù)至室溫20 ℃。

1.3.2試驗(yàn)方法

高粱穗瓣(圖1b)是整個(gè)高粱植株中的一個(gè)重要單元，研究其力學(xué)特性具有重要意義。以不同品種、不同收獲期、不同生長(zhǎng)部位為試驗(yàn)因素，以拉伸斷裂力為試驗(yàn)指標(biāo)，研究各因素對(duì)高粱穗瓣、籽粒斷裂時(shí)拉伸斷裂力的影響規(guī)律。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test materials

試驗(yàn)采用CMT-6104型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，采用拉伸夾具進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。在進(jìn)行高粱穗瓣的拉伸力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，將主莖稈部分試驗(yàn)樣品水平夾持在下方夾具上，選擇目的穗瓣與下方試驗(yàn)樣品成一定角度的夾持在上方夾具上，運(yùn)行試驗(yàn)方案，測(cè)量并記錄高粱穗瓣從不同生長(zhǎng)部位拉斷所需的力。在進(jìn)行高粱籽粒的拉伸力學(xué)試驗(yàn)時(shí)，因高粱籽粒小，夾具壓力較大時(shí)會(huì)損傷籽粒，采用細(xì)銅絲固定于夾具上，通過(guò)給銅絲施加力來(lái)測(cè)量作用在高粱籽粒上力的大小。每次試驗(yàn)加載速度20 mm/min，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每次測(cè)試重復(fù)10次。

圖2 拉伸試驗(yàn)Fig.2 Tensile test

2 結(jié)果與分析

對(duì)“遼雜37號(hào)”“晉雜34號(hào)”和“興湘梁2號(hào)”3個(gè)不同品種高粱的不同生長(zhǎng)部位進(jìn)行穗瓣和籽粒的拉伸力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS對(duì)高粱穗瓣及籽粒的拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示[18]。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果方差分析

表2的方差分析結(jié)果表明，品種、生長(zhǎng)部位與收獲期這3種效應(yīng)的顯著性P值均<0.000 1，兩個(gè)峰值力模型決定系數(shù)分別達(dá)到0.912 433和0.846 242。統(tǒng)計(jì)學(xué)根據(jù)顯著性檢驗(yàn)方法所得到的P值，一般以P<0.05為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.01為有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。決定系數(shù)R2的大小決定了變量間相關(guān)的密切程度。R2越大，自變量對(duì)因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動(dòng)占總變動(dòng)的百分比越高。故此方差分析結(jié)果有效，即品種、生長(zhǎng)部位和收獲期對(duì)高粱穗瓣、籽粒拉伸斷裂力的影響都是極顯著的。參照表2中F值可知，影響拉伸斷裂力的主要試驗(yàn)因子依次是生長(zhǎng)部位、收獲期、品種。

2.1 生長(zhǎng)部位對(duì)拉伸斷裂力的影響

不同收獲期高粱穗瓣、籽粒拉伸時(shí)的斷裂力與生長(zhǎng)部位的關(guān)系如圖3～4所示。

圖3 蠟熟期高粱斷裂力與生長(zhǎng)部位的關(guān)系Fig.3 Relation between fracture force of sorghum and growth position in dough stage

圖4 完熟期高粱斷裂力與生長(zhǎng)部位的關(guān)系Fig.4 Relation between fracture force of sorghum and growth position in mature stage

從圖3a、圖4a可以看出，無(wú)論何種收獲期，高粱穗瓣斷裂所需的力隨著生長(zhǎng)位勢(shì)由上到下逐漸增大，相同生長(zhǎng)部位“興湘梁2號(hào)”對(duì)應(yīng)的力最大，兩個(gè)收獲期對(duì)應(yīng)的變化范圍依次是2.621～9.543 N和3.145～9.627 N；“晉雜34號(hào)”次之，變化范圍依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“遼雜37號(hào)”對(duì)應(yīng)的力最小，變化范圍依次是2.647～7.722 N和2.998～8.154 N。

拉伸斷裂力的大小與高粱自身的生長(zhǎng)位勢(shì)有關(guān)。觀察并分析高粱植株自身的生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)高粱主莖稈部分從上到下依次變粗，且穗瓣的長(zhǎng)勢(shì)也有著相同的變化規(guī)律。這一現(xiàn)象與高粱自身的生長(zhǎng)規(guī)律有關(guān)。在高粱植株的生長(zhǎng)過(guò)程中，越靠近高粱根系下部的穗瓣及籽粒等最先接收到高粱根部傳輸來(lái)的水分及各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這一部分的莖稈及穗瓣生長(zhǎng)的比較粗壯，穗瓣與高粱莖稈的各個(gè)組織與器官之間的連接比較緊固，因此下部的拉伸斷裂力數(shù)值較大。隨著高粱自身生長(zhǎng)位勢(shì)的升高，越靠近頂端的穗瓣及籽粒生長(zhǎng)情況較下部差別較大，這一部分的莖稈及穗瓣生長(zhǎng)的比較纖細(xì)一些，穗瓣與高粱莖稈的各個(gè)組織與器官之間連接不如下部緊固，因此上部的斷裂力較小。

圖3b、圖4b反映了高粱籽粒斷裂時(shí)的力與生長(zhǎng)部位的關(guān)系。從圖3b、圖4b可以看出，3種高粱籽粒斷裂時(shí)的力隨生長(zhǎng)部位的變化關(guān)系趨勢(shì)與穗瓣基本相似，即高粱籽粒斷裂所需的力隨著生長(zhǎng)位勢(shì)由上到下逐漸增大。其中“遼雜37號(hào)”的斷裂力變化范圍依次是2.386～6.367 N和2.793～7.011 N；“晉雜34號(hào)”的斷裂力變化范圍依次是2.635～6.927 N和3.225～7.064 N；“興湘梁2號(hào)”的斷裂力變化范圍依次是2.407～7.365 N和3.439～8.314 N。

2.2 收獲期對(duì)拉伸斷裂力的影響

高粱籽粒成熟過(guò)程大致經(jīng)過(guò)3個(gè)時(shí)期，即乳熟期、蠟熟期和完熟期[19]。不同收獲期高粱籽粒內(nèi)部的含水率及養(yǎng)分含量各不相同，由此導(dǎo)致了不同收獲期有著不同的力學(xué)性質(zhì)。由表1可知，在每一個(gè)對(duì)應(yīng)的水平上，完熟期的高粱所需要的拉伸斷裂力均比蠟熟期的高粱拉伸斷裂力大，這是由不同收獲期高粱的力學(xué)性質(zhì)決定的。乳熟期的高粱籽粒較小且尚未發(fā)育完全，癟粒多，但這個(gè)時(shí)期高粱籽粒干物質(zhì)積累速度最快，粒質(zhì)量急劇增加。蠟熟期的高粱籽粒逐漸變得飽滿，到蠟熟末期其色澤變成其固有顏色，體積達(dá)到最大。完熟期的高粱籽粒干燥堅(jiān)韌，色澤變暗，各方面的理化性質(zhì)趨于穩(wěn)定。由表1可以看出，高粱收獲期宜選擇在蠟熟期。淀粉是高粱籽粒的主要成分，隨著高粱籽粒成熟度的增加，其千粒質(zhì)量、淀粉含量逐漸增加。對(duì)于制種高粱而言，收獲期宜選擇在蠟熟末期，這個(gè)時(shí)期的高粱籽粒飽滿，光澤度好，千粒質(zhì)量和發(fā)芽率較高，此時(shí)收獲產(chǎn)量高，商品性好。對(duì)于商品高粱來(lái)說(shuō)，收獲期宜選擇完熟期，此階段高粱籽粒在產(chǎn)量、品質(zhì)上都達(dá)到最優(yōu)，含水量越來(lái)越低，更有利于堆放存貯和銷售。

2.3 品種對(duì)拉伸斷裂力的影響

綜合來(lái)看，無(wú)論是穗瓣還是籽粒，“興湘梁2號(hào)”品種的高粱較其他兩個(gè)品種所需拉伸斷裂力偏大，這可能與高粱品種自身的理化性質(zhì)及性狀表現(xiàn)有關(guān)。在進(jìn)行高粱收獲相關(guān)機(jī)械的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到不同品種高粱力學(xué)性質(zhì)的不同，以最大力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)作為設(shè)計(jì)參數(shù)[20]。在選擇高粱品種進(jìn)行種植的時(shí)候，應(yīng)選擇承載能力好的高粱品種(如興湘梁2號(hào))，這樣有利于提高高粱自身的承載能力，減少損失。

3 結(jié)論

通過(guò)高粱的拉伸力學(xué)特性試驗(yàn)，分析并得到了穗瓣及籽粒的拉伸斷裂力隨品種、生長(zhǎng)部位和收獲期等試驗(yàn)因素的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)品種、生長(zhǎng)部位、收獲期對(duì)高粱穗瓣、籽粒拉伸斷裂力的影響極顯著(P<0.000 1)。高粱穗瓣斷裂所需的力隨著生長(zhǎng)位勢(shì)由上到下逐漸增大，相同部位“興湘梁2號(hào)”對(duì)應(yīng)的斷裂力最大，變化范圍依次是2.621～9.543 N和3.145～9.627 N；“晉雜34號(hào)”次之，變化范圍依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“遼雜37號(hào)”對(duì)應(yīng)的斷裂力最小，變化范圍依次是2.647～7.722 N和2.998～8.154 N。

(2)高粱籽粒拉伸斷裂力隨生長(zhǎng)部位的變化趨勢(shì)與穗瓣基本相似，其中“遼雜37號(hào)”的斷裂力變化范圍是2.386～6.367 N和2.793～7.011 N；“晉雜34號(hào)”的斷裂力變化范圍是2.635～6.927 N和3.225～7.064 N；“興湘梁2號(hào)”的斷裂力變化范圍是2.407～7.365 N和3.439～8.314 N。

(3)拉伸斷裂力的大小與高粱自身的生長(zhǎng)位勢(shì)有關(guān)。無(wú)論是穗瓣還是籽粒，“興湘梁2號(hào)”高粱較其他兩個(gè)品種所需斷裂力偏大，這與高粱品種自身的理化性質(zhì)及性狀表現(xiàn)有關(guān)。不同收獲期高粱籽粒內(nèi)部的含水率及養(yǎng)分含量各不相同，導(dǎo)致其力學(xué)特性不同。綜上，高粱收獲宜選擇蠟熟期。