高粱穗瓣籽粒拉伸力学特性研究

冯 禹，邱述金，原向阳，崔清亮，武翠卿

(1.山西农业大学农业工程学院，山西 太谷030801； 2.山西农业大学农学院，山西 太谷030801)

0 引言

当前，我国市场经济的发展日新月异，人民生活水平不断提高，由此对粮食及其他农产品的需求量越来越高[1]。高粱作为我国一种重要的旱地作物，由于自身具有的多重抗逆性、用途多样性，其重要地位不言而喻。尤其对于山西地区而言，由于水资源缺乏，而高粱本身抗旱、耐瘠和耐盐碱性较强，因此是山西主要的杂粮作物[2]。目前，国内外对小麦、玉米、大豆和水稻等大籽粒谷物的相关研究较多[3-10]。ANAZODO U G N等[11]在标准压缩和弯曲模式下测试玉米籽粒的物理力学特性，发现玉米种子和收获期对籽粒的力学特性有显著影响。LU R等[12]通过压缩和三点弯曲试验研究了稻米精米产量与籽粒力学特性的关联性。VERMA R C等[13]研究了玉米的热力学特性，发现玉米籽粒破裂力、破裂能和破碎变形与含水率有关。杨作梅等[14]对常温静载条件下不同含水率谷子籽粒进行了压缩力学性能和摩擦特性试验，研究了不同含水率对谷子籽粒挤压力学性质和摩擦特性的影响规律。侯华铭等[15]设计分段悬浮试验测量了谷子经联合收获时的待清选脱出物各组分的悬浮速度及其在不同含水率下的悬浮速度，探究了谷子脱出物悬浮速度与其含水率的关系，预估了适宜的清选风速范围，并通过清选试验进行了验证。刘晓东等[16]对成熟期的甜高粱秸秆进行弯曲性能试验，利用Matlab、SPSS进行数据处理和分析，得到各因素下甜高粱秸秆弯曲的抗弯强度、最大载荷和弹性模量，以及有节和无节对甜高粱秸秆弯曲特性的影响规律，研究表明，谷物压缩强度的影响参数是含水量、温度、加载速率和加载位置及物料尺寸。目前，针对谷子收获已有相关的配套机械，但是专门针对高粱收获的相关机械研究还尚未完善。本文对高粱穗瓣及籽粒的脱落力学特性进行分析研究，为高粱收获机械的研制提供理论参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验材料选用“辽杂37号”“晋杂34号”和“兴湘梁2号”3种高粱为研究对象，产地为承德农科院。为了探究不同收获期对高粱力学试验指标的影响规律，试验材料分两次采集：第1次采集时间为2020年9月12日，为高粱收获的蜡熟期；第2次采集的时间为2020年10月2日，为高粱收获的完熟期。采用恒温干燥法测量不同收获期高粱含水率[17]。选取若干高粱籽粒在电子天平上称质量，记录数据精确至0.01 g，然后将所取试样放入温度为105 ℃的干燥箱中干燥4.5 h，取出称质量并记录数据，再次重新放入干燥箱中干燥0.5 h，重复上述操作，若最终称取的质量差<0.02 g，则认为干燥完成。含水率按式(1)进行计算，重复3次取平均值。

(1)

式中H——含水率， %

A——高粱初始鲜质量，g

B——烘干后质量，g

1.2 试验设备与仪器

CMT-6104型万能材料试验机，加载速度20 mm/min，自制夹具；MP2002型电子天平(上海精密仪器仪表有限公司)，量程300 g，精度0.01 g；电热恒温鼓风烘箱。

1.3 试验原理与方法

1.3.1试验样品制备

将采集到的3个品种的高粱根据生长位势分为上、中、下3个部分，用剪刀依次剪开。将不同生长部位的高粱样品放入密封塑料袋中密封保存，再置于2 ℃冰箱内冷藏，以保证含水率的稳定。在进行试验前，需提前将试验样本从冰箱中取出，在常温下静置0.5 h，使其恢复至室温20 ℃。

1.3.2试验方法

高粱穗瓣(图1b)是整个高粱植株中的一个重要单元，研究其力学特性具有重要意义。以不同品种、不同收获期、不同生长部位为试验因素，以拉伸断裂力为试验指标，研究各因素对高粱穗瓣、籽粒断裂时拉伸断裂力的影响规律。

图1 试验材料Fig.1 Test materials

试验采用CMT-6104型万能材料试验机，采用拉伸夹具进行试验，如图2所示。在进行高粱穗瓣的拉伸力学试验时，将主茎秆部分试验样品水平夹持在下方夹具上，选择目的穗瓣与下方试验样品成一定角度的夹持在上方夹具上，运行试验方案，测量并记录高粱穗瓣从不同生长部位拉断所需的力。在进行高粱籽粒的拉伸力学试验时，因高粱籽粒小，夹具压力较大时会损伤籽粒，采用细铜丝固定于夹具上，通过给铜丝施加力来测量作用在高粱籽粒上力的大小。每次试验加载速度20 mm/min，记录试验数据，每次测试重复10次。

图2 拉伸试验Fig.2 Tensile test

2 结果与分析

对“辽杂37号”“晋杂34号”和“兴湘梁2号”3个不同品种高粱的不同生长部位进行穗瓣和籽粒的拉伸力学试验，结果如表1所示。

表1 拉伸试验结果

利用试验设计与统计分析软件SAS对高粱穗瓣及籽粒的拉伸试验结果进行方差分析，结果如表2所示[18]。

表2 拉伸试验结果方差分析

表2的方差分析结果表明，品种、生长部位与收获期这3种效应的显著性P值均<0.000 1，两个峰值力模型决定系数分别达到0.912 433和0.846 242。统计学根据显著性检验方法所得到的P值，一般以P<0.05为有显著统计学差异，P<0.01为有极显著统计学差异。决定系数R2的大小决定了变量间相关的密切程度。R2越大，自变量对因变量的解释程度越高，自变量引起的变动占总变动的百分比越高。故此方差分析结果有效，即品种、生长部位和收获期对高粱穗瓣、籽粒拉伸断裂力的影响都是极显著的。参照表2中F值可知，影响拉伸断裂力的主要试验因子依次是生长部位、收获期、品种。

2.1 生长部位对拉伸断裂力的影响

不同收获期高粱穗瓣、籽粒拉伸时的断裂力与生长部位的关系如图3～4所示。

图3 蜡熟期高粱断裂力与生长部位的关系Fig.3 Relation between fracture force of sorghum and growth position in dough stage

图4 完熟期高粱断裂力与生长部位的关系Fig.4 Relation between fracture force of sorghum and growth position in mature stage

从图3a、图4a可以看出，无论何种收获期，高粱穗瓣断裂所需的力随着生长位势由上到下逐渐增大，相同生长部位“兴湘梁2号”对应的力最大，两个收获期对应的变化范围依次是2.621～9.543 N和3.145～9.627 N；“晋杂34号”次之，变化范围依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“辽杂37号”对应的力最小，变化范围依次是2.647～7.722 N和2.998～8.154 N。

拉伸断裂力的大小与高粱自身的生长位势有关。观察并分析高粱植株自身的生长情况，发现高粱主茎秆部分从上到下依次变粗，且穗瓣的长势也有着相同的变化规律。这一现象与高粱自身的生长规律有关。在高粱植株的生长过程中，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传输来的水分及各种营养物质，这一部分的茎秆及穗瓣生长的比较粗壮，穗瓣与高粱茎秆的各个组织与器官之间的连接比较紧固，因此下部的拉伸断裂力数值较大。随着高粱自身生长位势的升高，越靠近顶端的穗瓣及籽粒生长情况较下部差别较大，这一部分的茎秆及穗瓣生长的比较纤细一些，穗瓣与高粱茎秆的各个组织与器官之间连接不如下部紧固，因此上部的断裂力较小。

图3b、图4b反映了高粱籽粒断裂时的力与生长部位的关系。从图3b、图4b可以看出，3种高粱籽粒断裂时的力随生长部位的变化关系趋势与穗瓣基本相似，即高粱籽粒断裂所需的力随着生长位势由上到下逐渐增大。其中“辽杂37号”的断裂力变化范围依次是2.386～6.367 N和2.793～7.011 N；“晋杂34号”的断裂力变化范围依次是2.635～6.927 N和3.225～7.064 N；“兴湘梁2号”的断裂力变化范围依次是2.407～7.365 N和3.439～8.314 N。

2.2 收获期对拉伸断裂力的影响

高粱籽粒成熟过程大致经过3个时期，即乳熟期、蜡熟期和完熟期[19]。不同收获期高粱籽粒内部的含水率及养分含量各不相同，由此导致了不同收获期有着不同的力学性质。由表1可知，在每一个对应的水平上，完熟期的高粱所需要的拉伸断裂力均比蜡熟期的高粱拉伸断裂力大，这是由不同收获期高粱的力学性质决定的。乳熟期的高粱籽粒较小且尚未发育完全，瘪粒多，但这个时期高粱籽粒干物质积累速度最快，粒质量急剧增加。蜡熟期的高粱籽粒逐渐变得饱满，到蜡熟末期其色泽变成其固有颜色，体积达到最大。完熟期的高粱籽粒干燥坚韧，色泽变暗，各方面的理化性质趋于稳定。由表1可以看出，高粱收获期宜选择在蜡熟期。淀粉是高粱籽粒的主要成分，随着高粱籽粒成熟度的增加，其千粒质量、淀粉含量逐渐增加。对于制种高粱而言，收获期宜选择在蜡熟末期，这个时期的高粱籽粒饱满，光泽度好，千粒质量和发芽率较高，此时收获产量高，商品性好。对于商品高粱来说，收获期宜选择完熟期，此阶段高粱籽粒在产量、品质上都达到最优，含水量越来越低，更有利于堆放存贮和销售。

2.3 品种对拉伸断裂力的影响

综合来看，无论是穗瓣还是籽粒，“兴湘梁2号”品种的高粱较其他两个品种所需拉伸断裂力偏大，这可能与高粱品种自身的理化性质及性状表现有关。在进行高粱收获相关机械的设计时，应充分考虑到不同品种高粱力学性质的不同，以最大力学性质指标作为设计参数[20]。在选择高粱品种进行种植的时候，应选择承载能力好的高粱品种(如兴湘梁2号)，这样有利于提高高粱自身的承载能力，减少损失。

3 结论

通过高粱的拉伸力学特性试验，分析并得到了穗瓣及籽粒的拉伸断裂力随品种、生长部位和收获期等试验因素的变化规律，主要结论如下。

(1)品种、生长部位、收获期对高粱穗瓣、籽粒拉伸断裂力的影响极显著(P<0.000 1)。高粱穗瓣断裂所需的力随着生长位势由上到下逐渐增大，相同部位“兴湘梁2号”对应的断裂力最大，变化范围依次是2.621～9.543 N和3.145～9.627 N；“晋杂34号”次之，变化范围依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“辽杂37号”对应的断裂力最小，变化范围依次是2.647～7.722 N和2.998～8.154 N。

(2)高粱籽粒拉伸断裂力随生长部位的变化趋势与穗瓣基本相似，其中“辽杂37号”的断裂力变化范围是2.386～6.367 N和2.793～7.011 N；“晋杂34号”的断裂力变化范围是2.635～6.927 N和3.225～7.064 N；“兴湘梁2号”的断裂力变化范围是2.407～7.365 N和3.439～8.314 N。

(3)拉伸断裂力的大小与高粱自身的生长位势有关。无论是穗瓣还是籽粒，“兴湘梁2号”高粱较其他两个品种所需断裂力偏大，这与高粱品种自身的理化性质及性状表现有关。不同收获期高粱籽粒内部的含水率及养分含量各不相同，导致其力学特性不同。综上，高粱收获宜选择蜡熟期。