田 蕊，張兆國*，程一啟，崔秀明

(1.昆明理工大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地藥材可持續(xù)發(fā)展利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

三七種苗的物理機(jī)械特性試驗(yàn)

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(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中藥材機(jī)械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地藥材可持續(xù)發(fā)展利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

對不同等級三七種苗的質(zhì)量、根長和根直徑、密度、含水率、壓縮特性和剪切特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，質(zhì)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(guān)，其最大軸向壓縮應(yīng)力、徑向壓縮應(yīng)力、軸向剪切應(yīng)力、徑向剪切應(yīng)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(jī)械特性，為其移栽和采挖機(jī)械設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

三七種苗； 物理機(jī)械特性； 統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(dá)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(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)耗力，因而研制出適合三七種苗采挖和移栽的農(nóng)業(yè)機(jī)械意義重大[5]。

目前對于三七種苗的分級尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，董弗照等將其分為三級[6]，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物資源開發(fā)研究所將其分為四級[7]，崔秀明等依據(jù)種苗對三七生長發(fā)育的影響和產(chǎn)量對三七種苗進(jìn)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(xué)特性、化學(xué)成分等方面[9-10]，而對于三七種苗的物理機(jī)械特性的研究鮮有報(bào)道。筆者根據(jù)崔秀明的分級標(biāo)準(zhǔn)(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(zhì)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(jī)械化提供必要的理論依據(jù)。

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(yè)股份有限公司的三七GAP種植基地，經(jīng)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(fēng)干。

1.2 儀器

試驗(yàn)儀器主要有電子天平(精度0.01 g)、游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)、直尺(精度0.1 mm)、量筒(20 mL)、北京中興偉業(yè)儀器有限公司生產(chǎn)的靈敏度為±1 ℃，使用溫度為RT+10～250 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱(101-2AB型)、美國FTC公司生產(chǎn)的TMS-PRO型專業(yè)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(zhì)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(zhì)量，確定其等級，并算出其每一等級的平均質(zhì)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(biāo)卡尺測量根的最粗處，測三點(diǎn)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(jì)算種苗質(zhì)量與體積的比值，即密度。

1.3.3 含水率的測量

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 14095—2007農(nóng)產(chǎn)品干燥的試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行壓縮試驗(yàn)。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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 1928—2009木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則[14]，采用的壓縮位移為試樣高度的70%。每組試驗(yàn)選取6個(gè)試樣。選用和壓縮試驗(yàn)相同的試樣，選用刀片厚度為1.34 mm重型單刀復(fù)合剪切探頭，試驗(yàn)環(huán)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(yàn)選取6個(gè)試樣。試樣尺寸如表1所示。

表1 試樣的尺寸 mm

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量、根長與根直徑

2.1.1 質(zhì)量

由圖1可知，不同等級的三七種苗的數(shù)量分布基本呈正態(tài)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(shí)基本為30～60頭的三七，和現(xiàn)有的三七統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律基本一致。

圖1 三七種苗級數(shù)分布

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

圖2 三七種苗質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)整體上升趨勢，說明隨著級數(shù)的增加，不但根長增加，根粗也不斷增加，符合三七生長規(guī)律。造成三七根長標(biāo)準(zhǔn)差較大的原因是三七種苗生長的不規(guī)律性，且種苗分級時(shí)考慮的因素為質(zhì)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(shí)，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(shí)，重量為主要因素，根長的差異對三七的生長影響沒有質(zhì)量的影響大，各級之間的根長差距并不如質(zhì)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(shí)，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(zhì)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(shí)，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(zhì)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(shí)，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(xiàng)異性材料。隨著壓縮位移的不斷增加，應(yīng)力也不斷上升，并呈近似線性關(guān)系，為彈性變形的階段。軸向應(yīng)力最大值為1.82 MPa，其軸向彈性模量為0.051 MPa；徑向應(yīng)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(yīng)力也不斷上升，并呈近似線性關(guān)系，為彈性變形的階段。軸向應(yīng)力的最大值為0.51 MPa，其徑向剪切模量為0.011 MPa；應(yīng)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(jié)

三七種苗不同等級數(shù)量分布基本呈正態(tài)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(zhì)量等級分布呈上升趨勢，三級以下種苗的平均質(zhì)量為0.82 g，三級種苗的平均質(zhì)量為1.52 g，二級種苗的平均質(zhì)量為2.42 g，一級種苗的平均質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的最大值為1.14 MPa，徑向平均剪切模量為0.032 MPa。

[1] 蔣朝陽. 三七移栽機(jī)械手設(shè)計(jì)與虛擬仿真[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[2] 于進(jìn)川，張兆國，武占東，等. 懸掛式三年生三七挖掘收獲機(jī)的研制及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016(4)：130-133.

[3] 張永成. 自走式三七收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[4] 任雙燕. 三七果實(shí)去皮機(jī)的研制及其試驗(yàn)研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

[5] 崔秀明，朱艷. 三七實(shí)用栽培技術(shù)[M]. 福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

[6] 董弗兆. 云南三七[M]. 昆明：云南科技出版社，1988.

[7] 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物資源開發(fā)研究所.中國藥用植物栽培學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1991.

[8] 崔秀明，王朝梁，陳中堅(jiān). 種苗分級對三七生長和產(chǎn)量的影響[J]. 中藥材，1998(2)：60-61.

[9] 夏鵬國，崔秀明，韋美膛，等. 三七的生物學(xué)特性研究進(jìn)展[J]. 中藥材，2012，35(5)：831-835.

[10] 崔秀明，王朝梁，賀承福，等. 三七種苗生物學(xué)特性研究[J]. 中國中藥雜志，1995，20(11)：659-660.

[11] 趙菲菲. 牽引式三七收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[12] 任闖，高筱鈞，蘇微，等. 三七種子的物理機(jī)械特性試驗(yàn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，41(1)：109-112.

[13] 楊望，楊堅(jiān)，鄭曉婷，等. 木薯力學(xué)特性測試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(S2)：50-54.

[14] 李凱鋒，楊炳南，楊德秋，等. 胡蘿卜物理力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(5)：169-180.

[15] 郭徽. 云南三七干燥特性及其功效指標(biāo)評價(jià)[D]. 昆明：昆明理工大學(xué)，2015.

(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2017-02-22

云南省重點(diǎn)新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目(2014BC007)；云南省重大科技專項(xiàng)(2016ZF001)；云南省高校工程研究中心建設(shè)計(jì)劃資助

田 蕊(1992—)，女，山東濟(jì)寧人，在讀碩士，研究方向?yàn)橹兴幉奈锢頇C(jī)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(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與技術(shù)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(xiàn)著錄格式：田蕊，張兆國，程一啟，等. 三七種苗的物理機(jī)械特性試驗(yàn)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1379-1382.