馮 禹，邱述金，原向陽，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，我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日新月異，人民生活水平不斷提高，由此對糧食及其他農(nóng)產(chǎn)品的需求量越來越高[1]。高粱作為我國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，國內(nèi)外對小麥、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籽粒的力學(xué)特性有顯著影響。LU R等[12]通過壓縮和三點(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)計分段懸浮試驗(yàn)測量了谷子經(jīng)聯(lián)合收獲時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，并通過清選試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。劉曉東等[16]對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)和無節(jié)對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，針對谷子收獲已有相關(guān)的配套機(jī)械，但是專門針對高粱收獲的相關(guān)機(jī)械研究還尚未完善。本文對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”“晉雜34號”和“興湘梁2號”3種高粱為研究對象，產(chǎn)地為承德農(nóng)科院。為了探究不同收獲期對高粱力學(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次采集時間為2020年9月12日，為高粱收獲的蠟熟期；第2次采集的時間為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個品種的高粱根據(jù)生長位勢分為上、中、下3個部分，用剪刀依次剪開。將不同生長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)是整個高粱植株中的一個重要單元，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)，研究各因素對高粱穗瓣、籽粒斷裂時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，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，測量并記錄高粱穗瓣從不同生長部位拉斷所需的力。在進(jìn)行高粱籽粒的拉伸力學(xué)試驗(yàn)時，因高粱籽粒小，夾具壓力較大時會損傷籽粒，采用細(xì)銅絲固定于夾具上，通過給銅絲施加力來測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“遼雜37號”“晉雜34號”和“興湘梁2號”3個不同品種高粱的不同生長部位進(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)計與統(tǒng)計分析軟件SAS對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、生長部位與收獲期這3種效應(yīng)的顯著性P值均<0.000 1，兩個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)計學(xué)差異，P<0.01為有極顯著統(tǒng)計學(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，自變量對因變量的解釋程度越高，自變量引起的變動占總變動的百分比越高。故此方差分析結(jié)果有效，即品種、生長部位和收獲期對高粱穗瓣、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)因子依次是生長部位、收獲期、品種。

2.1 生長部位對拉伸斷裂力的影響

不同收獲期高粱穗瓣、籽粒拉伸時的斷裂力與生長部位的關(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，無論何種收獲期，高粱穗瓣斷裂所需的力隨著生長位勢由上到下逐漸增大，相同生長部位“興湘梁2號”對應(yīng)的力最大，兩個收獲期對應(yīng)的變化范圍依次是2.621～9.543 N和3.145～9.627 N；“晉雜34號”次之，變化范圍依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“遼雜37號”對應(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位勢有關(guān)。觀察并分析高粱植株自身的生長情況，發(fā)現(xiàn)高粱主莖稈部分從上到下依次變粗，且穗瓣的長勢也有著相同的變化規(guī)律。這一現(xiàn)象與高粱自身的生長規(guī)律有關(guān)。在高粱植株的生長過程中，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的水分及各種營養(yǎng)物質(zhì)，這一部分的莖稈及穗瓣生長的比較粗壯，穗瓣與高粱莖稈的各個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。隨著高粱自身生長位勢的升高，越靠近頂端的穗瓣及籽粒生長情況較下部差別較大，這一部分的莖稈及穗瓣生長的比較纖細(xì)一些，穗瓣與高粱莖稈的各個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的力與生長部位的關(guān)系。從圖3b、圖4b可以看出，3種高粱籽粒斷裂時的力隨生長部位的變化關(guān)系趨勢與穗瓣基本相似，即高粱籽粒斷裂所需的力隨著生長位勢由上到下逐漸增大。其中“遼雜37號”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”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”的斷裂力變化范圍依次是2.407～7.365 N和3.439～8.314 N。

2.2 收獲期對拉伸斷裂力的影響

高粱籽粒成熟過程大致經(jīng)過3個時期，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，在每一個對應(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，但這個時期高粱籽粒干物質(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。對于制種高粱而言，收獲期宜選擇在蠟熟末期，這個時期的高粱籽粒飽滿，光澤度好，千粒質(zhì)量和發(fā)芽率較高，此時收獲產(chǎn)量高，商品性好。對于商品高粱來說，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)，含水量越來越低，更有利于堆放存貯和銷售。

2.3 品種對拉伸斷裂力的影響

綜合來看，無論是穗瓣還是籽粒，“興湘梁2號”品種的高粱較其他兩個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)計時，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)計參數(shù)[20]。在選擇高粱品種進(jìn)行種植的時候，應(yīng)選擇承載能力好的高粱品種(如興湘梁2號)，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、生長部位、收獲期對高粱穗瓣、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位勢由上到下逐漸增大，相同部位“興湘梁2號”對應(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”次之，變化范圍依次是2.479～8.089 N和3.106～8.995 N；“遼雜37號”對應(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部位的變化趨勢與穗瓣基本相似，其中“遼雜37號”的斷裂力變化范圍是2.386～6.367 N和2.793～7.011 N；“晉雜34號”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”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位勢有關(guān)。無論是穗瓣還是籽粒，“興湘梁2號”高粱較其他兩個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。