閆 安，趙 軍，張海洋

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 1637112；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶 163711）

谷子學(xué)名Setaria italica，屬禾本科的一種植物。古稱稷、粟，亦稱粱，谷子經(jīng)脫皮后成為小米。谷子作為一年生草本植物，在20世紀(jì)的中國仍為主要糧食作物，后因水稻、玉米等作物的大量種植，導(dǎo)致谷子種植面積減少，產(chǎn)量下降[1-4]。

隨著人們生活水平的提升，人們越來越注重食品營養(yǎng)，而谷子由于含豐富的蛋白質(zhì)、脂肪和維生素等營養(yǎng)，受到人們的喜愛。據(jù)中央衛(wèi)生研究院的分析，谷子含蛋白質(zhì)9.7%，脂肪1.7%，碳水化合物77%，而且在每100 g 小米中，含有胡蘿卜素0.12 mg，維生素B10.66 mg 和維生素B20.09 mg 以及煙酸、鈣、鐵等[5]。由于谷子種植歷史以亞洲大陸為主，因此谷子在發(fā)達(dá)國家（如美國、加拿大、法國、澳大利亞等）僅有少量種植并且主要以飼草形式種植，采用牧草類收獲機(jī)器進(jìn)行收割[6-9]。而我國谷子始終作為主要雜糧作物生產(chǎn)。截至20 世紀(jì)80年代末期，谷子在全國的播種面積約150×104hm2，成為重要的雜糧作物[10]。谷子的收獲雖采用機(jī)械化，但收獲機(jī)械都選用其他收獲機(jī)的改裝機(jī)，雖然效果普遍可使谷農(nóng)滿意，但相對于水稻、大豆等仍有差距。

谷子收獲的第一步是將谷子通過分禾輪和割臺從田間輸送到收獲機(jī)的喂料口，在谷子收獲時(shí)，往往因谷子自身稈莖過長，造成割臺攪龍的纏繞，進(jìn)而導(dǎo)致谷子無法更好的喂入收獲口，因此探尋谷子稈莖的力學(xué)性質(zhì)，為解決谷子稈莖纏繞的問題提供更有利的數(shù)據(jù)支持。文章采用龍谷31 號為研究對象，對谷子莖節(jié)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測量谷子稈莖間莖節(jié)連接力，并對谷子稈莖的各個部位連接力進(jìn)行分析，探尋變化規(guī)律[11]。

1 材料與方法

1.1 測量材料

試驗(yàn)谷子的品種為龍谷31號，收獲于黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)附屬的安達(dá)縣試驗(yàn)田，收獲樣品時(shí)間為2021 年9 月，收獲樣本采取人工收割打捆運(yùn)輸，并處理成稈莖試驗(yàn)切割樣本。谷子稈莖呈現(xiàn)細(xì)長條狀，且莖節(jié)分明，稈莖高度可達(dá)800～1 100 mm，稈莖直徑3.06～8.58 mm，且隨著高度的增加直徑減少，稈莖末端連接谷碼與谷穗，稈莖底端較粗，谷子底部稈莖含水率為25.7%。

1.2 儀器設(shè)備

本試驗(yàn)所需工具及儀器如下：50 分度游標(biāo)卡尺，量程0～150 mm；水分測定儀，型號MS-100；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，型號CTM2050，選取力學(xué)傳感器型號為S9M，量程范圍0～50 kg。其中CTM2050型號微機(jī)操控電子萬能試驗(yàn)機(jī)見圖1。

圖1 CTM2050型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)Fig.1 The CTM2050 micro controlled electronic universal testing machine

1.3 測量方法

谷子植物稈莖不同位置的莖節(jié)直徑也各不相同，且直徑大小由下到上逐節(jié)降低，谷子在成熟后一般長有9～13 節(jié)莖節(jié)，為更好地測得谷子稈莖的力學(xué)性質(zhì)，將谷子稈莖分為上、中、下3 部分，見圖2。使用游標(biāo)卡尺分別測量各部位莖節(jié)直徑，測得谷子上端稈莖直徑3.06～4.72 mm，中端稈莖直徑4.54～5.22 mm，底端稈莖直徑5.04～8.58 mm。隨機(jī)選取10 株谷子莖稈，隨后分別取其上、中、下部分各一節(jié)莖節(jié)作為試驗(yàn)材料，測量莖節(jié)拉伸變化時(shí)，以每個莖節(jié)為試驗(yàn)單位，由公式1分別測得莖節(jié)直徑。莖節(jié)材料處理見圖3。

圖2 谷子稈莖部位示意圖Fig.2 The schematic diagram of millet stem

圖3 稈莖拉伸試驗(yàn)材料Fig.3 The stem tensile test material

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，首先調(diào)節(jié)上下兩端夾具，使夾具兩端距離適當(dāng)，取谷子稈莖拉伸試驗(yàn)材料，將其固定于上下兩端夾具并夾緊，如圖4 所示。開始測試；試驗(yàn)機(jī)活動橫梁以預(yù)設(shè)的速度5 mm/min 勻速移動，谷子莖節(jié)被緩慢拉扯，在莖節(jié)受力拉伸時(shí)，系統(tǒng)開始記錄S9M 傳感器信號數(shù)據(jù)；谷子稈莖莖節(jié)因拉伸斷裂分開，拉伸力消失，出現(xiàn)瞬間載荷衰減60%載荷峰值時(shí)，系統(tǒng)控制活動橫梁運(yùn)動停止，以此算作一次拉伸試驗(yàn)，測試結(jié)束；查看載荷曲線，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。移動橫梁進(jìn)行復(fù)位，回歸到初始位置，為下一次拉伸試驗(yàn)做準(zhǔn)備，重復(fù)試驗(yàn)10 株谷子，每株分上、中、下部，各進(jìn)行1 次試驗(yàn)。莖節(jié)拉伸斷裂過程見圖5。

圖4 莖節(jié)夾緊固定Fig.4 The clamping and fixing of stem joint

圖5 拉斷過程（a裝夾b拉斷）Fig.5 The breaking process

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 莖節(jié)斷裂特性

由于谷子在收獲過程中，會受到攪龍和根莖的拉伸，導(dǎo)致莖節(jié)在此期間壓扁，通過查閱資料可知，谷子莖節(jié)拉伸力主要由莖節(jié)內(nèi)部纖維導(dǎo)致，因此莖節(jié)形狀對拉伸結(jié)果沒有影響。通過CTM2050試驗(yàn)機(jī)對稈莖進(jìn)行試驗(yàn)測試，得到谷子稈莖間連接力曲線主要呈現(xiàn)形式為：當(dāng)拉力曲線位置到達(dá)某一距離時(shí)，谷子稈莖的莖節(jié)瞬間斷裂。

由斷裂曲線可以看出，曲線達(dá)到A 點(diǎn)之前趨勢平穩(wěn)可分為以下階段：拉伸力曲線先小幅度上升，隨后呈現(xiàn)平穩(wěn)曲線，在經(jīng)過持續(xù)平穩(wěn)上升后曲線達(dá)到A 點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生瞬間斷裂曲線，拉伸力顯示大幅度降低，并由于機(jī)器載荷消失，設(shè)備停止拉伸，此階段谷子稈莖莖節(jié)之間已完全斷裂分離，稈莖莖節(jié)狀態(tài)見圖6。

圖6 拉力曲線Fig.6 The tension curve

2.2.2 莖節(jié)位置及直徑對斷裂所需力的影響

記錄拉斷曲線峰值，即為谷子稈莖莖節(jié)間連接力的值，在不同的谷子稈莖莖節(jié)的直徑與莖節(jié)長度范圍下，測得谷子莖節(jié)拉力數(shù)值，見表1。繪制稈莖連接力與直徑和莖節(jié)長度范圍曲線見圖7、圖8。

表1 試驗(yàn)測定拉力值Tab.1 The tensile force measured by test N

圖7 不同莖節(jié)長度下莖節(jié)直徑對連接力的影響Fig.7 The effect of stem node diameter on connecting force under different stem node length

圖8 不同莖節(jié)直接下莖節(jié)長度對連接力的影響Fig.8 The effect of stem node length on connecting force under different stem node direct

由不同稈莖的莖節(jié)長度和莖節(jié)直徑與連接力曲線圖可知，連接力隨著莖節(jié)直徑增大而增大。利用SPSS軟件分別對不同長度范圍的莖節(jié)下曲線做線性回歸分析，結(jié)果見表2。6組的數(shù)據(jù)線性回歸皆顯著，由此可證明在試驗(yàn)稈莖長度范圍內(nèi)，莖節(jié)間的連接力與莖節(jié)直徑均呈現(xiàn)線性關(guān)系。對所得的線性回歸模型分析，得到分析模型斜率分別為1.697、1.945、2.499、2.468、2.119、2.226，均體現(xiàn)為正相關(guān)，且當(dāng)稈莖莖節(jié)長度增加時(shí)，斜率也隨之增加。這說明，莖節(jié)直徑越大，莖節(jié)間連接力可隨著上升，當(dāng)莖節(jié)長度增加時(shí)，莖節(jié)直徑對莖節(jié)間連接力的影響也就越大。

表2 莖節(jié)長度范圍對連接力影響線性回歸模型Tab.2 The linear regression model of influence of stem node length range on connecting force

2.2.3 谷子稈莖莖節(jié)長度對稈莖間莖節(jié)連接力影響

根據(jù)不同谷子稈莖的莖節(jié)長度的區(qū)間范圍與谷子稈莖莖節(jié)的連接力得到的曲線圖可知，連接力隨著莖節(jié)長度范圍增加而增大，利用SPSS軟件分別對不同稈莖的莖節(jié)直徑下的曲線做線性回歸分析，結(jié)果見表3，5組數(shù)據(jù)均顯著，為此證明稈莖莖節(jié)的長度與莖節(jié)直徑呈線性關(guān)系。分析線性模型的回歸關(guān)系，模型斜率的結(jié)果為1.643、1.833、2.170、2.107、1.915、1.920，均為正相關(guān)，且隨著莖節(jié)的直徑增加斜率也隨之增加，這也證明了當(dāng)莖節(jié)長度增加時(shí)，莖節(jié)間的連接力也隨之改變，其力的數(shù)值也越大。

表3 莖節(jié)直徑對連接力影響線性回歸模型Tab.3 The linear regression model of influence of stem node diameter on connecting force

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述可知，稈莖莖節(jié)長度與稈莖直徑對稈莖莖節(jié)存在影響，且當(dāng)莖節(jié)長度與莖節(jié)直徑增加時(shí)，稈莖莖節(jié)間的連接力也隨之增大，伴隨著莖節(jié)的直徑越大莖節(jié)長度對連接力影響效果也越顯著，同理，莖節(jié)長度越高，稈莖莖節(jié)直徑對莖節(jié)間連接力的影響效果也越顯著。谷子稈莖由下向上生長，因此稈莖下端莖節(jié)生長時(shí)間長，直徑相對于中、上端要粗，因此下端莖節(jié)的連接力也較大；而上端部分的莖節(jié)生長時(shí)間短，為此上端部分莖節(jié)直徑小、莖節(jié)間連接力也較小。鑒于谷子稈莖的結(jié)構(gòu)和生長性質(zhì)等特點(diǎn)造成的谷子稈莖莖節(jié)間連接力從下端部分到上端部分的連接力不斷增大，且隨著各莖節(jié)間莖節(jié)長度增大而增大。因此在莖節(jié)長度較長的部分，莖節(jié)間連接力較為顯著增加，將給割臺攪龍收獲喂入時(shí)造成纏繞，為后續(xù)收獲造成困難，影響收獲效率。

3 結(jié)論

（1）測量谷子稈莖各部位的莖節(jié)直徑，得到結(jié)論，谷子莖節(jié)各部位直徑不同，符合谷子植株從底端向上生長的特點(diǎn)，莖節(jié)位置越靠上部，直徑越小。

（2）通過谷子稈莖莖節(jié)拉伸試驗(yàn)得到的莖節(jié)拉伸力曲線，顯示谷子稈莖莖節(jié)在收獲過程中瞬間斷裂的情況，觀察試驗(yàn)得到莖節(jié)長度越短，直徑越小，瞬間斷裂得越快。

（3）探究了谷子稈莖莖節(jié)長度、直徑與連接力的關(guān)系，分別對這因素進(jìn)行分析，可得知兩因素與莖節(jié)間連接力線性關(guān)系顯著。通過分析線性回歸方程，可以得出斜率伴隨莖節(jié)直徑和莖節(jié)長度增大而上升。為此在割臺攪龍進(jìn)行收獲時(shí)，需要調(diào)整相應(yīng)力度，以應(yīng)對因稈莖連接力增大的收獲難度。