易倒伏期甘蔗基本参数的试验研究

杨　望，莫兴漫 ，杨　坚 ，袁付伟 ， 黄深闯

(1.广西大学 机械工程学院，南宁　530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁　530004)



易倒伏期甘蔗基本参数的试验研究

杨望1,2，莫兴漫1，杨坚1,2，袁付伟1， 黄深闯1

(1.广西大学 机械工程学院，南宁530004；2.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁530004)

摘要：针对目前易倒伏期甘蔗的基本参数匮乏、甘蔗的倒伏动力学机理和相关的数值模拟研究无法顺利开展等问题，采用物理试验和随机抽样的方法，对易倒伏期新台糖22号和柳城03/1137号品种甘蔗的几何参数和物理特性参数进行测量，且进行了相关的分析。结果表明：不同品种甘蔗的物理特性参数存在差异性，柳城03/1137号品种甘蔗比新台糖22号的强度大，且相同品种不同甘蔗的个体其物理特性参数差别也较大；新台糖22号和柳城03/1137号品种甘蔗的叶片、叶中肋、根须、蔗皮轴向、蔗皮径向、蔗芯轴向、蔗芯径向的拉伸强度和茎秆轴向、径向压缩强度、茎秆轴向、径向剪切强度及茎秆抗弯强度分别为13.0、13.6、19.2、40.2、1.6、1.2、0.4、5.1、1.5、0.9、0.7、8.5和12.3、14.0、19.3、41.6、2.0、1.2、0.3、5.9、1.6、1.0、0.8、8.8MPa。

关键词：甘蔗；易倒伏期；基本参数；物理试验

0引言

收获期甘蔗的基本参数已有了较多的研究，且取得了较多的成果[1-5]，但易倒伏期(台风多发期，每年7月至10月)甘蔗基本参数的研究未见有报导，其几何参数和物理特性参数匮乏。易倒伏期甘蔗基本参数是开展甘蔗倒伏动力学机理和抗倒伏技术措施研究的基础，因此本文以广西有代表性的新台糖22号和柳城03/1137号品种的甘蔗为对象，在甘蔗倒伏严重的月份对甘蔗的几何参数和物理特性参数进行测量试验，为开展甘蔗倒伏动力学机理和抗倒伏技术措施的研究提供依据。

1甘蔗的几何参数

甘蔗几何参数测量使用的主要工具有卷尺、直尺及千分卡尺等。甘蔗的取样采用随机抽样的方法进行，即随机在新台糖22号和柳城03/1137号甘蔗种植地分别取15个取样点，每个取样点选取1棵通直且无虫害的甘蔗进行测量。甘蔗取样时，先将甘蔗从地里挖起，且尽量保持甘蔗根系的完整性，然后清理附着在根须上的泥土及茎秆上的枯叶。甘蔗取样地为广西武鸣县太平镇甘蔗种植基地，取样试验时间为2014年7月。试验样本甘蔗的种植日期：2013年12月，行距为1.3m。

1.1　叶子

甘蔗叶子的生长如图1所示。

图1　甘蔗

叶子在茎秆两侧呈近似对称分布，且在茎秆上高度近似相等、对称生长的两片叶子(简称叶子对)。其几何参数差异性小，但在茎秆上不同高度生长的叶子几何参数差异性大，因此在测定叶子几何参数时，从下到上测定不同叶子对的单边叶子几何参数，测量的叶子参数如图2所示。其中，h1、h2、l1、l2分别是叶子的前端宽度、最大宽度、前端至最大宽度处的距离和叶子长度。同时，测量叶顶距h3(叶子与茎秆交接处至茎秆顶端的距离)。随机抽样测得新台糖22号和柳城03/1137号两个品种的叶子对数目平均为8对，叶子几何参数平均值分别如表1、表2所示。

图2　叶子的测量参数

叶子对序号平均值/mmh3l1l2h1h211403430116530412113639811502845388540011822743467340812032846540932211212643621045211052642770428120727398036112132739

表2　柳城03/1137号叶子几何参数

1.2　茎秆

甘蔗茎秆基本呈圆柱形，不同高度处的直径有一定差异。本文按茎秆上、中、下3个位置进行测量，取平均值。茎秆长度为茎秆与地面接触处至茎秆顶端的距离。随机抽样测得新台糖22号和柳城03/1137号的茎秆几何参数平均值如表3所示。

表3　茎秆几何参数平均值

1.3　根须

甘蔗根须分层生长，密而且多，本文在甘蔗样本随机抽样的基础上每层只随机抽样10条根须进行几何参数测量。新台糖22号和柳城03/1137号的根须和根的几何参数平均值如表4所示，测得两个品种的平均根须层数均为3层。

表4　根须几何参数平均值

2甘蔗物理特性参数

2.1　密度和含水率

2.1.1密度

甘蔗叶子、茎秆、根须等的密度测量在室内进行。采用的仪器有电子秤(精度为0.01g)、大量筒(精度为5ml)、小量筒(精度为1ml)、剪刀及钢锯等。

密度测量时，用电子秤测出待测材料的质量，再用排水法测出待测材料的体积，由材料的质量和体积算出材料的密度。

为了了解甘蔗叶子和茎秆的总密度及相应各部位的密度，对叶子、茎秆和根须进行整体测量；同时，对叶片、叶中肋、蔗皮和蔗芯的密度进行测量。叶片和叶中肋、蔗皮和蔗芯分别如图3、图4所示。每个试验重复5次。新台糖22号和柳城03/1137号的甘蔗密度测量结果如表5所示。

图3　甘蔗叶子结构

图4　甘蔗茎秆结构

品种平均密度/g·cm-3叶片叶中肋叶子蔗皮蔗芯茎秆根须新台糖22号1.060.620.801.091.021.040.71柳城03/1137号1.040.560.741.080.991.010.71

2.1.2含水率

本文只测定甘蔗叶子和根须的含水率。含水率的测量采用电子秤(精度0.01g)和烘箱进行。含水率测量时，用电子秤测出待测材料的鲜重，后将待测材料放入烘箱，在60℃温度下烘干至恒定质量(烘干时间约为10h)，再测出待测材料的干重，由鲜重与干重算出含水率。每个样本试验重复5次。新台糖22号和柳城03/1137号的含水率测量结果如表6所示。

表6　含水率测定结果

2.2　力学特性参数

2.2.1测量方法和设备

甘蔗的力学特性参数按参考文献[6-7]和木材力学特性参数测定方法进行。测量试验主要采用的设备为NKK-4005微机控制电子万能试验机(深圳市南方精科仪器设备有限公司，最大负荷5kN，负荷分辨率0.1N，负荷和变形测量精度均小于示值的±0.5%)，如图5所示。测量试验时，茎秆、蔗皮、蔗芯的试验样本按茎秆高度方向的上、中、下3个部位进行取样。拉伸试验采用专用的波纹式拉伸卡头进行。在进行根须拉伸试验时，为防止试样被夹头压坏，在试样的两端包裹纱布。剪切试验的切刀为自制切刀，切刀宽度为17mm。茎秆的弯曲试验采用三点弯曲法进行，下部支点的间距为100mm，试样与支点接触的部位涂一层石蜡以减少摩擦。试验的加载速率为2mm/min，每个随机抽样的甘蔗样本其相应的试验重复5次，取平均值进行记录。

图5　NKK-4005微机控制电子万能试验机

2.2.2测量的试样

叶片、叶中肋、蔗皮轴向、蔗皮径向、蔗芯轴向、蔗芯径向、根须拉伸试样如图6、图7所示，茎秆的轴向、径向压缩试样如图8、图9所示，茎秆的径向、轴向剪切试样如图10、图11所示，茎秆的弯曲试样如图12所示。

图6　叶片、叶中肋、蔗皮、蔗芯拉伸试样

图7　根拉伸试样

图8　茎秆轴向压缩试样

图9　茎秆径向压缩试样

图10　茎秆径向剪切试样

图11　茎秆轴向剪切试样

图12　茎秆弯曲试样

2.2.3试验结果及分析

表7为新台糖22号甘蔗力学特性参数，表8为柳城03/1137号甘蔗力学特性参数。

表7　新台糖22号甘蔗力学特性参数

续表7

表8　柳城03/1137号甘蔗力学特性参数

由表7、表8可知：除叶片拉伸强度和蔗芯径向拉伸强度外，新台糖22号的其余各项强度均比柳城03/1137号的小，说明总体上柳城03/1137号比新台糖22号的强度大，表明不同品种甘蔗的力学特性参数存在差异，其抗倒伏性不同。蔗皮的轴向拉伸强度最大，约为41MPa；其次是根须的拉伸强度，约为19MPa；再次为叶中肋的拉伸强度，约为14MPa；最小的是蔗芯的径向拉伸强度，约为0.4MPa。蔗皮的轴向拉伸强度约为蔗芯的径向拉伸强度的100倍，表明甘蔗的不同组成部分及同一组成部分的不同方向的拉伸强度差异较大。叶中肋的拉伸强度比叶片的拉伸强度大，原因是叶中肋中含有较多抗拉强度大的维管束。蔗皮和蔗芯的轴向拉伸强度均远大于其径向拉伸强度，原因是甘蔗茎秆内包含大量平行于轴向排列且起到单向纤维作用的维管束，且维管束有了一定的木质化，而维管束之间依靠强度低且含有大量糖分(液体)的基本组织连接，故蔗皮和蔗芯的轴向拉伸强度均远大于其径向拉伸强度。茎秆的轴向压缩强度大于其径向压缩强度，原因是径向压缩时维管束不起支撑作用，故茎秆的轴向压缩强度大于其径向压缩强度。

同时，由表7、表8可知：新台糖22号和柳城03/1137号两个甘蔗品种的力学特性参数的标准差和变异系数变化较大，最大标准差为6.8MPa，最小标准差为0.1MPa，最大变异系数26.1%，最小变异系数为6.6%，表明相同品种不同甘蔗的个体其力学特性参数差别较大。根据试验结果和材料力学分析，通过计算得到了新台糖22号和柳城03/1137号倒伏期甘蔗的叶片、叶中肋、根须的拉伸弹性模量和茎秆的抗弯弹性模量，如表9所示。

表9　弹性模量

由表9可知：新台糖22号的叶片、叶中肋、根须和茎秆的弹性模量均比柳城03/1137号的小。

3结论

在甘蔗易倒伏期对广西有代表性的新台糖22号和柳城03/1137号品种甘蔗的几何参数和物理特性参数进行了测量试验，对开展甘蔗倒伏动力学机理和抗倒伏技术措施的研究具有重要的意义。研究表明：不同品种甘蔗的力学特性参数存在差异性，抗倒伏性不同；甘蔗的不同组成部分及同一组成部分的不同方向的拉伸强度差别较大，相同品种不同甘蔗的个体其力学特性参数差异性也较大；新台糖22号和柳城03/1137号品种甘蔗的叶片、叶中肋、根须、蔗皮轴向、蔗皮径向、蔗芯轴向、蔗芯径向拉伸强度和茎秆轴向、径向压缩强度、茎秆轴向、径向剪切强度及茎秆抗弯强度分别为13.0、13.6、19.2、40.2、1.6、1.2、0.4、5.1、1.5、0.9、0.7、8.5和12.3、14.0、19.3、41.6、2.0、1.2、0.3、5.9、1.6、1.0、0.8、8.8MPa。

参考文献：

[1]刘庆庭, 区颖刚 , 袁纳新.甘蔗茎在弯曲荷载下的破坏[J].农业工程学报，2004,20(3):6-9.

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Experimental Study on the Basic Parameters of Sugarcane on Easy Lodging Period

Yang Wang1,2, Mo Xingman1, Yang Jian1,2, Yuan Fuwei1, Huang Shenchuang1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Collaborative Innovation Center for Sugar Industry of Guangxi, Nanning 530004, China)

Abstract：Due to lack of basic parameters of sugarcane on the easy lodging period, dynamics mechanism of sugarcane lodging and the related numerical simulation studies could not be studied smoothly. Using the method of physical experiment and random sampling, geometric parameters and physical properties of ROC 22 and Liucheng No.03/1137 on easy easy lodging period were measured and analyzed.The results showed that differences of physical properties parameters exist in different varieties of sugarcane.The strength of Liucheng No.03/1137 is larger than ROC 22's.The physical characteristic parameters of sugarcanes on same variety are different. Leaves, leaf costa, roots, tensile strength of sugarcane skin and core on radial and axial, compression strength and shear strength of sugarcane stem on radial and axial, and bending strength of stem of ROC 22 and Liucheng No.03/1137 were 13.0, 13.6, 19.2, 40.2, 1.6, 1.2, 0.4, 5.1, 1.5, 0.9, 0.7, 0.9 and 0.7, 14.0, 19.3, 41.6, 2.0, 1.2, 0.3, 5.9, 1.6, 1.0, 0.8, 1.0 MPa, respectively.

Key words：sugarcane ; easy lodging period ; basic parameters ; experiment test

中图分类号：S225.7+2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0143-06

通讯作者：杨坚(1957-)，男，广西合浦人，教授。

作者简介：杨望(1984-)，男，广西合浦人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51565003)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118279)；广西教育厅高校科研项目(YB2014002)；广西大学科研基金项目(XJZ130354)

收稿日期：2015-11-24