饲用苎麻基部茎秆弯曲特性测试

马兰，刘佳杰，向伟，颜波，吕江南*，文庆华

（1.中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205；2.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128）

苎麻是荨麻科（Urticaces）苎麻属（Boehmeria Jacq.）多年生植物，是中国传统的特色经济作物，具有悠久的历史文化底蕴，俗称“中国草”。苎麻除了作为传统的纺织纤维原料外，其嫩茎叶还富含蛋白质、氨基酸、维生素、矿物质等营养物质，与苜蓿相近，是很好的植物蛋白饲料原料［1-3］。苎麻作饲料用或培育的饲用苎麻新品种（以下简称饲用苎麻），一般一年可收割8～10次，其嫩茎叶全年生物产量可达19 t/hm2（干物质），饲用品质优良［4-6］。南方畜牧业特别是反刍动物需要蛋白含量高的草料，以提高肉的品质和保证家畜的健康。我国南方养殖业的发展受到草料供给不足的制约［7］，每年均需从国外进口或从我国东北等北方地区调运，长途运输成本较高。我国南方蛋白牧草缺乏，不利于“节粮型”畜牧业的发展。全国种植业结构调整规划《2016-2020》在第（一）条品种结构调整重点第6点饲草作物调整中指出：“南方地区重点发展黑麦草、三叶草、狼尾草、饲用油菜、饲用苎麻、饲用桑叶等”。因此，饲用苎麻是我国南方地区未来重点发展的饲料作物之一［8-9］。国内苏工兵［10］、黄海东［11］、沈成［12］、晏科满［13］、徐鑫［14］等分别对纤维用苎麻茎秆的力学特性进行了力学试验和相关研究。虽然纤用苎麻茎秆力学的研究可以为饲用苎麻的研究提供借鉴，但纤用苎麻和饲用苎麻生长期以及培育目标等不同，导致二者之间有一定的力学特性差异，不便于采用传统的纤维用机械收获，而针对饲用苎麻茎秆的力学特性研究有待丰富。研究饲用苎麻基部茎秆的力学特性，探明不同品种饲用苎麻的弯曲特性差异，找出茎秆直径、重量等因素与抗弯强度的关系，可为饲用苎麻专用收获加工机械的研发提供设计参数，亦可为饲用苎麻的品种选育提供参考［15］。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用国家种质长沙苎麻圃种植的7个苎麻品种（品系）（见表1）为试验材料，在饲用收获期收获，进行苎麻基部力学弯曲试验，每个品种取10株。茎秆基部10 cm处平均直径为13.42 mm，采用105℃烘干法（GB/T 5497—1985）测定鲜茎秆含水率，平均含水率为77.35%。采样日期为2020年10月3日，试验日期是当天。苎麻取回后去叶，紧靠基部地上茎，整齐切割150 mm的一段。三点弯曲法测定苎麻茎秆的弯曲应力，试样跨距为100 mm，两段外延长度为25 mm。

表1 7个苎麻品种茎秆性状表Table 1 The charactertable of 7 varieties ramie stem

1.2 试验设备与方法

采用微机控制电子万能材料试验机（上海拓丰仪器有限公司生产），型号TFW-508，选用5 KN的传感器，力传感器以及位移传感器的精度都在±0.1%内。试验参数设定为加载速度5.0 mm/min，跨距100 mm。判断停机条件为力值下降超过峰值力的80%。采用三点弯曲的方法，如图1所示。点击开始试验按钮进行试验，试验数据由万能材料试验机系统软件自动采集，得到试验的力-位移曲线。试验7个品种分为7组，每组取样10株。使用游标卡尺测量各个试样的几何参数（外径d、重量G），并记录。茎秆弯曲力学性能试验参照GB/T 1937规定进行。

图1 饲用苎麻茎秆弯曲试验Fig.1 Bending test of forage ramie stem

其他仪器：精度为0.1 mg的电子秤、精度为0.01 mm的电子数显游标卡尺、砂轮磨光机等。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2013进行数据统计分析。

根据弹性力学理论分析，对于横截面高度（试样直径dm）远小于跨距lw的细长苎麻茎秆（类似于细长梁），横截面上的附加正应力和纵向纤维间的正应力都非常微小，采用纯弯曲时梁横截面上的正应力材料力学公式［16］（式1）来计算每组试验数据的弯曲应力，与苎麻茎秆内的真实压力相比，不会产生很大误差，能够满足工程问题所要求的精度。

式中：σw—弯曲应力即抗弯强度，MPa；

Fwmax—最大弯曲力，N；

dm—试样外圆截面直径，mm；

lw—试样跨距，mm。

2 结果与分析

2.1 不同品种苎麻间弯曲应力的差异

饲用苎麻基部弯曲载荷与位移关系曲线如图2所示，不同品种苎麻茎秆基部弯曲载荷与位移的关系类似。茎秆在载荷的作用下，先进入近似线性的弹性变形阶段，当载荷值增大到极限值后，试件开始产生局部微观破坏，曲线下降。

图2 弯曲载荷与位移关系曲线Fig.2 Curve of the relationship between load and displacement

从图3可以看出，不同品种苎麻的茎秆抗弯强度有明显的差异，同一个品种，茎秆的抗弯强度差异亦明显。饲用苎麻G59的整体抗弯强度小于其他6个品种，饲用苎麻品种TG5的平均抗弯强度大于其他6个品种的。7个苎麻品种基部茎秆弯曲应力平均为0.988 MPa。

图3 弯曲应力与品种的关系Fig.3 Relationship between bending stress and varieties

根据实践经验，各饲用苎麻品种的抗弯强度近似服从正态分布。不同品种的抗弯强度方差分析见表2，显著性检验结果，P-value＝2.36E-13＜0.01，F0.05＝2.246 4，F0.01＝FINV（0.01，6，60）＝3.12，F＝20.985 7＞F0.01，表明上述7个苎麻品种饲用时的抗弯强度差异极显著。

表2 不同品种的抗弯强度方差分析Table 2 Bending strengthanalysis of variance about different varieties of forage ramie

2.2 不同品种苎麻茎秆横截面积和重量对抗弯强度的影响

中苎1号基部茎秆横截面积和重量的关系如图4所示，线性相关系数为0.596，可见该品种基部横截面积和重量的变化趋势相同，有一定的线性正相关关系。该品种的抗弯强度与横截面积之间是非线性关系，抗弯强度与重量之间不存在显著线性相关关系，如图5所示。

图4 中苎1号基部茎秆横截面积和重量的关系Fig.4 Correlation of cross section area and weight of Zhongzhu No.1

图5 中苎1号基部茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.5 Correlation of bending strength and cross section area or weight of Zhongzhu No.1

中苎3号基部茎秆横截面积和重量的关系如图6所示，相关系数为0.967，该品种基部横截面积和重量之间具有线性正相关性。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图7所示。该苎麻品种的茎秆横截面积抗弯强度之间是非线性关系，其重量与抗弯强度之间不存在显著线性相关关系。

图6 中苎3号基部茎秆横截面积和重量的关系Fig.6 Correlation of cross section area and weight of Zhongzhu No.3

图7 中苎3号基部茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.7 Correlation of bending strength and cross section area or weight of Zhongzhu No.3

苎麻0501基部茎秆横截面积和重量的关系如图8所示，可见该品种基部横截面积和重量之间具有线性相关性，相关系数为0.895。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图9所示，其抗弯强度与茎秆横截面积之间是非线性关系，与重量之间不存在显著线性相关关系。

图8 苎麻0501茎秆横截面积和重量的关系Fig.8 Correlation of cross section area and weight of ramie 0501

图9 苎麻0501茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.9 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie 0501

苎麻G59基部茎秆横截面积和重量的关系如图10所示，可见该品种基部横截面积和重量之间具有线性正相关性，相关系数为0.972。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图11所示，其抗弯强度与茎秆横截面积之间是非线性关系，与重量之间不存在显著线性相关关系。

图10 苎麻G59茎秆横截面积和重量的关系Fig.10 Correlation of cross section area and weight of ramie G59

图11 苎麻G59茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.11 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie G59

苎麻TG5基部茎秆横截面积和重量的关系如图12所示，决定系数为0.950，可见该品种基部茎秆横截面积和重量之间拟合度高，相关系数为0.975，具有很强的线性相关性，呈正相关。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图13所示，其横截面积与抗弯强度之间是非线性关系，其重量与抗弯强度之间不存在显著线性相关关系。

图12 TG5基部茎秆横截面积和重量的关系Fig.12 Correlation of cross section area and weight of ramie TG5

图13 TG5基部茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.13 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie TG5

苎麻TG6基部茎秆横截面积和重量的关系如图14所示，可见该品种基部横截面积和重量之间的变化趋势相同，相关系数为0.852，呈线性正相关。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图15所示，该品种的抗弯强度与茎秆横截面积是非线性关系，与重量之间不存在显著线性相关关系。

图14 苎麻TG6茎秆横截面积和重量的关系Fig.14 Correlation of cross section area and weight of ramie TG6

图15 苎麻TG6茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.15 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie TG6

苎麻四川DB基部茎秆横截面积和重量的关系如图16所示，可见该品种基部横截面积与重量之间具有较高的线性相关性，相关系数为0.901。该品种茎秆的横截面积和重量与抗弯强度的关系如图17所示，苎麻四川DB的茎秆的抗弯强度与该段横截面积之间是非线性关系，与该段重量之间不存在显著线性相关关系。

图16 苎麻四川DB基部茎秆横截面积和重量的关系Fig.16 Correlation of cross section area and weight of ramie sichuan DB

图17 苎麻四川DB基部茎秆横截面积和重量与抗弯强度的关系Fig.17 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie sichuan DB

2.3 7个品种基部茎秆横截面积与重量的关系

7个苎麻品种基部茎秆横截面积与重量的关系如图18所示，其基部茎秆横截面积与重量之间具有较高的线性相关性，相关系数为0.938。

图18 苎麻基部茎秆横截面积和重量的关系Fig.18 Correlation of cross section area and weight about the basal stem of ramie

3 结论与讨论

（1）饲用苎麻饲用价值较高，是一种新型的优质蛋白饲料，从物理机械特性角度出发，采用万能材料试验机，测定了收获期7个品种饲用苎麻茎秆的最大抗弯力，计算出其基部茎秆抗弯强度，不同饲用苎麻品种抗弯强度差异达极显著水平，最大抗弯强度为1.529 MPa。中饲苎1号的抗弯强度从0.699 Mpa到0.867 MPa；中饲苎3号的抗弯强度范围是0.859 MPa到1.226 MPa；饲用苎麻0501的抗弯强度从0.532 MPa到1.154 MPa；饲用苎麻G9抗弯强度从0.350 MPa到0.781 MPa；饲用苎麻TG5的抗弯强度从1.062 MPa到1.670 MPa；饲用苎麻四川DB的抗弯强度从0.879 MPa到1.529 MPa；饲用苎麻TG6的抗弯强度从0.823 MPa到1.523 MPa。饲用苎麻茎秆基部弯曲特性的测定为设计与此相适应的收获机械及加工机械提供依据，亦可为饲料用苎麻品种选育提供参考。

（2）收获期，同一苎麻品种的基部茎秆抗弯强度与横截面积之间没有线性关系，从公式（1）可以看出，它们是幂函数关系；同一品种茎秆抗弯强度与重量之间不存在显著性相关关系，但7个苎麻品种的基部茎秆横截面积与重量之间具有线性正相关性，相关系数是0.938，其中饲用苎麻TG5基部茎秆横截面积和重量之间拟合度高，相关系数为0.975；中饲苎1号底部茎秆横截面积和重量之间的线性相关系数为0.596。苎麻基部茎秆横截面积与重量的关系式，可为建立苎麻茎秆的仿真模型提供参考。

（3）饲用苎麻的抗弯强度与纤用苎麻的抗弯强度差异较大，原因可能是品种培育差别、生长期不同。虽然饲用苎麻的抗弯强度小于纤用苎麻，纤用苎麻的收割机械可以收割饲用苎麻，但是存在动力浪费，噪音大等问题，不利于苎麻产业绿色低碳发展。

（4）饲用苎麻一年收获多次，不同季次的收获期饲用苎麻力学性能是否存在显著差异有待进一步研究，以便为饲用苎麻专用收获加工机械设计提供依据。