易倒伏期甘蔗基本參數的試驗研究

楊　望，莫興漫 ，楊　堅 ，袁付偉 ， 黃深闖

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧　530004；2.廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧　530004)

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易倒伏期甘蔗基本參數的試驗研究

楊望1,2，莫興漫1，楊堅1,2，袁付偉1， 黃深闖1

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧530004；2.廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧530004)

摘要：針對目前易倒伏期甘蔗的基本參數匱乏、甘蔗的倒伏動力學機理和相關的數值模擬研究無法順利開展等問題，采用物理試驗和隨機抽樣的方法，對易倒伏期新臺糖22號和柳城03/1137號品種甘蔗的幾何參數和物理特性參數進行測量，且進行了相關的分析。結果表明：不同品種甘蔗的物理特性參數存在差異性，柳城03/1137號品種甘蔗比新臺糖22號的強度大，且相同品種不同甘蔗的個體其物理特性參數差別也較大；新臺糖22號和柳城03/1137號品種甘蔗的葉片、葉中肋、根須、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向的拉伸強度和莖稈軸向、徑向壓縮強度、莖稈軸向、徑向剪切強度及莖稈抗彎強度分別為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。

關鍵詞：甘蔗；易倒伏期；基本參數；物理試驗

0引言

收獲期甘蔗的基本參數已有了較多的研究，且取得了較多的成果[1-5]，但易倒伏期(臺風多發期，每年7月至10月)甘蔗基本參數的研究未見有報導，其幾何參數和物理特性參數匱乏。易倒伏期甘蔗基本參數是開展甘蔗倒伏動力學機理和抗倒伏技術措施研究的基礎，因此本文以廣西有代表性的新臺糖22號和柳城03/1137號品種的甘蔗為對象，在甘蔗倒伏嚴重的月份對甘蔗的幾何參數和物理特性參數進行測量試驗，為開展甘蔗倒伏動力學機理和抗倒伏技術措施的研究提供依據。

1甘蔗的幾何參數

甘蔗幾何參數測量使用的主要工具有卷尺、直尺及千分卡尺等。甘蔗的取樣采用隨機抽樣的方法進行，即隨機在新臺糖22號和柳城03/1137號甘蔗種植地分別取15個取樣點，每個取樣點選取1棵通直且無蟲害的甘蔗進行測量。甘蔗取樣時，先將甘蔗從地里挖起，且盡量保持甘蔗根系的完整性，然后清理附著在根須上的泥土及莖稈上的枯葉。甘蔗取樣地為廣西武鳴縣太平鎮甘蔗種植基地，取樣試驗時間為2014年7月。試驗樣本甘蔗的種植日期：2013年12月，行距為1.3m。

1.1　葉子

甘蔗葉子的生長如圖1所示。

圖1　甘蔗

葉子在莖稈兩側呈近似對稱分布，且在莖稈上高度近似相等、對稱生長的兩片葉子(簡稱葉子對)。其幾何參數差異性小，但在莖稈上不同高度生長的葉子幾何參數差異性大，因此在測定葉子幾何參數時，從下到上測定不同葉子對的單邊葉子幾何參數，測量的葉子參數如圖2所示。其中，h1、h2、l1、l2分別是葉子的前端寬度、最大寬度、前端至最大寬度處的距離和葉子長度。同時，測量葉頂距h3(葉子與莖稈交接處至莖稈頂端的距離)。隨機抽樣測得新臺糖22號和柳城03/1137號兩個品種的葉子對數目平均為8對，葉子幾何參數平均值分別如表1、表2所示。

圖2　葉子的測量參數

葉子對序號平均值/mmh3l1l2h1h211403430116530412113639811502845388540011822743467340812032846540932211212643621045211052642770428120727398036112132739

表2　柳城03/1137號葉子幾何參數

1.2　莖稈

甘蔗莖稈基本呈圓柱形，不同高度處的直徑有一定差異。本文按莖稈上、中、下3個位置進行測量，取平均值。莖稈長度為莖稈與地面接觸處至莖稈頂端的距離。隨機抽樣測得新臺糖22號和柳城03/1137號的莖稈幾何參數平均值如表3所示。

表3　莖稈幾何參數平均值

1.3　根須

甘蔗根須分層生長，密而且多，本文在甘蔗樣本隨機抽樣的基礎上每層只隨機抽樣10條根須進行幾何參數測量。新臺糖22號和柳城03/1137號的根須和根的幾何參數平均值如表4所示，測得兩個品種的平均根須層數均為3層。

表4　根須幾何參數平均值

2甘蔗物理特性參數

2.1　密度和含水率

2.1.1密度

甘蔗葉子、莖稈、根須等的密度測量在室內進行。采用的儀器有電子秤(精度為0.01g)、大量筒(精度為5ml)、小量筒(精度為1ml)、剪刀及鋼鋸等。

密度測量時，用電子秤測出待測材料的質量，再用排水法測出待測材料的體積，由材料的質量和體積算出材料的密度。

為了了解甘蔗葉子和莖稈的總密度及相應各部位的密度，對葉子、莖稈和根須進行整體測量；同時，對葉片、葉中肋、蔗皮和蔗芯的密度進行測量。葉片和葉中肋、蔗皮和蔗芯分別如圖3、圖4所示。每個試驗重復5次。新臺糖22號和柳城03/1137號的甘蔗密度測量結果如表5所示。

圖3　甘蔗葉子結構

圖4　甘蔗莖稈結構

品種平均密度/g·cm-3葉片葉中肋葉子蔗皮蔗芯莖稈根須新臺糖22號1.060.620.801.091.021.040.71柳城03/1137號1.040.560.741.080.991.010.71

2.1.2含水率

本文只測定甘蔗葉子和根須的含水率。含水率的測量采用電子秤(精度0.01g)和烘箱進行。含水率測量時，用電子秤測出待測材料的鮮重，后將待測材料放入烘箱，在60℃溫度下烘干至恒定質量(烘干時間約為10h)，再測出待測材料的干重，由鮮重與干重算出含水率。每個樣本試驗重復5次。新臺糖22號和柳城03/1137號的含水率測量結果如表6所示。

表6　含水率測定結果

2.2　力學特性參數

2.2.1測量方法和設備

甘蔗的力學特性參數按參考文獻[6-7]和木材力學特性參數測定方法進行。測量試驗主要采用的設備為NKK-4005微機控制電子萬能試驗機(深圳市南方精科儀器設備有限公司，最大負荷5kN，負荷分辨率0.1N，負荷和變形測量精度均小于示值的±0.5%)，如圖5所示。測量試驗時，莖稈、蔗皮、蔗芯的試驗樣本按莖稈高度方向的上、中、下3個部位進行取樣。拉伸試驗采用專用的波紋式拉伸卡頭進行。在進行根須拉伸試驗時，為防止試樣被夾頭壓壞，在試樣的兩端包裹紗布。剪切試驗的切刀為自制切刀，切刀寬度為17mm。莖稈的彎曲試驗采用三點彎曲法進行，下部支點的間距為100mm，試樣與支點接觸的部位涂一層石蠟以減少摩擦。試驗的加載速率為2mm/min，每個隨機抽樣的甘蔗樣本其相應的試驗重復5次，取平均值進行記錄。

圖5　NKK-4005微機控制電子萬能試驗機

2.2.2測量的試樣

葉片、葉中肋、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向、根須拉伸試樣如圖6、圖7所示，莖稈的軸向、徑向壓縮試樣如圖8、圖9所示，莖稈的徑向、軸向剪切試樣如圖10、圖11所示，莖稈的彎曲試樣如圖12所示。

圖6　葉片、葉中肋、蔗皮、蔗芯拉伸試樣

圖7　根拉伸試樣

圖8　莖稈軸向壓縮試樣

圖9　莖稈徑向壓縮試樣

圖10　莖稈徑向剪切試樣

圖11　莖稈軸向剪切試樣

圖12　莖稈彎曲試樣

2.2.3試驗結果及分析

表7為新臺糖22號甘蔗力學特性參數，表8為柳城03/1137號甘蔗力學特性參數。

表7　新臺糖22號甘蔗力學特性參數

續表7

表8　柳城03/1137號甘蔗力學特性參數

由表7、表8可知：除葉片拉伸強度和蔗芯徑向拉伸強度外，新臺糖22號的其余各項強度均比柳城03/1137號的小，說明總體上柳城03/1137號比新臺糖22號的強度大，表明不同品種甘蔗的力學特性參數存在差異，其抗倒伏性不同。蔗皮的軸向拉伸強度最大，約為41MPa；其次是根須的拉伸強度，約為19MPa；再次為葉中肋的拉伸強度，約為14MPa；最小的是蔗芯的徑向拉伸強度，約為0.4MPa。蔗皮的軸向拉伸強度約為蔗芯的徑向拉伸強度的100倍，表明甘蔗的不同組成部分及同一組成部分的不同方向的拉伸強度差異較大。葉中肋的拉伸強度比葉片的拉伸強度大，原因是葉中肋中含有較多抗拉強度大的維管束。蔗皮和蔗芯的軸向拉伸強度均遠大于其徑向拉伸強度，原因是甘蔗莖稈內包含大量平行于軸向排列且起到單向纖維作用的維管束，且維管束有了一定的木質化，而維管束之間依靠強度低且含有大量糖分(液體)的基本組織連接，故蔗皮和蔗芯的軸向拉伸強度均遠大于其徑向拉伸強度。莖稈的軸向壓縮強度大于其徑向壓縮強度，原因是徑向壓縮時維管束不起支撐作用，故莖稈的軸向壓縮強度大于其徑向壓縮強度。

同時，由表7、表8可知：新臺糖22號和柳城03/1137號兩個甘蔗品種的力學特性參數的標準差和變異系數變化較大，最大標準差為6.8MPa，最小標準差為0.1MPa，最大變異系數26.1%，最小變異系數為6.6%，表明相同品種不同甘蔗的個體其力學特性參數差別較大。根據試驗結果和材料力學分析，通過計算得到了新臺糖22號和柳城03/1137號倒伏期甘蔗的葉片、葉中肋、根須的拉伸彈性模量和莖稈的抗彎彈性模量，如表9所示。

表9　彈性模量

由表9可知：新臺糖22號的葉片、葉中肋、根須和莖稈的彈性模量均比柳城03/1137號的小。

3結論

在甘蔗易倒伏期對廣西有代表性的新臺糖22號和柳城03/1137號品種甘蔗的幾何參數和物理特性參數進行了測量試驗，對開展甘蔗倒伏動力學機理和抗倒伏技術措施的研究具有重要的意義。研究表明：不同品種甘蔗的力學特性參數存在差異性，抗倒伏性不同；甘蔗的不同組成部分及同一組成部分的不同方向的拉伸強度差別較大，相同品種不同甘蔗的個體其力學特性參數差異性也較大；新臺糖22號和柳城03/1137號品種甘蔗的葉片、葉中肋、根須、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向拉伸強度和莖稈軸向、徑向壓縮強度、莖稈軸向、徑向剪切強度及莖稈抗彎強度分別為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。

參考文獻：

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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

中圖分類號：S225.7+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0143-06

通訊作者：楊堅(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

作者簡介：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51565003)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFBA118279)；廣西教育廳高校科研項目(YB2014002)；廣西大學科研基金項目(XJZ130354)

收稿日期：2015-11-24