大蒜種子與機械播種相關特性的分析研究

徐 陶，宋井玲，崔志超，李 寧，蔡善儒，孫 倩，馬偉童

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000)

0 引言

我國是大蒜生產大國，大蒜產量占全球總產量的70% 以上[1]，2015年全國大蒜種植面積約40萬hm2[2]。大蒜種植主要產地集中在山東、河南、江蘇、河北及安徽5省。山東是我國第一大蒜產區，山東金鄉縣是大蒜生產加工和出口的重要基地,是全國著名的大蒜之鄉；蘭陵縣蒼山大蒜走出一條“大蒜農業”向“大蒜工業”轉化的路子，叫響了“天下第一蒜”。河南杞縣種植歷史悠久，氣候條件優越，是“全國園藝產品出口示范區”。

隨著人們對大蒜需求量的不斷增加，大蒜種植面積呈逐年遞增趨勢[3]。目前，大蒜播種主要靠人工進行，勞動強度大，生產效率低；而機械化播種具有效率高，作業成本低，用工少等優點[4-6]。蒜種單粒化是播種機械化的關鍵之一，大蒜種子形狀復雜且不規則，不易實現機械單粒排種，通常要先對蒜種進行分級處理以提高大蒜播種機的單粒率。

目前，對農作物種子物理特性的研究[7-8]主要有玉米、麥粒、花生等，對于大蒜種子物理特性的研究較少。為此，以較為典型的山東蒼山大蒜、金鄉大蒜和河南杞縣大蒜為研究對象，使用統計學方法，分析研究大蒜種子與機械播種相關的物理特性，以期為大蒜種子清選、分級及播種等機械化生產提供理論依據和數據參考。

1 蒜種的選擇

大蒜蒜瓣大小不同，有大瓣種和小瓣種之分，如山東的蒼山大蒜屬于大瓣種，金鄉大蒜、杞縣大蒜屬于小瓣種，如圖1所示。根據栽培農藝要求，用作蒜種的大蒜蒜瓣必須皮色純正，形狀規范，個頭飽滿，外皮完整[9-10]。

本文選擇較為典型的大瓣種蒼山大蒜和小瓣種金鄉大蒜、杞縣大蒜，單粒蒜瓣質量3g以上的種子為研究對象。

1.蒼山大蒜 2.金鄉大蒜 3.杞縣大蒜圖1 不同品種的大蒜Fig.1 Different kinds of garlic

2 大蒜種子物理特性研究

2.1 大蒜種子外形尺寸的測量及分析

2.1.1 大蒜種子外形尺寸的測量

大蒜種子形狀復雜，可用蒜種的長、寬、厚3個尺寸來描述蒜種的幾何特征，如圖2所示。隨機選取3個品種的大蒜種子各300粒，平均分成3組，每組100粒，分別對每組大蒜種子長、寬、厚尺寸進行測量。統計分析大蒜種子的尺寸特征及尺寸分布情況。

圖2 種子外形尺寸示意圖Fig.2 The picture of size of outline dimension of garlic seeds

2.1.2 大蒜種子外形尺寸的分析

大蒜種子的長、寬、厚尺寸分布如圖3所示。由圖3可以看出：①長度尺寸，蒼山大蒜和杞縣大蒜種子分別集中分布在29～31mm，金鄉大蒜28～30mm，各約占48%、46%、36%；②寬度尺寸，蒼山大蒜集中分布在22～24mm, 杞縣大蒜和金鄉大蒜集中分布在20～23mm，各約占50%、66%、63%；③厚度尺寸，蒼山大蒜、金鄉大蒜、杞縣大蒜種子尺寸均集中分布在17～19mm，各約占41%、38%、42%。

(a)

(b)

(c)圖3 大蒜種子外形尺寸分布圖Fig.3 The distribution of outline dimension of garlic seeds

尺寸測量結果如表1所示。由表1可以看出：蒼山大蒜的長、寬、厚尺寸、均值及最大值均大于金鄉大蒜與杞縣大蒜，大瓣種比小瓣種在外形尺寸上均大9%左右；從方差上來看，金鄉大蒜與杞縣大蒜種子的長、寬、厚尺寸方差都高于于蒼山大蒜，說明小瓣種的外形尺寸波動大，同一外形尺寸差異大于大瓣種；各品種蒜種長度尺寸的方差最小，厚度尺寸的方差最大。這說明大蒜種子長度尺寸波動最小，厚度尺寸波動最大；對于指夾式、勺鏈式等排種器，為提高單粒率對蒜種進行分級時，應優先按種子厚度進行分級。

表1 大蒜種子外形尺寸

2.2 大蒜種子的懸浮速度

懸浮速度是農業物料的一個重要特性參數。物料的懸浮速度又稱臨界速度，是指物料自由下落時，在自身重力與受到的氣流作用下達到臨界平衡狀態時的氣流速度，物料在該狀態下受力平衡，絕對速度為零[11]。

為提高大蒜種子氣力式排種器的單粒率，需對大蒜種子的懸浮特性進行試驗研究，利用氣流對大蒜種子進行清選，也與大蒜種子的懸浮特性有關。

2.2.1 試驗裝置與試驗方法

測量大蒜種子懸浮速度的裝置主要有黑龍江農業儀器設備修造生產的型號PS-20谷物漂浮速度試驗臺，其結構簡圖如圖4所示。

1.風機 2.大蒜種子 3.觀察口 4.機架圖4 PS-20型谷物漂浮速度試驗臺結構簡圖Fig.4 Structure diagram of grain floating speed test stand of PS-20 type

采用等面積法[11]選擇3個測試點測試氣壓差，讀取蒜種平衡位置刻度L。蒜種的懸浮速度的計算方法為

Pd=(Pd0+Pd1+Pd2)/3

Vp=V0/K

式中Pd—3個測試點的平均氣壓差；

Pd0、Pd1、Pd2—3個測試點處的氣壓差。

V0—測試點風速；

Vp—物料懸浮速度；

K—蒜種平衡位置刻度L對應的系數，通過L-K曲線圖獲得。

對不同含水率下蒼山大蒜、金鄉大蒜和杞縣大蒜種子的懸浮速度進行試驗測量，每組試驗100粒，共12組。

2.2.2 大蒜種子懸浮速度結果分析

通過對大蒜種子懸浮速度試驗結果整理與分析，得出大蒜種子懸浮速度與含水率的變化關系，如圖5所示。

由圖5可知：3個品種的大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時，懸浮速度分布在12～15.4m/s之間，懸浮速度隨含水率的上升而增加；同一含水率下，大蒜種子的懸浮速度從小到大依次為蒼山大蒜、杞縣大蒜、金鄉大蒜，且金鄉大蒜與杞縣大蒜差異較小。這主要是因為在同一含水率下，蒼山大蒜種子屬于大瓣種，其質量大于小瓣種，因此種子在懸浮速度試驗臺通風管道中時，需受到更大的風力作用才能達到平衡狀態。

圖5 懸浮速度與含水率的變化Fig.5 Relationship between suspended velocity and water content

利用氣力對大蒜種子進行清選、排種時，為保證大蒜種子清選率及單粒率，需結合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速。以蒼山大蒜種子含水率為54.7%為例，為實現單粒排種，其空氣流速至少應大于種子在該含水率下的懸浮速度，即14.65m/s。

2.3 大蒜種子的抗壓破壞性試驗及分析

大蒜種子在運輸及播種等機械的作用過程中不可避免地要受到壓力和沖擊力，若種子受到損傷，其生長能力將受到嚴重影響，出苗率降低，造成減產。蒜種的機械破損率是衡量蒜種運送和播種等機械工作性能的重要指標，因此有必要對大蒜種子的力學性質進行研究，測試大蒜種子在不同含水率下的抗破壞力，為大蒜播種機相關部件的設計提供力學數據參考。

2.3.1 試驗裝置與試驗方法

本試驗利用南京航空航天大學研制的KB-1開口薄壁梁實驗臺(見圖6)，測量大蒜種子受壓應力作用下遭到破壞的最大壓力，用壓碎力表示，單位N。

大蒜種子通常有3個面，包括一個弧面和兩個非弧面，受到同等力的作用時與壓頭的接觸面不同，受破壞程度存在差異，因此對含水率為45%、50%、55%、60%的大蒜種子弧面及非弧面進行抗壓破壞性試驗，分別測試大蒜種子在兩種狀態下壓碎力與含水率的變化關系。取直徑14mm的壓頭，加載速度為5mm/min，邊加載邊觀察示數；當示數驟停時表示大蒜種子已受到破壞，記錄數值，每組100粒，共24組。

1.力值顯示器 2.加力手輪 3.力傳感器 4.壓頭 5.大蒜種子 6. 機架圖6 大蒜種子壓應力破壞試驗Fig.6 Damaged test of pressure for garlic seeds

2.3.2 大蒜種子抗壓破壞性試驗結果分析

大蒜種子的壓碎力隨含水率的變化，如圖7所示。

由圖7可知：大蒜種子在兩種狀態下的壓碎力均與含水率成反比，說明含水率是種子壓碎力的影響因素。弧面朝下時的壓碎力低于非弧面朝下的壓碎力，這與種子與底面的接觸面積有關。弧面近似為點接觸，同等壓力下所承受的壓應力大，導致種子更易受到破壞。隨含水率降低，蒼山大蒜種子的壓碎力與金鄉大蒜和杞縣大蒜差距逐漸加大，蒼山大蒜的壓碎力低于金鄉大蒜和杞縣大蒜。這主要是因為蒼山大蒜種子外形飽滿，同一含水率同等載荷下受到的壓強更大，說明品種是種子壓碎力的又一影響因素。

通過以上分析得出結論：在播種及運輸過程中為避免種子受到損傷，首先應考慮種子弧面的壓碎力。以含水率為60%的蒼山大蒜種子為例，播種機排種器采用指夾式取種時，應使夾緊力不大于弧面能承受的壓力，即50.3N。

3 結論

1)大瓣種比小瓣種在外形尺寸上大9%左右；小瓣種同一方向的尺寸差異大，大蒜種子長度尺寸波動最小，厚度尺寸波動最大；對于指夾式、勺鏈式等排種器，為提高單粒率對蒜種進行分級時，應優先按種子厚度進行分級。

2)大蒜種子在含水率為45.61%～59.60%時，懸浮速度在12～15.4m/s之間。利用氣力對大蒜種子進行清選、排種時，需結合大蒜種子在不同含水率下的懸浮速度合理控制空氣流速，以保證大蒜種子清選率及單粒排種。

3)在含水率、載荷一定的情況下，大瓣種更易受到破壞；大蒜種子弧面最易受到破壞。采用指夾式取種及在種子運輸時，應使種子受到的力低于種子弧面能承受的壓碎力。

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