本研究由山西农业大学的王伟、王泽泽、潘犇、崔清亮、张丽丽、邱述金和张燕青共同完成，论文《谷子茎秆剪切与弯曲力学特性研究》于2024年6月11日发表于开源期刊 Agriculture。
本研究的学术领域属于农业工程，具体为农业物料力学与作物机械化收获技术。研究的背景在于，谷子作为中国旱作农业的重要作物，其产业发展的一个关键制约因素是机械化收获水平低。由于谷子植株相对矮小、茎秆较软，现有的针对水稻和小麦的大型联合收割机在收获谷子时存在兼容性或效率低下的问题，导致谷物损失严重。此外，谷穗重量易引起茎秆弯曲变形，在收获过程中茎秆的弯曲和扭转是造成籽粒损失的重要原因。因此，深入理解谷子茎秆的力学特性，对于设计专用收获机械、优化收获参数（如割台高度、切割方式）、评估不同品种的抗倒伏性以及减少收获损失具有至关重要的理论与实践意义。本研究旨在明确成熟期不同品种谷子茎秆力学特性的规律及影响因素，具体目标包括：研究不同品种（长杂466、张杂16、晋谷21）谷子茎秆在不同节位（第1至第5节间）的剪切强度、比剪切能、弯曲强度、弹性模量和弯曲刚度的变化规律，并分析品种和节位对这些力学参数的影响，最终为谷子收获机械的设计和收获参数的选择提供理论依据。
研究的详细工作流程系统而严谨，主要包括以下几个步骤： 1. 材料准备与取样：研究于2023年10月8日谷子成熟期，在山西省繁峙县选取了广泛种植的三个谷子品种：长杂466、张杂16和晋谷21。每个品种选取生长良好、无病害、完整的谷子茎秆10株。测量其平均株高和节数后，从每个品种中选取8株植株，从茎秆基部向上截取节间样本，并剥离叶片。其中6株用于力学测试，2株用于测量茎秆含水率。样品用塑料袋包裹并标记后带回室内待测。茎秆含水率通过烘干法测定，结果显示三个品种的含水率在71.7%至76.0%之间，差异较小，因此实验中忽略了含水率对茎秆强度的影响。 2. 实验仪器与设备：研究使用了英斯特朗Instron5544电子万能材料试验机进行剪切和弯曲测试，该设备最大载荷为2 kN，精度为±0.01 N。其他设备还包括用于烘干测含水率的电热鼓风干燥箱、用于称重的电子分析天平和用于精确测量茎秆几何尺寸的数显电子游标卡尺。 3. 力学测试方法与数据处理：考虑到谷子机械收获时切割高度通常在距地面15-40 cm，研究从茎秆基部向上依次截取并标记了5个节间。首先使用游标卡尺测量并记录每个节间样本的几何尺寸（外径、长度）。力学测试采用完全区组实验方法，实验因素为品种（3个水平）和加载位置（5个节间），加载速度统一设置为10 mm/min，每组力学测试重复3次。 * 剪切测试：将茎秆样本置于夹具上圆柱体的直径为15 mm的通孔中，然后上圆柱体压入下圆形通孔开始剪切测试。记录剪切力-位移曲线。 * 弯曲测试：将茎秆样本水平放置在跨距为40 mm的两个支撑夹具上，确保样本轴向与加载方向垂直，压头接触茎秆的瞬间开始测试。记录弯曲力-位移曲线。 * 数据计算与分析：谷子茎秆截面近似为圆环形。基于测得的几何尺寸（平均外径d，壁厚t取为平均外径的25%）和力学曲线数据，使用材料力学公式计算关键力学指标：剪切强度（τ）、比剪切能（Esc）、弯曲强度（σ）、弹性模量（E）和弯曲刚度（EI）。具体计算公式如原文中所示。数据处理使用Excel 2016，图表绘制使用Origin 9.0，而方差分析（ANOVA）则使用SPSS 18.0软件进行，以评估品种和节位及其交互作用对各力学指标的显著性影响。
研究取得了一系列重要结果，详述如下： 关于剪切力学特性：方差分析表明，品种和节间位置对茎秆剪切强度和比剪切能均有极显著（p < 0.001）或显著影响。具体而言： * 品种效应：品种的影响大于节间位置。剪切强度从大到小依次为：晋谷21 (6.953 ± 2.208 MPa) > 张杂16 (6.797 ± 1.398 MPa) > 长杂466 (3.866 ± 1.086 MPa)。比剪切能最高的是张杂16 (41.860 ± 13.461 mJ/mm²)，显著高于晋谷21 (17.650 ± 9.819 mJ/mm²) 和长杂466 (11.010 ± 4.544 mJ/mm²)。 * 节间位置效应：随着节间位置的升高，茎秆剪切强度和比剪切能总体呈下降趋势。第1节间的剪切强度最高 (7.354 MPa)，第5节间最低 (4.028 MPa)，比第1节间下降了45.2%。比剪切能同样在第5节间最低 (15.097 mJ/mm²)。剪切力-位移曲线显示非线性特征，表明剪切过程经历了韧皮部受压、木质部结构塌陷、髓部压缩等复杂阶段。 * 相关性：剪切强度与比剪切能呈极显著正相关 (r = 0.738**)。平均外径与剪切强度、比剪切能的相关性较弱。
关于弯曲力学特性：方差分析显示： * 品种效应：品种对茎秆弯曲强度、弹性模量和弯曲刚度均有极显著影响（p < 0.001）。弯曲强度排序为：晋谷21 (34.286 ± 6.875 MPa) > 长杂466 (29.275 ± 7.081 MPa) > 张杂16 (18.934 ± 4.374 MPa)。弹性模量和弯曲刚度也呈现相似规律，晋谷21和长杂466的数值显著高于张杂16。 * 节间位置效应：节间位置对弯曲刚度的影响极显著（p < 0.001），但对弯曲强度和弹性模量的影响不显著。第1节间的弯曲刚度 (69.193 ± 27.519 kN·mm²) 显著高于其他节间，第4、5节间的弯曲刚度相对较低。 * 弯曲行为：弯曲力-位移曲线也呈现非线性。较低的节间位置（如第1节间）能抵抗更大的弯曲力且需要更大的位移才发生破坏。 * 重要对比：谷子茎秆的弯曲强度 (18.934–34.286 MPa) 显著高于其剪切强度 (3.866–6.953 MPa)，这一结论与其他作物（如芝麻）的力学测试结果一致。 * 相关性：弯曲强度与弹性模量、弯曲刚度均呈极显著正相关（r分别为0.750和0.663）。平均外径与弹性模量呈显著负相关 (r = -0.517**)。
基于上述结果，本研究得出以下主要结论： 1. 品种与节位的影响：品种和节间位置均显著影响谷子茎秆的剪切力学特性（剪切强度和比剪切能）。品种对茎秆的弯曲力学特性（弯曲强度、弹性模量、弯曲刚度）影响极显著，而节间位置仅对弯曲刚度有极显著影响，对弯曲强度和弹性模量影响不显著。 2. 力学特性规律：谷子茎秆的剪切强度和比剪切能随节位升高总体呈下降趋势。弯曲强度显著高于剪切强度。 3. 收获建议：第5节间是三个品种谷子茎秆剪切强度和比剪切能最低的位置（分别为4.028 MPa和15.097 mJ/mm²）。因此，为了降低切割功耗、提高收获效率，建议在收获谷子时，将切割型割台的切割高度设置在第5节间位置。 4. 抗倒伏性评估：弹性模量可作为评价茎秆抗倒伏性的指标，数值越大，抗倒伏性越强。根据研究结果，晋谷21和长杂466的弯曲力学参数（特别是弹性模量和弯曲强度）均优于张杂16，表现出更好的抗倒伏性能。同时，张杂16和长杂466的弹性模量最小值出现在第2节间，晋谷21出现在第3节间，暗示这些品种的茎秆倾向于在第2、3节间附近发生倒伏。
本研究具有重要的科学价值与应用价值。科学上，它系统地量化了成熟期不同谷子品种茎秆的关键剪切与弯曲力学参数，揭示了品种遗传特性和植株形态结构（节位）对茎秆机械强度的内在影响规律，丰富了作物物料力学的数据库和理论知识。应用上，研究结论直接为谷子收获机械的研发提供了关键设计依据：明确了应优先采用切割式收获方式（因弯曲强度远高于剪切强度），并给出了最优切割高度的具体建议（第5节间），这有助于指导设计低功耗、高效率的专用割台。同时，研究为谷子育种提供了抗倒伏性状的力学评价指标（如弹性模量），有助于筛选和培育更适宜机械化收获的优良品种。
本研究的亮点在于：首先，研究目标明确且具有强烈的产业问题导向，紧扣谷子机械化收获的瓶颈问题展开。其次，研究方法系统严谨，采用了完全区组设计，同时考虑了品种和节位两个关键因素，并对剪切和弯曲这两种收获及倒伏中最主要的受力形式进行了平行测试，数据全面。第三，研究发现具有明确的实践指导意义，提出的“在第5节间切割”的建议基于扎实的实验数据，可直接应用于农机设计与操作。第四，研究不仅比较了品种差异，还通过相关性分析探讨了茎秆几何尺寸（如外径）与力学性能之间的关系，增加了研究的深度。总体而言，这是一项将基础力学研究与农业工程应用紧密结合的优秀范例。