苜蓿生物力学特性研究现状

杨天兴，魏万华，赵春花

（1.兰州城市学院培黎机械工程学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学工学院，兰州 730070）

苜蓿生物力学特性研究现状

杨天兴1，魏万华1，赵春花2

（1.兰州城市学院培黎机械工程学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学工学院，兰州 730070）

本文对苜蓿生物力学特性的研究工作进展进行了阐述，以期为专业技术人员研发具备良好作业性能的机器提供借鉴，促进苜蓿生产机械化、现代化的创新与发展。

苜蓿；力学特性；研究现状

紫花苜蓿( Medicago stavia)是我国人工草地种植面积最大的草种[1]，它为现代畜牧业的发展提供了优质饲草。近年来，对苜蓿这一生物资源的研究在国内外引起高度重视，苜蓿生物力学特性的研究成为逐渐发展起来的新兴学科。苜蓿生物力学特性的研究主要包括苜蓿茎秆的力学特性、根的力学特性、叶的力学特性等等。研究苜蓿生物力学特性的意义为：①农业机械设计阶段考虑牧草的特性有利于确定机器的工作情况，减少研发成本与缩短研发周期[2]；②牧草茎秆木质纤维的结构有作为能源与工业原料的潜能，使研究茎秆的力学性能非常必要[3]；③随着遗传工程的发展和人为地培育优质、高产、抗寒、抗旱、抗病虫作物工作的开展，需要改变作物内部结构和机械性能，而茎秆的力学研究为遗传工程改变作物内部结构与机械性能指出了明确的目标[4～7]。本文对苜蓿生物力学特性的研究工作进展进行了阐述，以期为后续相关研究以及机械化作业的实现提供借鉴。

1 苜蓿茎秆的生物力学特性

茎秆的力学性能指标有拉伸强度、剪切强度、弹性模量、刚性模量[8,9]以及茎秆的压缩特性等[10]。苜蓿茎秆的力学特性影响其收获和加工过程中机器的工作性能和功率的损耗，诸如切割力大小的选择，切割器的选择、机器前进速度、切割速度等都与苜蓿茎秆的力学特性相关。

目前对苜蓿茎秆生物力学性能指标的研究有如下结果。

1.1 拉伸强度

付作立等[11]利用量程为500N、精确度为0.00001 的Instron万能试验机以60mm/min的加载速度对低含水率下的苜蓿茎秆不同部位进行拉伸力学特性试验。试验结果表明，苜蓿茎秆的中部和下部抗拉强度与截面积的相关性较好，上部茎秆抗拉强度与截面积的相关性稍差。赵春花等[12]研究表明，多年生豆科苜蓿草茎秆抗拉强度均与直径呈显著的幂函数负相关关系，随着直径的增大，抗拉强度减小。研究表明新育品系低纤维苜蓿茎秆的强度随机械组织和维管束数量的增加而提高；茎秆拉伸试验测得低纤维苜蓿平均弹性模量是1427.3MPa；30°滑切试验平均最大剪切力是96.24N，对照甘农3号和匍匐型小冠花新品系牧草其茎秆强度较高，需剪切力小，较易于机械化收获[13]。低纤维苜蓿新品种(系) 茎秆抗拉强度较甘农3号降低7.09MPa，茎秆拉伸弹性比甘农3号降低347.72MPa[14]。

1.2 抗弯强度

低纤维苜蓿新品种(系)茎秆抗弯强度较甘农3号降低0.21MPa，茎秆弯曲弹性模量比甘农3号降低22.59MPa，新品种(系)茎秆纤维含量低是其抗倒伏能力弱于甘农3号的原因之一[14]。

有研究表明，苜蓿含水率越低，茎秆将会变得越硬，苜蓿植株茎秆的抗弯强度逐渐增大[15]。苜蓿植株底部、中部和上部茎秆的弯曲应力随含水率减小而逐渐增大。新鲜苜蓿植株茎秆的上部、中部和底部茎秆的弯曲应力分别为15.18MPa、11.48MPa和9.71MPa[16]。

苜蓿植株茎秆的抗弯强度随苜蓿植株的密度增大抗弯强度增大，二者存在线性关系[17]。

1.3 剪切强度

苜蓿茎秆是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀和各向异性的粘弹性复合纤维材料。因此,苜蓿植株的剪切力学特性受苜蓿植株茎秆的内部结构、抵抗外力的能力、气候、产地、品种、含水率和成熟度等影响，测得到的数据差异性较大[13,18]。

研究表明：苜蓿植株茎秆的抗剪切强度与含水率呈指数函数关系，苜蓿植株茎秆的剪切强度随苜蓿品种、发育期、茎秆直径、切段长度、密度的不同而改变，茎秆的纤维含量和木质化程度的高低、细胞壁的厚薄，导致茎秆的抗剪切强度底部和上部大小差别较大[19～21]。Nazari Galedar等人的研究表明，新鲜的苜蓿植株茎秆底部的抗剪切强度约为28MPa，中部位置约为22MPa，上部位置约为15MPa[16]。

试验验证，相关研究中对苜蓿植株茎秆的力学特性参数的标准是准确的，茎秆的拉伸强度、剪切强度与苜蓿植株的成熟度有关，与茎秆的含水率有关[22]。另有研究表明青秆紫花苜蓿(Meczcago satzua L. )刚性模量平均为0.1225GPa，经烤箱烘干后为1.145GPa[23]。梯牧草的劲性模量为1260～3900N/mm2[24]。

2 苜蓿茎叶的生物力学特性

苜蓿叶片蛋白含量接近23.0%～27.67%。农户在收割、晾晒过程中由于茎叶的干燥速度不一致和粗放的作业方式，导致叶片脱落、丢失严重，从而使得草捆平均蛋白含量降低，影响饲草品质[25]。试验结果表明紫花苜蓿的叶面积大小与生物量呈显著正相关，即叶面积越大，生物产量越高[26，27]。采用茎叶分离技术，可显著提高苜蓿的营养价值[28]。张东光[29]在分析研究紫花苜蓿茎叶连接特性、抗拉特性和剪切特性等生物力学特性的基础上，提出饲草收获采集之后可通过茎叶直接分离实现苜蓿的有效利用，提高饲草利用率。李树等则指出，干燥过程中，叶短轴的收缩率最大[30]。

3 苜蓿根茎的生物力学特性

中国近20年来，植被被广泛应用在防治水土流失和山体滑坡的生态工程中[31,32]。有研究者选用草本植物紫花苜蓿根为研究材料，以期进一步揭示植物根系提高土壤抗冲击性和抗剪强度机理，为合理选择和配置水土保持植物提供理论支持。结果表明草本植物紫花苜蓿根的抗拉测试结果与其他学者对木本植物根的研究结论是相似的：根的抗拉强度与直径之间存在幂函数负相关关系；根的纤维素含量与直径之间存在线性负相关关系；根的抗拉强度与纤维素含量之间存在线性正相关关系。根的木质素/纤维素的比值越大，抗拉强度越小，纤维素含量对于维持根抗拉强度的作用大于木质素含量。从生物机械组织成分纤维素含量角度可以合理地解释植物根的直径愈小，抗拉强度愈大的特性。紫花苜蓿根的平均抗拉强度为10.01MPa，约为Ⅰ级钢筋抗拉强度的5%。紫花苜蓿根的应力与应变为对数函数关系，不符合胡克定律，属于弹塑性材料。直径愈小，紫花苜蓿根的应力-应变关系对应的变率敏感程度愈高，根的极限延伸率愈大[33～36]。

4 苜蓿机械加工过程中的生物力学特性

4.1 苜蓿压扁过程中的生物力学特性

紫花苜蓿是比较耐寒的多年生牧草[37]。干草是紫花苜蓿重要的产品之一，其调制是紫花苜蓿产业的重要环节[38]，而调制技术是确保获得优质、高效产品的关键[39]。苜蓿经72h晾晒至安全含水量时，叶片脱落率达56%，而在含水量降至52%时叶片损失率仅为29%，即后期出现严重茎叶干燥不同步现象。目前研究苜蓿机械压扁的目的是研究对压扁苜蓿干燥速度的影响。压裂茎秆是一种非常有效的加速牧草干燥的方法，苜蓿干燥时叶茎的干燥速度不同步，机械压扁紫花苜蓿茎秆，使茎秆产生破裂，导致内部部分组织结构变形，减少了茎秆内部水分移动的阻力，使茎秆的干燥速度趋于同步，从而减少叶在干燥时的营养损失。压扁干燥方式可以提高紫花苜蓿干草品质[40～44]。采用机械方法压裂茎杆可以加快茎的干燥速率：当压强超过2.4MPa时，随着压强的增大，苜蓿茎的干燥速率的增加不明显；干燥温度为100℃时，当压扁率为0.4914时苜蓿茎的干燥速率快于叶的干燥速率，当压扁率为0.2457时苜蓿茎与叶的干燥速率接近；干燥温度为80℃时，压扁率为0.2457的苜蓿茎与叶的干燥速率接近[30]。

4.2 苜蓿压缩过程中的生物力学特性

被誉为“牧草之王”[45,46]的苜蓿，是现代化畜牧养殖业中高产、高效、优质的饲料。但是其本身松散、容积密度小、收集和运输困难，很难实现商品化，因此需要把苜蓿压缩成具有一定体积及密度的草捆、草块、草颗粒，以适应不同商品化的需要[47]。

通过对压缩过程中径向压缩力的测试研究，表明当压缩密度小于50kg/m3时，径向压缩力受压缩密度、压缩速度和初始密度的影响较小，反之，影响较大。在一定喂入量（初始密度）条件下以不同压缩速度压缩时，轴向和径向压缩力之间呈线性关系[48]。紫花苜蓿的蠕变模型为四元件伯格斯模型，且含水率、初始密度和载荷对紫花苜蓿蠕变特性都有影响。含水率的增加会使弹性系数和黏性系数减小；初始密度的增加会使弹性系数增大，黏性系数减小；载荷的增加会使弹性系数值逐渐增大[49]。

5 结论

苜蓿生物力学特性的研究结果是引导专业技术人员进行研发具备良好作业性能的机器设备的依据，可促进苜蓿生产机械化、现代化的创新与发展。

苜蓿茎秆是一种天然的、各向异性的高分子生物材料，但在目前的研究过程中还是将苜蓿茎秆作为各向同性的弹性体，不能准确反映茎秆各项异性的力学结构特性。

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Research Current Situation on Biomechanics Properties of Alfalfa

YANG Tian-xing1, WEI Wan-hua1, ZHAO Chun-hua2
(1.School of Bailie Mechanical Engineering ,Lanzhou City College, Lanzhou 730070; 2.Engineering College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070)

In this paper, the research progress of the biomechanical characteristics of alfalfa is described.To provide reference for the technical personnel have a good operating performance of the machine, and promote the innovation and development of alfalfa production mechanization and modernization.

Alfalfa; Mechanical properties; Research current situation

S823.4

A

1004-4264（2017）04-0053-04

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.04.014

2016-11-15

甘肃省高等学校科研项目(2015B-85)；国家自然基金项目“基于苜蓿草刈割期茎叶力学化学特性的机械化收获压扁机理研究”(51565002)。

杨天兴(1974-)，男，副教授，现从事机械类教学与牧草收获研究工作。