三七种苗的物理机械特性试验

田 蕊，张兆国*，程一启，崔秀明

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大学 生命科学与技术学院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地药材可持续发展利用重点实验室，云南 昆明 650500)

三七种苗的物理机械特性试验

田 蕊1,2,4，张兆国1,2,4*，程一启1,2,4，崔秀明3,4

(1.昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500； 2.云南省高校中药材机械化工程研究中心，云南 昆明 650500；3.昆明理工大学 生命科学与技术学院，云南 昆明 650500； 4.昆明市道地药材可持续发展利用重点实验室，云南 昆明 650500)

对不同等级三七种苗的质量、根长和根直径、密度、含水率、压缩特性和剪切特性进行试验研究。结果表明，质量、根长和根直径、密度、含水率都与三七种苗的等级呈正相关，其最大轴向压缩应力、径向压缩应力、轴向剪切应力、径向剪切应力分别为1.82、0.41、0.51、1.14 Mpa，平均轴向压缩弹性模量、径向压缩弹性模量、轴向剪切模量、径向剪切模量分别为0.051、0.008、0.011和0.032 Mpa。通过研究三七种苗的物理机械特性，为其移栽和采挖机械设计提供理论基础。

三七种苗； 物理机械特性； 统计分析

三七(Panaxnotoginseng)在中国云南省文山州多有种植，为多年生草本植物。三七红籽(种子)在种植1年以后长成三七种苗，在每年11月到翌年1月进行种苗采挖并移栽，3年后收获。至2015年底，三七种植面积已达3万hm2，且种植面积逐年上升[1-4]。

三七移栽主要依靠人工，劳动强度大，耗时耗力，因而研制出适合三七种苗采挖和移栽的农业机械意义重大[5]。

目前对于三七种苗的分级尚无统一的标准，董弗照等将其分为三级[6]，中国医学科学院药用植物资源开发研究所将其分为四级[7]，崔秀明等依据种苗对三七生长发育的影响和产量对三七种苗进行了分类，分为四级[8]。

对于三七种苗的研究多集中在生物学特性、化学成分等方面[9-10]，而对于三七种苗的物理机械特性的研究鲜有报道。笔者根据崔秀明的分级标准(一级种苗3 g以上，二级种苗2～3 g，三级种苗1～2 g，三级以下种苗1 g以下)[8]研究不同等级的文山道地三七种苗的物理特性，包括质量、根长和根直径、密度、含水率、压缩特性和剪切特性[11-14]，以期为三七种苗的采挖和移栽机械化提供必要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试样于2016年11月取自云南文山州七丹药业股份有限公司的三七GAP种植基地，经张兆国教授鉴定为三七种苗。将采挖后的新鲜三七种苗茎杆切除，只留有根系部分，并将其上的土壤洗净，自然风干。

1.2 仪器

试验仪器主要有电子天平(精度0.01 g)、游标卡尺(精度0.01 mm)、直尺(精度0.1 mm)、量筒(20 mL)、北京中兴伟业仪器有限公司生产的灵敏度为±1 ℃，使用温度为RT+10～250 ℃的电热鼓风干燥箱(101-2AB型)、美国FTC公司生产的TMS-PRO型专业食品物型分析仪，该仪器力传感精度为0.015%，测量的范围为0～2.5 KN，收集的最高频率为2 Khz。

1.3 方法

1.3.1 质量、根长和根直径的测量

选取205株新鲜的三七种苗，用电子天平测量每株三七种苗的质量，确定其等级，并算出其每一等级的平均质量；用直尺测量从根茎基部(开始处)至最长的须根末端的长度即为根长；用游标卡尺测量根的最粗处，测三点取平均值为根直径。

1.3.2 密度的测量

采用液浸法测量种苗的体积，计算种苗质量与体积的比值，即密度。

1.3.3 含水率的测量

试验标准参照GB/T 14095—2007农产品干燥的试验方法[15]，按照常压恒温烘干法对刚从土壤里挖取的新鲜三七种苗进行含水率的测量。

1.3.4 压缩和剪切特性的测量

将种苗制作成长方体试样进行压缩试验。选用直径为10 mm的平板探头，温度20 ℃，空气湿度为50%，加载前速度为60 mm·s-1，加载速度为1 mm·s-1，试验标准参照GB/T 1928—2009木材物理力学试验方法总则[14]，采用的压缩位移为试样高度的70%。每组试验选取6个试样。选用和压缩试验相同的试样，选用刀片厚度为1.34 mm重型单刀复合剪切探头，试验环境温度为20 ℃，空气湿度为55%，加载前速度为60 mm·s-1，加载速度为1 mm·s-1，每组试验选取6个试样。试样尺寸如表1所示。

表1 试样的尺寸 mm

2 结果与分析

2.1 质量、根长与根直径

2.1.1 质量

由图1可知，不同等级的三七种苗的数量分布基本呈正态分布，一级种苗有9株，占4.39%；二级种苗有59株，占28.78%；三级种苗有110株，占53.66%；三级以下种苗有27株，占13.17%。二级和三级种苗最多，共占82.44%，二级和三级种苗在第3年收获时基本为30～60头的三七，和现有的三七统计学规律基本一致。

图1 三七种苗级数分布

由图2可知，被测三七种苗质量等级的平均质量分布呈上升趋势，其中，三级以下种苗的平均质量为0.82 g，三级种苗的平均质量为1.52 g，二级种苗的平均质量为2.42 g，一级种苗的平均质量为3.51 g。

图2 三七种苗质量等级

由SPSS 22.0中的单因素方差分析得出，不同等级的三七种苗之间的质量存在差异性，在α=0.05和α=0.01的情况下，各级三七种苗之间的质量差异显著和极显著，表明分级合理。

2.1.2 根长与直径

由图3和图4可知，三七种苗的根长和根直径随着三七种苗的等级提高而呈现整体上升趋势，说明随着级数的增加，不但根长增加，根粗也不断增加，符合三七生长规律。造成三七根长标准差较大的原因是三七种苗生长的不规律性，且种苗分级时考虑的因素为质量而非长度。

图3 根长分布情况

图4 根直径分布情况

由SPSS 22.0中的单因素方差分析可知，不同等级的三七种苗之间的根长存在差异性。在α=0.05时，各等级之间的三七种苗差异不显著，只是三级与二级之间差异显著，究其原因，可能是三七分级时，重量为主要因素，根长的差异对三七的生长影响没有质量的影响大，各级之间的根长差距并不如质量明显。

方差分析可知，不同等级的三七种苗之间的根直径存在差异性。在α=0.05时，不同等级之间的三七种苗根直径的差异不都显著，三级以下和三级之间与二级和一级之间差异显著。究其原因，可能是三七种苗的直径差异并不突出，尤其是三级和二级种苗之间质量差别不大，而直径间的差异尤其小。

2.2 密度

如图5所示，三七种苗的密度随着等级的上升呈上升趋势，但整体变化幅度不大。

图5 三七种苗的密度

方差分析可知，不同等级三七种苗间的密度存在差异。在α=0.05时，除三级以下和三级之间的差异性不大外，其余均有显著差异，主要原因是三七种苗的质量差异显著。

2.3 含水率

如图6所示，三七种苗的含水率随着等级上升呈上升趋势，但整体变化幅度不大。由方差分析得出，不同等级三七种苗间含水率存在差异。在α=0.05时，各等级间除一级和二级之间的差异显著外，其余均无显著差异。

图6 三七种苗的含水率

2.4 压缩特性

由图7可以看出，轴向压缩和径向压缩有明显的不同，为各项异性材料。随着压缩位移的不断增加，应力也不断上升，并呈近似线性关系，为弹性变形的阶段。轴向应力最大值为1.82 MPa，其轴向弹性模量为0.051 MPa；径向应力的最大值为0.41 MPa，其径向弹性模量为0.008 MPa。

图7 三七种苗的压缩特性

2.5 剪切特性

由图8可知，轴向剪切和径向剪切也有所不同。随着剪切位移的不断增加，应力也不断上升，并呈近似线性关系，为弹性变形的阶段。轴向应力的最大值为0.51 MPa，其径向剪切模量为0.011 MPa；应力的最大值为1.14 MPa，其径向剪切模量为0.032 MPa。

图8 三七种苗的剪切特性

3 小结

三七种苗不同等级数量分布基本呈正态分布，一级种苗占4.39%，二级种苗占28.78%，三级种苗占53.66%，三级以下种苗占13.17%；质量等级分布呈上升趋势，三级以下种苗的平均质量为0.82 g，三级种苗的平均质量为1.52 g，二级种苗的平均质量为2.42 g，一级种苗的平均质量为3.51 g；根长和根直径随着三七种苗的等级提高而呈整体上升趋势；三七种苗的密度，三级以下平均密度为0.8 kg·m-3，三级平均密度为0.86 kg·m-3，二级平均密度为0.97 kg·m-3，一级平均密度为1.2 kg·m-3；新鲜三七种苗的初始含水率，三级以下为81.2%，三级为81.4%，二级为81.6%，一级为83.7%；三七种苗轴向压缩应力最大值为1.82 MPa，轴向平均弹性模量为0.051 MPa，径向压缩应力的最大值为0.41 MPa，其径向平均弹性模量为0.008 MPa；三七种苗的轴向剪切应力最大值为0.51 MPa，轴向平均剪切模量为0.011 MPa；径向剪切应力的最大值为1.14 MPa，径向平均剪切模量为0.032 MPa。

[1] 蒋朝阳. 三七移栽机械手设计与虚拟仿真[D]. 昆明：昆明理工大学，2015.

[2] 于进川，张兆国，武占东，等. 悬挂式三年生三七挖掘收获机的研制及试验[J]. 农机化研究，2016(4)：130-133.

[3] 张永成. 自走式三七收获机的设计与试验研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2016.

[4] 任双燕. 三七果实去皮机的研制及其试验研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2015.

[5] 崔秀明，朱艳. 三七实用栽培技术[M]. 福州：福建科学技术出版社，2013.

[6] 董弗兆. 云南三七[M]. 昆明：云南科技出版社，1988.

[7] 中国医学科学院药用植物资源开发研究所.中国药用植物栽培学[M]. 北京：中国农业出版社，1991.

[8] 崔秀明，王朝梁，陈中坚. 种苗分级对三七生长和产量的影响[J]. 中药材，1998(2)：60-61.

[9] 夏鹏国，崔秀明，韦美膛，等. 三七的生物学特性研究进展[J]. 中药材，2012，35(5)：831-835.

[10] 崔秀明，王朝梁，贺承福，等. 三七种苗生物学特性研究[J]. 中国中药杂志，1995，20(11)：659-660.

[11] 赵菲菲. 牵引式三七收获机的设计与试验研究[D]. 昆明：昆明理工大学，2016.

[12] 任闯，高筱钧，苏微，等. 三七种子的物理机械特性试验[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版)，2015，41(1)：109-112.

[13] 杨望，杨坚，郑晓婷，等. 木薯力学特性测试[J]. 农业工程学报，2011，27(S2)：50-54.

[14] 李凯锋，杨炳南，杨德秋，等. 胡萝卜物理力学特性的试验研究[J]. 农机化研究，2016，38(5)：169-180.

[15] 郭徽. 云南三七干燥特性及其功效指标评价[D]. 昆明：昆明理工大学，2015.

(责任编辑：张瑞麟)

2017-02-22

云南省重点新产品开发项目(2014BC007)；云南省重大科技专项(2016ZF001)；云南省高校工程研究中心建设计划资助

田 蕊(1992—)，女，山东济宁人，在读硕士，研究方向为中药材物理机械特性，E-mail：1148463538@qq.com。

张兆国(1966—)，男，山东单县人，教授，博士，从事农业机械装备与技术方面研究工作，E-mail：zhaoguozhang@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170827

S567

A

0528-9017(2017)08-1379-04

文献著录格式：田蕊，张兆国，程一启，等. 三七种苗的物理机械特性试验[J].浙江农业科学，2017，58(8)：1379-1382.