成熟期油菜茎秆物理模型试验研究

罗海峰，吴明亮，翁伟，沈宇峰，张利峰

(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省农业机械鉴定站，湖南 长沙 410004)

油菜是一种重要的油料作物，种子含油量为33%～50%。油菜机械化生产过程中收获作业是重要的环节，及时收获以及高效率收获可以增加作物产量，缩短收获期，提前后茬作物的种植时间。但油菜植株与稻麦相比差别较大，油菜植株高大，分枝数多，枝间交叉缠绕，收获作业时割晒机或联合收割机上的外分禾器难以将植株分开，导致分禾器牵扯未分离的植株，以至于将两侧的植株拖离，而使得割台堵塞，机械难以正常作业。分禾过程中枝茎相互牵拉还会导致角果炸裂，从而使得机械收获损失增加，因此，分离茎秆成为油菜收获作业中的主要难题[1–9]。目前在研究油菜机械化收获作业时，国内学者从农机农艺融合角度出发，一方面研究培育适应油菜机械收获作业的矮秆分枝少品种，来解决机收难题；另外一方面从油菜田间植株特性出发，研究其现有分枝数目和规律等，找出合适的种植密度，获得较优的植株物理特性；对油菜茎秆力学特性进行试验研究，获得茎秆切割力的基础数据[10–14]。为更好的了解油菜植株本身的田间生长特性，笔者对其茎秆的生长变化进行研究，分析茎秆直径变化与高度和分枝间的自身规律，为油菜机械化收获等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

测试的油菜品种为湘杂油6 号。测试时间2013– 04–25；用游标卡尺测量，精度为0.02 mm。

1.2 方 法

于2013年4月25日，从田间取油菜茎秆到实验室立即进行测试。分别对主径秆(地表面至450 mm 处)、第一级分枝(主径上节点向分枝延伸至300 mm 处)、第二级分枝(第一级分枝上节点向第二分枝延伸至150 mm 处)、第三分枝(结籽部位茎秆)等不同位置(图1)直径进行测量，其中每个点测试3组数据。最后选取3 根有代表性的油菜主茎秆做离 地高度分布测试，从离地50 mm 起每隔50 mm 测试一个点，每个点测试3 组数据。

图1 油菜植株取样模型

2 结 果

2.1 不同部位直径分布规律

由表1 可以看出，从主茎秆到第一分枝、第二分枝、第三分枝，直径大小逐渐递减，通过对9 组数据的方差分析(表2)可以发现，主茎秆的方差值比其他部位的要大，且依次减小，说明随着分枝的级数增加，其对应茎秆直径大小基本趋向于稳定状态。组间的F 值远远大于Fcrit，说明随茎秆部位的改变，其直径大小变化极显著。对获得的9 组数据求平均值，最后对不同部位直径变化进行数据拟合(图2)，得出随分枝数的增加，其直径大小是按指数函数递减，变化模型如公式(1)，置信度为0.986 2。

图2 不同部位直径的变化规律Fig. 2 Diameter variations in different parts

表1 油菜茎秆直径 mm

表2 方差分析结果

2.2 主茎秆直径变化规律

对油菜主茎秆进行测量试验，每间隔50 mm 测试3 组数据，测得的直径列于表3。随离地高度的增加，主茎秆的直径逐步减小，对其直径求平均值得图3，对该数据进行拟合，表明直径随离地高度的增加呈线性减小，其函数表达式为：

表3 不同的离地高度油菜茎秆直径的测量值 mm

续 表 mm

图3 茎秆直径沿离地高度的分布规律

对直径的变化幅度进行差值求解，得到图4，结果表明其变化范围在1~4 mm，且变化差值绝对值90%在0~2 mm。

图4 直径变化差值随离地高度的变化

3 讨 论

通过对油菜茎秆的主茎秆及分枝的直径测试，获得了不同部位直径的变化规律及主茎秆离地高度对应直径的变化规律。

本研究结果表明：油菜不同分枝部位直径的大小变化是按指数函数递减，其变化模型为y =77.74e–1.0113x(R2=0.986 2)，且茎秆部位的改变对其直径大小的影响极显著；不同离地高度的主茎秆直径表明，直径随离地高度的增加呈线性减小，变化规律为：y = –0.981 7x+ 34.35(R2=0.987 1)，且变化幅度90%处在0~2 mm 内。

本研究是在对直径做横截面测量的基础上进行的，未完成茎秆三维实体测量，且对某部位的测试是选取了定点位置，因此不能完全再现茎秆的变化规律，有必要在后续的研究当中对茎秆的外形实行三维多点扫描成像分析，获取三维云图，并将茎秆、叶、果荚、角果柄等纳入研究范围，这样可以更加真实的了解油菜植株的外形变化规律。

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