油菜机械移栽载苗基质块力学与生物学特性分析

胡乔磊，廖庆喜,2，王 洋

油菜机械移栽载苗基质块力学与生物学特性分析

胡乔磊1，廖庆喜1,2※，王 洋1

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

为保证油菜载苗基质块具有良好的机械移栽适应性和幼苗生长质量，该文针对油菜机械移栽过程中载苗基质易出现破损导致取送苗失效问题，以正方体油菜载苗基质块为研究对象，对载苗基质块力学特性和生物学特性进行研究，开展以基质成分配比（蚯蚓粪：黄棕壤∶蛭石混合体积比为1∶2∶1、1∶1∶1和2∶1∶1）、基质压实度（基质与穴孔体积比为1.0、1.2和1.4）、硼硒营养液浓度（0.24%、0.27%和0.30%）为因素的正交试验。结果表明：基质成分配比和基质压实度对油菜载苗基质块力学特性影响分别为极显著和显著；基质成分配比及基质压实度对幼苗壮苗指数影响极显著，硼硒营养液浓度对其影响显著；基质成分配比和基质压实度均对基质包裹度及根系健壮度影响极显著，硼硒营养液浓度对基质包裹度及根系健壮度影响显著。采用综合评分法得出基质成分配比为1∶1∶1、基质压实度为1.2、硼硒营养液浓度为0.30%时油菜载苗基质块力学特性及幼苗生长质量较优。对上述因素组合所育油菜载苗基质块进行台架试验可知：在移栽机横向推苗速度20 mm/s，同步输送带速度30 mm/s，取苗频率40株/min试验条件下，基质损失率为2.57%、送取苗成功率为90.93%，满足机械移栽需求。

机械化；基质；移栽；油菜载苗基质块；育苗设计；特征分析

0 引 言

中国油菜种植面积及产量均居世界第一，其中85%以上油菜种植集中于长江流域冬油菜区，采用稻油两熟或三熟制的水旱轮作种植模式，茬口矛盾突出，油菜机械化移栽技术是缓解茬口矛盾的重要生产手段之一[1-4]。现有油菜移栽育苗方式多以钵苗、穴盘苗及载苗基质块为主[5]，相较于其他育苗方式，基质块育苗具有可以提供更多的营养成分、移栽时对幼苗根系损伤更小等优点[6-7]，然而机械移栽作业时，移栽机送苗、取苗装置对所育油菜载苗基质块进行推送、夹取及投放动作，该过程易造成幼苗基质部分破损导致取苗失效[8-9]。研究油菜载苗基质块合理的育苗方案，可为油菜载苗基质块移栽机的设计提供参考价值。

为解决移栽机送取苗过程中存在的问题，国内外专家和学者根据现有移栽机取苗方式及育苗质量进行了相关研究。针对育苗机械物理特性对取苗过程的影响，童俊华等[10]研究发现适当的钵苗加持角度、取苗爪结构、以及基质成分配比，可提高取苗机构抓取可靠性；Jin等[11]研究发现机械移栽时钵苗破损率、取苗成功率主要受取苗装置取苗角度、速度及夹取力的影响；而钵苗的基质配比和力学性能同样对移栽过程中基质的破损率和取苗成功率影响显著[12-14]。针对育苗质量，相关研究以育苗物理参数来评价所育幼苗生长质量，张硕等[15]研究了不同成分的基质和配比对黄瓜苗株高、茎粗和植株干鲜重的影响；Saoirse等[16]对基质类型和压实度对黄瓜根系根长、根体积的影响进行了研究；Jong等[17]研究了施肥时营养液浓度与黄瓜苗株高、茎粗和茎叶鲜质量的关系。朱传霞等[18]研究发现不同硼硒营养液浓度可显著影响油菜生长过程中叶片理化性质、根系活力。可知，为保证良好的机械移栽效果，需所育钵苗具有良好的力学特性和生长质量，而基质成分配比、基质压实度及所用营养液浓度是影响钵苗力学特性及幼苗生长质量的主要因素。

综上可知，目前机械移栽育苗研究多以穴盘苗、钵苗力学特性、各项物理参数以及与送取苗装置的适应性为主，鲜见对载苗基质块与机械移栽适应性及幼苗生长质量的研究。本文以正方体油菜载苗基质块（包括基质块及其上生长的油菜幼苗）为研究对象，以油菜载苗基质块力学特性（包括屈服力及跌落损失率）和幼苗生物学特性（包括壮苗指数、基质包裹度及根系健壮度）为试验指标，开展育苗试验，分析得出油菜载苗基质块较优育苗因素组合，并对该油菜载苗基质块机械移栽适应性进行了台架试验，结果表明满足机械移栽需求。

1 材料与方法

1.1 试验材料制备

油菜基质块由蚯蚓粪、黄棕壤及珍珠岩混合组成。压模成型前对蚯蚓粪及黄棕壤进行目数为10的筛网清杂处理，处理后基质颗粒粒径小于2 mm[19-20]。于2018年9月在华中农业大学育苗实验室使用自制组合式基质块压模盘进行育苗，压模盘共100个边长40 mm的正方体压模孔，育苗时将配制完成的基质块压模盘置于恒温25 ℃、恒湿90%的育苗箱内[21-22]，待种子发芽后将压模盘拆除，并将所得油菜载苗基质块移至室外育苗。育苗选种为“华油杂62”。

以基质成分配比、基质压实度和硼硒营养液浓度作为育苗试验因素，按照所选基质成分体积比不同分为3组：蚯蚓粪、黄棕壤、珍珠岩配比取1∶2∶1、1∶1∶1和2∶1∶1，其中蚯蚓粪主要为油菜幼苗生长提供营养物质，黄棕壤增加基质内颗粒间的粘结力，珍珠岩提高基质块吸水、持水能力[23-24]；基质压实度为混合均匀的基质体积与穴孔体积比，育苗时采用1.0、1.2、1.4，3种压实度，适当的压实度可提高根系与基质间的接触面积，促进根系生长，同时提高基质颗粒间团粒度[25]；用朱传霞等[18]人所研制的硼硒营养液配方，配置0.24%、0.27%、0.30%，3种不同浓度硼硒营养液，于苗龄15、20 d时对油菜载苗基质块进行1 L定量喷灌。

育苗期间每日定时对每盘幼苗均匀喷洒清水0.5 L，保持幼苗生长所需水分，并于试验前两天停止浇水，降低油菜基质块含水率，提高基质块移栽时的屈服力。于苗龄17 d对所育油菜载苗基质块喷洒0.25%吲哚乙酸溶液，以抑制油菜徒长形成高脚苗同时促进幼苗生根。育苗28 d达到适栽期时开始试验，试验测得载苗基质块平均质量为85 g，变异系数8.18%，含水率23%～30%。

a. 压模盘内育苗b. 移至室外育苗 a. Cultivation in seedling plateb. Cultivation moving to outdoor

试验采用三因素三水平正交试验，各试验因素与水平如表1所示，各项试验共进行9组测试，每组测试取10个样本，取10次测试结果的平均值作为该组测试结果，利用Design-expert 8.0.6对试验数据进行处理。

表1 试验因素与水平

1.2 试验方法

1.2.1 油菜载苗基质块力学特性测定方法

试验选用TMS-PRO型质构仪与其配套的压缩平板对油菜载苗基质块进行屈服力与形变试验测定，如图2所示。试验时压缩速度为1 mm/s，压缩量为10 mm，每组数据重复10次，取平均值，分析全过程的屈服力与形变变化情况。

1.TMS-PRO型质构仪 2.圆形压缩平板 3.油菜载苗基质块

以跌落损失率评价油菜载苗基质块的机械强度以及承受抗跌碎的能力。将预先称量过的载苗基质块从40 cm高度自由落体跌落到水平硬质地面，重复5次后再称量，跌落后载苗基质块损失的质量与原质量的百分比定义为跌落损失率[20]。

1.2.2 幼苗壮苗指数分析方法

采用壮苗指数作为所育油菜幼苗生长质量评价指标[13]。对油菜载苗基质块进行清水浸泡、洗涤处理，去除基质成分，得到完整油菜幼苗植株，用游标卡尺对幼苗进行株高、茎粗测定，利用烘干风箱在设定温度为85 ℃下对油菜幼苗进行14 h干燥处理，测定幼苗干物质质量，对烘干后幼苗进行茎叶、根系分离操作，测定根系及茎叶部分干物质质量。壮苗指数计算公式如式（1）。

式中为状苗指数；为茎粗，mm；为根系物质干质量，g；为茎叶干物质质量，g；为株高，mm。

1.2.3 幼苗根系特征测定方法

本研究中，随机选取各试验组油菜载苗基质块10株，将去除基质后的油菜幼苗根部均匀分布在采光板上，对图像进行摄像采集，并导入到由万深检测科技有限公司研发的LA-S系列植物根系分析仪系统（分辨率精度0.008 mm×0.008 mm）中，对图像进行数据提取，获得所育油菜幼苗不同分布区间的根长、根表面积及根系体积。此外，以0～20 mm分布区间的侧根系长度作为基质包裹度E的评价指标；以根系总体积作为根系健壮度E的评价指标。

1.2.4 综合评分方法

为满足较优育苗要求，各评价指标如屈服力、壮苗指数、基质包裹度、根系健壮度应达到最大值，其归一化方程为

式中X为各指标各组试验归一化值；X为各指标各组试验值；max为各指标在各组试验中最大值；min为各指标在各组试验中最小值。

跌落损失率应达到最小值，其归一化方程为

式中*为每组试验跌落损失率的归一化值；为每组试验跌落损失率的试验值；max为每组试验跌落损失率的最大值；min为每组试验跌落损失率的最小值。

综合评分计算公式为

式中X1为屈服力归一化值；*2为壮苗指数归一化值；*3为根系包裹度归一化值；*4为根系健壮度归一化值；*为跌落损失率归一化值。

2 试验结果与分析

2.1 油菜载苗基质块力学特征分析

不同育苗因素组合油菜载苗基质块所测力与形变曲线图变化趋势总体一致，本文给出了基质成分配比1∶1∶1、基质压实度1.2、硼硒营养液浓度为0.30%所育油菜载苗基质块平板压缩过程力与形变曲线图（图3）。由采集的压缩曲线及采样数据可知，压缩量为0～1.2 mm时载苗基质块处于预压缩阶段，主要为载苗基质块表面较大粗糙颗粒与金属压缩平板的点接触，压缩量增大载荷快速增加；压缩量为1.2～5.1 mm时载苗基质块处于线弹性阶段，为载苗基质块与金属压缩平板的面接触，压缩量与载荷成比例增大；当压缩量超过6.3 mm时，载荷超过载苗基质块屈服力，此时载苗基质块处于屈服阶段，载苗基质块开始出现破损，基质间出现滑动、坍塌和重新排列，压缩量增加载荷变化不大；当压缩量继续增大时载苗基质块被压实，载荷随压缩量增加而增大[26-28]。试验发现在压缩屈服阶段油菜幼苗根系对基质颗粒具有包络效果，可有效减少基质颗粒脱落。

注：N为油菜载苗基质块最大屈服力所在点。

采用正交试验和方差分析对所采集的油菜基质块屈服力F和跌落损失率S进行数据处理，结果见表2、表 3。由表2可知，当基质块中黄棕壤含量增多时，屈服力F增大、跌落损失率S减小，这是因为黄棕壤土质属粘性大的重黏土，黄棕壤含量增加可提高对基质块中的珍珠岩的粘结作用及基质颗粒间的粘结力，提高基质块的抗压能力；增大压实度可以有效减小基质颗粒间的距离，减小基质块孔隙度，使基质颗粒间的接触面积增大，提高了基质颗粒团粒度，使基质块在跌落时不宜松散，降低跌落损失率。

表2 屈服力与跌落损失率正交试验

表3 屈服力与跌落损失率试验方差分析

注：＜0.01（极显著），＜0.05（显著）。下同。

Note:<0.01(extremely significant),<0.05(significant). The same as below.

由表3可知，基质成分配比对屈服力F、跌落损失率S影响均极显著；基质压实度对屈服力F及跌落损失率S影响均显著；营养液浓度对屈服力F、跌落损失率S影响均不显著。

2.2 基质参数对幼苗生物学特性分析

2.2.1 基质参数对幼苗壮苗指数影响分析

对油菜幼苗壮苗指数数据进行正交试验和方差分析处理，结果见表4、表5。由表4可知，壮苗指数随基质块中蚯蚓粪含量、基质压实度及营养液浓度增高而先上升后下降，这是因为蚯蚓粪及硼硒营养液营养物质含量丰富，而油菜育苗期间水肥过于充足会导致幼苗徒长，导致育苗出现高脚苗现象[29]。基质压实度为1.4时，过高的压实度会导致基质块孔隙率降低，降低基质块的透气性和持水能力，同时增大油菜幼苗根系生长过程中所受阻力，不利于根系在基质块内扩散生长，进而导致幼苗根系与基质颗粒接触面积减小，影响幼苗根系对营养物质的吸收[14]；基质压实度为1.0时，基质颗粒间孔隙度大，持水性能较差，育苗期间基质块水肥流失严重，不利于幼苗生长；适中的基质压实度可保证基质块的持水性，同时可以提高幼苗根系与基质颗粒间的接触面积，加上适宜浓度的营养液补充，有利于提高育苗壮苗指数。

表4 壮苗指数正交试验

表5 壮苗指数方差分析

由表5可知，基质成分配比及基质压实度对壮苗指数影响极显著，硼硒营养液浓度对壮苗指数影响显著。

2.2.2 基质参数对幼苗根系生长影响分析

本文给出了基质成分配比为1∶1∶1、基质压实度为1.2、硼硒营养液浓度为0.30%时，油菜幼苗根系各项指标生长状态分布图（图4）。可见，在0～30 mm这6个等分分布区间内，幼苗根系各项指标在各区间内逐级递减。在0～5 mm分布区间内，根系长度为344.50 mm，占幼苗根系总长度的49.05%；根系表面积为414.52 mm2，所占根系总表面积比例为37.26%；根系体积为69.84 mm3，占根系总体积比为31.73%。原因为此区间根系主要为侧根上旁生出的细小侧根系，其可有效增加根系与基质颗粒的接触面积，提高幼苗对营养物质的吸收，同时可进一步对基质颗粒产生包裹效应，降低载苗基质块受压及跌落时的损失率；各项指标在0～30 mm分布区间内逐级递减，其中20～30 mm区间内主要为主根系根部区域，侧根系数量极少，不作为基质包裹度E研究区域。

图4 油菜根系各项指标分布图

基质包裹度E和根系健壮度E均随蚯蚓粪含量、基质压实度以及硼硒营养液浓度的增加先上升后下降（表 6），原因为蚯蚓粪营养物质含量丰富，当蚯蚓粪含量过高时，基质块所含营养过剩，会导致幼苗徒长出现“高脚苗”现象，同时过高的蚯蚓粪含量会降低基质颗粒间的粘结度，导致基质块紧实度降低，持水性及力学特性下降；适当增大基质压实度，可减小基质颗粒间的间隙，降低孔隙度，增大幼苗根系与基质颗粒的接触面积，同时适度的压实度能提高基质块吸水后的持水能力，有利于为幼苗生产持续供水，但基质压实度过大时，幼苗根系生长所受阻力增大，同时不利于喷洒后的水分渗入基质块内部，进一步影响幼苗根系生长；硼硒营养液对幼苗生长有促进作用，但油菜幼苗生长过程中易因营养物质含量充足而出现“高脚苗”现象，因此基质包裹度E和根系健壮度E均随硼硒营养液含量增加先上升后下降。

由表7可知，基质成分配比和基质压实度均对基质包裹度E及根系健壮度E影响极显著；硼硒营养液浓度对基质包裹度E及根系健壮度E影响显著。

表6 基质包裹度与根系健壮度正交试验

表7 基质包裹度与根系健壮度方差分析

3 综合评价分析

由试验分析可知，不同的试验因素对各指标的影响不同，对于油菜载苗基质块而言，在保证油菜幼苗生长质量的同时，应保证油菜基质块的力学特征，即使油菜载苗基质块具有良好的幼苗生长质量和机械移栽适应性。为确定较优育苗因素组合，采用综合评分法对不同育苗因素组合所育油菜载苗基质块进行综合特征分析，取屈服力F、壮苗指数、基质包裹度E、根系健壮度E、跌落损失率S为评价指标，各指标权重系数均为0.2[25]。

各评价指标综合评分正交试验结果如表8所示，各育苗因素对综合评分的影响均为先增大后减小，得到较优育苗因素组合为223综合评分为82.96，其余综合评分大于70的育苗因素组合为122。

表8 综合评分正交试验

4 台架试验验证

为验证各育苗因素组合所育油菜载苗基质块机械移栽送取苗效果，取综合评分大于70所育油菜载苗基质块各42（6列×7排）株，结合自行研制的油菜载苗基质块移栽机，开展送苗取苗台架试验，如图5所示。移栽前将油菜载苗基质块整齐摆放在移栽机送苗盘内，油菜载苗基质块移栽机工作时，单片机控制送苗装置将送苗盘内油菜载苗基质块横向推送至同步输送带上，在同步输送带的输送下，油菜载苗基质块经过分苗装置逐个分离并运动至取苗位置，在气缸控制下，取苗装置取苗夹通过闭合、张开完成对油菜基质块的夹取与投放。试验时移栽机横向推苗速度20 mm/s，同步输送带速度30 mm/s，分苗及取苗频率为40株/min。

1.取苗装置 2.分苗装置 3.油菜载苗基质块 4.送苗装置

为测试所育油菜载苗基质块机械移栽适应性，定义油菜载苗基质块由送苗盘输送至取苗位置，并被取苗装置夹取完成投放动作为送取苗成功。实际台架试验中，取苗失败的情况包括送苗过程阻塞和取苗过程油菜载苗基质块发生倾倒。实际测量中，基质损失主要集中在取苗装置夹取及落苗时基质块与地面的碰撞过程中，故在基质损失率的统计中，以送取苗成功前后的载苗基质块质量差作为基质损失率。因此试验以油菜载苗基质块移栽完毕后基质损失率1及送取苗成功率2为评价指标，具体计算公式如下

式中m为试验前油菜载苗基质块的质量，g；m为试验后油菜载苗基质块的质量，g；为油菜载苗基质块总个数；n为油菜载苗基质块送取苗失败个数。

台架试验结果如表9所示，育苗因素组合122和2232种育苗因素组合的基质损失率分别为2.22%和2.57%，均低于苗钵认定为严重破损的25%质量损失[30]，表明以上2种育苗因素组合所育油菜载苗基质块的基质损失率均满足移栽机作业要求；送取苗成功率最高为育苗因素组合223的90.93%，得出基质成分配比为1∶1∶1、压实度为1.2、硼硒营养液浓度为0.30%时，所育油菜载苗基质块的力学特性及幼苗生长质量较优。同时分析送苗取苗失败主要原因为：1)机械移栽过程中个别油菜载苗基质块与相邻幼苗相互缠绕，导致载苗基质块重心不稳发生倾倒，使送取苗失效；2)台架试验所用移栽机为自制油菜载苗基质块移栽机，由于装置加工精度问题，送苗盘与同步输送带之间连接间隙以及各行送苗装置安装角度存在误差，导致送取苗成功率仅90%左右，后续有待进一步优化完善。

表9 台架试验

5 结论与讨论

1）油菜载苗基质块育苗因素正交试验结果表明：基质成分配比和基质压实度对油菜载苗基质块力学特性影响分别为极显著和显著；基质成分配比及基质压实度对油菜幼苗壮苗指数影响极显著，硼硒营养液浓度对其影响显著；基质成分配比和基质压实度均对基质包裹度及根系健壮度影响极显著，硼硒营养液浓度对基质包裹度及根系健壮度影响显著。

2）采用综合评分法得到育苗因素为基质成分配比1∶1∶1、基质压实度1.2、硼硒营养液浓度0.30%时所育油菜载苗基质块力学特性及幼苗生长质量较优。

3）台架试验表明：在横向推苗速度20 mm/s，同步输送带速度30 mm/s，分取苗频率40株/min试验条件下，较优育苗因素组合所育油菜载苗基质块基质损失率为2.57%、送取苗成功率为90.93%，满足机械移栽作业要求。

本研究可为油菜机械移栽载苗基质提供合理的育苗方案，为油菜载苗基质块移栽机送取苗装置的设计提供参考价值。后续将针对田间试验工作条件下油菜载苗基质块与移栽机适应性关系及大田移栽后油菜幼苗的持续生长状态做进一步研究。

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Mechanical and biological characteristics analysis of mechanically transplanted rapeseed substrate block seedlings

Hu Qiaolei1, Liao Qingxi1,2※, Wang Yang1

(1.,430070,; 2,,430070,)

The physical characteristics of rapeseed substrate block seedlings could affect its mechanical transplanting. In this paper, we measured the mechanical and biological characteristics of cubic rapeseed substrate block and link them to the safety in collecting, transporting and transplanting rapeseed substrate block seedlings. Orthogonal experiments were designed with substrate components ratio of earthworm dung, yellow brown soil, vermiculite mixture in the substrate at 1∶2∶1, 1∶1∶1 and 2∶1∶1 respectively, their associated compactness at 1.0, 1.2 and 1.4 respectively, and the concentration of boron and selenium in the solution at 0.24%, 0.27% and 0.30% respectively. We measured the mechanical characteristics of the rapeseed substrate block seeding (including its yield strength and drop loss rate) and the biological characteristics of the seedlings (including strong seedling index, substrate encapsulation degree and root robustness). The results showed that both substrate composition and compaction affected the mechanical characteristics of the rapeseed substrate block seedling, the seedling growth and root robustness at significant level or above; the concentration of boron and selenium also had a significant impact on the mechanical characteristic of the rapeseed substrate block seedlings. Substrate encapsulation degree and root robustness were both significantly affected by substrate composition ratio, compactness and concentration of the boron and selenium. The yield strength and drop loss rate of the rapeseed substrate block seedlings increased with both content and compactness of the yellow brown soil. With earthworm feces content increasing, the strong seedling index, substrate encapsulation degree and root robustness increased first followed by a decline. An increase in compaction degree and concentration of boron and selenium also resulted in an increase followed by decline in substrate encapsulation degree and root robustness. We used a comprehensive scoring method to determine the optimal combination of the seedling-raising factors by taking yield strength, strong seedling index, substrate encapsulation degree, root robustness and drop loss rate as evaluating factors with each having a weighting coefficient of 0.2. The results showed that the mechanical characteristics and the growth quality of the seedlings peaked when the ratio of all substrate components was 1∶1∶1, the compactness was 1.2 and the concentration of boron and selenium was 0.30%. A bench test results revealed that the requirements for mechanical transplanting were met when the transverse seedling pushing-speed was 20 mm/s, synchronous conveyor belt speed was 30 mm/s, the seedling picking frequency was 40 plants/min, the substrate loss rate was 2.57%, in which the feeding seedling successful rate was 90.93%. The failure of sending and collecting the seedlings could occur 1) in the process of mechanical transplanting where seedlings intertwined, resulting in an instability of the gravitational center of the seedlings, 2) in that the home-made transplanter might not be accurate enough in the bench test as there was a gap between the feeding tray and the synchronous conveyor belt, and that the installation angle of the row feeding device might bear errors. All these could result in the feeding-seedlings rate dropping to 90%.

mechanization; substrates; transplants; rapeseed substrate block seedling;seedling raising design; characteristic analysis

胡乔磊，廖庆喜，王 洋. 油菜机械移栽载苗基质块力学与生物学特性分析[J]. 农业工程学报，2019，35(24)：58－65.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.007 http://www.tcsae.org

Hu Qiaolei, Liao Qingxi, Wang Yang. Mechanical and biological characteristics analysis of mechanically transplanted rapeseed substrate block seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 58－65. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.007 http://www.tcsae.org

2019-05-06

2019-06-11

国家油菜产业体系专项（CARS-12）；农业部科研杰出人才及创新团队；湖北省丘陵山区主要农作物机械化生产关键技术装备研发与集成示范

胡乔磊，博士生，主要从事油菜移栽技术与装备研究。Email：hzauhuqiaolei@163.com

廖庆喜，教授，博士生导师，主要从事油菜机械化生产技术与装备研究。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.007

S237

A

1002-6819(2019)-24-0058-08