适合机械化移栽的甘蓝植株形态特征研究

张兆辉,田守波,陈春宏,胡建平,邰 翔

(1上海市农业科学院庄行综合试验站,上海 201415;2上海市农业科学院设施园艺研究所,上海 201403;3江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室,镇江 212013)

结球甘蓝属十字花科芸苔属植物,又称为卷心菜、洋白菜等[1]。结球甘蓝具有耐寒、抗病、产量高等优点,在我国南北方均普遍栽培,是长江中下游、西北、华北等地区的主要蔬菜之一[2-3]。据统计,2016年我国的甘蓝种植面积为200万hm2,主要分布在华北、西北、长江中下游等地区[4-5]。

移栽是甘蓝机械化生产环节中最重要的一步,移栽环节的成败不仅决定了定植后的成活率,而且对移栽后甘蓝植株的生长也有相当大的作用。甘蓝机械化生产技术主要包括前期育苗、耕整地、起垄、取苗∕栽苗、收获等工序[6]。目前我国大部分地区甘蓝移栽仍靠人工进行,移栽效率低,劳动强度大,生产成本高,经济效益低下,发展甘蓝移栽机械化技术是甘蓝生产的当务之急[2,7-8]。

目前,我国甘蓝机械化移栽研究主要集中在农机的引进及针对引进农机的配套栽培技术研究,但与移栽机结构、工作参数相适应的株型特征研究鲜有报道;有研究指出:甘蓝的机械化移栽不仅可以提高生产效率,还可以达到节本增效的目的[9-11]。在农业生产中,移栽机对甘蓝苗的适应性较差,其中移栽机的鸭嘴限制了甘蓝苗大小,如果甘蓝苗过长或幅宽过宽或锥角过大,会出现导致拖苗或挂苗的发生,如果甘蓝苗根系太长或太短,则会导致埋苗或裸苗的发生,这些均对甘蓝的移栽产生不利影响[10]。同时由于我国蔬菜生产的机械化水平较低,不能满足蔬菜生产的需要,尤其是露地甘蓝、露地白菜的机械化移栽技术瓶颈亟待解决[12]。

为此,本研究针对不同的甘蓝品种开展适合机械化移栽的甘蓝植株形态的研究,以生产中常见的9个甘蓝品种,在相同的栽培、管理条件下,对甘蓝苗龄在32—44 d时期的甘蓝植株形态特征进行深入研究,以期为甘蓝机械化生产及移栽机关键部件的优化设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选用甘蓝生产中常用的9个秋甘蓝杂交一代品种,分别为‘争春’(G1)、‘美貌’(G2)、‘圆绿’(G3)、‘绿球’(G4)、‘七草’(G5)、‘中甘21’(G6)、‘春丰’(G7)、‘西园10’(G8)和‘争牛’(G9)。试验在上海星辉蔬菜公司种苗场进行,采用穴盘基质育苗,基质配比(珍珠岩∶草炭=1∶3),采用128孔穴盘进行播种。育苗方法同常规。播种后32 d开始进行数据采集。间隔4 d进行1次数据采集,共进行4次数据采集。

试验仪器:佳能G11数码相机;LA-S系列植物图像分析仪系统(上海凌初环保仪器有限公司)。

1.2 甘蓝植株形态特征测试

采样时间为2020年8月22日、2020年8月26日、2020年8月30日、2020年9月3日。数据采集方法:从各品种分别摘取40株甘蓝苗,然后依次进行甘蓝苗高、苗冠直径、株型锥角、根长和根直径数据提取。株型锥角、根长、根直径数据的测量区域如图1。

图1 甘蓝苗测量区域Fig.1 Measurement area of cabbage

1.3 统计分析

采用Excel 2016软件处理数据,用SAS 8.1软件的新复极差法进行方差分析,用Matlab语言命令分析植株形态特征分布。

2 结果分析

2.1 植株形态特征比较

从表1可以看出,适栽期内不同甘蓝品种的苗高存在显著差异,其中以G4、G6的苗高最大,且显著高于其他7个品种;不同甘蓝品种的苗冠直径存在显著差异,其中以G4、G6、G7、G8的苗冠直径最大,且显著高于其他5个品种;不同甘蓝品种的株型锥角存在显著差异,其中以G3、G7的株型锥角最大,且显著高于其他7个品种;不同甘蓝品种的根长存在显著差异,其中以G4、G6的根长最高,且显著高于其他7个品种;不同甘蓝品种的根直径之间无显著差异。这说明不同甘蓝品种幼苗在其植株形态特征存在较大差异,这就对移栽机如何在生产上满足甘蓝机械移栽需求提出了较高标准。适栽期内不同甘蓝品种的植株形态特征的均值变化见表2。

表1 甘蓝苗植株形态特征Table 1 Morphological characteristics of cabbage seedlings

表2 测试期内甘蓝苗植形态特征均值变化范围Table 2 Range of mean rape seedling morphological parameters in test

2.2 植株形态特征检验

用Matlab语言命令绘制‘争春’(G1)第2次取样甘蓝苗高的频数直方图,并对其进行正态分布的函数拟合(图2a)。利用Matlab语言命令对其苗高进行拟合分析,R为0.995,分析认为该拟合曲线为对称图形(图2b)。

通过对图2a和图2b进行比较,其两个拟合曲线相近,从而可以判断该组苗高近似正态分布。利用Matlab语言命令对其苗高进行检验(图2c),说明其数据点基本位于直线上,从而判断该组苗高服从正态分布,且正态分布max=159.54 mm、min=142.14 mm,均值=150.316 mm,标准差=4.068 mm。

图2 ‘争春’苗高分布的正态分布检验Fig.2 ‘Zhengchun’normality test of seeding height

用Matlab语言命令对该组数据进一步进行正态分布检验,其在0.05的显著水平上,苗高数据均值为149.327 1—151.304 9 mm,包括150.316 mm,均值在置信区间成立的概率为90%。因此,‘争春’(G1)第2次测量苗高数据服从正态分布。

用Matlab语言命令绘制‘圆绿’(G3)第2次取样苗高的频数直方图,并用Matlab语言命令进行正态分布的函数拟合(图3a)。利用Matlab语言命令对其苗高进行拟合分析,R为0.923,分析认为该拟合曲线为非对称图形(图3b)。

通过对图3a和图3b进行比较,其拟合曲线的峰值向左偏移,从而可以判断该组苗高不服从正态分布。利用Matlab语言命令对其直径进行检验(图3c),其直径数据点向直线下部偏移。利用Matlab语言命令对该组苗高进一步进行检验表明,在0.05的显著水平上,该组苗高为155.740 2—161.157 8 mm,均值在置信区间成立的概率为38.9%。说明该组苗高数据呈偏态分布。

图3 ‘圆绿’苗高分布的正态分布检验Fig.3 ‘Yuanlv’normality test of seeding height

通过采用上述方法分析剩余的甘蓝数据(表3),其正态分布的偏度系数为0,峰度系数为3。当偏度系数小于0时,认为此组数据峰值右移,为负偏;当偏度系数大于0时,则认为此组数据峰值左移,为正偏。当峰度系数大于3时,认为其数据的偏态分布为尖峰型,在一定范围内比较集中;当峰度系数小于3时,则认为其数据的偏态分布为平坦型,分布也较为宽泛,且有较大值、较小值的存在。

表3 甘蓝植株形态特征分布系数Table 3 Distribution coefficient of plant morphological characteristics of cabbage

(续表3)

甘蓝苗在32—44 d苗龄时间段内,其形态特征服从正态分布或偏态分布,其偏度系数、峰度系数和变异系数分别为-0.72—1.56、1.69—7.63和11.21%—31.06%。相关系数的变化范围见表4。

表4 偏度系数和峰度系数变化范围Table 4 Range of skewness and kurtosis

2.3 植株形态特征线性拟合

根据不同甘蓝苗在适栽期的形态特征变化指标进行线性拟合,得出不同甘蓝品种生长模型拟合曲线参数和相关系数(表5)。由图4可知,不同甘蓝苗植株形态特征随时间延长而呈正线性关系,平均相关系数分别0.973 6、0.983 4、0.986 2和0.987 7,而G1、G2、G6、G9的株型锥角则为负线性相关,G3、G4、G5、G7、G8的株型锥角为正线性相关,R平均为0.951 2。

图4 甘蓝苗植株形态特征曲线拟合结果Fig.4 Fitting curve cabbage seedling morphological parameters

表5 拟合曲线参数和相关系数Table 5 Parameters of fitting curve and correlation coefficients

2.4 甘蓝鸭嘴式栽植器关键参数分析

无论是不同甘蓝品种之间还是同一甘蓝品种之间,其幼苗形态特征都存在较大差异,结合甘蓝幼苗植形态特征的变化区间,推荐鸭嘴器的合理设计长度为130—220 mm、合理设计锥角为29°—70°,栽植的轨迹大于215 mm,打开最大宽度超过130 mm,栽植的深度为60—90 mm。

图5 穴盘苗及鸭嘴移栽器Fig.5 Plug seedling and duckbill transplanter

3 讨论与结论

结球甘蓝品种繁多,不同甘蓝品种之间的形态学指标差异较大,这就给机械移栽带来了较大困难。而通过对甘蓝品种的植株形态特征进行研究,发现不同甘蓝品种的植株形态学指标除根直径外均存在差异显著,这些差异对移栽机的适应性提出了较高要求。因此在实际移栽过程中,应根据移栽机鸭嘴器的要求选择适合移栽的形态学特征,在育苗时尽量选择适栽期内形态学指标变异系数较小且形态学指标差异不大的甘蓝作为移栽品种。通过对不同甘蓝品种的植株形态特征SSR多重比较,结果表明,‘争春’(G1)、‘争牛’(G9)两个甘蓝品种的植株形态特征不存在显著差异,其变异系数也较小,因此可判断其对移栽机的适应性也较好,这与刘明峰等[10]在油菜上的研究结果相似。而且‘争春’(G1)、‘争牛’(G9)两个甘蓝品种的苗高均值为148.9—157 mm,苗幅宽均值为99.1—102 mm,株型锥角均值为34.3—35.7°,根长均值为68.1—70.4 mm。

Matlab语言经过多年发展与不断完善,现已成为一种比较简洁、可读性强的高效率编程软件,而且基于此建立起来的图形与数学结合功能,已广泛应用于农业机械数据领域研究中[11]。本研究利用Matlab语言命令分析了9个甘蓝品种的形态特征分布情况,分析认为:当甘蓝苗龄在32—44 d时,无论是同一品种在不同采样时间点还是不同品种在同一采样时间点其植株形态特征分布程度均存在一定差异。以绿球(G4)苗冠直径为例,在苗龄32—44 d内所有采样时间点上直径均服从正偏态分布,且峰度由平坦型转变为尖峰型,表明第1次和第2次测量中苗冠直径的分布较宽泛,其苗冠直径明显较大,第3次和第4次测量中苗冠直径在一定范围内集中。因此可以判断:‘绿球’(G4)在苗龄32—44 d,随着时间推移,苗冠直径趋于集中,进而可以推测无论是同一品种甘蓝苗还是不同品种甘蓝苗生长趋势均存在一定差异,甘蓝苗植株的形态特征值均可能存在较大或较小值。目前我国甘蓝主产区还未形成机械化移栽的技术规范,不同地区之间种植的甘蓝品种也存在较大差异。通过试验中形成的甘蓝幼苗生长模型,可以判断不同甘蓝品种幼苗植株发育形态,在9个甘蓝品种中,相对于G2、G3和G8三个品种,G4、G6和G7移栽时间可以适当推迟,G1、G5和G9的移栽时间可以提前。

移栽机鸭嘴式栽植器的工作、关键结构参数与甘蓝幼苗植株形态特征的适应程度是影响甘蓝移栽的主要因素[10]。刘明峰等[10]研究指出移栽机鸭嘴器长度太短或锥角过小都会造成幼苗损伤;而鸭嘴器锥角过大则会导致甘蓝苗以倾斜姿态落下;鸭嘴器打开最大开度小于幼苗幅宽,或轨迹高度小于幼苗高,均会导致拖苗;栽植过深或过浅也会影响成活率。结合试验中甘蓝幼苗植形态特征的变化区间,推荐鸭嘴器的合理设计长度为130—220 mm、合理设计锥角为29°—70°,栽植的轨迹大于215 mm,打开最大宽度超过130 mm,栽植的深度为60—90 mm,这一研究结果与刘明峰等[10]在油菜上的研究存在一定相似性。

本研究从甘蓝形态特征、栽植器工作参数、甘蓝适栽期内生长特征研究了甘蓝机械移栽过程中农艺与农机如何匹配。通过分析9个甘蓝品种对移栽机械的适应性,认为‘争春’(G1)、‘争牛’(G9)两个甘蓝品种对移栽机械的适应性较好;通过比较分析不同甘蓝品种或同一甘蓝品种之间的植株形态,认为当甘蓝苗龄在32—44 d时,无论是同一品种在不同采样时间点还是不同品种在同一采样时间点其植株形态特征分布程度均存在一定差异;根据不同甘蓝品种的植株形态特征变化规律,确定了甘蓝移栽机鸭嘴器合理设计长度及合理设计锥角。但是,在实际操作中由于品种、农机、适栽期选择不可能都满足研究的最佳条件,这就需要在实际条件中权衡选择最适合实际操作的条件,同时更需要将农机与农艺技术相互融合[13]。