油菜毯狀苗形態(tài)特征及物理機(jī)械特性

蔣蘭　吳崇友　湯慶　張敏　王剛

摘要：為了提高油菜毯狀苗機(jī)械化移栽質(zhì)量，選擇寧雜1838和灃油7372個油菜品種研究了油菜毯狀苗的形態(tài)特征，對秧苗根莖結(jié)合處進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并對毯狀苗基質(zhì)進(jìn)行了拉伸、剪切以及模擬切割試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：播種后30～45d，不同品種油菜毯狀苗形態(tài)特征（苗高、莖部直徑、苗幅寬裸苗質(zhì)量、基質(zhì)密度）存在差異，寧雜1838單株叨塊毯狀苗呈現(xiàn)高瘦型，灃油737呈現(xiàn)矮胖型;油菜毯狀苗形態(tài)特征參數(shù)服從正態(tài)分布或偏態(tài)分布，不同苗齡的毯狀苗形態(tài)特征參數(shù)分布集中程度存在差異;2個油菜品種毯狀苗苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質(zhì)量和基質(zhì)密度均與苗齡呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.9569至0.9998之間;寧雜1838和灃油737油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度均值分別為80.12°和84.59°，根莖處拉斷力分別為18.82～26.31N和31.51～41.84N，基質(zhì)彈性模量分別為0.082～0.108MPa和10.092～0.149MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)分別為0.358和0.368，粘聚應(yīng)力分別為0.093MPa和0.108MPa，切塊阻力范圍分別為15.941～24.615N和17.675～26.530N。

關(guān)鍵詞：油菜毯狀苗;秧苗形態(tài);力學(xué)性能;移栽質(zhì)量

中圖分類號：S565.404.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-4440（2019）02-0248-07

油菜是中國重要油料作物之一，長江流域是世界最大的冬油菜種植區(qū)，也是中國最集中的油菜產(chǎn)區(qū)，油菜種植面積約占全國的85%。前茬作物以水稻為主，通常采用稻-油或稻-稻-油輪作的種植制度，由于茬口緊張，直接播種，油菜生育期不足，多采用育苗移栽的種植方式。油菜育苗移栽縮短了本田生育期，對于保證糧油合理輪作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)具有重要作用。

目前中國油菜移栽主要采用人工移栽的方式，用工多，成本高?，F(xiàn)有的油菜移栽機(jī)作業(yè)效率低，無法適應(yīng)于水稻茬黏重土壤條件。為了改善油菜移栽現(xiàn)狀，通過吸收借鑒水稻插秧機(jī)取塊栽插原理，設(shè)計(jì)了油菜毯狀苗高速移栽機(jī)。該機(jī)通過分插機(jī)構(gòu)快速旋轉(zhuǎn)帶動秧爪對毯狀基質(zhì)進(jìn)行切塊取苗，并攜帶苗塊至推苗處，通過推苗頂桿快速推苗入土，完成移栽。移栽效果取決于分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡、推苗時機(jī)、油菜毯狀苗秧苗和基質(zhì)的物理機(jī)械特性。毯狀苗外形特征、苗與基質(zhì)的質(zhì)量分布情況以及秧苗自然狀態(tài)直立角度在一定程度上影響移栽后毯狀苗的立苗效果。為此，有必要研究油菜毯狀苗的形態(tài)特征和物理機(jī)械特性。以往研究主要針對油菜裸苗或缽體苗的形態(tài)特征和物理特性，對于毯狀苗的研究相對缺乏。

本研究以寧雜1838和灃油737 2個品種的油菜毯狀苗為研究對象，進(jìn)行播種后30～45d適栽期內(nèi)不同品種、不同苗齡的毯狀苗形態(tài)特征參數(shù)和物理機(jī)械特性的試驗(yàn)研究，為油菜毯狀苗高速移栽機(jī)取苗、推苗、覆土鎮(zhèn)壓等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)運(yùn)動學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

選取寧雜1838和灃油737 2個油菜品種，采用280mmx580mm規(guī)格秧盤進(jìn)行育苗，苗密度為1m24000～5000株。在油菜毯狀苗單株形態(tài)特征試驗(yàn)中，取樣時間從播種后30d開始，此后間隔5d取樣1次，共計(jì)4次。參照當(dāng)?shù)赜筒朔N植要求，取樣日期分別為：2017-10-30、2017-11-04、2017-11-09、2017-11-14。物理機(jī)械特性試驗(yàn)的苗齡為40d。測得基質(zhì)含水率均值為48.4%。

試驗(yàn)儀器：INSTRON3343型單立柱電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，量程0～1kN;TJ型應(yīng)變控制三速電動直剪儀;游標(biāo)卡尺（0.02mm）等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油菜毯狀苗單株形態(tài)特征試驗(yàn)將基質(zhì)連同毯狀苗進(jìn)行切塊，挑選出單個基質(zhì)塊上只有1株秧苗、基質(zhì)完整且大小均勻的苗塊。2個油菜品種中各隨機(jī)選取50個苗塊樣品。

苗高、苗幅寬和基質(zhì)塊體積測量：用游標(biāo)高度尺測量苗高，其高度為基質(zhì)塊頂部到秧苗頂端的垂直距離，苗幅寬為秧苗最寬兩點(diǎn)間的距離，根部直徑為根莖結(jié)合處的直徑（圖1）。通過測量基質(zhì)塊長、寬和高確定基質(zhì)塊體積。

毯狀苗自然狀態(tài)直立角度測量：對每個苗塊樣品進(jìn)行拍照，通過計(jì)算機(jī)在圖像上進(jìn)行測量。毯狀苗自然狀態(tài)的直立角度定義為：自然狀態(tài)下苗幅寬中點(diǎn)到根部與基質(zhì)塊結(jié)合點(diǎn)的連線與水平線所成的銳角（圖1）。

裸苗質(zhì)量（不含根系質(zhì)量）和基質(zhì)密度測量：以秧苗根莖與基質(zhì)相接處分割秧苗與基質(zhì)，測量秧苗質(zhì)量即為裸苗質(zhì)量m?；|(zhì)密度計(jì)算公式為：ρ=[（mo-m）/（aXbXc）]x1000，式中，ρ為基質(zhì)密度（g/cm3），m。為苗塊總質(zhì)量（g），m為裸苗質(zhì)量（g），a為基質(zhì)塊長度（mm），b為基質(zhì)塊寬度（mm），c為基質(zhì)塊高度（mm）。

1.2.2油菜苗拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)對油菜毯狀苗根莖結(jié)合處進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每組選取10株油菜裸苗，記錄莖部直徑，分別在油菜根莖結(jié)合處上、下5mm位置夾持。將秧苗固定在材料試驗(yàn)機(jī)上，拉伸夾具選用V型夾頭。為了避免油菜根莖部因?yàn)閵A具的擠壓和摩擦作用而破損，在夾持位置包裹紗布。

1.2.3 油菜毯狀苗基質(zhì)拉伸試驗(yàn)在秧苗根莖結(jié)合處剪斷去除秧苗，將基質(zhì)部分按照截面積為25mmX14mm進(jìn)行切塊，用材料試驗(yàn)機(jī)的上、下夾具固定條塊狀基質(zhì)。設(shè)定試驗(yàn)機(jī)拉伸速率為30mm/min，設(shè)定終止條件為拉伸位移30mm。

1.2.4 油菜毯狀苗基質(zhì)剪切試驗(yàn)用橫截面積為30em2的環(huán)狀切割器垂直壓入基質(zhì)中進(jìn)行取樣。將基質(zhì)樣品放置于直剪儀的固定上盒和活動下盒內(nèi)，首先對試樣施加垂直壓力，然后再對活動下盒施加水平剪力，上、下盒之間的錯動使基質(zhì)受剪破壞?？紤]到試驗(yàn)時間過長會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此設(shè)定剪切速度為0.8mm/min。

1.2.5 油菜毯狀苗模擬切塊取苗試驗(yàn)為了模擬油菜毯狀苗切塊取苗過程，選取油菜毯狀苗高速移栽機(jī)上配用的寬度為21mm的秧針，通過上夾具固定。將毯狀苗基質(zhì)按照截面積為40mmx40mm進(jìn)行切塊，并放置在底部定位夾具上，定位夾具中間凹槽寬度為26mm，與試驗(yàn)樣機(jī)中秧門的結(jié)構(gòu)尺寸相同。設(shè)定秧針切割速率為10mm/s，試驗(yàn)終止條件設(shè)定為秧針切割位移80mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同苗齡油菜毯狀苗形態(tài)特征

為分析油菜寧雜1838和灃油737在播種后30～45d內(nèi)不同苗齡毯狀苗形態(tài)特征的變化過程與差異程度，利用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用SW檢驗(yàn)（Shapiro-Wilk）對苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質(zhì)量、基質(zhì)密度進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果見表1和表2。從表1中可以看出，不同品種的油菜毯狀苗苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質(zhì)量和基質(zhì)密度在不同苗齡階段存在差異。播種后30～45d內(nèi)，寧雜1838和灃油737苗高均值分別為121.17mm和87.68mm，苗幅寬均值分別為77.34mm和87.09mm，苗高與苗幅寬比值分別為0.64和0.99。從形態(tài)特征看，寧雜1838秧苗較高，苗幅寬較小，呈高瘦型;灃油737秧苗較矮，苗幅寬較大，呈矮胖型。

從表2中可以看出，同一油菜品種不同苗齡的毯狀苗形態(tài)特征的分布存在差異，不同油菜品種同一苗齡的毯狀苗形態(tài)特征分布也存在差異。播種后30～45d，毯狀苗形態(tài)特征服從正態(tài)分布或偏態(tài)分布。以寧雜1838苗高為例，播種后30～45d，苗高峰度由平坦型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夥逍?，說明隨著苗齡增加，苗高逐漸趨于集中;偏度系數(shù)先減小后增加，4次取樣均服從負(fù)偏態(tài)分布，說明播種后30～45d存在部分明顯較矮的秧苗。同理分析灃油737苗高，播種后30d左右苗高分布較為寬泛，并且存在部分較矮苗;播種后35～45d苗高分布較為集中，但與寧雜1838相比分布集中程度較低，在40d和45d存在部分旺長苗。推測在播種后30～45d，隨著苗齡增加，灃油737苗高分布逐漸趨于集中，播種后35d左右苗高分布集中程度較高，移栽后的油菜毯狀苗立苗質(zhì)量較好。

油菜毯狀苗移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)，移栽過程中，栽植機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度較快，取苗、運(yùn)苗和推苗均作用在毯狀苗底部的基質(zhì)塊上，毯狀苗苗高、苗幅寬、莖部直徑秧苗與基質(zhì)塊的質(zhì)量分布對穩(wěn)苗、立苗效果具有直接影響。毯狀苗苗幅寬過大時，傷苗現(xiàn)象嚴(yán)重，影響移栽質(zhì)量;毯狀苗苗高過小時，埋苗現(xiàn)象嚴(yán)重，影響移栽成活率;毯狀苗苗高過高或莖部直徑過小或秧苗與基質(zhì)塊的質(zhì)量比值過大時，毯狀苗會因落地時運(yùn)動狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致秧苗傾倒，影響栽植立苗率。在播種后30～45d適栽期內(nèi)，不同品種、不同苗齡的油菜毯狀苗形態(tài)特征呈現(xiàn)明顯差異，因此，充分考慮秧苗與機(jī)具的適應(yīng)程度，選取適宜的油菜品種以及移栽時間，是提高油菜毯狀苗移栽機(jī)移栽質(zhì)量，增強(qiáng)毯狀苗穩(wěn)苗、立苗效果的關(guān)鍵。

2.2 油菜毯狀苗形態(tài)特征變化規(guī)律

為分析不同苗齡的油菜毯狀苗形態(tài)特征的變化規(guī)律，繪制形態(tài)特征參數(shù)均值與時間的曲線圖（圖2）。利用SPSS軟件對圖2中各形態(tài)特征均值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表3。在播種后30～45d適栽期內(nèi)，寧雜1838和灃油737油菜毯狀苗苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質(zhì)量和基質(zhì)密度均與苗齡呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.9569至0.9998之間。與寧雜1838相比，灃油737苗高、苗幅寬和裸苗質(zhì)量形態(tài)特征曲線斜率較小，生長較為緩慢。

2.3 油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度變化規(guī)律

油菜毯狀苗自然狀態(tài)下的直立角度是影響移栽過程中秧苗與基質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)和移栽后秧苗立苗率的重要因素。從表4可以看出，不同品種、不同苗齡的油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度和其分布集中程度存在差異。在播種后30～45d適栽期內(nèi)，灃油737自然狀態(tài)直立角度均值較大，變異系數(shù)較小，表明灃油737在自然狀態(tài)下生長直立程度較高且角度分布集中，推測灃油737油菜毯狀苗移栽后立苗穩(wěn)苗效果更好，更適宜移栽機(jī)移栽。在播種后30～45d，灃油737自然狀態(tài)直立角度緩慢增加;寧雜1838油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度先增加后減小，35d左右具有最大的自然狀態(tài)直立角度。

2.4 油菜毯狀苗秧苗拉伸力學(xué)性能

將油菜裸苗根莖結(jié)合處承受的最大拉力作為拉斷力，對油菜毯狀苗進(jìn)行拉伸力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)果表明，不同截面直徑的秧苗拉斷力存在差異，截面直徑較大的秧苗承受的拉斷力也相對較大。寧雜1838拉斷力為18.82～26.31N，拉斷應(yīng)力均值為6.37MPa;灃油737拉斷力為31.51～41.84N，拉斷應(yīng)力均值為7.49MPa。

2.5 油菜毯狀苗基質(zhì)拉伸力學(xué)性能

根據(jù)拉伸_位移曲線，得到油菜毯狀苗基質(zhì)的拉伸力學(xué)性能。寧雜1838毯狀苗基質(zhì)抗拉強(qiáng)度為10.410～15.271kPa），均值為12.352kPa;彈性模量為0.082～0.108MPa，均值為0.090MPa。灃油737抗拉強(qiáng)度為13.255～18.974kPa，均值為16.057kPa;彈性模量為0.092～0.149MPa，均值為0.137MPa。

拉伸-位移曲線顯示，在到達(dá)屈服點(diǎn)后，拉力出現(xiàn)階梯性減小。試驗(yàn)中也觀察到，當(dāng)拉力達(dá)到屈服點(diǎn)后，基質(zhì)內(nèi)土壤出現(xiàn)分離，分離的土壤依靠油菜根系連接。隨著拉伸位移繼續(xù)增加，油菜根系被拉斷，基質(zhì)可承受的拉力減小，因此拉力出現(xiàn)階梯性降低。由此可以判斷，基質(zhì)拉伸試驗(yàn)中，油菜根系生長狀況以及盤根質(zhì)量是決定抗拉強(qiáng)度的重要因素。

2.6 油菜毯狀苗基質(zhì)抗剪強(qiáng)度

分別采用250kPa、300kPa、350kPa和400kPa4種法向載荷進(jìn)行基質(zhì)剪切試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次。當(dāng)直剪儀固定上盒的力發(fā)生突變時說明基質(zhì)已被剪斷，突變前受力即為基質(zhì)的剪切力，從而計(jì)算得出抗剪強(qiáng)度。根據(jù)庫侖定律τ=c+fσ，對不同法向載荷下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合，從而得到基質(zhì)試樣的內(nèi)摩擦系數(shù)（f）和粘聚應(yīng)力（c）。圖3為2個油菜品種毯狀苗基質(zhì)的線性擬合回歸曲線。從圖3中可以得到，寧雜1838和灃油737毯狀苗基質(zhì)的內(nèi)摩擦系數(shù)分別為0.358和0.368，粘聚應(yīng)力分別為0.093MPa和0.108MPa。

在實(shí)際取苗過程中，秧針插入基質(zhì)并通過剪切和撕扯作用將苗塊取下，斷面處的油菜根系被完全切斷或拉斷，因此取苗過程中基質(zhì)塊的受力情況同時取決于基質(zhì)土壤和盤結(jié)根系的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。剪切試驗(yàn)過程中，由于基質(zhì)的剪切位移較小，當(dāng)基質(zhì)被剪斷后，基質(zhì)內(nèi)部分油菜根系仍然保持完好。說明試驗(yàn)所測得的剪切力主要為基質(zhì)的剪切力，可以推斷實(shí)際作業(yè)時基質(zhì)所受剪切力應(yīng)大于試驗(yàn)所測結(jié)果。

2.7 油菜毯狀苗模擬切塊力學(xué)參數(shù)

在模擬切塊取苗試驗(yàn)中，載荷出現(xiàn)2次峰值。在秧針位移約30mm時產(chǎn)生第1次載荷峰值，此位置為秧針兩端尖點(diǎn)剛穿透試樣處，隨著秧針繼續(xù)切割，當(dāng)位移達(dá)到約65mm時出現(xiàn)第2次載荷峰值，此時秧針的橫切段面完全穿入基質(zhì)。由于秧針的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致切割過程中出現(xiàn)2次載荷峰值，由此可以推測秧針對基質(zhì)的切割力取決于秧針與基質(zhì)接觸面積的變化速率，接觸面積變化越快，切割力越大。將切割過程中載荷最大值定義為切塊阻力。寧雜1838秧苗的切塊阻力為15.941～24.615N，灃油737秧苗的切塊阻力為17.675～26.530N，切塊阻力出現(xiàn)時秧針位移均值分別為66.235mm和66.183mm（表5）。

3 結(jié)論

寧雜1838和灃油7372個品種的油菜毯狀苗在播種后30～45d內(nèi)形態(tài)特征參數(shù)分布比較集中。寧雜1838具有較大的苗高和裸苗質(zhì)量，較小的莖部直徑、苗幅寬和基質(zhì)密度。寧雜1838呈高瘦型，灃油737呈矮胖型。播種后30～45d適栽期內(nèi)，寧雜1838和灃油737毯狀苗各形態(tài)特征參數(shù)服從正態(tài)分布或偏態(tài)分布。同一苗齡不同油菜品種和同一油菜品種不同苗齡的毯狀苗形態(tài)特征參數(shù)分布集中程度均存在差異。對播種后30～45d寧雜1838與灃油737油菜毯狀苗的各形態(tài)特征均值進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)兩品種油菜毯狀苗苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質(zhì)量和基質(zhì)密度均與時間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.9569至0.9998之間。播種后30～45d，隨著苗齡增加，寧雜1838油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度先增加后減小，35d時最大，均值為80.12°;灃油737油菜毯狀苗自然狀態(tài)直立角度緩慢增加，均值為84.59°。

播種后40d，寧雜1838和灃油737油菜毯狀苗根莖結(jié)合處拉斷力分別為18.82～26.31N和31.51～41.84N，毯狀苗基質(zhì)抗拉強(qiáng)度分別為10.410～15.271kPa和13.255～18.974kPa，彈性模量分別為0.082～0.108MPa和0.092～0.149MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)分別為0.358和0.368，粘聚應(yīng)力分別為0.093MPa和0.108MPa，切塊阻力分別為15.941～24.615N和17.675～26.530N。不同品種、苗齡的油菜毯狀苗形態(tài)和物理機(jī)械特性呈現(xiàn)明顯差異。充分考慮秧苗與機(jī)具的適應(yīng)程度，選取適宜的油菜品種以及移栽時間，是提高油菜毯狀苗移栽機(jī)移栽質(zhì)量，增強(qiáng)毯狀苗穩(wěn)苗、立苗效果的關(guān)鍵。

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