油菜毯狀苗形態特征及物理機械特性

蔣蘭　吳崇友　湯慶　張敏　王剛

摘要：為了提高油菜毯狀苗機械化移栽質量，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特征，對秧苗根莖結合處進行了拉伸試驗，并對毯狀苗基質進行了拉伸、剪切以及模擬切割試驗。試驗結果表明：播種后30～45d，不同品種油菜毯狀苗形態特征（苗高、莖部直徑、苗幅寬裸苗質量、基質密度）存在差異，寧雜1838單株叨塊毯狀苗呈現高瘦型，灃油737呈現矮胖型;油菜毯狀苗形態特征參數服從正態分布或偏態分布，不同苗齡的毯狀苗形態特征參數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、裸苗質量和基質密度均與苗齡呈正相關，相關系數在0.9569至0.9998之間;寧雜1838和灃油737油菜毯狀苗自然狀態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，基質彈性模量分別為0.082～0.108MPa和10.092～0.149MPa，內摩擦系數分別為0.358和0.368，粘聚應力分別為0.093MPa和0.108MPa，切塊阻力范圍分別為15.941～24.615N和17.675～26.530N。

關鍵詞：油菜毯狀苗;秧苗形態;力學性能;移栽質量

中圖分類號：S565.404.8

文獻標識碼：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，也是中國最集中的油菜產區，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，實現穩產和高產具有重要作用。

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。現有的油菜移栽機作業效率低，無法適應于水稻茬黏重土壤條件。為了改善油菜移栽現狀，通過吸收借鑒水稻插秧機取塊栽插原理，設計了油菜毯狀苗高速移栽機。該機通過分插機構快速旋轉帶動秧爪對毯狀基質進行切塊取苗，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構運動軌跡、推苗時機、油菜毯狀苗秧苗和基質的物理機械特性。毯狀苗外形特征、苗與基質的質量分布情況以及秧苗自然狀態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特征和物理機械特性。以往研究主要針對油菜裸苗或缽體苗的形態特征和物理特性，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，進行播種后30～45d適栽期內不同品種、不同苗齡的毯狀苗形態特征參數和物理機械特性的試驗研究，為油菜毯狀苗高速移栽機取苗、推苗、覆土鎮壓等關鍵部件結構運動學參數的設計與優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設備

選取寧雜1838和灃油737 2個油菜品種，采用280mmx580mm規格秧盤進行育苗，苗密度為1m24000～5000株。在油菜毯狀苗單株形態特征試驗中，取樣時間從播種后30d開始，此后間隔5d取樣1次，共計4次。參照當地油菜種植要求，取樣日期分別為：2017-10-30、2017-11-04、2017-11-09、2017-11-14。物理機械特性試驗的苗齡為40d。測得基質含水率均值為48.4%。

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

1.2 試驗方法

1.2.1 油菜毯狀苗單株形態特征試驗將基質連同毯狀苗進行切塊，挑選出單個基質塊上只有1株秧苗、基質完整且大小均勻的苗塊。2個油菜品種中各隨機選取50個苗塊樣品。

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

毯狀苗自然狀態直立角度測量：對每個苗塊樣品進行拍照，通過計算機在圖像上進行測量。毯狀苗自然狀態的直立角度定義為：自然狀態下苗幅寬中點到根部與基質塊結合點的連線與水平線所成的銳角（圖1）。

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

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

1.2.3 油菜毯狀苗基質拉伸試驗在秧苗根莖結合處剪斷去除秧苗，將基質部分按照截面積為25mmX14mm進行切塊，用材料試驗機的上、下夾具固定條塊狀基質。設定試驗機拉伸速率為30mm/min，設定終止條件為拉伸位移30mm。

1.2.4 油菜毯狀苗基質剪切試驗用橫截面積為30em2的環狀切割器垂直壓入基質中進行取樣。將基質樣品放置于直剪儀的固定上盒和活動下盒內，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受剪破壞。考慮到試驗時間過長會影響數據的準確性，因此設定剪切速度為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上配用的寬度為21mm的秧針，通過上夾具固定。將毯狀苗基質按照截面積為40mmx40mm進行切塊，并放置在底部定位夾具上，定位夾具中間凹槽寬度為26mm，與試驗樣機中秧門的結構尺寸相同。設定秧針切割速率為10mm/s，試驗終止條件設定為秧針切割位移80mm。

2 結果與分析

2.1 不同苗齡油菜毯狀苗形態特征

為分析油菜寧雜1838和灃油737在播種后30～45d內不同苗齡毯狀苗形態特征的變化過程與差異程度，利用SPSS軟件對試驗數據進行統計分析。采用SW檢驗（Shapiro-Wilk）對苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質量、基質密度進行正態性檢驗，結果見表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、裸苗質量和基質密度在不同苗齡階段存在差異。播種后30～45d內，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特征分布也存在差異。播種后30～45d，毯狀苗形態特征服從正態分布或偏態分布。以寧雜1838苗高為例，播種后30～45d，苗高峰度由平坦型轉變為尖峰型，說明隨著苗齡增加，苗高逐漸趨于集中;偏度系數先減小后增加，4次取樣均服從負偏態分布，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量較好。

油菜毯狀苗移栽機的栽植機構為旋轉式分插機構，移栽過程中，栽植機構旋轉速度較快，取苗、運苗和推苗均作用在毯狀苗底部的基質塊上，毯狀苗苗高、苗幅寬、莖部直徑秧苗與基質塊的質量分布對穩苗、立苗效果具有直接影響。毯狀苗苗幅寬過大時，傷苗現象嚴重，影響移栽質量;毯狀苗苗高過小時，埋苗現象嚴重，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塊的質量比值過大時，毯狀苗會因落地時運動狀態不穩定導致秧苗傾倒，影響栽植立苗率。在播種后30～45d適栽期內，不同品種、不同苗齡的油菜毯狀苗形態特征呈現明顯差異，因此，充分考慮秧苗與機具的適應程度，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移栽質量，增強毯狀苗穩苗、立苗效果的關鍵。

2.2 油菜毯狀苗形態特征變化規律

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

2.3 油菜毯狀苗自然狀態直立角度變化規律

油菜毯狀苗自然狀態下的直立角度是影響移栽過程中秧苗與基質運動狀態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，灃油737自然狀態直立角度均值較大，變異系數較小，表明灃油737在自然狀態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苗效果更好，更適宜移栽機移栽。在播種后30～45d，灃油737自然狀態直立角度緩慢增加;寧雜1838油菜毯狀苗自然狀態直立角度先增加后減小，35d左右具有最大的自然狀態直立角度。

2.4 油菜毯狀苗秧苗拉伸力學性能

將油菜裸苗根莖結合處承受的最大拉力作為拉斷力，對油菜毯狀苗進行拉伸力學試驗。結果表明，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，拉斷應力均值為6.37MPa;灃油737拉斷力為31.51～41.84N，拉斷應力均值為7.49MPa。

2.5 油菜毯狀苗基質拉伸力學性能

根據拉伸_位移曲線，得到油菜毯狀苗基質的拉伸力學性能。寧雜1838毯狀苗基質抗拉強度為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，在到達屈服點后，拉力出現階梯性減小。試驗中也觀察到，當拉力達到屈服點后，基質內土壤出現分離，分離的土壤依靠油菜根系連接。隨著拉伸位移繼續增加，油菜根系被拉斷，基質可承受的拉力減小，因此拉力出現階梯性降低。由此可以判斷，基質拉伸試驗中，油菜根系生長狀況以及盤根質量是決定抗拉強度的重要因素。

2.6 油菜毯狀苗基質抗剪強度

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

在實際取苗過程中，秧針插入基質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塊的受力情況同時取決于基質土壤和盤結根系的抗拉強度和抗剪強度。剪切試驗過程中，由于基質的剪切位移較小，當基質被剪斷后，基質內部分油菜根系仍然保持完好。說明試驗所測得的剪切力主要為基質的剪切力，可以推斷實際作業時基質所受剪切力應大于試驗所測結果。

2.7 油菜毯狀苗模擬切塊力學參數

在模擬切塊取苗試驗中，載荷出現2次峰值。在秧針位移約30mm時產生第1次載荷峰值，此位置為秧針兩端尖點剛穿透試樣處，隨著秧針繼續切割，當位移達到約65mm時出現第2次載荷峰值，此時秧針的橫切段面完全穿入基質。由于秧針的幾何結構特點導致切割過程中出現2次載荷峰值，由此可以推測秧針對基質的切割力取決于秧針與基質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，切塊阻力出現時秧針位移均值分別為66.235mm和66.183mm（表5）。

3 結論

寧雜1838和灃油7372個品種的油菜毯狀苗在播種后30～45d內形態特征參數分布比較集中。寧雜1838具有較大的苗高和裸苗質量，較小的莖部直徑、苗幅寬和基質密度。寧雜1838呈高瘦型，灃油737呈矮胖型。播種后30～45d適栽期內，寧雜1838和灃油737毯狀苗各形態特征參數服從正態分布或偏態分布。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特征參數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特征均值進行線性擬合，發現兩品種油菜毯狀苗苗高、莖部直徑、苗幅寬、裸苗質量和基質密度均與時間呈正相關，相關系數在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油菜毯狀苗根莖結合處拉斷力分別為18.82～26.31N和31.51～41.84N，毯狀苗基質抗拉強度分別為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，內摩擦系數分別為0.358和0.368，粘聚應力分別為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和物理機械特性呈現明顯差異。充分考慮秧苗與機具的適應程度，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移栽質量，增強毯狀苗穩苗、立苗效果的關鍵。

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