胡喬磊，廖慶喜,2，王 洋

油菜機械移栽載苗基質塊力學與生物學特性分析

胡喬磊1，廖慶喜1,2※，王 洋1

（1. 華中農業(yè)大學工學院，武漢 430070；2. 農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

為保證油菜載苗基質塊具有良好的機械移栽適應性和幼苗生長質量，該文針對油菜機械移栽過程中載苗基質易出現(xiàn)破損導致取送苗失效問題，以正方體油菜載苗基質塊為研究對象，對載苗基質塊力學特性和生物學特性進行研究，開展以基質成分配比（蚯蚓糞：黃棕壤∶蛭石混合體積比為1∶2∶1、1∶1∶1和2∶1∶1）、基質壓實度（基質與穴孔體積比為1.0、1.2和1.4）、硼硒營養(yǎng)液濃度（0.24%、0.27%和0.30%）為因素的正交試驗。結果表明：基質成分配比和基質壓實度對油菜載苗基質塊力學特性影響分別為極顯著和顯著；基質成分配比及基質壓實度對幼苗壯苗指數(shù)影響極顯著，硼硒營養(yǎng)液濃度對其影響顯著；基質成分配比和基質壓實度均對基質包裹度及根系健壯度影響極顯著，硼硒營養(yǎng)液濃度對基質包裹度及根系健壯度影響顯著。采用綜合評分法得出基質成分配比為1∶1∶1、基質壓實度為1.2、硼硒營養(yǎng)液濃度為0.30%時油菜載苗基質塊力學特性及幼苗生長質量較優(yōu)。對上述因素組合所育油菜載苗基質塊進行臺架試驗可知：在移栽機橫向推苗速度20 mm/s，同步輸送帶速度30 mm/s，取苗頻率40株/min試驗條件下，基質損失率為2.57%、送取苗成功率為90.93%，滿足機械移栽需求。

機械化；基質；移栽；油菜載苗基質塊；育苗設計；特征分析

0 引 言

中國油菜種植面積及產量均居世界第一，其中85%以上油菜種植集中于長江流域冬油菜區(qū)，采用稻油兩熟或三熟制的水旱輪作種植模式，茬口矛盾突出，油菜機械化移栽技術是緩解茬口矛盾的重要生產手段之一[1-4]。現(xiàn)有油菜移栽育苗方式多以缽苗、穴盤苗及載苗基質塊為主[5]，相較于其他育苗方式，基質塊育苗具有可以提供更多的營養(yǎng)成分、移栽時對幼苗根系損傷更小等優(yōu)點[6-7]，然而機械移栽作業(yè)時，移栽機送苗、取苗裝置對所育油菜載苗基質塊進行推送、夾取及投放動作，該過程易造成幼苗基質部分破損導致取苗失效[8-9]。研究油菜載苗基質塊合理的育苗方案，可為油菜載苗基質塊移栽機的設計提供參考價值。

為解決移栽機送取苗過程中存在的問題，國內外專家和學者根據(jù)現(xiàn)有移栽機取苗方式及育苗質量進行了相關研究。針對育苗機械物理特性對取苗過程的影響，童俊華等[10]研究發(fā)現(xiàn)適當?shù)睦徝缂映纸嵌?、取苗爪結構、以及基質成分配比，可提高取苗機構抓取可靠性；Jin等[11]研究發(fā)現(xiàn)機械移栽時缽苗破損率、取苗成功率主要受取苗裝置取苗角度、速度及夾取力的影響；而缽苗的基質配比和力學性能同樣對移栽過程中基質的破損率和取苗成功率影響顯著[12-14]。針對育苗質量，相關研究以育苗物理參數(shù)來評價所育幼苗生長質量，張碩等[15]研究了不同成分的基質和配比對黃瓜苗株高、莖粗和植株干鮮重的影響；Saoirse等[16]對基質類型和壓實度對黃瓜根系根長、根體積的影響進行了研究；Jong等[17]研究了施肥時營養(yǎng)液濃度與黃瓜苗株高、莖粗和莖葉鮮質量的關系。朱傳霞等[18]研究發(fā)現(xiàn)不同硼硒營養(yǎng)液濃度可顯著影響油菜生長過程中葉片理化性質、根系活力?？芍?，為保證良好的機械移栽效果，需所育缽苗具有良好的力學特性和生長質量，而基質成分配比、基質壓實度及所用營養(yǎng)液濃度是影響缽苗力學特性及幼苗生長質量的主要因素。

綜上可知，目前機械移栽育苗研究多以穴盤苗、缽苗力學特性、各項物理參數(shù)以及與送取苗裝置的適應性為主，鮮見對載苗基質塊與機械移栽適應性及幼苗生長質量的研究。本文以正方體油菜載苗基質塊（包括基質塊及其上生長的油菜幼苗）為研究對象，以油菜載苗基質塊力學特性（包括屈服力及跌落損失率）和幼苗生物學特性（包括壯苗指數(shù)、基質包裹度及根系健壯度）為試驗指標，開展育苗試驗，分析得出油菜載苗基質塊較優(yōu)育苗因素組合，并對該油菜載苗基質塊機械移栽適應性進行了臺架試驗，結果表明滿足機械移栽需求。

1 材料與方法

1.1 試驗材料制備

油菜基質塊由蚯蚓糞、黃棕壤及珍珠巖混合組成。壓模成型前對蚯蚓糞及黃棕壤進行目數(shù)為10的篩網清雜處理，處理后基質顆粒粒徑小于2 mm[19-20]。于2018年9月在華中農業(yè)大學育苗實驗室使用自制組合式基質塊壓模盤進行育苗，壓模盤共100個邊長40 mm的正方體壓模孔，育苗時將配制完成的基質塊壓模盤置于恒溫25 ℃、恒濕90%的育苗箱內[21-22]，待種子發(fā)芽后將壓模盤拆除，并將所得油菜載苗基質塊移至室外育苗。育苗選種為“華油雜62”。

以基質成分配比、基質壓實度和硼硒營養(yǎng)液濃度作為育苗試驗因素，按照所選基質成分體積比不同分為3組：蚯蚓糞、黃棕壤、珍珠巖配比取1∶2∶1、1∶1∶1和2∶1∶1，其中蚯蚓糞主要為油菜幼苗生長提供營養(yǎng)物質，黃棕壤增加基質內顆粒間的粘結力，珍珠巖提高基質塊吸水、持水能力[23-24]；基質壓實度為混合均勻的基質體積與穴孔體積比，育苗時采用1.0、1.2、1.4，3種壓實度，適當?shù)膲簩嵍瓤商岣吒蹬c基質間的接觸面積，促進根系生長，同時提高基質顆粒間團粒度[25]；用朱傳霞等[18]人所研制的硼硒營養(yǎng)液配方，配置0.24%、0.27%、0.30%，3種不同濃度硼硒營養(yǎng)液，于苗齡15、20 d時對油菜載苗基質塊進行1 L定量噴灌。

育苗期間每日定時對每盤幼苗均勻噴灑清水0.5 L，保持幼苗生長所需水分，并于試驗前兩天停止?jié)菜?，降低油菜基質塊含水率，提高基質塊移栽時的屈服力。于苗齡17 d對所育油菜載苗基質塊噴灑0.25%吲哚乙酸溶液，以抑制油菜徒長形成高腳苗同時促進幼苗生根。育苗28 d達到適栽期時開始試驗，試驗測得載苗基質塊平均質量為85 g，變異系數(shù)8.18%，含水率23%～30%。

a. 壓模盤內育苗b. 移至室外育苗 a. Cultivation in seedling plateb. Cultivation moving to outdoor

試驗采用三因素三水平正交試驗，各試驗因素與水平如表1所示，各項試驗共進行9組測試，每組測試取10個樣本，取10次測試結果的平均值作為該組測試結果，利用Design-expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

表1 試驗因素與水平

1.2 試驗方法

1.2.1 油菜載苗基質塊力學特性測定方法

試驗選用TMS-PRO型質構儀與其配套的壓縮平板對油菜載苗基質塊進行屈服力與形變試驗測定，如圖2所示。試驗時壓縮速度為1 mm/s，壓縮量為10 mm，每組數(shù)據(jù)重復10次，取平均值，分析全過程的屈服力與形變變化情況。

1.TMS-PRO型質構儀 2.圓形壓縮平板 3.油菜載苗基質塊

以跌落損失率評價油菜載苗基質塊的機械強度以及承受抗跌碎的能力。將預先稱量過的載苗基質塊從40 cm高度自由落體跌落到水平硬質地面，重復5次后再稱量，跌落后載苗基質塊損失的質量與原質量的百分比定義為跌落損失率[20]。

1.2.2 幼苗壯苗指數(shù)分析方法

采用壯苗指數(shù)作為所育油菜幼苗生長質量評價指標[13]。對油菜載苗基質塊進行清水浸泡、洗滌處理，去除基質成分，得到完整油菜幼苗植株，用游標卡尺對幼苗進行株高、莖粗測定，利用烘干風箱在設定溫度為85 ℃下對油菜幼苗進行14 h干燥處理，測定幼苗干物質質量，對烘干后幼苗進行莖葉、根系分離操作，測定根系及莖葉部分干物質質量。壯苗指數(shù)計算公式如式（1）。

式中為狀苗指數(shù)；為莖粗，mm；為根系物質干質量，g；為莖葉干物質質量，g；為株高，mm。

1.2.3 幼苗根系特征測定方法

本研究中，隨機選取各試驗組油菜載苗基質塊10株，將去除基質后的油菜幼苗根部均勻分布在采光板上，對圖像進行攝像采集，并導入到由萬深檢測科技有限公司研發(fā)的LA-S系列植物根系分析儀系統(tǒng)（分辨率精度0.008 mm×0.008 mm）中，對圖像進行數(shù)據(jù)提取，獲得所育油菜幼苗不同分布區(qū)間的根長、根表面積及根系體積。此外，以0～20 mm分布區(qū)間的側根系長度作為基質包裹度E的評價指標；以根系總體積作為根系健壯度E的評價指標。

1.2.4 綜合評分方法

為滿足較優(yōu)育苗要求，各評價指標如屈服力、壯苗指數(shù)、基質包裹度、根系健壯度應達到最大值，其歸一化方程為

式中X為各指標各組試驗歸一化值；X為各指標各組試驗值；max為各指標在各組試驗中最大值；min為各指標在各組試驗中最小值。

跌落損失率應達到最小值，其歸一化方程為

式中*為每組試驗跌落損失率的歸一化值；為每組試驗跌落損失率的試驗值；max為每組試驗跌落損失率的最大值；min為每組試驗跌落損失率的最小值。

綜合評分計算公式為

式中X1為屈服力歸一化值；*2為壯苗指數(shù)歸一化值；*3為根系包裹度歸一化值；*4為根系健壯度歸一化值；*為跌落損失率歸一化值。

2 試驗結果與分析

2.1 油菜載苗基質塊力學特征分析

不同育苗因素組合油菜載苗基質塊所測力與形變曲線圖變化趨勢總體一致，本文給出了基質成分配比1∶1∶1、基質壓實度1.2、硼硒營養(yǎng)液濃度為0.30%所育油菜載苗基質塊平板壓縮過程力與形變曲線圖（圖3）。由采集的壓縮曲線及采樣數(shù)據(jù)可知，壓縮量為0～1.2 mm時載苗基質塊處于預壓縮階段，主要為載苗基質塊表面較大粗糙顆粒與金屬壓縮平板的點接觸，壓縮量增大載荷快速增加；壓縮量為1.2～5.1 mm時載苗基質塊處于線彈性階段，為載苗基質塊與金屬壓縮平板的面接觸，壓縮量與載荷成比例增大；當壓縮量超過6.3 mm時，載荷超過載苗基質塊屈服力，此時載苗基質塊處于屈服階段，載苗基質塊開始出現(xiàn)破損，基質間出現(xiàn)滑動、坍塌和重新排列，壓縮量增加載荷變化不大；當壓縮量繼續(xù)增大時載苗基質塊被壓實，載荷隨壓縮量增加而增大[26-28]。試驗發(fā)現(xiàn)在壓縮屈服階段油菜幼苗根系對基質顆粒具有包絡效果，可有效減少基質顆粒脫落。

注：N為油菜載苗基質塊最大屈服力所在點。

采用正交試驗和方差分析對所采集的油菜基質塊屈服力F和跌落損失率S進行數(shù)據(jù)處理，結果見表2、表 3。由表2可知，當基質塊中黃棕壤含量增多時，屈服力F增大、跌落損失率S減小，這是因為黃棕壤土質屬粘性大的重黏土，黃棕壤含量增加可提高對基質塊中的珍珠巖的粘結作用及基質顆粒間的粘結力，提高基質塊的抗壓能力；增大壓實度可以有效減小基質顆粒間的距離，減小基質塊孔隙度，使基質顆粒間的接觸面積增大，提高了基質顆粒團粒度，使基質塊在跌落時不宜松散，降低跌落損失率。

表2 屈服力與跌落損失率正交試驗

表3 屈服力與跌落損失率試驗方差分析

注：＜0.01（極顯著），＜0.05（顯著）。下同。

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

由表3可知，基質成分配比對屈服力F、跌落損失率S影響均極顯著；基質壓實度對屈服力F及跌落損失率S影響均顯著；營養(yǎng)液濃度對屈服力F、跌落損失率S影響均不顯著。

2.2 基質參數(shù)對幼苗生物學特性分析

2.2.1 基質參數(shù)對幼苗壯苗指數(shù)影響分析

對油菜幼苗壯苗指數(shù)數(shù)據(jù)進行正交試驗和方差分析處理，結果見表4、表5。由表4可知，壯苗指數(shù)隨基質塊中蚯蚓糞含量、基質壓實度及營養(yǎng)液濃度增高而先上升后下降，這是因為蚯蚓糞及硼硒營養(yǎng)液營養(yǎng)物質含量豐富，而油菜育苗期間水肥過于充足會導致幼苗徒長，導致育苗出現(xiàn)高腳苗現(xiàn)象[29]?；|壓實度為1.4時，過高的壓實度會導致基質塊孔隙率降低，降低基質塊的透氣性和持水能力，同時增大油菜幼苗根系生長過程中所受阻力，不利于根系在基質塊內擴散生長，進而導致幼苗根系與基質顆粒接觸面積減小，影響幼苗根系對營養(yǎng)物質的吸收[14]；基質壓實度為1.0時，基質顆粒間孔隙度大，持水性能較差，育苗期間基質塊水肥流失嚴重，不利于幼苗生長；適中的基質壓實度可保證基質塊的持水性，同時可以提高幼苗根系與基質顆粒間的接觸面積，加上適宜濃度的營養(yǎng)液補充，有利于提高育苗壯苗指數(shù)。

表4 壯苗指數(shù)正交試驗

表5 壯苗指數(shù)方差分析

由表5可知，基質成分配比及基質壓實度對壯苗指數(shù)影響極顯著，硼硒營養(yǎng)液濃度對壯苗指數(shù)影響顯著。

2.2.2 基質參數(shù)對幼苗根系生長影響分析

本文給出了基質成分配比為1∶1∶1、基質壓實度為1.2、硼硒營養(yǎng)液濃度為0.30%時，油菜幼苗根系各項指標生長狀態(tài)分布圖（圖4）?？梢?，在0～30 mm這6個等分分布區(qū)間內，幼苗根系各項指標在各區(qū)間內逐級遞減。在0～5 mm分布區(qū)間內，根系長度為344.50 mm，占幼苗根系總長度的49.05%；根系表面積為414.52 mm2，所占根系總表面積比例為37.26%；根系體積為69.84 mm3，占根系總體積比為31.73%。原因為此區(qū)間根系主要為側根上旁生出的細小側根系，其可有效增加根系與基質顆粒的接觸面積，提高幼苗對營養(yǎng)物質的吸收，同時可進一步對基質顆粒產生包裹效應，降低載苗基質塊受壓及跌落時的損失率；各項指標在0～30 mm分布區(qū)間內逐級遞減，其中20～30 mm區(qū)間內主要為主根系根部區(qū)域，側根系數(shù)量極少，不作為基質包裹度E研究區(qū)域。

圖4 油菜根系各項指標分布圖

基質包裹度E和根系健壯度E均隨蚯蚓糞含量、基質壓實度以及硼硒營養(yǎng)液濃度的增加先上升后下降（表 6），原因為蚯蚓糞營養(yǎng)物質含量豐富，當蚯蚓糞含量過高時，基質塊所含營養(yǎng)過剩，會導致幼苗徒長出現(xiàn)“高腳苗”現(xiàn)象，同時過高的蚯蚓糞含量會降低基質顆粒間的粘結度，導致基質塊緊實度降低，持水性及力學特性下降；適當增大基質壓實度，可減小基質顆粒間的間隙，降低孔隙度，增大幼苗根系與基質顆粒的接觸面積，同時適度的壓實度能提高基質塊吸水后的持水能力，有利于為幼苗生產持續(xù)供水，但基質壓實度過大時，幼苗根系生長所受阻力增大，同時不利于噴灑后的水分滲入基質塊內部，進一步影響幼苗根系生長；硼硒營養(yǎng)液對幼苗生長有促進作用，但油菜幼苗生長過程中易因營養(yǎng)物質含量充足而出現(xiàn)“高腳苗”現(xiàn)象，因此基質包裹度E和根系健壯度E均隨硼硒營養(yǎng)液含量增加先上升后下降。

由表7可知，基質成分配比和基質壓實度均對基質包裹度E及根系健壯度E影響極顯著；硼硒營養(yǎng)液濃度對基質包裹度E及根系健壯度E影響顯著。

表6 基質包裹度與根系健壯度正交試驗

表7 基質包裹度與根系健壯度方差分析

3 綜合評價分析

由試驗分析可知，不同的試驗因素對各指標的影響不同，對于油菜載苗基質塊而言，在保證油菜幼苗生長質量的同時，應保證油菜基質塊的力學特征，即使油菜載苗基質塊具有良好的幼苗生長質量和機械移栽適應性。為確定較優(yōu)育苗因素組合，采用綜合評分法對不同育苗因素組合所育油菜載苗基質塊進行綜合特征分析，取屈服力F、壯苗指數(shù)、基質包裹度E、根系健壯度E、跌落損失率S為評價指標，各指標權重系數(shù)均為0.2[25]。

各評價指標綜合評分正交試驗結果如表8所示，各育苗因素對綜合評分的影響均為先增大后減小，得到較優(yōu)育苗因素組合為223綜合評分為82.96，其余綜合評分大于70的育苗因素組合為122。

表8 綜合評分正交試驗

4 臺架試驗驗證

為驗證各育苗因素組合所育油菜載苗基質塊機械移栽送取苗效果，取綜合評分大于70所育油菜載苗基質塊各42（6列×7排）株，結合自行研制的油菜載苗基質塊移栽機，開展送苗取苗臺架試驗，如圖5所示。移栽前將油菜載苗基質塊整齊擺放在移栽機送苗盤內，油菜載苗基質塊移栽機工作時，單片機控制送苗裝置將送苗盤內油菜載苗基質塊橫向推送至同步輸送帶上，在同步輸送帶的輸送下，油菜載苗基質塊經過分苗裝置逐個分離并運動至取苗位置，在氣缸控制下，取苗裝置取苗夾通過閉合、張開完成對油菜基質塊的夾取與投放。試驗時移栽機橫向推苗速度20 mm/s，同步輸送帶速度30 mm/s，分苗及取苗頻率為40株/min。

1.取苗裝置 2.分苗裝置 3.油菜載苗基質塊 4.送苗裝置

為測試所育油菜載苗基質塊機械移栽適應性，定義油菜載苗基質塊由送苗盤輸送至取苗位置，并被取苗裝置夾取完成投放動作為送取苗成功。實際臺架試驗中，取苗失敗的情況包括送苗過程阻塞和取苗過程油菜載苗基質塊發(fā)生傾倒。實際測量中，基質損失主要集中在取苗裝置夾取及落苗時基質塊與地面的碰撞過程中，故在基質損失率的統(tǒng)計中，以送取苗成功前后的載苗基質塊質量差作為基質損失率。因此試驗以油菜載苗基質塊移栽完畢后基質損失率1及送取苗成功率2為評價指標，具體計算公式如下

式中m為試驗前油菜載苗基質塊的質量，g；m為試驗后油菜載苗基質塊的質量，g；為油菜載苗基質塊總個數(shù)；n為油菜載苗基質塊送取苗失敗個數(shù)。

臺架試驗結果如表9所示，育苗因素組合122和2232種育苗因素組合的基質損失率分別為2.22%和2.57%，均低于苗缽認定為嚴重破損的25%質量損失[30]，表明以上2種育苗因素組合所育油菜載苗基質塊的基質損失率均滿足移栽機作業(yè)要求；送取苗成功率最高為育苗因素組合223的90.93%，得出基質成分配比為1∶1∶1、壓實度為1.2、硼硒營養(yǎng)液濃度為0.30%時，所育油菜載苗基質塊的力學特性及幼苗生長質量較優(yōu)。同時分析送苗取苗失敗主要原因為：1)機械移栽過程中個別油菜載苗基質塊與相鄰幼苗相互纏繞，導致載苗基質塊重心不穩(wěn)發(fā)生傾倒，使送取苗失效；2)臺架試驗所用移栽機為自制油菜載苗基質塊移栽機，由于裝置加工精度問題，送苗盤與同步輸送帶之間連接間隙以及各行送苗裝置安裝角度存在誤差，導致送取苗成功率僅90%左右，后續(xù)有待進一步優(yōu)化完善。

表9 臺架試驗

5 結論與討論

1）油菜載苗基質塊育苗因素正交試驗結果表明：基質成分配比和基質壓實度對油菜載苗基質塊力學特性影響分別為極顯著和顯著；基質成分配比及基質壓實度對油菜幼苗壯苗指數(shù)影響極顯著，硼硒營養(yǎng)液濃度對其影響顯著；基質成分配比和基質壓實度均對基質包裹度及根系健壯度影響極顯著，硼硒營養(yǎng)液濃度對基質包裹度及根系健壯度影響顯著。

2）采用綜合評分法得到育苗因素為基質成分配比1∶1∶1、基質壓實度1.2、硼硒營養(yǎng)液濃度0.30%時所育油菜載苗基質塊力學特性及幼苗生長質量較優(yōu)。

3）臺架試驗表明：在橫向推苗速度20 mm/s，同步輸送帶速度30 mm/s，分取苗頻率40株/min試驗條件下，較優(yōu)育苗因素組合所育油菜載苗基質塊基質損失率為2.57%、送取苗成功率為90.93%，滿足機械移栽作業(yè)要求。

本研究可為油菜機械移栽載苗基質提供合理的育苗方案，為油菜載苗基質塊移栽機送取苗裝置的設計提供參考價值。后續(xù)將針對田間試驗工作條件下油菜載苗基質塊與移栽機適應性關系及大田移栽后油菜幼苗的持續(xù)生長狀態(tài)做進一步研究。

[1]廖慶喜，劉明峰，張照，等. 油菜基質塊苗移栽機雙五桿栽植機構多目標優(yōu)化設計[J]. 農業(yè)機械學報，2015，46(11)：49－56. Liao Qingxi, Liu Mingfeng, Zhang Zhao, et al. Multi-objective optimization design of double five-bar transplanting mechanism for rape pot seedling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 44(11): 49－56. (in Chinese with English abstract)

[2]Parish R L. Current developments of seeders and transplanter in vegetables[J]. Hort Technology, 2005, 15(2): 346－351.

[3]Kumar G V, Raheman H. Development of a walk-behind type hand tractor powered vegetable transplanter for paper pot seedlings[J]. Biosystems Engineering, 2011, 110(2): 189－197.

[4]劉明峰，胡先朋，廖宜濤，等. 不同油菜品種適栽期機械化移栽植株形態(tài)特征研究[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(增刊1)：79－88. Liu Mingfeng, Hu Xianpeng, Liao Yitao, et al. Morphological parameters characteristics of mechanically transplanted plant in suitable transplanting period for different rape varieties[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.1): 79－88. (in Chinese with English abstract)

[5]于曉旭，趙勻，陳寶成，等. 移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 農業(yè)機械學報，2014，45(8)：44－53. Yu Xiaoxu, Zhao Yun, Chen Baocheng, et al. Current situation and prospect of transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 44－53. (in Chinese with English abstract)

[6]Petre S N, Pele M, Draghici E M. Influence of perlite and jiffy substrates on cucumber fruit productivity and quality[J]. Journal of Agricultural Science, 2015, 7(8): 185－196.

[7]Mengesha A, Ayenew B, Tadesse T. Acclimatization of in vitro propagated pineapple () var. smooth cayenne) plantlets to ex vitro condition in Ethiopia. American[J] Journal of Plant Sciences, 2013, 4(2): 317－323.

[8]金鑫，杜新武，楊傳華，等. 蔬菜移栽穴盤苗自動輸送裝置設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2016，47(7)：103－111. Jin Xin, Du Xinwu, Yang Chuanhua, et al. Design and experiment on automatic transporting mechanism for vegetable potted seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 103－111. (in Chinese with English abstract)

[9]劉洋，毛罕平，王濤，等. 吊杯式移栽機構中番茄穴盤苗運動分析優(yōu)化與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2018，49(5)：143－151. Liu Yang, Mao Hanping, Wang Tao, et al. Collision optimization and experiment of tomato plug seedling in basket-type transplanting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 143－151. (in Chinese with English abstract)

[10]童俊華，蔣煥煜，蔣卓華，等. 缽苗自動移栽機器人抓取指針夾持苗坨參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2014，30(16)：8－16. Tong Junhua, Jiang Huanyi, Jiang Zhuohua, et al. Experiment on parameter optimization of gripper needles clamping seedling plug for automatic transplter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 8－16. (in Chinese with English abstract)

[11]Jin Xin, Du Xinwu, Ji Jiangtao, et al. Physical characteristics of plug seedling transplanted by the return-blank type transplanter[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2015, 24(4): 1－10.

[12]劉姣娣，曹衛(wèi)彬，田東洋，等. 基于苗缽力學特性的自動移栽機執(zhí)行機構參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(16)：32－39. Liu Jiaoti, Cao Weibin, Tian Dongyang, et al. Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 32－39. (in Chinese with English abstract)

[13]劉繼展，李茂，李男，等. 草莓穴盤苗移栽末端執(zhí)行器設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2016，47(11)：49－58. Liu Jizhan, Li Mao, Li Nan, et al. Design and test of end-effector for automatic transplanting of strawberry plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 49－58. (in Chinese with English abstract)

[14]王英，陳建能，吳加偉，等. 用于機械化栽植的西蘭花缽苗力學特性試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2014，30(24)：1－10. Wang Ying, Chen Jianneng, Wu Jiawei, et al. Mechanics property experiment of broccoli seedling oriented to mechanized planting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[15]張碩，余宏軍，蔣衛(wèi)杰. 發(fā)酵玉米芯或甘蔗渣基質的黃瓜育苗效果[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(11)：236－242. Zhang Shuo, Yu Hongjun, Jiang Weijie. Seedling effects of corncob and bagasse composting substrates in cucumber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 236－242. (in Chinese with English abstract)

[16]Saoirse R T, Colin R B, Jerrmy A R, et al. Quantifying the impact of soil compaction on root system architecture in cucumber () by X-ray micro-computed tomography[J]. Annals of Botany, 2012, 110(2): 511－519.

[17]Jong M C, Chang S K, Joo W A, et al. Influence of fertilizer concentrations on the performance of seedling grafts of cucumber grown in coir based root media[J]. Horticulture, Environment, and Biotechnology, 2011, 52(4): 393－401.

[18]朱傳霞，張洋，薛高尚，等. 硼硒營養(yǎng)液對油菜苗生理生化指標的影響[J]. 湖南農業(yè)科學，2017(10)：32－35. Zhu Chuanxia, Zhang Yang, Xue Gaoshang, et al. The effect of boron selenium nutrient solution on rape seedling physiological and biochemical indexes[J]. Hunan Agricultural Sciences, 2017(10): 32－35. (in Chinese with English abstract)

[19]楊龍元，袁巧霞，劉志剛，等. 牛糞好氧和蚯蚓堆肥腐熟料成型基質塊制備及育苗試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(24)：226－233. Yang Longyuan, Yuan Qiaoxia, Liu Zhigang, et al. Experiment on seedling of compressed substrates with cow dung aerobic composting and earthworm cow dung composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 226－233. (in Chinese with English abstract)

[20]曹紅亮，楊龍元，袁巧霞，等. 稻草、玉米芯調理牛糞堆肥成型育苗基質試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2015，46(3)：197－202. Cao Hongliang, Yang Longyuan, Yuan Qiaoxia, et al. Experimental research of seedling substrate compressed of cattle manures[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(3): 197－202. (in Chinese with English abstract)

[21]付宇超. 油菜基質塊苗力學特性研究與移送機構設計[D]. 北京：中國農業(yè)科學院，2017. Fu Yuchao. Research on Mechanical Properties and Transport Mechanism Design of Matrix Block Seedling of Rape[D]. Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017. (in Chinese with English abstract)

[22]楊龍元，袁巧霞，劉志剛，等. 牛糞堆肥成型基質塊蔬菜育苗灌溉方式[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(5)：98－106. Yang Longyuan, Yuan Qiaoxia, Liu Zhigang, et al. Irrigation method for vegetable seedling using cow dung compressed substrates[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 98－106. (in Chinese with English abstract)

[23]Huang K, Xia H. Role of earthworms’ mucus in vermicomposting system: Biodegradation tests based on humification and microbial activity[J]. Science of the Total Environment, 2018(610): 703－708.

[24]張乃于，閆雙堆，任倩，等. 珍珠巖粒徑對土壤水分運移的影響[J]. 灌溉排水學報，2019, 38(2)：22－28. Zhang Naiyu, Yan Shuangdu, Ren Qian, et al. Water movement in soil amended with perlite particles of different sizes[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38 (2): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[25]劉洋，毛罕平，徐靜云，等. 機械移栽黃瓜穴盤苗育苗品質評價與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2018，49(增刊1)：75－82,163. Liu Yang, Mao Hanping, Xu Jingyun, et al. Seedling quality evaluation and experiments of cucumber plug seedlings for mechanical transplantation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2018, 49(S1): 75－82,163. (in Chinese with English abstract)

[26]廖慶喜，胡先朋，張照，等. 油菜移栽機分苗裝置分苗過程與基質塊苗缽體完整性分析[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(16)：22－29. Liao Qingxi, Hu Xianpneg, Zhang Zhao, et al. Analysis on detaching process of detaching device and seedling pot integrity about rape transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 22－29. (in Chinese with English abstract)

[27]韓綠化，毛罕平，胡建平，等. 穴盤苗自動移栽缽體力學特性試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2013，29(2)：24－29. Han Lvhua, Mao Hanping, Hu Jianping, et al. Experiment on mechanical property of seedling pot for automatic transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(2): 24－29. (in Chinese with English abstract)

[28]張黎驊，陳秋陽，孫圓圓，等. 基于響應面法的錘片-齒條式玉米秸稈切揉試驗裝置的參數(shù)優(yōu)化[J]. 南京農業(yè)大學學報，2011，34(4)：122－128. Zhang Lijun, Chen Qiuyang, Sun Yuanyuan, et al. Parameter optimization of hammer-rack-type corn stalk cutting and kneading test device based on response surface method[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2011, 34(4): 122－128. (in Chinese with English abstract)

[29]Takashi F, Kunio S, Takashi O, et al. Growth characteristics of cabbage plug seedlings due to mutual shading among neighboring seedlings[J]. Biosystems Engineering, 2014(121): 77－84.

[30]韓綠化，毛罕平，繆小花，等. 基于穴盤苗力學特性的自動取苗末端執(zhí)行器設計[J]. 農業(yè)機械學報，2013，44(11)：260－265. Han Lvhua, Mao Hanping, Xiao Xiaohua, et al. Design of automatic picking up seedling end-effector based on mechanical properties of plug seedlings[J]. Journal of Agricultural Machinery, 2013, 44(11): 260－265. (in Chinese with English abstract)

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

胡喬磊，廖慶喜，王 洋. 油菜機械移栽載苗基質塊力學與生物學特性分析[J]. 農業(yè)工程學報，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

國家油菜產業(yè)體系專項（CARS-12）；農業(yè)部科研杰出人才及創(chuàng)新團隊；湖北省丘陵山區(qū)主要農作物機械化生產關鍵技術裝備研發(fā)與集成示范

胡喬磊，博士生，主要從事油菜移栽技術與裝備研究。Email：hzauhuqiaolei@163.com

廖慶喜，教授，博士生導師，主要從事油菜機械化生產技術與裝備研究。Email：liaoqx@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.007

S237

A

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