《Agriculture》：Nitrogen and Sulfur Cycling in Diverse Farm Ages and Ecological Zones Under Agricultural Expansion
Dora Neina,
Eunice Agyarko-Mintah and
Sibylle Faust
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本研究针对油菜穴盘苗在机械化移栽中基质易破损、取苗成功率低的问题，提出一种标准化油菜育苗钵（seedling-carrying potting）压制成型方法。通过单因素和正交试验，系统研究了基质土干物质比（商品基质:黏壤土）、含水率和压缩比对育苗钵抗剪强度、跌落损失率与散开率等物理-机械特性的影响。利用响应面法优化得到最佳参数组合：干物质比4:1、压缩比0.36、含水率45%。验证试验显示，优化育苗钵具有优异的机械性能（抗剪强度7.1 N，跌落损失率1.5%）和良好的透水透气性（散开率34.9%）。大田移植后生长对比实验进一步证实，优化育苗钵在根长、根粗、根干物质、叶绿素含量和幼苗活力指数等方面均显著优于穴盘苗和裸根苗，为油菜育苗钵移栽机的设计提供了关键理论依据。
本研究旨在解决油菜机械化移栽过程中，育苗钵在取苗和输送时因基质破损导致的失败问题。研究聚焦于圆柱形油菜育苗钵，通过探究其物理特性与基质土组成比例及移栽后幼苗生长特性之间的关系，提出了一种标准化的育苗钵压制成型方法，以提升其机械化移栽的适应性。
引言
油菜作为中国主要粮油作物，其种植面积和总产量均居世界首位。长江流域冬油菜区是其主要种植区，约占全国油菜总种植面积的85%，普遍采用稻-油轮作的种植模式，导致茬口矛盾突出。机械化移栽是解决油菜栽培茬口矛盾、提高油菜籽产量和品质的主要手段。根据育苗工艺的不同，机械化移栽主要分为钵苗移栽、毯状苗移栽和基质块苗移栽三种模式。然而，在机械化移栽过程中，取苗-投苗装置和栽植装置的夹持与输送动作易导致育苗钵破裂或散开，显著降低了移栽成功率并损害了秧苗生长质量。针对育苗钵的机械化移栽适应性进行研究，可有效提高移栽成功率和秧苗生长质量。当前研究多集中于移栽机取苗投苗装置工作参数优化、育苗基质配方对秧苗生长特性的影响以及钵苗物理力学特性等方面，但对移栽后秧苗生长质量的观测较少。本研究以圆柱形油菜育苗钵为对象，通过育苗钵压制成型试验，以油菜育苗钵的物理-力学特性（抗剪强度、跌落损失率、散开率）为试验指标，优化得到油菜育苗钵所需的基质土最佳参数组合，并对优化后的育苗钵与穴盘苗、裸根苗移栽后的生长质量进行对比试验研究，以期为油菜育苗钵移栽机的设计提供参考。
材料与方法
育苗钵压制成型试验于2023年11月6日在湖南农业大学油茶基地实验室进行。试验基质主要成分为东北泥炭土、缓释肥和珍珠岩。试验土壤选用过10目筛后粒径小于2 mm的黏壤土。试验秧苗选自同一地块同期播种育苗、生长至四叶一心后的裸根油菜苗，品种为“丰油730”，苗龄28~32天。主要试验设备包括电子万能试验机、电子天平、电热鼓风干燥箱、水分快速测定仪、环刀、振动筛、育苗钵试验台等。
基质土制备
基质土由一定比例的育苗基质、黏壤土和水组成。育苗基质主要为油菜幼苗生长提供养分并改善基质土的吸水保水能力，黏壤土则增加育苗基质颗粒间的黏附力。使用水分快速测定仪测定育苗基质和黏壤土的含水率，然后根据所需的育苗基质、黏壤土和水的添加量，计算干物质比（育苗基质:黏壤土）、含水率和压缩比，使用量筒加水，自制小型搅拌机混合，静置24小时。使用振动筛分机对基质土进行筛分。
育苗钵制备
操作时，V形模具与下模对齐，向下模填充育苗钵成型所需基质土总质量的一半。伺服气缸Ⅰ驱动V形模具向下运动，直至其底部与下模的“U”形型芯重合，此时基质土被压制成V形，完成一次基质土压缩成型。随后，气缸Ⅰ驱动V形模具复位至最高位置。此时，上模翻转与下模对齐，并插入定位销固定。打开闭合的上下模板，将油菜幼苗根系（修剪后长度约等于下模长度）放入下模中预成型的V形基质土中。合上模板后，添加等量基质土覆盖幼苗根系。接着，伺服电机Ⅰ驱动上模向下，直至与下模啮合，此时上下模的合力将基质土和幼苗根系压制成圆柱形育苗钵。成型后，保持10秒的保压期。随后，打开上下模板，伺服电机Ⅱ沿后模板圆孔轴线驱动推苗杆向前运动，将标准化育苗钵（圆柱形，直径2 cm，高4 cm）从模具中推出，完成成型和顶出过程。
试验设计与方法
首先进行单因素试验。基于前期预试验研究和湖南油菜移栽种植的农艺要求，影响育苗钵成型质量的三个主要因素为基质土干物质比、压缩比和含水率。初步预试验结果表明，压缩育苗钵的抗剪强度、跌落损失率和散开率可作为成型质量指标。设定育苗基质与黏壤土的干物质比为1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1；基质土含水率为30%, 35%, 40%, 45%, 50%；压缩比为0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5。根据单因素试验结果及其水平范围，使用Design-Expert 8.0.6软件中的Box-Behnken试验对因素进行编码，进行多因素正交组合试验，每组试验重复3次，以3次试验结果的平均值作为试验结果。采用响应面法建立各育苗钵质量评价指标的回归模型，并对回归方程进行显著性检验和拟合优度检验。根据拟合模型绘制响应面，分析各因素交互作用对育苗钵成型特性的影响。
育苗钵成型质量指标测定
(1) 育苗钵物理特性测定：使用LD24微计算机控制电子万能试验机配套剪切模具对育苗钵进行剪切力和变形测试。试验机工作范围设为20 mm，剪切速度60 mm/min。当育苗钵从接触剪切模到完全破坏时，系统自动卸载结束试验。计算机自动记录并保存育苗钵的受力关系曲线。当育苗钵被破坏时，力学曲线中的峰值被视为育苗钵剪切力的最大值。每个数据点重复5次，取平均值。
(2) 跌落损失率测定：使用跌落损失率评价油菜育苗钵的机械强度和抗摔碎性。基于移栽过程中穴盘苗的实际跌落高度，将成型育苗钵从50 cm高度自由跌落到水平放置的钢板上。跌落损失率定义为育苗钵跌落后的损失质量占跌落前钵质量的百分比。每个数据点重复5次，取平均值。
(3) 散开率测定：使用散开率作为指标评价育苗钵基质土的吸水性能，为压实育苗钵提供良好的透气透水性。将成型育苗钵放入底部有尼龙网布的空心圆筒管中。将空心圆筒管浸入盛有水的量筒中，保持育苗钵在水中10秒后取出。未从育苗钵中散出的基质土装入另一尼龙网布。一部分基质土遇水散开进入空心圆筒管底部的尼龙网布。将两个装有基质土的尼龙网布放入恒温干燥箱，温度设为100°C烘烤6小时。然后测定尼龙网布中基质土的质量。散开率(Q)计算公式为：Q = (M1- m) / (M1+ M2- m) × 100%，其中M1为散开基质土的干质量（g），M2为未散开基质土的干质量（g），m为试验前称量的尼龙网布皮质量（g）。
综合优化与试验验证
抗剪强度直接影响取苗和投苗过程中育苗钵的破损率。跌落损失率影响育苗钵从取苗投苗机构跌落到栽植装置时基质混合物的损失程度。散开率决定移栽后育苗钵的透水透气性。综合分析育苗钵投苗和移栽成型质量指标的重要性后，将抗剪强度、跌落损失率和散开率的权重系数设为0.33。使用Design-Expert 8.0.6软件进行多目标优化，以获得最佳参数组合。在最佳参数组合条件下压制成型育苗钵，验证其抗剪强度、跌落损失率和散开率，试验重复5次，取结果平均值。
结果与分析
单因素试验结果与分析
(1) 干物质比（育苗基质:黏壤土）：基质土含水率设为40%，压缩比0.4，干物质比设1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1五个水平。随着干物质比增加（基质土中育苗基质含量增加），育苗钵的跌落损失率增加，而抗剪强度下降。散开率先增加后急剧上升。当干物质比为1:1时，由于基质土中育苗基质含量低（黏壤土含量相对较高），基质土挤压成型过程中土与育苗基质颗粒间黏附力强，导致抗剪强度最大，跌落损失率和散开率最小。当干物质比在2:1至4:1范围内时，育苗钵抗剪强度逐渐降低，跌落损失率增加，散开率呈明显上升趋势。育苗钵综合性能达到相对最优状态，抗剪强度8.2 N，散开率37.7%。虽然跌落损失率达到15.2%，但散开的混合基质对育苗钵完整性的影响最小。当干物质比增加到5:1时，由于育苗基质含量相对较高，抗剪强度达到最小值，散开率达到最大，跌落损失率达到最大值31.9%。跌落过程中育苗钵受损严重，对其完整性影响显著。通过单因素试验初步确定干物质比最佳范围在2:1至4:1之间。
(2) 含水率：基质土干物质比3:1，压缩比0.4，含水率设30%, 35%, 40%, 45%, 50%五个水平。随着含水率逐渐增加，育苗钵的跌落损失率先下降后上升再下降。抗剪强度呈现先增加后减少的趋势，而散开率先急剧下降，然后上升，最后下降。当含水率为30%时，跌落损失率达到峰值，抗剪强度达到最小值，散开率达到最大值，这归因于基质土颗粒间水膜黏附力相对较弱，吸水后更易散开。当含水率在35%至45%之间时，育苗钵的性能指标保持相对稳定。综合性能达到相对最优状态，跌落损失率仅为4.1%，抗剪强度8.9 N，散开率27.1%。当含水率为50%时，育苗钵跌落时未破裂仅变形，导致跌落损失可忽略不计。抗剪强度无显著变化，但由于含水率高，育苗钵的通风透水性受到影响，散开率达到最小值4.8%。通过单因素试验初步确定含水率最佳范围在35%至45%之间。
(3) 压缩比：基质土干物质比设为3:1，含水率40%，压缩比设0.3, 0.35, 0.40, 0.45, 0.50五个水平。随着压缩比逐渐增加（对应于添加到上下模的基质土质量逐渐减少），育苗钵的跌落损失率先增加后激增，而抗剪强度逐渐下降。散开率先增加后飙升。当压缩比为0.3时，由于基质土颗粒间的挤压力最大，成型的育苗钵紧实度高，导致抗剪强度最高，跌落损失率和散开率最小。当压缩比在0.35至0.45之间时，基质土颗粒间的相互作用力逐渐减小，导致育苗钵的紧实度逐渐降低。跌落损失率可达23.8%，抗剪强度可降至4.1 N，散开率可达49.1%。在此范围内，散开率性能指标良好，且跌落损失率和抗剪强度均可达到最佳值。当压缩比为0.5时，由于添加到上下模的基质土质量最小，基质土颗粒间的挤压力最小。此时，虽然育苗钵的散开率达到峰值，但跌落损失率也达到最大，而抗剪强度达到最小。因此，育苗钵混合物的机械性能欠佳。通过单因素试验初步确定压缩比最佳范围在0.35至0.45之间。
多因素试验结果与分析
基于单因素试验结果，基质土的干物质比、含水率和压缩比对跌落损失率、抗剪强度和散开率有显著影响。以跌落损失率、抗剪强度和散开率为评价标准，研究影响育苗钵成型质量的规律及最优参数组合。设定干物质比为2:1, 3:1, 4:1；含水率为35%, 40%, 45%；压缩比为0.35, 0.40, 0.45。进行三因素三水平的二次正交组合优化试验。基于试验结果，建立了干物质比(a)、含水率(b)、压缩比(c)与跌落损失率(y1)、抗剪强度(y2)和散开率(y3)的二次多项式回归模型。剔除不显著因素后，得到的回归方程如下：
y1= 10.38 + 3.10a + 1.16b + 9.96c + 0.85ab + 2.8ac + 2.03bc - 2.73a2- 3.0b2+ 4.35c2
y2= 6.22 - 1.06a - 1.60b - 3.24c - 0.72ab + 0.85ac + 1.44b2+ 1.62c2
y3= 12.70 + 7.98a + 8.31b + 14.18c + 9.80ab - 3.78ac + 10.62bc + 8.97a2+ 11.30c2
方差分析
对试验模型进行方差分析。所有模型的显著性水平均小于0.01，表明具有高度的统计学显著性。这说明所有自变量对因变量有显著影响。目标函数的失拟项分别为0.4607, 0.3345和0.1922，均大于0.05，表明不存在失拟因素。这些回归方程在分析结果时可以替代实际试验点。决定系数R2和调整决定系数R2adj均接近1，表明模型具有较高的可靠性和准确性。F值的大小表明各因素对评价指标的影响程度。F值越高，影响越大。基于单因素水平分析，对跌落损失率的影响顺序为：c (压缩比) > a (干物质比) > b (含水率)。同样，对抗剪强度和散开率的影响顺序为：c (压缩比) > b (含水率) > a (干物质比)。交互效应也很明显：对跌落损失率的顺序为ac > bc > ab，对抗剪强度的顺序为ac > ab > bc，对散开率的顺序为bc > ab > ac。
回归模型交互效应分析
(1) 各因素交互作用对跌落损失率的影响：在压缩比为0.4时，跌落损失率随含水率增加先增加后减少，随后随干物质比增加而增加。响应面沿干物质比轴移动更快，沿含水率轴移动较慢。在压缩比恒定时，干物质比对跌落损失率的影响比含水率更显著。当含水率约为45%，干物质比约为2:1时，跌落损失率相对较低。在含水率为40%时，跌落损失率随压缩比增加而增加，但随干物质比增加增加较慢。当压缩比为0.35，干物质比约为2:1时，跌落损失率最低。响应面表明，跌落损失率沿压缩比轴快速变化，沿含水率轴变化较小。在干物质比固定时，压缩比对跌落损失率的影响比含水率更显著。在干物质比为3:1时，跌落损失率随压缩比增加而增加，并随含水率增加先增加后减少。当含水率约为45%，压缩比为0.35时，跌落损失率最低。响应面沿压缩比轴快速移动，而沿含水率轴移动较慢。在干物质比恒定时，压缩比对跌落损失率的影响比含水率更显著。
