油菜钵苗标准化成型方法及其机械移栽适应性对幼苗生长的影响研究

《Agriculture》：Study on the Performance of Seedling-Carrying Potting for Mechanical Transplanting of Oilseed Rape and Its Effect on Seedling Growth Wei Quan, Jingyuan Sun, Haiyang Chen, Fanggang Shi, Xiaohu Jiang, Dongcai Tao, Hao Zhong and Mingliang Wu

本研究提出了一种油菜钵苗标准化成型方法，旨在解决油菜穴盘苗机械移栽中因基质破碎、幼苗损伤导致的取送苗失败问题。通过优化基质土配比（干物质比、压缩比、含水量），获得了具有良好物理机械性能（抗剪强度、跌落损失率、崩散率）的标准化钵体，并验证了其在田间移栽后相较于穴盘苗和裸根苗，在根系发育、干物质积累、叶绿素含量及壮苗指数等关键生长指标上的显著优势，为油菜钵苗移栽机的设计提供了理论依据。

　　

引言与研究背景

油菜是中国主要的粮油作物。长江流域的冬油菜区采用稻-油轮作模式，茬口矛盾突出。机械移栽是解决油菜栽培茬口矛盾、提高油菜产量与品质的主要方式。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-送苗装置和栽植装置的夹持、输送动作易导致钵体破碎或散落，显著降低移栽成功率和影响幼苗生长质量。当前关于机械移栽的研究多集中于取苗送苗装置工作参数的优化设计、育苗基质配方对幼苗生长特性的影响以及钵苗物理力学特性等方面，但对移栽后幼苗生长质量的研究较少。本研究聚焦圆柱形油菜带钵体，包括标准化钵体及其携带的幼苗，旨在通过钵体成型试验优化钵苗物理力学性能，并比较优化钵苗与穴盘苗、裸根苗移栽后的生长质量，为油菜带钵移栽机的设计提供参考。

材料与方法

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。试验基质主要为东北草炭土，来自长春壮苗泥炭技术有限公司。试验土壤为粘壤土，过筛后粒径小于2毫米。试验幼苗选自同一地块、同期播种育苗，苗龄28-32天的“丰油730”品种四叶一心期裸根油菜苗。

试验基质土由一定比例的育苗基质、粘壤土和水组成。育苗基质主要提供油菜幼苗生长所需的养分，并改善基质土的吸水、持水能力。粘壤土则增加育苗基质颗粒间的粘附力。通过测量和计算，确定了干物质比（育苗基质:粘壤土）、含水量和压缩比等参数。

钵体成型在专用的带钵成型试验台上进行。操作时，V形模具与下模对齐，分两次填充并压缩基质土，并将修剪后的油菜幼苗根系置于预成型的V形基质土中，最终由上下模合模挤压，形成圆柱形带钵体（直径2 cm，高4 cm），并保压10秒后推出。成型后的标准化带钵体如图所示。

试验设计包括单因素试验和多因素正交组合试验。基于预试验和湖南油菜移栽区的农艺要求，确定影响钵体成型质量的三个主要因素为基质土干物质比、压缩比和含水量。以压制后带钵体的抗剪强度、跌落损失率和崩散率作为成型质量评价指标。单因素试验确定了各因素的初步优化范围。在此基础上，采用Design-Expert 8.0.6软件进行三因素三水平的Box-Behnken响应面试验设计，建立了各评价指标的回归模型，并进行了方差分析和交互效应分析。

成型质量指标测定方法如下：

1. 1.
   抗剪强度测定：使用LD24微机控制电子万能试验机及配套剪切模具对带钵体进行剪切测试，记录破坏时的峰值力作为抗剪强度。
2. 2.
   跌落损失率测定：将成型钵体从50 cm高度自由跌落到水平放置的钢板上，计算跌落后钵体损失质量与跌落前质量的百分比，用以评价钵体的机械强度和抗摔性。
3. 3.
   崩散率测定：将成型钵体置于底部装有尼龙网的圆筒中，浸水10秒后取出，通过烘干称重分别测量散落和未散落的基质土干重，按公式Q = (M₁- m) / (M₁+ M₂- m) × 100%计算崩散率，用以评价压实后钵体的吸水性和透气性。
   最后，采用综合评分法（抗剪强度、跌落损失率、崩散率权重系数均为0.33），利用软件进行多目标优化，得到基质土的最优参数组合，并进行验证试验。同时，在田间开展了优化钵苗、穴盘苗和裸根苗移栽后的生长特性对比试验。

结果与分析

单因素试验结果表明：

• •
  干物质比：随着干物质比增大（育苗基质占比升高），钵体跌落损失率增大，抗剪强度下降，崩散率先增后急剧升高。干物质比在2:1至4:1时，钵体综合性能达到较优状态。初步最优范围为2:1至4:1。
• •
  含水量：随着含水量增加，跌落损失率先降后增再降，抗剪强度先增后降，崩散率先急剧下降后增再降。含水量在35%至45%时，钵体性能指标相对稳定，综合性能较优。初步最优范围为35%至45%。
• •
  压缩比：随着压缩比增大（添加的基质土质量减少），跌落损失率先增后剧增，抗剪强度持续下降，崩散率先增后剧增。压缩比在0.35至0.45时，崩散率性能指标较好，且跌落损失率和抗剪强度可达较优值。初步最优范围为0.35至0.45。

多因素试验与优化基于单因素结果，以干物质比（2:1, 3:1, 4:1）、含水量（35%, 40%, 45%）和压缩比（0.35, 0.40, 0.45）为因素，进行了响应面试验。方差分析显示，所建立的回归模型高度显著，失拟项不显著，模型可靠。各因素对评价指标的影响程度依次为：对抗跌损失率，压缩比 > 干物质比 > 含水量；对抗剪强度和崩散率，压缩比 > 含水量 > 干物质比。

通过响应曲面分析了因素间的交互效应。对抗跌损失率，压缩比的影响最显著，与干物质比或含水量的交互作用明显。对抗剪强度，压缩比和含水量的影响较大。对崩散率，压缩比和含水量的交互影响显著。

采用多目标优化，得到基质土的最优参数组合为：干物质比4:1，压缩比0.36，含水量45%。在此参数下，钵体的预测性能为：跌落损失率1.5%，抗剪强度7.1 N，崩散率34.9%。验证试验结果与预测值的相对误差分别为7.1%、7.0%和8.4%，验证了模型和优化参数的准确性。

田间生长对比试验结果显示，优化后的带钵苗在多项生长指标上显著优于穴盘苗和裸根苗：

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  根长、根径、根干物质量、叶绿素含量、壮苗指数均表现为：带钵苗 > 穴盘苗 > 裸根苗。与穴盘苗相比，带钵苗的上述生长特性分别高出11.7%、10%、21.7%、2.8%和27.8%；与裸根苗相比，分别高出17.1%、12.5%、32.2%、10.8%和32.7%。
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  苗长、苗宽、植株锥角、茎叶干物质量则表现为：穴盘苗 > 带钵苗 > 裸根苗。与裸根苗相比，带钵苗的相应生长特性分别高出8.9%、9.8%、2.3%和30.6%。

结论

本研究成功提出并优化了一种用于油菜机械移栽的标准化带钵成型方法。通过系统研究，确定了获得优良物理机械性能（低跌落损失率、高抗剪强度、适宜崩散率）钵体的最优基质土参数组合（干物质比4:1，压缩比0.36，含水量45%）。验证试验证明了该参数组合的可靠性。关键的田间对比试验证实，采用该优化参数成型的带钵苗，在移栽后表现出卓越的幼苗生长质量，其根系发育、干物质积累及整体壮苗程度均显著优于传统的穴盘苗和裸根苗。该研究为改善油菜钵苗机械移栽的适应性、提高移栽成功率和幼苗质量提供了有效的解决方案和理论依据，对油菜机械化移栽技术的发展具有积极意义。