番茄穴盤苗基質(zhì)-根綜合特性和移栽夾取損傷研究.pdf

1、中國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國，蔬菜產(chǎn)量還將持續(xù)增加。相比于其它蔬菜，番茄富含維生素A和維生素C，并可降低患癌及患心臟病的風(fēng)險(xiǎn)。中國是番茄的主要生產(chǎn)國，2013年番茄產(chǎn)量達(dá)50600萬噸。為了增加番茄出產(chǎn)量，迫切需要自動(dòng)移栽技術(shù)。但是，機(jī)器性能與農(nóng)藝有著必然聯(lián)系，因此必須要研究設(shè)計(jì)適合中國作物生長狀況的高效移栽機(jī)，而實(shí)際情況是農(nóng)學(xué)知識并沒有融入到移栽機(jī)的設(shè)計(jì)中，缺少取苗末端執(zhí)行器與育苗技術(shù)相結(jié)合的研究工作，因此很難實(shí)現(xiàn)蔬菜的自動(dòng)化移栽。近

2、年來，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描被用來評估土壤-根系統(tǒng)的形態(tài)特征和力學(xué)特性，同時(shí)與其他技術(shù)相結(jié)合，分析土壤-根系統(tǒng)的綜合特性。在機(jī)械動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，分析土壤-根系統(tǒng)的形態(tài)特征和力學(xué)特性可有助于優(yōu)化機(jī)械作業(yè)過程。本文利用micro-CT等先進(jìn)手段開展了番茄穴盤苗基質(zhì)-根綜合特性和移栽夾取損傷研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　1)利用Micro-CT分析番茄穴盤苗基質(zhì)-根系統(tǒng)的物理、力學(xué)和農(nóng)藝特性。試驗(yàn)中三種基質(zhì)處理分別為S1(草炭∶蛭石∶珍珠巖=

3、60.20∶20)，S2（草炭∶蛭石∶珍珠巖=60∶40∶0），S3(草炭∶蛭石∶珍珠巖=60∶0∶40)。采用72孔穴盤育苗，基質(zhì)容重設(shè)定為0.28、0.32和0.36gcm-3三個(gè)水平。生長30天后，對穴盤苗進(jìn)行Micro-CT掃描分析，結(jié)果表明三種基質(zhì)處理的平均孔隙度范圍分別為17.8-24.7，40-52.8和11.3-14.2％。對Micro-CT圖像進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明三種基質(zhì)處理的馮密斯應(yīng)力大小和剛度大小依次為S1，S

4、2和S3。利用有損方法得到穴盤苗的形態(tài)特征，結(jié)果表明基質(zhì)容重為0.28gcm-3時(shí)，根體積和根長最大;基質(zhì)容重為0.32和0.36gcm-3時(shí)，隨容重的增加根長逐漸減小。上述研究得出草炭∶珍珠巖∶蛭石=60∶20∶20，基質(zhì)容重為0.28gcm-3情況下，培育的番茄穴盤苗基質(zhì)-根系形態(tài)和力學(xué)性能最佳，這有利于自動(dòng)高效移栽。
　　2)使用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀(EDS)技術(shù)分析基質(zhì)中營養(yǎng)元素組成，監(jiān)測每天每穴4、6和8mL

5、灌溉條件下穴盤苗的生長情況。基質(zhì)處理為S1，S2和S3三種情況，從72孔穴盤育苗中隨機(jī)抽取6株用于SEM-EDS掃描分析，試驗(yàn)重復(fù)3次，并監(jiān)測三種灌溉處理?xiàng)l件下穴盤苗地上部分的形態(tài)特征。SEM-EDS掃描分析得到基質(zhì)中主要包含的營養(yǎng)元素為C、O、N、Si、P、S、K、Ca、Fe和Cl，基質(zhì)處理S1中含有植物生長必需的營養(yǎng)元素O、Si、N、P、K、Fe和Mg要明顯多于S2和S3。以上研究結(jié)果表明，基質(zhì)配比為草炭∶珍珠巖∶蛭石=60∶20∶

6、20為番茄苗生長提供了豐富的營養(yǎng);灌溉量為每天每穴8mL的穴盤苗，其莖粗、株高及葉片數(shù)優(yōu)于灌溉量為4和6mL。
　　3)建立了可模擬根系生長和根系與基質(zhì)連接力的模型，測定了基質(zhì)-根系統(tǒng)的力學(xué)特性。番茄穴盤苗生長周期為37天，分別在第25、28、31、34和37天利用Micro-CT掃描基質(zhì)-根系統(tǒng)。利用VGStudio Max2.2軟件計(jì)算五次試驗(yàn)中根的體積，采用原子力顯微鏡(AFM)分析生長期為28天穴盤苗根的力學(xué)和彈性特性，使

7、用TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)儀評估苗缽的綜合強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，運(yùn)用X-ray micro-CT得到根的最大生長速度為7.639×10-3mm3/sec，而模擬得到根的最大生長率為7.854×10-3mm3/sec;試驗(yàn)和仿真得到的根系與基質(zhì)最大連接力分別為1.568×10-7N和1.254×10-7N;穴盤苗根的彈性指數(shù)范圍為0到1，表明該物體具有粘彈性;加載的最大力達(dá)2.52N。
　　4)研究基質(zhì)-根系統(tǒng)的定量化損傷。設(shè)計(jì)夾取裝置

8、，在0、1.5、3.0和4.5N夾緊力條件下進(jìn)行穴盤苗形態(tài)和結(jié)構(gòu)的可視化研究，利用Micro-CT技術(shù)將結(jié)果進(jìn)行量化。在兩夾取手指處粘貼應(yīng)變片，用其來控制施加力的大小，結(jié)果表明，隨加持力的增大損傷面積逐漸增大。
　　5)建立了夾取力與針插入角度關(guān)系的力學(xué)模型，分析了取苗末端執(zhí)行器的振動(dòng)特性并對其進(jìn)行了優(yōu)化。所建立夾取力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.960，末端執(zhí)行器模態(tài)分析顯示的振動(dòng)固有頻率為75.51，118.25，316.67和40