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番茄穴盘苗基质-根综合特性和移栽夹取损伤研究

Francis Kumi  
【摘要】:中国是世界上最大的蔬菜生产国,蔬菜产量还将持续增加。相比于其它蔬菜,番茄富含维生素A和维生素C,并可降低患癌及患心脏病的风险。中国是番茄的主要生产国,2013年番茄产量达50600万吨。为了增加番茄出产量,迫切需要自动移栽技术。但是,机器性能与农艺有着必然联系,因此必须要研究设计适合中国作物生长状况的高效移栽机,而实际情况是农学知识并没有融入到移栽机的设计中,缺少取苗末端执行器与育苗技术相结合的研究工作,因此很难实现蔬菜的自动化移栽。近年来,X射线计算机断层扫描被用来评估土壤-根系统的形态特征和力学特性,同时与其他技术相结合,分析土壤-根系统的综合特性。在机械动力学领域,分析土壤-根系统的形态特征和力学特性可有助于优化机械作业过程。本文利用micro-CT等先进手段开展了番茄穴盘苗基质-根综合特性和移栽夹取损伤研究,主要研究内容如下:1)利用Micro-CT分析番茄穴盘苗基质-根系统的物理、力学和农艺特性。试验中三种基质处理分别为S1(草炭:蛭石:珍珠岩=60:20:20),S2(草炭:蛭石:珍珠岩=60:40:0),S3(草炭:蛭石:珍珠岩=60:0:40)。采用72孔穴盘育苗,基质容重设定为0.28、0.32和0.36 gcm-3三个水平。生长30天后,对穴盘苗进行Micro-CT扫描分析,结果表明三种基质处理的平均孔隙度范围分别为17.8-24.7,40-52.8和11.3-14.2%。对Micro-CT图像进行有限元分析,结果表明三种基质处理的冯密斯应力大小和刚度大小依次为S1,S2和S3。利用有损方法得到穴盘苗的形态特征,结果表明基质容重为0.28 gcm-3时,根体积和根长最大;基质容重为0.32和0.36 gcm-3时,随容重的增加根长逐渐减小。上述研究得出草炭:珍珠岩:蛭石=60:20:20,基质容重为0.28gcm-3情况下,培育的番茄穴盘苗基质-根系形态和力学性能最佳,这有利于自动高效移栽。2)使用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)技术分析基质中营养元素组成,监测每天每穴4、6和8mL灌溉条件下穴盘苗的生长情况。基质处理为S1,S2和S3三种情况,从72孔穴盘育苗中随机抽取6株用于SEM-EDS扫描分析,试验重复3次,并监测三种灌溉处理条件下穴盘苗地上部分的形态特征。SEM-EDS扫描分析得到基质中主要包含的营养元素为C、O、N、Si、P、 S、K、Ca、Fe和Cl,基质处理S1中含有植物生长必需的营养元素O、Si、N、P、K、Fe和Mg要明显多于S2和S3。以上研究结果表明,基质配比为草炭:珍珠岩:蛭石=60:20:20为番茄苗生长提供了丰富的营养;灌溉量为每天每穴8mL的穴盘苗,其茎粗、株高及叶片数优于灌溉量为4和6mL。3)建立了可模拟根系生长和根系与基质连接力的模型,测定了基质-根系统的力学特性。番茄穴盘苗生长周期为37天,分别在第25、28、31、34和37天利用Micro-CT扫描基质-根系统。利用VGStudio Max 2.2软件计算五次试验中根的体积,采用原子力显微镜(AFM)分析生长期为28天穴盘苗根的力学和弹性特性,使用TA.XTPlus质构仪评估苗钵的综合强度。研究结果表明,运用X-ray micro-CT得到根的最大生长速度为7.639 × 10-3 mm3/sec,而模拟得到根的最大生长率为7.854 × 10-3 mm3/sec;试验和仿真得到的根系与基质最大连接力分别为1.568 x10-7N和1.254 x 10-7N;穴盘苗根的弹性指数范围为0到1,表明该物体具有粘弹性;加载的最大力达2.52N。4)研究基质-根系统的定量化损伤。设计夹取装置,在0、1.5、3.0和4.5N夹紧力条件下进行穴盘苗形态和结构的可视化研究,利用Micro-CT技术将结果进行量化。在两夹取手指处粘贴应变片,用其来控制施加力的大小,结果表明,随加持力的增大损伤面积逐渐增大。5)建立了夹取力与针插入角度关系的力学模型,分析了取苗末端执行器的振动特性并对其进行了优化。所建立夹取力学模型的相关系数高达0.960,末端执行器模态分析显示的振动固有频率为75.51,118.25,316.67和400.04 Hz,振动测试试验结果显示的夹取力为60.45,72.51,82.25,101.56和121.45 N。在每分钟取苗30到40次时,优化得到的最小和最大取苗成功率分别为90.24%和91.40%。本文研究结果表明基质配比为草炭:珍珠岩:蛭石=60:20:20,基质容重0.28 gcm-3和每天每穴灌溉量为8mL条件下培育的番茄穴盘苗,移栽成功率较高,,因此本研究得到的生长条件是利于番茄苗成功移栽的最佳条件。


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