適合機械化移栽的甘藍植株形態特征研究

張兆輝,田守波,陳春宏,胡建平,邰 翔

(1上海市農業科學院莊行綜合試驗站,上海 201415;2上海市農業科學院設施園藝研究所,上海 201403;3江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室,鎮江 212013)

結球甘藍屬十字花科蕓苔屬植物,又稱為卷心菜、洋白菜等[1]。結球甘藍具有耐寒、抗病、產量高等優點,在我國南北方均普遍栽培,是長江中下游、西北、華北等地區的主要蔬菜之一[2-3]。據統計,2016年我國的甘藍種植面積為200萬hm2,主要分布在華北、西北、長江中下游等地區[4-5]。

移栽是甘藍機械化生產環節中最重要的一步,移栽環節的成敗不僅決定了定植后的成活率,而且對移栽后甘藍植株的生長也有相當大的作用。甘藍機械化生產技術主要包括前期育苗、耕整地、起壟、取苗∕栽苗、收獲等工序[6]。目前我國大部分地區甘藍移栽仍靠人工進行,移栽效率低,勞動強度大,生產成本高,經濟效益低下,發展甘藍移栽機械化技術是甘藍生產的當務之急[2,7-8]。

目前,我國甘藍機械化移栽研究主要集中在農機的引進及針對引進農機的配套栽培技術研究,但與移栽機結構、工作參數相適應的株型特征研究鮮有報道;有研究指出:甘藍的機械化移栽不僅可以提高生產效率,還可以達到節本增效的目的[9-11]。在農業生產中,移栽機對甘藍苗的適應性較差,其中移栽機的鴨嘴限制了甘藍苗大小,如果甘藍苗過長或幅寬過寬或錐角過大,會出現導致拖苗或掛苗的發生,如果甘藍苗根系太長或太短,則會導致埋苗或裸苗的發生,這些均對甘藍的移栽產生不利影響[10]。同時由于我國蔬菜生產的機械化水平較低,不能滿足蔬菜生產的需要,尤其是露地甘藍、露地白菜的機械化移栽技術瓶頸亟待解決[12]。

為此,本研究針對不同的甘藍品種開展適合機械化移栽的甘藍植株形態的研究,以生產中常見的9個甘藍品種,在相同的栽培、管理條件下,對甘藍苗齡在32—44 d時期的甘藍植株形態特征進行深入研究,以期為甘藍機械化生產及移栽機關鍵部件的優化設計提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

選用甘藍生產中常用的9個秋甘藍雜交一代品種,分別為‘爭春’(G1)、‘美貌’(G2)、‘圓綠’(G3)、‘綠球’(G4)、‘七草’(G5)、‘中甘21’(G6)、‘春豐’(G7)、‘西園10’(G8)和‘爭牛’(G9)。試驗在上海星輝蔬菜公司種苗場進行,采用穴盤基質育苗,基質配比(珍珠巖∶草炭=1∶3),采用128孔穴盤進行播種。育苗方法同常規。播種后32 d開始進行數據采集。間隔4 d進行1次數據采集,共進行4次數據采集。

試驗儀器:佳能G11數碼相機;LA-S系列植物圖像分析儀系統(上海凌初環保儀器有限公司)。

1.2 甘藍植株形態特征測試

采樣時間為2020年8月22日、2020年8月26日、2020年8月30日、2020年9月3日。數據采集方法:從各品種分別摘取40株甘藍苗,然后依次進行甘藍苗高、苗冠直徑、株型錐角、根長和根直徑數據提取。株型錐角、根長、根直徑數據的測量區域如圖1。

圖1 甘藍苗測量區域Fig.1 Measurement area of cabbage

1.3 統計分析

采用Excel 2016軟件處理數據,用SAS 8.1軟件的新復極差法進行方差分析,用Matlab語言命令分析植株形態特征分布。

2 結果分析

2.1 植株形態特征比較

從表1可以看出,適栽期內不同甘藍品種的苗高存在顯著差異,其中以G4、G6的苗高最大,且顯著高于其他7個品種;不同甘藍品種的苗冠直徑存在顯著差異,其中以G4、G6、G7、G8的苗冠直徑最大,且顯著高于其他5個品種;不同甘藍品種的株型錐角存在顯著差異,其中以G3、G7的株型錐角最大,且顯著高于其他7個品種;不同甘藍品種的根長存在顯著差異,其中以G4、G6的根長最高,且顯著高于其他7個品種;不同甘藍品種的根直徑之間無顯著差異。這說明不同甘藍品種幼苗在其植株形態特征存在較大差異,這就對移栽機如何在生產上滿足甘藍機械移栽需求提出了較高標準。適栽期內不同甘藍品種的植株形態特征的均值變化見表2。

表1 甘藍苗植株形態特征Table 1 Morphological characteristics of cabbage seedlings

表2 測試期內甘藍苗植形態特征均值變化范圍Table 2 Range of mean rape seedling morphological parameters in test

2.2 植株形態特征檢驗

用Matlab語言命令繪制‘爭春’(G1)第2次取樣甘藍苗高的頻數直方圖,并對其進行正態分布的函數擬合(圖2a)。利用Matlab語言命令對其苗高進行擬合分析,R為0.995,分析認為該擬合曲線為對稱圖形(圖2b)。

通過對圖2a和圖2b進行比較,其兩個擬合曲線相近,從而可以判斷該組苗高近似正態分布。利用Matlab語言命令對其苗高進行檢驗(圖2c),說明其數據點基本位于直線上,從而判斷該組苗高服從正態分布,且正態分布max=159.54 mm、min=142.14 mm,均值=150.316 mm,標準差=4.068 mm。

圖2 ‘爭春’苗高分布的正態分布檢驗Fig.2 ‘Zhengchun’normality test of seeding height

用Matlab語言命令對該組數據進一步進行正態分布檢驗,其在0.05的顯著水平上,苗高數據均值為149.327 1—151.304 9 mm,包括150.316 mm,均值在置信區間成立的概率為90%。因此,‘爭春’(G1)第2次測量苗高數據服從正態分布。

用Matlab語言命令繪制‘圓綠’(G3)第2次取樣苗高的頻數直方圖,并用Matlab語言命令進行正態分布的函數擬合(圖3a)。利用Matlab語言命令對其苗高進行擬合分析,R為0.923,分析認為該擬合曲線為非對稱圖形(圖3b)。

通過對圖3a和圖3b進行比較,其擬合曲線的峰值向左偏移,從而可以判斷該組苗高不服從正態分布。利用Matlab語言命令對其直徑進行檢驗(圖3c),其直徑數據點向直線下部偏移。利用Matlab語言命令對該組苗高進一步進行檢驗表明,在0.05的顯著水平上,該組苗高為155.740 2—161.157 8 mm,均值在置信區間成立的概率為38.9%。說明該組苗高數據呈偏態分布。

圖3 ‘圓綠’苗高分布的正態分布檢驗Fig.3 ‘Yuanlv’normality test of seeding height

通過采用上述方法分析剩余的甘藍數據(表3),其正態分布的偏度系數為0,峰度系數為3。當偏度系數小于0時,認為此組數據峰值右移,為負偏;當偏度系數大于0時,則認為此組數據峰值左移,為正偏。當峰度系數大于3時,認為其數據的偏態分布為尖峰型,在一定范圍內比較集中;當峰度系數小于3時,則認為其數據的偏態分布為平坦型,分布也較為寬泛,且有較大值、較小值的存在。

表3 甘藍植株形態特征分布系數Table 3 Distribution coefficient of plant morphological characteristics of cabbage

(續表3)

甘藍苗在32—44 d苗齡時間段內,其形態特征服從正態分布或偏態分布,其偏度系數、峰度系數和變異系數分別為-0.72—1.56、1.69—7.63和11.21%—31.06%。相關系數的變化范圍見表4。

表4 偏度系數和峰度系數變化范圍Table 4 Range of skewness and kurtosis

2.3 植株形態特征線性擬合

根據不同甘藍苗在適栽期的形態特征變化指標進行線性擬合,得出不同甘藍品種生長模型擬合曲線參數和相關系數(表5)。由圖4可知,不同甘藍苗植株形態特征隨時間延長而呈正線性關系,平均相關系數分別0.973 6、0.983 4、0.986 2和0.987 7,而G1、G2、G6、G9的株型錐角則為負線性相關,G3、G4、G5、G7、G8的株型錐角為正線性相關,R平均為0.951 2。

圖4 甘藍苗植株形態特征曲線擬合結果Fig.4 Fitting curve cabbage seedling morphological parameters

表5 擬合曲線參數和相關系數Table 5 Parameters of fitting curve and correlation coefficients

2.4 甘藍鴨嘴式栽植器關鍵參數分析

無論是不同甘藍品種之間還是同一甘藍品種之間,其幼苗形態特征都存在較大差異,結合甘藍幼苗植形態特征的變化區間,推薦鴨嘴器的合理設計長度為130—220 mm、合理設計錐角為29°—70°,栽植的軌跡大于215 mm,打開最大寬度超過130 mm,栽植的深度為60—90 mm。

圖5 穴盤苗及鴨嘴移栽器Fig.5 Plug seedling and duckbill transplanter

3 討論與結論

結球甘藍品種繁多,不同甘藍品種之間的形態學指標差異較大,這就給機械移栽帶來了較大困難。而通過對甘藍品種的植株形態特征進行研究,發現不同甘藍品種的植株形態學指標除根直徑外均存在差異顯著,這些差異對移栽機的適應性提出了較高要求。因此在實際移栽過程中,應根據移栽機鴨嘴器的要求選擇適合移栽的形態學特征,在育苗時盡量選擇適栽期內形態學指標變異系數較小且形態學指標差異不大的甘藍作為移栽品種。通過對不同甘藍品種的植株形態特征SSR多重比較,結果表明,‘爭春’(G1)、‘爭牛’(G9)兩個甘藍品種的植株形態特征不存在顯著差異,其變異系數也較小,因此可判斷其對移栽機的適應性也較好,這與劉明峰等[10]在油菜上的研究結果相似。而且‘爭春’(G1)、‘爭牛’(G9)兩個甘藍品種的苗高均值為148.9—157 mm,苗幅寬均值為99.1—102 mm,株型錐角均值為34.3—35.7°,根長均值為68.1—70.4 mm。

Matlab語言經過多年發展與不斷完善,現已成為一種比較簡潔、可讀性強的高效率編程軟件,而且基于此建立起來的圖形與數學結合功能,已廣泛應用于農業機械數據領域研究中[11]。本研究利用Matlab語言命令分析了9個甘藍品種的形態特征分布情況,分析認為:當甘藍苗齡在32—44 d時,無論是同一品種在不同采樣時間點還是不同品種在同一采樣時間點其植株形態特征分布程度均存在一定差異。以綠球(G4)苗冠直徑為例,在苗齡32—44 d內所有采樣時間點上直徑均服從正偏態分布,且峰度由平坦型轉變為尖峰型,表明第1次和第2次測量中苗冠直徑的分布較寬泛,其苗冠直徑明顯較大,第3次和第4次測量中苗冠直徑在一定范圍內集中。因此可以判斷:‘綠球’(G4)在苗齡32—44 d,隨著時間推移,苗冠直徑趨于集中,進而可以推測無論是同一品種甘藍苗還是不同品種甘藍苗生長趨勢均存在一定差異,甘藍苗植株的形態特征值均可能存在較大或較小值。目前我國甘藍主產區還未形成機械化移栽的技術規范,不同地區之間種植的甘藍品種也存在較大差異。通過試驗中形成的甘藍幼苗生長模型,可以判斷不同甘藍品種幼苗植株發育形態,在9個甘藍品種中,相對于G2、G3和G8三個品種,G4、G6和G7移栽時間可以適當推遲,G1、G5和G9的移栽時間可以提前。

移栽機鴨嘴式栽植器的工作、關鍵結構參數與甘藍幼苗植株形態特征的適應程度是影響甘藍移栽的主要因素[10]。劉明峰等[10]研究指出移栽機鴨嘴器長度太短或錐角過小都會造成幼苗損傷;而鴨嘴器錐角過大則會導致甘藍苗以傾斜姿態落下;鴨嘴器打開最大開度小于幼苗幅寬,或軌跡高度小于幼苗高,均會導致拖苗;栽植過深或過淺也會影響成活率。結合試驗中甘藍幼苗植形態特征的變化區間,推薦鴨嘴器的合理設計長度為130—220 mm、合理設計錐角為29°—70°,栽植的軌跡大于215 mm,打開最大寬度超過130 mm,栽植的深度為60—90 mm,這一研究結果與劉明峰等[10]在油菜上的研究存在一定相似性。

本研究從甘藍形態特征、栽植器工作參數、甘藍適栽期內生長特征研究了甘藍機械移栽過程中農藝與農機如何匹配。通過分析9個甘藍品種對移栽機械的適應性,認為‘爭春’(G1)、‘爭牛’(G9)兩個甘藍品種對移栽機械的適應性較好;通過比較分析不同甘藍品種或同一甘藍品種之間的植株形態,認為當甘藍苗齡在32—44 d時,無論是同一品種在不同采樣時間點還是不同品種在同一采樣時間點其植株形態特征分布程度均存在一定差異;根據不同甘藍品種的植株形態特征變化規律,確定了甘藍移栽機鴨嘴器合理設計長度及合理設計錐角。但是,在實際操作中由于品種、農機、適栽期選擇不可能都滿足研究的最佳條件,這就需要在實際條件中權衡選擇最適合實際操作的條件,同時更需要將農機與農藝技術相互融合[13]。