番茄穴盘苗基质-根综合特性和移栽夹取损伤研究

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0.36gcm-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0.28gcm-3时，根体积和根长最大;基质容重为0.32和0.36gcm-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 Max2.2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7.639×10-3mm3/sec，而模拟得到根的最大生长率为7.854×10-3mm3/sec;试验和仿真得到的根系与基质最大连接力分别为1.568×10-7N和1.254×10-7N;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400.04Hz，振动测试试验结果显示的夹取力为60.45，72.51，82.25，101.56和121.45N。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0.28gcm-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。

目录

声明

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENT

LIST OF FIGURES

ABBREVIATIONS

LIST OF SYMBOLS

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1．1 VEGETABLE TRANSPLANTING lN DEVELOPING COUNTRIES

1．2 PICK-UP END EFFECTOR RESEARCH FOR AUTOMATIC TRANS-PLANTERS

1．2．1 Current level and trends in pick-up end-effector designs in China and other countries

1．2．2 Key bottlenecks in the design of pick-up devices

1．3 HISTORY OF X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY IN SOIL-PLANT RESEARCH

1．4 PRINCIPLE AND GUIDELINES OF OPERATION OF CT IN SOIL RESEARCH

1．5 APPLYING CT FOR IMAGING SOIL-ROOT PHYSICAL AND BIOLOG-ICAL PROCESSES

1．5．1 Trends in using CT for soil-root investigations

1．5．2 Root architecture imaging

1．5．3 Soil compaction and structure deformations

1．5．4 Soil-roots hydraulic interactions

1．5．5 Soil-root biological processes

1．6 SIGNIFICANCE AND OBJECTIVES OF THE STUDY

1．7 MAIN CONTENT AND DISSERTATION ORGANIZATION

CHAPTER 2 COMBINING X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND RELEVANT TECHNIQUES FOR ANALYZING SOIL-ROOT DYNAMICS-AN OVERVIEW

2．1 INTRODUCTION

2．2 APPLICATIONS OF CT AND OTHERTECHNIOUES IN SOIL AND ROOT STUDIES

2．2．1 Soil Hydraulic and Structural Dynamics

2．2．2 Root network imaging

2．2．3 Modeling and CT experimental work on root-soil interactions

2．2．4 Detection of organic matter

2．3 ADVANTAGES AND LIMITATION OF COUPLING CT WITH OTHER TECHNIQUES

2．4 ADDITIONAL TRENDS AND OUTLOOK

CHAPTER 3 ASSESSMENT OF TOMATO SEEDLING SUB-STRATE-ROOT QUALITY USING X-RAY MICRO-COMPUTED TOMOGRAPHY

3．1 INTRODUCTION

3．2 MATERIALS AND METHODS

3．2．1 Main instrument／facility used in the study

3．2．2 Experimental procedure and data acquisition

3．4 RESULTS AND DISCUSSION

3．4．1 Ground data on tomato seedlings

3．4．2 Three dimensional strueture visualization and estimation of root feature analysis

3．4．3 Porosity analysis

3．4．4 Finite element analysis of substrate-roots

3．5 SUMMARY

CHAPTER 4 SUBSTRATE-ROOT NUTRIENT ELEMENT ANAL-YSES AND WATER APPLICATION EFFECT ON SEEDLING GROWTH

4．1 INTRODUCTION

4．2 MATERIALS AND METHODS

4．2．1 Experiments

4．2．2 Statistical Analysis

4．3 RESULTS AND DISCUSSION

4．3．1 SEM Structures and nutrient analyses

4．3．2．Cluster analyses and correlation between nutrient elements

4．3．3 Effect of three water appfications on the growth and development of seedlings

4．4 SUMMARY

CHAPTER 5 MODELING AND MECHANICAL PERFORMANCE OF SEEDLING SUBSTRATE-ROOTS

5．1 INTRODUCTION

5．2 MATERIALS AND METHODS

5．2．1 Model Development

5．2．2 Soil-root mechanical model

5．3 MODEL SIMULATIONS

5．4 EXPERIMENTS

5．4．1 Experiment on root growth of tomato seedlings

5．4．2 Compression experiments on tomato roots and substrates

5．5 RESULTS AND DISCUSSION

5．5．1 Mechanical Properties of Soil-roots

5．5．2 Force-displacement analysis of seedling soil-roots

CHAPTER 6 INVESTIGATIoNS INTO SEEDLING SUBSTRATE GRIPPING FORCEDAMAGE

6．1 INTRODUCTION

6．2 FORCE GRIPPING DAMAGE EQUATION

6．2．1 Equation for estimating damage

6．3 EXPERIMENTS

6．3．1 Seedling growth conditions

6．3．2 Force application on the seedling soil

6．3．3 Laboratory experiments

6．3．4 Damage investigation／inspection

6．4 RESULTS AND DISCUSSION

6．4．1 Seedling soil damage imaging and morphometry under different force treatments

6．4．2 Physical and mechanical properties of soil damage

6．5 SUMMARY

CHAPTER 7 ANALYSES AND OPTIMIZATION OF PICK-UP SUCCESS RATIO IN TRANSPLANTING

7．1 INTRODUCTION

7．2 ANALYSIS OF PICl(-UP DEⅥCE IN PICKING UP SEEDL玎呵GS

7．2．1 Pick-up trajectory and motion planning

7．3 MODAL ANALYSIS

7．3．1 Governing equations for the modal analysis of the pick-up end-effector

7．3．2 Experimental and finite element simulation methods

7．3．3 Simulation by ANSYS Workbench

7．4 CONSIDERATIONS FOR THE DESIGN OF PICK-UP ENDEFFECTORS

7．4．1 Substrate type and pick-up relationship

7．4．2 Root properties and pick-up relationship

7．4．3 Damage and pick-up relationship

7．5 OPTIMIZATION OF SUCCESS RATIO IN TRANSPLANTING SEED-LINGS

7．6 SUMMARY

CHAPTER 8 GENERAL CONCLUSIONS，INNOVATION AND RECOMMENDATIONS

8．1 GENERAL CONCLUSIONS

8．2 INNOVATIONS／NOVELTY

8．3 RECOMMENDATIONS FOR FUTURE WORK

REFERENCES

ACKNOWLEDGEMENT

PUBLICATIONS