日光溫室辣椒機械化移栽可行性研究

劉娜, 王彥, 趙晨陽, 郭俊先

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所, 烏魯木齊 830091; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院, 烏魯木齊 830052)

新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)屬于典型的干旱荒漠性氣候，沙漠與沙漠化土地較多，大田種植的作物成活率極低，因此該地區(qū)多開展在日光溫室內(nèi)種植，結合沙漠地區(qū)日照時間長、少雨少雪的特性，使得該地區(qū)的日光溫室在經(jīng)濟性和規(guī)模上都有一定優(yōu)勢[1-5]，但是和田地區(qū)人口較少[6]，嚴重制約了日光溫室的發(fā)展，急需發(fā)展機械化作業(yè)。

日光溫室是節(jié)能日光溫室的簡稱，又稱暖棚，具有造價低、保溫性能好、節(jié)能降耗、維護簡單等特點，冬季太陽高度較低，日出在東南，日落在西南。為了在冬季最大限度地利用陽光，日光溫室多采用座北朝南、東西延長的方位[7-10]。傳統(tǒng)的日光溫室多采用南北壟向栽培，該模式下作物的光能利用較好，且布局更為合理簡便，作業(yè)要求低，溫室內(nèi)空間利用率高。但該模式下，壟的數(shù)量多、長度短，同時，溫室內(nèi)空間狹小，農(nóng)機作業(yè)時存在‘頭難調(diào)、門難進、路難走、邊難耕’等諸多問題，為了適應機械化發(fā)展，部分地區(qū)開始采用東西壟向的種植方式。近年來，學者們對于壟向的作用觀點不一，有的認為改變壟向不會對作物造成影響[11]，有的則認為南北壟向更好[12-13]，還有認為東西壟向更優(yōu)[14-16]，此類研究主要集中在大田生產(chǎn)上，對日光溫室的研究較少，且內(nèi)容大多與農(nóng)藝性狀相關，忽略了實際生產(chǎn)時采用機械化種植對作物的影響。

目前，辣椒是和田地區(qū)溫室蔬菜，本文選擇辣椒作為研究對象，使用2ZYZ-2型自走式移栽機在和田地區(qū)日光溫室內(nèi)進行了機械化種植試驗，尋找適宜機械化種植的作業(yè)參數(shù)，并對機械種植模式與傳統(tǒng)人工種植模式之間的差異進行了比較，分析和田地區(qū)日光溫室的機械化種植的可行性，為和田地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用日光溫室位于和田市吉亞鄉(xiāng)金葉村(79.72°E,37.33°N)塔克拉瑪干大沙漠南邊，地勢南高北低，平均海拔約1 300 m，年平均氣溫11.5 ℃，極端最高氣溫41.9 ℃，最低氣溫-23.9 ℃；多年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2 595.3 mm，干燥度為20.8。日光溫室為全鋼架圈梁結構，由國家煙草總局出資，京和紡織有限公司建造，跨度9 m，長60 m，高5.6 m，種植面積480 m2。墻體為保溫被，外部材質(zhì)為PVC，內(nèi)部材質(zhì)為太空棉，透明覆蓋材料采用EVA雙防膜。

試驗所用辣椒品種為大果60，由日月蔬菜種子有限公司生產(chǎn)，在和田地區(qū)吉亞鄉(xiāng)金葉村的日光溫室內(nèi)培育，定植苗齡為50 d。種植時采用典型的溝壟模式，每個大棚準備牛羊糞便10 m3，加入發(fā)酵菌調(diào)整水分含量60%左右，每7 d堆翻一次。種植前，平整土地施入發(fā)酵好的牛羊糞便與適量有機肥(過磷酸鈣30 kg，復合肥30 kg)，使用旋耕機將底肥均勻混入土壤中，旋耕深度為25 cm。處理后土壤pH為7.7，有機質(zhì)31.95 g·kg-1，水解性氮105 mg·kg-1，有效磷193 mg·kg-1，速效鉀306 mg·kg-1。

1.2 試驗設備

2ZYZ-2型自走式移栽機(昆明順吉科技有限公司)、新沃1GQN-140型旋耕機(寧晉縣新沃旋耕機械有限公司)、YT10-A多功能田園管理機(無錫悅田農(nóng)業(yè)機械科技有限公司)、泰鴻TH604-3輪式拖拉機(濰坊泰鴻拖拉機有限公司)、BPG-9140A精密鼓風干燥箱(廣州永程實驗儀器有限公司)及YP-5002型電子天平(北京中西遠大科技有限公司)、鋼卷尺、游標卡尺等。

1.3 試驗設計

作業(yè)前首先確定2ZYZ-2型自走式移栽機的最佳參數(shù)，行進速度為1.0 km·h-1時作業(yè)人員的失誤率與作業(yè)效率均處于較優(yōu)水平，但移栽深度以及作物間距對定苗數(shù)以及植株環(huán)境影響顯著，需進行種植試驗。

將單個大棚的有效產(chǎn)量作為響應值，植株的行距、株距、移栽深度作為影響因子(表2)進行響應面試驗，通過方差分析得到回歸模型并進行顯著性檢驗，最后利用Design-Expert中的optimization確定最優(yōu)的試驗方案。

試驗在金葉村C區(qū)001～017號日光溫室內(nèi)進行，種植行向為適宜機械化作業(yè)的東西走向，灌溉施肥措施相同，定植后75～80 d統(tǒng)一采收，統(tǒng)計每個試驗片區(qū)辣椒的有效產(chǎn)量。有效產(chǎn)量為剔除外形不達標的辣椒果實后，剩余具有經(jīng)濟價值的果實產(chǎn)量，由當?shù)鼐哂胸S富經(jīng)驗的工作人員進行人工篩選。

1.4 機械種植模式與人工種植模式對比試驗

于2019年7月10號在金葉村內(nèi)的C006、007號棚內(nèi)開展，人工種植棚南北壟向，機械種植棚東西壟向。

注：1—供苗系統(tǒng)；2—機架；3—植苗系統(tǒng)；4—液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)；5—輪邊減速器；6—主動輪；7—發(fā)動機；8—從動輪；9—動力傳輸系統(tǒng)。Note: 1—Seedling supply system; 2—Frame; 3—Seedling system; 4—Hydraulic control system; 5—Wheel reducer; 6—Driving wheel; 7—Engine; 8—Driven wheel; 9—Power transmission system.圖1 2ZYZ-2型自走式移栽機結構Fig.1 Structure of 2ZYZ-2 self-propelled transplanter

1.4.1種植參數(shù)確定 移栽深度6 cm、行距30 cm、株距40 cm，壟高20 cm，壟寬60 cm，過道長35 cm，東西壟向使用2ZYZ-2型自走式移栽機完成移栽作業(yè)，南北壟向采用人工種植。記錄兩個種植棚內(nèi)的有效產(chǎn)量并考察植株的生長狀況及果實的品質(zhì)。

表2 試驗因素水平表Table 2 Factor level table

1.4.2株高莖粗測定 使用對角線法在溫室內(nèi)劃分10個小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)選擇10株樣本采集數(shù)據(jù)，總樣本數(shù)為100株，測量定植后5(幼苗)、35(開花坐果)、70 d(成熟)時辣椒的株高、莖粗。

1.4.3植株物質(zhì)積累量測定 收獲期每個小區(qū)選擇5株樣本，總樣本數(shù)50株，清洗后將地上與地下部分分開，測量其鮮重后放入鼓風干燥箱，105 ℃烘干至恒重，測量其干重后計算其根冠比。

1.4.4有效產(chǎn)量及果實品質(zhì) 于定植后75～80 d進行采收，篩選方式與種植參數(shù)試驗相同。每棚隨機抽取100個果實測量其果型參數(shù)與營養(yǎng)成分，成分檢測于普尼測試集團股份有限公司烏魯木齊試驗室內(nèi)進行，辣椒素的測定方法參考國家標準[17-20]。

使用Excel對試驗結果進行整理，利用Originlab進行方差分析以及圖像繪制。

2 結果與分析

2.1 移栽機種植參數(shù)分析

2.1.1回歸模型與顯著性分析 試驗方案及結果如表3所示，不同方案的有效產(chǎn)量在1.422～2.611 t之間，移栽深度6 cm、行距30 cm、株距40 cm組合方案表現(xiàn)均較優(yōu)。

對試驗結果進行方差分析得到擬合方程為：有效產(chǎn)量Y=2.54+0.14X1+0.2X2+0.071X3+0.055X1X2+0.022X1X3+0.2X2X3-0.41X12-0.5X22-0.25X32，R2值為0.98，表明該模型可以擬合98%以上的試驗結果。試驗因素對每個大棚有效產(chǎn)量的影響顯著順序為：行距>移栽深度>株距。

2.1.2交互因素影響分析 圖2為因素交互作用的響應面曲線。三個因素對響應值的影響均為先增后減，移栽深度過大不利于滴灌模式下植物對水肥的吸收，過小則導致植株易被吸熱性較強的沙土燙死；株行距的變化影響了植株冠層內(nèi)的光照、溫度、濕度、CO2濃度等微環(huán)境，同時也決定了溫室的種植密度。行距與株距的間交互作用較為明顯S3(6,X2,X3)，響應面曲線沿行距變化比沿著株距方向變化更快，可知在移栽深度在零水平時，行距對有效產(chǎn)量的影響更為顯著。

2.1.3移栽機最優(yōu)作業(yè)參數(shù)驗證分析 軟件所得最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為：移栽深度6.38 cm、行距32.64 cm、株距42.55 cm，預測有效產(chǎn)量2.59 t。實際操作時將最優(yōu)方案取整為：移栽深度6 cm、行距為30 cm、株距40 cm。進行了三次驗證試驗，結果取平均值，測得的有效產(chǎn)量2.48 t，相對誤差為4.25%，基本達到預期目的，參數(shù)模型較為合理。

2.2 機械化與人工栽植效果對比

對兩種種植模式下的栽植合格率進行了測定[21-22]，試驗參數(shù)下，2ZYZ-2型移栽機(作業(yè)人數(shù)1人)的平均栽植頻率為111.2株·min-1，人工種植(作業(yè)人數(shù)4人)的平均栽植頻率為123.8株·min-1，由于栽植作業(yè)勞動強度較大，工人需要頻繁休息，人工種植所需工作時間遠高于理論時間，相較機械化作業(yè)效率較低。

機械移栽的株距、行距變異系數(shù)均低于人工移栽，栽植深度合格率高于人工移栽，說明2ZYZ-2型移栽機相較人工有著更高的栽植精度。測量時發(fā)現(xiàn)，機械作業(yè)存在漏栽、傷苗現(xiàn)象，在人工作業(yè)時幾乎沒有出現(xiàn)，這是人工移栽的優(yōu)勢，同時也是移栽機今后改進的重點。

表3 試驗方案及響應值Table 3 Test scheme and response value

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

圖2 交互作用的響應面Fig.2 Response surface of interaction

表5 人工和機械模式栽植效果對比Table 5 Comparison of planting effect between artificial and mechanical modes

2.3 不同時期辣椒生長狀況對比

辣椒植株參數(shù)如表6所示，在植株外形方面，5 d時辣椒植株漲勢基本相同。35、70 d時，人工種植模式的辣椒植株高度高于機械化種植模式，增長幅度分別為4.1%和3.95%；機械化種植模式的辣椒莖粗高于人工種植模式，增長幅度分別為5.72%和3.63%，兩種種植模式下辣椒植株的株高與莖粗差異較為顯著(P<0.05)。在生物積累量上，兩種模式下的植株地下部分差異不顯著，機械化種植模式的植株地上部分的生物積累量顯著高于人工種植模式，根冠比顯著低于人工種植模式，辣椒作為收獲地上部分為主的作物，較低的根冠比表明機械化種植模式的辣椒性狀更為合理。推測造成這種情況的原因是東西壟向光照條件更好，對辣椒的生長素抑制作用更強，使得莖桿的伸長受到抑制，株高較低；同時更好的光照也意味著植株的光合作用更強，因此莖稈更為粗壯，干物質(zhì)積累量也更多。

2.4 產(chǎn)量及果實品質(zhì)比較

機械化種植模式的有效產(chǎn)量為2.38 t，人工種植模式的有效產(chǎn)量為2.14 t。機械化種植模式產(chǎn)量與模型預測值相差8.82%，表明模型較為可靠；相比人工種植模式增產(chǎn)11.21%，表明機械化種植模式在產(chǎn)量上優(yōu)于傳統(tǒng)的人工種植模式。

果實外形及營養(yǎng)成分測定結果如表7、表8所示，兩種模式下的辣椒果實在外形上不存在顯著差距，外觀品質(zhì)為同一水平。

營養(yǎng)成分測定表明，人工種植模式的辣椒，辣椒素含量高28.57%，維生素C含量高41.19%，可溶性糖含量高3.31%，粗纖維含量高10%；兩種種植模式下的辣椒的氨基酸組成差異不顯著，天冬氨酸與谷氨酸在辣椒中含量最高，占氨基酸總量的40%左右，機械化種植模式的辣椒氨基酸總量比南北向高20.73%，其中人體必需氨基酸含量比南北向高10.63%，人體非必需氨基酸含量比南北向高25.6%。由于營養(yǎng)成分的組成決定了辣椒的風味[23]，因此認為兩種模式下的果實風味存在差異。

為了進一步了解這種差異對經(jīng)濟性的影響，召集當?shù)毓ぷ魅藛T共50人對辣椒進行了感官評分，人工模式得分13.3±2.4，機械模式得分14.1±3.3，表明兩種模式下辣椒果實的感官評分沒有顯著區(qū)別，可以認為這種口感的差異不影響其經(jīng)濟性。

3 討論

受限于和田地區(qū)獨特的氣候條件，日光溫室在和田地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有及其重要的地位，隨著城市化進程的加快與勞動力成本的提高，機械化已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢，但溫室復雜的結構特點與傳統(tǒng)的作業(yè)方式極大的限制的農(nóng)業(yè)機械的使用，近年來，多位學者針對這一問題展開了研究：楊小龍等[24]對番茄在日光溫室內(nèi)進行東西與南北壟向的研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量不存在顯著性差異；魏珉等[25]同樣選擇番茄進行研究，表明相同株行距,東西壟向的產(chǎn)量高于南北壟向，部分處理存在顯著差異；劉攀等[26]選擇草莓進行研究，發(fā)現(xiàn)東西壟向種植的草莓不僅產(chǎn)量提高了13%，還具有更好的品質(zhì)與更短的收獲期。壟向的研究旨在解決溫室內(nèi)機械化作業(yè)的難題，但現(xiàn)有的研究多集中在農(nóng)藝性狀上，所得的種植模式并不能很好的與農(nóng)機結合，實踐作業(yè)時往往會產(chǎn)生諸多問題，本研究在確定的農(nóng)機參數(shù)上開展了種植試驗，大大提高了研究的可靠性。

表6 辣椒植株性狀Table 6 Plant parameter of pepper

表7 果實外形及品質(zhì)指標Table 7 Shape and quality index of fruit

表8 氨基酸含量Table 8 Amino acid content

目前，包括本研究在內(nèi)的多項結果均證明，在日光溫室內(nèi)采用東西壟向并不會降低作物的經(jīng)濟價值。機械化種植模式在不改變經(jīng)濟性的同時，大大提高了作業(yè)效率，減少了勞動力的浪費，這充分說明在和田地區(qū)日光溫室內(nèi)進行機械化移栽是可行的，本研究所得的種植模式可以為和田地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論和實踐依據(jù)。