Design and experiment of soil covering and compacting device for Panax notoginseng seedling sowing
-
摘要:目的
为提高三七育苗品质，针对槽式三七育苗播种行株距小、播深浅的特殊农艺要求，设计一种集覆土、镇压功能为一体的密集型种沟覆土镇压装置。
方法在田间试验确定三七出苗率高、种苗品级最佳的基质紧实度范围的基础上，对镇压辊与土壤接触进行动力学分析，确定覆土镇压装置相关参数；借助离散元法对覆土镇压过程进行仿真分析；以开沟深度、播种机前进速度为试验因素，以覆土厚度及一致性为试验指标进行土槽试验，验证覆土镇压装置相关结构参数是否满足要求。
结果由田间试验得到基质紧实度范围为200~400 kPa。覆土镇压装置结构参数为：镇压轮直径150 mm、弹簧最大刚度140.5 N/mm。由仿真分析得到覆土厚度为9.77~11.40 mm，粒距偏移量为0.07~6.23 mm，行距偏移量为0.03~1.43 mm。土槽试验结果表明，最优工作参数为：开沟深度为25 mm、播种机前进速度为0.16 m/s，此时覆土厚度均值为11 mm、覆土厚度一致性为85.15%，覆土镇压后基质紧实度为300~360 kPa。
结论由仿真分析和土槽试验可知，覆土镇压装置设计满足三七育苗播种时基质紧实度和覆土厚度的农艺要求，研究结果可为三七覆土镇压装置设计提供参考。
Abstract:ObjectiveAiming at the special agronomy of small row spacing and shallow sowing depth of slot type Panax notoginseng seedling, a compact soil covering and compacting device for seed ditch was designed to improve the quality of P. notoginseng seedlings.
MethodOn the basis of the field experiment to determine the range of matrix compactness with high emergence rate and the best seedling grade of P. notoginseng, the dynamic analysis of the contact between roller and soil was carried out to determine the relevant parameters of the soil covering and compacting device. The process of soil covering and compacting was simulated and analyzed using discrete element method. Taking ditching depth and forward speed of the planter as test factors, the covering soil thickness and consistency as the test indexes, soil trough test was carried out to verify whether the relevant structural parameters of soil covering and compacting device met the requirements.
ResultThe results of field experiment showed that the range of substrate compactness was 200 to 400 kPa. The structural parameters of the soil covering and compacting device were as follows: The diameter of the pressing wheel was 150 mm, and the maximum spring stiffness was 140.5 N/mm. The simulation results showed that the soil covering thickness was 9.77 to 11.40 mm, the offset of grain spacing was 0.07 to 6.23 mm, and the offset of row spacing was 0.03 to 1.43 mm.The results of soil trough test showed that the optimal working parameters were as following: The trench depth was 25 mm, the forward speed of planter was 0.16 m/s, the average covering thickness was 11 mm, the consistency of soil covering thickness was 85.15%, and the compactness of substrate after compaction was 300 to 360 kPa.
ConclusionAccording to the simulation analysis and soil trough test, the design of the soil covering and compacting device can meet the agronomic requirements of substrate compactness and covering soil thickness for P. notoginseng seedlings. The research results can provide references for the design of soil covering and compacting device of P. notoginseng.
-
Keywords:
- Panax notoginseng /
- Seedling raising /
- Seeding /
- Compactness /
- Soil covering and compacting /
- EDEM simulation
-
在基因工程相关研究中，对淀粉合成相关酶及基因方面的研究已经取得了一定的进展[1]，但启动子作为基因表达的重要调控区域，在淀粉相关研究中报道相对较少。选择合适的启动子是有目的地表达外源基因面临的重要科学问题，也是培育安全、高效转基因作物的首要问题[2]。淀粉是玉米Zea mays中的主要物质，玉米中淀粉含量的高低直接影响玉米的产量[3]，直链淀粉与支链淀粉的比例影响淀粉的品质[4]，玉米淀粉是一种优良并且可靠的淀粉来源，全世界80%淀粉来源于玉米[5]，玉米淀粉在化工、医药、纺织、造纸和建筑等领域得到广泛的应用，淀粉的需求量在日益增加，因此提高玉米淀粉含量和改良玉米淀粉品质已成为重要议题，对于玉米淀粉的研究具有显著的社会效益和经济效益[6-7]。
淀粉是在胚乳造粉质体中经一系列酶的配合作用合成的，其中淀粉合成酶在其合成中起到决定性作用，可溶型淀粉合成酶主要包括SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ[8-10]，其中SSⅠ和SSⅢ的表达已相继被证明具有胚乳特异性。玉米淀粉合成酶SSⅡa是淀粉合成酶中的关键酶，能够参与玉米支链淀粉的合成[11]，对其启动子的研究有助于从调控水平上改善及改变SSⅡa活性及作用，进而实现增产及改良目的，完善淀粉代谢网络调控的研究。
本研究克隆并分析SSⅡa启动子，构建5个缺失体植物表达载体，采用三亲杂交法将目标质粒转入农杆菌Agrobacterium tumefacies，用蘸花法将农杆菌转入拟南芥Arabidopsis thaliana，使用除草剂筛选获得阳性植株。PCR检测鉴定拟南芥阳性植株，采用GUS染色和gus基因定量分析启动子的作用部位和活性，以期通过基因工程手段提高玉米淀粉含量，改良淀粉品质提供候选特异性启动子，并为玉米SSⅡa启动子功能研究提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与试剂
玉米B73种子由吉林省农业科学院农业生物技术研究所提供，盆栽砂培，取三叶期的叶片提取基因组DNA，-20 ℃保存备用。植物表达载体pCAMBIA3301由吉林农业大学生命科学学院生物化学与分子生物学实验室保存。
基因组DNA提取试剂盒（Bio Teke）、限制性内切酶EcoRⅠ、BglⅡ和LA Taq均购自TaKaRa生物有限公司，质粒提取试剂盒及DNA凝胶回收试剂盒为AxyGEN公司产品。
克隆SSⅡa基因所用上游引物SSⅡaF：5′-TGTCAGACTGGTTAGTGGAGC-3′；下游引物SSⅡaR：5′-AGAAGGTGGAGGAAGAGGACG-3′。
构建不同长度启动子表达载体的上游引物如下：
SSⅡaF1：5′-CGGAATTCCCTTGACTGGCATCCTT-CCTA-3′，
SSⅡaF2：5′-CGGAATTCTAGAAAGATGTCCCAC-AGAGA-3′，
SSⅡaF3：5′-CGGAATTCTAGCCTATGCTTACCTT-TCAG-3′，
SSⅡaF4：5′-CGGAATTCACGCCATTTTCCATCGT-GCCA-3′，
SSⅡaF5：5′-CGGAATTCCTCGCTGGGCTGCCGTA-GGTA-3′，
共同的下游引物为SSⅡaR：5′-GAAGATCTGG-CGGCGGGATCGATCG-3′。
下划线分别为EcoR I（GAATTC）和BglⅡ（AGATCT）的酶切位点序列。
gus基因检测所用上游引物GUS-F：5′-TTCCTGATTAACCACAAACC-3′；下游引物GUS-R：CGGTTCGTTGGCAATACTCC。
gus基因的定量分析所用β-Actin内参基因上游引物Actin-F：5′-TGCCAATCTACGAGGGTTTC-3′；下游引物Actin-R：5′-GCTCTGCTGTTGTGGTGAAC-3′；目的gus基因上游引物qGUS-F:5′-CTCACACCG-ATACCATCAGC-3′; 下游引物qGUS-R：5′-TACCTT-CTCTGCCGTTTCCA-3′。
1.2 SSⅡa启动子的克隆及序列分析
利用试剂盒提取玉米B73三叶期叶片基因组DNA，根据玉米数据库（http://www.maizegdb.org.ssr/）公布信息，BLAST找到SSⅡa基因5′侧翼序列，利用Primer 5.0软件设计克隆引物SSⅡaF和SSⅡaR，采用常规PCR方法扩增SSⅡa基因5′侧翼序列，PCR条件为：95 ℃ 5 min; 94 ℃ 30 s，69.7 ℃ 40 s，72 ℃ 150 s，35个循环；72 ℃，15 min。扩增产物连接到pMD-18T载体上，转化到大肠埃希菌DH5α，挑取单菌落经PCR鉴定后送至上海生工生物工程公司测序，测序结果与已知序列比对后，利用PlantCare（http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）启动子在线分析软件分析及预测启动子顺式作用元件等功能元件信息[12]。
1.3 SSⅡa启动子植物表达载体的构建
克隆的SSⅡa启动子经序列分析后，依据功能元件所在位置，设计5对引物SSⅡaF1和SSⅡaR、SSⅡaF2和SSⅡaR、SSⅡaF3和SSⅡaR、SSⅡaF4和SSⅡaR、SSⅡaF5和SSⅡaR，并在上下游引物两侧分别加上EcoRⅠ和BglⅡ酶切位点，扩增SSⅡa启动子序列的长度分别为1 407、867、633、483和365 bp，用于构建5个不同长度SSⅡa启动子缺失的植物表达载体[13]。扩增5种长度启动子序列的退火温度分别为56.5、56.5、56.5、62.9和62.9 ℃。将PCR产物与植物表达载体pCAMBIA3301分别双酶切后，16 ℃过夜连接，构建5种重组载体（命名为：P1、P2、P3、P4和P5），分别转化大肠埃希菌DH5α，挑取经PCR及酶切验证后的阳性克隆菌液，送至上海生工生物工程公司测序。
1.4 拟南芥的遗传转化
哥伦比亚型拟南芥，农杆菌EHA105和含HELP质粒菌株均由吉林农业大学生命科学学院生物化学与分子生物学实验室提供，德国泥炭土、蛭石、MS盐、SilwetL-77、6-苄氨基嘌呤（6-BA）、B5维生素、蔗糖、利福平（Rif）抗生素、Kan抗生素等试剂，以及LB培养基和YEP培养基均购置于上海生工生物工程公司。
三亲杂交法将重组植物表达载体导入农杆菌，植物材料培养于人工气候室，拟南芥长至开花期采用农杆菌介导的花序侵染法侵染拟南芥，收获种子，种植，用除草剂筛选阳性植株，作为功能验证试验材料[13]。
1.5 SSⅡa启动子在拟南芥中的功能分析
1.5.1 gus基因的PCR检测
提取含5种不同类型启动子的转基因拟南芥阳性植株（以非转基因拟南芥为对照）的叶片基因组DNA，以其为模板，植物表达载体pCAMBIA3301上的gus基因为目标基因设计的引物（GUS-F, GUS-R）进行PCR扩增，序列长度为402 bp，经10 g·L-1琼脂糖凝胶电泳检测。
1.5.2 转基因植株的GUS组织化学分析
分别取转P1、P2、P3、P4和P5载体的阳性植株和野生型拟南芥，成熟期后分别取叶片和果荚进行GUS染色，参照Jefferson方法[14]（略有改动），具体步骤包括：
1) 清洗：使用无菌水清洗样品，去除样品表面杂物；
2）染色：将材料放置培养皿中，使样品完全浸入到GUS染色液中，置于37 ℃培养箱中过夜；
3) 脱色：将染色材料置于体积分数为80%的乙醇溶液中脱色，期间视乙醇溶液颜色及时更换乙醇溶液，直至拟南芥材料完全脱色（绿色褪去，呈现白色）。脱色后的材料拍照观察，记录。
1.5.3 gus基因的定量分析
提取上述不同试验材料成熟期叶片和种子的RNA，反转录成cDNA为模板，以β-Actin基因为内参，实时荧光定量PCR法测定gus基因的表达，3次重复，采用2-ΔΔCt法进行分析，计算gus基因的相对表达量[15]。
2. 结果与分析
2.1 SSⅡa启动子克隆及分析结果
用玉米B73基因组DNA为模板，SSⅡaF, SSⅡaR为引物进行克隆，得到2 526 bp序列（见图 1A），与pMD18T连接，转化后摇菌，菌液PCR验证结果如图 1B所示，将验证好的阳性克隆测序表明，获得的2 526 bp中有1个碱基突变，与参考序列比对一致性为99.96%，经PlantCare软件分析表明此碱基的差异并未在启动子功能元件处，不影响启动子的功能。
![]()
图 1 SSⅡa启动子克隆和PCR验证的电泳结果M：DL2000 DNA Marker；1~3：SSⅡa启动子。Figure 1. Electrophoresis results of SSⅡa promoter cloning and PCR amplification核酸测序结果及功能元件分析结果如图 2所示，经PlantCare软件分析发现，SSⅡa序列含有众多启动子必需的顺式作用元件，具体元件信息如表 1所示，其中包括TATA-box，CAAT-box等元件。该序列存在9个TATA-box，离SSⅡa基因ATG最近的为处于504 bp处的TATA-box（图 2红色方框中显示），除此之外，分析还发现了众多重要的功能元件和结合位点（表 1），例如1）MBS：MYB结合位点，能够响应水分、盐、低温等逆境胁迫；2）Skn-1-motif和GCN4-motif：胚乳表达所需的顺式作用元件；3）motif IIb：参与脱落酸响应的功能元件；4）O2-site：参与玉米醇溶蛋白代谢调控的功能元件。这些功能元件的存在，说明玉米SSⅡa基因能够受到多种生物及非生物胁迫的诱导及影响，而且拥有胚乳特异性表达的功能元件。该启动子相关功能元件的研究，对于玉米SSⅡa基因的表达调控途径的探究及开发胚乳特异型启动子具有重要意义。
![]()
图 2 玉米SSⅡa启动子的序列分析附有黄色底纹的序列为相关顺式作用元件，由上至下红色方框内依次为克隆突变碱基、胚乳特异性表达功能元件、参与抗旱诱导的MYB结合位点、TATA-box、SSⅡa基因起始密码子ATG。Figure 2. Sequence analysis of maize SSⅡa promoter表 1 SSⅡa启动子区顺式作用元件Table 1. Cis-acting elements of SSⅡa promoter元件名称 序列 元件功能 元件位置 CAAT-box CAATT、CAAAT、CAAT 启动子和增强子区常见的顺式作用元件 -2 380、-1 094、-2 088、-1 165、-1 377、-1 166、-1 095、-1 915、-2 013、-1 032、-815 CAT-box GCCACT 与分生组织表达相关的作用元件 -1 225、-546、-127 CE3 GACGCGTGTC 参与ABA和VP1响应的作用元件 -2 430 CG-motif CCATGGGG 光响应元件 -1 945 G-box CACATGG 光响应元件 -1 601、-392 I-box GGATAAGGTG 光响应元件 -2 419 MBS CGGTCA MYB结合位点 -2 452 Skn-1-motif GTCAT 胚乳表达所需的作用元件 -1 497、-1 087 GCN4-motif CAAGCCA 胚乳表达调控作用元件 -875 Sp1 CC(G/A)CCC 光响应元件 -1 279、-1 145 TATA-box TAATA、TATA、ATATAA、 核心启动子元件（在转录起始位点上游） -1 850、-2 028、-1 389、-1 847、-1 931、-1 848、-2 030、-529、-508 TC-rich repeats ATTTTCTCCA 参与防御和应激反应的作用元件 -1 815 TGA-element AACGAC 生长素响应的作用元件 -1 256、-247 TGACG-motif TGACG 参与茉莉酸甲酯响应的作用元件 -2 458、-1 198、-754 ABRE CACGTG 参与脱落酸响应的元件 -392 CGTCA-motif CGTCA 参与茉莉酸甲酯响应的作用元件 -213 GARE-motif TCTGTTG 赤霉素应答作用元件 -1 029 HSE AAAAAATTTC 参与热胁迫应答的作用元件 -824 MBS CAACTG 参与抗旱诱导的MYB结合位点 -1 000、-761 O2-site GATGATGTGG 参与玉米醇溶蛋白代谢调控的作用元件 -1 044 motif IIb CCGCCGCGCT 脱落酸响应元件 -796 2.2 SSⅡa启动子功能元件分析及构建缺失体设计
本研究成功克隆了玉米淀粉合成酶启动子SSⅡa的2 526 bp片段，并利用PlantCare软件对其进行分析[16]，针对此片段上的顺式作用元件分别设计了5种5′缺失载体，其中：构建缺失体P1中含有8个常见顺式作用元件（CAAT），3个与分生组织表达相关的元件CAT-box，3个茉莉酸甲酯响应的元件CGTCA-motif和TGACG-motif，3个光响应元件GAG-motif和SP1，1个赤霉素应答元件GARE-motif，2个胚乳表达相关作用元件GCN4-motif和Skn-1 motif，1个热响应作用元件HSE，2个参与抗旱诱导的MYB结合位点MBS，1个参与玉米醇溶蛋白代谢调控的作用元件O2-site，2个TATA-box，2个生长素响应元件TGA-element，1个脱落酸响应元件motif IIb。
缺失体P2包括2个常见顺式作用元件（CAAT），2个与分生组织表达相关的元件CAT-box，2个茉莉酸甲酯响应的元件CGTCA-motif和TGACG-motif，1个光响应元件GAG-motif，1个热响应作用元件HSE，1个参与抗旱诱导的MYB结合位点MBS，2个TATA-box，1个生长素响应元件TGA-element，1个脱落酸响应元件motif IIb。
缺失体P3包括2个与分生组织表达相关的元件CAT-box，1个茉莉酸甲酯响应的元件CGTCA-motif，2个TATA-box，1个生长素响应元件TGA-element。
缺失体P4包括1个与分生组织表达相关的元件CAT-box，1个茉莉酸甲酯响应的元件CGTCA-motif，1个生长素响应元件TGA-element。
缺失体P5包括1个与分生组织表达相关的元件CAT-box，1个茉莉酸甲酯响应的元件CGTCA-motif，1个生长素响应元件TGA-element，P4与P5功能元件相同但P5与P4相比缺少预测到的转录起始位点（TSS）序列。
2.3 不同长度SSⅡa启动子5′缺失体植物表达载体构建
根据SSⅡa启动子分析结果，分别使用设计的缺失体引物进行PCR扩增，扩增结果如图 3A所示。采用EcoRⅠ、BglⅡ分别对5种不同长度SSⅡa启动子的PCR产物和植物表达载体pCAMBIA3301进行双酶切，分别构建了5个缺失体植物表达载体，转化大肠埃希菌感受态细胞后，以菌液为模板进行菌液PCR验证（图 3B），分别提取质粒进行双酶切验证，结果见图 3C。说明不同长度SSⅡa启动子植物表达载体构建成功，分别命名为：pCAMBIA-3301-P1、pCAMBIA-3301-P2、pCAMBIA-3301-P3、pCAMBIA-3301-P4和pCAMBIA-3301-P5，以下简称为P1、P2、P3、P4和P5。
![]()
图 3 不同长度SSⅡa启动子片段的扩增、重组载体PCR验证及双酶切验证结果M：DL2000 DNA Marker；1~5分别为缺失体P1、P2、P3、P4和P5。Figure 3. Amplification of SSⅡa promoter fragments of different length, PCR verification of recombinant vectors and double enzyme digestion verification2.4 SSⅡa启动子在拟南芥中的功能分析
2.4.1 gus基因的PCR检测
用除草剂喷洒拟南芥，获得的抗性植株分别提取基因组DNA，以其为模板，gus基因为目标基因进行PCR检测，结果见图 4，由缺失体P1~P5均扩增出402 bp的条带，而非转基因对照的扩增结果为阴性，证明所采样的拟南芥均为成功转化不同长度启动子的阳性植株。
![]()
图 4 不同表达载体gus基因PCR扩增验证电泳结果M：DL2000 DNA Marker；1~2为缺失体P5，3~4为缺失体P4，5~6为缺失体P3，7~8为缺失体P2，9~10为缺失体P1；CK：非转基因对照。Figure 4. PCR detection results of gus gene in different expression vectors by electrophoresis2.4.2 转基因植株的GUS组织化学分析
在成熟期阶段，分别采取叶片和果荚为试验材料进行GUS染色，结果见图 5，野生型拟南芥(CK)叶片未见蓝色，5种类型不同转启动子的拟南芥叶片均呈现不均匀蓝色；野生型拟南芥果荚未见蓝色，转基因拟南芥果荚均有蓝色，且不同长度启动子的果荚，蓝色深浅不同，P1和P2果荚染色较深，P3、P4和P5果荚染色较浅。
![]()
图 5 成熟期转基因拟南芥植株叶片和果荚GUS组织化学染色Figure 5. Histochemical analysis of GUS activities in leaves and pods of transgenic Arabidopsis thaliana plant at maturity2.4.3 gus基因的定量分析
转基因植株经组织化学染色分析后，可以初步判断启动子驱动的gus基因的表达部位和大致表达强度，但并不能判断启动子的活力大小，为了进一步明确5种启动子的活性，利用荧光定量PCR技术从转录水平上检测各启动子驱动的gus基因的表达情况，图 6所示为成熟期5种转基因植株叶片和种子gus基因相对表达量。由图 6可知，野生型拟南芥(CK)叶片和种子中gus基因均不表达，这与GUS染色结果一致。5种转基因叶片中，gus基因表达量P1最高，其他基本一致。种子中gus基因P1和P2表达量相近，高于P3、P4和P5，P5表达量最低。P1和P2中含有胚乳特异性表达的功能元件。本研究结果表明，缺失胚乳表达功能元件可导致所驱动的gus基因在种子中表达量下降（P3、P4和P5）。SSⅡa启动子具有的胚乳特异性，种子gus基因表达量差异可能与功能元件的数量有关[16]。
![]()
图 6 成熟期转基因拟南芥叶片和种子中gus基因的相对表达量Figure 6. Relative expression levels of gus gene in leaves and seeds of transgenic Arabidopsis thaliana plant at maturity3. 讨论与结论
2009年玉米基因组测序工作的完成，为玉米功能基因及启动子序列的克隆带来了极大的方便。本试验利用玉米淀粉合成酶基因SSⅡa核酸序列，BLAST分析出SSⅡa 5′上游DNA序列，设计特异引物，利用常规PCR方法克隆了2 526 bp SSⅡa基因5′侧翼序列，与NCBI中公布的玉米基因组序列比对后，一致性为99.96%。
目前，对玉米SSⅡa启动子的研究报道较少[17]，但Harn等[8]1998年最先从玉米胚乳中成功的克隆了zmSSⅡa和zmSSⅡb的cDNA，SSⅡa在玉米淀粉代谢网络中也主要在胚乳中行使功能，参与支链淀粉的合成；任红丽等[18]与Hu等[19]分别鉴定了玉米可溶性淀粉合成酶基因的SSⅠ和SSⅢ启动子均为胚乳特异性启动子；Li等[20]研究表明籼稻SSⅡa启动子为胚乳特异性启动子。以上研究结果预示本研究克隆的玉米SSⅡa启动子可能具有胚乳特异性。
本研究结果经PlantCare在线分析软件分析，发现其除具有典型启动子基本顺式作用元件之外，还含有胚乳特异性表达功能元件，抗旱诱导结合位点，光诱导元件等胁迫诱导顺式作用元件。为了研究部分顺式作用元件的功能，构建了5个缺失体载体，主要研究胚乳特异性功能元件、抗旱诱导MYB结合位点等的功能。重新设计5种类型的引物，扩增SSⅡa启动子序列的长度分别为1 407 bp（P1）、867 bp（P2）、633 bp（P3）、483 bp（P4）和365 bp（P5），用于构建5个不同长度SSⅡa启动子缺失的植物表达载体，分别转化拟南芥，通过基因组PCR检测，均扩增出402 bp的条带，可证明所采样的拟南芥均为成功转化不同长度启动子的阳性植株。利用GUS化学法对转基因阳性拟南芥成熟期叶片和果荚进行染色，初步验证了gus基因表达部位和大致表达强度；通过荧光定量技术对转基因阳性拟南芥成熟期叶片和种子进行gus基因定量表达，证明了长度为1 407 bp（P1）和867 bp（P2）的SSⅡa启动子具有胚乳特异性。
本研究对5种启动子的功能比较分析只是初步结果，利用P1和P2联合考察胚乳特异性功能元件的作用，对其功能的深入探讨，如利用P2和P3联合考察抗旱诱导MYB结合位点的作用，利用P3和P4联合考察启动子中TATA序列是否为此启动子行使功能的TATA-box等功能的深入研究，还有待后续实验验证。通过对以上5种启动子缺失体功能的进一步研究，期望能够明确SSⅡa启动子中部分顺式作用元件的功能，为SSⅡa启动子的应用提供理论依据，为组织特异性启动子的开发和应用提供候选启动子，为玉米淀粉代谢网络调控的研究提供基础。
-
![]()
图 2 土壤含水率测量
数字表示湿度测定点
Figure 2. Soil moisture content measurement
Numbers present humidity measuring points
![]()
图 3 土壤紧实度测量
数字表示测定点
Figure 3. Soil compactness measurement
Numbers present compactness measuring points
![]()
图 4 不同紧实度的三七种子出苗图
Figure 4. Seed emergence diagram of Panax notoginseng under different soil compactness
![]()
图 5 不同土壤湿度和紧实度的出苗率
Figure 5. Seedling emergence rate under different soil humidity and compactness
![]()
图 7 覆土镇压装置结构简图
1：覆土镇压辊；2：固定支架；3：支撑杆；4：转动轴；5：轴承；6：压力弹簧；7：球形链接
Figure 7. Schematic diagram of the structure of the soil covering and compacting device
1: Covering roller; 2: Fixing bracket; 3: Supporting rod; 4: Rotating shaft; 5: Bearing; 6: Pressure spring; 7: Spherical link
![]()
图 8 覆土镇压辊受力分析图
FP为牵引力；Q为覆土镇压辊的重力及其附加载荷；F为轮缘上的基质总反力；Fy为垂直反力；Fx为摩擦力；r为覆土镇压辊的半径；lh为A点与轮心之间的水平距离；lv为A点与轮心之间的垂直距离；Z为下陷量；Z0为下陷深度； Mm和Mk为摩擦力矩；FN为支撑反力法向合力；FT为切向摩擦力的合力
Figure 8. Force analysis diagram of the soil covering and pressing roller
FP: Traction force; Q : Gravity of the roller and its additional load; F: Radius of the covering roller; Fy : Vertical reaction force; Fx: Friction force; lh : Horizontal distance between point A and wheel center; lv: Vertical distance between point A and wheel center; Z : Subsidence; Z0: Subsidence depth; Mm and MK: Friction torque; FN : Normal resultant force of support reaction; FT: Resultant force of tangential friction
![]()
图 9 覆土镇压辊连接机构受力分析
FN为地面对覆土镇压轮作用力；L为杆AB的长度；l1为压力弹簧接触点距A点的距离；α为杆AB与水平面之间的夹角；F´为牵引力；Fk为弹簧压缩力； Ff为地面与覆土镇压辊之间的摩擦力
Figure 9. Force analysis of the connecting mechanism of soil covering and pressing roller
FN : Force acting on the ground surface of the soil covering and pressing wheel; L: Length of rod AB; l1 is the distance between the contact point of pressure spring and point A; α: Angle between the rod AB and the horizontal plane; F´: Fraction force; Fk: Spring compression force; Ff : Friction force between the ground and the soil covering and pressing roller
![]()
图 10 不同下陷量的覆土镇压辊弹簧平衡受力图
FN1和FN2为地面对覆土镇压轮作用力；L1和L2为杆AB的长度；γ1和γ2为杆AB与垂直平面之间的夹角；F1和F2为牵引力；Fk1和Fk2为弹簧压缩力； Ff1和Ff2为地面与覆土镇压辊之间的摩擦力
Figure 10. Spring balance force diagram of soil covering and pressing rollers with different sinkage
FN1,FN2: Force acting on the ground surface of soil covering and pressing roller; L1, L2 : Length of rod AB; γ1 , γ2 : Angle between the rod AB and the vertical plane; F1 , F2 : Traction force; Fk1 , Fk2 : Spring compression force; Ff1, Ff2 : Friction force between the ground and the soil covering and pressing roller
![]()
图 13 覆土镇压过程土壤运动模型
Figure 13. Model of soil movement during the soil covering and compacting process
![]()
图 15 粒距偏移图
A~H为种子编号
Figure 15. Migration map of grain distance and line spacing
A−H are seed numbers
![]()
图 17 试验因素对覆土厚度及覆土厚度一致性的响应曲面
Figure 17. Response surface of test factors to soil covering thickness and its consistency
表 1 三七种苗各项指标统计
Table 1 Index statistics of Panax notoginseng seedlings
项目
Item单株质量/g
Weight per plant主根长/mm
Taproot length种苗直径/mm
Seedling diameter休眠芽直径/mm
Dormant bud diameter根须数
Root number最小值
Minimum value0.38 12.60 4.70 2.20 2 最大值
Maximum value2.86 72.20 14.30 10.30 20 均值 Mean value 1.27 32.38 9.07 4.49 9.81 标准差
Standard deviation0.22 4.32 0.63 0.33 1.45 变异系数/%
Coefficient of variation17 13 7 7 15 
下载: 导出CSV
表 2 不同土壤湿度和紧实度下三七种苗分级比例
Table 2 Grading proportions of Panax notoginseng seedlings under different soil humidity and compactness
湿度/%
Humidity紧实度/kPa
Compactness一级/%
Level 1二级/%
Level 2三级/%
Level 3三级以下/%
Below level 315 0 0 10 51 29 200 0 10 59 21 400 0 6 53 31 600 0 16 55 19 800 0 13 68 9 1000 0 12 62 16 25 0 0 10 69 11 200 0 23 55 12 400 0 27 54 9 600 0 9 64 17 800 0 12 55 23 1000 0 4 42 44 35 0 0 12 60 18 200 0 13 45 32 400 0 6 32 52 600 0 1 28 61 800 0 3 21 66 1000 0 1 26 63
下载: 导出CSV
表 3 试验因素水平编码表
Table 3 Table of test factors and levels
水平
Level开沟深度/mm
Trenching depth
(A)播种机前进速度/( m·s−1)
Planter forward speed
(B)1 20 0.12 0 25 0.16 −1 30 0.22
下载: 导出CSV
表 4 试验结果表
Table 4 Table of test results
试验号
Test
numberA B 覆土厚度/ mm
Soil covering thickness
(Y1)覆土厚度一致性/%
Consistency of soil
covering thickness
(Y2)1 1 1 10 78.48 2 1 −1 11 79.56 3 −1 1 12 80.62 4 −1 −1 13 83.75 5 1 0 11 79.08 6 −1 0 13 82.71 7 0 1 10 82.99 8 0 −1 12 84.31 9 0 0 11 85.15
下载: 导出CSV
表 5 覆土厚度的方差分析
Table 5 Variance analysis of soil covering thickness
方差来源
Source平方和
Sum of squares自由度
Degree of
freedom均方和
Sum of mean squareF P 模型
Model9.78 5 1.96 13.20 0.0296 A 6.00 1 6.00 40.50 0.0079 B 2.67 1 2.67 18.00 0.0240 AB 0.00 1 0.00 0.00 1.0000 A2 0.89 1 0.89 6.00 0.0917 B2 0.22 1 0.22 1.50 0.3081 残差
Residual0.44 3 0.15 总和
Total10.22 8
下载: 导出CSV
表 6 覆土厚度一致性的方差分析
Table 6 Variance analysis of consistency of soil covering thickness
方差来源
Source平方和
Sum of squares自由度
Degree of
freedom均方和
Sum of mean squareF
P 模型
Model47.45 5 9.49 30.76 0.0088 A 16.53 1 16.53 53.59 0.0053 B 5.10 1 5.10 16.52 0.0269 AB 1.05 1 1.05 3.41 0.1622 A2 23.81 1 23.81 77.16 0.0031 B2 0.97 1 0.97 3.13 0.1749 残差
Residual0.93 3 0.31 总和
Total48.38 8
下载: 导出CSV
表 7 最佳参数镇压结果
Table 7 Compaction result with the optimal parameters
组别
No. of groups
开沟深度均值/mm
Average trenching depth土壤紧实度均值/kPa
Average soil compactness1 25 300 2 25 320 3 25 360
下载: 导出CSV
-
[1] 杨文彩, 朱有勇, 杜迁, 等. 基于农机农艺融合的三七机械化精密播种系统研究[J]. 广东农业科学, 2014, 41(2): 175-180. doi: 10.3969/j.issn.1004-874X.2014.02.041 [2] 杨文彩, 朱有勇, 杜迁, 等. 云南三七工厂化育苗工程技术体系分析[J]. 南方农业学报, 2012, 43(12): 2069-2073. doi: 10.3969/j:issn.2095-1191.2012.12.2069 [3] BERTI M T, JOHNSON B L, HENSON A. Seeding depth and soil packing affect pure live seed emergence of cuphea[J]. Industrial Crops and Products, 2008, 27(3): 272-297. doi: 10.1016/j.indcrop.2007.10.004
[4] 郭慧, 陈志, 贾洪雷, 等. 锥形轮体结构的覆土镇压器设计与试验[J]. 农业工程学报, 2017, 33(12): 56-65. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.008 [5] 刘选伟, 金亮, 赵亚祥, 等. 基于均匀设计的双层圆盘式覆土器的试验研究[J]. 中国农机化学报, 2016, 37(2): 26-28. [6] 苟文, 马荣朝, 樊高琼, 等. 套作模式下链环式覆土器的参数优化[J]. 农业工程学报, 2011, 27(12): 33-37. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.007 [7] 侯守印, 魏志鹏, 史乃煜, 等. 弹性螺旋式覆土镇压器的设计与参数优化试验[J]. 农机化研究, 2021, 43(3): 42-51. doi: 10.3969/j.issn.1003-188X.2021.03.008 [8] 杨文彩, 徐路路, 杜一帆, 等. 三七育苗播种压轮仿形开沟装置的设计与试验[J]. 农业工程学报, 2020, 36(7): 53-62. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2020.07.006 [9] 赵淑红, 刘宏俊, 谭贺文, 等. 丘陵地区双向仿形镇压装置设计与试验[J]. 农业机械学报, 2017, 48(4): 82-89. [10] 张仕林, 赵武云, 戴飞, 等. 全膜双垄沟起垄覆膜机镇压作业过程仿真分析与试验[J]. 农业工程学报, 2020, 36(1): 20-30. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.003 [11] LI B, CHEN Y, CHEN J, et al. Modeling of soil-claw interaction using the discrete element method(DEM)[J]. Soil & Tillage Research, 2016, 158(1): 177-185.
[12] CHIROUX R C, FOSTER W A, JOHNSON C E, et al. Three-dimensional finite element analysis of soil interaction with a rigid wheel[J]. Applied Mathematics & Computation, 2005, 162(2): 707-722.
[13] VIKTOR M, LARS J, MUNKHOLM, et al. Modelling approach for soil displacement in tillage using discrete element method[J]. Soil & Tillage Research, 2018, 183: 60-71.
[14] 林涛, 汤秋香, 郝卫平, 等. 地膜残留量对棉田土壤水分分布及棉花根系构型的影响[J]. 农业工程学报, 2019, 35(19): 117-125. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.19.014 [15] 朱卫红, 铁双贵, 孙建军, 等. 不同土壤质地及播种深度对甜玉米出苗潜势的影响[J]. 河南农业科学, 2005(11): 35-36. doi: 10.3969/j.issn.1004-3268.2005.11.011 [16] 曹慧英, 王丁波, 史建国, 等. 播种深度对夏玉米幼苗性状和根系特性的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 6(8): 397-404. [17] 崔晓明, 张亚如, 张晓军, 等. 土壤紧实度对花生根系生长和活性变化的影响[J]. 华北农学报, 2016, 31(6): 131-136. doi: 10.7668/hbnxb.2016.06.021 [18] 李瑞杰, 陈垣, 郭凤霞, 等. 素花党参种苗质量分级标准研究[J]. 中国中药杂志, 2012, 37(20): 3041-3046. [19] International Organization for Standardization. Traditional Chinese medicine - Panax notoginseng seeds and seedlings: ISO 20408: 2017[S]. Geneva: ISO International Standards, 2017.
[20] 贾铭钰. 免耕播种机镇压装置的实验研究与计算机辅助设计[D]. 北京: 中国农业大学, 2000. [21] 刘其潼, 张晋国, 杨娜, 等. 玉米免耕深松全层施肥精量播种机播前碎土镇压轮的研制[J]. 农机化研究, 2015, 37(7): 127-130. doi: 10.3969/j.issn.1003-188X.2015.07.029 [22] 李宝筏. 农业机械学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2018, 19-24. [23] 王益, 刘军, 王益权, 等. 黄土高原南部3种农田土壤剖面坚实度的变化规律[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2007, 35(9): 200-204. [24] 汤庆, 吴崇友, 袁文胜, 等. 油菜毯状苗高速移栽机覆土镇压装置结构设计[J]. 中国农机化学报, 2016, 37(3): 20-22. [25] 贾洪雷, 郭慧, 郭明卓, 等. 行间耕播机弹性可覆土镇压轮性能有限元仿真分析及试验[J]. 农业工程学报, 2015, 31(21): 9-16. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.21.002 [26] 杨文彩, 杜一帆, 宋志鹏, 等. 2BQ-27型三七精密播种机仿形开沟器的改进设计[J]. 农机化研究, 2018, 40(3): 109-114. doi: 10.3969/j.issn.1003-188X.2018.03.022 [27] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数: GB/T 2089—2009 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. [28] 李超群. 2BQ-28型三七精密播种机关键部件的研究与设计[D]. 昆明: 云南农业大学, 2016. [29] 向伟, 吴明亮, 吕江南, 等. 基于堆积试验的黏壤土仿真物理参数标定[J]. 农业工程学报, 2019, 35(12): 116-123. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.12.014 [30] 中华人民共和国农业部农业机械化管理司. 单粒(精密)播种机作业质量: NY/T 503—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015.
计量
- 文章访问数: 502
- HTML全文浏览量: 33
- PDF下载量: 811
