棉稈拉拔阻力的研究

陳明江，宋德平，王振偉，王仁兵，劉凱凱，陳永生

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京　210014；2.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所，山東 濱州　256601)

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棉稈拉拔阻力的研究

陳明江1，宋德平2，王振偉1，王仁兵2，劉凱凱2，陳永生1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京210014；2.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所，山東 濱州256601)

摘要：為研究收獲期的棉稈根部直徑和土壤硬度對棉稈拉拔阻力的影響，為棉稈拔稈收獲機械的設(shè)計和使用提供參考依據(jù)，在山東省無棣縣棉花生產(chǎn)全程機械化示范基地進行了棉稈拔稈試驗，采集了棉稈拉拔阻力、根部直徑和土壤硬度的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明：在較長時間跨度里，棉稈的拉拔阻力變化很大，呈先增大后減小的趨勢。已采集的6批次數(shù)據(jù)中，第2批次(2014.12.26)棉稈拉拔阻力最大，單株棉稈最大拉拔阻力為1031.6N，平均拉拔阻力為679.0N；第6批次(2015.03.21)棉稈拉拔阻力最小，單株棉稈最大拉拔阻力達到471.1N，平均拉拔阻力為340.76N。對采集的數(shù)據(jù)進行的回歸分析表明：同批次的棉稈拉拔阻力與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系，直線回歸關(guān)系不顯著；同批次的棉稈拉拔阻力土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系，直線回歸關(guān)系不顯著。

關(guān)鍵詞：棉稈；拉拔阻力；根部直徑；土壤硬度

0引言

棉稈是棉花種植的副產(chǎn)品，是重要的生物質(zhì)資源，既可作為燃料或飼料，也可作為肥料粉碎還田，同時在工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，具有較高的經(jīng)濟價值[1]。2014年，全國棉花播種面積4.22×106hm2，若棉稈單位面積產(chǎn)量按3t/hm2計算，全國棉稈總產(chǎn)量約為1.266×107t[2]。盡管棉稈總量巨大，但棉稈收獲技術(shù)發(fā)展遲緩，配套收獲裝備性能低下，未能得到廣泛推廣。除新疆地區(qū)大部分棉稈被粉碎還田外，其他地區(qū)多數(shù)農(nóng)戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，致使棉稈資源利用率低下。拔稈收獲能實現(xiàn)棉稈的全部收集，可避免殘留根茬對下一輪作物的不利影響，是最受農(nóng)民歡迎的收獲方式。為此，國內(nèi)研制了多種基于拔稈原理的棉稈收獲裝備：水平齒盤式拔棉稈機，如河北農(nóng)哈哈的4MJ-2型棉花秸稈收獲機；臥式齒輥拔棉稈機，如農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所的4MGB-237型棉稈拔稈切碎聯(lián)合收獲機；鏈式拔稈機，如蘇順達機械廠的MB-1型棉花拔棵機。由于設(shè)備的性能、可靠性還達不到相應(yīng)的要求，且對拔稈機理的基礎(chǔ)性研究還有所不足，這些機型的使用并不廣泛[3-8]。

棉稈拉拔阻力是棉稈收獲機理研究的重要技術(shù)參數(shù)，國內(nèi)外科研單位在這方面開展了一系列工作。張鳳元[9]測定，人工用手拔棉柴的拔稈阻力為40～120kg/株，可見其勞動強度特別大。蘇丹喀土穆大學(xué)的Tawfig F·Demian[10]研究發(fā)現(xiàn)，一棵棉株從同一穴中好幾棵棉株中拔出來最大起拔力為1 000N，一棵單獨的棉柴的起拔力為1 210N。沈茂[11]等研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)，沿垂直方向拉拔，棉稈的整個根系都受到土壤的阻力；而以一定角度拉拔，棉稈僅有一部分根系受拉，這樣必然使得棉稈的拉拔阻力減小。李怡[12]等人開展的進一步研究發(fā)現(xiàn)，起拔角度對棉稈起拔力存在顯著影響，試驗條件下最優(yōu)起拔角度為30°，最優(yōu)起拔線速度為6.28mm/s。由于棉稈拔稈阻力的影響因素同時還與土壤的物理參數(shù)有密切關(guān)系，因此在實際應(yīng)用中還需要同時考慮土壤對拔稈阻力的影響。山西省運城市農(nóng)機科研所李有田[13]在對棉稈拉拔阻力作了初步測定發(fā)現(xiàn)，棉柴拉拔阻力分布與位移關(guān)系可分為阻力上升階段和阻力下降階段。

實際上，從棉花開始采摘到棉稈完全收獲有5～6個月，在這段時間內(nèi)，受土壤、氣候、棉稈生理活性等因素的影響，棉稈的水分蒸發(fā)、根部腐爛，以及土層的含水率、硬度變化都會導(dǎo)致棉稈的拉拔阻力在不同的時間段存在變化。土質(zhì)、土壤含水量和土壤堅實度對棉柴的起拔力有較大的影響[14]，雖然人們對棉稈拉拔阻力進行了研究，但忽略了在較長時間跨度里棉稈腐爛、水分、溫度、土壤理化性質(zhì)等因素對棉稈拉拔阻力的影響。針對上述問題，本文測量了棉稈在不同的時間點拉拔阻力的變化，為棉稈收獲裝備的研制和使用提供參考資料。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

采樣地點位于山東省濱州市無棣縣棉花生產(chǎn)全程機械化示范基地，土壤屬鹽堿地；氣候夏熱多雨，冬寒季長，春季多風(fēng)干燥；數(shù)據(jù)采集區(qū)的棉花采用一膜雙行的膜下直播種植模式，棉花品種為中棉所-50(CCRI50)。

1.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集從棉花收獲后開始，第1次采集時間在2014年10月23日，此后每隔一段時間采集1次數(shù)據(jù)，一直延續(xù)至第2年春季棉花播種。主要采集棉稈根部直徑、拉拔阻力及土壤硬度等數(shù)據(jù)，并通過天氣預(yù)報跟蹤天氣變化，如氣溫等。根部直徑采用測量棉稈地表根部同一橫截面的垂直兩個方向的尺寸，并求取平均值。拉拔阻力的測量使用樂清禾木儀器儀表有限公司SH-1000型數(shù)顯式推拉力計(量程0～1 000N，精度0.5N)，其能夠?qū)崟r顯示測量力的變化，且能將每次測量的最大數(shù)據(jù)自動存儲。具體測量方法是：用尼龍繩一端拴在棉稈的根部，另一端連接到推拉力計的掛鉤上，并豎直向上緩慢提拔，根部脫離土壤后，讀取最大數(shù)據(jù)。土壤硬度的采集采用濰坊普創(chuàng)儀器有限公司TYD-1型土壤硬度計，測量距離棉稈根部5cm內(nèi)側(cè)(鋪膜)和外側(cè)(未鋪膜)數(shù)據(jù)，并求平均值。每次測量數(shù)據(jù)40組，形成棉稈根部直徑、拉拔阻力和土壤硬度的數(shù)據(jù)表，經(jīng)處理后如表1所示。

表1　采集的相關(guān)數(shù)據(jù)

2結(jié)果與分析

觀察表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：第3～5次采樣數(shù)據(jù)中的拉拔阻力數(shù)據(jù)缺失。因棉花根系為直根系，分為主根和側(cè)根，大部分的根系分布在耕作層內(nèi)，在土壤養(yǎng)分、水分和土質(zhì)合適的情況下，根系生長非常發(fā)達，主根可深入土層達2m左右，側(cè)根長度可達1m以上，73%以上的根幾種在地表40cm的土層內(nèi)，根系下扎可達140cm，根系總量有超過80.6%側(cè)向分布在0～15cm。平文超的試驗結(jié)果表明：不同密度下，0～30cm的土層內(nèi)的根干質(zhì)量和根長分別占總量的67.8%～97.4%和54.0%～93.3%；30cm以下土層的棉稈根部主要是毛細根部，其容易斷裂，產(chǎn)生的拉拔阻力小，棉稈抓地力最強的部分主要位于0～30cm的土層內(nèi)[15-16]。而濱州為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，進入冬季以后氣溫逐漸降低。追蹤濱州市當年分月的天氣發(fā)現(xiàn)：在進入12月份后，日最低氣溫均在0℃以下，導(dǎo)致土壤從上往下逐漸發(fā)生冰凍。隨時間的推移，凍土深度加深，土壤和棉稈地表向下的根部理化性狀隨之發(fā)生改變，土層內(nèi)的水分變?yōu)楸薅捀康乃忠沧優(yōu)楸⒏街渖?，如圖1所示；而位于0～30cm的土層內(nèi)的棉稈根正好是土層對棉稈作用力最強的部分。因此，導(dǎo)致棉稈的拉拔阻力急劇增加，絕大多數(shù)棉稈的拉拔阻力已經(jīng)超出推拉力計的量程，超過人力拉拔的極限(多數(shù)棉稈兩人合力不能拔出)；又因寒冬不適合田間作業(yè)，棉稈的收獲也失去了意義，因此未采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1棉稈根部直徑對拉拔阻力的影響

為提高研究結(jié)果的可信度，文中分別對第1次采樣數(shù)據(jù)與第2次采樣數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件進行線性回歸分析，分析結(jié)果如圖2所示。

線性回歸模型為

y1=29.42x+21.26

r2=0.60F=560.00P=0.00

P<0.05，可知線性回歸模型成立；r2=0.60，說明回歸方程顯著性一般。

y2=33.78x+200.82

r2=0.00F=12.00P=0.00

P<0.05，可知線性回歸模型成立；r2=0.60說明線性回歸不顯著。

圖中A、B、C區(qū)域有非常明顯的冰渣

○代表第1次采樣數(shù)據(jù) ；+代表第2次采樣數(shù)據(jù)

通過軟件分析，可直觀地發(fā)現(xiàn)：同批次采集的數(shù)據(jù)中，棉稈最大拉拔阻力與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。線性回歸分析得出的兩組處理結(jié)果中P值均小于0.05，表明線性回歸模型成立；但回歸模型y1中的r2=0.60，顯示其模型線性回歸性不顯著。回歸模型y2中的r2=0.00，顯示其模型線性回歸極不顯著。這是因為直接影響棉稈拉拔阻力的因素可能有土壤的硬度、土壤跟棉稈的摩擦力及棉稈根系的分布生長情況等因素。在同一地塊中，因肥力的不均勻性，造成棉稈根系生長差別較大，導(dǎo)致棉稈的拉拔阻力存在了較大差別；而棉稈的根部地面直徑的大小僅是在一定程度上反應(yīng)根系的生長情況。

2.2土壤硬度對拉拔阻力的影響

由于棉稈的拉拔阻力與棉稈直徑存在正相關(guān)關(guān)系，因此在研究棉稈的最大拉拔阻力與土壤硬度的關(guān)系時，應(yīng)避免棉稈根部直徑這個因素對棉稈最大拉拔阻力的影響；但實際情況決定了采集相同直徑棉稈的數(shù)據(jù)難度大，就不可避免棉稈直徑對數(shù)據(jù)分析的影響。所以，為了最大限度地減小棉稈直徑對棉拉拔阻力的影響，文中按照直徑大小將棉稈數(shù)據(jù)分組(理論分組區(qū)間越小，直徑因素對研究拉拔阻力和土壤硬度的影響因素越小)，既要降低直徑因素的影響，又要兼顧分組中數(shù)據(jù)的個數(shù)，本文將棉稈直徑按照1mm的區(qū)間進行分組。為提高數(shù)據(jù)的可信度，從第1批次數(shù)據(jù)中選取了數(shù)據(jù)個數(shù)最多4組數(shù)據(jù)，分別是直徑在12～13mm、13～14mm、15～16mm、17～18mm的數(shù)據(jù)，并對4組數(shù)據(jù)分別做了拉拔阻力和土壤硬度的線性回歸分析，如圖3所示。

圖3土壤硬度與棉稈拉拔阻力的關(guān)系

Fig.3The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；*代表13～14mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；+代表15～16mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；△代表17～18mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)。

線性回歸模型為

y3=54.60x+663.89(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y4=49.59x+177.98(13～14mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y5=63.55x+110.31(15～16mm)

r2=0.5F=6.50P=0.00

y6=59.80x+300.07(17～18mm)

r2=0.6F=6.40P=0.01

對方程y3、y4、y5、y6進行比較分析發(fā)現(xiàn)：僅有y3回歸模型顯示棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成負相關(guān)關(guān)系。對12～13mm內(nèi)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：有1組數(shù)據(jù)直徑12.21mm，土壤硬度3.15kg/cm2，拉拔阻力614N，其大小遠超過12～13mm，其它拉拔阻力的平均值373.6N。該數(shù)據(jù)可能受未知因素的影響而遠超過常規(guī)數(shù)據(jù)，因此為降低對整體數(shù)據(jù)的影響，將該數(shù)據(jù)的拉拔阻力修正為其它數(shù)據(jù)的平均值373.6N，重新進行線性回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4土壤硬度與棉稈拉拔阻力的關(guān)系

Fig.4The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；*代表13～14mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；+代表15～16mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；△代表17～18mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)。

線性回歸模型為

y3=7.62x+341.71(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.08

雖然P=0.08>0.05，顯示線性回歸模型不成立；但是從圖上y3的線性圖像上看出：棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系。綜上，在y4、y5、y6顯示棉稈拉拔阻力與土壤硬度正相關(guān)非常明顯的基礎(chǔ)之上得出棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)。

2.3在長時間跨度里棉稈的拉拔阻力變化趨勢

研究在長時間跨度里棉稈的拉拔阻力變化趨勢時，將所采集的數(shù)據(jù)按照棉稈直徑5～9mm、10～12mm、13～15mm、16～19mm及20mm以上分成5個等級，分別求取對應(yīng)級別中每組棉稈的平均拉拔阻力。平均拉拔阻力與根部直徑對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

為便于描述，將采集的數(shù)據(jù)按照時間順序為3組，第1次采樣數(shù)據(jù)與第2次采樣數(shù)據(jù)分別設(shè)為Ⅰ和Ⅱ組，第6次采樣數(shù)據(jù)設(shè)為Ⅲ組。橫向比較3組數(shù)據(jù)可知：每組棉稈的平均拉拔阻力均隨平均直徑的增加而增大?？v向比較3組數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：在同一直徑區(qū)間內(nèi)，棉稈的平均拉拔阻力Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。

分析此次試驗對比得出：在同批次棉稈中，棉稈根部的最大拉拔阻力不但與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系(這與上文中得出結(jié)論一致)，而且在不同批次棉稈中，棉稈的最大拉拔阻力相差甚大；其變化規(guī)律呈先上升后下降的趨勢，拉拔阻力最大的時候出現(xiàn)在寒冬。該地區(qū)在棉花收獲后約1個月時間進入寒冬，平均溫度降至0℃以下并持續(xù)下降，土壤水分凍結(jié)，出現(xiàn)凍土，且隨著時間推移，凍土深度增加，使得土壤硬度增加，從而導(dǎo)致棉稈的最大拉拔阻力急劇上升；3月份后，溫度升高，冰雪融化、凍土解凍及在微生物活動的影響下，導(dǎo)致土壤疏松，土壤硬度減小；其次，棉稈根部諸多毛細根及較細的根部腐爛變質(zhì)，導(dǎo)致自身抗拉強度減小，受力容易斷裂，綜合諸多因素導(dǎo)致棉稈的最大拉拔阻力減小，且明顯小于棉花收獲初期時的最大拉拔阻力。

圖5　不同月份棉稈拉拔阻力的比較

3結(jié)論

通過試驗可以得出：在同批次棉稈中，棉稈的拉拔阻力跟棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系；棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系；受土壤硬度變化的影響，棉稈的拉拔阻力也發(fā)生變化，從棉花收獲后到棉花再播種期間，棉稈的拉拔阻力變化很大，呈先增大后減小的趨勢。已采集的6批次數(shù)據(jù)中，第2批次(2014-12-26)棉稈拉拔阻力最大，單株棉稈最大拉拔阻力為1 031.6N，平均拉拔阻力為679.0N；第6批次(2015-03-21)棉稈拉拔阻力最小，單株棉稈最大拉拔阻力達到471.1N，平均拉拔阻力為340.76N。

需要指出的是：棉稈的拉拔阻力只是棉稈拔稈收獲需要考慮的因素之一。實際上，隨著含水率的變化，棉稈的抗拉強度等力學(xué)特性也在不斷發(fā)生變化。就本次試驗數(shù)據(jù)而言，第6批次棉稈試樣盡管拉拔阻力最小，但棉稈的抗拉強度和抗彎強度等力學(xué)特性參數(shù)也最小，極易在拔稈作業(yè)中發(fā)生斷裂[17-18]，從而影響收獲作業(yè)效果。棉稈收獲作業(yè)能耗受拉拔阻力影響，而拔斷率與棉稈抗拉強度和抗彎強度等力學(xué)特性有關(guān)。因此，棉稈拔稈收獲作業(yè)需綜合考慮棉稈拉拔阻力和棉稈自身力學(xué)特性。

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Research on the Cotton-Stalk Uprooting Resistance

Chen Mingjiang1, Song Deping2, Wang Zhenwei1, Wang Renbing2, Liu Kaikai2, Chen Yongsheng1

(1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;2.Binzhou Research Institute for Agricultural Mechanization, Binzhou 256616, China)

Abstract：In order to study the cotton-stalk uprooting resistance influenced by the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, and thereby to provide reference for the design and use of cotton-stalk uprooting harvester, cotton-stalk uprooting experiment was taken artificially in cotton full mechanization demonstration base in Wudi district,Shandong Province. Experimental results show that, in a long time interval, the cotton-stalk uprooting resistance changes greatly, first increased and then decreased. Among the 6 batches of sampling data, the largest cotton-stalk uprooting resistance appears in the second batch (2014-12-26), the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 1 031.6N, and the average uprooting resistance is 679.0N, the smallest cotton-stalk uprooting resistance appears in the sixth batch (2014-12-26),the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 471.1N,and the average uprooting resistance is 340.76N.Regression analysis of the sampling data shows that, during the same period, the cotton-stalk uprooting resistance is positive correlation to the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, both of the linear regression relationships are not significant.

Key words：cotton-stalk; uprooting resistance; root diameter; soil hardness

文章編號：1003-188X(2016)06-0064-05

中圖分類號：S121；S562

文獻標識碼：A

作者簡介：陳明江(1984-)，男，江蘇高郵人，助理研究員，碩士，(E-mail)cmj_cn@163.com。通訊作者：陳永生(1964-)，男，江蘇泰興人，研究員，(E-mail)cys003@sina.com。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203057)

收稿日期：2015-06-29