不同生產(chǎn)條件下夏玉米機(jī)械播種試驗(yàn)研究

楊家華，王　瑞

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院，杭州　310018;2.黃河交通學(xué)院，河南 焦作　454950)

0　引言

作為世界主要經(jīng)濟(jì)作物之一，玉米是全球范圍內(nèi)廣泛種植的作物，具有糧食、飼料、經(jīng)濟(jì)等綜合效益。在我國(guó)，玉米的栽培歷史約470多年，當(dāng)前玉米播種面積僅次于水稻和小麥，為0.2億hm2左右，種植面積大、用途廣。我國(guó)玉米分為春玉米與夏玉米，夏玉米主要集中于華北、華中及華南地區(qū)，相對(duì)春玉米來說分布更為廣泛。在夏玉米生產(chǎn)中，播種是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞對(duì)玉米的發(fā)芽、生長(zhǎng)及產(chǎn)量等具有直接影響。夏玉米的播種對(duì)時(shí)節(jié)非常講究，一般來說其最佳播種時(shí)期以當(dāng)?shù)囟鄶?shù)年份最高產(chǎn)量播種期為準(zhǔn)。從農(nóng)業(yè)技術(shù)要求可知：夏玉米生長(zhǎng)時(shí)期相對(duì)較短，在播種農(nóng)時(shí)方面也比較短暫。為了促進(jìn)玉米充分成熟，提高玉米產(chǎn)量，且不會(huì)耽誤后茬小麥播種，可以說夏玉米的播種期所花費(fèi)的時(shí)間越短越好。國(guó)內(nèi)外研究均表明：在玉米增產(chǎn)的各種途徑中，種植精度的提高是最為有效的途徑之一，如何在短暫的播種時(shí)間內(nèi)提高播種效率，使夏玉米產(chǎn)量更高是夏玉米播種研究的重點(diǎn)。

玉米機(jī)械播種技術(shù)可對(duì)種子在土壤中的位置準(zhǔn)確定量，減少苗間用工，使種子的生長(zhǎng)發(fā)育處于良好的狀態(tài)，促進(jìn)玉米的增產(chǎn)豐收。玉米機(jī)械播種主要采用精密播種機(jī)，破茬開溝器作為其關(guān)鍵部位，對(duì)夏玉米的機(jī)械播種效果有重要影響。本文對(duì)破茬開溝器改進(jìn)前后的應(yīng)用進(jìn)行研究，以分析不同生產(chǎn)條件對(duì)夏玉米機(jī)械播種的影響。

1　破茬開溝器的類型

作為機(jī)械播種機(jī)的重要組成部分，夏玉米機(jī)械播種機(jī)中的破茬開溝器與播種精度等息息相關(guān)，不同的破茬開溝器對(duì)夏玉米播種的深度和株距有著不同的影響。所以，破茬開溝器設(shè)計(jì)合理與否與夏玉米播種精度的提高有直接關(guān)聯(lián)。從當(dāng)前夏玉米機(jī)械播種的破茬開溝器來看，常見的主要有以下幾種類型。

1.1　單圓盤開溝器

該種開溝器主要以一個(gè)傾斜的球面圓盤為主，當(dāng)夏玉米機(jī)械播種機(jī)工作時(shí)圓盤面會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，且與其運(yùn)動(dòng)的方向保持同一角度，這一角度通常穩(wěn)定地維持在3°～8°之間。在開溝器的圓盤凸面一側(cè)，種子會(huì)經(jīng)由輸種管被導(dǎo)入溝內(nèi)。單圓盤開溝器中這一圓盤的直徑與圓盤球面曲率半徑一般分別在350～650mm左右。在質(zhì)量方面，單元盤開溝器比雙圓盤開溝器相對(duì)較輕；在入土能力方面，單圓盤開溝器比雙圓盤開溝器相對(duì)較強(qiáng)；在結(jié)構(gòu)方面，單圓盤開溝器比雙圓盤開溝器相對(duì)簡(jiǎn)單。但是，與雙圓盤開溝器相比，單圓盤開溝器播幅較窄，上下干濕土層在開溝的過程中容易發(fā)生攪混現(xiàn)象，當(dāng)土壤情況不好時(shí)，采用單圓盤開溝器不利于種子對(duì)發(fā)芽水分的吸收。

1.2　雙圓盤開溝器

該開溝器的兩圓盤面在相互傾斜對(duì)稱作用中形成夾角ψ，ψ≈15°。在兩個(gè)圓盤交點(diǎn)s的前下方，即為雙圓盤開溝器兩個(gè)工作部件相互傾斜構(gòu)成的Ψ夾角。兩個(gè)圓盤交點(diǎn)s則處于α角處，α角處位于通過軸心水平線的正下方。當(dāng)設(shè)圓盤直徑與開出溝的溝底寬度分別為D與b時(shí)，b=D(1-sinα)sin2ψ。當(dāng)開溝器處于工作狀態(tài)時(shí)，其入土主要依靠自身重力及彈簧壓力；在此過程中，圓盤會(huì)接觸地表，種溝的形成則由兩個(gè)平面圓盤向兩側(cè)推擠形成，沿著圓盤之間輸種管，種子即可經(jīng)刮土導(dǎo)板徑自落入雙圓盤開溝器已經(jīng)開出的溝底中，兩側(cè)濕土在兩圓盤走過后便會(huì)隨之落入溝底。雙圓盤開溝器同時(shí)作業(yè)不容易發(fā)生纏草或者將根茬挑起的現(xiàn)象，不過豁開的土壤較難回土。

1.3　尖角開溝器

作為一種新式開溝器，該尖角開溝器在當(dāng)前夏玉米機(jī)械播種機(jī)中應(yīng)用相對(duì)較多。該種開溝器所開出的溝較窄，相對(duì)入土能力更強(qiáng)，且工作阻力較小，土層不容易被攪渾。這種開溝器最早是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)從澳大利亞引進(jìn)的主要包括4種：一為寬翼型，二為窄翼型，三為平底型，四為短翼型。該種開溝器的工作部件中，尖與柄能夠?qū)崿F(xiàn)分離，在尖角開溝器工作時(shí)將尖與柄連接在一起后，即可實(shí)施開溝。相對(duì)其他類型的開溝器來說，尖角開溝器不僅沒有開溝器頰板，而且沒有兩側(cè)翼板，使土壤的上翻和側(cè)移作用能夠得以消除。因在結(jié)構(gòu)參數(shù)上采用比較合理，尖角開溝器具有較強(qiáng)的入土能力，且在翻土、擠土能力方面較小，所以在自動(dòng)回落覆土性能方面相對(duì)來說更加良好。因各地土壤呈現(xiàn)出不同的類型，在實(shí)際田間作業(yè)過程中播種機(jī)所使用的開溝器也有一定差異；而開溝器不同，則選配的破土切茬部件和播深控制機(jī)構(gòu)也會(huì)有所不同。應(yīng)在對(duì)各種開溝器進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，根據(jù)夏玉米播種實(shí)際情況對(duì)開溝器加以選擇。

2　破茬開溝器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

夏玉米機(jī)械播種的過程中，小麥根茬因地面未耕，麥茬在普通的破茬器作用下很難被完全分開，種子容易被架空在小麥根茬上，降低夏玉米精密播種質(zhì)量。播種機(jī)作業(yè)時(shí)，對(duì)種溝的要求是窄一些，種子需在溝底的濕土上著陸。種溝較窄時(shí)，就可以較少擾動(dòng)土壤，保濕較好。夏玉米播種的季節(jié)，水分容易蒸發(fā)，因此更需要做好種子保濕工作。其中，“U”形或倒八字形的溝形往往對(duì)玉米種子的發(fā)芽生根更有利。我國(guó)機(jī)械播種機(jī)配套拖拉機(jī)在功率方面普遍不高，液壓機(jī)構(gòu)在舉升力方面能力普遍有限，所以播種機(jī)的質(zhì)量應(yīng)保持輕巧，開溝器牽引阻力越小越好，且要求開溝器具有較強(qiáng)的入土能力。

根據(jù)以上3種開溝破茬器的比較，從我國(guó)夏玉米機(jī)械播種本身的條件來看，尖角開溝器在各方面都更勝一籌，且相對(duì)來說具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，很多玉米機(jī)械播種機(jī)均會(huì)對(duì)種肥分施的方法加以采用，促進(jìn)一次性播種和施肥的實(shí)現(xiàn)；但機(jī)械播種機(jī)具有較多的土壤工作部件，對(duì)其他兩種開溝破茬器進(jìn)行選用時(shí)會(huì)進(jìn)一步復(fù)雜化玉米機(jī)械播種機(jī)種肥分施機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，因而尖角型開溝器與我國(guó)廣大農(nóng)村的實(shí)際情況更加相符。結(jié)合我國(guó)大部分夏玉米種植區(qū)的夏玉米播種實(shí)際情況，對(duì)破茬開溝器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了平底V 型開溝器，則

Wmin≥R×T×cosα(wmax-wmin)

式中W—開溝器的長(zhǎng)度；

R—排種輪半徑；

T—種子到達(dá)地面的時(shí)間；

α—投種角；

w—排種輪角速度。

由于開溝器是夏玉米機(jī)械播種機(jī)主要的入土部件，因此要求材料的選取上必須具有一定的耐磨性。所以，在開溝器刀的設(shè)計(jì)上，以耐磨和減小工作阻力為主要標(biāo)準(zhǔn)，采用65Mn鋼材(厚度6mm)，入土角與刃角分別設(shè)計(jì)為35°與28°，以使開溝器通過性的大大提高。在開溝器側(cè)板的設(shè)計(jì)上，因其與土壤接觸較為密切，所以也要求具備耐磨性，且需要合理的側(cè)板斷面形狀。為此，材料依然選擇65Mn鋼材(厚度3mm)，在左右側(cè)板下面的斜角上均設(shè)計(jì)為20°。在開溝器的底托方面，經(jīng)過對(duì)玉米種子寬度的多次測(cè)量與統(tǒng)計(jì)計(jì)算，決定取其底托的寬度與長(zhǎng)度分別為8mm與70mm。在開溝器的蓋板與連接板方面，對(duì)其強(qiáng)度和連接尺寸有一定要求，只要強(qiáng)度足夠、尺寸準(zhǔn)確即可。改進(jìn)后的破茬開溝器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　改進(jìn)后的破茬開溝器結(jié)構(gòu)

3　破茬開溝器改進(jìn)前后試驗(yàn)與結(jié)果

3.1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1)試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^田間試驗(yàn)，對(duì)破茬開溝器改進(jìn)前后的夏玉米機(jī)械播種質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，分析不同生產(chǎn)條件下夏玉米機(jī)械播種情況，確定最適合夏玉米機(jī)械種植的破茬開溝器。

2)試驗(yàn)地點(diǎn)：當(dāng)?shù)靥镩g耕作試驗(yàn)區(qū)。

3)試驗(yàn)方法：根據(jù)正常夏玉米機(jī)械播種技術(shù)要求對(duì)夏玉米進(jìn)行播種，采集破茬開溝器改進(jìn)前后夏玉米播種精度數(shù)據(jù)，對(duì)兩種情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

1)改進(jìn)前后在夏玉米主要精密播種質(zhì)量指標(biāo)方面的對(duì)比。主要以3個(gè)性能指標(biāo)為準(zhǔn)：①重播指數(shù)，即重播率；②漏播指數(shù)，即漏播率；③合格指數(shù)，即合格率。播種精度指標(biāo)也包括3種，即粒距平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。

與改進(jìn)開溝破茬器前夏玉米田間機(jī)械播種質(zhì)量的數(shù)據(jù)相比，改進(jìn)開溝破茬器后粒距合格率明顯提升，由改進(jìn)前92.43%的粒距合格率提升到94.84%；重播率則由改進(jìn)前的3.60%重播率下降到2.18%；漏播率由改進(jìn)前的3.97%漏播率下降到2.98%；變異系數(shù)由改進(jìn)前的0.174變?yōu)?.173。改進(jìn)開溝破茬器前后對(duì)比顯示：在播種合格率上，改進(jìn)后提升了2.41%；在漏播率上，改進(jìn)后下降了0.99%；在重播率上，改進(jìn)后下降了1.42%；在變異系數(shù)上，合格粒距范圍內(nèi)則無太大變化。通過多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，改進(jìn)開溝破茬器后的夏玉米機(jī)械播種機(jī)在作業(yè)質(zhì)量方面完全能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)藝要求。相比改進(jìn)開溝破茬器前，播種機(jī)在播種質(zhì)量上明顯提高，同時(shí)勞動(dòng)效率也大大提高，地表溫度和土壤含水率在秸稈覆蓋后均有所提升，提供了良好的種床環(huán)境給玉米生長(zhǎng)，有利于夏玉米的增收和增產(chǎn)。

2)改進(jìn)前后在夏玉米種肥間距與播種深度方面的對(duì)比。夏玉米免耕精密機(jī)械播種機(jī)在播種過程中同時(shí)進(jìn)行著施肥，當(dāng)導(dǎo)種管和施肥管之間的距離與夏玉米播種間距不合適時(shí)，容易導(dǎo)致土壤發(fā)生結(jié)塊，流動(dòng)性不夠；當(dāng)肥料下落后，肥料與種子之間無法被土塊及時(shí)充實(shí)，從而發(fā)生種肥間距小的狀況，容易導(dǎo)致燒苗和燒種現(xiàn)象。根據(jù)夏玉米播種農(nóng)藝要求，夏玉米播種種肥間距檢測(cè)值的合格標(biāo)準(zhǔn)為≥3cm。在測(cè)量種肥間距合格率的同時(shí)，需要同時(shí)測(cè)量播種深度合格率，且其測(cè)量需在施肥播種后立即進(jìn)行，以避免肥料發(fā)生分解阻礙測(cè)量工作展開。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

落入種溝中的種子距離土地表面的垂直距離即為播種深度。對(duì)夏玉米種子的發(fā)芽和生長(zhǎng)來說，播種深度的影響非常大，在播種農(nóng)藝要求中不允許超過一定的范圍，否則很容易導(dǎo)致夏玉米出苗不齊或者不出苗。從夏玉米播種要求來看，播種的深度最好能夠保持一致。對(duì)播種深度具有影響力的因素主要有兩個(gè)：一是播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)的特征；二是開溝器的深度調(diào)節(jié)。當(dāng)農(nóng)藝要求播種深度標(biāo)準(zhǔn)為h時(shí)，種子播種的深度需保持在h±1cm才算合格。改進(jìn)設(shè)計(jì)開溝破茬器后的夏玉米機(jī)械播種機(jī)在播種深度上基本集中在3～5cm，相對(duì)來說比較均勻；其平局播種深度保持在3.45cm左右，未發(fā)生曬種現(xiàn)象，與農(nóng)藝要求相符合。播種深度的一致性也為夏玉米機(jī)械播種后出苗整齊打下了基礎(chǔ)。

圖2　夏玉米播種種肥厚度分層

3)改進(jìn)前后在夏玉米出苗整齊度方面的對(duì)比。出苗整齊度的測(cè)定主要是在播種1周后，對(duì)幼苗高度進(jìn)行測(cè)定并評(píng)判。出苗越整齊、均勻的地塊，夏玉米單株在生長(zhǎng)條件(如營(yíng)養(yǎng)面積、通風(fēng)、光照等)方面就越均勻，對(duì)單株玉米的生長(zhǎng)來說，非常有利于促進(jìn)其健壯生長(zhǎng)。播種7天后，測(cè)量了夏玉米機(jī)械播種機(jī)開溝破茬器改良設(shè)計(jì)后玉米苗的生長(zhǎng)高度，結(jié)果如表1所示。

表1　夏玉米出苗整齊度情況

由表1可以看出：在玉米苗生長(zhǎng)的高度平均變異系數(shù)方面顯示為8.3%，與未改進(jìn)設(shè)計(jì)的夏玉米播種條件下的長(zhǎng)勢(shì)相比出苗整齊度更高，符合夏玉米播種農(nóng)藝需求。

4)改進(jìn)前后在夏玉米產(chǎn)量與構(gòu)成因素方面的對(duì)比。在玉米成熟時(shí)期，對(duì)試驗(yàn)田中不同生產(chǎn)條件下夏玉米機(jī)械播種的收獲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將不同生產(chǎn)條件下夏玉米機(jī)械播種后成熟的玉米各自帶回50株進(jìn)行測(cè)產(chǎn)預(yù)算。結(jié)果顯示：改進(jìn)設(shè)計(jì)開溝破茬器后的夏玉米產(chǎn)量每公頃大約為9 300kg，比未改進(jìn)設(shè)計(jì)的夏玉米機(jī)械播種后產(chǎn)量增加大約750kg，平均每公頃夏玉米產(chǎn)量增加8.8%。

從播種后產(chǎn)量數(shù)據(jù)可以看出：播種質(zhì)量的提高，不僅使玉米地里通風(fēng)、光照資源得到充分利用，而且可以促進(jìn)玉米地中水肥等資源的充分利用，自然也會(huì)促進(jìn)夏玉米產(chǎn)量的提高。夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成具體因素如表2所示。

表2　夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

4　結(jié)論

1)破茬開溝器不同，對(duì)夏玉米播種精度有不同的影響。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的破茬開溝器，其結(jié)構(gòu)與精密播種的要求更加吻合，能夠使夏玉米播種質(zhì)量受小麥根茬的影響有效減少，促進(jìn)夏玉米田間種子出苗率的提高。播種速度對(duì)排種器的播種質(zhì)量有很大影響，夏玉米播種時(shí)的速度與播種均勻性呈反比，當(dāng)播種速度較高時(shí)容易增加夏玉米播種漏播率。

2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在種子要求上，夏玉米免耕精密播種具有較為嚴(yán)格的要求，種子需要高度均勻才能提高播種的精密度，太大的玉米種子與太小的玉米種子分別具有較高的漏播率和重播率。對(duì)合適的破茬開溝器進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)玉米種子大小設(shè)計(jì)出合適的破茬開溝器的長(zhǎng)度與寬度，能夠促進(jìn)夏玉米播種播距精確度的提高。由試驗(yàn)可以看出：開溝器底托的長(zhǎng)度與寬度分別為70、8mm時(shí)對(duì)玉米進(jìn)行播種，相比播種粒距理論誤差，玉米種子實(shí)際播種粒距誤差最小。

3)根據(jù)田間試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的開溝器刀選擇65Mn鋼材，更具有耐磨性，入土性能與通過性也更好，不僅能夠使播種阻力大大降低，而且能夠提高夏玉米播種整齊度。

5　建議

1)在材料方面，可選擇工程合成塑料塑料能夠大幅度地降低精播機(jī)的質(zhì)量，還可節(jié)省播種成本。在開溝器等部件的設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算機(jī)軟件仿真技術(shù)，模擬其運(yùn)作模式，對(duì)開溝器與排種器的相對(duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使其工作過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)一步確定，以更好地應(yīng)用于夏玉米播種實(shí)踐中。

2)夏玉米的播種時(shí)間較短，為了搶農(nóng)時(shí)、促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，大面積的玉米需要在短時(shí)間內(nèi)播種完成，所以應(yīng)提高夏玉米播種作業(yè)的速度。對(duì)于夏玉米播種速度提高后出現(xiàn)的漏播等情況，可安裝助吸機(jī)構(gòu)在排種器上，保障排種器工作速度的提高，從而促進(jìn)播種機(jī)作業(yè)速度的提高。在播種機(jī)上還可添加面積計(jì)數(shù)器、添種預(yù)報(bào)裝置等一些輔助設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)所播的面積的自動(dòng)化記錄，同時(shí)可明確種子箱余量，適時(shí)地添種，促進(jìn)播種質(zhì)量的提高。

3)在夏玉米的精密播種中，夏玉米種子的質(zhì)量作為其中的關(guān)鍵因素，對(duì)種子發(fā)芽率有很大影響。所以，在夏玉米機(jī)械播種中還需要注重玉米種子的質(zhì)量，為夏玉米機(jī)械播種提供種子方面的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)配套服務(wù)。此外，機(jī)械化作業(yè)已經(jīng)成為新時(shí)期農(nóng)業(yè)作業(yè)的一大趨勢(shì)，有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)械播種機(jī)的研究和投入，促進(jìn)夏玉米機(jī)械播種機(jī)的不斷進(jìn)步，廣泛推廣經(jīng)過改良和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的優(yōu)秀精密播種技術(shù)。