仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

賈洪雷，鄭 健，趙佳樂(lè)※，郭明卓，莊 健，王增輝

（1.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130025；2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025；3.東北師范大學(xué)人文學(xué)院，長(zhǎng)春 130117）

0 引 言

東北地區(qū)大豆種植面積和產(chǎn)量約占中國(guó)的40%以上[1]，但東北地區(qū)地處寒溫帶，氣候干燥易旱，冬季土壤封凍期較長(zhǎng)，春季耕種時(shí)一直存在土壤耕種層積溫不夠和含水率不足，嚴(yán)重影響了大豆根系生長(zhǎng)，延緩了大豆的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，相比于水稻和玉米等高產(chǎn)作物，大豆產(chǎn)量較低，同時(shí)受到進(jìn)口轉(zhuǎn)基因大豆的沖擊，造成大豆種植面積逐年遞減，2012-2016年已減少13.4%以上[2]。因此，通過(guò)提升土壤耕種層溫度和含水率提高中國(guó)大豆產(chǎn)量，是保障中國(guó)大豆生產(chǎn)良性發(fā)展的有效途徑。

土壤溫度和含水率作為土壤主要物理參量之一，影響著土壤中水鹽的運(yùn)移，微生物的數(shù)量與活性，農(nóng)田溫室氣體排放，土壤碳氮等物質(zhì)的化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程及平衡[3-6]，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)和作物的生長(zhǎng)。土壤溫度和含水率除主要受太陽(yáng)輻射、大氣循環(huán)和降水等外部因素影響以外，還受到土壤自身孔隙結(jié)構(gòu)的影響[7-8]。土壤孔隙主要分為大孔隙和毛細(xì)孔隙[9-10]，Holden等[11]研究得出增加土壤大孔隙的數(shù)量，可加快土壤與外界的物質(zhì)能量交換，可有效提高地溫，但也會(huì)加速表層土壤中的水分蒸發(fā)；Skopp等[12]研究得出增加土壤毛細(xì)孔隙的數(shù)量，利用其毛細(xì)作用吸收耕種層下方土壤中的蓄水，可提高耕種層土壤含水率；因此，通過(guò)構(gòu)建出合理的土壤孔隙結(jié)構(gòu)，可提升東北地區(qū)春播時(shí)的耕種層土壤溫度和含水率。

農(nóng)業(yè)機(jī)械中的耕作部件可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，Haukka等[13]研究得出對(duì)土壤進(jìn)行疏松作業(yè)可有效提高土壤大孔隙數(shù)量；Asare等[14-15]研究得出對(duì)土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)可增加土壤毛細(xì)孔數(shù)量，有效提高土壤蓄水能力。因此，本文設(shè)計(jì)一種對(duì)表層土壤進(jìn)行疏松作業(yè)，對(duì)下層土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)，集松土、溝底鎮(zhèn)壓和開(kāi)溝功能為一體的耕整機(jī)構(gòu)，使耕種層土壤達(dá)到表層松軟，下層緊實(shí)的狀態(tài)，從而加速耕種層土壤對(duì)外部熱量和下層蓄水的吸收，達(dá)到迅速提升耕種層土壤溫度和含水率的目的。

近年來(lái)，仿生學(xué)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，如趙淑紅等[16]根據(jù)旗魚(yú)頭部的流線型曲線，設(shè)計(jì)了仿旗魚(yú)頭部曲線型開(kāi)溝器，優(yōu)化了作業(yè)效果；馬云海等[17]依據(jù)土壤動(dòng)物與生俱來(lái)的減黏脫土特性，設(shè)計(jì)了仿生波紋形開(kāi)溝器，具有較強(qiáng)的減黏降阻性能；王文君[18]研制的仿形仿生鎮(zhèn)壓裝置，可有效提高土壤含水率。本文本著師法自然的思想，在自然界尋找可以改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)的生物。蚯蚓是土壤中最常見(jiàn)的生物之一，Lavelle等[19]的研究表明其特殊的運(yùn)動(dòng)方式可有效疏松土壤，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)的作用。

基于上述原因，本文的目的是設(shè)計(jì)出一種設(shè)有仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器，其可模擬出蚯蚓疏松土壤的生物學(xué)行為（主要包括結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式），并通過(guò)理論分析和試驗(yàn)優(yōu)化等方法，明確仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)中國(guó)東北地區(qū)土壤溫度、含水率和大豆生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

1 仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器設(shè)計(jì)及其作業(yè)原理

1.1 生物原型分析

如圖1所示，蚯蚓的體壁具有環(huán)肌和縱肌2種肌肉層[20-21]，其主要依靠體壁肌肉層和剛毛的密切配合在土壤中運(yùn)動(dòng)[22-25]。蚯蚓運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先將前端的口前葉伸入土壤縫隙并膨脹，像楔子一樣插入土中，后部體節(jié)的剛毛伸出并插入土壤，起到支撐和固定的作用，而后再收縮前端的環(huán)肌產(chǎn)生向前的推力，使前部體節(jié)向前推進(jìn)，呈收縮狀態(tài)（舒張環(huán)肌層，收縮縱肌層）。環(huán)節(jié)的收縮沿著體節(jié)一節(jié)一節(jié)地向后傳輸，使蚯蚓身體后端向前拉，呈舒張狀態(tài)（舒張縱肌層，收縮環(huán)肌層），環(huán)肌與縱肌協(xié)調(diào)地收縮使蚯蚓產(chǎn)生波浪式蠕動(dòng)[26-28]。

圖1 蚯蚓的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.1 Motion process of earthworm

1.2 仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器設(shè)計(jì)與作業(yè)原理

圖2為仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2a所示，仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器由仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、波紋圓盤、軸、機(jī)架等組成。如圖2b所示，密封擋板1、波紋圓盤1、軸、鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、波紋圓盤2和橡膠擋板2依次焊合。仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的內(nèi)圓盤和外圓盤的焊合面則與軸上波紋圓盤的安裝位置中心相對(duì)應(yīng)，并與滾筒焊合，軸的兩端與機(jī)架通過(guò)螺母固連。如圖2c所示，機(jī)具作業(yè)時(shí)，在土壤阻力的作用下，仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而波紋圓盤和鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做平移運(yùn)動(dòng)。

1.2.1 鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖。如圖3所示，4個(gè)鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的彈簧一端套接于軸上，另一端設(shè)有滾輪，滾輪與套筒相接觸，4個(gè)鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)于軸上呈90°交錯(cuò)對(duì)稱排列。鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的滾輪安裝在設(shè)置于仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)套筒內(nèi)的導(dǎo)軌槽中，通過(guò)調(diào)節(jié)軸上的螺母位置，可調(diào)節(jié)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器對(duì)土壤的鎮(zhèn)壓力，其鎮(zhèn)壓力由式（1）得出，通過(guò)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器對(duì)種溝底部的鎮(zhèn)壓作用，提高耕種層下方土壤的堅(jiān)實(shí)度，進(jìn)而提高耕種層下方土壤內(nèi)的毛細(xì)作用，提高耕種層土壤的含水率。Celik等[29]研究發(fā)現(xiàn)選用60 kPa的壓實(shí)力，可有效提高土壤含水量，因此本文選用的溝底鎮(zhèn)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為60 kPa。

圖2 仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器示意圖Fig.2 Schematic diagram of earthworm-like multi-function opener

圖3 鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure regulating mechanism

式中m外為外圓盤質(zhì)量，kg；m內(nèi)為內(nèi)圓盤質(zhì)量，kg；m套為套筒質(zhì)量，kg；k為彈簧彈性系數(shù)，N/m；x為彈簧原長(zhǎng)，m；x1、x2為彈簧受力壓縮后的長(zhǎng)度，m。

1.2.2 仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4為仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)由外圓盤、內(nèi)圓盤、套筒、內(nèi)圓盤、外圓盤焊合而成，外圓盤上設(shè)有橡膠擋板。每個(gè)外圓盤和內(nèi)圓盤表面均設(shè)有12個(gè)仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)，每個(gè)仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)均設(shè)有1個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一端與仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)相套接，另一端設(shè)有滾輪，滾輪與波紋圓盤表面相接觸。

圖4 仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of earthworm-like dynamic scarification furrow mechanism

圖5為仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖。如圖5所示，機(jī)具作業(yè)時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與波紋圓盤發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由波紋圓盤的波谷向波峰運(yùn)動(dòng)時(shí)，仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)可模擬出蚯蚓環(huán)肌擴(kuò)張，同時(shí)縱肌收縮的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由波紋圓盤的波峰向波谷運(yùn)動(dòng)時(shí)，仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)可模擬出蚯蚓環(huán)肌收縮，同時(shí)縱肌擴(kuò)張的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；隨著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在波紋圓盤表面上循環(huán)往復(fù)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即可驅(qū)使仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)在完成開(kāi)溝作業(yè)的同時(shí)，模擬出蚯蚓疏松土壤的生物學(xué)行為，增強(qiáng)了對(duì)土壤的疏松作用，加速了耕種層土壤與外部環(huán)境之間的物質(zhì)能量交換，進(jìn)而更快速地提高地溫。

圖5 仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Motion schematic diagram of earthworm-like flexible convex surface mechanism

1.2.3 仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為降低增設(shè)仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)對(duì)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器作業(yè)阻力的影響，每個(gè)仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)表面上的12個(gè)仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)呈阿基米德螺旋線分布，從而在最大程度上減小仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器的工作阻力。阿基米德螺旋線標(biāo)準(zhǔn)方程為

式中b為阿基米德螺旋線系數(shù)，表示每旋轉(zhuǎn)1°時(shí)極徑的增加(或減小)量；θ為極角，表示阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過(guò)的總度數(shù)；a為當(dāng)θ=0時(shí)的極徑。

圖6為仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)布置示意圖。如圖6a所示，仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)的最大半徑值選取為最常見(jiàn)的單元盤開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)值135 mm[30]，大豆的播種深度為50 mm。為保證作業(yè)時(shí)12組仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)能夠全部入土作業(yè)，仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)布置方案如圖6b所示。仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)于阿基米德螺旋線上呈30°間隔依次排列，當(dāng)阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過(guò)630o（即A處）時(shí)放置第一組仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)，其距外圓盤軸心100 mm；當(dāng)阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過(guò)990o（即B處）時(shí)，此處距圓盤軸心120 mm。

圖6 仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)布置示意圖Fig.6 Layout diagram of earthworm-like flexible convex surface mechanism

又由式（2）可得參數(shù)

又知阿基米德螺旋線平面直角坐標(biāo)方程為

因此由式（2）、（3）、（4）可得仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)在仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)表面上的布置結(jié)構(gòu)面直角坐標(biāo)曲線方程為

1.2.4 波紋曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器作業(yè)時(shí)，仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在波紋圓盤的軸向方向上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，為使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)既無(wú)剛性沖擊亦無(wú)柔性沖擊，應(yīng)使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至波紋圓盤波峰或波谷位置時(shí)的速度和加速度值均為0，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式應(yīng)為正弦加速度運(yùn)動(dòng)，如圖7所示，由此得出波紋圓盤凸起輪廓曲線方程應(yīng)為

圖7 波紋圓盤的輪廓曲線示意圖Fig.7 Outline curve diagram of corrugated disk

式中H為波紋圓盤最大凸起高度（波峰與波谷之間的高度差）。

圖8為波紋圓盤結(jié)構(gòu)示意圖。如圖8所示，本文所設(shè)計(jì)波紋圓盤直徑應(yīng)小于外圓盤直徑，因此波紋圓盤直徑設(shè)置為250 mm。又可知

式中R1為波紋圓盤半徑，mm，機(jī)具中R1=125 mm；N為波紋圓盤波峰數(shù)量。

圖8 波紋圓盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of corrugated disk

因此由式（6）、（7）可知波紋圓盤的輪廓曲線方程為

仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)凸起頻率可由式（9）、（10）與（11）計(jì)算。

式中T為仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)凸起周期；R2為外圓盤半徑，mm，機(jī)具中R2=135 mm；V為機(jī)具作業(yè)速度，m/s；N為紋圓盤波峰數(shù)量；ω為仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)角速度，rad/s。

因此由式（9）、（10）和（11）可知仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)凸頻率f為

由式（8）可知，H值越大，仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)凸起高度越大；由式（12）可知，在機(jī)具作業(yè)速度V一定時(shí)，N決定了仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的凸起頻率f，N越大，頻率越高。顯而易見(jiàn)H值越大，N值越大，仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器對(duì)土壤的疏松程度越高，對(duì)耕種層土壤的疏松程度更強(qiáng)，耕種層土壤的大孔隙度越高，土壤溫度提升越快，耕種層土壤水分蒸發(fā)越嚴(yán)重。因此，通過(guò)設(shè)置不同的H、N值，可得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的波紋圓盤，形成不同的耕種層土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的土壤物理性狀(溫度和含水率)，因此本文選取最大凸起高度H和波紋圓盤波峰數(shù)量N為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，進(jìn)而完成對(duì)波紋圓盤曲面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 材料與試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件與儀器設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)間為2017年5月1日-7月10日，試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林大學(xué)教學(xué)科研基地（43°55￠0.262N，125°16￠8.362E）。試驗(yàn)田為大豆玉米輪作地，2016年作物為玉米，秋季收獲后進(jìn)行了秸稈覆蓋還田作業(yè)，2017年春季播種前地表覆蓋有玉米秸稈，土壤緊實(shí)度為40.2 kPa，土壤容積密度為1.237 g/cm3，土壤含水率為21.2%，土壤溫度為13.2℃，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%，速效鉀和速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為173.2和16.5 mg/mg。2017年春季選用的大豆種子品種為禾豐50，種植模式為壟上雙行交錯(cuò)播種，隨機(jī)選定3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的寬度為機(jī)具作業(yè)幅寬，長(zhǎng)度為20 m，離地頭5 m以上。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備如下：1臺(tái)CASE210拖拉機(jī)（動(dòng)力為154 kW，最大行進(jìn)速度為40 km/h）、1臺(tái)2BGD-6大豆耕播機(jī)（黑龍江省勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司）、卷尺、耕深尺、環(huán)刀組件（100 cm3）、MP-5002型電子天平(上海精密儀器儀表有限公司)、MS-350型水分測(cè)定儀(青島拓科儀器有限公司)、SC-900型土壤緊實(shí)度儀(美國(guó)Spectrum技術(shù)公司)、11 000型土壤溫度計(jì)(美國(guó)Deltatrak技術(shù)公司)等。

2.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)分為2個(gè)部分，第一部分為研究仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)平均土壤溫度（0～100 mm）、平均土壤含水率（0～100 mm）和大豆平均出苗時(shí)間的影響，由本文的分析可知仿蚯蚓柔性凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的凸起高度H和波紋圓盤波峰數(shù)量N決定了仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器對(duì)土壤的疏松能力，因此本部分試驗(yàn)選取的3個(gè)試驗(yàn)因素為作業(yè)速度、凸表面機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的凸起高度H和波紋圓盤波峰數(shù)量N。試驗(yàn)指標(biāo)為平均土壤溫度（0～100 mm）、平均土壤含水率（0～100 mm）和大豆平均出苗時(shí)間，試驗(yàn)因素編碼表如表1所示。運(yùn)用Design-Expert軟件中Box-Behnken Design響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，其中12組為析因點(diǎn)，5組為零點(diǎn)以估計(jì)誤差，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，檢驗(yàn)各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響和各因素之間是否具有交互作用，并得出響應(yīng)曲面和回歸方程，優(yōu)化出各因素的最佳參數(shù)組合；第二部分為仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)第一部分試驗(yàn)所得出最優(yōu)參數(shù)組合加工出新的仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器，并選取傳統(tǒng)的單元盤開(kāi)溝器和雙圓盤開(kāi)溝器，并對(duì)3個(gè)開(kāi)溝裝置進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器相較于傳統(tǒng)開(kāi)溝器的性能優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 因素水平編碼Table 1 Coding list of factors and levels

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)試方法

根據(jù)JB/T10295-2001的相關(guān)規(guī)定，本試驗(yàn)以土壤平均含水率（0～100 mm）、平均土壤溫度（0～100 mm）、平均出苗時(shí)間作為響應(yīng)指標(biāo)。

1）平均土壤含水率（0～100 mm）測(cè)定方法。播種15天后，于試驗(yàn)小區(qū)的對(duì)角線上，隨機(jī)取樣5點(diǎn)，于每個(gè)測(cè)定點(diǎn)處使用MS-350水分測(cè)定儀測(cè)定0～100 mm深度的平均土壤含水率，重復(fù)3次，取其平均值作為此點(diǎn)的0～100 mm平均土壤含水率。取5點(diǎn)的平均值作為試驗(yàn)小區(qū)0～100 mm平均土壤含水率。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)一次。

2）平均土壤溫度（0～100 mm）測(cè)定方法。播種15天后，于0～100 mm平均土壤含水率測(cè)定點(diǎn)上測(cè)定其0～100 mm平均土壤溫度。使用11 000型土壤溫度計(jì)測(cè)定0～100 mm深度的平均土壤溫度，重復(fù)3次，取其平均值作為此點(diǎn)的0～100 mm平均土壤溫度。同樣取5點(diǎn)的平均值作為試驗(yàn)小區(qū)0～100 mm平均土壤含水率。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)一次。

3）大豆平均出苗時(shí)間測(cè)定方法。從出苗開(kāi)始到出苗結(jié)束期間，需要每2 d測(cè)量一次5 m內(nèi)苗數(shù)，重復(fù)3次，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)一次。平均出苗時(shí)間MET由式（13）計(jì)算[31]。

式中Nn為從前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)算起的出苗數(shù)，n=1,...,n；Tn為播種后的天數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。以各影響因素水平編碼值為自變量，以平均土壤含水率（0～100 mm）、平均土壤溫度（0～100 mm）和平均出苗時(shí)間為響應(yīng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

圖9 田間參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)Fig.9 Parameter optimization of field experiment

表2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experiment design and result of response

對(duì)表2的數(shù)據(jù)經(jīng)Design-Expert軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到平均土壤含水率（0～100 mm）Y1、平均土壤溫度（0～100 mm）Y2和平均出苗時(shí)間Y3對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程分別為

對(duì)于平均土壤含水率（0～100 mm）對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對(duì)對(duì)平均土壤含水率（0～100 mm）的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。失擬項(xiàng)P值為0.192，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為12.528>4，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)土壤平均含水率（0～100 mm）顯著性的影響順序依次為：波峰數(shù)量、凸起高度、作業(yè)速度。

對(duì)于平均土壤溫度（0～100 mm）對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對(duì)平均土壤溫度（0～100 mm）的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。失擬項(xiàng)P值為0.137 6，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為10.108>4，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)土壤（0～100 mm）平均含水率顯著性的影響順序依次為：波峰數(shù)量、作業(yè)速度、凸起高度。

對(duì)于平均出苗時(shí)間對(duì)編碼自變量的二次多元回歸方程，回歸診斷顯示，因素對(duì)平均出苗時(shí)間的影響均為顯著項(xiàng)(P<0.05)。失擬項(xiàng)P值為1.06，顯然P>0.05，回歸方程不失擬。決定系數(shù)與校正決定系數(shù)均接近于1，表明回歸方程擬合度很高，精密度值為15.526>4，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。各因素對(duì)平均出苗時(shí)間顯著性的影響順序依次為：凸起高度、波峰數(shù)量、作業(yè)速度。

3.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

固定3因素中的1個(gè)因素為零水平，應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析其他2個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響和交互作用。運(yùn)用Matlab軟件對(duì)Design-Expert軟件求出的回歸方程進(jìn)行尋優(yōu)，得出最佳參數(shù)組合。

3.2.1 試驗(yàn)各因素對(duì)平均土壤含水率（0～100 mm）的影響規(guī)律

運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件得到作業(yè)速度V、凸起高度H和波峰數(shù)量N對(duì)平均土壤含水率（0～100 mm）影響的響應(yīng)曲面，如圖10所示。

由圖10可知，三因素均對(duì)平均土壤含水率（0～100mm）具有顯著性影響（P<0.01），作業(yè)速度分別與凸起高度和波峰數(shù)量具有交互作用，凸起高度和波峰數(shù)量之間無(wú)交互作用。平均土壤含水率（0～100 mm）隨著前進(jìn)速度的加快而下降，且下降趨勢(shì)逐步減緩；隨著凸起高度的提升而下降，且下降趨勢(shì)逐步減緩；隨著波峰數(shù)量的增加而下降，且下降趨勢(shì)逐步減緩。

3.2.2 試驗(yàn)各因素對(duì)平均土壤溫度（0～100 mm）的影響規(guī)律

運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件得到作業(yè)速度V、凸起高度H和波峰數(shù)量N對(duì)平均土壤溫度（0～100 mm）影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

圖10 各因素對(duì)平均土壤含水率（0～100 mm）影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surfaces influenced by various factors on average soil moisture content(0-100 mm)

由圖11可知，三因素均對(duì)平均土壤溫度（0～100mm）具有顯著性影響（P<0.01），作業(yè)速度分別與凸起高度和波峰數(shù)量具有交互作用，凸起高度和波峰數(shù)量之間無(wú)交互作用。平均土壤溫度（0～100 mm）隨著前進(jìn)速度的加快而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩；隨著凸起高度的提升而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩；隨著波峰數(shù)量的增加而上升，且上升趨勢(shì)逐步減緩。

3.2.3 試驗(yàn)各因素對(duì)大豆平均出苗時(shí)間的影響規(guī)律及參數(shù)優(yōu)化

運(yùn)用 Design-Expert 6.0.10軟件得到作業(yè)速度V、凸起高度H和波峰數(shù)量N對(duì)大豆平均出苗時(shí)間影響的響應(yīng)曲面，如圖12所示。

由圖12可知，三因素均對(duì)大豆平均出苗時(shí)間具有顯著性影響（P<0.01），作業(yè)速度分別與凸起高度和波峰數(shù)量具有交互作用，凸起高度和波峰數(shù)量之間無(wú)交互作用。隨著前進(jìn)速度的加快，大豆平均出苗時(shí)間先下降而后上升；隨著凸起高度的提升，大豆平均出苗時(shí)間先下降而后上升；隨著波峰數(shù)量的增加，大豆平均出苗時(shí)間先下降而后上升。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析以及模型擬合，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)式（16）進(jìn)行尋優(yōu)求解，以平均出苗時(shí)間最早為主要尋優(yōu)指標(biāo)，獲得最優(yōu)參數(shù)取值方案：作業(yè)速度為8.55 km/h，凸起高度為6.23 mm，波峰數(shù)量為14.42，此時(shí)平均出苗時(shí)間最短（9.62 d），平均土壤含水率（0～100 mm）為18.07%，平均土壤溫度（0～100 mm）為16.5℃。由于作業(yè)速度易受田間復(fù)雜地況的影響而較難保證其精準(zhǔn)性，且規(guī)定波峰數(shù)量N只能為自然數(shù)，并綜合考慮加工精度等問(wèn)題，最終選取的最優(yōu)參數(shù)組合為：作業(yè)速度為8 km/h，凸起高度為6 mm，波峰數(shù)量為15。

3.3 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

依照最優(yōu)方案參數(shù)組合，加工仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器，并與傳統(tǒng)的單元盤開(kāi)溝器和雙圓盤開(kāi)溝器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將試驗(yàn)田平均分為9塊（A1、A2、A3…A9），每塊試驗(yàn)田有6條壟，壟高300 mm、壟寬300 mm、每壟長(zhǎng)為200 m，試驗(yàn)時(shí)選用2BGD-6大豆耕播機(jī)先后安裝單元盤開(kāi)溝器、雙圓盤開(kāi)溝器和仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器后，單元盤開(kāi)溝器在A1、A2和A3地塊進(jìn)行播種作業(yè)，雙圓盤開(kāi)溝器在A4、A5和A6地塊進(jìn)行播種作業(yè)，仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器在A7、A8和A9地塊進(jìn)行播種作業(yè)，并分別測(cè)定3種開(kāi)溝器作業(yè)區(qū)域的平均土壤含水率、平均土壤溫度和平均出苗時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖11 各因素對(duì)平均土壤溫度（0～100 mm）影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surfaces influenced by various factors on average soil temperature(0-100 mm)

圖12 各因素對(duì)平均出苗時(shí)間影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surfaces influenced by various factors on average emergence time

圖13 3種不同類型開(kāi)溝器對(duì)大豆出苗狀況的影響Fig.13 Effect on emergence of soybean of three different kinds of openers

如圖13可知，仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器實(shí)際田間結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果基本一致，且相較于其他2種傳統(tǒng)開(kāi)溝裝置，可顯著提高0～100 mm平均土壤含水率（P<0.01）和0～100 mm平均土壤溫度（P<0.01），并提前大豆平均出苗時(shí)間（P<0.01）。相較于2種傳統(tǒng)開(kāi)溝裝置分別提高0～100 mm土壤平均含水率5.92%和4.86%，分別提高0～100 mm土壤平均溫度0.5和0.4℃，分別提前大豆平均出苗時(shí)間0.5和0.92 d。以上試驗(yàn)結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器可有效疏松耕種層土壤，增加耕種層土壤孔隙度，進(jìn)而有效提升地溫，雖然同時(shí)加速了表層土壤中的水分蒸發(fā)，但通過(guò)鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，增大了對(duì)耕種層下方土壤的毛細(xì)現(xiàn)象，使下層土壤中蓄存的水資源得到有效利用，從而在總體上提升了耕種層土壤的含水率。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器設(shè)有仿蚯蚓動(dòng)態(tài)松土開(kāi)溝機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其可通過(guò)模擬蚯蚓的運(yùn)動(dòng)方式疏松土壤，通過(guò)溝底鎮(zhèn)壓作業(yè)壓實(shí)下層土壤，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)速度均對(duì)土壤平均含水率（0～100 mm）、土壤平均溫度（0～100 mm）和大豆平均出苗時(shí)間具有顯著性影響，其中大豆平均出苗時(shí)間隨著凸起高度、波峰數(shù)量和作業(yè)速度的增大而先下降后上升，運(yùn)用Design-Expert和Matlab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)曲面分析和回歸分析，并考慮到作業(yè)速度易受田間復(fù)雜地況的影響而較難保證其精準(zhǔn)性以及加工精度等問(wèn)題，且規(guī)定波峰數(shù)量N只能為自然數(shù)，最終得出最優(yōu)參數(shù)組合為：作業(yè)速度8 km/h、松土機(jī)構(gòu)凸起高度6 mm和波紋圓盤波峰數(shù)量15。

2）本文所設(shè)計(jì)仿蚯蚓運(yùn)動(dòng)多功能開(kāi)溝器相較于兩種傳統(tǒng)開(kāi)溝裝置，可分別提高土壤平均含水率（0～100 mm）5.92%和4.86%，分別提高土壤平均溫度（0～100 mm）0.5和0.4℃，分別提前大豆出苗時(shí)間0.5和0.92 d，表明采用模擬蚯蚓生物學(xué)行為的松土機(jī)構(gòu)，可有效疏松耕種層土壤，增加耕種層土壤孔隙度，進(jìn)而有效提升地溫，同時(shí)通過(guò)增設(shè)鎮(zhèn)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)種溝下層土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)，可增大對(duì)耕種層下方土壤中水分的吸收，進(jìn)而提升耕種層土壤含水率，最終通過(guò)對(duì)耕種層土壤物理性狀的改善，達(dá)到促進(jìn)大豆發(fā)育的目的。

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