插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率與種植密度的田間測試研究

易文裕，應(yīng) 婧，熊昌國，余滿江，庹洪章

(1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610066；2.農(nóng)業(yè)部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066)

0 引言

水稻機(jī)插秧是我國水稻種植普遍采用的方法，按照農(nóng)藝要求的種植密度進(jìn)行機(jī)插秧是水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的基礎(chǔ)。葉丹杰等在水稻精確定量栽培關(guān)鍵技術(shù)研究中提出水稻精確定量栽培關(guān)鍵是把握壯秧、密度、施肥和管水等四大關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前，市場上多行插秧機(jī)幾乎行距都是固定的，在插秧機(jī)作業(yè)過程中可以保證秧苗行距一致，但由于水稻秧田土質(zhì)和泥腳深度的差異，插秧機(jī)在插秧行走時(shí)的滑轉(zhuǎn)率差異很大；而滑轉(zhuǎn)率直接關(guān)系到株距大小，滑轉(zhuǎn)率越大秧苗株距越小，株距精確定量難以保證，造成水稻機(jī)械化田間種植密度依靠推算無法精確統(tǒng)計(jì)，難以達(dá)到農(nóng)藝要求的種植密度。

目前，有關(guān)機(jī)插秧滑轉(zhuǎn)率和種植密度田間測試的研究還未見報(bào)道，關(guān)于水層深度對插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率和田間種植密度的影響研究更未見報(bào)道。插秧機(jī)行走機(jī)構(gòu)的通過性與土壤承受壓強(qiáng)有密切關(guān)系[2]，泥腳越深，土壤承壓強(qiáng)度越低，插秧機(jī)越容易打滑，種植密度隨機(jī)性越大，難以滿足農(nóng)業(yè)種植密度要求。朱亞東在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化關(guān)鍵環(huán)節(jié)的配套裝備研究中指出：機(jī)插秧對水田整地的要求較高，要求田平、底實(shí)、地表無殘茬、泥腳較淺[3]，一般要求田塊平整、水層平均深度2cm左右。目前，水稻田間種植密度計(jì)算主要以插秧機(jī)廠家性能參數(shù)中的行距和標(biāo)定株距為計(jì)算依據(jù)，依照此法計(jì)算出的種植密度沒有考慮到插秧機(jī)作業(yè)時(shí)的滑轉(zhuǎn)率，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際種植密度存在較大差異，更不適合作業(yè)條件不佳的冬水田。易文裕等針對泥腳深度30cm以上的冬水田，研制了一種2行步進(jìn)式插秧機(jī)，經(jīng)在冬水田試驗(yàn)測試，秧苗栽插質(zhì)量有一定幅度提高，但工作效率低、經(jīng)濟(jì)性差[4]。

根據(jù)徐富賢等對冬水田雜交中稻栽秧密度的研究，頭季產(chǎn)量、再生稻產(chǎn)量及兩季總產(chǎn)在15.16萬穴/ hm2的密度下，等行距栽培比三角形栽培增產(chǎn)作用大[5]。徐富賢等針對冬水田水稻生長季節(jié)氣候特點(diǎn)，提出“稀植足肥”的栽培策略[6]，在10.76萬穴/ hm2的密度下取得較高產(chǎn)量。

本試驗(yàn)研究以15.16萬穴/ hm2和10.76萬穴/ hm2兩種種植密度為試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行了插秧機(jī)田間無載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)、模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)和實(shí)際插秧試驗(yàn)，并在田間測試了不同水田插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率和種植密度，研發(fā)了插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率和田間種植密度測試裝置，為冬水田機(jī)械化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)測試裝置

本試驗(yàn)測試裝置安裝在步進(jìn)式插秧機(jī)上，包括中央處理器、行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)傳感器、田間位置采集攝像頭、無線路由器或GPRS及手機(jī)終端5部分，如圖1所示。

1.中央處理器 2.插秧機(jī) 3.無線路由器或GPRS 4.田間位置采集攝像頭 5.行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)傳感器 6.手機(jī)終端APP圖1 試驗(yàn)測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

測試裝置在插秧機(jī)作業(yè)時(shí)由傳感器記錄輸出行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)n；根據(jù)公式(1)，中央處理器計(jì)算得出理論行走距離L，田間位置采集攝像頭記錄插秧機(jī)位置坐標(biāo)計(jì)算得出實(shí)際行走距離Lp；根據(jù)公式(2)直接輸出插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率；根據(jù)實(shí)際行走距離Lp計(jì)算出的株距和固定行距30cm輸出種植密度。

理論行走距離采用的公式為

L=πDn

(1)

式中D——行走輪直徑，D=642mm；

n——輪子行走圈數(shù)。

滑轉(zhuǎn)率采用的公式為

(2)

式中δ——滑轉(zhuǎn)率(%)；

LP——實(shí)際行走距離(mm)。

1.2 無載荷和模擬滿載荷的滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)

無載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)直接采用測試裝置，即插秧機(jī)在空機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行；模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)在試驗(yàn)測試裝置插秧機(jī)上采用砝碼模擬實(shí)際插秧作業(yè)載荷進(jìn)行加載后進(jìn)行。模擬滿載荷總質(zhì)量約60kg，采用7個(gè)砝碼并用軟繩捆扎固定。

試驗(yàn)地點(diǎn)在瀘縣，無載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)于2016年3月19日進(jìn)行；模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)于2016年4月1日進(jìn)行。

1.3 普通水田和冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率對比試驗(yàn)

試驗(yàn)于2016年5月21日在瀘縣進(jìn)行。普通水田1泥腳深度為12cm，水層深度為1～3cm；普通水田2泥腳深度為14cm，水層深度為1～3cm；冬水田3泥腳深度為21cm，水層深度為2～5cm；冬水田4泥腳深度為32cm，水層深度為2～5cm。普通水田和冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率對比試驗(yàn)采用試驗(yàn)測試裝置加載秧苗進(jìn)行。

1.4 冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)

試驗(yàn)于2016年4月15日在瀘縣進(jìn)行。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下。

1.4.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

1)3個(gè)品種及育秧。根據(jù)農(nóng)藝要求，選取了3個(gè)品種，分別為：宜香優(yōu)2115，千粒質(zhì)量32.8g；旌優(yōu)127，千粒質(zhì)量28.3g；內(nèi)香8514，千粒質(zhì)量29.5g。2016年3月11日在秧母田播種育秧，播種量71.4g/盤；4月15日插秧，秧齡35天，苗高26～28cm。

2)兩類田塊。選取有代表性的不同泥腳深度和水層深度的田塊：冬水田5泥腳深度25cm，水層深度3～7cm；冬水田6泥腳深度29cm，水層深度8～11cm。

3)兩種標(biāo)定株距。根據(jù)現(xiàn)有插秧機(jī)的標(biāo)定株距擋位，結(jié)合農(nóng)藝要求選擇標(biāo)定株距21cm和28cm。

4)兩種驅(qū)動(dòng)輪。兩種驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)：輪1外徑660mm，葉片數(shù)量9片，葉片寬度90mm，長度85mm，葉片沿輪1周邊均勻分布；輪2外徑660mm，葉片數(shù)量12片，其中9個(gè)葉片寬度90mm、長度85mm，3個(gè)葉片寬度100mm、長度120mm，12個(gè)葉片沿輪2周邊均勻間隔分布。

1.4.2 正交試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用三因素兩水平和一因素三水平的混合型正交試驗(yàn)L12(3×24)進(jìn)行機(jī)插秧。三因素兩水平分別為標(biāo)定株距、田塊和驅(qū)動(dòng)輪，一因素三水平為水稻品種。因素水平表如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 水平表

表2 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 無載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)

無載荷滑轉(zhuǎn)率的測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：

1)無載荷滑轉(zhuǎn)率與泥腳深度成正比，在泥腳深度25～29cm、水層深度3～11cm的冬水田，滑轉(zhuǎn)率為14.4%～15.5%。

2)無載荷滑轉(zhuǎn)率與水層深度沒有明顯相關(guān)性。

表3 無載荷滑轉(zhuǎn)率測試

續(xù)表3

2.2 模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)

模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率測試結(jié)果如表4所示。由表4可知：

1)對于泥腳深度25～29cm、水層深度3～11cm的冬水田，模擬滿載滑轉(zhuǎn)率為19.5%～22.3%，比空機(jī)滑轉(zhuǎn)率增加5.1%～6.8%。

2)模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率與水層深度無關(guān)。

表4 模擬滿載滑轉(zhuǎn)率測試

2.3 普通水田和冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率對比試驗(yàn)

普通水田和冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率測試結(jié)果如表5所示。由表5可知：

1)在泥腳深度13cm左右、水層深度1～3cm呈花花水狀態(tài)的普通水田，滑轉(zhuǎn)率為10.7%～12.6%，插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率和出廠標(biāo)識(shí)的10%左右滑轉(zhuǎn)率基本一致。因此，采用固定系數(shù)11.5%左右的滑轉(zhuǎn)率估算田間種植密度是可行的。

2)在泥腳深度32cm、水層深度2～5cm的冬水田，滑轉(zhuǎn)率高達(dá)29.5%～32.5%，再加上插秧機(jī)的“漂秧率”、“漏秧率”和“傷秧率”，現(xiàn)有4行插秧機(jī)難以保證農(nóng)業(yè)種植密度，不適宜泥腳深度大于等于32cm的冬水田。

3)在泥腳深度21cm、水層深度2～5cm的冬水田，滑轉(zhuǎn)率為15.0%～17.3%。

4)實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率滑轉(zhuǎn)率與水層深度沒有明顯相關(guān)性。

表5 普通水田和冬水田實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率測試

2.4 實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)

實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)測測試結(jié)果如表6所示。由表6可知：

1)冬水田5實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率比空機(jī)滑轉(zhuǎn)率高1.6%，比模擬滿載滑轉(zhuǎn)率低3.5%；冬水田6實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率比空機(jī)滑轉(zhuǎn)率高2.7%，比模擬滿載滑轉(zhuǎn)率低4.1%。

2)對于泥腳深度25～29cm的冬水田，實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率比空機(jī)滑轉(zhuǎn)率高1%～3%，比模擬滿載滑轉(zhuǎn)率低3%～5%。

表6 實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)測試

實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)方差分析如表7所示。由表7可知：C因素田塊泥腳深度對滑轉(zhuǎn)率有一定影響，泥腳深度為25cm滑轉(zhuǎn)率要低于泥腳深度為29cm，水層深度對實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率并無影響。

2.5 實(shí)際插秧種植密度試驗(yàn)

標(biāo)定密度為固定行距和標(biāo)定株距的乘積通過計(jì)算得出的密度；測試密度為測試裝置輸出的種植密度；實(shí)測密度為采用GPS測量儀測出總作業(yè)面積，再人工統(tǒng)計(jì)總作業(yè)面積內(nèi)的實(shí)際秧苗數(shù)量，通過計(jì)算得出的種植密度，種植密度即為實(shí)測密度。實(shí)際插秧種植密度試驗(yàn)分析如表8所示。

1)測試密度不高于實(shí)測密度的8%為合格。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水稻插秧機(jī) 技術(shù)條件》(GB/T20864-2007)規(guī)定，漂秧率和漏插率應(yīng)分別小于等于3%和5%，即兩項(xiàng)之和應(yīng)小于等于8%。如果測試密度高于實(shí)測密度的比值小于等于8%，一是說明插秧機(jī)的漂秧率和漏插率符合要求，二是水田泥腳深度和水層深度的條件適宜機(jī)插秧，即為合格；否則，不合格。

2)在水層深度8～11cm、泥腳深度29cm冬水田6的測試密度高于實(shí)測密度的比值在10.1%～35.1%的范圍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于8%。這表明，當(dāng)水層深度大于7cm時(shí)，機(jī)插秧種植密度隨機(jī)性較大，與滑轉(zhuǎn)率無關(guān)，難以保證種植密度，主要原因是水層較深容易漂秧和倒秧。在水層深度3～7cm、泥腳深度25cm冬水田5的測試密度高于實(shí)測密度的比值在0.8%～7.5%的范圍，完全保證種植密度達(dá)到農(nóng)藝要求。

3)測試密度高于標(biāo)定密度1.2%～7%，測試滑轉(zhuǎn)率高于標(biāo)定滑轉(zhuǎn)率4.1%～8.8%，測試密度變化趨勢與測試滑轉(zhuǎn)率變化趨勢基本一致。

4)在水層深度3～7cm、泥腳深度25cm冬水田5的標(biāo)定密度與實(shí)測密度的比值在±5%以內(nèi)，能夠按照標(biāo)定密度保證種植密度達(dá)到農(nóng)藝要求。

表7 實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率正交試驗(yàn)方差分析

F>F0.01，影響特別顯著，記為“**”；F0.01≥F>F0.05，影響顯著，記為“*”；F0.05≥F>F0.1，有一定影響，記為“**”；F0.1≥F，看不出影響。

3 結(jié)論

插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率與種植地區(qū)、土壤性能和泥腳深度有關(guān)。同一地區(qū)，插秧機(jī)無載荷滑轉(zhuǎn)率、模擬滿載荷滑轉(zhuǎn)率和實(shí)際插秧滑轉(zhuǎn)率與泥腳深度成正比，泥腳越深滑轉(zhuǎn)率越高，種植密度差異越大；插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率與水層深度無關(guān)。

3.1 泥腳深度對滑轉(zhuǎn)率的影響

1)在泥腳深度13cm左右，水層深度1～3cm呈花花水狀態(tài)的普通水田，滑轉(zhuǎn)率為10.7%～12.6%，插秧機(jī)滑轉(zhuǎn)率和出廠標(biāo)識(shí)的10%左右滑轉(zhuǎn)率基本一致。

2)在泥腳深度32cm、水層深度2～5cm的冬水田，滑轉(zhuǎn)率高達(dá)29.5%～32.5%，再加上插秧機(jī)的“漂秧率”“漏秧率”“傷秧率”，現(xiàn)有4行插秧機(jī)難以保證農(nóng)業(yè)種植密度，不適宜泥腳深度大于等于32cm的冬水田。

3)對于泥腳深度25～29cm的冬水田，滑轉(zhuǎn)率為14.1%～19.6%。

3.2 滑轉(zhuǎn)率對種植密度的影響

1)當(dāng)水層深度小于等于7cm、泥腳深度小于等于29cm時(shí)，種植密度和標(biāo)定密度相差5%以內(nèi)，實(shí)際插秧中能夠按照標(biāo)定密度保證種植密度達(dá)到農(nóng)藝要求，適宜機(jī)插秧。

2)當(dāng)水層深度大于7cm時(shí)，機(jī)插秧種植密度隨機(jī)性大，雖然滑轉(zhuǎn)率僅19%左右，但“漏秧率”較高，種植密度與標(biāo)定密度相差高達(dá)28.1%，無法保證農(nóng)業(yè)種植密度。