棉稈起拔力關(guān)鍵因素的研究及試驗(yàn)

陳佳林，曹肆林，盧勇濤，王 敏，營(yíng)雨坤

(1.石河子大學(xué)，新疆 石河子 832003；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引言

棉花是世界上最重要的農(nóng)作物之一。在我國(guó)，植棉歷史悠久，種植技術(shù)成熟，棉花產(chǎn)量約占世界棉花產(chǎn)量的1/4。棉花在采摘時(shí)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物[1-2]，但主要產(chǎn)棉區(qū)對(duì)棉稈利用效率低，造成了資源的浪費(fèi)[3]。棉稈作為棉花產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，是一種重要的可再生生物質(zhì)能源，可作為反芻家畜的飼料，也可用于造紙、制板、食用菌培養(yǎng)、環(huán)保材料、化學(xué)制品、秸稈炭及建筑材料等，具有巨大經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)棉花種植面積為600萬(wàn)hm2，每年棉稈的產(chǎn)量約為3 000萬(wàn)t，若將這些棉稈用于制造紙張，每年可以節(jié)省林木資源12萬(wàn)m3，與此同時(shí)，每100萬(wàn)t棉稈，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為10億元。目前，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(shí)現(xiàn)棉稈的收集，可避免殘留根茬對(duì)下一輪作物的不利影響，所以非常受農(nóng)戶的歡迎。我國(guó)傳統(tǒng)的拔棉稈方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率低下，若采用機(jī)械拔取棉稈，在減輕棉農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也可增加一定的經(jīng)濟(jì)收入。由于棉稈主莖粗細(xì)不一致，土壤吸附力大，人工收獲勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗功大，開(kāi)展棉稈機(jī)械收獲技術(shù)研究已成為近年來(lái)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)研究的重點(diǎn)之一[4-9]。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)田的進(jìn)一步考察分析后，進(jìn)行了起拔力的測(cè)試試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)田的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了各因素對(duì)起拔力的影響規(guī)律，以期為棉稈起拔機(jī)械的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。棉稈直徑對(duì)起拔力有較大的影響，設(shè)計(jì)棉稈起拔機(jī)時(shí)最大起拔力可以參考棉稈直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，土質(zhì)、土壤含水量和土壤堅(jiān)實(shí)度對(duì)棉稈的起拔力有一定的影響，合理地選擇收獲時(shí)間，可以減少動(dòng)力的消耗，有效提高起拔效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2017年10月，在新疆農(nóng)墾科學(xué)院試驗(yàn)田實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。新疆氣候干燥少雨，冬季寒冷且長(zhǎng)。試驗(yàn)田的棉稈品種為華農(nóng)16號(hào)，株距12cm，行距為(60+10)cm，數(shù)據(jù)采集區(qū)的棉花采用1膜6行的種植模式。棉稈試樣按照生長(zhǎng)良好、莖稈直挺、粗細(xì)均勻的基本原則進(jìn)行選取[10-11]。

1.2 試驗(yàn)方法

數(shù)據(jù)采集從棉花收獲后開(kāi)始，一共選取5塊試驗(yàn)田的5個(gè)作業(yè)段，每個(gè)作業(yè)段選取20個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，主要采集棉稈起拔力、棉稈直徑、土壤含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度和棉稈高度等數(shù)據(jù)。

1)棉稈起拔力的測(cè)定。棉稈起拔力的測(cè)量使用溫州市海寶儀器有限公司HF-1000型數(shù)顯式推拉力計(jì)(量程0～1 000N，精度0.05N)，其能夠通過(guò)顯示屏顯示測(cè)量力的不斷變化，當(dāng)將工作模式設(shè)置為Peak(峰值保持)模式時(shí)，就會(huì)把每次測(cè)量的最大數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，并存儲(chǔ)。具體測(cè)量方法是：用尼龍繩一端系在棉稈的底部，另一端連接到推拉力計(jì)上，然后緩慢地起拔，當(dāng)根部完全脫離土壤后，讀取并記錄下最大數(shù)據(jù)，如圖1所示。每個(gè)作業(yè)段測(cè)量20組數(shù)據(jù)，最后形成棉稈直徑、棉稈高度、起拔阻力、棉稈是否拔斷、土壤堅(jiān)實(shí)度和土壤含水率的數(shù)據(jù)表格，后求取各組因數(shù)的平均值，并且列出其大小范圍，經(jīng)處理后如表1所示。

2)棉稈高度的測(cè)定。每株棉稈從其地上根莖部分到主稈頂端為測(cè)量的高度部分，用卷尺(精度1mm)測(cè)量并同時(shí)記錄下讀數(shù)，對(duì)同一塊試驗(yàn)田選取20 個(gè)樣本。

3)棉稈直徑的測(cè)定。以棉根底部為基準(zhǔn)，每向上10cm測(cè)量1次，一共向上測(cè)量3次，用游標(biāo)卡尺(精度0.02mm)進(jìn)行測(cè)量，并取其平均值近似為棉稈直徑。對(duì)同一塊試驗(yàn)田選取20 個(gè)樣本。

圖1 棉稈起拔力測(cè)定

作業(yè)段棉稈直徑/mm直徑范圍平均值棉稈高度/cm高度范圍平均值起拔阻力/N 阻力范圍平均值平均土壤含水率/%平均土壤堅(jiān)實(shí)度/kPa17.93～12.509.7171.1～95.284.83360.3～776.7500.1617.09423.327.94～14.819.9467.8～99.481.57378.5～726.1473.6218.44387.537.67～11.7511.7561.2～92.669.62289.4～821.1539.4916.65449.947.98～11.959.8564.2～93.278.60234.7～796.9489.7116.54398.658.02～12.849.6262.3～99.881.15160.1～999.3512.5416.89450.0

4)土壤含水率和緊實(shí)度的測(cè)定。土壤堅(jiān)實(shí)度的采集采用SC900數(shù)字式土壤堅(jiān)實(shí)度儀(程0～7 000kPa，精度0103kPa)，測(cè)量時(shí)將其探頭緩緩插入土壤10cm處深度，然后讀取數(shù)值。土壤含水率的采集采用TDR 300土壤水分儀(范圍0-飽和狀態(tài)，精度3.0%體積水含量)，測(cè)量時(shí)將其探頭緩緩插入土壤10cm處深度，然后讀取數(shù)值，如圖2所示。測(cè)量點(diǎn)選取在地段中間，每次測(cè)量的選點(diǎn)與所測(cè)量的其它參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)作業(yè)段選取10個(gè)點(diǎn)，然后取其平均值。對(duì)同一塊試驗(yàn)田選取20 個(gè)樣本。

2 結(jié)果與分析

本文將對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)用MINITAB軟件進(jìn)行散點(diǎn)圖圖形處理及擬合，然后對(duì)5組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析。

圖2 土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)定

2.1 棉稈直徑對(duì)起拔力的影響

由于棉稈起拔力受多種因素影響，結(jié)合已有研究，確定以棉稈直徑為影響因素對(duì)棉稈起拔力進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究。為了進(jìn)一步分析研究結(jié)果，文中選取第2、3、5組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸分析，分析結(jié)果如圖3所示。

○代表第2組采樣數(shù)據(jù) +代表第3組采樣數(shù)據(jù) △代表第5組采樣數(shù)據(jù)

線性回歸模型為

y2=87.9+38.8x

S=42.16，R-Sq=69.2%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=69.2% ，說(shuō)明回歸方程顯著性一般。

y3=-609+120x

S=86.96，R-Sq=73.0%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=73.0%，說(shuō)明回歸方程顯著性一般。

y5=-418+96.6x

S=189.49，R-Sq=35.1%，P=0.006

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=35.1%，說(shuō)明回歸方程不顯著。

根據(jù)MINITAB軟件的分析，可以直觀地看出：在同一個(gè)作業(yè)段的采集數(shù)據(jù)中，棉稈的起拔力與棉稈直徑成正相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨棉稈直徑的增大而增大的趨勢(shì)，如圖3所示。線性回歸分析得出的3組處理結(jié)果中P值均小于0.05，這表明線性回歸模型是成立的；但回歸模型y2中的R-Sq=69.2%和y3中的R-Sq=73.0%，說(shuō)明其模型線性回歸性不顯著。而回歸模型中y5的R-Sq=35.1%，說(shuō)明其模型線性回歸極不顯著。這種情況是由于棉稈起拔力的影響因素可能與土壤的堅(jiān)實(shí)度、含水率、棉稈起拔的角度及棉稈根系的分布生長(zhǎng)情況等有關(guān)。在同一塊作業(yè)段中，由于施肥不均等因素，造成棉稈根系生長(zhǎng)不同，還有土壤堅(jiān)實(shí)度和含水率的不均勻性等導(dǎo)致了棉稈起拔力存在較大的差別，因此這只反應(yīng)了一定情況下棉稈直徑與起拔力的關(guān)系。

2.2 棉稈高度對(duì)起拔力的影響

由于棉稈高度與棉稈起拔力并沒(méi)有直接的關(guān)系，根據(jù)上文得出了棉稈直徑與起拔力成正相關(guān)關(guān)系，因此筆者對(duì)棉稈直徑與棉稈高度的關(guān)系進(jìn)行了分析。文中選取了第1、2、3組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

○代表第3組采樣數(shù)據(jù) +代表第2組采樣數(shù)據(jù) △代表第1組采樣數(shù)據(jù)

線性回歸模型為

y1=32.2+5.42x

S=5.18，R-Sq=56.7%，P=0

y2=37.5+4.43x

S=5.45，R-Sq=63.6%，P=0

y3=32.3+3.91x

S=7.17，R-Sq=29.6%，P=0.013

對(duì)y1、y2、y3回歸方程進(jìn)行分析：在y1與y2的回歸模型中，P=0<0.05，可知線性回歸模型成立；y1中R-Sq=56.7%，y2中R-Sq=63.6%，說(shuō)明回歸方程顯著性一般；在y3的回歸模型中，P=0.013<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=29.6%，說(shuō)明回歸方程不顯著。

根據(jù)MINITAB軟件的分析，可以直觀地看出：在同一個(gè)作業(yè)段的采集數(shù)據(jù)中，棉稈的高度與棉稈直徑成正相關(guān)關(guān)系，棉稈高度具有隨棉稈直徑的增大而增大的趨勢(shì)，如圖4所示。線性回歸分析得出的3組處理結(jié)果中P值均小于0.05，表明線性回歸模型是成立的；但回歸模型中y3的R-Sq=35.1%，說(shuō)明其模型線性回歸極不顯著。這是因?yàn)槊薅挼纳L(zhǎng)可能受溫度、光照、肥料和水分等因數(shù)的影響，在同一塊作業(yè)段中，由于施肥的不均勻性和棉稈吸收的差異，造成了棉稈的大小不同。根據(jù)上文得出的結(jié)論：棉稈直徑與起拔力成正相關(guān)關(guān)系，因此推出棉稈起拔力與棉稈高度成正相關(guān)關(guān)系。

2.3 土壤含水率對(duì)起拔力的影響

對(duì)棉稈起拔力與土壤含水率進(jìn)行了單因素研究，將5個(gè)作業(yè)段的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行了線性回歸分析。

線性回歸模型為

y=1064-33.6x

S=120.77，R-Sq=37.7%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=37.7% ，說(shuō)明回歸方程不顯著。

棉稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系如圖5所示。棉稈起拔力與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨土壤含水率的增加而減小的趨勢(shì)。

圖5 棉稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系

2.4 土壤堅(jiān)實(shí)度對(duì)起拔力的影響

對(duì)棉稈起拔力與土壤堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行了單因素研究，將5個(gè)作業(yè)段的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行了線性回歸分析。

線性回歸模型為

y=-88+1.37x

S=119.22，R-Sq=39.3%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=39.3%，說(shuō)明回歸方程不顯著。

棉稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系如圖6所示。棉稈起拔力與土壤含水率呈正相關(guān)關(guān)系，起拔力具有隨土壤堅(jiān)實(shí)度的增加而增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1)在同一個(gè)作業(yè)段中，棉稈直徑是影響起拔力的關(guān)鍵因素，棉稈直徑與起拔力成正相關(guān)關(guān)系。在采集的5組數(shù)據(jù)中，第5組棉稈直徑最大值為12.84mm，最大起拔力為993.3N。在設(shè)計(jì)棉稈起拔機(jī)時(shí)，最大起拔力可參考棉稈直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。棉稈起拔力與棉稈高度成正相關(guān)關(guān)系；棉稈起拔力與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；棉稈起拔力與土壤堅(jiān)實(shí)度呈正相關(guān)關(guān)系。在已采集的5個(gè)作業(yè)段的數(shù)據(jù)中，第3組棉稈起拔力最大，單株棉稈最大起拔力為821.1N，平均起拔力為534.49N；第2組棉稈起拔力最小，單株棉稈最大起拔力達(dá)到726.1N，平均起拔力為473.62N。棉稈起拔力的大小受土壤含水率、堅(jiān)實(shí)度的影響很大，因此應(yīng)選取合適的季節(jié)拔稈，以減小動(dòng)力消耗，提高效率。

圖6 棉稈起拔力與土壤堅(jiān)實(shí)度的關(guān)系

2)棉稈的起拔力是棉稈收獲需要考慮的主要因素之一。在本試驗(yàn)中，僅在第4作業(yè)段中拔斷了1根，土壤含水率和土壤堅(jiān)實(shí)度不同棉稈的力學(xué)性能就不同。盡管作業(yè)段4中拉拔阻力較小，但棉稈的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等力學(xué)特性參數(shù)也較小，極易在拔稈作業(yè)中發(fā)生斷裂[12]，因此拔稈時(shí)需綜合考慮。本試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)及線性回歸方程更適合于新疆地區(qū)。