水稻田激光平地技術(shù)研究與展望

胡煉 殷延勃 杜攀 羅錫文

（1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642；2寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所，銀川750105；第一作者：lianhu@scau.edu.cn）

水稻種植自古就有“寸水不過田，寸水不漏泥”的要求，即田面高低差不超過3 cm[1]，水稻生長過程中應(yīng)保持田面有深淺適當(dāng)?shù)乃畬?。水層過深容易浸沒秧苗心，妨礙呼吸作用和光合作用而使秧苗萎黃；水層過淺則泥皮干硬，水稻難以生根發(fā)芽[2]。激光平地技術(shù)是20世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的一種激光控制與常規(guī)機(jī)械相結(jié)合的土地平整新技術(shù)，能滿足水稻生長對水田平整的要求。平整的水稻田優(yōu)勢明顯：（1）可以實(shí)現(xiàn)淺水灌溉，節(jié)省灌溉用水，提高灌溉效率。農(nóng)田表面平整度直接影響灌溉效率，超過20%的灌溉用水因農(nóng)田表面高低不平被浪費(fèi)。DAS 等[3]研究了采用激光平地的田塊、傳統(tǒng)平地的田塊和未進(jìn)行平整的田塊的用水效率，結(jié)果表明采用激光平地的田塊具有最好的用水性能，比未平整的田塊節(jié)水47%，比手動平整的田塊節(jié)水15%，用水效率比未平整的田塊高98.7%，比手動平整的田塊高29.4%。（2）可以有效抑制雜草的生長，提高作物產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過激光平地的農(nóng)田，田面水層覆蓋率高，水稻之間成長時(shí)期同步性較好，促進(jìn)了水稻成熟的均勻性。水稻在爭奪水分、養(yǎng)分、光照和空間等方面比雜草更具優(yōu)勢，可減少雜草40.0%，節(jié)省3/4 的除草勞動力[4]。連續(xù)3 年的激光平地與傳統(tǒng)平地對比試驗(yàn)表明，采用激光平地的田塊水稻產(chǎn)量比對照高31.3%[5]。（3）有利于淺水勤灌技術(shù)、水稻淺濕灌溉技術(shù)、水稻控制灌溉技術(shù)等節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，精細(xì)平整的農(nóng)田可進(jìn)一步提高水稻機(jī)械直播技術(shù)和無人機(jī)撒播技術(shù)的推廣應(yīng)用。

水稻田整地根據(jù)耕整地時(shí)是否泡水分為水整地和旱整地兩種模式。稻田水整地是傳統(tǒng)的耕整模式，耕作程序主要包括旋耕、耙地、上水泡田、整平和沉淀[6]，再進(jìn)行栽插或直播等。稻田旱整地在寧夏、天津等地應(yīng)用較多，耕作程序主要包括旱耙地和旱整平，再進(jìn)行旱直播或泡水后栽插，有利于創(chuàng)造良好的土壤結(jié)構(gòu)，使土壤空隙度增大，提高氧化還原電位，有利于栽后秧苗的返青和生長發(fā)育[1]，由于稻田水整地程序多、周期長、農(nóng)時(shí)緊張[7]，部分地區(qū)水田泥腳深易陷車，因此，近年來南方稻田也開始采用旱整地再進(jìn)行水稻旱直播。

本文針對稻田水整地和旱整地的要求，介紹了激光平地技術(shù)原理以及適應(yīng)南方的水田激光平地機(jī)和旱地激光平地機(jī)，并分析了其作業(yè)效果和發(fā)展趨勢。

圖1 激光平地原理圖

1 激光平地技術(shù)原理

以激光發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)光束作為基準(zhǔn)面，通過固定在平地鏟上的激光接收器檢測激光基準(zhǔn)信號，檢測平地鏟的高程偏差，以偏差信號控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平地鏟的升降，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的精細(xì)平整。如圖1 所示，平地機(jī)在地勢較高處時(shí)激光接收器中線高于激光基準(zhǔn)面，控制器控制平地鏟降低至激光接收器中線位于激光基準(zhǔn)面，平地鏟鏟土；平地機(jī)在地勢較低處時(shí)激光接收器中線低于激光基準(zhǔn)面，控制器控制平地鏟升高至激光接收器中線位于激光基準(zhǔn)面，平地鏟內(nèi)的泥土填到低洼處；平地機(jī)在地勢正好時(shí)平地機(jī)激光接收器中線位于激光基準(zhǔn)面時(shí)，平地鏟不動作[8]。

圖2 平地鏟自動調(diào)平原理圖

圖3 1PJ-3.0 水田激光平地機(jī)

圖4 旱地激光平地機(jī)

表1 平整質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 稻田激光平地機(jī)

2.1 稻田水平激光平地機(jī)

水田平整時(shí)，由于犁底層高低不平，平地機(jī)左右輪陷深不一，導(dǎo)致平地鏟的左右方向不能保持水平，高程控制系統(tǒng)僅能控制平地鏟升降，田面平整度難以滿足水稻的種植要求。因此，水田激光平地時(shí)在高程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上還需增加平地鏟的自動調(diào)平技術(shù)[8]，以保證平地鏟水平作業(yè)。自動調(diào)平技術(shù)采用傾角傳感器獲得拖拉機(jī)的實(shí)時(shí)傾斜角度，直線位移傳感器測量調(diào)平液壓油缸伸長量，利用平地鏟和拖拉機(jī)的相對傾斜角度轉(zhuǎn)換函數(shù)，通過電磁換向閥控制平地鏟保持水平（圖2）。

1PJ-3.0 水田激光平地機(jī)是一種與插秧底盤配套的應(yīng)用于水田耕整后的激光平地機(jī)械（圖3）。平地機(jī)主要由插秧底盤、平地鏟、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其特點(diǎn)在于與插秧機(jī)底盤配套，水田驅(qū)動輪較窄不易產(chǎn)生較大輪轍，轉(zhuǎn)彎效率高；液壓系統(tǒng)和平地鏟一體化設(shè)計(jì)，平地鏟連接在插秧機(jī)上，提高了插秧機(jī)的使用率。控制系統(tǒng)主要包括平地機(jī)控制器、激光接收器和傾角傳感器系統(tǒng)，在插秧機(jī)方向盤右側(cè)安裝有平地機(jī)控制器，激光接收器安裝在平地鏟接收器桿上。作業(yè)后水田平整度小于3 cm，作業(yè)效率大于0.27 hm2/h。

2.2 稻田旱平激光平地機(jī)

目前旱地激光平地機(jī)通過大馬力拖拉機(jī)牽引，在大面積農(nóng)田平整效率高，但其轉(zhuǎn)彎半徑較大，對小塊農(nóng)田適應(yīng)性較差。我國水稻種植地塊小，除了幾個平原地區(qū)外，大部分地區(qū)是小地塊，約占水稻種植總面積的70%。農(nóng)戶種植規(guī)模90%以上為0.13～0.33 hm2[9]?，F(xiàn)有的牽引式旱地激光平地機(jī)對于這種小塊農(nóng)田適用性較差，采用2 個輪胎作為支撐輪支撐平地鏟升降，在土壤松軟的田塊易出現(xiàn)明顯壓實(shí)輪轍，影響平地效果。

1PJD-220 型懸掛式旱地激光平地機(jī)可與各種拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)掛接，平地鏟可提升倒車、地頭作業(yè)靈活度，小田塊作業(yè)效率高。平地鏟由12 個鋼性輪組支撐，松軟土壤經(jīng)過適度均勻壓實(shí)后，不會有明顯輪轍，且可減少泡水后沉降，保證田面平整度。平地機(jī)配備獨(dú)立液壓系統(tǒng)、安裝方便。采用電控調(diào)節(jié)平地鏟入土深度，操作人員在駕駛座位上即可設(shè)置平地深度。路上行走、田間掉頭或田間倒車時(shí)，由拖拉機(jī)控制三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)整體升降；田間作業(yè)時(shí)，則將拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)放至最低位置并設(shè)置為浮動模式。

為分析平整質(zhì)量，采用全站儀采集平整前和平整后田面相對高程值，其中一次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示[10]。懸掛式多輪支撐旱地激光平地機(jī)作業(yè)后，田面最大高程差從平前20.80 cm 降至平后7.30 cm，相對高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值從平前4.48 cm 下降到平后1.72 cm，平后絕對差值小于3.00 cm 的采樣測量點(diǎn)累計(jì)百分?jǐn)?shù)為91.94%，懸掛式多輪支撐型旱地激光平地機(jī)在小田塊作業(yè)效率高，顯著改善了田面平整情況。

3 發(fā)展趨勢

3.1 系列化

不斷提高平地作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率是稻田平整的重點(diǎn)方向，應(yīng)研制與輪式拖拉機(jī)和履帶式拖拉機(jī)配套的系列水田激光平地機(jī)[11-12]，并配置不同結(jié)構(gòu)形式和不同作業(yè)幅寬的平地鏟，以滿足大型農(nóng)場和南方小地塊稻田平整需求。

3.2 多功能化

在平地基本功能的基礎(chǔ)上增加打漿、壓實(shí)[10]、開溝和施肥等功能，如采用激光控制平地打漿機(jī)[13]，可減少作業(yè)工序和農(nóng)機(jī)進(jìn)入稻田作業(yè)次數(shù)，降低作業(yè)成本。

3.3 智能化

目前，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已全面建成，定位精度高，其中高程方向精度可達(dá)2 cm，基于北斗/GPS 的平地技術(shù)的平地機(jī)將快速推廣[14]。此外，根據(jù)快速采集的農(nóng)田地形，智能規(guī)劃平整作業(yè)路線，可以提高平地效率。同時(shí)，結(jié)合農(nóng)機(jī)無人駕駛技術(shù)，研制無人駕駛激光平地機(jī)，以進(jìn)一步提高平地機(jī)械智能化水平。