廣西甘蔗粉壟耕作技術(shù)與機械的研究現(xiàn)狀

廖麗 馬亞勤

（廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣西 南寧 530007）

蔗糖業(yè)是廣西區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱及農(nóng)民的主要經(jīng)濟來源，近年來，廣西甘蔗生產(chǎn)競爭力優(yōu)勢穩(wěn)定，甘蔗栽培是蔗糖業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，各種栽培耕作技術(shù)得到了大力的發(fā)展，2011年開始進(jìn)行甘蔗粉壟耕作技術(shù)的研究和應(yīng)用。粉壟耕作技術(shù)是一項新型的農(nóng)耕技術(shù)，采用粉壟機械的立式旋削刀具，在耕作深度30～60 cm范圍內(nèi)深耕深松作業(yè)，直接起壟，達(dá)到一次作業(yè)可直接種植的效果。該方法能打破犁底層，使耕地松土層厚度增加，耕作層疏松，在一定程度上提高土壤保持水分的能力，增加土壤肥力，從而達(dá)到作物增產(chǎn)效果。應(yīng)用粉壟技術(shù)后，甘蔗可增產(chǎn)27%，且一次粉壟具有多年的增產(chǎn)效果，是目前我國主要推廣的農(nóng)業(yè)耕作新方法之一。［1］近年來國內(nèi)學(xué)者也陸續(xù)開展了一些甘蔗粉壟耕作的研究，甘蔗粉壟耕作技術(shù)研究主要以甘蔗種植的相關(guān)農(nóng)學(xué)試驗研究為主，粉壟耕作對照常規(guī)傳統(tǒng)耕作的甘蔗質(zhì)量、土壤條件分析對比，并對現(xiàn)有的粉壟耕作機械的耕作阻力、破碎性能、功耗等方面進(jìn)行研究分析，促進(jìn)甘蔗粉壟耕作技術(shù)的推廣。

1 甘蔗粉壟耕作技術(shù)的研究現(xiàn)狀

甘蔗粉壟耕作技術(shù)研究主要從甘蔗品種和耕作方式等方面對甘蔗生長情況、甘蔗產(chǎn)量、蔗地土壤特性進(jìn)行分析對比，廣西從2011年開始進(jìn)行甘蔗粉壟耕作技術(shù)的研究。

1.1 粉壟耕作對甘蔗生長及產(chǎn)量的影響

采用粉壟耕作的甘蔗種植相較傳統(tǒng)種植方式，甘蔗產(chǎn)量有明顯提高。2010—2011年，韋本輝等人在不同地區(qū)利用“新臺糖22號”和“柳城03-1137”兩個甘蔗品種進(jìn)行粉壟栽培和傳統(tǒng)栽培比較試驗，與傳統(tǒng)栽培相比，粉壟耕作栽培的根系鮮重增加115.05%～146.48%，功能葉片數(shù)增加14.65%～19.35%，產(chǎn)量增加21.91%～27.35%，甘蔗蔗糖含量增加3.63%～5.75%，甘蔗宿根芽數(shù)增加47.64%～197.70%。［2］廣西武鳴、賓陽和金光農(nóng)場等不同蔗地進(jìn)行單鉆頭粉壟耕作試驗，粉壟耕作深60 cm，寬40 cm，壟面寬60 cm，壟距1.2 m，試驗得出，粉壟栽培與對照相比有效莖數(shù)增加711條/667 m2，提高了20.23%；單莖質(zhì)量增加0.25 kg，增加率為20.16%；產(chǎn)量增加1020kg/667 m2，提高了27.35%。［3］由于甘蔗種植地區(qū)土壤瘠薄、種植季節(jié)干旱缺水且處于低溫環(huán)境，造成長期制約甘蔗單產(chǎn)偏低，韋本輝等［4］提出可利用粉壟耕作進(jìn)行深旋耕作業(yè)，實現(xiàn)聚天然降水和土壤速效養(yǎng)分增加10%～30%，甘蔗產(chǎn)量可增加20%以上。

粉壟耕作機耕相對常規(guī)拖拉機旋耕耕作對甘蔗產(chǎn)量影響較大。2015—2016年，周靈芝等［5］以“桂糖43號”為對象，在廣西南寧甘蔗地進(jìn)行常規(guī)耕作（拖拉機耕作，深度25 cm，耙平）和粉壟耕作（粉壟耕作機整地，深度40 cm，耙平）的對比試驗。試驗得出，粉壟耕作有利于提高甘蔗的出苗率和分蘗率，粉壟耕作出苗率增加20.7%，分蘗率增多25.4%；粉壟耕作甘蔗的生長速度增加6.4%～53.7%；甘蔗莖稈增粗7.7%～23.8%；粉壟甘蔗莖稈產(chǎn)量為191.25 t/hm2，比對照增產(chǎn)18.2%。2017年，韋增林等［6］在廣西來賓以甘蔗品種“桂糖42號”為對象，分別采用拖拉機作業(yè)（二耙一開行，耕層20 cm）、拖拉機作業(yè)（一犁一耙一開行，耕層30 cm）和粉壟機作業(yè)（深耕40 cm+開行）進(jìn)行甘蔗粉壟耕作對比試驗，結(jié)果粉壟栽培甘蔗增產(chǎn)25.6%。

2016—2017 年，王奇等［7］以“福農(nóng)41號”為對象，對照傳統(tǒng)耕作，研究粉壟耕作對甘蔗農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，與對照相比，粉壟耕作促進(jìn)蔗莖增粗8.4%，使單莖質(zhì)量和有效莖數(shù)分別增加16.8%、13.5%，從而提高甘蔗產(chǎn)量35.3%。此外，與對照相比，在甘蔗生長后期，粉壟耕作條件下蔗葉完全展開的片數(shù)增多，甘蔗有效吸收光能面積增加，從而積累同化物提高甘蔗的單莖質(zhì)量。

粉壟耕作對促進(jìn)甘蔗生長也有較大影響。2018—2019年，李素麗等［8］以“桂糖42號”為對象，設(shè)常規(guī)耕作和粉壟耕作進(jìn)行對比試驗。試驗提出，粉壟耕作能提高甘蔗生長期光合作用相關(guān)的酶活性、葉綠素含量和凈光合速率等生理指標(biāo)，提高了光合作用，促進(jìn)甘蔗生長，提高甘蔗產(chǎn)量與品質(zhì)。

2018—2019 年，李浩等［9］以“桂糖42號”為對象，進(jìn)行粉壟耕作試驗（耕作深度40 cm），以常規(guī)耕作為對照（耕作深度25 cm），分別測定土壤速效養(yǎng)分，甘蔗農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量和糖分、根系形態(tài)、根毛區(qū)組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)、根系活力、蘋果酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶等呼吸代謝相關(guān)酶活性。結(jié)果以常規(guī)耕作作為對照，粉壟耕作條件下新植蔗的出苗率和分蘗率分別增加了25.0%和17.4%，宿根蔗分別增加了30.6%和11.7%，粉壟耕作可提高速效氮和速效磷含量，改善甘蔗根系的營養(yǎng)，提高根系活力和呼吸代謝相關(guān)酶活性，有利于根系組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)和根系形態(tài)的發(fā)育，從而進(jìn)一步促進(jìn)根系對水肥的吸收。

1.2 粉壟耕作對蔗地土壤條件的影響

與常規(guī)機耕相比，粉壟耕作對甘蔗地土壤能實現(xiàn)深耕深松，不破壞土壤層的保肥蓄水能力。2017年，陳曉冰等［10］采用野外染色示蹤技術(shù)和形態(tài)學(xué)解析手段，結(jié)合土壤水分分層評價方法，對粉壟耕作和免耕方式下西南巖溶區(qū)的典型甘蔗地土壤優(yōu)先流特征進(jìn)行研究并提出，相對免耕，粉壟耕作使巖溶區(qū)甘蔗地土壤優(yōu)先流的發(fā)生與發(fā)展減緩，土壤的保肥蓄水能力在一定程度上提升了。2018—2019年，陳仕林等［11］在廣西南寧丘陵山區(qū)甘蔗地采用雨養(yǎng)模式，進(jìn)行粉壟耕作與常規(guī)耕作兩種耕作方式，開展平地和坡耕地甘蔗田間試驗，分析粉壟耕作對坡耕地雨養(yǎng)甘蔗地土壤的礦化速度、礦化累積量及土壤團(tuán)聚體與緊實度結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響。試驗得出，粉壟雨養(yǎng)甘蔗提高了平地和坡耕地土壤耕層碳存儲，可降低土壤緊實度，增加土壤大團(tuán)聚體形成，優(yōu)化土壤耕層結(jié)構(gòu)。

2018—2019 年，黃俞銘等［12］在減量施肥 20%、常規(guī)施肥兩種施肥條件下進(jìn)行常規(guī)耕作和粉壟耕作，并于蔗種出苗后在其行間近根部覆蓋秸稈，研究第二年宿根蔗，采用染色示蹤法測定秸稈覆蓋下甘蔗土壤優(yōu)先流特征，并測定分析蔗株高度、蔗莖大小、地表下層蔗根生物量、產(chǎn)量及品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀。對比常規(guī)耕作，粉壟耕作方式下蔗田添加秸稈覆蓋降低了土壤優(yōu)先流發(fā)生程度，提高了土壤蓄水能力，增加了甘蔗根系生物量和產(chǎn)量，并有利于提高甘蔗品質(zhì)。

2018年，王奇等［13］以“福農(nóng)41”為試驗材料，以傳統(tǒng)耕作為對照，研究粉壟耕作對甘蔗根系生物量和氮含量的影響，并分析粉壟耕作對甘蔗根系中氮素吸收利用相關(guān)基因表達(dá)水平的調(diào)控作用。試驗得出，相對傳統(tǒng)耕作，粉壟耕作條件下甘蔗根系鮮重、干重、氮含量顯著提升，分別增加48.7%、46.8%、50.0%。粉壟耕作可能通過上調(diào)甘蔗根系中氮素吸收利用增加甘蔗根系中氮含量并促進(jìn)根系生長；此外，從粉壟耕作的甘蔗根系發(fā)達(dá)情況，考慮通過增加根系與土壤接觸的面積，可促進(jìn)甘蔗根系對土壤中氮素的吸收利用。

2 甘蔗粉壟耕作機械技術(shù)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)粉壟技術(shù)的土壤深耕深松及保肥蓄水要求，粉壟耕作機械應(yīng)運而生。2009年，韋本輝等［14］利用木匠使用螺旋鉆頭“鉆孔松屑”的原理，發(fā)明了首臺利用拖拉機驅(qū)動牽引的“螺旋型鉆頭”粉壟機，解決了“超深活土”滿足農(nóng)作物自然性增產(chǎn)的難題。

從2010年起，廣西本地農(nóng)機制造企業(yè)研制了多款螺旋鉆頭深耕粉壟機械，有力地推動了粉壟耕作技術(shù)的應(yīng)用。第一代粉壟機，是在輪式拖拉機后面固定安裝粉壟裝置，粉壟裝置的動力由拖拉機的動力輸出端提供，進(jìn)而帶動螺旋鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，達(dá)到甘蔗栽培農(nóng)藝的耕作深度，同時在拖拉機牽引下向前移動，土壤被鉆頭刀刃橫向切割，從而達(dá)到粉壟深耕深松的耕作目的。第一代粉壟機使用5個螺旋鉆頭，配套發(fā)動機功率從50馬力到195馬力不等，但是使用普通拖拉機牽引仍然存在較多缺陷，工作效率較低，無法商業(yè)化［15，16］。2015年，通過對鉆頭的多次改進(jìn)以及行走方式的試驗，成功研制了第二代粉壟機，采用履帶行走模式和液壓傳動技術(shù)，能適應(yīng)不同地區(qū)，效率和故障率有了明顯改善，開始接受市場檢驗并進(jìn)行商業(yè)化推廣。［17］2016年，采用數(shù)字信號控制液壓系統(tǒng)的第三代粉壟機通過省級農(nóng)機技術(shù)鑒定，可以實現(xiàn)數(shù)字化控制和采集信息，根據(jù)傳感器反饋智能調(diào)節(jié)功率。在第三代粉壟機的基礎(chǔ)上，小型無人駕駛粉壟機研制成功，此機型較適合南方丘陵地區(qū)，能滿足地塊大小不同高度不同的需求。［18］2019年研制成功并通過了國家農(nóng)業(yè)機械專項鑒定的牽引式深耕粉壟機 （垂直深旋耕），配套發(fā)動機功率可達(dá)295馬力，可適應(yīng)耕作超大阻力和野外惡劣工況，耕作深度可由液壓垂直升降系統(tǒng)自由調(diào)節(jié)，更換不同規(guī)格長度的鉆頭可適應(yīng)不同作物需求。此外還具備高度信息化功能，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程GPS定位、鎖定功能及粉壟作業(yè)監(jiān)控。

2020年，韋本輝聯(lián)合廣西粉壟制造企業(yè)研制了甘蔗粉壟“145”專用粉壟機，利用空心“二刀鉆”垂直深旋耕深松土壤，能實現(xiàn)最大化利用土壤養(yǎng)分、水分和氧氣等，較常規(guī)種植耕深增加且油耗低，此機型通過了省級農(nóng)機鑒定，并在廣西甘蔗地中進(jìn)行了相關(guān)作業(yè)試驗。

上述粉壟耕作機械技術(shù)研究發(fā)展迅速，但相關(guān)機械在廣西甘蔗地中仍存在作業(yè)效率較低、阻力大、振動大、刀具磨損嚴(yán)重等問題，限制了粉壟機在廣西甘蔗地的推廣應(yīng)用。

2018年，楊望等［19］針對粉壟機作業(yè)功耗大、作業(yè)性能與粉壟刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系不詳?shù)膯栴}，采用SPH算法、試驗設(shè)計方法和回歸分析方法，建立粉壟刀具作業(yè)模型，以及其結(jié)構(gòu)參數(shù)與功耗幅寬比和土壤破碎度的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真試驗并對粉壟刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。試驗研究得出，在相同條件下，螺旋葉片直徑、螺距和軸距減小，有利于降低功耗幅寬比，提高土壤破碎度；而螺距增大軸距減小，則能降低功耗幅寬比。

2020年，肖雄等［20］針對粉壟刀具在黏土蔗地作業(yè)時，耕后破碎土壤大小不一，且破碎分布不均勻的問題，改進(jìn)設(shè)計了一款增加彎刀裝置的新刀具，并通過仿真試驗，分析作業(yè)過程，優(yōu)化影響因素，結(jié)果表明，新刀具能適應(yīng)不同耕深，作業(yè)后土壤破碎度在垂直方向上分布比原刀具合理，碎土性能增加了，功耗幅寬比減小了。

2020年，肖雄等［21］利用通過驗證合理的粉壟刀具作業(yè)系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型開展粉壟作業(yè)仿真，分析粉壟刀具的受力情況，得出粉壟刀具的螺旋葉片和刀片在高度平面上的不對稱性，和作業(yè)時使土壤耕深不均勻的參數(shù)存在差異、約束作用不一，導(dǎo)致刀具激振力力幅增大，是造成粉壟刀具作業(yè)時振動大的原因。新設(shè)計的雙螺旋粉壟刀具作業(yè)時，切土阻力和扭矩變化小，其力幅和力矩幅較原粉壟耕作刀具減小幅度較多，能有效減小粉壟刀具作業(yè)的振動。

3 結(jié)語

上述的研究表明，目前國內(nèi)粉壟技術(shù)主要以廣西甘蔗地粉壟耕作相關(guān)農(nóng)學(xué)的試驗研究為主，從甘蔗品種和耕作方式對甘蔗的生長情況、甘蔗產(chǎn)量、蔗地土壤特性進(jìn)行分析對比。采用粉壟耕作的甘蔗種植相較于傳統(tǒng)常規(guī)拖拉機旋耕耕作，甘蔗單莖質(zhì)量增加，甘蔗產(chǎn)量及品質(zhì)有明顯提高；同時，粉壟耕作相對常規(guī)機耕，對甘蔗地土壤能實現(xiàn)深耕深松，不破壞土壤層的保肥蓄水能力，增加甘蔗根系生物量和產(chǎn)量，提高甘蔗品質(zhì)。

現(xiàn)階段甘蔗地粉壟機械的研究較少，韋本輝發(fā)明了首臺粉壟機，國內(nèi)的粉壟機械研究主要集中在廣西本地農(nóng)機制造企業(yè)及大學(xué)等研發(fā)單位，而廣西甘蔗地主要為黏壤土，粉壟機在甘蔗地作業(yè)耕作阻力大，前進(jìn)速度低，功耗大，表層土塊大，振動大，刀具磨損嚴(yán)重，一次粉壟含蔗蔸的蔗地根土破碎度低。嚴(yán)重影響了粉壟機在廣西甘蔗地的大范圍推廣應(yīng)用。研究適合廣西甘蔗地作業(yè)的粉壟耕作機械是未來廣西甘蔗地粉壟研究的重點。