南方雙季稻區(qū)保護性耕作裝備的田間試驗與效果

吳羅發(fā)，王康軍，陳立才，董獻華，賴宏斐

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能農(nóng)機裝備工程研究中心，江西 南昌 330200；3.江西良田農(nóng)業(yè)機械有限公司，江西 余江 335200；4. 江西開放大學(xué)，江西 南昌 330046）

0 前言

水稻是我國種植面積最大、產(chǎn)量最多的糧食作物，對保障我國糧食安全和維護社會穩(wěn)定具有舉足輕重的戰(zhàn)略作用［1］。江西是農(nóng)業(yè)大省，水稻種植面積常年在333.33萬hm2以上，是我國典型的以種植雙季稻為主的農(nóng)業(yè)區(qū)［2］。全省地貌以丘陵山地為主，土壤主要為紅壤，一般黏性較大、易板結(jié)、較貧瘠，耕整環(huán)節(jié)機具功率消耗較大［3］?，F(xiàn)有的水稻耕整地以犁地和耙地等多工序作業(yè)為主，一般采用輪式拖拉機帶旋耕機或耕整機進行2~3次旋耕，再用圓輥進行平整作業(yè)，機械要進地3~4次，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細(xì)作的要求［4］。但在我國南方地區(qū)，由于土壤中的水分較多且相對松軟，農(nóng)機耕整地的過程中，表層土壤容易下陷，破壞了原有土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了土壤退化問題［5］。引進大功率輪式拖拉機耕田，雖然效率較高，但容易深陷硬泥層下，嚴(yán)重破壞了耕作層的土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致“犁底層”不平，影響機插質(zhì)量，造成漏水漏肥，最終影響秧苗生長和水稻產(chǎn)量［6-11］。作物秸稈含有大量的有機質(zhì)、氮磷鉀和微量元素，秸稈直接還田是改善土壤結(jié)構(gòu)最直接、最快速的有效手段［12］，能夠有效改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，減少化肥用量，提高后續(xù)作物的生長質(zhì)量［13-15］。在南方雙季稻區(qū)，水稻秸稈機械還田作業(yè)主要分為秸稈粉碎拋撒、犁翻、旋耕等多道工序，在“雙搶”季節(jié)，存在水稻秸稈量大、留茬高等問題；利用現(xiàn)有的秸稈還田裝備時，需要浸泡幾天，不同機組多次進地作業(yè)［16］，導(dǎo)致作業(yè)效率較低，秸稈還田效果不理想［17-19］。這種作業(yè)模式不僅增加了作業(yè)成本，同時造成土壤多次被碾壓，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤水蝕、礦質(zhì)流失等問題［20-26］。因此，亟待研究適用于南方雙季稻區(qū)保護性耕地、翻田、秸稈粉碎及還田一次性作業(yè)的機械裝備和技術(shù)，進而實現(xiàn)水田生產(chǎn)節(jié)本省工、增強地力，減少環(huán)境污染，促進水田作業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對改善生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實意義。

為實現(xiàn)南方雙季稻區(qū)保護性及可持續(xù)耕作要求，根據(jù)南方丘陵雙季稻區(qū)水田土壤類型和耕作制度，本文開展了“雙季稻水田動力機械（履帶自走式拖拉機）+秸稈還田機械（秸稈埋茬起漿機）”的田間試驗，以及適宜南方雙季稻區(qū)水田保護性耕作關(guān)鍵技術(shù)研究，為加快南方丘陵雙季稻區(qū)水稻機械化生產(chǎn)提供裝備和技術(shù)支撐，實現(xiàn)農(nóng)機與農(nóng)藝的有效融合。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

雙季稻新型耕作裝備田間試驗于2020年7月22日在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高安試驗基地進行，供試水稻品種均為原谷珍香，播種日期為6月29日，播種量統(tǒng)一，插秧日期為7月25日，用井關(guān)乘坐式高速插秧機栽插，田間管理統(tǒng)一，收獲日期為11月16日。試驗分2組，不設(shè)重復(fù)。

試驗一：采用自行研制的“履帶式旋耕機+秸稈埋茬起漿機”，在不同留茬高度田間進行作業(yè)性能對比試驗。試驗設(shè)置3個留茬高度和2種作業(yè)次數(shù)，留茬高度（H）分別為150 mm（H1）、300 mm（H2）和450 mm（H3），耕 作 次 數(shù)（N）為1次（N1）和2次（N2）組合的6個處理為：（1）留茬高度150 mm，作業(yè)1次（H1N1）；（2）留茬高度300 mm，作業(yè)1次（H2N1）；（3）留茬高度450 mm，作業(yè)1次（H3N1）；（4）留茬高度150 mm，作業(yè)2次（H1N2）；（5）留茬高度300 mm，作業(yè)2次（H2N2）；（6）留茬高度450 mm，作業(yè)2次（H3N2）。配套動力為良田1GZL-220自走履帶式旋耕機的拖拉機。試驗田面積0.4 hm2，將田塊平均分為6個小區(qū)，每個小區(qū)面積666.67 m2；測試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯(lián)合收割機進行收割，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業(yè)前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

試驗二：采用自行研制的履帶式旋耕機、秸稈埋茬起漿機，與普通輪式拖拉機、旋耕機搭配組合進行田間作業(yè)性能的對比試驗。該試驗共設(shè)置3個處理，分別為“沃得奧龍WD704F輪式拖拉機+1GZL-220型旋耕機”（B1）、自行研制的“履帶式拖拉機+1GZL-220型旋耕機”（B2）、自行研制的“履帶式拖拉機+自行研制的秸稈還田起漿機”（B3）。耕作次數(shù)為2次。試驗田面積0.2 hm2，將田塊平均分為3個小區(qū)，每個小區(qū)面積666.67 m2；測試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯(lián)合收割機進行收割，平均留茬高度為15 cm，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業(yè)前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

1.2 測定性能指標(biāo)及方法

1.2.1 耕作效果 對比試驗進行水稻秸稈還田旋耕作業(yè)時，主要測試耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地表平整度和植被覆蓋率等性能指標(biāo)。測定方法和要求參照國家標(biāo)準(zhǔn)DG/T 005—2019《旋耕機》、DG/T 088—2019《自走履帶旋耕機》和GB/T 24685—2009《水田平地攪漿機》等，相同的作業(yè)性能指標(biāo)如若判定標(biāo)準(zhǔn)不一致，則以3個標(biāo)準(zhǔn)中要求最高標(biāo)準(zhǔn)為判定依據(jù)，即耕深≥120 mm、耕深穩(wěn)定性≥85%、壓茬深度≥50 mm、地表平整度≤50 mm以及植被覆蓋率≥80%。

（1）耕深與耕深穩(wěn)定性。作業(yè)深度采用直尺進行測定。測定時，沿機組前進方向在已作業(yè)范圍內(nèi)測定，每隔2 m測1個點，測定2壟，每壟各測11個點，計算平均值，按照公式（1）~公式（4）進行計算。

（2）壓茬深度。作業(yè)后，在測區(qū)范圍內(nèi)測定2個行程，每個行程測11個點，測量泥漿表面與壓入泥漿中留茬（壓入泥漿的留茬不少于全長的2/3）的垂直距離，即為壓茬深度。

（3）地表平整度。作業(yè)后，在作業(yè)區(qū)內(nèi)測定2個行程，每個行程測定11個點，測量作業(yè)后的地表與水平基準(zhǔn)面的垂直距離，計算作業(yè)后的泥漿表面與水平基準(zhǔn)面的垂直距離平均值，按照公式（5）~公式（6）計算打漿后地表平整度。

（4）植被覆蓋合格率。水稻秸稈植被覆蓋合格率的測試：機型旋耕作業(yè)2遍后，在作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)隨機選取7個測試點，每個測試點取1 m2的面積，對地表以上的水稻秸稈、根茬和植被質(zhì)量及地表以下作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量進行分別測定，按照公式（7）進行計算。

式（7）中：Fb為植被覆蓋合格率（%）；Wq為地表以下作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量（g）；Wh為地表以上作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量（g）。

1.2.2 機插適應(yīng)性分析 機具耕作后，開展機插秧適應(yīng)性分析，采用對角線取樣法選取5個測區(qū)，測區(qū)距田邊大于一個工作幅寬。在5個測區(qū)內(nèi)，測定栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等指標(biāo)。每個測區(qū)在全幅寬內(nèi)各測100穴；測定漏插穴數(shù)和翻倒穴數(shù)時，每個測區(qū)各測200穴。按公式（8）~公式（10）計算各項指標(biāo)。

（1）栽插深度。在5個測區(qū)附近各測10穴秧苗。以田泥面為基準(zhǔn)，量至秧塊表面，判定為栽插深度。

（2）漏插率。公式為：

式（8）中：Rl為漏插率；Xl為漏插穴數(shù)總和（穴）；X為測定總穴數(shù)（穴）。

（3）漂秧率。公式為：

式（9）中：Rp為漂秧率；Zp為漂秧株數(shù)總和（株）。

（4）傷秧率。公式為：

式（10）中：Rs為傷秧率；Zs為傷秧株數(shù)總和（株）；Z為測定總株數(shù)（株）。

1.2.3 產(chǎn)量與產(chǎn)量結(jié)構(gòu) 于成熟期隨機測定每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重等指標(biāo)，采用五點取樣法進行測產(chǎn)，測定每個處理的產(chǎn)量構(gòu)成和增產(chǎn)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作效果分析

表1為采用自行研制的“履帶式旋耕機+秸稈埋茬起漿機”在不同留茬高度的田間進行作業(yè)性能對比試驗的結(jié)果。由表1可以看出，研制的南方水田秸稈埋茬起漿機能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項作業(yè)工序，除了當(dāng)留茬高度450 mm、作業(yè)次數(shù)為1次時，壓茬深度為49.5 mm，略低于技術(shù)要求外，其余處理的耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率5個指標(biāo)均符合技術(shù)要求。當(dāng)耕作2次、最高留茬高度450 mm時，所有的指標(biāo)均顯著符合技術(shù)要求。當(dāng)留茬高度150 mm、耕作次數(shù)為2次時，各項指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理，其耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm和94.60%，較國家標(biāo)準(zhǔn)分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，顯著提升了耕作效果。

表1 不同留茬高度的田間作業(yè)性能檢測結(jié)果

表2為不同耕作機具作業(yè)的田間作業(yè)性能試驗結(jié)果。由表2可以看出，不同的耕作機具作業(yè)的性能指標(biāo)差異顯著，從B1到B3，各耕作指標(biāo)依次增加，經(jīng)B3處理的耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm、94.60%，顯著優(yōu)于另外2個處理，各項指標(biāo)較B1和B2分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%。

表2 不同耕作機具作業(yè)的田間作業(yè)性能檢測結(jié)果

2.2 機插適應(yīng)性分析

表3為不同留茬高度對機插秧效果的影響。隨著留茬高度的增加，栽插深度依次降低，漏插率和傷秧率逐漸升高，漂秧率差異不顯著。耕作次數(shù)同樣會影響插秧效果，耕作次數(shù)為2次的效果顯著優(yōu)于耕作1次的效果。當(dāng)耕作次數(shù)為1次時，傷秧率明顯增加，經(jīng)自行研制的“履帶式拖拉機+自行研制的秸稈埋茬起漿機”耕作，除了傷秧率不符合標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他指標(biāo)均符合要求。采用H1N2的效果最好，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優(yōu)于其他處理。

表3 不同留茬高度對機插秧效果的影響

由表4可以看出，不同的耕作機具作業(yè)對機插秧效果的影響除栽插深度外其他指標(biāo)的差異顯著，從B1到B3，漏插率、漂秧率和傷秧率依次降低，B3處理的栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率顯著優(yōu)于其他處理。

表4 不同耕作機具作業(yè)對機插秧效果的影響

2.3 留茬高度對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表5為不同留茬高度對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，隨著留茬高度的增加，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率依次降低，千粒重差異不顯著。耕作次數(shù)同樣會影響水稻的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，耕作2次的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著優(yōu)于耕作1次的，但千粒重和結(jié)實率差異不顯著。經(jīng)H1N2處理的效果最好，有效穗數(shù)達到409.85萬穗/hm2，穗粒數(shù)達到144.12粒，理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量分別達到10186.21 kg/hm2和7115.55 kg/hm2，增產(chǎn)效果顯著。

表5 不同留茬高度對水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

表6為不同耕作機具作業(yè)對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，從B1到B3，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量依次升高，經(jīng)B3處理的效果顯著優(yōu)于其他處理，但千粒重和結(jié)實率差異不顯著。

表6 不同耕作機具作業(yè)對水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

表7為不同耕作機具作業(yè)實際產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)比較。從表7中可以看出，B3處理的增產(chǎn)效果顯著，較B1和B2分別平均增產(chǎn)了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產(chǎn)率分別為9.63%和4.57%。

表7 不同耕作機具作業(yè)的增產(chǎn)效應(yīng)比較

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

田間性能試驗結(jié)果表明，南方水田高留茬秸稈埋茬起漿機能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項作業(yè)工序，其作業(yè)深度、作業(yè)深度穩(wěn)定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等均符合設(shè)計要求。當(dāng)作業(yè)次數(shù)為1次時，作業(yè)性能基本符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求；當(dāng)作業(yè)次數(shù)為2次時，各項技術(shù)指標(biāo)均完全達到設(shè)計要求和符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，較國家標(biāo)準(zhǔn)分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，作業(yè)過程平穩(wěn)，旋耕整地、地表平整質(zhì)量好，秸稈埋覆還田效果好。南方水田經(jīng)高留茬秸稈埋茬起漿機作業(yè)后，機插質(zhì)量好，當(dāng)耕作次數(shù)為1次時，除了傷秧率不符合標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他指標(biāo)均符合要求；當(dāng)耕作次數(shù)為2次時，各機插性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優(yōu)于其他處理。

3.2 討論

不同耕作機具田間作業(yè)性能試驗結(jié)果表明，采用自行研制的“履帶自走式拖拉機+水田秸稈埋茬起漿機”具有顯著效果，與“輪式拖拉機+普通旋耕機”、自行研制的“履帶式拖拉機+普通旋耕機”相比，其作業(yè)深度、耕深穩(wěn)定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等耕作性能指標(biāo)分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%；栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等機插秧指標(biāo)均顯著優(yōu)于其他處理；大田試驗增產(chǎn)效果顯著，分別平均增產(chǎn)了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產(chǎn)率分別為9.63%和4.57%。較傳統(tǒng)的耕作機具，自行研制的“履帶自走式拖拉機+秸稈埋茬起漿機”效果顯著，適宜在南方雙季稻區(qū)推廣應(yīng)用。