耕作部件對(duì)帶狀旋耕耕作質(zhì)量的影響研究*

楊艷山，吳凡，趙亞平，胡志超，顧峰瑋，丁啟朔

(1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215000； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210031；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京市，210031)

0 引言

稻麥輪作是亞洲農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)種植制度之一，種植面積高達(dá)24 000 khm2[1-2]，屬于典型的、高強(qiáng)度土地利用制度。在干濕交換的過程里，水稻土的結(jié)構(gòu)、土壤有機(jī)物含量以及肥力都受到很大的破壞，導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)致密、難耕難種。為了提高了稻麥輪作系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力，保證糧食安全，稻茬田免耕播種技術(shù)越來越受到重視[3-4]。帶狀旋耕式免耕播種機(jī)以其良好的開溝碎土性能得到了大量的推廣與應(yīng)用，并且在實(shí)踐中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。

帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的耕作質(zhì)量直接影響種-土接觸、種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)和土壤保墑[8-9]。帶狀耕作的質(zhì)量受機(jī)具形狀、刀軸轉(zhuǎn)速和土壤性質(zhì)等多方面因素的影響,評(píng)價(jià)指標(biāo)包括土壤破碎度、土壤回填率、種溝形狀等[10]。Matin等[11]研究表明旋耕刀彎曲部分尺寸直接影響土壤的回填效果，在沙壤土條件下，縮短刀具彎曲部分能夠有效地增加回填率。楊艷山等[2]通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，耕作部件形狀直接影響刀具的拋土特性，進(jìn)而影響土壤破碎體的回填效果。Braunack等[12]認(rèn)為土壤破碎體粒徑越小越有利于小麥的耕種，對(duì)于沙壤土理想的土壤破碎顆粒直徑在1～2 mm的范圍。Hossain等[13]研究發(fā)現(xiàn)種床邊界形狀對(duì)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)以及土壤的保墑具有顯著影響，規(guī)則的種床形狀更加有利于作物的生長(zhǎng)。鑒于水稻田的土壤物性和復(fù)雜性，以往的研究不能完全反映帶狀旋耕機(jī)械在稻茬田的實(shí)際性能。據(jù)此，本文針對(duì)水稻土進(jìn)行帶狀旋耕試驗(yàn)研究，從土壤回填率、破碎效果等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，旨在找出原位水稻土條件下耕作部件對(duì)帶狀旋耕耕作的效果影響，為耕作部件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論參考，促進(jìn)帶狀旋耕式免耕播種機(jī)的改進(jìn)，推動(dòng)其在稻麥輪作的使用和推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及耕作處理

本研究進(jìn)行了兩年的重復(fù)試驗(yàn)，地點(diǎn)位于蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院東山試驗(yàn)田，試驗(yàn)時(shí)間分別為2020年10月30日和2021年11月6日。此試驗(yàn)田一直用于稻麥輪作，土壤屬于粘性水稻土，砂粒、壤粒、黏粒分別為22.52%、38.61%、34.13%，液限 49.13%，塑限23.12%。

本文研究了鑿型旋耕刀、直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀在刀軸轉(zhuǎn)速為280 r/min、380 r/min和510 r/min下的耕作性能。采用4把旋耕刀作為帶狀耕作部件，種床深度為5 cm，種床寬度為6～9 cm，刀具形狀及排列方法如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)束后自然風(fēng)干24 h，以便對(duì)種床形狀的測(cè)量及土壤破碎體取樣。

(a) IT225型旋耕刀

(b) 直刃旋耕刀

(c) 鑿型旋耕刀

1.2 種床截面的測(cè)量

隨機(jī)選取1 m長(zhǎng)的耕作區(qū)域作為測(cè)試區(qū)域，將種床的內(nèi)外兩側(cè)的土壤用毛刷輕輕清理掉，測(cè)試時(shí)，首先目測(cè)確定種床的最大擾動(dòng)位置，再經(jīng)微地貌測(cè)試儀對(duì)該位置前后2 cm以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行4次測(cè)量，每次測(cè)量間隔1 cm，每個(gè)測(cè)試區(qū)域選取三個(gè)較大的擾動(dòng)截面進(jìn)行測(cè)試(圖2)。記錄探針位置，讀出測(cè)試儀上的標(biāo)尺讀數(shù)，繪制最大擾動(dòng)截面。

圖2 微地貌測(cè)量?jī)x

1.3 種床截面擾動(dòng)率

種床截面圖如圖3所示。

圖3 種床截面

根據(jù)繪制的擾動(dòng)截面曲線圖，采用MATLAB軟件對(duì)截面面積進(jìn)行計(jì)算，得出實(shí)際截面面積S1和理想截面面積S0，從而計(jì)算出種床截面擾動(dòng)率P，P值越大說明刀具控制種床形狀的能力越弱，不利于理想種床的形成。具體計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：P——種床截面擾動(dòng)率；

S1——實(shí)際截面面積，mm2；

S0——理想截面面積，mm2。

1.4 土壤破碎度

隨機(jī)抽取1 m長(zhǎng)度的耕作區(qū)作為測(cè)試區(qū)域，利用小毛刷輕輕地把種床邊界外的土壤破碎體去除，再輕輕地取出存留在溝內(nèi)的全部土壤破碎體，并用毛刷將種床邊界清理干凈[10]。

采用平均土塊徑(MWD)為指標(biāo)來對(duì)比評(píng)價(jià)3種旋耕刀的土壤破碎能力，為保證試驗(yàn)真實(shí)性，上述試驗(yàn)需要進(jìn)行3次重復(fù)操作。風(fēng)干待測(cè)土樣，然后逐一取出土壤破碎體，再經(jīng)直徑不同的組合篩完成土壤破碎顆粒的篩分，統(tǒng)計(jì)7個(gè)尺度區(qū)間(<2 mm，2～4 mm，4～8 mm，8～16 mm，16～32 mm，32～64 mm，>64 mm)的土壤破碎顆粒質(zhì)量，記作Mi，再計(jì)算所有樣土的總質(zhì)量，記作Mt，用Mi除以Mt得到土壤破碎顆粒的比質(zhì)量分布，計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：Mi——該測(cè)量區(qū)間的土壤破碎顆粒的質(zhì)量，kg；

Mt——所有樣土的質(zhì)量綜合，kg；

PMSDi——在第i個(gè)測(cè)量區(qū)，土壤破碎體和樣土總質(zhì)量的比值。

平均土塊徑經(jīng)式(3)計(jì)算，其數(shù)值越小，表示該刀具對(duì)土壤的破碎能力越強(qiáng)。

MWD=∑iRi×PMSDi

(3)

式中：MWD——平均土塊徑，mm；

Ri——在第i級(jí)范圍，利用此區(qū)間的最大值和最小值計(jì)算平均，mm。

1.5 土壤回填率

計(jì)算回填率的方法，即測(cè)量擾動(dòng)土壤的總質(zhì)量和種床內(nèi)的土壤破碎顆粒的總質(zhì)量，前者與后者的比值即為回填率[14]。提高種床里面的土壤破碎顆粒的質(zhì)量，可以提高回填率；越有助于種子的發(fā)芽、生長(zhǎng)。使用厚度小于0.2 mm的塑料薄膜，將其輕輕覆在已經(jīng)處理干凈的待測(cè)區(qū)域，選用直徑低于1 mm，密度為1.28 kg/m3標(biāo)準(zhǔn)砂均勻地撒在薄膜上，達(dá)到和待測(cè)區(qū)域高度一致即可。取出標(biāo)準(zhǔn)砂，稱量它的質(zhì)量Ms，利用密度公式，代入公式得到種床的體積

(4)

式中：V——實(shí)驗(yàn)區(qū)域的種床體積，m3；

Ms——實(shí)驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量，kg；

ρs——標(biāo)準(zhǔn)砂密度，kg/m3。

利用體積V，計(jì)算回填率

(5)

式中：Fb——回填率，%；

W——實(shí)驗(yàn)區(qū)域的土體破碎顆粒的干重，kg；

ρw——土壤容重，kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 種床形狀及截面擾動(dòng)率

如圖4和圖5所示，鑿型旋耕刀對(duì)土壤的擾動(dòng)率最大，在280 r/min的刀軸轉(zhuǎn)速下，其對(duì)種床的截面擾動(dòng)率達(dá)到19.51%，并且對(duì)種床邊界控制能力最低。直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀可以形成較為理想的種床截面，二者對(duì)種床截面的擾動(dòng)率都控制在10%以內(nèi)。刀軸轉(zhuǎn)速的增加有助于形成理想種床截面，刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)，三種刀具形成的種床截面整齊度都有較大的改善。

2.2 土壤破碎度

由圖6可知，刀軸轉(zhuǎn)速是影響土壤破碎度的關(guān)鍵因素，刀軸轉(zhuǎn)速越高，形成的土壤破碎體的平均土塊徑越小[15]。對(duì)比3種旋耕刀，直刃旋耕刀形成的土壤破碎體粒徑顯著高于另外兩種刀具，在刀軸轉(zhuǎn)速是510 r/min 時(shí)，形成的平均土塊徑仍高達(dá)35 mm，無法滿足播種的需要。對(duì)于其他兩種刀具，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其形成的平均土塊徑?jīng)]有顯著差異。這與Matin[16]和Chertkiattipol[17]的研究結(jié)果一致。

2.3 土壤回填率

如圖7所示，刀軸轉(zhuǎn)速的提高會(huì)降低土壤破碎體的回填率。隨著刀軸轉(zhuǎn)速的提高，IT225旋耕刀形成的回填效果顯著降低，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)回填率僅有5%。直刃旋耕刀產(chǎn)生的土壤回填效果最好，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時(shí)仍能達(dá)到50%。刀軸轉(zhuǎn)速的變化對(duì)鑿型旋耕刀影響較小，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速為280 r/min和510 r/min時(shí)，回填率相差不到10%。

3 討論

在耕作的過程中，土壤破碎顆粒的大小、數(shù)量主要取決于刀軸的速度[18]。在切土階段，提高刀軸的轉(zhuǎn)速，可以讓土塊尺寸變小，增加拋出的土壤破碎顆粒的動(dòng)能，當(dāng)土壤破碎顆粒與擋板碰撞時(shí)，加大二次破碎的劇烈程度[19]。因此，刀軸轉(zhuǎn)速的提高，可以提高土壤破碎的能力。直刃旋耕刀由于沒有正切刃，無法將土壤拋出形成二次破碎，所以無法產(chǎn)生細(xì)碎的土壤破碎體(圖6)。直刃旋耕刀不具有拋特性[11]，因此產(chǎn)生的土壤回填率顯著高于其他兩種刀具，但種床內(nèi)土壤破碎體的平均土塊徑過大(>30 mm)。據(jù)此，由直刃旋耕刀形成的種床環(huán)境無法適應(yīng)播種需要，不宜作為小麥帶狀耕作播種機(jī)的耕作部件。

(a) IT225型旋耕刀

(b) 直刃旋耕刀

(c) 鑿型旋耕刀

圖5 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對(duì)種床截面擾動(dòng)率的影響

圖6 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對(duì)平均土塊徑的影響

圖7 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對(duì)回填率的影響

在土壤破碎過程中，IT225型刀具連續(xù)對(duì)種床的內(nèi)壁完成擠壓、切削的動(dòng)作，其基本不受刀軸轉(zhuǎn)速的影響，可以保證內(nèi)壁截面整齊(圖4和圖5)。

IT225型旋耕刀的橫切刃較大，拋土現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的回填效果顯著低于其他刀具(圖7)。鑿型旋耕刀同樣具有拋土特性，但其產(chǎn)生的側(cè)拋率小于IT225型旋耕刀，因此產(chǎn)生的土壤回填效果相對(duì)較好。鑿型旋耕刀形成的破碎過程是由土壤拉伸失效產(chǎn)生的。鑒于拉伸失效裂紋的不可控性[20]，在耕作過程中，鑿型旋耕刀形成的種床內(nèi)壁不整齊且不容易控制(圖4)，此時(shí)的擾動(dòng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他刀具(圖5)。

提高刀軸的轉(zhuǎn)速，可以降低切土的節(jié)距，在耕作過程中可以降低對(duì)土壤體積的影響。據(jù)此，將刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為510 r/min時(shí)，鑿型旋耕刀可以得到較好的種床截面，截面的整齊度有所改善，但其效果仍低于另外兩種刀具的。

耕作過程要滿足適于種子發(fā)芽、作物生長(zhǎng)的需求，以便種子得到適宜的空氣和水分，因此需要得到良好的種床環(huán)境。帶狀旋耕的方式下，需要產(chǎn)生足夠多的土壤破碎顆粒，較小的土壤擾動(dòng)面積以及種床截面整齊的環(huán)境，據(jù)此，耕作刀具應(yīng)該同時(shí)考慮直刃旋耕刀和鑿型旋耕刀的優(yōu)勢(shì)，既可以在種床內(nèi)產(chǎn)生足量的土壤破碎顆粒，也可以得到良好的種床截面。

4 結(jié)論

1) 耕作部件形狀是影響土壤回填效果的關(guān)鍵因素，直刃旋耕刀沒有正切刃，沒有拋土能力，當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速是510 r/min時(shí)，其形成的回填率可達(dá)到50%左右；IT225型旋耕刀的正切刃大于鑿型刀，其形成的回填率顯著大于IT225型旋耕刀。

2) 刀軸轉(zhuǎn)速的大小直接影響土壤的回填效果和破碎能力。提高刀軸的轉(zhuǎn)速，會(huì)導(dǎo)致拋土問題嚴(yán)重，土壤回填效果明顯降低，但對(duì)土壤的破碎效果提高。當(dāng)?shù)遁S的轉(zhuǎn)速大于280 r/min時(shí)，IT225旋耕刀對(duì)土壤的破碎能力較強(qiáng)，但是回填效果一般，形成的種床環(huán)境無法使種子和土壤形成良好的接觸。

3) 本研究為帶狀旋耕耕作部件優(yōu)化指明了方向，即兼顧直刃旋耕刀和鑿型旋耕刀的特點(diǎn)，將兩種或幾種刀具進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以滿足不同土壤條件下帶狀旋耕播種的需求。