基于響應(yīng)面法的棉稈粉碎還田試驗(yàn)*

李明剛，楊會清

(濱州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,山東濱州,256600)

0 引言

棉花作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物、戰(zhàn)略物資和紡織工業(yè)原料,2020年種植面積為3 169.9 khm2[1]。棉稈作為棉花種植的主要副產(chǎn)物,其綜合利用不僅可以給農(nóng)民帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益,還可以帶來巨大的社會和生態(tài)效益[2-5]。目前,棉稈粉碎還田是最主要的利用方式。研究顯示,棉稈中富含氮、磷、鉀和微量元素,將棉稈作為秸稈肥進(jìn)行粉碎后還田不僅可以減少化學(xué)肥料的使用,提高土壤有機(jī)質(zhì),改善土壤理化性質(zhì)[6-7];還可以顯著提高棉花總鈴數(shù)、單鈴重和產(chǎn)量,在一定程度上提高棉花品質(zhì)[8-9]。

棉稈主要使用粉碎還田機(jī)進(jìn)行粉碎還田作業(yè)。目前,棉稈粉碎還田機(jī)主要分為臥式和立式兩種,臥式粉碎還田機(jī)由于秸稈粉碎效果更好,成為棉稈粉碎還田的常用機(jī)型。近年來,新疆高校、科研院所、山東科研院所等研制的側(cè)拋式棉花秸稈粉碎還田機(jī)、二次拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)、4JSM-2000型棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)、平作區(qū)棉稈粉碎與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)等機(jī)型均為臥式粉碎還田機(jī),以上機(jī)型均進(jìn)行了田間試驗(yàn),得出了該機(jī)型的工作參數(shù)[10-12]。但是,由于缺乏棉稈粉碎還田理論的研究與分析,棉稈粉碎還田裝備主要采用玉米等粉碎還田裝備進(jìn)行改造或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,導(dǎo)致棉稈粉碎還田效果差、相關(guān)裝備可靠性差等。

為解決以上問題,本文采用設(shè)計(jì)的棉稈粉碎還田機(jī),進(jìn)行了棉稈粉碎還田單因素和Box-Behnken試驗(yàn),建立了粉碎輥轉(zhuǎn)速、甩刀離地高度、機(jī)具前進(jìn)速度(試驗(yàn)因素)與棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度、留茬平均高度(試驗(yàn)性能指標(biāo))之間的回歸方程,確定各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響規(guī)律,并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得出棉稈粉碎還田的最優(yōu)參數(shù)組合,以期提高棉稈的粉碎還田效果,為棉稈粉碎還田裝備的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 棉稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 棉稈粉碎還田機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的棉稈粉碎還田機(jī)為臥式粉碎還田機(jī),包括粉碎輥、機(jī)架、限深輥、懸掛架、變速箱、甩刀等(圖1)。

(a) 棉稈粉碎還田機(jī)

(b) 粉碎輥

其中,粉碎輥為棉稈粉碎還田機(jī)的主要工作部件,為使粉碎輥具有較高的粉碎質(zhì)量,機(jī)具在工作時(shí)有較好的動平衡性、穩(wěn)定性且不易發(fā)生堵塞,甩刀在粉碎輥上呈雙螺旋對稱排列[13];為保證粉碎輥具有較高的粉碎效率,且避免甩刀被棉稈纏繞,甩刀采用Y型組合式,排列密度約為0.028片/mm[14],如圖1(b)所示。

1.2 棉稈粉碎還田機(jī)工作原理

棉稈粉碎還田機(jī)的工作原理是機(jī)具工作時(shí)通過懸掛架與拖拉機(jī)進(jìn)行掛接,拖拉機(jī)后輸出軸動力通過變速箱傳遞給粉碎輥,使粉碎輥高速旋轉(zhuǎn),Y型組合式甩刀隨著粉碎輥進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動,在拖拉機(jī)前進(jìn)的同時(shí),在粉碎輥高速旋轉(zhuǎn)形成的負(fù)壓、棉稈慣性力、機(jī)架形成的密閉空間和與甩刀配合的定刀的綜合作用下,進(jìn)入機(jī)具的棉稈經(jīng)過多次砍切、撞擊、揉搓后被粉碎,隨后在重力和離心力的作用下均勻地落在田間。

棉稈粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 棉稈粉碎還田機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main parameters of cotton stalk chopping and returning machine

2 棉稈粉碎還田試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在山東省濱州市楊柳雪鎮(zhèn),試驗(yàn)時(shí)間為2020年11月,棉花品種為魯棉338,種植模式為760 mm等行距,種植密度為90 000～120 000株/hm2,棉稈平均高度為875 mm,平均直徑為14.5 mm,平均含水率為47.6%,配套拖拉機(jī)為福田雷沃歐豹820。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)農(nóng)作物秸稈粉碎還田影響因素及作業(yè)質(zhì)量要求[15],本文選取粉碎輥轉(zhuǎn)速、甩刀離地高度、機(jī)具前進(jìn)速度作為試驗(yàn)因素,棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度、留茬平均高度作為試驗(yàn)性能指標(biāo)。

采用5點(diǎn)法進(jìn)行各試驗(yàn)性能的測定,即將試驗(yàn)區(qū)域?qū)蔷€中心點(diǎn)和對角線四分之一至八分之一長度范圍處的4個(gè)點(diǎn)作為測定點(diǎn),每個(gè)測定點(diǎn)隨機(jī)選取1 m2的統(tǒng)計(jì)區(qū)域進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。棉稈粉碎長度合格率和棉稈拋撒不均勻度的測定同時(shí)進(jìn)行,撿拾每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域粉碎棉稈的總質(zhì)量,從中挑選出粉碎長度不合格的棉稈進(jìn)行稱重,按式(1)進(jìn)行計(jì)算[16];測定每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有棉稈留茬高度并計(jì)算其平均值,最后將5個(gè)測定點(diǎn)的棉稈留茬高度平均值作為棉稈留茬平均高度。

(1)

式中:Mzi——第i個(gè)測定點(diǎn)粉碎棉稈總質(zhì)量,kg;

Mbi——第i個(gè)測定點(diǎn)粉碎長度不合格棉稈總質(zhì)量,kg;

M——試驗(yàn)區(qū)域粉碎棉稈質(zhì)量平均值,kg;

Y1——棉稈粉碎長度合格率,%;

Y2——棉稈拋撒不均勻度,%。

2.2.1 單因素試驗(yàn)方案

棉稈粉碎還田單因素試驗(yàn)因素和水平見表2。進(jìn)行粉碎輥轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)時(shí),甩刀離地高度為65 mm,機(jī)具前進(jìn)速度為1.6 m/s;進(jìn)行甩刀離地高度單因素試驗(yàn)時(shí),粉碎輥轉(zhuǎn)速為2 100 r/min,機(jī)具前進(jìn)速度為1.6 m/s;進(jìn)行機(jī)具前進(jìn)速度單因素試驗(yàn)時(shí),粉碎輥轉(zhuǎn)速為2 100 r/min,甩刀離地高度為65 mm。

表2 棉稈粉碎還田試驗(yàn)的試驗(yàn)因素與水平Tab. 2 Test factors and levels of cotton stalk chopping and returning to field test

試驗(yàn)時(shí),每組試驗(yàn)選取10個(gè)試驗(yàn)區(qū)域,重復(fù)進(jìn)行10次試驗(yàn),單獨(dú)統(tǒng)計(jì)10次試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[17],以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)方案

單因素試驗(yàn)只能說明單個(gè)試驗(yàn)因素對試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響關(guān)系與影響程度,并不能說明試驗(yàn)因素之間交互作用對試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響[18]。因此,在單因素試驗(yàn)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì),采用3因素3水平的響應(yīng)面法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,建立各試驗(yàn)因素和試驗(yàn)性能指標(biāo)之間的回歸方程,確定各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響規(guī)律,建立目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,最后對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得出棉稈粉碎還田的最優(yōu)參數(shù)組合。Box-Behnken試驗(yàn)的試驗(yàn)因素編碼見表3。

表3 Box-Behnken試驗(yàn)的試驗(yàn)因素編碼Tab. 3 Test factor code of Box-Behnken test

試驗(yàn)時(shí),每組試驗(yàn)選取10個(gè)試驗(yàn)區(qū)域,重復(fù)進(jìn)行10次試驗(yàn),單獨(dú)統(tǒng)計(jì)10次試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù),將10次試驗(yàn)的平均值作為這組試驗(yàn)的最終試驗(yàn)數(shù)值。

3 棉稈粉碎還田試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式表示單因素試驗(yàn)中各試驗(yàn)性能指標(biāo)的結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Single factor test results

分析表4可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速與棉稈粉碎長度合格率的均值成正相關(guān),與棉稈拋撒不均勻度和留茬平均高度的均值呈反相關(guān),說明粉碎輥轉(zhuǎn)速越高,棉稈粉碎效果越好、拋撒越均勻、留茬高度越小。因此,粉碎輥轉(zhuǎn)速越高越有利于棉稈粉碎還田作業(yè)。

甩刀離地高度與棉稈拋撒不均勻度的均值呈反相關(guān),與留茬平均高度的均值呈正相關(guān),說明甩刀與地面之間的距離越大,粉碎后的棉稈拋撒越均勻,而留茬高度也越大;當(dāng)甩刀離地高度為45 mm時(shí),棉稈粉碎長度合格率最大,棉稈粉碎效果最好;當(dāng)甩刀離地高度為45 mm時(shí),留茬平均高度最小。因此,棉稈粉碎還田作業(yè)時(shí),必須選取一個(gè)合適甩刀離地高度,在保證棉稈粉碎效果盡可能好、拋撒盡可能均勻的同時(shí),留茬高度盡可能小。

機(jī)具前進(jìn)速度與棉稈粉碎長度合格率的均值呈反相關(guān),說明機(jī)具前進(jìn)速度越慢,棉稈粉碎效果越好;當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.30 m/s時(shí),棉稈拋撒不均勻度最小,即棉稈拋撒最均勻;當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為1.60 m/s時(shí),留茬平均高度最小。因此,棉稈粉碎還田作業(yè)時(shí),也必須選取一個(gè)合適的機(jī)具前進(jìn)速度,在保證棉稈粉碎效果盡可能好、拋撒盡可能均勻的同時(shí),留茬高度盡可能小。

3.1.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素統(tǒng)計(jì)分析,驗(yàn)證單個(gè)試驗(yàn)因素對每個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)是否具有影響及顯著性程度,分析結(jié)果見表5。

表5 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析Tab. 5 Analysis of single factor test results

從表5可看出,單個(gè)試驗(yàn)因素對每個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)均有影響且影響均顯著(P<0.05)。根據(jù)F值的大小可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速對每個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)?棉稈粉碎長度合格率>棉稈拋撒不均勻度>留茬平均高度;甩刀離地高度對每個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)?留茬平均高度>棉稈拋撒不均勻度>棉稈粉碎長度合格率;機(jī)具前進(jìn)速度對每個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)?棉稈粉碎長度合格率>棉稈拋撒不均勻度>留茬平均高度。

3.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)制定的響應(yīng)面法試驗(yàn)方案進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Response surface method test results

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果,采用二次線性回歸建立各試驗(yàn)性能指標(biāo)與各試驗(yàn)因素之間的關(guān)系模型并進(jìn)行方差分析,方差分析結(jié)果見表7～表9。根據(jù)方差分析中的失擬項(xiàng)、信噪比和相關(guān)系數(shù)R2等可判斷所建立的關(guān)系模型是否可用于預(yù)測相關(guān)試驗(yàn)性能指標(biāo),所預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度[19-20]。

表7 棉稈粉碎長度合格率的響應(yīng)面方差分析Tab. 7 Response surface variance analysis of qualified rate of cotton stalk chopping length

表8 預(yù)測最優(yōu)值和試驗(yàn)最優(yōu)值的對比Tab. 8 Comparison of predicted and test optimal value

表8 棉稈拋撒不均勻度的響應(yīng)面方差分析Tab. 8 Response surface variance analysis of spreading unevenness of cotton stalk

表9 留茬平均高度的響應(yīng)面方差分析Tab. 9 Response surface variance analysis of average height of stubble

通過表7～表9可知,建立的棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度和留茬平均高度的關(guān)系模型均是極顯著的(P<0.01);所建立各關(guān)系模型的失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05),信噪比均大于18,表明建立的關(guān)系模型是合理且較優(yōu)的,可用于預(yù)測相關(guān)試驗(yàn)性能指標(biāo);相關(guān)系數(shù)R2和調(diào)整后的R2均大于0.9,表明所建立關(guān)系模型的預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的擬合度。

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果繪制相應(yīng)的響應(yīng)面圖,響應(yīng)面圖表達(dá)了當(dāng)其他試驗(yàn)因素為0水平(機(jī)具前進(jìn)速度1.6 m/s、甩刀離地高度60 mm和粉碎輥轉(zhuǎn)速2 000 r/min)時(shí),其他兩個(gè)試驗(yàn)因素的交互作用與試驗(yàn)性能指標(biāo)之間的關(guān)系。

1) 建立的試驗(yàn)因素與棉稈粉碎長度合格率之間的關(guān)系模型

Y1=90.07+2.30X1-0.51X2+0.65X3+

X1X2+0.75X1X3-1.50X2X3-

1.10X12+1.93X22+0.835 0X32

(2)

通過表7可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度(X1X2)、粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度(X1X3)的相互作用對棉稈粉碎長度合格率具有顯著影響(P<0.05),甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度(X2X3)的相互作用對棉稈粉碎長度合格率具有極顯著影響(P<0.01)。棉稈粉碎長度合格率與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面圖如圖2所示。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X3的交互作用

(c) X2與X3的交互作用

分析圖2可知,在交互試驗(yàn)因素的影響下,隨著粉碎輥轉(zhuǎn)速的增大,棉稈粉碎長度合格率先增大后減小,這與單因素分析時(shí)粉碎輥轉(zhuǎn)速與棉稈粉碎長度合格率的均值成正相關(guān)的結(jié)論不一致;隨著甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度的增大,棉稈粉碎長度合格率先減小再增大,這與單因素分析時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度與棉稈粉碎長度合格率的均值呈反相關(guān)的結(jié)論不一致。以上結(jié)論說明試驗(yàn)因素的交互作用對棉稈粉碎長度合格率有影響,與表7中的方差分析結(jié)果一致。

分析圖2(a)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度對棉稈粉碎長度合格率的響應(yīng)面呈凹陷狀,表明這兩者的交互作用對棉稈粉碎長度合格率的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于甩刀離地高度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對棉稈粉碎長度合格率的影響比甩刀離地高度大。

分析圖2(b)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈粉碎長度合格率的響應(yīng)面呈凹陷狀,表明這兩者的交互作用對棉稈粉碎長度合格率的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于機(jī)具前進(jìn)速度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對棉稈粉碎長度合格率的影響比機(jī)具前進(jìn)速度大。

分析圖2(c)可知,甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈粉碎長度合格率的響應(yīng)面呈凹陷狀,表明這兩者的交互作用對棉稈粉碎長度合格率的影響較強(qiáng);機(jī)具前進(jìn)速度的曲面相對于甩刀離地高度的曲面較陡,表明在交互作用下,機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈粉碎長度合格率的影響比甩刀離地高度大[21-22]。

2) 建立的試驗(yàn)因素與棉稈拋撒不均勻度的關(guān)系模型

Y2=13.41-2.41X1-0.45X2-0.57X3+

0.67X1X2+1.50X1X3-0.84X2X3+

0.96X12-0.61X22+1.03X32

(3)

通過表8可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度(X1X2)、甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度(X2X3)的相互作用對棉稈拋撒不均勻度具有顯著影響(P<0.05),粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度(X1X3)的相互作用對棉稈拋撒不均勻度具有極顯著影響(P<0.01)。因此,繪制的棉稈拋撒不均勻度與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面圖如圖3所示。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X3的交互作用

(c) X2與X3的交互作用

分析圖3可知,在交互試驗(yàn)因素的影響下,隨著粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度的增大,棉稈拋撒不均勻度先減小后增大,這與單因素分析時(shí)粉碎輥轉(zhuǎn)速與棉稈拋撒不均勻度的均值呈反相關(guān)的結(jié)論不一致;隨著甩刀離地高度的增大,棉稈拋撒不均勻度先增大后減小,這與單因素分析時(shí)甩刀離地高度與棉稈拋撒不均勻度的均值呈反相關(guān)的結(jié)論不一致。以上結(jié)論說明試驗(yàn)因素的交互作用對棉稈拋撒不均勻度有影響,與表8中的方差分析結(jié)果一致。

分析圖3(a)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度對棉稈拋撒不均勻度的響應(yīng)面呈凹陷狀,表明這兩者的交互作用對棉稈拋撒不均勻度的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于甩刀離地高度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對棉稈拋撒不均勻度的影響比甩刀離地高度大。

分析圖3(b)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈拋撒不均勻度的響應(yīng)面呈馬鞍狀,表明這兩者的交互作用對棉稈拋撒不均勻度的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于機(jī)具前進(jìn)速度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對棉稈拋撒不均勻度的影響比機(jī)具前進(jìn)速度大。

分析圖3(c)可知,甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈拋撒不均勻度的響應(yīng)面呈馬鞍狀,表明這兩者的交互作用對棉稈拋撒不均勻度的影響較強(qiáng);機(jī)具前進(jìn)速度的曲面相對于甩刀離地高度的曲面較陡,表明在交互作用下,機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈拋撒不均勻度的影響比甩刀離地高度大。

3) 建立的試驗(yàn)因素與留茬平均高度之間的關(guān)系模型

Y3=47.18-4.93X1-2.58X2+1.67X3+

1.50X1X2-1.75X1X3-1.25X2X3+

2.97X12+1.11X22-2.75X32

(4)

根據(jù)表9可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度(X1X2)、甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度(X2X3)的相互作用對留茬平均高度具有顯著影響(P<0.05),粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度(X1X3)的相互作用對留茬平均高度具有極顯著影響(P<0.01)。因此,繪制的留茬平均高度與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面圖如圖4所示。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X3的交互作用

分析圖4可知,在交互試驗(yàn)因素的影響下,隨著粉碎輥轉(zhuǎn)速的增大,留茬平均高度先減小后增大,這與單因素分析時(shí)粉碎輥轉(zhuǎn)速與留茬平均高度的均值無明顯規(guī)律的結(jié)論不一致;隨著甩刀離地高度的增大,留茬平均高度也增大,這與當(dāng)因素分析時(shí)甩刀離地高度與留茬平均高度的均值呈正相關(guān)的結(jié)論一致;隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大,留茬平均高度先增大后減小,這與當(dāng)因素分析時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度與留茬平均高度的均值呈先減小后增大的結(jié)論不一致。以上結(jié)論說明試驗(yàn)因素的交互作用對留茬平均高度有影響,與表9中的方差分析結(jié)果一致。

x

分析圖4(a)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和甩刀離地高度對留茬平均高度的響應(yīng)面呈凹陷狀,表明這兩者的交互作用對留茬平均高度的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于甩刀離地高度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對留茬平均高度的影響比甩刀離地高度大。

分析圖4(b)可知,粉碎輥轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度對留茬平均高度的響應(yīng)面呈馬鞍狀,表明這兩者的交互作用對留茬平均高度的影響較強(qiáng);粉碎輥轉(zhuǎn)速的曲面相對于機(jī)具前進(jìn)速度的曲面較陡,表明在交互作用下,粉碎輥轉(zhuǎn)速對留茬平均高度的影響比機(jī)具前進(jìn)速度大。

分析圖4(c)可知,甩刀離地高度和機(jī)具前進(jìn)速度對留茬平均高度的響應(yīng)面呈馬鞍狀,表明這兩者的交互作用對留茬平均高度的影響較強(qiáng);甩刀離地高度的曲面相對于機(jī)具前進(jìn)速度的曲面較陡,表明在交互作用下,甩刀離地高度對留茬平均高度的影響比機(jī)具前進(jìn)速度大。

3.3 模型驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 模型驗(yàn)證

本文采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測數(shù)據(jù)之間的絕對誤差比驗(yàn)證所建立模型的可參考度,絕對誤差比

式中:φi——絕對誤差比,%;

ai——試驗(yàn)性能指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù);

Ai——試驗(yàn)性能指標(biāo)的模型預(yù)測數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測數(shù)據(jù)曲線對比圖如圖5所示。通過圖5可知,棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度和留茬平均高度的最大絕對誤差比分別為1.11%、7.88%和2.62%,均小于8%,在考慮范圍之內(nèi),表明各試驗(yàn)性能指標(biāo)的模型預(yù)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度比較高,所建立的模型可參考度高。

(a) 棉稈粉碎長度合格率

(b) 棉稈拋撒不均勻度

3.3.2 參數(shù)優(yōu)化

通過建立目標(biāo)函數(shù),利用Design-Expert軟件的目標(biāo)優(yōu)化法,得出最優(yōu)的試驗(yàn)因素和對應(yīng)的試驗(yàn)性能指標(biāo)值。

建立的目標(biāo)函數(shù)如下

(6)

根據(jù)建立的目標(biāo)函數(shù),得出各試驗(yàn)性能指標(biāo)的預(yù)測最優(yōu)值,然后根據(jù)預(yù)測最優(yōu)值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得到棉稈粉碎還田作業(yè)的試驗(yàn)最優(yōu)值(表8)。預(yù)測最優(yōu)值與試驗(yàn)最優(yōu)值的絕對誤差比均小于4.50%,在考慮的誤差范圍內(nèi),表明棉稈粉碎還田的最優(yōu)值為粉碎輥轉(zhuǎn)速為2 290 r/min,甩刀離地高度45 mm,機(jī)具前進(jìn)速度1.58 m/s,棉稈粉碎長度合格率95.13%,棉稈拋撒不均勻度12.16%,留茬平均高度42.13 mm。

4 結(jié)論

本文通過棉稈粉碎還田單因素和Box-Behnken試驗(yàn),采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中單因素方法和Design-Expert軟件中響應(yīng)面法分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù),優(yōu)化得出了棉稈粉碎還田的最優(yōu)值,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得出如下結(jié)論。

1) 通過單因素試驗(yàn)分析,粉碎輥轉(zhuǎn)速、甩刀離地高度、機(jī)具前進(jìn)速度對棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度和留茬平均高度之間均具有顯著影響。

2) 通過Box-Behnken試驗(yàn)分析,建立了粉碎輥轉(zhuǎn)速、甩刀離地高度、機(jī)具前進(jìn)速度與棉稈粉碎長度合格率、棉稈拋撒不均勻度和留茬平均高度之間的二次回歸方程,擬合程度均比較高,可用于預(yù)測相關(guān)數(shù)值。

3) 確定了棉稈粉碎還田作業(yè)的最優(yōu)值為粉碎輥轉(zhuǎn)速為2 290 r/min,甩刀離地高度45 mm,機(jī)具前進(jìn)速度1.58 m/s,棉稈粉碎長度合格率95.13%,棉稈拋撒不均勻度12.16%,留茬平均高度42.13 mm。