侯召龍，譚峰，孫雪成，才巧玲

（黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶 163319）

水稻種子接觸靜電對播種落地偏移量影響的試驗與研究

侯召龍，譚峰，孫雪成，才巧玲

（黑龍江八一農墾大學信息技術學院，大慶 163319）

在100 mm、150 mm、200 mm距地高度下，分別測量水稻種子在接觸靜電和未接觸靜電情況時，種子通過接觸式靜電試驗裝置后的落地偏移量。將三組對照試驗的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，試驗結果表明：水稻種子接觸帶電后，種子落地偏移量明顯減小；隨種子距地高度的不斷增加，種子落地偏移量也會變大；靜電電壓為17kV時，種子落地偏移量可比對照組平均減小5～9 mm。

竄穴；靜電；接觸；偏移量；距地高度

水稻是我國主要糧食作物之一[1]。它種植的各個環(huán)節(jié)都關系著水稻的產量，其中水稻播種是水稻種植中一個重要的環(huán)節(jié)，但在播種過程中常出現(xiàn)播種不均的現(xiàn)象，嚴重影響到水稻在農業(yè)生產中的產量。這種播種不均的現(xiàn)象主要是由于水稻種子從播種機落下到土床時被彈起，跳躍到其他空穴內[2]。然而近年來，高壓靜電處理種子在農業(yè)生產中的應用日益廣泛，如靜電選種、靜電促進植物生長等[3]。高壓靜電技術的應用原理是利用靜電現(xiàn)象使物質帶電，荷電物質在電場中受電場力作用而發(fā)生力學現(xiàn)象[4]。

依據(jù)電荷具有“同性相斥，異性相吸”的特性，筆者設計了三組不同距地高度的對照試驗，利用靜電發(fā)生器使育秧盤內土床局部帶有大量負電荷，而給水稻種子帶上正電荷，在水稻種子播種下落過程中將會受電場力作用而吸附在土床上，以此減小落地后種子彈跳的偏移量。故針對水稻種子播種不均這一現(xiàn)象，試驗統(tǒng)計分析了不同高度下，水稻播種落地偏移量的變化規(guī)律，而后對相同高度下水稻種子添加靜電后的效果進行了分析研究，為高壓靜電能夠減小水稻播種落地偏移量的理論提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用黑龍江八一農墾大學農學院提供的水稻種子（龍粳31）。先將水稻種子進行浸種催芽處理[5]。為了減少稻種個別差異影響各對照組的試驗結

果，待種子破胸階段完成后，盡量挑選出大小均勻、顆粒飽滿、芽長在1～2 mm的稻種作為試驗種子待用。

1.2 試驗裝置

試驗裝置主要由靜電發(fā)生器、高速攝像機、靜電板、調節(jié)支架和育秧盤等設備組成，如圖1所示。試驗采用接觸式添加靜電的方式，將高壓靜電發(fā)生器的正極端接在一塊長為120 mm，寬為80 mm的靜電板上，負極與育秧盤土床相連，育秧盤長為590 mm，寬為390 mm，高為27 mm；將靜電板以一定傾斜角θ固定在一個可調節(jié)高度的支架上，以便調節(jié)水稻種子從投落點到土面的落地高度H；在調節(jié)支架兩側各放一臺高速攝像機，正對著育秧盤土面。

圖1 接觸式靜電試驗裝置Fig.1Test apparatus of contacting static

1.2.1 靜電發(fā)生器

為了給水稻種子及秧盤土床添加靜電，試驗選用的靜電裝置為HR-JD-20K型高壓靜電發(fā)生器，其電路原理圖如圖2所示。該高壓發(fā)生器輸出電壓可達到20 kV（可調），輸出電流小于1 mA[6]。為了保證試驗的安全性，試驗用的高壓靜電發(fā)生器的輸出靜電電壓為17 kV。

圖2 高壓靜電發(fā)生器Fig.2High-voltage static generator

1.2.2 高速攝像機

“雖然對于倫理道德不曾說及，而那種偶像破壞的精神與力量卻是極大，給思想界開了一個透氣的孔，這可以算是第一個思想革命家。”〔10〕

由于種子著地瞬間，肉眼難于記下種子下落的初落點，故根據(jù)拍攝需要和現(xiàn)有實際條件，選用2臺高速攝像機對水稻種子與育秧盤土床表面發(fā)生觸碰后的運動軌跡進行拍攝。該攝像機型號為維視MVVD040SM/SC，采用幀曝光作為傳感器，圖像質量高，顏色還原性好，以USB2.0作為輸出，信號穩(wěn)定。

通過大量的試驗拍攝，將2臺攝像機互成∠90°夾角，拍攝頻率采用200幀·秒-1時，通過圖像處理軟件對錄像進行逐幀分析查找，能夠確定水稻種子下落到育秧盤內初落點的位置。

1.3 試驗方法

試驗于2014年春季，在黑龍江八一農墾大學信息技術學院實驗室內進行。不同類型播種機播種時，種子下落的距地高度各不相同，一般為100 mm左右[7]。為了更好地觀察種子接觸高壓靜電對落地偏移量影響的試驗效果，故試驗距地高度H分別選為100、150、200 mm。將準備好的試驗種子分成三組，每組種子在相同距地高度H下，通過接觸式靜電試驗裝置給種子不添加或添加靜電后落地，做對照試驗。

在相同距地高度H下，用絕緣夾子將每組種子以1粒為單位，分別從投落點自由落下，接觸靜電板后落在育秧盤土床內，利用分辨率為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺測量初落點到終落點的距離L。種子下落過程示意圖，如圖3所示。如果水稻種子在下落過程中，出現(xiàn)打在盤壁或是其他種子身上的狀況，則視為無效數(shù)據(jù)，不做記錄。每組對照試驗各采集50組有效數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)分析，研究接觸靜電對水稻種子播種落地偏移量的影響。

圖3 種子下落過程示意圖Fig.3Schematic diagram of seed falling

1.4 影響試驗主要因素

1.4.1 靜電板角度

靜電板角度是指靜電板與豎直支架夾角θ（見圖1）。種子打在靜電板斜面后，下落方向會發(fā)生改變。夾角θ太大，種子下落方向改變越大，加大試驗的非控制因素。為了使種子既能夠打在靜電板上，又盡量不會影響試驗結果，故靜電板角度與支架夾角θ固

1.4.2 打板前下落高度

打板前下落高度是指水稻種子在投落點下落到帶電點的高度h（如圖3所示）。高度h越大，種子打在靜電板斜面時的瞬時速度也就越大，那么產生的橫向偏移速度也就越大。為了減小種子下落的橫向偏移速度對試驗的影響，高度h應盡量小一些，故試驗將h控制在3～4 cm。

1.4.3 種子落地角度

種子落地角度不同，其偏移的方向和距離也會不同。由于落地瞬間種身與地面的角度無法控制，為了保證試驗的一致性，故采用絕緣夾將試驗種子豎直夾起，在投落點時都保證種身是尖頭朝下垂直于地面自由下落的。

2 結果與分析

在實際下落過程中，無法保證每粒種子都打在同一點上，為了更好地觀察落種分布，我們假定所有種子下落的初落點都在同一個點上，把它視為原點，將在不同高度下落時所得的50組對照試驗數(shù)據(jù)均勻分布在原點周圍，得到水稻種子落地后分布對比圖，如圖4所示（單位均為mm）。

圖4 稻種在不同高度落地分布對比圖Fig.4Contrast of rice distribution at different height

從圖4中可以看出，距地高度H=100 mm時，不接觸靜電的稻種落地偏移量范圍在80 mm以內，其中在40 mm以內的有33次，而種子接觸帶電后，在40 mm以內的有38次。距地高度H=150 mm時，不接觸靜電的稻種落地偏移量范圍在100 mm以內，其中在50 mm以內的有32次，而種子接觸帶電后，在50 mm以內的有42次。距地高度H=200 mm時，不接觸靜電的稻種落地偏移量范圍在110 mm以內，其中在55 mm以內的有29次，而種子接觸帶電后，在55 mm以內的有38次。綜上所述，在相同距地高度H下，相對不接觸靜電的試驗，接觸靜電后稻種落地的分布較集中。

圖5 稻種不同高度落地偏移量平均值對比Fig.5Deviation average of rice fall to the ground at different height

稻種落地偏移量的平均值和方差對比圖，如圖5、6所示。1、2、3組分別代表的是距地高度為100 mm、150 mm、200 mm時對照組數(shù)據(jù)。從圖5的各組平均值中可以看出，無論是接觸還是不接觸靜電，種子落地偏移量都會隨著距地高度H的增高而變大，但接觸靜電后偏移量增加較平緩；H在100～200 mm范圍內，接觸靜電能有效減小稻種落地的偏移量，相比對照組平均值可減小5～9 mm。

圖6 稻種不同高度落地偏移量方差值對比Fig.6Deviation variance of rice fall to the ground at different height

方差值能夠反映出該組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[8]。從圖6中可以看出，稻種不接觸靜電時，3組相對1、2組數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，說明此組在距地高度H=200 mm下落時，受到距地高度H影響較大，而接觸靜電組的落地偏移量穩(wěn)定性變化并不明顯，說明在此高度下，靜電能夠削弱距地高度H對偏移量的影響；在相同距地高度H下，接觸靜電的稻種落地偏移量方差值均比對照組小，穩(wěn)定性好，說明高壓靜電發(fā)生器對稻種產生的靜電力能夠抵消稻種播種過程中落地時的部分彈跳力。

3 結論與討論

經過初步探究證實了試驗的設想是可行有效的。當?shù)痉N下落接近土床表面時，帶有少量正電荷的稻種與帶有大量負電荷的土床之間產生相互吸引的靜電力，能夠抵消落地時部分向上的彈力，使稻種的偏移量減小。在今后的研究中，可以在以下幾點進行更深入的試驗：

（1）當距地高度不變時，不同靜電電壓強度對稻種落地偏移量影響進行研究。

（2）改變靜電電壓是否會有其他變化，還可以深入探討。

（3）能否通過感應靜電的方式，消除稻種打在靜電板時給稻種帶來的偏移影響。

（4）對相應播種機如何改進，能夠將高壓靜電更好地用于相應播種機上。

（5）研究分析稻種在短時間內帶有正電荷，對水稻種子的發(fā)芽率和后期生長有無影響。

［1］許振明，李佳，路洪洲，等.高壓耦合靜電場下導電顆粒和非導電顆粒的動力學研究［J］.中國科學，2009，39（3）：423-430.

［2］張寧，廖慶喜.我國小粒徑種子播種技術與裝備的應用與研究進展［J］.中國農機化，2012（1）：94-96.

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［5］柳詠芬.水稻缽盤精量播種裝置機理與試驗研究［D］.大慶:黑龍江八一農墾大學，2014.

［6］康敏，余登苑.滾筒式靜電選種機的增產效應研究［J］.農業(yè)工程學報，2001（3）：92-96.

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［8］李云雁，胡傳榮.實驗設計與數(shù)據(jù)處理［M］.2版北京：化學工業(yè)出版社，2008.

Experiment and Research of Effect on Landing Offset of Seeds with Contact Static

Hou Zhaolong，Tan Feng，Sun Xuecheng，Cai Qiaoling
（College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The seeds from the ground height were 100，150 and 200 mm，and the landing offset of the seeds with contact and noncontact static were measured respectively by the static contact testing apparatus.The data of 3 groups of the controlled trials were analyzed，and the experimental results showed that the landing offset of seeds reduced significantly after contacting static，and the landing offset of seeds became large along with the increasing height.When the static voltage was 17 kV，the landing offset of rice seeds decreased 5-9 mm than that of control group on average.

channeling hole；static；contact；offset；ground height

S125

A

1002-2090（2015）02-0109-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2015.02.025

2014-08-01

黑龍江省自然科學基金項目（F201329）；國家科技支撐計劃項目（2014BAD06B01）。

侯召龍（1988-），男，黑龍江八一農墾大學信息技術學院2012級碩士研究生。

譚峰，男，教授，博士研究生導師，E-mail：1125172819@qq.com。