徐弘博，胡志超，吳 峰，顧峰瑋，陳有慶

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

中國稻麥兩熟制最集中的種植區(qū)為江淮下游，其中江蘇常年種植面積約 1.8×106hm2，是江蘇糧食生產(chǎn)主體模式，四川、安徽、湖北常年種植面積也都接近1.3×106hm2[1]。在秸稈禁燒背景下，秸稈還田已成為處理秸稈的理想途徑之一。

具有秸稈還田功能的小麥播種機(jī)能有效節(jié)省滅茬、整地時(shí)間，避免小麥晚播造成減產(chǎn)[2-3]，已引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有秸稈還田小麥播種技術(shù)主要分為 3種模式：第一種為免耕直播技術(shù)，主要通過滑動(dòng)式開溝器或圓盤刀切開殘茬同時(shí)播種[4-5]，這類技術(shù)通常在前茬秸稈量較少的玉米、小麥田可以作業(yè)，但在秸稈量相對(duì)較大、秸稈未處理的全量稻秸硬茬田很容易發(fā)生擁堵[6]。第二種為秸稈全量入土還田播種技術(shù)，常采用旋耕方式粉碎、翻埋種床前方的秸稈，再進(jìn)行播種鎮(zhèn)壓等作業(yè)[7-9]，這類技術(shù)可以有效防止秸稈擁堵，但過量秸稈入土還田的作業(yè)模式易發(fā)生種子播在秸稈上造成架種，秸稈在腐熟的過程中消耗土壤中的氮素等速效養(yǎng)分造成弱苗等問題[10-13]，進(jìn)而影響產(chǎn)量。第三種為秸稈全量覆蓋還田播種技術(shù)，如顧峰瑋等[14-17]研制的全量秸稈地潔區(qū)機(jī)播技術(shù)裝備，能夠在前茬秸稈不做任何處理的情況下一次完成秸稈粉碎、清理輸送、播種施肥、秸稈覆蓋，Sidhu等[18]研制的Happy seeder，能在收集水稻秸稈的同時(shí)完成小麥播種，播種后秸稈覆蓋在地表，楊紀(jì)龍等[19]研制的大豆免耕覆秸精量播種機(jī)，可實(shí)現(xiàn)秸稈向兩側(cè)清理的同時(shí)完成播種。這類技術(shù)在秸稈覆蓋量適宜的條件下具有保溫保墑、封閉雜草作用，可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[20-21]，但應(yīng)用于稻麥輪作區(qū)水稻收獲后播種小麥時(shí)，由于單位面積內(nèi)水稻秸稈量遠(yuǎn)大于小麥、玉米等秸稈量，會(huì)導(dǎo)致稻秸過量覆蓋影響小麥出苗，造成了小麥產(chǎn)量降低。其他類型技術(shù)還包括稻秸對(duì)行拋灑技術(shù)[22]，稻麥聯(lián)合收獲開溝埋草一體機(jī)播種技術(shù)[23]等，但這些技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，未見大面積應(yīng)用。

針對(duì)現(xiàn)有稻秸全量覆蓋還田或全量入土還田模式存在的影響小麥產(chǎn)量問題，課題組在全量秸稈地潔區(qū)機(jī)播技術(shù)[14]的基礎(chǔ)上，通過長期實(shí)踐探索，創(chuàng)新提出了水稻秸稈部分入土、部分覆蓋的技術(shù)模式。本文基于該技術(shù)模式研制相應(yīng)的秸稈分流還田裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化，以期為稻麥輪作區(qū)水稻收獲后播種小麥提供技術(shù)與裝備支持。

1 全量稻秸還田小麥播種機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)與作業(yè)工藝

為實(shí)現(xiàn)稻秸部分入土、部分覆蓋的同時(shí)完成播種施肥作業(yè)，以全量秸稈地潔區(qū)播種機(jī)為基礎(chǔ)部件，在其稻秸撿拾粉碎裝置后方設(shè)置分流裝置，使得粉碎后的稻秸一部分經(jīng)輸送拋送，覆蓋于播后地表，另一部分粉碎后的稻秸經(jīng)旋耕混入土壤中。根據(jù)上述思路，完成可實(shí)現(xiàn)秸稈分流還田的全量稻秸還田小麥播種機(jī)的結(jié)構(gòu)配置，主要由撿拾粉碎裝置、分流裝置、旋耕裝置、輸送裝置、拋撒裝置、播種施肥裝置組成，整機(jī)作業(yè)工藝如圖1所示。

圖1 整機(jī)作業(yè)工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of whole equipment operation technique

1.2 秸稈分流還田裝置組件

秸稈分流還田裝置組件如圖 2所示，分流還田裝置設(shè)置在撿拾粉碎裝置與輸送裝置之間。在水稻秸稈粉碎并向后拋射過程中，分流還田裝置將部分稻秸導(dǎo)入輸送裝置，再經(jīng)拋撒裝置實(shí)現(xiàn)覆蓋，其余部分稻秸導(dǎo)入旋耕裝置實(shí)現(xiàn)入土。

圖2 秸稈分流還田裝置組件構(gòu)成與工作原理Fig.2 Composition and working principle of straw distributed retention device component

覆蓋率指進(jìn)入輸送裝置形成覆蓋的稻秸量與撿拾粉碎稻秸總量的比值，是評(píng)價(jià)秸稈分流還田裝置作業(yè)性能的重要參數(shù)，根據(jù)前期水稻秸稈全量覆蓋、部分移出部分覆蓋對(duì)小麥生長影響的對(duì)比試驗(yàn)[24]，同時(shí)結(jié)合前茬為小麥、玉米秸稈時(shí)覆蓋量的測算，發(fā)現(xiàn)水稻秸稈覆蓋率低于60%時(shí)一般不會(huì)影響小麥出苗，據(jù)此本文設(shè)定水稻秸稈覆蓋率達(dá)到田間全量水稻秸稈的50%～60%時(shí)為合格分流比例。

2 秸稈分流還田裝置結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理分析

基于全量秸稈地潔區(qū)機(jī)播技術(shù)，機(jī)具作業(yè)幅寬2 200 mm，撿拾粉碎裝置回轉(zhuǎn)外徑545 mm，輸送裝置與撿拾粉碎裝置中心距 460 mm，輸送裝置罩殼外徑295 mm，其邊緣到機(jī)架內(nèi)壁垂直間距165 mm。秸稈分流還田裝置設(shè)于撿拾粉碎裝置與輸送裝置之間，粉碎后稻秸按照預(yù)定分流比例實(shí)現(xiàn)部分入土、部分覆蓋的作業(yè)效果，同時(shí)還要盡可能保證分流的順暢性、穩(wěn)定性與幅寬方向均勻性。

根據(jù)牛頓第一定律，秸稈分流還田裝置采用分流板的結(jié)構(gòu)形式，使粉碎后的稻秸與分流板碰撞，在外力作用下改變?cè)羞\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)分流目標(biāo)。對(duì)稻秸撞擊分流板瞬間的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖 3所示，將粉碎后的秸稈顆粒視為質(zhì)點(diǎn)，由于撞擊時(shí)間很短，忽略氣流對(duì)秸稈的作用。

圖3 稻秸分流板分流原理分析Fig.3 Analysis of distribution theory for rice straw distribution board

由圖 3可以得出，碰撞瞬間稻秸運(yùn)動(dòng)方向與作用力的夾角

式中δ為v0與F的夾角，(°)；β為碰撞瞬間稻秸運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角，(°)；γ為F與G的夾角，(°)。

式中G為稻秸重力，N；N為碰撞瞬間分流板對(duì)稻秸反作用力，N；α為碰撞瞬間分流板與稻秸運(yùn)動(dòng)方向的夾角，(°)。將式（2）帶入式（1）可得

根據(jù)式（3）可以看出在稻秸運(yùn)動(dòng)方向一定的情況下，采取不同分流板角度設(shè)計(jì)可以有效改變稻秸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此設(shè)計(jì) 4種不同結(jié)構(gòu)的分流板來實(shí)現(xiàn)稻秸分流，分別為直板橫向上開口型式（結(jié)構(gòu) A）、斜板橫向下開口型式（結(jié)構(gòu)B）、直板縱向通長間隔開口型式（結(jié)構(gòu)C）與弧板縱向通長間隔開口型式（結(jié)構(gòu) D），并分別對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。2.1.1 直板橫向上開口型式（結(jié)構(gòu)A）

如圖 4所示，在撿拾粉碎裝置與輸送裝置之間設(shè)置與機(jī)架內(nèi)壁垂直的平面狀分流板A，分流板A底部與輸送裝置罩殼貼合，底部到機(jī)架內(nèi)壁距離H1=165 mm，寬度為2 200 mm，在分流板A頂部設(shè)有一個(gè)高度為a、寬度為2 200 mm的橫向開口。

圖4 直板橫向上開口形式（分流結(jié)構(gòu)A）Fig.4 Straight board with lateral opening on the top (Distribution structure A)

作業(yè)時(shí)，粉碎后的部分稻秸從分流結(jié)構(gòu)A的橫向開口進(jìn)入輸送裝置形成覆蓋，部分稻秸被分流板A阻擋在外形成入土，從而達(dá)到分流效果。稻秸沿分流板A垂直平面的概率密度函數(shù)如圖4b中f1(x)所示，分布情況與撿拾粉碎裝置有關(guān)，當(dāng)撿拾粉碎裝置半徑越大、轉(zhuǎn)速越高時(shí)，稻秸分布將向分流板A頂部集中。

2.1.2 斜板橫向下開口型式（結(jié)構(gòu)B）

如圖 5所示，在碎秸刀與攪龍之間設(shè)置與機(jī)架內(nèi)壁夾角為α2的斜面狀分流板B，分流板B頂部與機(jī)架內(nèi)壁貼合，寬度為2 200 mm，長度為l。

作業(yè)時(shí)，粉碎后的稻秸撞擊分流板B產(chǎn)生反射后，部分稻秸從分流板 B與輸送裝置罩殼的夾縫間進(jìn)入輸送裝置形成覆蓋，部分稻秸被輸送裝置罩殼阻擋在外形成入土，從而達(dá)到分流效果。稻秸沿分流板B底端且垂直于分流板B所在平面的概率密度函數(shù)如圖5b中f2(θ, l)所示，分布情況與撿拾粉碎裝置和分流板B的參數(shù)有關(guān)，當(dāng)分流板B參數(shù)固定時(shí)，撿拾粉碎裝置半徑越大、轉(zhuǎn)速越高時(shí)，稻秸分布將向分流板B一側(cè)集中。

圖5 斜板橫向下開口形式（分流結(jié)構(gòu)B）Fig.5 Slant board with lateral opening at the bottom(Distribution structure B)

2.1.3 直板縱向通長間隔開口型式（結(jié)構(gòu)C）

如圖 6所示，在撿拾粉碎裝置與輸送裝置之間設(shè)置與機(jī)架內(nèi)壁垂直的平面狀分流板 C，分流板 C寬度為2 200 mm，高度H2=165 mm，其頂部與機(jī)架內(nèi)壁貼合，底部與輸送裝置罩殼貼合，在分流板C表面均布nc個(gè)寬度為c、高度H2=165 mm的縱向開口。

作業(yè)時(shí)，粉碎后的部分稻秸從縱向開口進(jìn)入輸送裝置，部分稻秸被分流板C阻擋在外，從而形成分流效果。假設(shè)作業(yè)幅寬內(nèi)秸稈全部被拾起，正對(duì)縱向開口的稻秸全部進(jìn)入輸送裝置，縱向開口兩側(cè)的部分稻秸與分流板C撞擊后，在氣流與慣性作用下也進(jìn)入輸送裝置，其余稻秸被分流板C阻隔在外。

2.1.4 弧板縱向通長間隔開口型式（結(jié)構(gòu)D）

如圖 7所示，在撿拾粉碎裝置與輸送裝置之間設(shè)置弧心朝向撿拾粉碎裝置的弧面狀分流板 D，其寬度為 2 200 mm，圓弧半徑r=225 mm，其頂邊與機(jī)架內(nèi)壁貼合，底邊與輸送裝置罩殼貼合，在分流板D表面均布nd個(gè)寬度為d、圓弧半徑r=225 mm的縱向開口。

作業(yè)時(shí)，粉碎后的部分稻秸從縱向開口進(jìn)入輸送裝置，部分稻秸被分流板D阻擋在外，從而形成分流效果。假設(shè)作業(yè)幅寬內(nèi)秸稈全部被拾起，正對(duì)縱向開口的稻秸全部進(jìn)入輸送裝置，縱向開口兩側(cè)的少量稻秸與分流板D撞擊后，在氣流與慣性作用下也進(jìn)入輸送裝置，其余稻秸沿分流板D弧面向下滑移，無法進(jìn)入輸送裝置。

注：c為分流板C的某一縱向開口寬度，mm。虛線代表粉碎后稻秸。Note: c is the width of certain longitudinal opening of distribution board C, mm.Dashed represents rice straw after smashing.圖6 直板縱向通長間隔開口型式（分流結(jié)構(gòu)C）Fig.6 Straight board with entire longitudinal spaced openings(Distribution structure C)

圖7 弧板縱向通長間隔開口型式（分流結(jié)構(gòu)D）Fig.7 Arc board with entire longitudinal spaced openings(Distribution structure D)

2.2 結(jié)構(gòu)形式單因素試驗(yàn)

為了確定最佳分流裝置結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)條件固定的情況下，進(jìn)行不同分流裝置結(jié)構(gòu)形式秸稈分流效果試驗(yàn)。

2.2.1 試驗(yàn)條件

2017年11 月，秸稈分流試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合試驗(yàn)基地收獲后的水稻田進(jìn)行，收獲方式為高留茬撩穗收割，通過五點(diǎn)取樣法[25]實(shí)測田間秸稈量 m0=0.98 kg/m2，含水率為43%?？紤]到實(shí)際作業(yè)效率與播種質(zhì)量要求，試驗(yàn)時(shí)作業(yè)速度保持在1m/s。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

試驗(yàn)設(shè)備包括John Deere1054拖拉機(jī)、全量稻秸還田小麥播種機(jī)（撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，試驗(yàn)時(shí)拆除旋耕裝置與播種施肥裝置）、秸稈分流還田裝置，試驗(yàn)儀器包括電子天平、卷尺、秒表等。

2.2.3 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

在相同作業(yè)條件下，對(duì)上述A、B、C、D 4種分流結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以覆蓋率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證各分流結(jié)構(gòu)形式在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的秸稈分流效果。隨機(jī)選取測試區(qū)60塊，每塊測試區(qū)長20 m，寬2.2 m。將采樣袋用尼龍繩系在拋送裝置出口，將每次試驗(yàn)收集的稻秸收集編號(hào)并稱取其質(zhì)量mf，試驗(yàn)場景如圖8所示。每種分流裝置結(jié)構(gòu)形式與參數(shù)重復(fù)3次，取3次重復(fù)試驗(yàn)平均值作為各組的試驗(yàn)結(jié)果，覆蓋率

式中mf為每組試驗(yàn)收集的稻秸質(zhì)量，kg；m0為單位面積稻秸質(zhì)量，kg；η為稻秸覆蓋率，%。

圖8 分流裝置組件稻秸覆蓋率試驗(yàn)Fig.8 Rice straw mulching rate experiments of distribution device component

圖 9為不同分流裝置結(jié)構(gòu)與參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果。由圖9a以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)A的橫向開口高度≤30 mm時(shí)，稻秸覆蓋率極低，這是由于此參數(shù)下橫向開口很快發(fā)生擁堵，當(dāng)橫向開口高度繼續(xù)增大時(shí)，覆蓋率迅速增大，開口高度達(dá)到60 mm時(shí)分流板A幾乎不起到分流作用，說明稻秸沿分流板A豎直方向呈現(xiàn)上多下少分布趨勢。由圖9b可以看出，當(dāng)l=166 mm，分流板B與機(jī)架內(nèi)壁夾角從 125°增大到 145°期間，稻秸覆蓋率從 25.6%上升至96.7%，說明稻秸與分流板B撞擊后所形成的料層很薄，夾角微調(diào)即可引起覆蓋率很大的變化。由圖9c可知，當(dāng)nc=2時(shí)，分流板 C的 2個(gè)縱向開口寬度從 100增加到300 mm期間，稻秸覆蓋率從45.4%上升至92.3%，說明除了正對(duì)分流板C縱向開口的稻秸以外，靠近分流板C縱向開口兩側(cè)的大部分稻秸在氣流與慣性的作用下同樣進(jìn)入了輸送裝置。由圖9d可以看出，當(dāng)nd=2時(shí)，分流板D的2個(gè)縱向開口寬度從300增加到500 mm期間，稻秸覆蓋率從44.3%上升至69.5%，說明除了正對(duì)分流板D縱向開口的稻秸以外，靠近分流板D縱向開口兩側(cè)的小部分稻秸在氣流與慣性的作用下同樣進(jìn)入了輸送裝置。

通過比較可知，分流結(jié)構(gòu)A和B對(duì)于覆蓋率的參數(shù)調(diào)節(jié)靈敏度太高，實(shí)際應(yīng)用中極難保證覆蓋率達(dá)到設(shè)計(jì)要求，分流結(jié)構(gòu)C對(duì)于稻秸進(jìn)入輸送裝置的阻隔能力較弱，在氣流作用下進(jìn)入輸送裝置的稻秸占比偏大，說明撿拾粉碎裝置與輸送裝置轉(zhuǎn)速對(duì)覆蓋率的影響相對(duì)突出，而分流結(jié)構(gòu)D能夠?qū)⒌窘昭仄浠∶嫦蛳轮鸩揭龑?dǎo)，其縱向開口寬度與覆蓋率的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加明確。綜上所述，選擇分流結(jié)構(gòu)D為秸稈分流還田裝置最佳結(jié)構(gòu)。

圖9 4種秸稈分流還田裝置不同結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of different structure parameters for 4 kinds of straw distributed retention devices

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，入土稻秸在機(jī)架幅寬方向分布不均，在縱向開口位置處的稻秸多被分流覆蓋，其余位置的稻秸多為入土還田，使得入土稻秸呈條狀分布，這會(huì)導(dǎo)致入土稻秸量較多的區(qū)域發(fā)生缺苗問題。為提高入土稻秸的分布均勻性，在保證分流指標(biāo)合格的同時(shí)對(duì)分流裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

試驗(yàn)地點(diǎn)、儀器設(shè)備等試驗(yàn)條件與單因素試驗(yàn)相同，不再贅述。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[26-27]對(duì)分流裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。分流裝置作業(yè)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括稻秸的均勻度變異系數(shù)F和分流偏差率P。

均勻度變異系數(shù) F指入土部分稻秸在土壤中的均勻度變異系數(shù)，其值越小表明均勻性越好。在作業(yè)幅寬內(nèi)取 n個(gè)測試小區(qū)，每個(gè)測試小區(qū)收集入土稻秸并稱質(zhì)量（為便于檢測入土稻秸量，拆除旋耕裝置與播種施肥裝置），計(jì)算方法如式（5）、（6）所示[22]。

式中 n為幅寬方向測試小區(qū)數(shù)量，為保證測量準(zhǔn)確性，取n=10；Mi為第i個(gè)測試小區(qū)（取樣長度5 000 mm，寬度220 mm）內(nèi)的稻秸質(zhì)量，g；為測試小區(qū)稻秸平均質(zhì)量，g；F為均勻度變異系數(shù)，%。

分流偏差率 P指稻秸實(shí)際覆蓋率與分流指標(biāo)（覆蓋率50%～60%）的偏差系數(shù)，其值越小表明指標(biāo)完成度越好。試驗(yàn)方法與單因素試驗(yàn)相同，計(jì)算方法如式（4）、（7）所示[28]。

單因素試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，縱向開口總寬（縱向開口數(shù)量與某一縱向開口寬度的乘積）直接影響分流偏差率，縱向開口數(shù)量直接影響均勻度變異系數(shù)，而撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速直接影響稻秸撞擊分流裝置的初速度，進(jìn)而對(duì)分流偏差率和均勻度變異系數(shù)均造成影響，因此將上述三因素作為分流裝置作業(yè)質(zhì)量的影響因素。根據(jù)單因素試驗(yàn)研究結(jié)果，縱向開口總寬＜600 mm時(shí)，覆蓋率＜45%，縱向開口總寬＞1 000 mm時(shí)，覆蓋率大于69%，因此選取縱向開口總寬為600～1 000 mm；縱向開口數(shù)量越多，均勻度變異系數(shù)越好，同時(shí)考慮到單個(gè)縱向開口需具有一定寬度避免堵塞，因此選取縱向開口數(shù)量為4～8個(gè)（在幅寬方向均布）；為保證分流作業(yè)順暢性，根據(jù)文獻(xiàn)[14]與前期研究，撿拾粉碎裝置甩刀線速度≥53 m/s時(shí)才能具有理想粉碎效果，據(jù)此折算出撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速需≥1 900 r/min，結(jié)合常規(guī)作業(yè)參數(shù)，選取撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速為1 900～2 500 r/min。采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì) 3個(gè)影響因素進(jìn)行組合優(yōu)化，試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)3因素3水平分析試驗(yàn)[29-31]，試驗(yàn)方案包括17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括 12個(gè)分析因子，5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件（Stat-EaseInc., USA）進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。試驗(yàn)方案與響應(yīng)值見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值Table 2 Experiment design and response values

3.2.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件開展多元回歸擬合分析尋求最優(yōu)工作參數(shù)，建立均勻度變異系數(shù)Y1、分流偏差率Y2對(duì)縱向開口總寬X1、縱向開口數(shù)量X2、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速X33個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（8）、式（9）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析[32]，結(jié)果如表3所示。

由表3分析可知，響應(yīng)面模型中的均勻度變異系數(shù) Y1、分流偏差率 Y2模型 P＜0.000 1，表明回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)P＞0.05（分別為0.091 4、0.250 2），表明回歸方程擬合度高；其決定系數(shù) R2值分別為0.954 2和 0.982 9，表示這 2個(gè)模型可以解釋 95%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，秸稈分流還田裝置工作參數(shù)可以用該模型來優(yōu)化。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過 P值大小反應(yīng)，均勻度變異系數(shù)Y1模型中有4個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著（P＜0.01），分別為有 2個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著（P＜0.05），分別為 X3、X1X2；分流偏差率 Y2模型中有 6個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著（P＜0.01），分別為 X1、有 3 個(gè)回歸項(xiàng)影響顯著（P＜0.05），分別為

3.2.3 因素對(duì)性能影響效應(yīng)分析

由表3各因素F值分析可知[33]，4個(gè)因素對(duì)均勻度變異系數(shù)影響顯著性順序?yàn)?X2＞X1＞X3；對(duì)分流偏差率影響顯著性順序?yàn)?X1＞X2＞X3。根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design-Expert8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面圖，根據(jù)響應(yīng)面圖考察縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速交互因素對(duì)響應(yīng)值Y1、Y2的影響。

1）交互因素對(duì)均勻度變異系數(shù)的影響規(guī)律分析

縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)響應(yīng)值Y1影響的響應(yīng)面曲線圖見圖10。圖10a為撿拾粉碎裝置位于中心位置（2 200 r/min）時(shí)，縱向開口總寬和縱向開口數(shù)量對(duì)均勻度變異系數(shù)Y1的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出均勻度變異系數(shù)指標(biāo)降低可以通過減小縱向開口總寬和增加縱向開口數(shù)量而實(shí)現(xiàn)；圖 10b為縱向開口數(shù)量位于中心位置（6個(gè)）時(shí)，縱向開口總寬和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)均勻度變異系數(shù)Y1的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出均勻度變異系數(shù)指標(biāo)隨著縱向開口總寬的增加而增加，隨著撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速的增加而先增加后減少；圖10c為縱向開口總寬位于中心位置（800 mm）時(shí)，縱向開口數(shù)量和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)均勻度變異系數(shù)Y1的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出均勻度變異系數(shù)指標(biāo)隨著縱向開口數(shù)量的增加而減小，隨著撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速的增加而先增加后減少。

圖10 交互作用對(duì)均勻度變異系數(shù)和分流偏差率的影響Fig.10 Effects of interactive factors on variable coefficient of uniformity and deviation rate of distribution

總體影響趨勢為：縱向開口總寬越小、縱向開口數(shù)量越多，均勻度變異系數(shù)越小，而撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速增加時(shí)均勻度變異系數(shù)先增加后減少。主要原因是：當(dāng)縱向開口總寬減小時(shí)，入土秸稈量越多，粉碎后在同一測量點(diǎn)聚集的可能性越小，更容易分布均勻；當(dāng)縱向開口數(shù)量增加時(shí)，進(jìn)入輸送裝置的稻秸在橫向分布越均勻；當(dāng)撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速增加時(shí)，入土秸稈量減少導(dǎo)致均勻度變異系數(shù)增加，當(dāng)撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí)，風(fēng)場對(duì)入土碎秸的吹散作用占主要因素，則均勻度變異系數(shù)減小。

2）交互因素對(duì)分流偏差率的影響規(guī)律分析

縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)響應(yīng)值Y2影響的響應(yīng)面曲線圖見圖10。圖10d為撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速位于中心位置（2 200 r/min）時(shí)，縱向開口總寬和縱向開口數(shù)量對(duì)分流偏差率Y2的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出分流偏差率指標(biāo)降低可以通過減小縱向開口總寬實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)縱向開口總寬較大時(shí)，減少縱向開口數(shù)量可以降低分流偏差率，當(dāng)縱向開口總寬較小時(shí)，減少縱向開口數(shù)量對(duì)分流偏差率的改變?yōu)橄葴p小后增加；圖10e為縱向開口數(shù)量位于中心位置（6個(gè)）時(shí)，縱向開口總寬和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)分流偏差率Y2的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出分流偏差率指標(biāo)降低可以通過減小縱向開口總寬實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)縱向開口總寬較大時(shí)，減少撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速可以降低分流偏差率，當(dāng)縱向開口總寬較小時(shí)，減少撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)分流偏差率的改變?yōu)橄葴p小后增加；圖10f為縱向開口總寬位于中心位置（800 mm）時(shí)，縱向開口數(shù)量和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)分流偏差率Y2的交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出分流偏差率的減小可通過減少縱向開口數(shù)量和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

總體影響趨勢為：縱向開口總寬越小，分流偏差率越小，當(dāng)縱向開口總寬較大時(shí)，減少縱向開口數(shù)量可降低分流偏差率，當(dāng)縱向開口總寬較小時(shí)，減少縱向開口數(shù)量對(duì)分流偏差率的改變?yōu)橄葴p小后增加。主要原因是：增加縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速均能夠增加稻秸覆蓋率，當(dāng)覆蓋率大于60%時(shí)，分流偏差率增加，當(dāng)覆蓋率低于50%時(shí)，分流偏差率同樣增加，只有當(dāng)各因素取值相互協(xié)調(diào)時(shí)分流偏差率才能處于較低水平。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為達(dá)到最佳稻秸分流性能，按照均勻度變異系數(shù)最小、分流偏差率最小的要求作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化研究[34]。運(yùn)用Design-Expert8.0.6.1軟件對(duì)建立的 2個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化求解，約束條件為：1）目標(biāo)函數(shù)：minY1；minY2；2）變量區(qū)間：-1≤Xj≤1，其中 j=1，2，3。根據(jù)2個(gè)指標(biāo)的重要性，設(shè)置均勻度變異系數(shù)和分流偏差率的權(quán)重分配集 W=[0.5 0.5]。優(yōu)化后得到的各因素最優(yōu)參數(shù)為縱向開口總寬600 mm，縱向開口數(shù)量7.41個(gè)，撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速1 900 r/min，優(yōu)化得出的最優(yōu)均勻度變異系數(shù)為14.76%，分流偏差率為 0.0027%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將縱向開口數(shù)量 X2值設(shè)為 7，其他條件不變，再次用軟件求優(yōu)，優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為縱向開口總寬600 mm，縱向開口數(shù)量7個(gè)，撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速1 900 r/min，優(yōu)化得出的最優(yōu)均勻度變異系數(shù)為18.75%，分流偏差率為-0.33%。分析結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)觀測可知：當(dāng)縱向開口總寬為 600 mm時(shí)，分流偏差率已達(dá)到最低值0，再降低縱向總寬反而會(huì)因通道過窄導(dǎo)致分流偏差率上升；撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速1 900 r/min為設(shè)計(jì)參數(shù)最低值，再降低轉(zhuǎn)速會(huì)因稻秸粉碎不徹底和拋射速度過慢而導(dǎo)致分流裝置擁堵，因此可以采用上述分析結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證。

為驗(yàn)證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用上述參數(shù)在江蘇省農(nóng)科院六合試驗(yàn)基地進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證值。試驗(yàn)結(jié)果為均勻度變異系數(shù)19.68%，分流偏差率0，與優(yōu)化后理論值的絕對(duì)誤差分別為0.93個(gè)百分點(diǎn)和0.33個(gè)百分點(diǎn)，可以看出Y1、Y2的理論值與實(shí)際值非常接近，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

在此參數(shù)下課題組進(jìn)行了實(shí)地播種，并對(duì)小麥長勢進(jìn)行了為期半年的持續(xù)跟蹤，如圖11所示，經(jīng)實(shí)踐可知小麥播種順暢，播種量為 180 kg/hm2，種子千粒質(zhì)量為49.9 g，基本苗數(shù)為每公頃3.13×106，出苗率為86.8%，說明現(xiàn)有秸稈分流還田裝置與參數(shù)能夠滿足小麥生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用需求。

圖11 小麥播種及其長勢跟蹤Fig.11 Wheat seeding and growth monitoring

5 結(jié)論與討論

1）本文提出了稻麥輪作區(qū)全量稻秸部分入土還田、部分覆蓋還田的小麥播種模式，設(shè)計(jì)了 4種不同結(jié)構(gòu)形式的秸稈分流還田裝置，通過對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選出一種弧形板縱向開口結(jié)構(gòu)為秸稈分流還田裝置最佳結(jié)構(gòu)。

2）采用Box-Benhnken試驗(yàn)方法進(jìn)行回歸分析可知，秸稈分流還田裝置的縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量和撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速對(duì)均勻度變異系數(shù)影響顯著順序依次為縱向開口數(shù)量、縱向開口總寬、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速；各因素對(duì)分流偏差率影響顯著順序依次為縱向開口總寬、縱向開口數(shù)量、撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速。

3）秸稈分流還田裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為縱向開口總寬 600 mm，縱向開口數(shù)量 7個(gè)，撿拾粉碎裝置轉(zhuǎn)速1 900 r/min，性能試驗(yàn)結(jié)果為均勻度變異系數(shù)為19.68%，分流偏差率為0，與優(yōu)化后理論值的絕對(duì)誤差分別為0.93個(gè)百分點(diǎn)和0.33個(gè)百分點(diǎn)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

由于試驗(yàn)時(shí)間與自然條件限制，本試驗(yàn)沒有考慮機(jī)具前進(jìn)速度與稻秸含水率等對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響。在后續(xù)試驗(yàn)中將對(duì)影響分流效果的參數(shù)做進(jìn)一步分析與試驗(yàn)。