楊艷山，丁啟朔，趙亞平，孫翠華，王 鋒

(1蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210031)

稻麥輪作是中國農(nóng)業(yè)的主要種植方式之一，稻麥輪作區(qū)種植面積高達(dá)480萬hm2[1]。與北方相比，南方稻麥輪作地區(qū)田塊小、零散且不規(guī)則，多為以家庭為基礎(chǔ)的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大型免耕播種機械不能達(dá)到很好的作業(yè)效果[2]。另外，該區(qū)域土壤一直處于干濕輪換的狀態(tài)，耕層致密緊實、土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，難耕難種現(xiàn)象明顯。因此，帶狀旋耕式中小型免耕播種機以其良好的土壤破碎性能、極少的土壤結(jié)構(gòu)擾動范圍和良好的區(qū)域適應(yīng)性得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[3-5]。

旋耕部件是帶狀旋耕式免耕播種機的重要組成部分，其創(chuàng)造出的種溝形狀、破碎及回填效果是影響種?土接觸、種子萌發(fā)、根系生長和土壤保墑的關(guān)鍵因素[6-10]。然而，目前國內(nèi)對帶狀旋耕式免耕播種機的研究多集中在防堵單元體設(shè)計方面[5,11]，極少有人對耕作刀具進(jìn)行優(yōu)化研究?，F(xiàn)有免耕播種機多采用將傳統(tǒng)的C 型彎刀數(shù)量減少并重新排列的耕作刀具設(shè)計[5]。傳統(tǒng)C型彎刀具有良好的拋土特性，耕作過程中大部分破碎土壤被拋灑至種溝外，種溝內(nèi)土壤過少難以保證種子與土壤的充分接觸[8]，這極大地降低了帶狀旋耕式免耕播種機的作業(yè)質(zhì)量。Matin 等[8]在室內(nèi)用砂壤土進(jìn)行了4種工作轉(zhuǎn)速、3種不同形狀刀具的帶狀旋耕作業(yè)效果研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋耕刀彎曲部分的尺寸是決定旋耕刀拋土特性的關(guān)鍵，減小旋耕刀彎曲部分的尺寸能夠有效地提高回填率，在砂壤土條件下直刀能夠創(chuàng)造出理想的種溝。Lee等[12]研究發(fā)現(xiàn)在C型彎刀兩側(cè)加裝擋土圓盤可以有效地阻止土壤向刀具兩側(cè)拋灑，進(jìn)而調(diào)高回填率，然而這種設(shè)計使得耕作能耗大幅增加，不符合保護(hù)性耕作節(jié)能減排的理念。大多針對帶狀旋耕式免耕播種機耕作機具的研究都是在室內(nèi)土槽中進(jìn)行的[8,12-14]，田間土壤物性表現(xiàn)復(fù)雜多變且直接影響耕作部件的性能表現(xiàn)[15-18]，室內(nèi)土槽試驗并不能完全反映耕作機械的田間實際性能。因此，在原位水稻土上對帶狀旋耕式免耕播種機耕作機具進(jìn)行試驗研究，對帶狀旋耕式免耕播種機性能的改進(jìn)以及在稻麥輪作系統(tǒng)中的推廣具有極其重要的意義。

鑒于稻麥輪作系統(tǒng)在中國糧食安全方面的重要地位，保護(hù)性耕作技術(shù)及帶狀旋耕式免耕播種機在該系統(tǒng)中推廣的需要，本研究針對常用的3種典型旋耕刀具及1種刀具組合進(jìn)行田間原位耕作試驗研究，以期為帶狀旋耕式免耕播種機耕作機具的研發(fā)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 旋耕刀具及其排列組合

以常用的C型彎刀、直刀和深耕刀(圖1)這3種典型旋耕刀具及組合刀具為材料進(jìn)行田間原位耕作試驗研究。其中，組合刀具是基于Matin 等[8]和Lee 等[12]的研究提出的，其排列組合方式如圖2所示。組合刀由2把深耕刀和2把直刀組成，2把深耕刀呈180°安裝在刀軸中心位置，兩側(cè)安裝2把直刀，直刀主要用于控制種溝邊界并阻止土壤破碎體向兩側(cè)拋灑。為保證耕作出的種溝寬度滿足播種需求且符合保護(hù)性耕作土壤擾動少的原則[19-20]，旋耕刀座間距設(shè)置為60 mm，耕作出理想的種溝寬度為60～90 mm。

圖1 旋耕刀Fig.1 Rotary tillage blade

1.2 田間原位耕作試驗臺

圖2 耕作刀具的排列組合示意圖Fig.2 Tillage bladearrangement on shaft

采用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)丁啟朔課題組研發(fā)的田間原位綜合耕作試驗臺對不同刀具的耕作效果進(jìn)行田間試驗研究。試驗臺主體長8 m，由控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、多功能臺車和升降系統(tǒng)組成(圖3)。多功能臺車的前進(jìn)動力由1臺4 kW 的電動機提供，前進(jìn)速度可在0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。旋耕刀軸的動力來源于1臺7.5 kW 的電動機，刀軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)600 r/min。試驗臺通過4個0.75 kW的電動機來控制試驗臺的升降和耕深調(diào)節(jié)，1次試驗完成后試驗臺升起進(jìn)行田間移位，以便于進(jìn)行下一次試驗。試驗臺由電控系統(tǒng)統(tǒng)一操控，1 臺13.5 kW的發(fā)電機作為整個試驗臺的電力來源。

圖3 田間原位測試平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Overview of the in-situ field test rig

為方便旋耕過程中耕作能耗的測量，多功能臺車配有扭矩傳感器，輸出信號為電壓信號，由Labview軟件采集控制，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。

1.3 試驗地點

試驗于2018年11月水稻收獲以后在南京市六合區(qū)八百橋鎮(zhèn)試驗田進(jìn)行。該試驗田常年實行稻麥輪作制，土壤類型為黏性水稻土，其中砂土、粒土、黏土含量(w)分別為24.1%、40.4%和35.6%，0～10 cm深土壤的含水率(w)為31.8%，容重為1.25 g/cm3，內(nèi)聚力為30.91 kPa，內(nèi)摩擦角為13.1°，圓錐貫入阻力為348 kPa。

1.4 試驗方法

1.4.1旋耕耕作試驗 采用C型彎刀、直刀、深耕刀和組合刀在180、280、380和510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下共16個小區(qū)進(jìn)行田間原位旋耕耕作試驗。每個小區(qū)長8 m，寬4 m，進(jìn)行4次耕作試驗。耕作深度和前進(jìn)速度采用Lee等[12]推薦的5 cm 和0.3 m/s。測試完成后，耕后區(qū)域地表自然風(fēng)干1 d，以便進(jìn)行種溝形狀的測量和土壤破碎體采樣。取樣過程中隨機選取1 m2耕作區(qū)域作為測試區(qū)域，用毛刷對種溝的邊界進(jìn)行清理，去除種溝邊界外的土壤，取出留在溝內(nèi)的土壤破碎體，具體操作方法參照文獻(xiàn)[8]。測試區(qū)域清理干凈后，對種溝進(jìn)行垂直拍照。所取土壤破碎體帶回試驗室自然風(fēng)干，使用組合篩(φ64、φ32、φ16、φ8、φ4、φ2、φ1)對土壤破碎體進(jìn)行篩分處理，對各級尺度的土壤破碎體進(jìn)行稱量并計數(shù)。以上所有試驗均進(jìn)行3次重復(fù)處理。

1.4.2平均質(zhì)量直徑 采用平均質(zhì)量直徑（Mean weight diameter，MWD）作為評價不同旋耕刀具土壤破碎性能的指標(biāo)，將7個不同尺度區(qū)間{＜2 mm，[2，4)mm，[4，8)mm，[8，16)mm，[16，32) mm，[32，64)，≥64 mm}的土壤破碎體質(zhì)量與樣本總質(zhì)量的比值作為土壤破碎體質(zhì)量分布，計算公式如下：

式中，PMSDi為土壤破碎體在第i個尺度區(qū)間相對于樣本總質(zhì)量的比重，mi為該尺度區(qū)間的土壤破碎體質(zhì)量，mT為樣本的總質(zhì)量。MWD按照下式計算：

式中，Ri為第i級尺度范圍內(nèi)的平均尺度，是該級尺度范圍的上限和下限的平均值，MWD越小，刀具的土壤破碎性能越好。

1.4.3回填率 回填率是指種溝內(nèi)的土壤破碎體干質(zhì)量與擾動土壤總干質(zhì)量的比值[8]，留在種溝內(nèi)的土壤破碎體越多，回填率越高，種子與土壤接觸越充分，對種子萌發(fā)、根系生長越有利。將厚0.2 mm的塑料薄膜鋪設(shè)在已經(jīng)清理干凈的種溝內(nèi)，使用顆粒直徑＜1 mm 且干密度為1288 kg/m3的標(biāo)準(zhǔn)砂沿種溝邊界鋪撒在塑料薄膜上，直至將種溝填滿并與地表邊界齊平，將標(biāo)準(zhǔn)砂取出并稱量計數(shù)，以此計算測試區(qū)域內(nèi)種溝的體積?；靥盥?Fb)的計算如式3所示。

式中，m為種溝內(nèi)土體破碎體的干質(zhì)量，kg；V為測試區(qū)域種溝的體積，m3；ρ為土壤的容重，kg/m3。

1.4.4耕作能耗 本試驗通過測定耕作過程中刀軸所受扭矩來計算耕作能耗（SW），計算方法如式4所示。

式中，SW 的單位為J·m?3；M為刀軸所受扭矩，N·m；n為刀軸轉(zhuǎn)速，r/min； 為耕作機具前進(jìn)速度，m/s；B為耕作幅寬，m；a為耕作深度，m。

2 結(jié)果與分析

圖4 刀軸轉(zhuǎn)速及形狀對種溝形狀的影響Fig.4 Seedbed produced by different configurations

2.1 種溝形狀

圖4展示了不同耕作刀具和刀軸轉(zhuǎn)速對種溝形狀和邊界的影響。從圖4可以看出，直刀能夠創(chuàng)造出整齊的種溝邊界，但是刀軸轉(zhuǎn)速為180和510 r/min 時直刀不能形成連續(xù)的種溝。直刀耕作過程中，刀具對土壤施加側(cè)向力，利用與土壤間的摩擦力形成種溝，在刀軸轉(zhuǎn)速為180 r/min 時切土節(jié)距較大(50 mm)，刀具與土壤間摩擦力不足以克服水稻土壤顆粒間的黏結(jié)力而形成破碎和不連續(xù)的種溝。刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min 時，直刀與土壤接觸的時間過短，土壤與刀具不能完全黏合，因此產(chǎn)生的摩擦力也不足以創(chuàng)造出連續(xù)的種溝。其他3種耕作刀具都創(chuàng)造出了連續(xù)的種溝，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，種溝形狀趨于規(guī)則(邊界整齊)。由于C型彎刀具有很好的切土特性，其在黏性水稻土中創(chuàng)造出的種溝形狀規(guī)則且基本不受轉(zhuǎn)速的影響。深耕刀的耕作過程主要由刀具插入土壤、刀具帶或勾起土壤、拋出土壤破碎體組成，因此深耕刀雖然能夠創(chuàng)造出連續(xù)的種溝但并不能很好地控制種溝邊界，即使在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下種溝也并不是很理想。

組合刀采用直刀與深耕刀結(jié)合的方式，由于直刀的加入種溝的邊界得到了很好的控制，深耕刀有效地解決了直刀單獨使用不能創(chuàng)造出連續(xù)種溝的問題(圖5)。在180 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下切土節(jié)距較大，深耕刀勾帶起的土壤破碎體較大，導(dǎo)致種溝邊界不規(guī)則。隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加、切土節(jié)距的減小，組合刀創(chuàng)造出的種溝邊界趨于規(guī)則，在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下可以創(chuàng)造出理想的種溝邊界。

圖5 組合刀的設(shè)計(A)及工作原理(B)Fig.5 Design (A)and working principle (B)of combination blades

2.2 破碎度

如圖6A 所示，土壤破碎體的平均質(zhì)量直徑（MWD）隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加而減小。直刀在180和510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下并沒有耕作出完整且連續(xù)的種溝，因此不對這2種刀軸轉(zhuǎn)速下生成的土壤破碎體進(jìn)行統(tǒng)計。對于C型彎刀、深耕刀和組合刀來說，相同刀軸轉(zhuǎn)速下生成的MWD并沒有明顯的差異。與Matin 等[8]和Chertkiattipol 等[21]使用不同旋耕刀具進(jìn)行土壤破碎效果試驗研究的結(jié)論相同。這是因為影響旋耕刀破碎性能的主要因素是刀軸轉(zhuǎn)速，刀軸轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致切土節(jié)距減小的同時也增加了土壤破碎體被拋出的速度，使土壤破碎體與擋土板的撞擊更加激烈，進(jìn)而放大了土壤破碎效果[8,13,21-22]。

在280和380 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下直刀能夠形成連續(xù)的種溝，然而直刀與土壤間的摩擦力不能進(jìn)一步將土壤破碎，并且直刀不具備拋土特性[8]，切下的土壤不能與擋土板撞擊形成二次破碎，導(dǎo)致直刀在黏性水稻土中的破碎效果差(MWD＞40 mm)，不適用于稻麥輪作系統(tǒng)中的帶狀旋耕式免耕播種機。

2.3 回填率

如圖6B所示，回填率隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，其中C型刀具產(chǎn)生的回填率下降尤為明顯。這是因為C 型刀具彎曲部分較大(寬度42 mm)，導(dǎo)致在耕作時大量的土壤被拋出種溝之外。深耕刀具刀尖較窄(寬度30 mm)，耕作過程中刀具首先插入土壤，然后勾帶起土壤破碎體。在這一過程中大部分土壤破碎體向側(cè)邊移動，少部分被拋出，因此回填率高于C型彎刀，在較高刀軸轉(zhuǎn)速下回填率下降不明顯。直刀沒有彎曲部分，不具備拋土特性，并且能夠有效地阻止土壤破碎體的側(cè)向移動[20]，因此在能夠形成完整種溝形狀的情況下(刀軸轉(zhuǎn)速280和380 r/min 時)，直刀形成的回填率明顯高于其他刀具組合。

組合刀中深耕刀主要進(jìn)行土壤破碎形成完整連續(xù)的種溝，直刀在控制種溝邊界的同時能夠有效地阻止被深耕刀勾帶起的土壤破碎體向種溝兩側(cè)移動，形成較高的回填率。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速大于380 r/min時，組合刀形成的回填率明顯高于C 型彎刀和深耕刀。

2.4 耕作能耗

圖6 刀具形狀及轉(zhuǎn)速對耕作破碎程度、回填和能耗的影響Fig.6 Effect of blade geometry and rotary speed on soil breakage degree，backfill and energy comsumption during tillage

由圖6C可以看出，刀軸轉(zhuǎn)速是影響耕作能耗的主要因素。耕作能耗隨著刀軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這與Kheiralla 等[23]的研究結(jié)果一致。在能夠創(chuàng)造出連續(xù)種溝的情況下，直刀耕作過程中產(chǎn)生的能耗最大，其他3種耕作刀具間并沒有明顯差異。組合刀雖然減少了深耕刀和直刀的數(shù)量，但是在直刀切入土壤形成良好的種溝邊界的同時解除了深耕刀一側(cè)土壤間的黏結(jié)力約束，使深耕刀更容易破碎土壤，深耕刀勾帶起土壤減小了土壤與直刀間的摩擦力，因此耕作能耗并沒有明顯增加。組合刀的設(shè)計改進(jìn)了Lee等[12]為提高回填率在刀軸兩側(cè)加裝擋土圓盤的設(shè)計方案，在不增加耕作能耗的同時做到了種溝連續(xù)且形狀整齊，具有良好的破碎效果，在510 r/min 刀軸轉(zhuǎn)速下依然具有較高的回填率。

3 結(jié)論

本研究從種溝形狀、土壤破碎程度、回填率、耕作能耗4個方面，對4種不同旋耕刀具排列進(jìn)行了田間原位試驗研究。結(jié)果表明C型旋耕刀能夠形成良好的種溝形狀和土壤破碎程度，但在高刀軸轉(zhuǎn)速(＞280 r/min)時回填率過低，形成的種床無法保證種子與土壤的良好接觸。直刀在刀軸轉(zhuǎn)速為180和510 r/min 時不能形成連續(xù)且完整的種溝，在刀軸轉(zhuǎn)速為280 和380 r/min 形成土壤破碎體過大(MWD＞40 mm)無法滿足播種要求。深耕刀能夠創(chuàng)造出連續(xù)且完整的種溝形成良好的土壤破碎效果，但其無法形成齊整種溝邊界，不利于土壤保墑。

組合刀耕作過程中，直刀先于深耕刀切入土壤形成良好的種溝邊界，并對深耕刀側(cè)向拋土起到了很好的阻擋作用，提高了回填率，解除了深耕刀一側(cè)土壤間的黏結(jié)力約束，使深耕刀更容易勾帶起土壤和加劇土壤破碎程度，深耕刀以其良好的耕作性能保證了組合刀在刀軸轉(zhuǎn)速180～510 r/min 間都能創(chuàng)造出連續(xù)的種溝。鑒于組合刀在黏性水稻土中耕作效果的顯著優(yōu)勢，推薦組合刀作為應(yīng)用于稻麥輪作系統(tǒng)的帶狀旋耕式免耕播種機的耕作刀具。