吳羅發(fā)，王康軍，陳立才，董獻(xiàn)華，賴宏斐

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能農(nóng)機(jī)裝備工程研究中心，江西 南昌 330200；3.江西良田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，江西 余江 335200；4. 江西開(kāi)放大學(xué)，江西 南昌 330046）

0 前言

水稻是我國(guó)種植面積最大、產(chǎn)量最多的糧食作物，對(duì)保障我國(guó)糧食安全和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有舉足輕重的戰(zhàn)略作用［1］。江西是農(nóng)業(yè)大省，水稻種植面積常年在333.33萬(wàn)hm2以上，是我國(guó)典型的以種植雙季稻為主的農(nóng)業(yè)區(qū)［2］。全省地貌以丘陵山地為主，土壤主要為紅壤，一般黏性較大、易板結(jié)、較貧瘠，耕整環(huán)節(jié)機(jī)具功率消耗較大［3］。現(xiàn)有的水稻耕整地以犁地和耙地等多工序作業(yè)為主，一般采用輪式拖拉機(jī)帶旋耕機(jī)或耕整機(jī)進(jìn)行2~3次旋耕，再用圓輥進(jìn)行平整作業(yè)，機(jī)械要進(jìn)地3~4次，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細(xì)作的要求［4］。但在我國(guó)南方地區(qū)，由于土壤中的水分較多且相對(duì)松軟，農(nóng)機(jī)耕整地的過(guò)程中，表層土壤容易下陷，破壞了原有土壤結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了土壤退化問(wèn)題［5］。引進(jìn)大功率輪式拖拉機(jī)耕田，雖然效率較高，但容易深陷硬泥層下，嚴(yán)重破壞了耕作層的土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致“犁底層”不平，影響機(jī)插質(zhì)量，造成漏水漏肥，最終影響秧苗生長(zhǎng)和水稻產(chǎn)量［6-11］。作物秸稈含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀和微量元素，秸稈直接還田是改善土壤結(jié)構(gòu)最直接、最快速的有效手段［12］，能夠有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減少化肥用量，提高后續(xù)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量［13-15］。在南方雙季稻區(qū)，水稻秸稈機(jī)械還田作業(yè)主要分為秸稈粉碎拋撒、犁翻、旋耕等多道工序，在“雙搶”季節(jié)，存在水稻秸稈量大、留茬高等問(wèn)題；利用現(xiàn)有的秸稈還田裝備時(shí)，需要浸泡幾天，不同機(jī)組多次進(jìn)地作業(yè)［16］，導(dǎo)致作業(yè)效率較低，秸稈還田效果不理想［17-19］。這種作業(yè)模式不僅增加了作業(yè)成本，同時(shí)造成土壤多次被碾壓，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤水蝕、礦質(zhì)流失等問(wèn)題［20-26］。因此，亟待研究適用于南方雙季稻區(qū)保護(hù)性耕地、翻田、秸稈粉碎及還田一次性作業(yè)的機(jī)械裝備和技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水田生產(chǎn)節(jié)本省工、增強(qiáng)地力，減少環(huán)境污染，促進(jìn)水田作業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。

為實(shí)現(xiàn)南方雙季稻區(qū)保護(hù)性及可持續(xù)耕作要求，根據(jù)南方丘陵雙季稻區(qū)水田土壤類型和耕作制度，本文開(kāi)展了“雙季稻水田動(dòng)力機(jī)械（履帶自走式拖拉機(jī)）+秸稈還田機(jī)械（秸稈埋茬起漿機(jī)）”的田間試驗(yàn)，以及適宜南方雙季稻區(qū)水田保護(hù)性耕作關(guān)鍵技術(shù)研究，為加快南方丘陵雙季稻區(qū)水稻機(jī)械化生產(chǎn)提供裝備和技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有效融合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙季稻新型耕作裝備田間試驗(yàn)于2020年7月22日在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高安試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試水稻品種均為原谷珍香，播種日期為6月29日，播種量統(tǒng)一，插秧日期為7月25日，用井關(guān)乘坐式高速插秧機(jī)栽插，田間管理統(tǒng)一，收獲日期為11月16日。試驗(yàn)分2組，不設(shè)重復(fù)。

試驗(yàn)一：采用自行研制的“履帶式旋耕機(jī)+秸稈埋茬起漿機(jī)”，在不同留茬高度田間進(jìn)行作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)留茬高度和2種作業(yè)次數(shù)，留茬高度（H）分別為150 mm（H1）、300 mm（H2）和450 mm（H3），耕 作 次 數(shù)（N）為1次（N1）和2次（N2）組合的6個(gè)處理為：（1）留茬高度150 mm，作業(yè)1次（H1N1）；（2）留茬高度300 mm，作業(yè)1次（H2N1）；（3）留茬高度450 mm，作業(yè)1次（H3N1）；（4）留茬高度150 mm，作業(yè)2次（H1N2）；（5）留茬高度300 mm，作業(yè)2次（H2N2）；（6）留茬高度450 mm，作業(yè)2次（H3N2）。配套動(dòng)力為良田1GZL-220自走履帶式旋耕機(jī)的拖拉機(jī)。試驗(yàn)田面積0.4 hm2，將田塊平均分為6個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積666.67 m2；測(cè)試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收割，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業(yè)前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

試驗(yàn)二：采用自行研制的履帶式旋耕機(jī)、秸稈埋茬起漿機(jī)，與普通輪式拖拉機(jī)、旋耕機(jī)搭配組合進(jìn)行田間作業(yè)性能的對(duì)比試驗(yàn)。該試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理，分別為“沃得奧龍WD704F輪式拖拉機(jī)+1GZL-220型旋耕機(jī)”（B1）、自行研制的“履帶式拖拉機(jī)+1GZL-220型旋耕機(jī)”（B2）、自行研制的“履帶式拖拉機(jī)+自行研制的秸稈還田起漿機(jī)”（B3）。耕作次數(shù)為2次。試驗(yàn)田面積0.2 hm2，將田塊平均分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積666.67 m2；測(cè)試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行收割，平均留茬高度為15 cm，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業(yè)前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

1.2 測(cè)定性能指標(biāo)及方法

1.2.1 耕作效果 對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行水稻秸稈還田旋耕作業(yè)時(shí)，主要測(cè)試耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地表平整度和植被覆蓋率等性能指標(biāo)。測(cè)定方法和要求參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DG/T 005—2019《旋耕機(jī)》、DG/T 088—2019《自走履帶旋耕機(jī)》和GB/T 24685—2009《水田平地?cái)嚌{機(jī)》等，相同的作業(yè)性能指標(biāo)如若判定標(biāo)準(zhǔn)不一致，則以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中要求最高標(biāo)準(zhǔn)為判定依據(jù)，即耕深≥120 mm、耕深穩(wěn)定性≥85%、壓茬深度≥50 mm、地表平整度≤50 mm以及植被覆蓋率≥80%。

（1）耕深與耕深穩(wěn)定性。作業(yè)深度采用直尺進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)，沿機(jī)組前進(jìn)方向在已作業(yè)范圍內(nèi)測(cè)定，每隔2 m測(cè)1個(gè)點(diǎn)，測(cè)定2壟，每壟各測(cè)11個(gè)點(diǎn)，計(jì)算平均值，按照公式（1）~公式（4）進(jìn)行計(jì)算。

（2）壓茬深度。作業(yè)后，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)測(cè)定2個(gè)行程，每個(gè)行程測(cè)11個(gè)點(diǎn)，測(cè)量泥漿表面與壓入泥漿中留茬（壓入泥漿的留茬不少于全長(zhǎng)的2/3）的垂直距離，即為壓茬深度。

（3）地表平整度。作業(yè)后，在作業(yè)區(qū)內(nèi)測(cè)定2個(gè)行程，每個(gè)行程測(cè)定11個(gè)點(diǎn)，測(cè)量作業(yè)后的地表與水平基準(zhǔn)面的垂直距離，計(jì)算作業(yè)后的泥漿表面與水平基準(zhǔn)面的垂直距離平均值，按照公式（5）~公式（6）計(jì)算打漿后地表平整度。

（4）植被覆蓋合格率。水稻秸稈植被覆蓋合格率的測(cè)試：機(jī)型旋耕作業(yè)2遍后，在作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選取7個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)取1 m2的面積，對(duì)地表以上的水稻秸稈、根茬和植被質(zhì)量及地表以下作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量進(jìn)行分別測(cè)定，按照公式（7）進(jìn)行計(jì)算。

式（7）中：Fb為植被覆蓋合格率（%）；Wq為地表以下作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量（g）；Wh為地表以上作業(yè)深度范圍內(nèi)秸稈、根茬和植被質(zhì)量（g）。

1.2.2 機(jī)插適應(yīng)性分析 機(jī)具耕作后，開(kāi)展機(jī)插秧適應(yīng)性分析，采用對(duì)角線取樣法選取5個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)距田邊大于一個(gè)工作幅寬。在5個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)，測(cè)定栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等指標(biāo)。每個(gè)測(cè)區(qū)在全幅寬內(nèi)各測(cè)100穴；測(cè)定漏插穴數(shù)和翻倒穴數(shù)時(shí)，每個(gè)測(cè)區(qū)各測(cè)200穴。按公式（8）~公式（10）計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)。

（1）栽插深度。在5個(gè)測(cè)區(qū)附近各測(cè)10穴秧苗。以田泥面為基準(zhǔn)，量至秧塊表面，判定為栽插深度。

（2）漏插率。公式為：

式（8）中：Rl為漏插率；Xl為漏插穴數(shù)總和（穴）；X為測(cè)定總穴數(shù)（穴）。

（3）漂秧率。公式為：

式（9）中：Rp為漂秧率；Zp為漂秧株數(shù)總和（株）。

（4）傷秧率。公式為：

式（10）中：Rs為傷秧率；Zs為傷秧株數(shù)總和（株）；Z為測(cè)定總株數(shù)（株）。

1.2.3 產(chǎn)量與產(chǎn)量結(jié)構(gòu) 于成熟期隨機(jī)測(cè)定每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重等指標(biāo)，采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，測(cè)定每個(gè)處理的產(chǎn)量構(gòu)成和增產(chǎn)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作效果分析

表1為采用自行研制的“履帶式旋耕機(jī)+秸稈埋茬起漿機(jī)”在不同留茬高度的田間進(jìn)行作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果。由表1可以看出，研制的南方水田秸稈埋茬起漿機(jī)能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項(xiàng)作業(yè)工序，除了當(dāng)留茬高度450 mm、作業(yè)次數(shù)為1次時(shí)，壓茬深度為49.5 mm，略低于技術(shù)要求外，其余處理的耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率5個(gè)指標(biāo)均符合技術(shù)要求。當(dāng)耕作2次、最高留茬高度450 mm時(shí)，所有的指標(biāo)均顯著符合技術(shù)要求。當(dāng)留茬高度150 mm、耕作次數(shù)為2次時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)顯著優(yōu)于其他處理，其耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm和94.60%，較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，顯著提升了耕作效果。

表1 不同留茬高度的田間作業(yè)性能檢測(cè)結(jié)果

表2為不同耕作機(jī)具作業(yè)的田間作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果。由表2可以看出，不同的耕作機(jī)具作業(yè)的性能指標(biāo)差異顯著，從B1到B3，各耕作指標(biāo)依次增加，經(jīng)B3處理的耕深、耕深穩(wěn)定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm、94.60%，顯著優(yōu)于另外2個(gè)處理，各項(xiàng)指標(biāo)較B1和B2分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%。

表2 不同耕作機(jī)具作業(yè)的田間作業(yè)性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 機(jī)插適應(yīng)性分析

表3為不同留茬高度對(duì)機(jī)插秧效果的影響。隨著留茬高度的增加，栽插深度依次降低，漏插率和傷秧率逐漸升高，漂秧率差異不顯著。耕作次數(shù)同樣會(huì)影響插秧效果，耕作次數(shù)為2次的效果顯著優(yōu)于耕作1次的效果。當(dāng)耕作次數(shù)為1次時(shí)，傷秧率明顯增加，經(jīng)自行研制的“履帶式拖拉機(jī)+自行研制的秸稈埋茬起漿機(jī)”耕作，除了傷秧率不符合標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他指標(biāo)均符合要求。采用H1N2的效果最好，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優(yōu)于其他處理。

表3 不同留茬高度對(duì)機(jī)插秧效果的影響

由表4可以看出，不同的耕作機(jī)具作業(yè)對(duì)機(jī)插秧效果的影響除栽插深度外其他指標(biāo)的差異顯著，從B1到B3，漏插率、漂秧率和傷秧率依次降低，B3處理的栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率顯著優(yōu)于其他處理。

表4 不同耕作機(jī)具作業(yè)對(duì)機(jī)插秧效果的影響

2.3 留茬高度對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表5為不同留茬高度對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，隨著留茬高度的增加，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率依次降低，千粒重差異不顯著。耕作次數(shù)同樣會(huì)影響水稻的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，耕作2次的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著優(yōu)于耕作1次的，但千粒重和結(jié)實(shí)率差異不顯著。經(jīng)H1N2處理的效果最好，有效穗數(shù)達(dá)到409.85萬(wàn)穗/hm2，穗粒數(shù)達(dá)到144.12粒，理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量分別達(dá)到10186.21 kg/hm2和7115.55 kg/hm2，增產(chǎn)效果顯著。

表5 不同留茬高度對(duì)水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

表6為不同耕作機(jī)具作業(yè)對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，從B1到B3，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量依次升高，經(jīng)B3處理的效果顯著優(yōu)于其他處理，但千粒重和結(jié)實(shí)率差異不顯著。

表6 不同耕作機(jī)具作業(yè)對(duì)水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

表7為不同耕作機(jī)具作業(yè)實(shí)際產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)比較。從表7中可以看出，B3處理的增產(chǎn)效果顯著，較B1和B2分別平均增產(chǎn)了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產(chǎn)率分別為9.63%和4.57%。

表7 不同耕作機(jī)具作業(yè)的增產(chǎn)效應(yīng)比較

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明，南方水田高留茬秸稈埋茬起漿機(jī)能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項(xiàng)作業(yè)工序，其作業(yè)深度、作業(yè)深度穩(wěn)定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等均符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)作業(yè)次數(shù)為1次時(shí)，作業(yè)性能基本符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求；當(dāng)作業(yè)次數(shù)為2次時(shí)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求和符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，較國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，作業(yè)過(guò)程平穩(wěn)，旋耕整地、地表平整質(zhì)量好，秸稈埋覆還田效果好。南方水田經(jīng)高留茬秸稈埋茬起漿機(jī)作業(yè)后，機(jī)插質(zhì)量好，當(dāng)耕作次數(shù)為1次時(shí)，除了傷秧率不符合標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他指標(biāo)均符合要求；當(dāng)耕作次數(shù)為2次時(shí)，各機(jī)插性能指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優(yōu)于其他處理。

3.2 討論

不同耕作機(jī)具田間作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，采用自行研制的“履帶自走式拖拉機(jī)+水田秸稈埋茬起漿機(jī)”具有顯著效果，與“輪式拖拉機(jī)+普通旋耕機(jī)”、自行研制的“履帶式拖拉機(jī)+普通旋耕機(jī)”相比，其作業(yè)深度、耕深穩(wěn)定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等耕作性能指標(biāo)分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%；栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等機(jī)插秧指標(biāo)均顯著優(yōu)于其他處理；大田試驗(yàn)增產(chǎn)效果顯著，分別平均增產(chǎn)了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產(chǎn)率分別為9.63%和4.57%。較傳統(tǒng)的耕作機(jī)具，自行研制的“履帶自走式拖拉機(jī)+秸稈埋茬起漿機(jī)”效果顯著，適宜在南方雙季稻區(qū)推廣應(yīng)用。