盧 琦， 王 璐， 劉 蕓， 李麗紅， 劉立晶， 鄭德聰

（1. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100083； 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

燕麥屬于禾本科燕麥屬一年生草本植物，是一種糧飼兼用型作物，具有豐富的營養(yǎng)價值和保健價值[1-5]。近年來，隨著“糧改飼”等農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的推進，以及人們生活水平的提高和科學(xué)膳食觀念的普及，我國燕麥市場需求增大，種植面積呈逐年增加的趨勢[6]。但目前還沒有專用的燕麥播種機，導(dǎo)致機械化播種質(zhì)量不高，需進行深入研究。

鎮(zhèn)壓作為機械化播種的主要環(huán)節(jié)之一，主要作用是對播種過程中的覆土環(huán)節(jié)進行壓密，鎮(zhèn)壓強度的大小直接影響播種機鎮(zhèn)壓效果。在旱作條件下，合理的鎮(zhèn)壓可以起到節(jié)水保墑的作用，提高發(fā)芽率和出苗率；鎮(zhèn)壓強度過大，會造成土壤板結(jié)，土壤團粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，透氣性變差；鎮(zhèn)壓不均勻則導(dǎo)致種子播種深度不一致，影響種子的出苗率，進而影響作物產(chǎn)量[7-9]。李曉靜等[10]為探索鎮(zhèn)壓處理的作用，研究了播后鎮(zhèn)壓對小麥生長發(fā)育特性和產(chǎn)量的影響，探索增加小麥產(chǎn)量的農(nóng)藝措施，研究結(jié)果表明鎮(zhèn)壓處理可起到增產(chǎn)增收的作用。黨紅凱等[11]為明確造墑和播后鎮(zhèn)壓對小麥冬前耗水和群體與個體特征及產(chǎn)量的影響，為確定播后鎮(zhèn)壓技術(shù)和提高小麥水分利用效率提供依據(jù)，開展了田間試驗，試驗結(jié)果表明墑情適宜是小麥播后鎮(zhèn)壓的基礎(chǔ)，鎮(zhèn)壓又是提墑壯苗的保障；河北地區(qū)小麥播種后采用95 kg/m 鎮(zhèn)壓器便于田間操作且鎮(zhèn)壓效果較好。張榮亭等[12]分析了不同鎮(zhèn)壓方式對冬小麥產(chǎn)量影響的差異性，鎮(zhèn)壓有利于小麥增產(chǎn)增收，播前鎮(zhèn)壓增產(chǎn)效果更為顯著。崔正果等[13]研究了在玉米秸稈全量粉碎耕翻還田條件下播種深度與鎮(zhèn)壓強度對玉米出苗率的影響。綜上所述，目前在鎮(zhèn)壓處理對作物的農(nóng)藝學(xué)特性影響研究方面僅限于玉米、小麥等主要糧食作物，對于不同鎮(zhèn)壓處理對燕麥生長特性的影響研究還比較少，有必要開展試驗研究。

本研究通過設(shè)計鎮(zhèn)壓試驗裝置，研究不同鎮(zhèn)壓強度條件對燕麥的出苗率、苗期根莖葉干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量等農(nóng)藝學(xué)特性的影響，確定燕麥生長最佳的鎮(zhèn)壓強度，以期為燕麥專用播種機鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計提供參考。

1 鎮(zhèn)壓機理分析

1.1 鎮(zhèn)壓試驗裝置設(shè)計

為了探究鎮(zhèn)壓對燕麥生長的影響，消除播種機其他部件的影響，設(shè)計了一種鎮(zhèn)壓試驗裝置，如圖1 所示。試驗裝置主要由配重箱、鎮(zhèn)壓輪、手柄推桿等組成。試驗時，操作人員通過手柄推桿驅(qū)動整個試驗裝置向前行進，運動過程中配重箱始終保持垂直，可通過改變配重箱中不同的配重來改變鎮(zhèn)壓強度的大小，實現(xiàn)試驗要求。

圖1 鎮(zhèn)壓試驗裝置Fig. 1 Suppression test device

鎮(zhèn)壓輪選擇播種機上最常見的平面輪型式，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2a 所示，平面鎮(zhèn)壓輪寬度B為150 mm，外徑D為350 mm。試驗時采用尼龍棒（PA66）加工而成，實物如圖2b 所示。

圖2 鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of pressing wheel

1.2 鎮(zhèn)壓強度確定

為探究土壤所受鎮(zhèn)壓強度的大小，需對鎮(zhèn)壓裝置進行受力分析，如圖3 所示。圖中F為操作人員通過手柄推桿驅(qū)動鎮(zhèn)壓輪向前運動施加的外力，N；R為鎮(zhèn)壓輪受土壤的反作用力，N；β為作用力與垂直方向夾角；Rx、Rz分別表示鎮(zhèn)壓輪受土壤反作用力的水平方向分力和垂直方向分力，N；Q為鎮(zhèn)壓輪所受的下壓力，方向垂直向下，為重力載荷，由質(zhì)量與重力加速度之積表示，N；Z0為鎮(zhèn)壓輪的最大沉陷量，cm；Z為某一時刻土壤的沉陷量，cm。

圖3 鎮(zhèn)壓輪受力分析Fig. 3 Force analysis of suppression wheel

在垂直方向上，土壤對鎮(zhèn)壓輪的反作用力在垂直方向的分力Rz與鎮(zhèn)壓輪所受的下壓力Q互為作用力與反作用力，二者大小相等，方向相反。根據(jù)受力分析可知

式中p——深度Z處的土壤抗壓強度，kPa

B-鎮(zhèn)壓輪寬度，mm

x——單位土壤作用力作用點與鎮(zhèn)壓輪圓心間的距離，mm

由Bekker 經(jīng)驗公式確定土壤抗壓強度p與下陷量Z0關(guān)系方程為[14]

式中K——土壤特性參數(shù)，N/cm2

kc——與土壤內(nèi)聚力有關(guān)的系數(shù)

kφ——與土壤摩擦力有關(guān)的系數(shù)

n——沉陷指數(shù)

由式（1）、式（2）和式（3）化簡，并略去高次項可得[14]

為了方便計算，非剛性路面承受載荷，當(dāng)輪子的下陷量不大時，下陷量的計算可簡化為[15-16]

式中 α0—與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)α0=1.01，計算可得K=5.100 5 N/cm2。

對剛松過土的黏土土壤來說，土壤特性相關(guān)參數(shù)取

1.3 鎮(zhèn)壓輪接地面積確定

對于剛性輪在非剛性路面上行走時，其接地面積可視為矩形，面積可由剛性輪寬度與徑向接觸弧長之積表示[15]。鎮(zhèn)壓輪接觸地面情況如圖4 所示。

圖4 鎮(zhèn)壓輪接地情況Fig. 4 Contact between suppression wheel and ground

式中S——平面輪接地面積，cm2

β——接觸角，（°）

lAB——平面輪與地面接觸弧長，cm

化簡式（7）可得

1.4 鎮(zhèn)壓強度與鎮(zhèn)壓輪下陷量的關(guān)系

忽略鎮(zhèn)壓輪下土壤向兩側(cè)流動，則接地面上邊緣和中心部位的土壤被同等程度地壓緊，這樣鎮(zhèn)壓輪對地面的垂直作用力可以近似認為是在矩形面上的均勻分布[16]。鎮(zhèn)壓輪對土壤的壓強為ρ，則

式中 ρ——平面輪對土壤的壓強，kPa

鎮(zhèn)壓輪對土壤的壓強主要根據(jù)土壤的性質(zhì)、水分、密度和作物的要求而定，根據(jù)農(nóng)藝要求，一般為30～50 kPa[17]。為了探究燕麥生長最優(yōu)的鎮(zhèn)壓強度值，適當(dāng)擴展鎮(zhèn)壓強度取值范圍，并做對照組試驗，取鎮(zhèn)壓強度ρ分別為0、15、30、45、60 和75 kPa。將K=5.100 5，D=350 mm，B=150 mm 分別帶入公式計算，可得鎮(zhèn)壓輪的下陷量Z0。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗條件

試驗于2021 年3 月25 日至7 月22 日在晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)申奉試驗田進行。試驗土壤為黏質(zhì)土，試驗前經(jīng)測試土壤容積密度為1.27 g/cm3，0～20 cm 土壤平均含水率為19.6%。土壤pH 值為7.3，有機質(zhì)質(zhì)量分 數(shù)為1.59%， 堿 解 氮 為103.6 mg/kg， 速 效 磷 為23.7 mg/kg，速效鉀為141.0 mg/kg，前茬作物為蕎麥。

試驗設(shè)備包括泰鴻404 型拖拉機、1GKN-200 型旋耕機、V 型鎮(zhèn)壓器、電子秤、鋼板尺、鋁盒、干燥箱、鐵鍬、5TG-85 型脫粒機、簸箕及清選篩等。

2.2 試驗方案

以鎮(zhèn)壓強度0、15、30、45、60 和75 kPa 為因素，以燕麥出苗率、苗期干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量為評價指標，開展單因素試驗。其中鎮(zhèn)壓強度為0 時為對照組，每組重復(fù)3 次。

2.3 田間試驗

2.3.1 試驗地預(yù)處理

試驗地經(jīng)1GKN-200 型旋耕機旋耕后，表層土壤較虛，播種前用V 型鎮(zhèn)壓器進行鎮(zhèn)壓作業(yè)，保證地表平整、土質(zhì)細碎，播前鎮(zhèn)壓作業(yè)如圖5 所示。

圖5 播前鎮(zhèn)壓Fig. 5 Suppression before sowing

2.3.2 配重與鎮(zhèn)壓輪下陷量標定試驗

根據(jù)式（5）和式（9）可知，鎮(zhèn)壓輪最大沉陷量Z0與鎮(zhèn)壓輪所受下壓力Q正相關(guān)，假設(shè)鎮(zhèn)壓輪所受下壓力Q全部來源于試驗配重G（包含鎮(zhèn)壓裝置自身質(zhì)量），田間試驗時通過改變配重來改變鎮(zhèn)壓輪所受下壓力Q的大小，進而改變鎮(zhèn)壓強度ρ和鎮(zhèn)壓輪下陷量Z0。為了試驗的可操作性，需求解不同鎮(zhèn)壓強度時所加配重的大小，因此研究配重G與下陷量Z0的關(guān)系是有必要的，需對鎮(zhèn)壓輪進行下陷量標定試驗。假定同一土壤條件和同一配重下，試驗過程中操作人員施加的F值和標定過程的值相等。標定時，通過電子秤稱量配重G，用卷尺測量鎮(zhèn)壓輪下陷量Z0。為增加標定曲線的準確性，標定過程每增加10 kg 測一次土壤下陷量，測量5 次求平均值。標定過程鎮(zhèn)壓輪盡可能保持勻速運動，每次行走距離不小于3 m。

通過Excel 軟件擬合工具得到土壤下陷量Z0和配重G的曲線如圖6 所示，擬合出來的二次方程如式（10），R2達0.997 9，擬合效果好。

圖6 標定曲線Fig. 6 Calibration curve

基于擬合函數(shù)關(guān)系將Z0取值分別帶入式（10）中，可以求解到不同鎮(zhèn)壓強度下鎮(zhèn)壓試驗時所加配重G的大小，如表1 所示。

表1 計算結(jié)果Tab. 1 Calculation result

2.3.3 播種試驗

播種試驗選用小區(qū)播種方式，小區(qū)面積為2 m×5 m=10 m2，為方便數(shù)據(jù)采集，小區(qū)與小區(qū)之間長度方向間隔1 m。選用燕麥品種為品燕4 號，測得種子平均含水率為9.46%，平均千粒質(zhì)量為25 g。根據(jù)燕麥農(nóng)藝要求，每個小區(qū)播6 行，播種量按150 kg/hm2計算，播種數(shù)為500 粒/行。為保證出苗率試驗數(shù)據(jù)準確且減少工作量，每小區(qū)選用2 行按500 粒/行播種，其他行按150 kg/hm2計算種子量播種。播種時，采用機械開溝作業(yè)，通過調(diào)整開溝器的深度來控制播種深度；播種后按試驗設(shè)計方案進行鎮(zhèn)壓。

3 結(jié)果與分析

3.1.1 出苗率測定

自燕麥播種15 d 后，開始統(tǒng)計各試驗小區(qū)燕麥出苗數(shù)據(jù)，每隔2 d 同一時間記錄1 次出苗率，當(dāng)出苗率連續(xù)3 次統(tǒng)計沒有增加時為止，視為出苗結(jié)束，最終的出苗率作為該播種小區(qū)試驗最終評價數(shù)據(jù)，數(shù)值取3 組重復(fù)試驗的平均值。出苗率按式（11）計算。

3.1 試驗測定方法及結(jié)果

試驗結(jié)果如圖7 和表2 所示。

圖7 出苗率隨時間的變化曲線Fig. 7 Variation curve of emergence rate with time

3.1.2 苗期干物質(zhì)量測定

在燕麥苗期，采用5 點法取各小區(qū)內(nèi)生長的整株燕麥5 簇，為保證燕麥根系的完整，取樣時連帶土壤一同鏟起。將帶土的整株燕麥用水沖洗干凈后，同一試驗處理隨機取5 組燕麥植株，每組10 株，用剪刀進行根、莖葉分離后，將根和莖葉分別進行烘干，記錄根的干物質(zhì)量和莖葉的干物質(zhì)量，取平均值為該試驗處理的評價數(shù)據(jù)。試驗過程如圖8 所示，試驗結(jié)果如表2 所示。

圖8 試驗過程Fig. 8 Test process

3.1.3 產(chǎn)量測定

首先按照小區(qū)的順序依次進行收割，并做好標記，采用人工收割的辦法，將小區(qū)內(nèi)的燕麥植株割倒、成捆、運輸?shù)缴轿鬓r(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院實驗室內(nèi)，用5TG-85 型脫粒機進行脫粒，人工清選得到干凈的燕麥籽粒后，進行稱質(zhì)量并計算產(chǎn)量，采用烘干法測量收獲后的燕麥籽粒含水率為15.42%。測定過程如圖9 所示，測定結(jié)果如表2 所示。

圖9 產(chǎn)量測定Fig. 9 Yield determination

表2 試驗結(jié)果Tab. 2 Test results

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 燕麥出苗率

由圖10 可知，從出苗率變化趨勢來看，出苗率隨鎮(zhèn)壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.908 1，鎮(zhèn)壓強度過大或者過小都會影響燕麥的出苗率。適當(dāng)?shù)逆?zhèn)壓強度可以壓密土壤，使得土壤與燕麥種子充分接觸，加之鎮(zhèn)壓作業(yè)具有蓄水保墑的作用，促使種子更好地發(fā)芽，使得出苗率升高；但當(dāng)鎮(zhèn)壓強度過大時，會造成土壤堅實度增大，土壤板結(jié)，燕麥種子出苗阻力增大，種子出苗所需頂土力變大，造成出苗困難。當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，燕麥的出苗率最高，為78.33%；當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為0 時，燕麥的出苗率最低，為60.21%，出苗率從高到低鎮(zhèn)壓強度依次為45、60、30、15、75 和0 kPa；與不鎮(zhèn)壓對比，當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，出苗率可增加30.09%。從出苗時間來看，出苗從早到晚鎮(zhèn)壓強度依次為45、60、30、15、75 和0 kPa。從苗情群體分析和整體鎮(zhèn)壓效果來說，鎮(zhèn)壓強度為ρ=30～60 kPa 時，燕麥的出苗率較高，有利于種子發(fā)芽。

圖10 出苗率隨鎮(zhèn)壓強度的變化曲線Fig. 10 Variation curve of emergence rate with suppression intensity

3.2.2 燕麥苗期干物質(zhì)積累量

（1）不同鎮(zhèn)壓強度對燕麥苗期根干物質(zhì)積累量的影響。

由圖11 可知，燕麥苗期根干物質(zhì)積累量隨鎮(zhèn)壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.908 2。這是因為，適宜的鎮(zhèn)壓作業(yè)使種子更好地與土壤接觸，可以給種子提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)和土壤環(huán)境，有利于根的生長發(fā)育。鎮(zhèn)壓強度過大時，土壤孔隙度減小，種子根部生長受阻，干物質(zhì)積累量減小。整體來看，在試驗范圍內(nèi)，鎮(zhèn)壓后燕麥苗期根的發(fā)育要比不鎮(zhèn)壓發(fā)育的好，不鎮(zhèn)壓時，苗期根干物質(zhì)積累量最低，為0.066 g/株；當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，苗期根干物質(zhì)積累量最高，為0.088 g/株，相比不鎮(zhèn)壓時增加33.33%。

圖11 根干物質(zhì)積累量隨鎮(zhèn)壓強度的變化曲線Fig. 11 Variation curve of root dry matter accumulation with suppression intensity

（2）不同鎮(zhèn)壓強度對燕麥苗期莖葉干物質(zhì)積累量的影響。

由圖12 可知，燕麥苗期莖葉干物質(zhì)積累量隨鎮(zhèn)壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.950 3。適宜的鎮(zhèn)壓強度可為燕麥生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境，促進燕麥的生長，燕麥易形成壯苗，當(dāng)鎮(zhèn)壓強度過大時，土壤過于密實，不利于種子出苗和扎根，燕麥種子在破土過程中消耗大量的養(yǎng)分，也會使得種子出苗后表現(xiàn)較為纖細，苗期干物質(zhì)量積累量減少。整體來看，在試驗范圍內(nèi)，鎮(zhèn)壓后燕麥苗期莖葉干物質(zhì)積累量比不鎮(zhèn)壓時好，即鎮(zhèn)壓處理有利于燕麥苗期的發(fā)育。不鎮(zhèn)壓時，苗期莖葉干物質(zhì)積累量最低，為0.412 g/株；當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，苗期莖葉干物質(zhì)積累量最高，為0.546 g/株，相比不鎮(zhèn)壓時增加32.52%。

圖12 莖葉干物質(zhì)積累量隨鎮(zhèn)壓強度的變化曲線Fig. 12 Variation curve of dry matter accumulation of stems and leaves with suppression intensity

3.2.3 不同鎮(zhèn)壓強度對燕麥產(chǎn)量的影響

由圖13 可知，燕麥產(chǎn)量隨鎮(zhèn)壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.961。當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為0 時，燕麥產(chǎn)量最低，為2 145.45 kg/hm2；當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，燕麥產(chǎn)量最高，為2 501.25 kg/hm2，相比不鎮(zhèn)壓時增產(chǎn)16.58%。當(dāng)鎮(zhèn)壓強度分別為15、30、60 和75 kPa 時，燕麥產(chǎn)量分別為2 253.9、2 375.7、2 404.65 和2 178.15 kg/hm2，相比不鎮(zhèn)壓時分別增產(chǎn)5.05%、10.73%、12.08%和1.52%。適宜的鎮(zhèn)壓強度可促進燕麥生長，促進燕麥增產(chǎn)，這為旱作燕麥的高產(chǎn)栽培技術(shù)和高效機械化生產(chǎn)技術(shù)提供了依據(jù)和參考。

圖13 產(chǎn)量隨鎮(zhèn)壓強度的變化曲線Fig. 13 Variation curve of yield with suppression intensity

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種鎮(zhèn)壓強度可調(diào)的鎮(zhèn)壓裝置，分析了鎮(zhèn)壓輪與土壤的相互作用，通過理論計算和田間標定試驗，得出了0、15、30、60 和75 kPa 不同鎮(zhèn)壓強度條件下鎮(zhèn)壓試驗所加配重質(zhì)量分別為0、6.28、15.95、33.42、61.89 和111.64 kg。

（2）不同鎮(zhèn)壓強度影響燕麥的出苗、苗期生長發(fā)育及產(chǎn)量，適宜的鎮(zhèn)壓強度有助于燕麥生長，當(dāng)鎮(zhèn)壓強度為45 kPa 時，燕麥生長發(fā)育情況表現(xiàn)最佳，燕麥出苗率、苗期根干物質(zhì)積累量、莖葉干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量分別為78.33%、0.088 g/株、0.546 g/株、2 501.25 kg/hm2，相比不鎮(zhèn)壓時，分別增加了30.09%、33.33%、32.52%、16.58%。