楊艷山，吳凡，趙亞平，胡志超，顧峰瑋，丁啟朔

(1. 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215000； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210031；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京市，210031)

0 引言

稻麥輪作是亞洲農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)種植制度之一，種植面積高達24 000 khm2[1-2]，屬于典型的、高強度土地利用制度。在干濕交換的過程里，水稻土的結(jié)構(gòu)、土壤有機物含量以及肥力都受到很大的破壞，導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)致密、難耕難種。為了提高了稻麥輪作系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力，保證糧食安全，稻茬田免耕播種技術(shù)越來越受到重視[3-4]。帶狀旋耕式免耕播種機以其良好的開溝碎土性能得到了大量的推廣與應(yīng)用，并且在實踐中取得了良好的經(jīng)濟效益[5-7]。

帶狀旋耕式免耕播種機的耕作質(zhì)量直接影響種-土接觸、種子萌發(fā)、根系生長和土壤保墑[8-9]。帶狀耕作的質(zhì)量受機具形狀、刀軸轉(zhuǎn)速和土壤性質(zhì)等多方面因素的影響,評價指標包括土壤破碎度、土壤回填率、種溝形狀等[10]。Matin等[11]研究表明旋耕刀彎曲部分尺寸直接影響土壤的回填效果，在沙壤土條件下，縮短刀具彎曲部分能夠有效地增加回填率。楊艷山等[2]通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，耕作部件形狀直接影響刀具的拋土特性，進而影響土壤破碎體的回填效果。Braunack等[12]認為土壤破碎體粒徑越小越有利于小麥的耕種，對于沙壤土理想的土壤破碎顆粒直徑在1～2 mm的范圍。Hossain等[13]研究發(fā)現(xiàn)種床邊界形狀對種子萌發(fā)、根系生長以及土壤的保墑具有顯著影響，規(guī)則的種床形狀更加有利于作物的生長。鑒于水稻田的土壤物性和復(fù)雜性，以往的研究不能完全反映帶狀旋耕機械在稻茬田的實際性能。據(jù)此，本文針對水稻土進行帶狀旋耕試驗研究，從土壤回填率、破碎效果等方面進行了對比分析，旨在找出原位水稻土條件下耕作部件對帶狀旋耕耕作的效果影響，為耕作部件的設(shè)計、優(yōu)化提供理論參考，促進帶狀旋耕式免耕播種機的改進，推動其在稻麥輪作的使用和推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及耕作處理

本研究進行了兩年的重復(fù)試驗，地點位于蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院東山試驗田，試驗時間分別為2020年10月30日和2021年11月6日。此試驗田一直用于稻麥輪作，土壤屬于粘性水稻土，砂粒、壤粒、黏粒分別為22.52%、38.61%、34.13%，液限 49.13%，塑限23.12%。

本文研究了鑿型旋耕刀、直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀在刀軸轉(zhuǎn)速為280 r/min、380 r/min和510 r/min下的耕作性能。采用4把旋耕刀作為帶狀耕作部件，種床深度為5 cm，種床寬度為6～9 cm，刀具形狀及排列方法如圖1所示。試驗結(jié)束后自然風干24 h，以便對種床形狀的測量及土壤破碎體取樣。

(a) IT225型旋耕刀

(b) 直刃旋耕刀

(c) 鑿型旋耕刀

1.2 種床截面的測量

隨機選取1 m長的耕作區(qū)域作為測試區(qū)域，將種床的內(nèi)外兩側(cè)的土壤用毛刷輕輕清理掉，測試時，首先目測確定種床的最大擾動位置，再經(jīng)微地貌測試儀對該位置前后2 cm以內(nèi)的區(qū)域進行4次測量，每次測量間隔1 cm，每個測試區(qū)域選取三個較大的擾動截面進行測試(圖2)。記錄探針位置，讀出測試儀上的標尺讀數(shù)，繪制最大擾動截面。

圖2 微地貌測量儀

1.3 種床截面擾動率

種床截面圖如圖3所示。

圖3 種床截面

根據(jù)繪制的擾動截面曲線圖，采用MATLAB軟件對截面面積進行計算，得出實際截面面積S1和理想截面面積S0，從而計算出種床截面擾動率P，P值越大說明刀具控制種床形狀的能力越弱，不利于理想種床的形成。具體計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：P——種床截面擾動率；

S1——實際截面面積，mm2；

S0——理想截面面積，mm2。

1.4 土壤破碎度

隨機抽取1 m長度的耕作區(qū)作為測試區(qū)域，利用小毛刷輕輕地把種床邊界外的土壤破碎體去除，再輕輕地取出存留在溝內(nèi)的全部土壤破碎體，并用毛刷將種床邊界清理干凈[10]。

采用平均土塊徑(MWD)為指標來對比評價3種旋耕刀的土壤破碎能力，為保證試驗真實性，上述試驗需要進行3次重復(fù)操作。風干待測土樣，然后逐一取出土壤破碎體，再經(jīng)直徑不同的組合篩完成土壤破碎顆粒的篩分，統(tǒng)計7個尺度區(qū)間(<2 mm，2～4 mm，4～8 mm，8～16 mm，16～32 mm，32～64 mm，>64 mm)的土壤破碎顆粒質(zhì)量，記作Mi，再計算所有樣土的總質(zhì)量，記作Mt，用Mi除以Mt得到土壤破碎顆粒的比質(zhì)量分布，計算如式(2)所示。

(2)

式中：Mi——該測量區(qū)間的土壤破碎顆粒的質(zhì)量，kg；

Mt——所有樣土的質(zhì)量綜合，kg；

PMSDi——在第i個測量區(qū)，土壤破碎體和樣土總質(zhì)量的比值。

平均土塊徑經(jīng)式(3)計算，其數(shù)值越小，表示該刀具對土壤的破碎能力越強。

MWD=∑iRi×PMSDi

(3)

式中：MWD——平均土塊徑，mm；

Ri——在第i級范圍，利用此區(qū)間的最大值和最小值計算平均，mm。

1.5 土壤回填率

計算回填率的方法，即測量擾動土壤的總質(zhì)量和種床內(nèi)的土壤破碎顆粒的總質(zhì)量，前者與后者的比值即為回填率[14]。提高種床里面的土壤破碎顆粒的質(zhì)量，可以提高回填率；越有助于種子的發(fā)芽、生長。使用厚度小于0.2 mm的塑料薄膜，將其輕輕覆在已經(jīng)處理干凈的待測區(qū)域，選用直徑低于1 mm，密度為1.28 kg/m3標準砂均勻地撒在薄膜上，達到和待測區(qū)域高度一致即可。取出標準砂，稱量它的質(zhì)量Ms，利用密度公式，代入公式得到種床的體積

(4)

式中：V——實驗區(qū)域的種床體積，m3；

Ms——實驗用的標準砂質(zhì)量，kg；

ρs——標準砂密度，kg/m3。

利用體積V，計算回填率

(5)

式中：Fb——回填率，%；

W——實驗區(qū)域的土體破碎顆粒的干重，kg；

ρw——土壤容重，kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 種床形狀及截面擾動率

如圖4和圖5所示，鑿型旋耕刀對土壤的擾動率最大，在280 r/min的刀軸轉(zhuǎn)速下，其對種床的截面擾動率達到19.51%，并且對種床邊界控制能力最低。直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀可以形成較為理想的種床截面，二者對種床截面的擾動率都控制在10%以內(nèi)。刀軸轉(zhuǎn)速的增加有助于形成理想種床截面，刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時，三種刀具形成的種床截面整齊度都有較大的改善。

2.2 土壤破碎度

由圖6可知，刀軸轉(zhuǎn)速是影響土壤破碎度的關(guān)鍵因素，刀軸轉(zhuǎn)速越高，形成的土壤破碎體的平均土塊徑越小[15]。對比3種旋耕刀，直刃旋耕刀形成的土壤破碎體粒徑顯著高于另外兩種刀具，在刀軸轉(zhuǎn)速是510 r/min 時，形成的平均土塊徑仍高達35 mm，無法滿足播種的需要。對于其他兩種刀具，當?shù)遁S轉(zhuǎn)速相同時，其形成的平均土塊徑?jīng)]有顯著差異。這與Matin[16]和Chertkiattipol[17]的研究結(jié)果一致。

2.3 土壤回填率

如圖7所示，刀軸轉(zhuǎn)速的提高會降低土壤破碎體的回填率。隨著刀軸轉(zhuǎn)速的提高，IT225旋耕刀形成的回填效果顯著降低，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時回填率僅有5%。直刃旋耕刀產(chǎn)生的土壤回填效果最好，在刀軸轉(zhuǎn)速為510 r/min時仍能達到50%。刀軸轉(zhuǎn)速的變化對鑿型旋耕刀影響較小，當?shù)遁S轉(zhuǎn)速為280 r/min和510 r/min時，回填率相差不到10%。

3 討論

在耕作的過程中，土壤破碎顆粒的大小、數(shù)量主要取決于刀軸的速度[18]。在切土階段，提高刀軸的轉(zhuǎn)速，可以讓土塊尺寸變小，增加拋出的土壤破碎顆粒的動能，當土壤破碎顆粒與擋板碰撞時，加大二次破碎的劇烈程度[19]。因此，刀軸轉(zhuǎn)速的提高，可以提高土壤破碎的能力。直刃旋耕刀由于沒有正切刃，無法將土壤拋出形成二次破碎，所以無法產(chǎn)生細碎的土壤破碎體(圖6)。直刃旋耕刀不具有拋特性[11]，因此產(chǎn)生的土壤回填率顯著高于其他兩種刀具，但種床內(nèi)土壤破碎體的平均土塊徑過大(>30 mm)。據(jù)此，由直刃旋耕刀形成的種床環(huán)境無法適應(yīng)播種需要，不宜作為小麥帶狀耕作播種機的耕作部件。

(a) IT225型旋耕刀

(b) 直刃旋耕刀

(c) 鑿型旋耕刀

圖5 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對種床截面擾動率的影響

圖6 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對平均土塊徑的影響

圖7 刀具的轉(zhuǎn)速和外形對回填率的影響

在土壤破碎過程中，IT225型刀具連續(xù)對種床的內(nèi)壁完成擠壓、切削的動作，其基本不受刀軸轉(zhuǎn)速的影響，可以保證內(nèi)壁截面整齊(圖4和圖5)。

IT225型旋耕刀的橫切刃較大，拋土現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生的回填效果顯著低于其他刀具(圖7)。鑿型旋耕刀同樣具有拋土特性，但其產(chǎn)生的側(cè)拋率小于IT225型旋耕刀，因此產(chǎn)生的土壤回填效果相對較好。鑿型旋耕刀形成的破碎過程是由土壤拉伸失效產(chǎn)生的。鑒于拉伸失效裂紋的不可控性[20]，在耕作過程中，鑿型旋耕刀形成的種床內(nèi)壁不整齊且不容易控制(圖4)，此時的擾動率遠遠超過其他刀具(圖5)。

提高刀軸的轉(zhuǎn)速，可以降低切土的節(jié)距，在耕作過程中可以降低對土壤體積的影響。據(jù)此，將刀軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為510 r/min時，鑿型旋耕刀可以得到較好的種床截面，截面的整齊度有所改善，但其效果仍低于另外兩種刀具的。

耕作過程要滿足適于種子發(fā)芽、作物生長的需求，以便種子得到適宜的空氣和水分，因此需要得到良好的種床環(huán)境。帶狀旋耕的方式下，需要產(chǎn)生足夠多的土壤破碎顆粒，較小的土壤擾動面積以及種床截面整齊的環(huán)境，據(jù)此，耕作刀具應(yīng)該同時考慮直刃旋耕刀和鑿型旋耕刀的優(yōu)勢，既可以在種床內(nèi)產(chǎn)生足量的土壤破碎顆粒，也可以得到良好的種床截面。

4 結(jié)論

1) 耕作部件形狀是影響土壤回填效果的關(guān)鍵因素，直刃旋耕刀沒有正切刃，沒有拋土能力，當?shù)遁S轉(zhuǎn)速是510 r/min時，其形成的回填率可達到50%左右；IT225型旋耕刀的正切刃大于鑿型刀，其形成的回填率顯著大于IT225型旋耕刀。

2) 刀軸轉(zhuǎn)速的大小直接影響土壤的回填效果和破碎能力。提高刀軸的轉(zhuǎn)速，會導(dǎo)致拋土問題嚴重，土壤回填效果明顯降低，但對土壤的破碎效果提高。當?shù)遁S的轉(zhuǎn)速大于280 r/min時，IT225旋耕刀對土壤的破碎能力較強，但是回填效果一般，形成的種床環(huán)境無法使種子和土壤形成良好的接觸。

3) 本研究為帶狀旋耕耕作部件優(yōu)化指明了方向，即兼顧直刃旋耕刀和鑿型旋耕刀的特點，將兩種或幾種刀具進行有機結(jié)合，以滿足不同土壤條件下帶狀旋耕播種的需求。