張晉 薛亞光 劉旭杰 單海勇 吳崇友 劉建

摘要：針對長江中下游稻麥輪作區(qū)小麥播種作業(yè)時，存在搶季節(jié)耕種農(nóng)機配套性差、土壤黏重以及秸稈還田難等問題，創(chuàng)制“稻茬麥秸稈行間集覆還田寬窄行種植”技術(shù)模式，此模式具有行間集秸、條帶旋耕、集中施肥、潔區(qū)播種以及對行鎮(zhèn)壓等技術(shù)特征，通過建立秸稈行間集覆運動的力學模型，設(shè)計絞龍式秸稈行間集秸裝置、開溝旋耕一體式裝置、集中施肥裝置、浮動覆土板以及對行鎮(zhèn)壓器等關(guān)鍵部件，研制一種稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機。田間試驗結(jié)果表明，秸稈行間集覆還田與寬窄行種植結(jié)合有效提高稻茬麥種床整地質(zhì)量，潔區(qū)潔凈度87.69%，小麥窄行平均行距為148 mm，寬行行距平均為304 mm，行距變異系數(shù)為5.36%，平均播深為33 mm，播深合格率為95.76%，晾籽率為0.98%，碎土率為86.01%。施肥方式為耕前集中施肥，平均施肥深度為65 mm，施肥深度合格率為94.63%，均滿足國家標準。廂溝平均深度為175 mm，溝面寬度為198 mm，滿足排水要求。試驗田實際產(chǎn)量為8 059.2 kg/hm2，高出平均產(chǎn)量20%以上，油耗較對比機型降低31.24%。為稻茬麥綠色低碳保護性耕作技術(shù)模式提供農(nóng)機支撐，促進農(nóng)機農(nóng)藝高效快速融合。

關(guān)鍵詞：稻茬麥；潔區(qū)播種機；稻秸還田；機藝融合

中圖分類號：S223.2+4? 文獻標識碼：A? 文章編號：20955-553 （2024） 03-0014-10

Design and experiment of gather straws rotary tillage fertilizer planter in 2BFGK-12

for wheat after rice seeder

Zhang Jin1， 2， Xue Yaguang1， Liu Xujie1， Shan Haiyong1， Wu Chongyou2， Liu Jian1

（1. Jiangsu Yanjiang Institute of Agricultural Sciences/Nantong Key Laboratory of Circular Agriculture， Nantong，226012， China； 2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Nanjing， 210014， China）

Abstract：

In response to the problems of poor supporting agricultural machinery， heavy sticky soil and difficulty in returning straw to the field during wheat sowing in rice-wheat rotation area of the middle and lower reaches of the Yangtze River， the technical model of “inter-row straw mulching and returning to the field in wide and narrow rows” was developed， which has the technical features of inter-row straw collection， strip rototilling， concentrated fertilizer application， clean area sowing and counter-row suppression， etc. By establishing the mechanical model of interrow straw covering movement， designing the key components such as auger type straw row covering device， ditching rotary tillage integrated device， centralized fertilization device， floating soil cover plate and row roller， a kind of rotary tillage fertilization seeder in wheat cleaning area after rice stubble was developed. The results of the field trial showed that the combination of straw inter-row mulching and wide and narrow row planting effectively solved the problems of poor quality of the rice stubble wheat seed bed. The cleanliness of the area was 87.69%， the average row spacing was 148 mm in the narrow rows of wheat and 304 mm in the wide rows， with a coefficient of variation of 5.36%， the average sowing depth was 33 mm， the sowing depth pass rate was 95.76%， the seed drying rate was 0.98% and the broken soil rate was 86.01%. Fertiliser application was concentrated before ploughing， with an average depth of 65 mm and a pass rate of 94.63%， all of them met the national standards. The average depth of the furrow was 175 mm and the width of the furrow surface was 198 mm， which met the drainage requirements. The actual yield of the trial field was 8059.2 kg/hm2， more than 20% higher than the average yield， 31.24% reduction in fuel consumption compared to full width seeders. The study provides agricultural machinery support for the green and low-carbon conservation tillage technology model of rice stubble wheat， and promotes the efficient and rapid integration of agricultural machinery and agronomy.

Keywords：wheat after rice; clean area planter; rice straw returning; combination of farm machinery with agronomy

0 引言

小麥作為我國的兩大口糧之一，自給率長期超過90%［1］。長江中下游地區(qū)屬黃淮冬麥區(qū)南片是我國商品小麥重要產(chǎn)區(qū)，稻麥兩熟種植模式是該地區(qū)主要種植制度［2］。近年來，水稻收獲遲、騰茬晚以及搶季節(jié)耕種農(nóng)機配套性差等問題愈發(fā)突出［3］?，F(xiàn)行的以“犁—旋”方式耕作對土壤墑情要求較高且機械能耗較大，而旋耕方式難以實現(xiàn)大量稻秸高質(zhì)量還田并容易導致小麥晾種架種［4， 5］。由于缺乏適應性強的配套機具，加之國內(nèi)原油價格持續(xù)高位震蕩等原因，稻茬麥種植成本激增，農(nóng)民種植積極性不高，導致冬小麥經(jīng)濟效益受到?jīng)_擊。

為解決稻茬麥播種存在的搶季節(jié)耕種農(nóng)機配套性差、土壤黏重以及秸稈難以還田等問題，研究人員從種植模式到機具設(shè)計開展了大量工作。在現(xiàn)有的稻茬小麥典型的種植模式中，前茬水稻秸稈的處理多采用旋耕翻埋或溝埋的還田方式［6］，受水稻秸稈量不斷增大，前茬收獲機具秸稈拋撒不均勻等因素的制約，翻埋還田會造成更大的土壤擾動以及更高的能源消耗，不利于實現(xiàn)降本增效的綠色生產(chǎn)目標。研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋還田與翻埋還田均可有效提高作物產(chǎn)量，改善土壤的理化性質(zhì)［711］，基于此，提出寬窄行的種植模式［1216］。為配套稻麥輪作地區(qū)一年兩熟的耕作制度，創(chuàng)制了交互種植保護性耕作技術(shù)模式［1719］，該模式以“行間集秸、條帶旋耕、集中施肥、潔區(qū)播種、對行鎮(zhèn)壓”為技術(shù)特征，形成以寬行（300 mm）秸稈集覆、窄行（150 mm）潔區(qū)播種為核心的適合稻茬田小麥寬窄行種植作業(yè)模式。

現(xiàn)有的機具大多針對既有的種植模式，采取播前埋茬的技術(shù)路線，秸稈埋覆效果差［20］，采用雙軸旋耕的方式［21］以及秸稈分流覆蓋還田的方式［22， 23］可有效解決秸稈埋覆效果差的問題，但功耗也會增加。“潔區(qū)播種”［24］概念的提出，為解決稻茬麥高質(zhì)高效種植提供了思路。本文基于寬窄行種植模式，設(shè)計研制一種稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機，滿足小麥寬窄行種植作業(yè)模式的農(nóng)藝要求，對提高稻茬麥種床制備質(zhì)量、提高晚播小麥出苗率，促進稻茬小麥增產(chǎn)增收，保障國家糧食安全、推動農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)均具有重要意義。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

稻茬麥寬行交互保護性耕作可有效協(xié)調(diào)糧食安全、秸稈禁焚、保肥保水三者之間的矛盾，配套相應作業(yè)機械可實現(xiàn)耕地增效與環(huán)境友好的目標［25］。根據(jù)小麥寬窄行種植模式的農(nóng)藝要求，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，提出如下設(shè)計思路：（1）采取寬行（300 mm）秸稈行間集覆、窄行（150 mm）潔區(qū)條播（雙行）的播種方式，實現(xiàn)小麥行距300 mm與150 mm交互種植，有效改善冬季因地面積溫造成的小麥出苗率低，分蘗性差的問題，減少作物生長過程中蔭蔽產(chǎn)生的影響［26， 27］；（2）選用耕前秸稈行間集覆的作業(yè)順序，形成清潔的播種行，減少前茬作物秸稈對小麥播種產(chǎn)生的負面效果，提高種床制備質(zhì)量；（3）只針對播種行進行旋耕碎土、集中施肥作業(yè)，降低耕作層土體擾動，減少作業(yè)功耗；（4）適配南方稻茬麥農(nóng)藝要求，旋耕碎土同時對未耕地進行開溝作業(yè)，可減少機具下地次數(shù)，同時在未耕地進行開溝作業(yè)可保證排水溝的溝壁強度，降低因后期雨水增多導致的排水溝坍塌阻塞的風險；（5）采用雙行種植的作業(yè)方案，旋耕刀棍后安置擋板，防止出現(xiàn)種子因土壤的無序碰撞引起的漏播和均勻度下降的現(xiàn)象，播后進行對行鎮(zhèn)壓，以保證播種作業(yè)深度。作業(yè)模式如圖1所示。

1.1 整機結(jié)構(gòu)

稻茬麥集秸旋耕施肥播種機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由三點懸掛裝置、行間集秸裝置、施肥裝置、條帶旋耕裝置、開溝裝置、播種裝置、擋土板及鎮(zhèn)壓輪等部件組成。行間集秸裝置安置在機具最前端，對應潔區(qū)播種行呈陣列分布，左右均布對稱安裝，肥料使用排肥板輸送，可保證肥料均勻分布于播種行，旋耕刀分布、種肥排出裝置以及鎮(zhèn)壓輪設(shè)計均與集秸裝置相匹配，旋耕刀棍中設(shè)圓盤開溝器，并在后置整形器以保證溝面光滑平整。該技術(shù)模式下機具的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機通過三點懸掛與拖拉機聯(lián)接，作業(yè)時，拖拉機帶動機具前進作業(yè)，拖拉機通過動力輸出軸向高速齒輪箱輸入540 r/min的額定轉(zhuǎn)速，經(jīng)傳動系統(tǒng)帶動條帶旋耕與開溝刀棍、絞龍轉(zhuǎn)動。

作業(yè)前，調(diào)節(jié)拖拉機懸掛限位拉桿使機具水平，通過拖拉機液壓升降系統(tǒng)將行間集秸裝置與地面接觸，并與地面平行。檢查種肥排出裝置的連接狀態(tài)，保證種肥排出裝置轉(zhuǎn)軸與步進電機聯(lián)動，隨拖拉機驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)種肥排出速率。觀察條帶旋耕與開溝裝置的位置，調(diào)至符合作業(yè)要求的深度。

作業(yè)時，行間集秸裝置將窄行內(nèi)的稻茬與稻秸向?qū)捫休S向輸送，使稻茬與稻秸集覆于寬行，在窄行形成潔區(qū)；排肥裝置將底肥集中施到播種行內(nèi)，由旋耕刀旋耕入土，并將土壤細碎，完成種床制備；安置在刀輥上的旋耕開溝裝置開出排水溝，便于后期農(nóng)田排澇；旋耕細碎的土壤經(jīng)擋板二次粉碎，均勻拋灑在播種行，排種裝置排出的種子與擋板下方的土壤充分混合，埋入潔區(qū)中；通過鎮(zhèn)壓輪實現(xiàn)鎮(zhèn)壓平整，完成潔區(qū)寬窄行播種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 行間集秸裝置

秸稈行間集秸裝置主要有絞龍葉片、絞龍軸、上擋板、后擋板和首末端軸承等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)寬窄行種植的農(nóng)藝要求（播種窄行間距150 mm），結(jié)合行間集秸裝置的工作環(huán)境（稻秸為運輸物料、與未耕地表接觸、地表有留茬），參照螺旋絞龍設(shè)計理論［28］，將絞龍設(shè)置為分段式（帶式螺旋葉片），左右各安置三段，每段200 mm間隔250 mm，中間間隔400 mm，分別在絞龍上方以及后下方安置擋板，如圖3所示。采用側(cè)邊鏈條傳動的方案，另一端采用軸承安裝在側(cè)板上。進行秸稈集覆作業(yè)時，散落在地表上的稻秸與稻茬由絞龍與后擋板之間的縫隙進入行間集秸裝置，絞龍在動力驅(qū)動下進行旋耕作業(yè)，將稻秸與稻茬輸送至一側(cè)，隨著機具的前進，形成一條整潔的播種作業(yè)區(qū)，寬行中形成秸稈集覆區(qū)。

為確定行間集秸裝置合理的參數(shù)范圍，選取秸稈為研究對象，任取絞龍葉片上一點對其進行受力分析，如圖4所示。

不考慮秸稈行間集覆作業(yè)時受空氣阻力影響，稻秸在任意時刻所受的合力F為自身重力G、絞龍葉片的支持力N和摩擦力f。本機具中，絞龍葉片起到將稻秸集覆到寬行中的作用，因此，稻秸的軸向運動時設(shè)計絞龍裝置的關(guān)鍵，在xOy平面內(nèi)對秸稈進行受力分析，絞龍葉片是螺旋曲面，轉(zhuǎn)動時稻秸從下方進入，在任一半徑r處，絞龍葉片對稻秸施加法向推力N′，該推力和稻秸與葉片間的摩擦力f′合成為力F′，對該合力進行分解，其中的徑向分力Fy′推動稻秸向前運動（橫向移動），而合力的另一分力Fx′與機具前進方向一致，該分力促使稻秸離開葉片，由于Fx′和Fy′的共同作用，使得稻秸不會同螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，受絞龍葉片施加的法向推力、軸向分力，使得稻秸只會隨絞龍葉片做軸向方向的運動。稻秸受力如圖5所示，其中α為螺旋面升角。

輸送量是秸稈行間集覆裝置的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，本文根據(jù)實際生產(chǎn)需求，對輸送量進行計算，如式（1）所示。

Q=Csb·v（1）

式中：Q——輸送量（表征行間集覆的秸稈量），t/h；Cs——可收集量（表征作物收獲后剩余可集覆秸稈量），kg/hm2；b——潔區(qū)工作幅寬（表征潔區(qū)實際工作幅寬，本機具取實際作業(yè)幅寬1/3），m；v——機具作業(yè)速度，km/h。

本技術(shù)模式采用的秸稈行間集覆作業(yè)要求秸稈粉碎還田，同時還應保證割茬高度在合理范圍內(nèi)，不影響后續(xù)的播種作業(yè)，因此在收獲機械方面選取半喂入收割機，還可有效降低收獲后水稻的含雜率。行間集秸裝置主要功能是實現(xiàn)稻秸的行間集覆，其作業(yè)對象是水稻收獲后的秸稈，水稻秸稈的產(chǎn)量是設(shè)計行間集秸裝置的重要參考，研究表明相同留茬高度下不同種植方式對秸稈的可收集系數(shù)影響較大［29］。江蘇省常年水稻機插率超過70%，平均產(chǎn)量連續(xù)10年超過8 250 kg/hm2，因此本文的前茬作物研究對象選用具有代表性的機插秧水稻，為不影響播種作業(yè)，按照留茬高度20 cm選取，在此條件下，稻秸總產(chǎn)量為7 908.46 kg/hm2，水稻秸稈可收集量占秸稈總量的比例為65.8%，可收集量Cs為5 203.76 kg/hm2。

依據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計的工作幅寬為2.6m，其中潔區(qū)為1.2 m，占工作幅寬1/3。小麥播種機作業(yè)速度一般為3～3.5 km/h［30］，本文選取3 km/h，播種速度約為0.78 hm2/h，因此輸送量Q為2.258 53 t/h。

在實際作業(yè)過程中，忽略秸稈受到軸向阻滯影響，輸送量的計算公式如式（2）所示。

Q=47D2·S·n·φ·λ·ε（2）

式中：D——絞龍葉片直徑，mm；S——螺距，mm；n——轉(zhuǎn)速，r/min；φ——填充系數(shù)；λ——物料的單位容積質(zhì)量，t/m3；ε——傾斜輸送系數(shù)。

根據(jù)《非標準機械設(shè)備設(shè)計手冊》中對絞龍葉片直徑的相關(guān)設(shè)計公式

D=K·Qφ·λ·ε25（3）

式中：K——物料特性參數(shù)。

根據(jù)實際生產(chǎn)需要和《非標準機械設(shè)備設(shè)計手冊》［31］中的要求，秸稈的物料特性參數(shù)選取為0.049，裝置的傾斜角度影響填充系數(shù)φ和傾斜輸送系數(shù)ε。本文設(shè)計的是水平式絞龍裝置，傾斜角度為0°，故填充系數(shù)φ和傾斜輸送系數(shù)ε分別為1.0和0.5，水稻秸稈的容積質(zhì)量λ為0.035 t/m3［32］，計算后絞龍裝置的直徑D為0.34 m，為滿足實際工作需要，根據(jù)標準直徑［31］選取D為0.40 m。

絞龍裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)計參照螺旋輸送機的設(shè)計公式［33］，如式（4）所示。

n=30π1+tanγ0tanαsin（α+β）gf1R1cos（α+γ0+β）（4）

式中：α——絞龍葉片的螺旋角，15°；β——稻秸與絞龍葉片表面之間的摩擦角，30°；γ0——稻秸運動絕對速度與水平線間的夾角，0°；g——重力加速度，9.82 m/s2；f1——稻秸與外殼之間的摩擦系數(shù)，0.6［34］；R1——稻秸距離軸心的平均直徑，0.2m。

經(jīng)計算n為86.38 r/min，實際生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)速要根據(jù)輸送量Q進行調(diào)整，由經(jīng)驗公式［35］給出，如式（5）所示。

nmax=A/D（5）

式中：A——稻秸的綜合系數(shù)，50。

n≤nmax（6）

可得nmax為31.62 r/min，取n為30 r/min。

螺距選取根據(jù)式（7）選擇。

S=K1D（7）

式中：K1——直徑與絞龍葉片螺距的比例系數(shù)，取0.8～1.0。

計算得螺距S為0.32 m。

絞龍軸直徑d=（0.2～0.35）D（8）

其他參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗測得，絞龍裝置主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

2.2 排肥裝置

排肥裝置（圖6）包括肥料箱、排肥器、撥肥軸、排肥板。排肥軸與步進電機相連，可根據(jù)實際作業(yè)速度調(diào)整實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度匹配，施肥量根據(jù)地力水平、氣候條件、品種特性和目標產(chǎn)量設(shè)計為150～1 500 kg/hm2。施肥方式為均勻拋灑在潔區(qū)，集中施肥到播種行內(nèi)。

2.3 旋耕碎土、開溝裝置

寬窄行種植技術(shù)模式的另一核心是實現(xiàn)條帶旋耕，要保證潔區(qū)中的種床達到播種要求，同時在濕爛田中需要設(shè)置開溝裝置，便于農(nóng)田排水。設(shè)計的旋耕、開溝裝置（圖7）主要由開溝刀盤、旋耕刀、刀軸組成。為防止旋耕拋土造成前置肥料口堵塞，實現(xiàn)將潔區(qū)上肥料深施，設(shè)計旋耕方式為正轉(zhuǎn)。由于內(nèi)部空間有限，且作業(yè)時土壤含水率較高，原在旋耕刀兩側(cè)安置擋土板的方案被取消，且經(jīng)過實地試驗，安置擋土板極易導致土壤黏附，降低了碎土效果。

根據(jù)農(nóng)藝要求，旋耕深度應在80～120 mm，選用回轉(zhuǎn)半徑225 mm的旋耕刀，其結(jié)構(gòu)參數(shù)均參照GB/T 5669—2017《旋耕機械 刀和刀座》，每個組旋耕刀設(shè)置兩個回轉(zhuǎn)平面，每組平面內(nèi)均布依次排列左右旋耕刀各4把，每組作業(yè)幅寬200 mm，土壤擾動占單個工作幅寬的46%，土壤表面有機殘茬覆蓋面積38.5%，符合保護性耕作的相關(guān)要求。

2.4 播種鎮(zhèn)壓裝置

本技術(shù)模式為潔區(qū)進行寬窄行（30 cm+15 cm）播種，每個播種單元設(shè)計2個排種管，間距15 cm，每兩組臨近的排種管距離為30 cm，在開溝裝置兩邊各安置3組排種單元，共6組播種單元，如圖8所示。

為滿足寬窄行種植的農(nóng)藝要求，鎮(zhèn)壓裝置需要嚴格與播種行匹配，因此設(shè)計為分段式軸肩鎮(zhèn)壓輪，播種行外徑為450 mm，寬度200 mm，秸稈集覆區(qū)軸徑為150 mm，高度差150 mm，滿足秸稈集覆區(qū)的通過要求，不會引起刮草。通過調(diào)整上下位置控制鎮(zhèn)壓的緊實度，鎮(zhèn)壓輪可實現(xiàn)對行鎮(zhèn)壓，僅對鎮(zhèn)壓播種行。其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3 試驗

3.1 試驗條件與方法

3.1.1 試驗條件

田間試驗位于江蘇省某家庭農(nóng)場，試驗區(qū)長度為100 m，寬度為30 m，試驗地屬于一年兩熟平原區(qū)，年平均降水量800 mm左右，土壤質(zhì)地為壤土，前茬水稻品種為南梗46。對試驗前地塊進行調(diào)查，試驗方法同第2節(jié)，試驗田地的前茬作物為小麥，耕前植被覆蓋量為302.4 g/m2，0～200 mm厚的土壤堅實度為1 876.0 kPa、土壤絕對含水率為31.25%，試驗時氣溫28 ℃。

為滿足播種作業(yè)的技術(shù)要求，選用的配套拖拉機的工作參數(shù)如表3所示。

3.1.2 試驗指標與方法

潔區(qū)潔凈度和小麥播種質(zhì)量是實現(xiàn)稻秸行間集覆及小麥潔區(qū)寬窄行種植的重要指標，因此本文根據(jù)團體標準T/CAMA 21—2019《全秸硬茬地潔區(qū)播種機》中的相關(guān)方法進行試驗，主要試驗指標有潔區(qū)潔凈度、行距變異系數(shù)、晾籽率、碎土率、播種深度。

采樣點選取示意如圖10所示，在水平面選取與機具前進方向垂直的方向一個工作幅寬內(nèi)的6個點，每個采樣點均在潔區(qū)中，為200 mm×200 mm的采樣區(qū)域。沿機具前進方向連續(xù)取5組數(shù)據(jù)。

1）? 潔區(qū)潔凈度。是指機具作業(yè)后潔區(qū)中秸稈覆蓋量與耕作前的差值與耕作前秸稈覆蓋量的比值，直接反映了機具的清秸能力，間接表述了機具的秸稈行間集覆的能力。其測定方法為測定各個采樣點耕作前后的秸稈覆蓋量，各個點求平均值后，按式（9）、式（10）計算潔區(qū)潔凈度。

Wh=∑ni=1Wgn（9）

C=Wq-WhWq（10）

式中：Wh——耕作后采樣點秸稈覆蓋量，kg/m2；Wg——各采樣點秸稈覆蓋量，kg/m2；C——潔區(qū)潔凈度，%；Wq——耕作前采樣點秸稈覆蓋量，kg/m2；n——采樣點數(shù)量。

2）? 行距變異系數(shù)。本文設(shè)計的機具依托于寬窄行的種植模式，因此行距是描述本技術(shù)特征的重要指標之一。其計算方法按照式（11）～式（13）進行。

x-=∑ni=1nixni（11）

s=∑（nix－x-）2ni－1（12）

cv=100sx-（13）

式中：x-——平均寬度，mm；nix——第i行寬度，mm；ni——測定的行數(shù)，寬行取5，窄行取6；s——秸稈行間寬度的標準差，mm；cv——秸稈行間寬度的變異系數(shù)，%。

3）? 晾籽率。計算如式（14）所示。

Pz=PmMs×Si×100（14）

式中：Pz——晾籽率，%；Pm——采樣點晾籽質(zhì)量，kg；Ms——采樣點播種量，g/mm2；Si——采樣點面積，mm2。

4）? 碎土率。按照在已耕地上設(shè)置的采樣點，取樣土塊大小按照其邊長分為0～4 cm，4 cm以上兩個等級，以0～4 cm的土壤質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比為碎土率。

J=GsG（15）

式中：J——碎土率，%；Gs——全耕層小于作業(yè)要求的尺寸的土塊質(zhì)量，kg；G——全耕層土塊總質(zhì)量，kg。

5）? 播種深度合格率。在已耕地沿機具前進方向挖開土層，每個采樣點選取10粒種子，選取測定每個種子上部覆蓋土層的厚度，計算覆土深度為按農(nóng)藝要求的3±1 cm范圍內(nèi)的點占測定點數(shù)的百分比。

ηy=nyNy×100%（16）

η=∑ni=1∑mj=1ηynm（17）

式中：ηy——各采樣點播深合格率，%；ny——每個采樣點滿足播種深度的個數(shù)；Ny——每個采樣點測試總數(shù)；n——每個采樣點采樣數(shù)，取10個；m——采樣點數(shù)量。

3.2 田間預試驗

3.2.1 試驗設(shè)計與方法

根據(jù)設(shè)計需求，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，進行田間預試驗，以便摸索出最佳的試驗條件，為正式試驗提供參考。由此最終確定出三個主要影響因素，分別是：旋耕轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、絞龍轉(zhuǎn)速。以潔區(qū)潔凈度、碎土率作為相應指標。

為了避免試驗水平增加所引起的復雜性和誤差大的問題，利用軟件 Design-Expert 8.0.6，根據(jù)Box-Behnken Design （BBD）設(shè)計響應曲面試驗，進行3因素3水平試驗設(shè)計，共22組試驗。水平因素編碼表如表4所示。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如表5所示，對結(jié)果進行方差分析。根據(jù)表6潔區(qū)潔凈度方差分析結(jié)果可知，一次項因素B（作業(yè)速度）與因素C（絞龍轉(zhuǎn)速）的p<0.01，極顯著，模型中的二次項B2、C2對潔區(qū)潔凈度的影響極其顯著，交互作用BC潔區(qū)潔凈度的影響顯著，因素A（旋耕轉(zhuǎn)速）對潔區(qū)潔凈度影響不顯著。

根據(jù)表7碎土率方差分析結(jié)果可知，一次項因素A（旋耕轉(zhuǎn)速）與因素B（作業(yè)速度）的p<0.01，極顯著，模型中的二次項A2、交互作用AB對碎土率的影響極其顯著，因素C（絞龍轉(zhuǎn)速）對碎土率影響不顯著。

根據(jù)圖11（a）可知，作業(yè)速度0.75 m/s，絞龍轉(zhuǎn)速25 r/min時潔區(qū)潔凈度取得最大值86.55%，由圖11（b）可知，旋耕速度280 r/min，作業(yè)速度0.75與0.5對碎土率的影響較小，對潔凈度的影響較大，因此最優(yōu)組合為A3B2C2，既旋耕速度280 r/min，作業(yè)速度0.75 m/s，絞龍轉(zhuǎn)速25 r/min。對其進行驗證試驗得，潔區(qū)潔凈度86.97%，碎土率87.59%。符合設(shè)計預期與農(nóng)藝要求。

3.3 田間驗證試驗

為檢驗稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機的工作性能，并對相關(guān)設(shè)計參數(shù)進一步優(yōu)化，按照GB/T 5668—2017《旋耕機》標準、GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械 試驗條件測定方法的一般規(guī)定》以及本文的作業(yè)要求，按照預試驗得到的因素最優(yōu)組合，以旋耕速度280 r/min，作業(yè)速度0.75 m/s，絞龍轉(zhuǎn)速25 r/min進行田間試驗。

同時，為驗證本農(nóng)藝要求設(shè)計的播種機的油耗對比，設(shè)置田間油耗對比試驗，試驗參數(shù)（播種量、播種和肥料深度、秸稈覆蓋量等）基本相同。兩臺播種機均由沃德奧龍WD904拖拉機提供動力，另一臺對照播種機型號為2BX-12，耕作幅寬2 600 mm，全幅旋耕播種。兩者一次作業(yè)可完成開溝、播種、施肥多項作業(yè)。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計柴油消耗量平均減少了16.25 L/hm2（35.8 L/hm2），降低了31.24%。其原因可以歸結(jié)為：根據(jù)農(nóng)藝要求，本文設(shè)計的播種機實行秸稈行間集覆模式，減少了對前茬作物的翻埋處理，降低了作業(yè)負載；此外，本播種機在全耕幅寬內(nèi)耕地面積僅占50%，降低了旋耕切土的功耗，減少了耕地擾動面積，減少了無用的動力消耗，從而降低了單位面積的燃料消耗。

田間試驗結(jié)果如表8所示，稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機作業(yè)后潔區(qū)潔凈度87.69%，小麥窄行平均行距為148 mm，寬行行距平均為304 mm，行距變異系數(shù)為5.36%，平均播深為33 mm，播深合格率為95.76%，晾籽率0.98%，碎土率為86.01%。施肥方式為耕前集中施肥，平均施肥深度為65 mm，施肥深度合格率為94.63%，均滿足國家標準。廂溝平均深度為175 mm，溝面寬度為198 mm，滿足排水要求。

3.4 小麥全周期長勢及產(chǎn)量對比

田間示范在如東綠耕元家庭農(nóng)場進行，在前茬水稻秸稈全量粉碎還田后，采用研發(fā)的“全秸稈茬地潔區(qū)旋耕智能施肥播種機”清分麥秸稈后，在潔區(qū)進行寬窄行（30 cm+15 cm）播種，同步進行施肥、旋耕、開溝，播種，播種面積為13.67 hm2，小麥品種為農(nóng)麥88，播種量為180 kg/hm2，基本苗為2.769×106株/hm2，高峰苗為1.064 7×107株/hm2，最終成穗數(shù)為5.094×106株/hm2，每穗粒數(shù)為37.16，千粒重為40.9g，理論產(chǎn)量為7742.1kg/hm2，實際產(chǎn)量為8059.2kg/hm2，高出大面積平均產(chǎn)量20%以上。

4 結(jié)論

1）? 本文以“稻茬麥條帶旋耕秸稈行間集覆寬窄行精播技術(shù)”為設(shè)計思路，研發(fā)了具有（寬）行間集秸、條帶旋耕、集中施肥、潔區(qū)（窄行）播種等技術(shù)特征的稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機，其核心是在前茬小麥秸稈留田后，使用配套研制的“全秸稈茬地潔區(qū)旋耕智能施肥播種機”清分麥秸稈至30 cm寬行間，然后進行寬窄行（30 cm+15 cm）播種，同步進行施肥、旋耕、開溝。該技術(shù)能夠提高小麥播種出苗質(zhì)量，且作業(yè)效率高、能耗低，能使秸稈還田和小麥播種環(huán)節(jié)的機械能耗顯著下降，生產(chǎn)成本大幅降低，實現(xiàn)小麥豐產(chǎn)降本增效的目標。

2）? 通過理論分析計算得到了機具關(guān)鍵部件的參數(shù)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計手冊對關(guān)鍵部件進行了選型與標準化，通過田間試驗確定了最佳作業(yè)參數(shù)組合，前進速度3 km/h，絞龍轉(zhuǎn)速30 r/min，旋耕開溝轉(zhuǎn)速280 r/min。

3）? 田間試驗結(jié)果顯示，稻茬麥潔區(qū)旋耕施肥播種機作業(yè)相對于全幅播種機油耗降低了31.24%。潔區(qū)潔凈度87.69%，小麥窄行平均行距為148 mm，寬行行距平均為304 mm，行距變異系數(shù)為5.36%，平均播深為33 mm，播深合格率為95.76%，晾籽率0.98%，碎土率為86.01%。施肥方式為耕前集中施肥，平均施肥深度為65 mm，施肥深度合格率為94.63%，均滿足國家標準。廂溝平均深度為175 mm，溝面寬度為198 mm，滿足排水要求。

4）? 對試驗田小麥全生長時期進行調(diào)查，本試驗田小麥品種為農(nóng)麥88，播種量為180 kg/hm2，基本苗為2.769×106株/hm2，高峰苗為1.064 7×107株/hm2，最終成穗數(shù)為5.094×106株/hm2，每穗粒數(shù)為37.16，千粒重為40.9 g，理論產(chǎn)量為7742.1kg/hm2，實際產(chǎn)量為8059.2kg/hm2，高出大面積平均產(chǎn)量20%以上。

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基金項目：江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機裝備與技術(shù)示范推廣項目（NJ2020—04）；江蘇省科技項目（BE2020388）；江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究所青年科技基金（YJ（2022）006）

第一作者：張晉，男，1995年生，山東日照人，博士研究生，研究實習員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail： zhangjin@jaas.ac.cn

通訊作者：劉建，男，1965年生，江蘇南通人，碩士，研究員；研究方向為作物栽培學與耕作學。E-mail： ntliuj@sina.com