噴灑式肉蓯蓉接種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

尤 佳，楊文奇，韓長(zhǎng)杰，高 杰，劉永萍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆林業(yè)科學(xué)院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830000；3.中收農(nóng)牧機(jī)械有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830052)

肉蓯蓉(CistanchedeserticolaMa)，別名大蕓，為列當(dāng)科肉蓯蓉屬，多年生寄生性草本植物，寄生于沙漠和荒漠地區(qū)的梭梭、紅柳等植物根部，主要分布在內(nèi)蒙古和西北地區(qū)。肉蓯蓉的寄主梭梭根系發(fā)達(dá)，根向下彎曲生長(zhǎng)，抗旱、耐高溫、耐寒、耐風(fēng)蝕、耐鹽堿，是一種重要的防風(fēng)固沙植物，被稱為沙漠衛(wèi)士[1]。肉蓯蓉富有極高的藥用價(jià)值，是傳統(tǒng)名貴中藥材，現(xiàn)屬國(guó)家二級(jí)保護(hù)植物。肉蓯蓉巨大的市場(chǎng)需求推動(dòng)了其種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在我國(guó)西北自然產(chǎn)區(qū)已經(jīng)成為一種新的栽培作物[2]。將種植肉蓯蓉產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與種植梭梭產(chǎn)生的生態(tài)效益互相結(jié)合[3]，以林養(yǎng)林，對(duì)荒漠治理工作有重要意義[4]。

目前種植肉蓯蓉多采用人工或工程機(jī)械挖溝后再由人工噴施種子或點(diǎn)種，但荒漠中工作環(huán)境惡劣，人工種植肉蓯蓉效率低、播種成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且挖溝后播種覆土前寄主植物根部直接暴曬于太陽下，會(huì)導(dǎo)致一部分根死去，影響了肉蓯蓉的接種率[5-9]。國(guó)內(nèi)也有少數(shù)學(xué)者研究肉蓯蓉接種器，雖在一定程度上緩解了勞動(dòng)強(qiáng)度，但部分工序還需人工輔助完成，不利于肉蓯蓉的規(guī)模化種植[10-12]。目前，針對(duì)肉蓯蓉種植中的問題研制了肉蓯蓉播種機(jī)[13-19]。何磊等[20]研制出一種氣吹式肉蓯蓉播種機(jī)，通過偏置開溝圓盤在沙土中開出種溝，利用窩眼式排種器排種，采用氣吹式將種子吹射入溝內(nèi)，播種過程中利用沙土的快速回流實(shí)現(xiàn)3層播種。該機(jī)械僅適用于沙土種植肉蓯蓉，且采用氣吹的方式難以保證種子附著在接種壁，導(dǎo)致種子接種率低；何生明等[21]設(shè)計(jì)的肉蓯蓉播種機(jī)采用犁刀進(jìn)行開溝，播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行撒播作業(yè)，在開溝作業(yè)過程中斷根導(dǎo)致大部分根被扯斷，寄主植物的斷根位置大部分不在溝壁上，影響接種成活率，同時(shí)直接撒播也造成種子浪費(fèi)。現(xiàn)有的肉蓯蓉種植機(jī)械主要采用機(jī)械播種和氣吹式播種的方式，目前尚未有較為成熟的肉蓯蓉播種機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。肉蓯蓉種子顆粒極小(千粒重只有0.09 g,1 g種子約1.1萬粒)，在采用機(jī)械化種植過程中導(dǎo)致大部分種子浪費(fèi)，且未能與寄主林木根系等接觸，致使肉蓯蓉接種率和產(chǎn)量低。

針對(duì)肉蓯蓉產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)機(jī)械播種裝備的需求，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，本文研制了一種噴灑式肉蓯蓉接種機(jī)。該接種機(jī)可以在肉蓯蓉寄主植物旁側(cè)根處，一次性完成開溝、接種、覆土作業(yè)，同時(shí)將種子直接接入寄主植物的根部，有效提高接種成活率，實(shí)現(xiàn)肉蓯蓉的機(jī)械化、規(guī)模化種植。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

肉蓯蓉接種機(jī)由機(jī)架、覆土裝置、導(dǎo)向柱及種子噴施裝置、鏈?zhǔn)介_溝裝置、液壓提升裝置、種箱、螺旋送土裝置、傳動(dòng)箱組件等組成。導(dǎo)向柱及種子噴灑裝置包括導(dǎo)向板和種子噴施噴頭，種子噴施裝置位于導(dǎo)向板背側(cè)。工作時(shí)與導(dǎo)向板接觸的溝壁稱為導(dǎo)向壁，另一側(cè)稱為接種壁，是種子噴施裝置的作用面。肉蓯蓉接種機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，鏈?zhǔn)介_溝裝置進(jìn)行開溝作業(yè)，通過鏈傳動(dòng)傳遞至主動(dòng)鏈輪軸，帶動(dòng)開溝器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開溝鏈條逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，開溝器側(cè)端的開溝刀由下而上切削土壤，進(jìn)行開溝；液壓提升裝置可以實(shí)現(xiàn)開溝器初始入土作業(yè)、提升出土及開溝深度的調(diào)節(jié)；螺旋送土裝置將鏈?zhǔn)介_溝裝置拋送的土輸送至覆土裝置一側(cè)，導(dǎo)向柱的導(dǎo)向板緊貼導(dǎo)向壁起到導(dǎo)向作用；種箱中的攪拌裝置將從隔膜泵吸出的種子混合均勻，接種量控制器調(diào)整噴射時(shí)間、間隔時(shí)間來控制接種量，由種子噴施裝置噴射種子混合液于接種壁之上；接種完成后，覆土裝置則將土重新填埋回鏈?zhǔn)介_溝裝置所開出的溝中，完成肉蓯蓉的接種作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

噴施式肉蓯蓉接種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 噴施式肉蓯蓉接種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 開溝裝置及工作效率

肉蓯蓉種子主要寄生于寄主植物新生出的根部，在植物旁開溝時(shí)切割植物的側(cè)根，被切割的根部會(huì)生新根，增加接種成功率。因此該機(jī)的開溝部分采用鏈?zhǔn)介_溝，使用鏈?zhǔn)角懈铋_溝可使多數(shù)根部斷裂面在一個(gè)平面上，盡可能保證新根位置相對(duì)統(tǒng)一，利于肉蓯蓉種子的接種成活[22-24]。為了使開溝刀更接近宿主植物，將開溝刀部分安裝在側(cè)邊，開溝鏈條逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開溝刀從下而上切削土壤，開溝的同時(shí)把接種壁上的寄主植物側(cè)根切斷，開溝器右端的螺旋輸送器將所切溝土輸送到溝旁一側(cè)。在作業(yè)過程中，開溝器的入土作業(yè)、開溝深度的調(diào)節(jié)及提升出土作業(yè)通過驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿的伸縮，調(diào)節(jié)提升裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度實(shí)現(xiàn)。開溝裝置如圖2所示。

圖2 開溝裝置側(cè)移

開溝刀式開溝機(jī)的一個(gè)重要部件，開溝刀的性能及開溝刀的空間布置直接影響開溝的作業(yè)行性能。開溝時(shí)既要保證開溝刀有足夠的線速度，又要避免線速度過快導(dǎo)致的強(qiáng)烈振動(dòng)，開溝裝置具體參數(shù)如表2所示。

表2 開溝裝置參數(shù)表

根據(jù)肉蓯蓉的種植要求，開溝深度取0.5 m，開溝寬度取0.3 m，同時(shí)為了配合種子噴施系統(tǒng)開溝刀線速度取2 m·s-1，接種機(jī)工作速度取500 m·h-1，計(jì)算開溝裝置理論需要滿足的工作效率，選擇合適的開溝裝置。

開溝裝置理論工作效率為η，按式(1)計(jì)算。

η=HBVs

(1)

式中，H為開溝深度(m)；B為開溝寬度(m)；Vs為開溝裝置工作速度(m·h-1)。

由式(1)得出，η=75 m3·h-1,開溝裝置的實(shí)際工作效率為90 m3·h-1，滿足工作需求。

2.2 覆土裝置

覆土裝置直接固定在機(jī)架上，刮土板距地面高度由螺栓調(diào)節(jié)，前行時(shí)靠自身重力壓土。當(dāng)種子噴施到種溝后，刮土板將種溝一側(cè)的土覆蓋所開種溝。種子噴施時(shí)，刮土板位與噴頭距離過近使覆回的土從噴頭后上方蓋入影響噴頭噴施，如圖3a所示。在作業(yè)前，需調(diào)整刮土板與噴頭距離。同時(shí)，刮土板的角度不同，覆土效果將不同。

在不同環(huán)境土質(zhì)和濕度下，開溝后土壤體積不一致，作業(yè)前根據(jù)土壤物理力學(xué)性質(zhì)將刮土板調(diào)至適當(dāng)角度，保證種溝一側(cè)的土壤能夠完全覆蓋所開種溝，達(dá)到較好的覆土效果，同時(shí)保證刮土板與噴頭距離合適。刮土板角度與噴頭距離通過刮土板一端連接板的螺栓孔位置調(diào)節(jié)。圖3b所示為刮土板位與噴頭位置合適且在沙土及土壤松軟條件時(shí)噴頭附近加擋土板保護(hù)。

圖3 開溝及覆土效果對(duì)比

2.3 種子噴施及接種量控制系統(tǒng)

肉蓯蓉種子重量輕、體積小，依靠其自重播種難度大，種子損耗多，接種成功率低。若將種子與促進(jìn)植物側(cè)根生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)液體一起混合噴灑到接種溝中進(jìn)行接種，種子更容易附著且寄主植物新生長(zhǎng)的根易向營(yíng)養(yǎng)液的位置生長(zhǎng)，增加接觸肉蓯蓉種子的機(jī)會(huì)，寄主植物根系分泌物也可直接刺激肉蓯蓉種子萌發(fā)，從而有效提高接種成活率。

種子使用量與接種存活率有關(guān)，種子用量少接種率低，用量多造成種子浪費(fèi)。合適的接種量需要通過試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)共同判斷，一般每10 cm接種段種子數(shù)量應(yīng)大于20粒。種子濃度直接控制較為困難，因此采用改變噴射頻率進(jìn)行控制的方法來控制接種量，同時(shí)在種箱中設(shè)有攪拌裝置，將從隔膜泵吸出的種子混合均勻，保證接種量均勻。

寄主植物人工種植其株距一定，根據(jù)種植肉蓯蓉的經(jīng)驗(yàn)，越靠近植物本體主根，肉蓯蓉成功生長(zhǎng)后體型越大，價(jià)值越高。除主根外其它根系生長(zhǎng)的肉蓯蓉質(zhì)量低，且周圍寄生數(shù)越多則對(duì)主根寄生肉蓯蓉產(chǎn)生不良影響越大[25-26]。為了提高主根寄生肉蓯蓉?cái)?shù)量，接種作業(yè)時(shí)采用定速開溝，根據(jù)寄主植物株距及接種距離在噴種作業(yè)前調(diào)節(jié)合適噴射時(shí)間及噴射間隔時(shí)間，從而保證每段接種量盡可能一致。在噴射作業(yè)時(shí)，種子盡量噴射在靠近寄主植物的一段距離上，可以有效地提高肉蓯蓉長(zhǎng)出后的質(zhì)量，一般最佳接種距離為靠近寄主植株的0～20 cm范圍內(nèi)，如圖4所示。在試驗(yàn)過程前，提前設(shè)置噴射時(shí)間和停噴時(shí)間，具體操作：當(dāng)車速為低速檔，速度為v=0.94 m·s-1時(shí)，根據(jù)已知的株距a=0.8 m和接種段長(zhǎng)度b=0.4 m，計(jì)算出噴射時(shí)間T1=0.43 s，停噴時(shí)間T2=0.64 s。

圖4 接種示意圖

種子噴施使用隔膜泵將種子混合液體吸出，隔膜泵并聯(lián)安全閥,如圖5所示。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，種子混合液體在隔膜泵與安全閥形成的回路中循環(huán)，可以減少管路壓力同時(shí)防止種子在管路中沉淀，種箱中有攪拌裝置保證隔膜泵吸出的種子混合液體均勻，當(dāng)電磁閥得電時(shí)種子混合液體噴施出。

圖5 種子噴施系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

噴施式肉蓯蓉接種機(jī)接種量控制器使用自制控制器，電源模塊使用LM2940穩(wěn)壓降壓芯片，可輸入6～26 V電壓。微處理器采用Arduino nano，其處理器型號(hào)為Atmega 328P，是高性能、低功耗AVR 8位微控制器。顯示模塊使用8位共陰數(shù)碼管，指示燈使用3個(gè)發(fā)光二極管，按鍵開關(guān)使用3個(gè)微動(dòng)開關(guān)，執(zhí)行器為繼電器控制的電磁閥。

接種量控制器工作前根據(jù)植株距離及接種距離調(diào)整噴射時(shí)間和間隔時(shí)間，指示燈指示當(dāng)前數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)是噴射時(shí)間或間隔時(shí)間，設(shè)定后點(diǎn)擊開始，控制器運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整合適后長(zhǎng)按開始鍵3秒保存數(shù)據(jù)，下次開機(jī)自動(dòng)調(diào)取保存的數(shù)據(jù)，控制器外觀如圖6所示。

圖6 播種量控制器

3 試驗(yàn)與分析

3.1 接種效果試驗(yàn)

由于在接種時(shí)一次性完成開溝、接種并覆土，大田試驗(yàn)時(shí)無法直接檢測(cè)種子噴施的效果，因此在大田試驗(yàn)前對(duì)種子噴施效果進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)調(diào)整噴射時(shí)間為0.5 s，停頓時(shí)間為10 s，使用10組A4紙(紙后有擋板防止紙被擊穿)阻擋噴射出的種子液體，數(shù)出紙上種子的數(shù)量，對(duì)種子噴施的均勻度進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 噴種數(shù)量垂直線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，噴種的數(shù)量波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為24.6，最大值為216粒，最小值為134粒。人工采用撒播方式播種，其撒種量為300粒·m-1，試驗(yàn)過程中最小值可以滿足肉蓯蓉接種的基本需求。噴種數(shù)量最大值與最小值相差較大，其主要原因?yàn)槿馍惾胤N子在混合液中受重力、浮力、粘力的作用，種子會(huì)處于下沉、懸浮及漂浮三種狀態(tài)。種子在混合液中能否懸浮與種子粒重和混合液濃度、密度等有關(guān)，加入種子，利用種箱中的攪拌裝置充分?jǐn)嚢杌旌弦海谝欢ǔ潭壬鲜够旌弦赫w粘度相對(duì)均勻化，同時(shí)保證種子在混合中懸浮分布相對(duì)均勻，但這種均勻化是不恒定的。另外，種子比例變化對(duì)混合體也會(huì)產(chǎn)生影響，一個(gè)是種子分布密度，二是混合體流動(dòng)性，二者均會(huì)影響噴種的種量。

3.2 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市沙漠風(fēng)情園附近人工種植的梭梭林。試驗(yàn)用地較為平坦，土壤類型為沙土，土壤堅(jiān)實(shí)度1 696 kPa，環(huán)境溫度為25℃，空氣濕度63%。栽植的梭梭樹齡為兩年生，梭梭株行距為1.5 m×2.0 m。試驗(yàn)用拖拉機(jī)型號(hào)為東方紅LX1304，配套功率130馬力，動(dòng)力輸出軸540 r·min-1，配備低速檔位。

田間試驗(yàn)時(shí)拖拉機(jī)使用爬行檔，前進(jìn)速度為340 m·h-1，開溝深度理論值50 cm，寬度理論值30 cm。

在試驗(yàn)過程中隨機(jī)停車10次測(cè)量肉蓯蓉接種溝的深度和寬度，數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 田間樣機(jī)試驗(yàn)

圖9 開溝深度與寬度分布

田間試驗(yàn)表明，該接種機(jī)可在距離梭梭根部40 cm處開出寬30 cm、深50 cm的接種溝進(jìn)行液體噴施接種，噴種覆蓋面寬度4 cm，最后完成覆土，該參數(shù)符合當(dāng)?shù)厝馍惾胤N植農(nóng)藝，接種效果較好。接種速度340 m·h-1，相比于人工種植速度不足100 m·h-1，能夠滿足肉蓯蓉規(guī)模化種植的一般需求。

4 結(jié) 論

1) 噴灑式肉蓯蓉接種機(jī)代替人工一次完成開溝、接種、覆土等作業(yè)。其采用鏈?zhǔn)介_溝裝置開溝，利用種子與營(yíng)養(yǎng)液體一起混合噴灑進(jìn)行接種，且播種量可調(diào)，接種后由覆土裝置完成覆土。該機(jī)消除了寄主植物根部暴曬于太陽下導(dǎo)致根部死去的問題，同時(shí)開溝時(shí)割斷寄主植物支根，提高肉蓯蓉接種率，實(shí)現(xiàn)肉蓯蓉接種機(jī)械化、規(guī)模化種植。

2)通過調(diào)整噴射時(shí)間和間隔時(shí)間，控制肉蓯蓉種子的接種量。根據(jù)接種結(jié)果可知，噴種的數(shù)量波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為24.6，最大值為216粒，最小值為134粒，噴種覆蓋寬度為4 cm，可以滿足肉蓯蓉接種的基本需求。

3) 樣機(jī)田間試驗(yàn)表明，該接種機(jī)作業(yè)速度為340 m·h-1，可在距離梭梭根部40 cm處開出寬30 cm、深50 cm的接種溝進(jìn)行液體噴施接種，播種量可根據(jù)農(nóng)藝要求調(diào)整，機(jī)具作業(yè)效果良好，滿足肉蓯蓉接種所需的農(nóng)藝要求。