基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合的玉米膜下精密播種機(jī)設(shè)計(jì)

管燕燕

(山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原030031)

0 引言

干旱和半干旱地區(qū)土壤水分不足是作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要限制因素，地膜覆蓋可有效保蓄土壤水分，提高地溫，增產(chǎn)效果顯著[1]。傳統(tǒng)覆膜方式容易出現(xiàn)苗和孔錯(cuò)位問題，通常需要人工幫助幼苗破膜，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，并且早春覆土，極易因覆土不嚴(yán)而致大風(fēng)揭膜，或因大雨造成土壤板結(jié)[2]。研制一種農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合下的膜下播種機(jī)械，以克服上述弊端，有效延長(zhǎng)地膜使用時(shí)間，提高地膜使用效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前針對(duì)地膜覆蓋種植的農(nóng)藝研究中多采用作物自動(dòng)破膜方式，對(duì)膜下播種的研究較少[3]。李鐵山等[4]提出在播種行上覆土的玉米自動(dòng)破膜方法；楊忠娜等[5]提出土下覆膜播種方式，并研究作物自動(dòng)破膜的出苗效應(yīng)。本文針對(duì)人工放苗導(dǎo)致的出苗錯(cuò)位、容易板結(jié)及出苗率較低等問題，研制一種農(nóng)藝農(nóng)機(jī)相結(jié)合的膜下播種機(jī)械，并通過試驗(yàn)對(duì)該機(jī)具的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，以期為發(fā)展簡(jiǎn)約化農(nóng)田地膜覆蓋技術(shù)，探索地膜應(yīng)用的新方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 膜下播種農(nóng)藝試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2016—2018年每年的3—6月在山西省長(zhǎng)治市襄垣縣侯堡村進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處山西省內(nèi)陸黃土高原，屬半山丘陵地區(qū)。區(qū)域海拔1 000 m左右，無霜期166 d，年降水量550 mm。試驗(yàn)地土壤類型為褐土，供試土壤含水量能夠滿足玉米正常出苗。試驗(yàn)采用玉米“大豐30”，于4月10日播種，對(duì)比膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種處理方式下的出苗情況[6]。覆土厚度(膜上覆土厚度+膜下覆土厚度)分別為1 cm+3 cm，2 cm+2 cm，3 cm+1 cm。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，以露地為對(duì)照(CK)，小區(qū)面積1.8 m×10 m。

自播種后開始監(jiān)測(cè)出苗情況，記錄出苗日期、出苗數(shù)和苗情。采用SAS9.2數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以相對(duì)出苗率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)不同處理方式下的出苗效果進(jìn)行比較[7]。相對(duì)出苗率計(jì)算公式為

y=xK

(1)

式中y——相對(duì)出苗率

x——實(shí)際出苗率

K——標(biāo)準(zhǔn)出苗率

1.2試驗(yàn)分析

膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種處理方式下，玉米相對(duì)出苗率如表1所示。

表1 不同鋪膜播種方式下玉米的出苗情況

Table.1 Emergence of corn under different film spreading methods

處理膜上滾筒播種出苗數(shù)相對(duì)出苗率∕%播種鋪膜不打孔出苗數(shù)相對(duì)出苗率∕%播種鋪膜破膜出苗數(shù)相對(duì)出苗率∕%重復(fù)1139841247514890重復(fù)2140851257615091重復(fù)3141851247514990均值 140851247514990

由表1可知，采用播種后鋪膜破膜方式種植的玉米相對(duì)出苗率最高，達(dá)90%；先鋪膜后滾筒播種的方式相對(duì)出苗率居中，約為85%；而僅靠玉米自動(dòng)破膜的播種后鋪膜不破孔的方式相對(duì)出苗率最低，僅為75%。基于上述研究，提出一種播種后進(jìn)行鋪膜破膜的機(jī)具方案。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

玉米膜下精密播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由旋耕機(jī)、施肥裝置、精密播種裝置、鋪膜破膜裝置、壓膜裝置和覆土裝置等組成。

玉米膜下精密播種機(jī)工作時(shí)，旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕整地，播種裝置和施肥裝置進(jìn)行精密播種和施肥，鋪膜裝置進(jìn)行鋪膜，破膜裝置對(duì)種床帶上的膜進(jìn)行破孔作業(yè)，最后壓膜器進(jìn)行壓膜覆土，完成對(duì)玉米的膜下精密播種。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

相關(guān)研究表明，鋪膜破膜及覆土裝置是保證機(jī)具作業(yè)效果的關(guān)鍵部件，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究[8]。

3.1鋪膜破膜裝置

3.1.1鋪膜破膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋪膜破膜裝置(圖2)主要包括鋪膜裝置、壓膜輥和破膜輥。鋪膜成功后采用壓膜輥將地膜壓平，再利用破膜輥對(duì)地膜進(jìn)行破孔處理。

3.1.2破膜輥試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)

破膜輥結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗(yàn)于2016年3月在山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院進(jìn)行，采用播種機(jī)模擬播種試驗(yàn)臺(tái)對(duì)正常播種時(shí)玉米種子掉落的橫向偏移進(jìn)行試驗(yàn)和記錄[9]。以理想零速掉落的位置為對(duì)照(CK)，設(shè)置播種距離20 mm，株距200 mm。

采集種子掉落位置的橫向偏移量，根據(jù)樣本觀測(cè)值繪制頻率直方圖，如表2和圖4所示，種子掉落位置位移的曲線大致為正態(tài)分布曲線。

把種子橫向偏移距離分為13組，每組區(qū)間為5 mm，設(shè)置μ=0，計(jì)算出σ=12.28。

由正態(tài)分布分析可知，種子大概率地落在距離中心位置15 mm之內(nèi)，膜上最佳打孔距離為5 mm，但地膜一般厚度為0.015 mm，薄并有韌性，若孔距相距太近會(huì)造成拉膜，達(dá)不到理想狀態(tài)，因此結(jié)合樣本數(shù)據(jù)分析、材料特性及植物向陽(yáng)的特性，確定破膜輥長(zhǎng)120 mm，破膜刀片直徑115 mm，孔縱橫向距均為10 mm。

表2 樣本數(shù)據(jù)

3.2覆土裝置

不同膜上膜下的覆土組合，玉米的相對(duì)出苗率差異極顯著(表3)。膜上覆土2 cm、膜下覆土2 cm時(shí)玉米平均相對(duì)出苗率最高，達(dá)90.57%。而膜上覆土1 cm、膜下覆土3 cm時(shí)，玉米平均相對(duì)出苗率僅為82.24%。玉米的播深為3～5 cm，若膜上覆土過深會(huì)增加種子出土過程中的能量消耗，導(dǎo)致出苗率降低，若膜上覆土過淺，則土壤壓力不足，導(dǎo)致種子無法出土[10]。

表3 不同覆土方式對(duì)玉米相對(duì)出苗率的影響

Table.3 Effect of different soil cover methods on relative emergence rate of corn

覆土厚度∕cm(膜上+膜下)相對(duì)出苗率∕%重復(fù)1重復(fù)2重復(fù)3均值1+382.3081.7582.6682.242+289.8591.5490.3390.573+186.7884.3283.9685.02

膜下覆土裝置(圖5)包含覆土板、鎮(zhèn)壓輪和調(diào)節(jié)螺絲，采用覆土板進(jìn)行覆土，通過改變調(diào)節(jié)螺絲相對(duì)鎮(zhèn)壓輪高度實(shí)現(xiàn)對(duì)覆土厚度的調(diào)節(jié)。膜上覆土裝置(圖6)由刮土板、調(diào)節(jié)管套和覆土圓盤組成，通過覆土圓盤進(jìn)行覆土，通過調(diào)節(jié)套管相對(duì)刮土板高度來調(diào)整覆土厚度。

4 討論

通過農(nóng)藝試驗(yàn)，獲取膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種種植模式下的玉米出苗率。結(jié)果表明，采用播種后鋪膜破膜方式種植的玉米相對(duì)出苗率最高，達(dá)90%。各因素中，膜下覆土厚度和膜上覆土厚度對(duì)出苗率的影響最大，膜下覆土2 cm、膜上覆土2 cm時(shí)玉米出苗效果最好。基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的原則，研制了一種膜下播種機(jī)，分別采用人工和機(jī)器作業(yè)的方式進(jìn)行膜下播種試驗(yàn)，玉米相對(duì)出苗率如表4所示。由表4可知，機(jī)器作業(yè)的相對(duì)出苗率相對(duì)較低，但滿足農(nóng)藝要求，解決了傳統(tǒng)地膜覆蓋需要人工放苗、出苗錯(cuò)位、容易板結(jié)及土下覆膜出苗率低等問題，提高了勞動(dòng)效率，減少了作業(yè)成本。

表4 不同種植方式對(duì)玉米相對(duì)出苗率的影響

Table.4 Effect of different planting methods on relative emergence rate of corn

種植方式相對(duì)出苗率∕%重復(fù)1重復(fù)2重復(fù)3均值人工91.2592.3490.8591.48機(jī)器89.3090.0588.9589.43