大豆生產全程機械化技術研究

馮飛燕,侯俊杰

(山西機電職業技術學院,山西 長治 046000)

0 引言

大豆也稱為黃豆,原產于中國,現在分布于世界各地。大豆種子中含有豐富的營養物質,具有很高的營養價值。在食用方面,大豆可以加工成豆腐、豆漿和腐竹等食品,或者經過壓榨提煉大豆油。大豆提煉食用油后剩余的副產品為大豆餅粕,是各種家禽和家畜的優質飼料。大豆的種植可以豐富人們的食品種類,也為相關的加工業提供原料,在國民經濟中占有重要地位。

目前,全球的大豆產量約為3.2億t,產量最大的國家依次為美國、巴西、阿根廷和中國,其中美國生產的大豆約占世界總量的34%。大豆的最大出口國依次為巴西、美國和阿根廷,其中巴西出口的大豆約占世界出口總量的45%。近些年來,我國的大豆播種面積和單位產量持續增加,大幅提高了大豆的總產量,至2017年已經超過1 400萬t。由于國內的大豆需求量遠超供應量,因此我國的大豆自給率一直較低,長期依賴進口。海關的統計數據表明：我國的大豆進口量持續增長,在2017年達到了9 553萬t,超過國內產量的6倍。此外,我國每年還要進口大量的豆油,這一現狀在短時期內不會發生改變。

我國的大豆產能較為集中,主要分布在黑龍江、安徽、內蒙古和河南4省,其中黑龍江省的產量占全國的41%。為了緩解我國對進口大豆的依賴,除了開辟新的種植區域外,還需要加強現有的主產區建設,以保證大豆的穩定供應。當前的國際市場上農產品競爭激烈,我國大豆的競爭能力本身較弱,僅有的優勢很快消失,價格已超過市場平均水平的20%。因此,大豆產業亟需轉變發展模式,在提高單產的同時,大幅降低生產成本才能在國際市場占有一席之地[1]。

作物品種、生產工具及栽培技術是種植業的三大基本要素,大豆已經具有優良的品種和成熟的栽培技術,生產工具便成為影響產量的關鍵。各國的大豆生產模式都在發生變化,我國傳統方式效率低和人力成本高的缺陷日益凸顯,無法滿足新時代的要求,須要在生產工具上進行改進。大豆的種植區域一般集中連片,規模較大,適合進行機械化生產。我國的大豆生產機械起步較晚,設計經驗和總體性能與國外相比存在差距,須繼續加強研究。

黑龍江墾區和黃淮海地區是我國大豆的主產區,機械化水平位于全國前列。黑龍江墾區的大豆生產已經實現了全程機械化,覆蓋耕作、栽培、施肥和收獲等各個環節,技術達到了國際先進水平[2]。黃淮海地區受地理條件的限制,大豆生產機械相對匱乏,與栽培措施配套使用沒有取得理想的效果,暫時無法支持大豆的全程機械化生產[3]。針對上述的問題,廣大研究人員在改進機械性能的同時,也加強了對配套栽培技術的完善,使機械的效能得到更好的發揮[4-7]。“深窄密”是目前與機械化配套且應用最廣泛的大豆高產栽培技術。這項技術以矮稈品種為主體,通過消化吸收國外大豆的窄行密植技術,形成深松、窄行和密植的綜合栽培方式,極大地提高了大豆單產。

根據自然條件的不同,大豆的栽培方式也各異,起壟的類型包括低地臺田、高壟平臺、大壟和三壟等,人們對相應的起壟方式和覆膜技術均進行了研究[8-11]。在大豆的機械化收獲方面,韓寶珍等較早在大范圍內的同一田塊和時間模擬機械的聯合收獲和分段收獲,得到了一些普遍性的規律,為降低收獲的損失率提供了指導[12]。閆興軍等對黑龍江墾區大中小型大豆收割機并存的局面進行了淺析,提出了機械關鍵技術問題的解決方案[13]。本文針對黃淮海地區大豆生產機械化程度不高的問題,結合實際條件和栽培方式設計了一套大豆全程機械化生產技術,覆蓋種子包衣、精量播種、藥物噴施和聯合收獲4個生產環節。

1 試驗環境和栽培方式

試驗在位于山西省長治市的本單位種植基地中進行,土壤類型為紅黃壤。大豆品種為紅豐11,在本地的產量可以達到2 900kg/hm2。選擇2個平整的田塊,單個田塊面積約為0.5hm2。在一個田塊中按照本地的生產方式進行種植,另一個田塊中進行全程機械化作業,覆蓋種子包衣、精量播種、藥物噴施和聯合收獲4個環節。

5月上旬播種大豆,采用與機械化配套的“深窄密”高產栽培模式,壟臺寬度140cm,高度2.8cm。大豆種植的行距30cm,每公頃50萬株,采用全程施肥方法,適當增加氮肥的比例。在盛花期噴施葉面肥植物動力2003,施用量為150g/hm2。

2 機械化作業環節

2.1 種子包衣

種子包衣機械為5B-5型種子包衣機,由農業部南京農業機械化研究所設計。5B-5型包衣機采用甩盤方式進行霧化,最大生產能力為5t/h,可以用于小麥、棉花和水稻等長粒型作物及玉米和大豆等圓粒型作物種子的包衣作業。5B-5型包衣機以固定的支架為支撐結構,作業系統由種子供給裝置、種衣劑供給裝置、混合裝置、攪拌輸送裝置和電氣控制系統5個部分組成。控制系統連接其它的4個部分,協調機械實現正常運行。電氣控制系統以PLC為核心,以變頻器為控制元件,此外還有操作顯示屏及各型傳感器和轉換器等,整體結構如圖1所示。包衣劑為30%的多克福,可以防治根腐病、包囊線蟲病等病害,以及地老虎和金龜子等蟲害。

圖1 種子包衣機的整體結構Fig.1 Overall structure of seed coater

包衣機開啟后先進行系統初始化,然后設置生產率為4.5t/h,藥種比1∶60,種子容重為800kg/m3,以此計算種子和種衣劑的供給量。機械開始運行后,變頻器根據PLC的指令調節到相應的頻率,控制各個電機的轉速實現精確的藥種配比。料位傳感器和液壓傳感器實時監測物料的供應狀況,反饋給PLC以便對變頻器的頻率及時進行修正。同時,PLC還根據物料的供應狀況控制混液電機和輸送電機保持合適的轉速以保證作業的順利進行。喂料室空倉后喂料電機停止,隨后供液電機、混液電機和輸送電機依次延時數秒后停止,便于物料的充分混合、攪拌和輸送。作業結束后,調查結果為：實際生產率4.64.5t/h,種子破損率0.16%,包衣合格率98.3%,得到了理想的包衣效果。

2.2 精量播種

大豆精量播種采用的是2BXY-12型播種機,由河北農哈哈集團根據大豆的特性設計制造。2BXY-12型播種機配套動力50kW,工作幅寬240cm,正好覆蓋2行壟臺。機械播種采用精量點播,深度4cm,株距20cm,行距可調,設置為30cm,一次可以播種8行。該機型結構緊湊,前后距離較短,田間邊掉頭和轉移田塊都比較靈活。防纏繞裝置采用切碎刀片,具有較強的適應性。開溝器后安裝兩個對稱的仿形輪,播種時鎮壓種溝兩側,使播種后的種溝下緊上松,有利于大豆破土出苗。播種裝置上的開溝器交錯排列,可以避免行距較小時產生的壅土現象。機械的行駛速度為8km/h,最大作業效率可達2hm2/h。

播種完成后調查機械的作業質量,實際播種株距為19.6cm,行距為29.3cm,符合設定值。大豆種子的初始發芽率為98.5%,純凈度為99.1%,最終的出苗率達到92.5%,獲得了理想的播種效果。

2.3 藥物噴施

藥物噴施采用基于計算機視覺的無人機精準噴藥,噴藥裝置包括圖像獲取設備、圖像傳輸設備、圖像處理設備和精準噴藥設備4個部分。無人機為極飛農業生產的P20型,最大藥容量為6L,作業速度為5m/s,續航時間達到30min,一次作業的噴施面積為1.3hm2。由安裝在無人機下方的尼康COOLPIX P60型數碼相機拍攝獲得大豆的圖像,轉換為數字信號后發送給地面站。地面站的計算機對圖像進行視覺分析,提取圖像中的大豆覆蓋區域和空缺區域。特征圖像被劃分為4行×4列的網格,計算機根據每個方格內的大豆覆蓋面積形成處方圖,發送給無人機。

精準噴藥設備包括藥箱、微型隔膜泵、電動離心噴頭和噴藥控制器,每個噴頭由1個電磁閥單獨控制,采用脈沖寬度調制開啟。每套噴藥設備帶有4個噴頭,噴頭間距0.15m,每個噴頭對應處方圖中的1列方格,1次噴灑可以覆蓋0.6m的寬度。噴藥控制器根據處方圖控制噴頭在飛行過程中的開啟時機和程度,實現對網格內大豆的精準噴藥,如圖2所示。

圖2 精準噴藥系統的結構Fig.2 Structure of precision spraying system

試驗結果表明：從拍攝圖片到形成處方圖僅耗時50ms,可以滿足無人機快速飛行時的作業要求。在處方圖中隨著大豆覆蓋面積比例的增加,噴灑的藥液劑量也依次增大,可以實現精準噴藥。作業速度為5m/s時,霧滴沉積量與處方圖劑量呈明顯的線性關系。但是,當作業速度超過6m/h,霧滴在下降過程受到氣流的干擾,噴藥的精準性開始降低,在實際應用中需要盡量避免。

2.4 聯合收獲

大豆的收獲采用聯合收獲的方式,機械型號為約翰·迪爾佳聯公司生產的JDL3070型聯合收割機。該機型的脫粒和分離功能由切流和橫軸流組合裝置完成,結構簡單且可靠性高。清選裝置為雙魚鱗篩,具有較大的清選面積。JDL3070型收割機針對大豆配置了撓性割臺,在較大起伏的地面上也能保證割茬高度一致,控制在40cm左右。撓性割臺減少了馬耳夾漏割引起的損失,也可以防治割刀擁土造成大豆的“泥花臉”。

另外,JDL3070型收割機還將原有的復脫器半軸改為通軸,使內部的物體流更加通暢,提高了輸送和清選的性能。變速裝置為HK型無級變速帶,賦予脫粒滾筒530～1 200r/min的轉速調節范圍,大幅降低了收割引起的大豆破碎率,因此適合用于大豆的聯合收獲。

3 試驗結果與分析

與人工作業相比,全程機械化作業所需機械作業成本為395元/hm2,節省的人工成本、種子成本和藥劑成本分別為3 100、80、35元/hm2,因此投入的總成本減少了2 820元/hm2,如表1所示。另外,全程機械化作業的田塊增產大豆180kg/hm2,按照1.5元/kg的銷售價格計算,則增加的產值為270元/hm2。因此,與常規的生產方式相比,大豆全程機械化生產可以增加3 090元/hm2的綜合效益。

表1 大豆機械化生產的成本分析Table 1 Cost analysis of soybean mechanization cultivation 元/hm2

4 結論

針對黃淮海地區大豆生產機械化程度不高的問題,結合實際條件和栽培方式設計了一套大豆全程機械化生產技術,覆蓋種子包衣、精量播種、藥物噴施和聯合收獲4個生產環節。在實際應用中,全程機械化作業投入的總成本減少了2 820元/hm2,而產值增加了270元/hm2,共帶來了3 090元/hm2的綜合效益,可為大豆產業的持續發展提供技術支撐。