天然草地播種開溝器發展狀況及展望

呂杰 尤泳 王德成 徐鵬 張學寧

摘 要：草地免耕播種可減少土壤的水分蒸發，降低工作阻力及能耗，而草地播種開溝器直接決定著播種機的工作質量。該文闡述了我國草地播種開溝器應具備的要求的研究現狀、以及未來草地開溝器的發展動態。

關鍵詞：天然草地;免耕播種;開溝器;工作質量

中圖分類號 S223.24文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）19-0116-03

Development Status and Prospects of Natural Grassland Seeding Openers

LU Jie et al.

（China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract：No-tillage sowing of grassland should be able to reduce soil moisture evaporation and reduce work resistance and energy consumption， and grassland seeding openers directly determine the working quality of planters. This article focuses on the current research status of sowing openers in my country， the progress of opener research methods， and the development of grass openers in the future.

Key words：Natural grassland; No-tillage seeding; Opener; Work quality

我國草原總面積約為4億hm2，占全國總面積的40%，北方草原主要以天然草地為主[1]。受過載放牧以及氣候的影響，我國天然草地退化嚴重，牧草生產率降低。我國原有的傳統式開溝器對草地的擾動率大，開溝阻力大，難以破壞草地堅實的土壤，從而無法開出適宜牧草生長的種床[2]。因此，研發出一種能夠打破天然草地復合體結構、創造良好種溝、低能耗的草地開溝器成為了草地耕作技術的重點。

1 草地開溝器應具備的要求

1.1 性能技術要 開溝器需要在保證牧草種子能正常發芽的前提下對土壤擾動最小，為牧草種子構建能夠提供發芽和生長的良好種床。天然草地地表堅實且土壤中既有橫向根系，也有縱向生長的根系，土壤與牧草根系形成了難以破壞的復合體結構，因此，開溝器除了要具備傳統開溝器的性能，還應具備切割根系以及破碎土壤的能力。

1.2 結構 天然草地開溝器需具有一定的強度和剛度且耐磨性較高，具有鋒利的刃口，開溝深度可以調節，結構簡單，安全可靠。

2 草地開溝器研究現狀

2.1 開溝器種類 由于各地自然資源以及農業生產客觀條件的不同，形成了多種類型的開溝器，如鋤鏟式開溝器、箭鏟式開溝器、翼鏟式開溝器、船形鏟式開溝器、芯鏵式開溝器，靴鞋式開溝器、滑刀式開溝器、單圓盤式開溝器、雙圓盤式開溝器以及動力型開溝器。而這些開溝器都有一定的局限性，如鋤鏟式開溝器簡單，維修方便，但對土壤擾動大，在有秸稈或雜草覆蓋的田地中工作時容易產生擁堵，不適用于免耕播種機[3];翼鏟式開溝器限用于要求寬苗幅的播種機上;船型開溝器適用于淺播和窄行播，工作速度不宜過高[4];芯鏵式開溝器不利于保墑，開溝阻力大;靴鞋式開溝器對土壤擾動小，但對播種前整地的要求較高，在免耕播種機上使用較少[5];單圓盤開溝器入土性能好，但對土壤擾動大，不適用于干旱地區[6];雙圓盤開溝器保墑性能好，但入土性能較差[7]。

近幾年來，學者們對不同種類開溝器進行了優化設計。陳鵬和張波[8]提出了一種新型圓盤式開溝器，該開溝器在一個圓盤上安裝了3種挖刨刀具，這種結構提高了開溝效率，降低了開溝器的動力需求。潘世強[9]基于均勻設計法設計了芯鏵式開溝器，并對開溝器的參數進行了優化得到了適合吉林省中部土壤的開溝器。

通過優化開溝器的材料，可以提高開溝器性能。Foley[10]將滑刀式開溝器和船形鏟式開溝器的材料改進為陶瓷材料;Kaleemullah[11]設計了一種木質開溝器，其在播種深度較深、土壤濕度較大的情況下能夠減小土壤的粘附力，提高開溝器耐磨性;Kyryliv[12]研究了在干摩擦條件下由65G鋼制成的播種機開溝器盤的耐磨性，結果表明，通過低溫回火淬火使開溝器的耐磨性分別提高了2.6倍、13倍。

仿生開溝器能夠有效降低開溝阻力和土壤擾動，如馬云海[13]設計了一種仿生波紋形圓盤開溝器;賈洪雷和鄭健[14]根據蚯蚓的運動形態設計研發了一種能有效改善土壤結構、提高土壤溫度與含水率的多功能的開溝器;趙淑紅[15]通過擬合旗魚頭部曲線設計了一種開溝器;陳海濤[16]研究了一種仿箭魚嘴開溝器，該開溝器能夠對土壤進行強制回土，從而保障了種肥分床，提高了肥料利用率。

有學者研究了一種新型的倒“T”型的開溝器[17-18]，這種開溝器所開種溝呈上窄下寬狀，開溝阻力較大且不易入土，但其所開種溝非常有利于種子發芽，種子出苗率比用傳統開溝器播種和人工播種的要好，同時為種子的發芽提供很好地種床條件，能夠提高牧草種子的越冬能力。

利用拖拉機的動力帶動刀具旋轉進行開溝，可有效提高開溝器通過性。李文漢[19]研究了一種苜蓿切根施肥開溝器，該開溝器利用拖拉機的動力帶動圓盤刀進行切割，具有很好的防堵性能;戴圣杰[20]發明了一種農田開溝器，該開溝器包括圓柱形筒體以及筒體外表面的鏟板，圓柱形筒體由傳動軸傳輸的動力帶動轉動。

為提高開溝器適用性，部分學者研究設計了可調式開溝器。馮小嬌[21]和楊林[22]設計了可以調節開溝深度和入土角度的開溝器;劉紅杰[23]研究了一種能夠根據播種物料的的不同來調節2個圓盤的夾角，進而調節播種寬度的雙圓盤式開溝器;李向林[24]研究了一種可伸縮式苜蓿開溝器，該開溝器利用伸縮裝置快速去除開溝產上的黏土，使得開溝部位工作時阻力減小，提高工作效率。

有學者研究了一種液體破茬開溝裝置，該裝置利用高壓液體對土壤進行開溝[25]。尤泳[26]研制了一種新型羊草草地破土切根機，切根機與拖拉機配套，能夠在保證切斷羊草根莖的情況下保證土壤不翻垡，實現牧草的增產。此外，國內也展開了對窄齒類開溝器的研究，如賀長彬[27]進行了窄齒類開溝器與草地土壤作用關系的研究。相對于圓盤開溝器，窄齒類開溝器還具有將濕土覆蓋種子的優勢[28]。

2.2 開溝器參數 開溝器參數的大小直接影響著耕作質量的好壞，優化其結構參數可以使其更加符合耕作要求。研究多圍繞著開溝器的幅寬、入土角、入土隙角、斜面角等參數展開。試驗表明，入土角對垂直阻力與側向阻力的影響不大，其主要影響前進阻力，隨著入土角的增大工作阻力也增大，開溝器入土角增加到71°時，阻力會有一個激增，而且土壤擾動達到之前的2倍，開溝器應在保證工作要求的情況下選取盡量小的入土角，以減小工作阻力，開溝器入土角一般選取30～50°[29-30];入土隙角在0～12°，開溝器阻力先減小后增大，在入土隙角為7°左右時產生最小工作阻力，入土隙角增加到10°時，開溝器的工作阻力急劇上升，且入土隙角的增加會加劇開溝器的磨損。因此，在保證開溝器有一定入土能力的情況下應選取較小的入土隙角[31];當開溝器斜面角在40°～60°時，具有最優性能;開溝器寬度為50～60mm時，具有較小的開溝阻力以及土壤擾動[32]。

2.3 開溝器結構 不同的開溝器結構會產生不同的開溝效果。James Barr[33]設計了一種彎柄開溝器，可以有效降低土壤擾動。Aikins[34]分析了不同形狀和不同類型開溝器對土壤擾動的大小，得出帶翼的開溝器可減少對種子的干擾且有助于保持土壤水分。針對適用于草地土壤的窄齒類開溝器研究得出，帶有刃口的三角形鏟柄開溝器對于土壤的擾動要小于雙翼型鏟柄開溝器且鋒利的刃口可使開溝器的前進阻力明顯降低。開溝器最易磨損位置在于鏟尖的頂端以及刃口區域，因此，可以通過優化刃口區域的加工工藝或者加裝一種開溝前的破土裝置來減少開溝器磨損。如利用切割圓盤刀對土壤進行切割開溝，然后進行開溝可以有效減少開溝器阻力，可使開溝過程無堵塞，通過性良好[35]。

2.4 開溝器作業參數 開溝器的作業參數會影響開溝效果以及整機能耗。經研究得出，開溝器的前進速度、開溝深度以及土壤含水率影響開溝器的工作阻力和開溝質量[36]。工作阻力主要表現為水平阻力，側向力和垂直反力受影響較小。在未達到臨界速度時，開溝器工作阻力增加的較為緩慢，當超過這一臨界速度，開溝器的工作阻力急劇增加，這一臨界速度在不同質地和不通開溝器下數值不同。如鴨嘴式開溝器[37]在冬小麥地區的臨界速度約為4km/h，山地苜蓿開溝器的臨界速度約為2.8km/h。較高的地面速度時，拖拉機的油耗較高，但以開溝面積為單位表示油耗，由于提高了拖拉機的工作效率，在較高的前進速度下燃油消耗較低[38]。表明合適的前進速度與拖拉機尺寸可以節省燃料。土壤擾動表現為擾動寬度和回土深度。由于天然草地土壤堅實度高，在整機功率一定的情況下需要適當的減小工作速度可以獲得更大的輸出力。因此，在保證一定的開溝效率下，盡量減小開溝速度來獲得更好地開溝質量。天然草地的根系主要分布在地下一定深度范圍內，若想切斷草地根系開出一定質量的種溝，開溝器就必須選取合適的開溝深度。天然草地根系主要分在地下20cm以內，故開溝深度盡量控制在15cm左右，開溝深度過大會導致工作阻力和土壤擾動增大。開溝器的工作阻力隨著含水率的上升先增加后減小，這是因為水膜的張力能夠一定程度上影響土壤粘附力。當土壤含水率較低時，含水率的塑性與液限之間存在最大粘附力值，當含水率超過這一液限，粘附力隨著含水率的增加而減小[39]。天然草地土壤含水率較低，選擇較低含水量時期進行耕作，能夠得到較小的工作阻力。

3 討論

（1）新研究的倒“T”型開溝器的種子出苗率比用傳統開溝器播種和人工播種的要好，能夠為種子的發芽提供良好的種床條件，提高牧草種子的越冬能力，應是研究的重點方向。

（2）由于草地土壤較農田土壤更為堅實，開溝器在工作過程中的磨損更為嚴重，加快了開溝器的失效，使得開溝器參數改變，造成開溝阻力以及土壤擾動增大，減少了開溝器的使用壽命。故可通過替換開溝器鏟尖或設計一種開溝前的破土裝置來減少開溝器磨損。

（3）在滿足一定的作業效率下，應選取合適的前進速度以降低土壤擾動和整機功耗。

（4）開溝器在工作過程中可以看作開溝器與土壤根系相互作用的過程，可利用計算機模擬技術將土壤和根系離散化，實現開溝器開溝以及切根的可視化。

參考文獻

[1]蓋志毅.草原生態經濟系統可持續發展研究[D].北京：北京林業大學，2005.

[2]羅海峰，湯楚宙，吳明亮，等.免耕播種開溝器的發展現狀[J].湖南農機，2005（05）：18-20.

[3]高煥文，保護性耕作技術與機具[M].北京：中國農業出版社，2004.

[4]王磊，廖宜濤，張青松，等.油麥兼用型精量寬幅免耕播種機仿形鑿式開溝器研究[J].農業機械學報，2019（11）：70-80.

[5]Townsend J.S，Bethge J.M.Furrow opener for proper seed and fertilizer placement in no-till.[J].International Journal of Scientific Research，1984，3（4）：345-346.

[6]杜衛剛.開溝器仿生設計及其試驗分析[D].長春：吉林大學，2004..

[7]龔振平，楊悅乾.作物秸稈還田技術與機具[M].北京：中國農業出版社，2012.

[8]陳鵬，張波.圓盤式開溝器的創新設計[J].科技與創新，2015（14）：9-10.

[9]潘世強.基于離散元法的芯鏵式開溝器優化設計與試驗研究[D].吉林：吉林大學，2015.

[10]Foley A G，Mclees V A.A comparison of the wear of ceramic tipped and onventional? precision seed drill coulters[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1986（35）：97-113.

[11]Kaleemullah S.Development of a low-cost ferticum seed drill[J].AMA 1997，28（1）：26-28.

[12]V.I.Kyryliv，Chaikovskyi B P ，Hvozdetskyi V M ，et al.Influence of Heat Treatment on the Abrasive Wear Resistance of the Disks of Furrow-Openers of Seeding Machines Made of 65G Steel[J].2020.

[13]馬云海，馬圣勝，賈洪雷，等.仿生波紋形開溝器減黏降阻性能測試與分析[J].農業工程學報，2014，30（05）：36-41.

[14]賈洪雷，鄭健，趙佳樂，等.仿蚯蚓運動多功能開溝器設計及參數優化[J].農業工程學報，2018，34（12）：62-71.

[15]趙淑紅，劉宏俊，譚賀文，等.仿旗魚頭部曲線型開溝器設計與性能試驗[J].農業工程學報，2017（05）：32-39.

[16]陳海濤，柴譽鐸，唐洪光，等.一種仿箭魚嘴曲面式強制回土分層施肥開溝器[P].CN108781624A，2018-11-13.

[17]王德成，張永祿，尤泳，等.一種苜蓿播種機用開溝器[P].CN209731977U，2019-12-06.

[18]Adul? Shakoor? Khan.Slection? of? Seed-cum-Fertullizer? Drill：Technical? considerations[J].AMA 1990，21（1）：35-39.

[19]李文漢，高愛民，徐蓉霞，等.一種苜蓿地施肥開溝器[P].CN208523185U，2019-02-22.

[20]戴圣杰，解思瑾，李強，耿計彪.高效農田開溝器[P].CN209314253U，2019-08-30.

[21]馮小嬌，敖茜，廖禺，王歡，等.一種可調節開溝寬度的旱地開溝器[P].CN209572389U，2019-11-05.

[22]楊林，王飛鵬，陳超，等.一種入土角度可調的開溝器以及播種機[P].CN209768175U，2019-12-13.

[23]劉紅杰，倪永靜，任德超，等.一種圓盤開溝器[P].CN210143268U，2020-03-17.

[24]李向林，萬里強，李躍，等.用于苜蓿的伸縮式開溝器[P].CN206760000U，2017-12-19.

[25]賈洪雷，屈明浩，王立春，等.一種高壓液體動態破茬開溝裝置[P].CN110754170A，2020-02-07.

[26]尤泳，王德成，王光輝.9QP-830型草地破土切根機[J].農業機械學報，2011，42（10）：61-67.

[27]賀長彬.天然草地土壤—根系復合體與窄齒類耕作部件作用關系研究[D].北京：中國農業大學，2018.

[28]Solhjou A ，Fielke J M ，Desbiolles J M A.Soil translocation by narrow openers with various rake angles[J].Biosystems Engineering，2012，112（1）：65-73.

[29]James B.Barr，Mustafa Ucgul，Jack M.A.Desbiolles，John M.Fielke.Simulating the effect of rake angle on narrow opener performance with the discrete element method[J].Elsevier Ltd，2018，171：1-15.

[30]姚宗路，高煥文，李洪文，等.不同結構免耕開溝器對土壤阻力的影響[J].農機化研究，2009，31（07）：30-34.

[31]張杰，趙春花.小型山地苜蓿播種機開溝器的設計與試驗[J].農業機械，2013（10）：149-152.

[32]李輝，吳建民，孫偉，等.垂直分層種肥分施開溝器試驗研究[J].安徽農業科學，2015，43（30）：337-339.

[33]Barr J ，Desbiolles J ，Ucgul M ，et al.Bentleg furrow opener performance analysis using the discrete element method[J].Biosystems Engineering，2019，189：99-115.

[34]Kojo Atta Aikins，Troy A.Jensen，Diogenes L.Antille.Three-dimensional scanning of soil surface and furrow profiles using a portable and affordable unit[J].Elsevier Ltd，2020，193.

[35]朱惠斌，李洪文，白麗珍.基于SolidWorks圓盤式免耕開溝器的仿真設計與分析[C]//中國農業工程學會學術年會.2011.

[36]呂金慶，衣淑娟，陶桂香，等.馬鈴薯播種機分體式滑刀開溝器參數優化與試驗[J].農業工程學報，2018，34（004）：44-54.

[37]趙淑紅，楊悅乾，閆以勛，等.鴨嘴式開溝器的設計試驗[J].東北農業大學學報，2013，44（11）：113-117.

[38]Barr J B ，Ucgul M ，Desbiolles J ，et al.Development and field evaluation of a high-speed no–till seeding system[J].Soil and Tillage Research，2019，194（1）.

[39]劉弘，王大放，楊陸，等.粘性土的含水率對其力學性質的影響[J].東北水利水電，2006，24（11）：55-56.

（責編：張宏民）