南方雙季稻區保護性耕作裝備的田間試驗與效果

吳羅發，王康軍，陳立才，董獻華，賴宏斐

（1.江西省農業科學院 農業工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能農機裝備工程研究中心，江西 南昌 330200；3.江西良田農業機械有限公司，江西 余江 335200；4. 江西開放大學，江西 南昌 330046）

0 前言

水稻是我國種植面積最大、產量最多的糧食作物，對保障我國糧食安全和維護社會穩定具有舉足輕重的戰略作用［1］。江西是農業大省，水稻種植面積常年在333.33萬hm2以上，是我國典型的以種植雙季稻為主的農業區［2］。全省地貌以丘陵山地為主，土壤主要為紅壤，一般黏性較大、易板結、較貧瘠，耕整環節機具功率消耗較大［3］。現有的水稻耕整地以犁地和耙地等多工序作業為主，一般采用輪式拖拉機帶旋耕機或耕整機進行2~3次旋耕，再用圓輥進行平整作業，機械要進地3~4次，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細作的要求［4］。但在我國南方地區，由于土壤中的水分較多且相對松軟，農機耕整地的過程中，表層土壤容易下陷，破壞了原有土壤結構，產生了土壤退化問題［5］。引進大功率輪式拖拉機耕田，雖然效率較高，但容易深陷硬泥層下，嚴重破壞了耕作層的土壤結構，導致“犁底層”不平，影響機插質量，造成漏水漏肥，最終影響秧苗生長和水稻產量［6-11］。作物秸稈含有大量的有機質、氮磷鉀和微量元素，秸稈直接還田是改善土壤結構最直接、最快速的有效手段［12］，能夠有效改善土壤團粒結構，減少化肥用量，提高后續作物的生長質量［13-15］。在南方雙季稻區，水稻秸稈機械還田作業主要分為秸稈粉碎拋撒、犁翻、旋耕等多道工序，在“雙搶”季節，存在水稻秸稈量大、留茬高等問題；利用現有的秸稈還田裝備時，需要浸泡幾天，不同機組多次進地作業［16］，導致作業效率較低，秸稈還田效果不理想［17-19］。這種作業模式不僅增加了作業成本，同時造成土壤多次被碾壓，破壞了土壤結構，造成土壤水蝕、礦質流失等問題［20-26］。因此，亟待研究適用于南方雙季稻區保護性耕地、翻田、秸稈粉碎及還田一次性作業的機械裝備和技術，進而實現水田生產節本省工、增強地力，減少環境污染，促進水田作業的可持續發展，對改善生態環境具有現實意義。

為實現南方雙季稻區保護性及可持續耕作要求，根據南方丘陵雙季稻區水田土壤類型和耕作制度，本文開展了“雙季稻水田動力機械（履帶自走式拖拉機）+秸稈還田機械（秸稈埋茬起漿機）”的田間試驗，以及適宜南方雙季稻區水田保護性耕作關鍵技術研究，為加快南方丘陵雙季稻區水稻機械化生產提供裝備和技術支撐，實現農機與農藝的有效融合。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

雙季稻新型耕作裝備田間試驗于2020年7月22日在江西省農業科學院高安試驗基地進行，供試水稻品種均為原谷珍香，播種日期為6月29日，播種量統一，插秧日期為7月25日，用井關乘坐式高速插秧機栽插，田間管理統一，收獲日期為11月16日。試驗分2組，不設重復。

試驗一：采用自行研制的“履帶式旋耕機+秸稈埋茬起漿機”，在不同留茬高度田間進行作業性能對比試驗。試驗設置3個留茬高度和2種作業次數，留茬高度（H）分別為150 mm（H1）、300 mm（H2）和450 mm（H3），耕 作 次 數（N）為1次（N1）和2次（N2）組合的6個處理為：（1）留茬高度150 mm，作業1次（H1N1）；（2）留茬高度300 mm，作業1次（H2N1）；（3）留茬高度450 mm，作業1次（H3N1）；（4）留茬高度150 mm，作業2次（H1N2）；（5）留茬高度300 mm，作業2次（H2N2）；（6）留茬高度450 mm，作業2次（H3N2）。配套動力為良田1GZL-220自走履帶式旋耕機的拖拉機。試驗田面積0.4 hm2，將田塊平均分為6個小區，每個小區面積666.67 m2；測試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯合收割機進行收割，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

試驗二：采用自行研制的履帶式旋耕機、秸稈埋茬起漿機，與普通輪式拖拉機、旋耕機搭配組合進行田間作業性能的對比試驗。該試驗共設置3個處理，分別為“沃得奧龍WD704F輪式拖拉機+1GZL-220型旋耕機”（B1）、自行研制的“履帶式拖拉機+1GZL-220型旋耕機”（B2）、自行研制的“履帶式拖拉機+自行研制的秸稈還田起漿機”（B3）。耕作次數為2次。試驗田面積0.2 hm2，將田塊平均分為3個小區，每個小區面積666.67 m2；測試的前茬作物為早稻；采用帶粉碎裝置的全喂入聯合收割機進行收割，平均留茬高度為15 cm，秸稈粉碎并全量還田；旋耕作業前灌水浸泡田塊2 d，灌水深度50 mm。

1.2 測定性能指標及方法

1.2.1 耕作效果 對比試驗進行水稻秸稈還田旋耕作業時，主要測試耕深、耕深穩定性、壓茬深度、地表平整度和植被覆蓋率等性能指標。測定方法和要求參照國家標準DG/T 005—2019《旋耕機》、DG/T 088—2019《自走履帶旋耕機》和GB/T 24685—2009《水田平地攪漿機》等，相同的作業性能指標如若判定標準不一致，則以3個標準中要求最高標準為判定依據，即耕深≥120 mm、耕深穩定性≥85%、壓茬深度≥50 mm、地表平整度≤50 mm以及植被覆蓋率≥80%。

（1）耕深與耕深穩定性。作業深度采用直尺進行測定。測定時，沿機組前進方向在已作業范圍內測定，每隔2 m測1個點，測定2壟，每壟各測11個點，計算平均值，按照公式（1）~公式（4）進行計算。

（2）壓茬深度。作業后，在測區范圍內測定2個行程，每個行程測11個點，測量泥漿表面與壓入泥漿中留茬（壓入泥漿的留茬不少于全長的2/3）的垂直距離，即為壓茬深度。

（3）地表平整度。作業后，在作業區內測定2個行程，每個行程測定11個點，測量作業后的地表與水平基準面的垂直距離，計算作業后的泥漿表面與水平基準面的垂直距離平均值，按照公式（5）~公式（6）計算打漿后地表平整度。

（4）植被覆蓋合格率。水稻秸稈植被覆蓋合格率的測試：機型旋耕作業2遍后，在作業區范圍內隨機選取7個測試點，每個測試點取1 m2的面積，對地表以上的水稻秸稈、根茬和植被質量及地表以下作業深度范圍內秸稈、根茬和植被質量進行分別測定，按照公式（7）進行計算。

式（7）中：Fb為植被覆蓋合格率（%）；Wq為地表以下作業深度范圍內秸稈、根茬和植被質量（g）；Wh為地表以上作業深度范圍內秸稈、根茬和植被質量（g）。

1.2.2 機插適應性分析 機具耕作后，開展機插秧適應性分析，采用對角線取樣法選取5個測區，測區距田邊大于一個工作幅寬。在5個測區內，測定栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等指標。每個測區在全幅寬內各測100穴；測定漏插穴數和翻倒穴數時，每個測區各測200穴。按公式（8）~公式（10）計算各項指標。

（1）栽插深度。在5個測區附近各測10穴秧苗。以田泥面為基準，量至秧塊表面，判定為栽插深度。

（2）漏插率。公式為：

式（8）中：Rl為漏插率；Xl為漏插穴數總和（穴）；X為測定總穴數（穴）。

（3）漂秧率。公式為：

式（9）中：Rp為漂秧率；Zp為漂秧株數總和（株）。

（4）傷秧率。公式為：

式（10）中：Rs為傷秧率；Zs為傷秧株數總和（株）；Z為測定總株數（株）。

1.2.3 產量與產量結構 于成熟期隨機測定每穗粒數、結實率和千粒重等指標，采用五點取樣法進行測產，測定每個處理的產量構成和增產效果。

2 結果與分析

2.1 耕作效果分析

表1為采用自行研制的“履帶式旋耕機+秸稈埋茬起漿機”在不同留茬高度的田間進行作業性能對比試驗的結果。由表1可以看出，研制的南方水田秸稈埋茬起漿機能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項作業工序，除了當留茬高度450 mm、作業次數為1次時，壓茬深度為49.5 mm，略低于技術要求外，其余處理的耕深、耕深穩定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率5個指標均符合技術要求。當耕作2次、最高留茬高度450 mm時，所有的指標均顯著符合技術要求。當留茬高度150 mm、耕作次數為2次時，各項指標顯著優于其他處理，其耕深、耕深穩定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm和94.60%，較國家標準分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，顯著提升了耕作效果。

表1 不同留茬高度的田間作業性能檢測結果

表2為不同耕作機具作業的田間作業性能試驗結果。由表2可以看出，不同的耕作機具作業的性能指標差異顯著，從B1到B3，各耕作指標依次增加，經B3處理的耕深、耕深穩定性、壓茬深度、地面平整度和植被覆蓋合格率分別為141.64 mm、94.82%、98.67 mm、25.13 mm、94.60%，顯著優于另外2個處理，各項指標較B1和B2分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%。

表2 不同耕作機具作業的田間作業性能檢測結果

2.2 機插適應性分析

表3為不同留茬高度對機插秧效果的影響。隨著留茬高度的增加，栽插深度依次降低，漏插率和傷秧率逐漸升高，漂秧率差異不顯著。耕作次數同樣會影響插秧效果，耕作次數為2次的效果顯著優于耕作1次的效果。當耕作次數為1次時，傷秧率明顯增加，經自行研制的“履帶式拖拉機+自行研制的秸稈埋茬起漿機”耕作，除了傷秧率不符合標準要求外，其他指標均符合要求。采用H1N2的效果最好，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優于其他處理。

表3 不同留茬高度對機插秧效果的影響

由表4可以看出，不同的耕作機具作業對機插秧效果的影響除栽插深度外其他指標的差異顯著，從B1到B3，漏插率、漂秧率和傷秧率依次降低，B3處理的栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率顯著優于其他處理。

表4 不同耕作機具作業對機插秧效果的影響

2.3 留茬高度對水稻產量及其構成因素的影響

表5為不同留茬高度對水稻產量及其構成因素的影響，隨著留茬高度的增加，有效穗數、穗粒數、結實率依次降低，千粒重差異不顯著。耕作次數同樣會影響水稻的產量結構，耕作2次的有效穗數和穗粒數顯著優于耕作1次的，但千粒重和結實率差異不顯著。經H1N2處理的效果最好，有效穗數達到409.85萬穗/hm2，穗粒數達到144.12粒，理論產量和實際產量分別達到10186.21 kg/hm2和7115.55 kg/hm2，增產效果顯著。

表5 不同留茬高度對水稻產量結構的影響

表6為不同耕作機具作業對水稻產量及其構成因素的影響，從B1到B3，有效穗數、穗粒數、理論產量和實際產量依次升高，經B3處理的效果顯著優于其他處理，但千粒重和結實率差異不顯著。

表6 不同耕作機具作業對水稻產量結構的影響

表7為不同耕作機具作業實際產量的增產效應比較。從表7中可以看出，B3處理的增產效果顯著，較B1和B2分別平均增產了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產率分別為9.63%和4.57%。

表7 不同耕作機具作業的增產效應比較

3 結論與討論

3.1 結論

田間性能試驗結果表明，南方水田高留茬秸稈埋茬起漿機能一次性完成水田高茬秸稈埋覆還田、旋耕整地和地表平整等多項作業工序，其作業深度、作業深度穩定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等均符合設計要求。當作業次數為1次時，作業性能基本符合相關標準技術要求；當作業次數為2次時，各項技術指標均完全達到設計要求和符合相關標準技術要求，較國家標準分別提高了18.03%、11.55%、97.34%、49.74%和18.25%，作業過程平穩，旋耕整地、地表平整質量好，秸稈埋覆還田效果好。南方水田經高留茬秸稈埋茬起漿機作業后，機插質量好，當耕作次數為1次時，除了傷秧率不符合標準要求外，其他指標均符合要求；當耕作次數為2次時，各機插性能指標均符合國家標準要求，栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率分別為37.30 mm、0.6%、1.2%和1.2%，顯著優于其他處理。

3.2 討論

不同耕作機具田間作業性能試驗結果表明，采用自行研制的“履帶自走式拖拉機+水田秸稈埋茬起漿機”具有顯著效果，與“輪式拖拉機+普通旋耕機”、自行研制的“履帶式拖拉機+普通旋耕機”相比，其作業深度、耕深穩定性、地面平整度、壓茬深度、植被覆蓋合格率等耕作性能指標分別提升了9.92%和4.88%、4.31%和4.13%、42.59%和19.12%、40.15%和34.57%、13.04%和7.16%；栽插深度、漏插率、漂秧率和傷秧率等機插秧指標均顯著優于其他處理；大田試驗增產效果顯著，分別平均增產了625.35 kg/hm2和310.95 kg/hm2，平均增產率分別為9.63%和4.57%。較傳統的耕作機具，自行研制的“履帶自走式拖拉機+秸稈埋茬起漿機”效果顯著，適宜在南方雙季稻區推廣應用。