基于精確播深控制目標的播種單體田間臺架試驗

丁啟朔 尤 勇 邢全道 徐高明 梁 磊

(1.南京農業大學工學院, 南京 210031；2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室, 南京 210031；3.江蘇省農墾農業發展股份有限公司, 南京 210031)

0 引言

中國的小麥播種機產品類型豐富，不同類別播種機的設計差異及地域特色明顯。其中，長江中下游區域用于稻茬小麥播種的機具多為全幅、寬幅、條帶撒播或旋播等輕簡機械化特點，相關產品(如黃鶴、豪豐、良友、欣田、清淮等)多采用復式作業的全幅旋耕或表土淺旋處理。生產中集約化稻麥輪作制周年機具下地次數多，機具壓實和微地貌破壞嚴重[1]，因此，應研發播種行或苗帶的單體仿形機具才可有效適配微地貌變異，單體仿形方式播種機設計是實現精確種植農藝要求的首選技術，而探明單體精確播種技術在稻麥輪作區所受諸多因素的影響規律是推動精播機理論與技術發展的關鍵。

在農機-農藝融合的新背景下，區域適應性的單體精播技術應兼顧農機和農藝的多方面要求，相關科學問題涉及：播種單體在不同土壤力學屬性和苗床物理條件的適應性；單體的各設計參數及相互間耦合關系及其對精播質量的影響；區域農業的精播農藝要求，如精確播深要求下的單體允許變異范圍；播種單體設計參數間的組合及單體-土壤力學耦合的精播農藝效果(如出苗率)。

前期農機-農藝融合的精播技術研究表明，播種單體或開溝器的設計參數、土壤條件、地表秸稈等因子影響精播質量[2]，也影響種子出苗、作物長勢和產量[3]。因此，精確播種技術的關鍵是將每粒種子以理想播深置于土壤中，促進種-土接觸，提高種子出苗率和苗高一致性[4]，從而降低株間競爭[5]，構建合理群體結構[6]，實現高產和生態效應[7]。

針對當前稻茬麥種植技術多為等深撒播和寬幅條播的現狀[8]，難以滿足精確農藝要求[9]，江蘇農墾集團等大范圍應用的新型播種機也面臨精播技術突破的瓶頸[10]。將全幅作業轉變為單體精播顯然更利于地表仿形和精確控深，從而最大化降低大田環境的復雜干擾(地表起伏、留茬、秸稈覆蓋等)，提高精播質量。

近年來播種單體的地表仿形精播技術出現了較多創新，相關學者提出了單體的平行四連桿動力學模型[11]、開溝深度數學模型[12]、以拉格朗日方程解析的彈簧四桿仿形機構深度穩定性模型[13]等單體動力學和理論。單體的主動仿形方面，也研發出基于力反饋的四連桿液壓電控仿形播深控制系統[14]、基于氣囊壓力控制的四連桿仿形播深控制系統[15]等，配合使用多種傳感器，實時獲取微地貌、單體下壓力等監測數據并實現動態控制。

不過，對各類播種單體控制及播深精確控制技術的研究較少重視不同農業區具體田間環境下的單體精播農機-農藝融合與適配性。由于不同的農業生態區影響機械化耕播的土壤力學特點所決定的單體精播性能的差異性，因此需要著重研究播種單體在長江中下游區域水稻土的下壓力控制，同時結合農藝效果作為定量指標，以市場成熟的單體產品為研究對象，探究該區代表性稻麥輪作制的播種單體下壓力及播深精確控制及效果，深入探討基于農機-農藝融合的上述4方面的技術特征，量化單體精播力學及精確播深控制的系統行為與效應，以期為稻麥輪作制的稻茬麥精確播種單體設計提供基礎數據和參考。

1 研究方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2020年11月水稻收獲后進行，位于南京市六合區八百橋(118°59′E，31°98′N)，地勢平坦，該地區常年稻麥輪作，土壤類型為壤質粘土，屬于長江中下游地區代表性稻麥輪作區。小麥供試品種為寧麥13，0～20 cm土層物理參數見表1。試驗前人工清除地表留茬，后將稻茬田進行2種耕作處理(免耕、旋耕)。免耕對應保護性耕作生產模式，旋耕處理為常規稻茬麥種植的耕作方式。

表1 0～20 cm土層基礎物理參數

1.2 試驗方法

試驗所用免耕播種單體為大華寶來2BMYFQ系列產品，為市場成熟的中位仿形單體產品(圖1a)，為實現精確控制及測試，將單體掛接在土壤耕作原位綜合測試平臺上[16](圖1b)，試驗平臺提供牽引動力。測試過程臺車水平勻速運動，牽引速度0.5 m/s，較低的牽引速度有利于減小速度因子對播種質量的影響[17]。

圖1 田間原位綜合試驗平臺

試驗前標定理論開溝深度與搖柄位置關系(圖2a)，將帶刻度的木方(間隔1 cm)置于限深輪下方，調節搖柄，使刻度表數值與理論開溝深度(即開溝器底端至限深輪與木材接觸平面的距離)一一對應，標定結果如表2所示。單體下壓力則由被動仿形的彈簧位置調節，并進行單體下壓力標定(圖2b)[18]，得到彈簧下壓力控制的3個擋位(低、中、高)分別對應0.6、1.0、1.2 kN。

表2 開溝深度與單體刻度表數值對應關系

圖2 預定播深與單體下壓力標定

為保障精確排種的可靠性，使用電驅動精確排種器進行精確排種。為了保持種溝形態并便于后續測試，拆除覆土器，播后先將標桿橫置跨越播種溝，得到原始地貌高程基準，后測取各點的播深數據、土壤硬度等數據。完成測試工作后人工覆土蓋籽，后續按照農藝統計方法測取出苗率等數據。

理論開溝深度(即預定播深)設2.5、4.0、6.0 cm共3個水平；單體下壓力設0.6、1.0、1.2 kN 3個水平，共9個組合，3次重復，隨機區組試驗。試驗在一塊長50 m、寬10 m試驗地進行，每次測試的有效行程為5 m，去除前后各1 m的非穩定工作區，取中間3 m為試驗數據采集區，為避免各行交互影響，行距為40 cm，小麥播后遵照農學常規進行田間管理。

1.3 測試項目與方法

1.3.1實際播深

為保證試驗測試單體下壓力和播種深度的準確性，測取單體作業后的實際開溝深度，用于考察單體在水稻土條件下的播種深度控制效果，實際播深反映出單體限深輪的地表接觸平面與種溝底部的距離，也稱為實際開溝深度。根據NY/T 1768—2009《免耕播種機質量評價技術規范》計算實際播深的平均值、標準差和變異系數。

1.3.2土壤緊實度

播種單體的播深控制主要依靠限深輪，單體下壓力的加載導致限深輪對種溝兩側(即種溝側壁)土壤產生一定擠壓作用，易造成種溝側壁壓實。播種作業完成后，采用TJSD750II型土壤緊實度測定儀(浙江托普儀器有限公司)，沿溝壁兩側限深輪作業軌跡各均勻選取5個點測取0～15 cm土層的緊實度，各測點間隔20 cm(圖3)。

圖3 土壤緊實度樣點示意圖

1.3.3單體限深輪下陷量

實際作業過程發現，水稻土條件的單體限深輪會下陷，因此，播種作業完成后，以原地表為基準，測量限深輪的下陷量，分別在種溝兩側選取5個點測定，測量點之間間隔20 cm，并計算其平均值。

1.3.4出苗率

播后7 d進行出苗率統計，每個處理取0.5 m作為一個測試單位，3次重復[19]，出苗率為出苗數與播種數的百分比。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2003處理數據和SPSS 23統計軟件中最小顯著性差異檢驗法(LSD)進行方差分析和多重比較，用origin 2018 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同技術參數組合對實際播深的影響

水稻土的不同耕作處理影響苗床緊實度，與免耕地土壤緊實狀態相比，旋耕地松軟，因此從圖4中2.5 cm預定播深與實際播深的對比發現(圖中不同大寫字母表示相同單體下壓力下不同預定播深間差異顯著，不同小寫字母表示相同預定播深下不同單體下壓力間差異顯著，下同)，3個下壓力都造成限深輪的下陷，限深輪下陷導致實際播深高于預定播深，而且下壓力的逐步增加也造成實際播深超出預定播深更大(即統計均值線高出虛線部分)。此外，從表3中對比發現，旋耕地實際播深變異系數明顯低于免耕地。

表3 不同技術參數組合對實際播深平均值及變異系數的影響

圖4 不同技術參數組合對實際播深的影響

圖4顯示在一個確定的預定播深-下壓力組合內同時出現了實際播深低于或者高于預定播深的情況(即，實際播深均值高于或低于虛線)。下壓力0.6 kN的3個預定播深條件都出現實際播深達不到預期的情況，表明此時的張緊彈簧-土壤支撐力關系導致免耕地精確控深失效。在機械設計原理上，則體現為彈簧預設擋位提供的壓縮量及下壓力嚴重不足，雙圓盤開溝器在緊實化免耕地所受土壤的支撐力很容易高于預設下壓力，從而導致彈簧在初始壓縮量的基礎上發生進一步彈性變形。可見，現有產品基于線性剛度的下壓彈簧設計難于合理匹配該工況的“單體-土壤力學關系”，基于水稻土的土壤力學條件設計非線性專用彈簧是實現部分工況下精確播深控制的一個重要方式。

圖4進一步表明，對所有預定播深、下壓力及耕作處理而言，下壓力的增加導致實際播深逐漸增加。但在免耕地條件下，除1.2 kN的實際播深基本能夠高于預定播深外，其他處理都難以達到預定播深，其中的極端情況發生在免耕地的預定播深6 cm處理，該處理的每一個結果雖較前一處理(4 cm)都有所增加，但實際播深距離預定目標差距太大，3個下壓力所得實際播深的均值變差高達37.61%，完全無法實現“單體-土壤力學關系”條件下的精確播種目標。

近年來NIELSEN等[20]研發出iGPS精確播深控制系統，可以實現在55 mm目標播深工況下的播深變差控制在±1.2 mm之間。本文所得結果表明，單體下壓力、限深輪下陷、開溝器所受土壤支撐力、限深輪虛支撐等多重動力學行為和發生機制同時影響播深的精確控制，任何的精確播深控制策略都需要基于田間真實工況，表明單體產品針對保護性耕作(免耕播種)的農藝適應性及其對南方水稻土等工況的匹配性至關重要。

AHMAD等[21]在南方水稻土條件的圓盤開溝器試驗表明，種溝深度從3 cm增加到9 cm所需下壓力從660.5 N增加到1 241 N，MAGALHAES等[22]使用齒狀圓盤得到播深70 mm條件下下壓力變化范圍為1.5～2.1 kN，這些前期研究成果與本文所得結果基本相近。然而就免耕播種機的整機設計看，一個12行播種機需要下壓力14.4 kN，這進一步為稻茬麥的輕量化播種裝備研制提出了限定條件。稻作制或粘性土需要輕量化播種機[10]，在農機輕量化趨勢下，合理的播深控制必然需要拖拉機的重心轉移設計，才能達成拖拉機播種機組的機組牽引力學合理性，然而現有的單體產品僅提供簡單掛接方式，長江中下游區域現有的播種機產品也較少考慮下壓力與播深控制的機械設計動力學問題。

WANG等[23]針對北方旱作的雙圓盤開溝器研究發現，W型種溝、種溝回土、松散粗糙的種溝壁、回落溝底的大土垡等要素顯著影響播種深度一致性。本文針對南方水稻土的試驗過程沒有出現這些現象，即使在已耕地碎土條件下，雙圓盤開溝器形成了較為整齊的種溝壁且V型溝形干凈整潔(圖5)，表明高濕粘重水稻土具有良好的雙圓盤開溝性能，以及相較于旱作制土壤條件更為穩定的播深控制。

圖5 免耕地(左)與旋耕地(右)種溝溝形

圖6解析了現有彈簧-平行四桿機構播種單體播深精確控制原理(T為彈簧拉力，N；G0為除限深輪外單體質量，kg；G1為限深輪質量，kg；Fr1為地面對單體的水平阻力，N；Fw1為地面對單體垂直作用分力，N；Fr2為地面對限深輪的水平阻力，N；Fw2為地面對限深輪垂直作用分力，N；h為下陷量，cm；H為實際播深，cm；F為限深塊對限深輪支臂的作用力，N)，表明在不同預定播深-下壓力-土壤力學組合下，實現精確播深的實時在線判斷和控制是非常復雜的智能農機裝備研究課題。理想的工作狀態(圖6b)在田間的高度動態工況下難于維持：要么單體因土壤緊實度增加造成對(雙圓盤)開溝器過大的向上支撐，從而令限深輪虛支撐，實際播深達不到要求(圖6a)；要么會因水稻土軟爛，地面無法提供可靠的限深支撐力，導致限深輪下陷明顯，雖然按照國標規定的測試方法所得播種深度穩定，但是因地表下陷嚴重，造成實質性的農學意義上種子位過深(圖6c)。3種動態情況都能夠在圖7所示的限深輪下陷量數據與圖4所示數據的關系中體現出來。因此，長江中下游區域濕爛地精播技術更需要進一步重視播種機行進過程中土壤對開溝器的支撐力動態信息。土壤力學的狀態與空間變異需要下壓力的實時同步跟進，不足的下壓力無法淹沒土壤對開溝器支撐力干擾導致的播深不足，過大的下壓力又會造成限深輪的深陷，從而導致種子位實際深度超過預定播深。明析兩種影響播深精確性的發生機理所需的非線性剛度彈簧、土壤力學在線檢測、新型開溝器設計等技術與裝備都需要深入研究。

圖6 播種單體不同狀態下限深塊受力示意圖

圖7為不同技術參數組合對限深輪下陷量的影響結果。試驗結果表明耕作方式和下壓力對下陷量的影響十分顯著(p<0.05)，預定播深對下陷量的影響不顯著。免耕條件下，下陷量在0.28～0.75 cm之間，變化較小。然而，旋耕條件下，下陷量在3.41～8.35 cm之間，隨著單體下壓力的增加下陷量逐漸增大。

圖7 不同技術參數組合對限深輪下陷量的影響

2.2 不同技術參數組合對土壤緊實度的影響

圖8顯示不同耕作方式和不同預定播深-下壓力組合下限深輪對種溝側壁0～15 cm土層土壤緊實度的影響結果，不同預定播深-下壓力組合均提高了種溝側壁土壤緊實度。預定播深一定時，下壓力與土壤緊實度成正比；下壓力一定時，預定播深的增加對土壤緊實度有減小趨勢。對于不同耕作方式，隨著土層深度的增加土壤緊實度變化趨勢也有所區別。免耕地中(圖8a)，土壤緊實度隨土層深度的增加總體呈“增大-減小-遞增”變化趨勢，在0～7.5 cm 表層土壤產生一個波峰變化，且峰值都大于1 MPa，7.5 cm以下土層土壤緊實度都呈遞增趨勢；旋耕地中(圖8b)，土壤緊實度隨土層深度的增加總體呈遞增趨勢。

圖8 不同技術參數組合下0～15 cm土壤緊實度變化曲線

對所有預定播深、下壓力以及耕作處理方式而言，單體控深機構中的限深輪在播種作業過程中對種溝側壁土壤產生了壓實作用，提高了種溝側壁土壤緊實度，這與HANNA等[24]研究結果相一致，下壓力對0～15 cm土層的土壤緊實度都相應高于播種前土壤緊實度，單體下壓力越大產生的相應土壤緊實度越大。特別情況下，免耕地中下壓力在0～7.5 cm土層范圍內土壤緊實度變化曲線產生了一個“波峰”變化，且峰值較高，可能在該層產生了一個壓實影響域。其原因可能是單體下壓力在播種作業過程中對種溝側壁土壤產生了一定的壓實作用，表層以下土壤受單體下壓力影響小(圖9)。柏建彩[25]針對水稻土的壓實研究也表明，表層土對加載壓力有一定的抵消作用，但與免耕地表現出的局部“波峰”現象不同，旋耕地的種溝側壁壓實隨著土層深度的增加逐漸增大。

圖9 限深輪與開溝器形成的種溝側壁壓實影響域示意圖

2.3 單體不同工作參數組合對出苗率的影響

前人研究表明，過高的單體下壓力產生的種溝側壁壓實會影響種子根系生長[26]。本研究顯示，免耕地單體下壓力造成不同程度的種溝側壁壓實導致不同處理的出苗率差異顯著(表4，表中不同大寫字母表示相同單體下壓力下不同預定播深間差異顯著，不同小寫字母表示相同預定播深下不同單體下壓力間差異顯著)(p<0.05)。試驗研究發現土壤緊實度增加至2 MPa時，根系長度顯著減小[27]，結合圖8所示土壤緊實度數據可見，水稻土種溝壁的緊實化影響稻茬麥的生長，因此，長江中下游區域水稻土條件的精確播種技術所面臨的農機-農藝融合更加困難。

表4 不同技術參數組合的種子出苗率

表4也反映了耕作方式和預定播深對種子出苗率的顯著影響。前人研究表明，過淺或過深的播深都不利于種子出苗[28]。本試驗發現，預定播深對出苗率有顯著影響，且預定播深4 cm的整體出苗效果最好，且旋耕地較免耕地提高12.12%，無論是較淺的預定播深2.5 cm還是較深的預定播深6 cm，出苗率都明顯下降。免耕地中，預定播深4 cm較預定播深2.5 cm和6.0 cm出苗率分別提高8.30%、1.71%；旋耕地中，預定播深4 cm較預定播深 2.5 cm 和6 cm的出苗率分別提高8.09%、36.37%。表明預定播深較淺，容易造成種子晾干，易受凍害，出苗率低，這與鄭亭等[29]研究一致。預定播深較深，導致播種阻力加大，播深合格率低，易出現斷壟現象，此外也易出現悶種、爛籽現象，降低了種子出苗率。因此，水稻土條件下，精確播種技術應將每粒種子置于精確控制的土層中，提供種子最理想的萌發環境，是獲得較高出苗的關鍵因素。此外，除了免耕地預定播深6 cm的情況特殊外，旋耕處理的種子出苗率整體高于免耕地，這主要是旋耕改善了土壤結構，降低了土壤緊實度，創建了適宜的地表微氣候，利于種子出苗[30-31]。可見，在今后開發新型免耕復式精密播種機時，必須充分考慮到機具的前置合理耕作工藝環節。

3 結論

(1)播種單體與土壤力學性質交互影響對精播農藝要求不同。原茬免耕和旋耕條件下的最優播深分別為預定播深4 cm、下壓力1.2 kN以及預定播深4 cm、下壓力1.0 kN，實際播深與預定播深差異較小，播深穩定性高，且旋耕處理的單體播深控制整體效果優于免耕。

(2)播種單體在不同土壤力學屬性和苗床物理條件的適應性不同。對所有預定播深、下壓力以及耕作處理方式而言，限深輪在播種作業過程中對種溝側壁土壤產生了土壤壓實作用，在免耕地0～7.5 cm 表層土壤緊實度曲線呈“波峰”變化，且峰值大于1 MPa。

(3)播種單體不同設計參數間的組合對精播農藝效果不同。對所有預定播深、下壓力以及耕作處理方式而言，預定播深4 cm出苗率最高，且旋耕地較免耕地提高12.12%。

(4)針對長江中下游區域稻麥輪作制的稻茬田播種單體試驗表明，耕作方式、農藝播深目標、單體下壓力等多方面技術參數都影響到種子位的準確性和小麥出苗率，表明在該區域實現精確控深目標的精密播種技術的復雜性和單體設計所需考慮因素的多樣性。