育種試驗馬鈴薯播種機的設計與試驗

王 婕,楊然兵,田光博,張 建,翟宇鳴

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

目前,我國作為世界上馬鈴薯種植面積最大的國家,單產量卻不及世界馬鈴薯產量的平均水平[1]。馬鈴薯的品質和產量關鍵在于種薯,因此應進一步加快馬鈴薯優良品種的培育[2]。馬鈴薯播種作為育種試驗中的關鍵步驟,對馬鈴薯生長情況及育種試驗結果的準確性具有重要作用。我國馬鈴薯育種試驗主要依靠人工播種,勞動強度大,作業質量差;或者通過小型馬鈴薯播種機進行播種。育種試驗播種需要頻繁更換馬鈴薯種薯種類,人工換種費時費力,機器啟停次數多,重種、漏種現象嚴重[3]。

現階段,國內外對于馬鈴薯播種機關鍵技術的研究已逐漸成熟,而用于馬鈴薯育種試驗的播種機的研究幾乎還處于空白階段[4]。馬鈴薯播種機最常見的排種方式為舀勺式[5-8],工作時由鏈傳動或帶傳動帶動舀勺從種箱中舀取種薯后進行排種,這需要種箱中充滿馬鈴薯種薯,否則極易造成漏種現象;而馬鈴薯育種試驗播種時需要的馬鈴薯種薯數量小,不適宜采用最常歸的舀勺式排種裝置。此外,常見的馬鈴薯排種方式還有氣吸式[9-11],每個吸種管每次吸取1粒種薯進行排種。如果種箱內種薯過多,排種時無法及時將多余種薯排出,極易造成混種現象;如果種箱內種薯過少,會出現漏種現象。

因此,以上兩種方式都不適于馬鈴薯育種試驗時的播種。本文將應用圓盤式排種裝置進行供種,通過導種管進行馬鈴薯的排種,同時采用傾斜式種薯托盤進行種薯的有序存放與供種,研發一種適用于育種試驗的馬鈴薯播種機,達到換種方便迅速、無漏播和重播現象、播種效率高的目的。

1 種植模式與農藝要求

隨著生物技術的發展,馬鈴薯育種方法不斷更新換代,但誘變育種、細胞工程育種及轉基因育種等技術仍不完善,成效甚微,當前傳統雜交育種技術仍是馬鈴薯育種的主要手段[12]。傳統馬鈴薯雜交育種一般需要經過雜交組合配制、雜種實生苗世代繁育、無性一代選擇、無性二代選擇、無性系評價、預備品比試驗、品系比較試驗、區域試驗以及品種審定或登記等步驟,各個步驟順利的前提下,育成1個馬鈴薯新品種通常需要10年左右的時間。如果育種過程中出現突發情況導致試驗報廢,甚至需要更長的時間。因此,播種作為育種試驗的首要環節,需要避免因播種效果差造成的試驗報廢[13]。

其中,選擇溫室無性系或田間無性系的塊莖作為一個群體次年播種,適宜株距為35～40cm,形成無性一代[14]。早期收獲時,單株堆放,表現優良的單株作標記。由于每個無性系只有1個植株,且易受環境影響,因此無性二代植株選擇4～5個塊莖種植。通常1個無性系種植于同一條壟上,間隔空間可以種上1個易于識別的品種或者留下適當的距離。在無性三代及以后世代的選擇中,通過擴大播種數量及播種面積的方式來評價群體特征特性,一般采用兩行區種植,每行10株,每隔9區設1個對照。預備品系比較試驗為種植上年入選的無性系,3行區,每行20株,每隔4區設1個對照。馬鈴薯播種為馬鈴薯育種試驗中無性一代、二代的選擇等步驟所進行的播種作業,要求每個品種的馬鈴薯播種規定數量的種薯,并觀察其生長狀況以及收獲的馬鈴薯塊莖的外觀,包括薯形、皮色、芽眼深淺、產量等指標。以北方一季作地區無性一代選擇馬鈴薯育種播種為例,其播種農藝如圖1所示。其每個品種播種4株,株距20傳cm,間隔1m播種下一個品種 ,壟距90cm。

1.進風管 2.旋轉風管 3.輸送裝置 4.毛刷 5.集棗箱 6.地面圖1 育種試驗馬鈴薯種植農藝示意圖Fig.1 Breeding experiment Schematic diagram of potato planting agronomy

2 總體結構及工作原理

2.1 總體結構

育種試驗馬鈴薯播種機由施肥裝置、圓盤排種裝置、種薯托盤組、下肥鏟、落種裝置、座椅、開溝器、覆土裝置、劃線器等部分組成,如圖2所示。

1.施肥裝置 2.種薯托盤組 3.圓盤排種裝置 4.劃線器 5.座椅 6.覆土裝置 7.地輪圖2 育種試驗馬鈴薯播種機Fig.2 Potato planter for single plant breeding

其中,圓盤裝置由圓盤底座、軸承、漏斗式圓盤內隔板等部件組成。下方為下肥鏟、下種鏟及覆土裝置,機器前方為施肥裝置。機器采用懸掛式,整臺機器在拖拉機帶動下向前運動,由地輪轉動帶動施肥裝置及排種裝置運動。

2.2 工作原理

馬鈴薯育種試驗時,根據育種試驗時地塊內播種的種薯種類及數量需要,提前將馬鈴薯種薯放入種薯托盤上,每一列只放1粒種薯,并將馬鈴薯種類進行編號,寫在托盤外壁,再將種薯擺放在放置在種薯托盤上。播種作業時,工作人員坐于座椅上,負責將種薯從托盤上取出放置于圓盤排種裝置上;播種機采用三點懸掛與拖拉機進行連接,采用地輪進行驅動,地輪軸通過鏈輪帶動格盤橫梁轉動,格盤橫梁通過錐齒輪帶動圓盤軸轉動,格盤軸進而帶動格盤轉動;種薯隨著格盤轉動,經落種口、導種管落到開溝器開出的種溝內,由覆土圓盤進行覆土;完成1盤種薯的播種后,進行下一個托盤種薯的播種。

2.3 主要工作參數

育種試驗馬鈴薯種薯播種機采用兩壟兩行種植方式,主要工作參數如表1所示。

3 關鍵部件設計

3.1 圓盤式排種裝置的設計

相比于普通地塊馬鈴薯的播種,育種試驗時馬鈴種薯的播種需要頻繁更換種類,而需要的每個種類的種薯數量不多。育種試驗播種時,最主要的就是保證每個規定穴中的馬鈴薯品種的精確性,不能混種,否則將會對育種試驗結果產生很大影響。因此,排種裝置作為馬鈴薯播種機的重要部分,需要滿足不混種的要求。圓盤式排種裝置主要由底板、圓盤外圈、圓盤內圈、圓盤隔板、中心軸、軸承及漏斗式內隔板等部分構成,如圖3所示。

1.中心軸 2.底板 3.漏斗式內隔板 4.落種口 5.圓盤隔板 6.圓盤外圈 7.軸承圖3 圓盤式排種裝置Fig.3 Disc type seed metering device

圓盤式排種裝置由錐齒輪帶動進行運動,裝置的底板固定于機架上,全程不發生運動,中心軸、圓盤外圈、圓盤內圈、圓盤隔板、漏斗式內隔板焊接為一體式,由錐齒輪帶動進行旋轉運動。操作人員將種薯放置于圓盤的每一小格內,種薯隨圓盤的轉動同時進行轉動;當種薯所在的小格與底板上的落種口對齊時,種薯在自身重力作用下掉落。為防止種薯在圓盤的小格內轉動的過程中,由于空間太大,種薯掉落的初始位置不同,從而導致株距不同,影響育種試驗的準確性,在圓盤的每一小格內部增加了漏斗式內隔板,如圖4所示。

圖4 漏斗式內隔板Fig.4 Funnel-type inner partition

考慮到種薯的三軸尺寸,選取圓盤式排種裝置的外圈直徑為500mm、內圈直徑為300mm。為保證操作人員放置種薯速度不低于圓盤式排種裝置的轉速,將圓盤分為12小格,漏斗式內隔板的上周線與隔板、圓盤內圈、圓盤外圈重合,下部為直徑80mm的圓形,防止圓盤轉動時因種薯直徑過大而堵塞落種孔,影響后續工作。

3.2 導種裝置的設計

拖拉機前進速度為v1,地輪半徑R1=330cm,則出地輪軸的轉速n1的計算公式為

(1)

式中n1-地輪軸轉速(r/s)。

設地輪與圓盤式排種裝置的傳動比為i,則圓盤式排種裝置的轉速n2的計算公式為

n2=in1

(2)

式中n2-圓盤式排種裝置轉速(r/s)。

因此,圓盤式排種裝置轉動1周所需要時間t的計算公式為

(3)

此時株距D的計算公式為

(4)

圓盤底板上落種口與地面的距離為H,種薯從到達落種口開始直到掉落至地面的過程為自由落體運動,所需時間t1的計算公式為

(5)

這段時間內機器前進距離S1的計算公式為

(6)

為防止種薯與導種管碰撞影響株距,則落種管的直徑應大于S1。同時,為減小落種管與土壤接觸時的阻力,考慮落種口與地面之間的距離,最終確定導種管直徑為65cm,從而避免種薯下落過程中與導種管的碰撞,防止株距變異系數增大。

3.3 種薯托盤組的設計

考慮到馬鈴薯育種試驗播種過程中需要的馬鈴薯種類多、數量少,為保證試驗的準確性,應避免種薯種類混雜。為保證種薯按列排列在托盤上方,采用種盤隔板將種盤分為若干份;為防止兩顆種薯并列造成混亂,兩個種盤隔板的距離可根據種薯的大小進行調節。由于1層種薯托盤只能放置1層種薯,而馬鈴薯播種作業需要的種薯數量大,因此設計了組裝式種薯托盤組,如圖5所示。其中,下支撐固定于上支撐的圓孔中,當上一層種薯播種完畢之后,可輕松將托盤拆除,進而播種下一層托盤上的種薯。

1.種盤上支撐 2.種盤底板 3.種盤隔板 4.種薯托盤支架 5.種盤下支撐圖5 種薯托盤組Fig.5 Seed potato tray group

為方便操作人員在種薯放置裝置上拿取種薯,設計了傾斜式種薯托盤組,以保證種薯沿種盤底板下滑至最下端時距離操作人員最近。為減輕托盤的質量,同時保證托盤可承載一定數量的種薯,托盤材質選擇工程上常用的PC(聚碳酸酯)塑料。因此,托盤的傾角應大于種薯與托盤間的摩擦角,此處選擇托盤與水平面之間的夾角α=12°。根據種薯尺寸,為防止種薯卡在兩個種薯隔板之間,設置相鄰種薯隔板的距離為80mm。

4 田間試驗

試驗于2021年5月23日在山東省青島市膠州市膠萊鎮大趙家村進行。土壤類型為壤土,含水率為15.6%,如圖6所示。

播種前,先用旋耕機進行碎土整平,清除雜草和石塊;配套動力為92kW的東方紅LX1304拖拉機;馬鈴薯種薯品種選用國家馬鈴薯產業體系農藝學家提供的各個品種的種薯,含水率為73.4%;單次播種試驗長度為50m。

試驗方法參照 GBT 6242-2006《種植機械馬鈴薯種植機試驗方法》、GBT 25417-2010《馬鈴薯種植機技術條件》國家標準規定進行。對該育種試驗馬鈴薯播種機進行作業性能參數測定,主要測量施肥深度、種薯播種株距、種薯播種深度度等性能指標。由于該機為人工放種,拖拉機速度足夠慢,前進速度保持在0.1～0.2m/s之間,因此不存在重播、漏播等現象。 根據國家標準規定進行測試,收集并記錄試驗數據,計算出機器的各項性能測試參數,結果如表2所示。

表2 田間試驗結果Table 2 Test results of the field experiments

5 結論

1)針對我國馬鈴薯育種試驗時缺少專用機具、人工播種勞動量大、效率低等問題,結合我國馬鈴薯育種試驗種植的農藝要求,設計了育種試驗馬鈴薯播種機,可一次性完成開溝、施肥、播種、起壟作業。

2)針對育種試驗的播種應每一穴中都有規定的種薯種類的要求,設計了圓盤式排種裝置,采用人工放種,保證了播種的準確性。同時,結合拖拉機速度,對導種裝置的尺寸進行了設計,可實現無重種、漏種現象,降低了株距變異系數。

3)對育種試驗馬鈴薯播種機進行了田間試驗,各項指標均符合馬鈴薯育種試驗播種機的要求。