杨艳山，吴凡，赵亚平，胡志超，顾峰玮，丁启朔
(1. 苏州农业职业技术学院，江苏苏州，215000；
2. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210031；
3. 南京农业大学，南京市，210031)
稻麦轮作是亚洲农业的主导种植制度之一，种植面积高达24 000 khm2[1-2]，属于典型的、高强度土地利用制度。在干湿交换的过程里，水稻土的结构、土壤有机物含量以及肥力都受到很大的破坏，导致土层结构致密、难耕难种。为了提高了稻麦轮作系统的可持续生产能力，保证粮食安全，稻茬田免耕播种技术越来越受到重视[3-4]。带状旋耕式免耕播种机以其良好的开沟碎土性能得到了大量的推广与应用，并且在实践中取得了良好的经济效益[5-7]。
带状旋耕式免耕播种机的耕作质量直接影响种-土接触、种子萌发、根系生长和土壤保墒[8-9]。带状耕作的质量受机具形状、刀轴转速和土壤性质等多方面因素的影响,评价指标包括土壤破碎度、土壤回填率、种沟形状等[10]。Matin等[11]研究表明旋耕刀弯曲部分尺寸直接影响土壤的回填效果，在沙壤土条件下，缩短刀具弯曲部分能够有效地增加回填率。杨艳山等[2]通过仿真研究发现，耕作部件形状直接影响刀具的抛土特性，进而影响土壤破碎体的回填效果。Braunack等[12]认为土壤破碎体粒径越小越有利于小麦的耕种，对于沙壤土理想的土壤破碎颗粒直径在1～2 mm的范围。Hossain等[13]研究发现种床边界形状对种子萌发、根系生长以及土壤的保墒具有显著影响，规则的种床形状更加有利于作物的生长。鉴于水稻田的土壤物性和复杂性，以往的研究不能完全反映带状旋耕机械在稻茬田的实际性能。据此，本文针对水稻土进行带状旋耕试验研究，从土壤回填率、破碎效果等方面进行了对比分析，旨在找出原位水稻土条件下耕作部件对带状旋耕耕作的效果影响，为耕作部件的设计、优化提供理论参考，促进带状旋耕式免耕播种机的改进，推动其在稻麦轮作的使用和推广。
1.1 试验地点及耕作处理
本研究进行了两年的重复试验，地点位于苏州农业职业技术学院东山试验田，试验时间分别为2020年10月30日和2021年11月6日。此试验田一直用于稻麦轮作，土壤属于粘性水稻土，砂粒、壤粒、黏粒分别为22.52%、38.61%、34.13%，液限 49.13%，塑限23.12%。
本文研究了凿型旋耕刀、直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀在刀轴转速为280 r/min、380 r/min和510 r/min下的耕作性能。采用4把旋耕刀作为带状耕作部件，种床深度为5 cm，种床宽度为6～9 cm，刀具形状及排列方法如图1所示。试验结束后自然风干24 h，以便对种床形状的测量及土壤破碎体取样。
(a) IT225型旋耕刀
(b) 直刃旋耕刀
(c) 凿型旋耕刀
1.2 种床截面的测量
随机选取1 m长的耕作区域作为测试区域，将种床的内外两侧的土壤用毛刷轻轻清理掉，测试时，首先目测确定种床的最大扰动位置，再经微地貌测试仪对该位置前后2 cm以内的区域进行4次测量，每次测量间隔1 cm，每个测试区域选取三个较大的扰动截面进行测试(图2)。记录探针位置，读出测试仪上的标尺读数，绘制最大扰动截面。
图2 微地貌测量仪
1.3 种床截面扰动率
种床截面图如图3所示。
图3 种床截面
根据绘制的扰动截面曲线图，采用MATLAB软件对截面面积进行计算，得出实际截面面积S1和理想截面面积S0，从而计算出种床截面扰动率P，P值越大说明刀具控制种床形状的能力越弱，不利于理想种床的形成。具体计算公式如式(1)所示。
(1)
式中：P——种床截面扰动率；
S1——实际截面面积，mm2；
S0——理想截面面积，mm2。
1.4 土壤破碎度
随机抽取1 m长度的耕作区作为测试区域，利用小毛刷轻轻地把种床边界外的土壤破碎体去除，再轻轻地取出存留在沟内的全部土壤破碎体，并用毛刷将种床边界清理干净[10]。
采用平均土块径(MWD)为指标来对比评价3种旋耕刀的土壤破碎能力，为保证试验真实性，上述试验需要进行3次重复操作。风干待测土样，然后逐一取出土壤破碎体，再经直径不同的组合筛完成土壤破碎颗粒的筛分，统计7个尺度区间(<2 mm，2～4 mm，4～8 mm，8～16 mm，16～32 mm，32～64 mm，>64 mm)的土壤破碎颗粒质量，记作Mi，再计算所有样土的总质量，记作Mt，用Mi除以Mt得到土壤破碎颗粒的比质量分布，计算如式(2)所示。
(2)
式中：Mi——该测量区间的土壤破碎颗粒的质量，kg；
Mt——所有样土的质量综合，kg；
PMSDi——在第i个测量区，土壤破碎体和样土总质量的比值。
平均土块径经式(3)计算，其数值越小，表示该刀具对土壤的破碎能力越强。
MWD=∑iRi×PMSDi
(3)
式中：MWD——平均土块径，mm；
Ri——在第i级范围，利用此区间的最大值和最小值计算平均，mm。
1.5 土壤回填率
计算回填率的方法，即测量扰动土壤的总质量和种床内的土壤破碎颗粒的总质量，前者与后者的比值即为回填率[14]。提高种床里面的土壤破碎颗粒的质量，可以提高回填率；
越有助于种子的发芽、生长。使用厚度小于0.2 mm的塑料薄膜，将其轻轻覆在已经处理干净的待测区域，选用直径低于1 mm，密度为1.28 kg/m3标准砂均匀地撒在薄膜上，达到和待测区域高度一致即可。取出标准砂，称量它的质量Ms，利用密度公式，代入公式得到种床的体积
(4)
式中：V——实验区域的种床体积，m3；
Ms——实验用的标准砂质量，kg；
ρs——标准砂密度，kg/m3。
利用体积V，计算回填率
(5)
式中：Fb——回填率，%；
W——实验区域的土体破碎颗粒的干重，kg；
ρw——土壤容重，kg/m3。
2.1 种床形状及截面扰动率
如图4和图5所示，凿型旋耕刀对土壤的扰动率最大，在280 r/min的刀轴转速下，其对种床的截面扰动率达到19.51%，并且对种床边界控制能力最低。直刃旋耕刀和IT225型旋耕刀可以形成较为理想的种床截面，二者对种床截面的扰动率都控制在10%以内。刀轴转速的增加有助于形成理想种床截面，刀轴转速为510 r/min时，三种刀具形成的种床截面整齐度都有较大的改善。
2.2 土壤破碎度
由图6可知，刀轴转速是影响土壤破碎度的关键因素，刀轴转速越高，形成的土壤破碎体的平均土块径越小[15]。对比3种旋耕刀，直刃旋耕刀形成的土壤破碎体粒径显著高于另外两种刀具，在刀轴转速是510 r/min 时，形成的平均土块径仍高达35 mm，无法满足播种的需要。对于其他两种刀具，当刀轴转速相同时，其形成的平均土块径没有显著差异。这与Matin[16]和Chertkiattipol[17]的研究结果一致。
2.3 土壤回填率
如图7所示，刀轴转速的提高会降低土壤破碎体的回填率。随着刀轴转速的提高，IT225旋耕刀形成的回填效果显著降低，在刀轴转速为510 r/min时回填率仅有5%。直刃旋耕刀产生的土壤回填效果最好，在刀轴转速为510 r/min时仍能达到50%。刀轴转速的变化对凿型旋耕刀影响较小，当刀轴转速为280 r/min和510 r/min时，回填率相差不到10%。
在耕作的过程中，土壤破碎颗粒的大小、数量主要取决于刀轴的速度[18]。在切土阶段，提高刀轴的转速，可以让土块尺寸变小，增加抛出的土壤破碎颗粒的动能，当土壤破碎颗粒与挡板碰撞时，加大二次破碎的剧烈程度[19]。因此，刀轴转速的提高，可以提高土壤破碎的能力。直刃旋耕刀由于没有正切刃，无法将土壤抛出形成二次破碎，所以无法产生细碎的土壤破碎体(图6)。直刃旋耕刀不具有抛特性[11]，因此产生的土壤回填率显著高于其他两种刀具，但种床内土壤破碎体的平均土块径过大(>30 mm)。据此，由直刃旋耕刀形成的种床环境无法适应播种需要，不宜作为小麦带状耕作播种机的耕作部件。
(a) IT225型旋耕刀
(b) 直刃旋耕刀
(c) 凿型旋耕刀
图5 刀具的转速和外形对种床截面扰动率的影响
图6 刀具的转速和外形对平均土块径的影响
图7 刀具的转速和外形对回填率的影响
在土壤破碎过程中，IT225型刀具连续对种床的内壁完成挤压、切削的动作，其基本不受刀轴转速的影响，可以保证内壁截面整齐(图4和图5)。
IT225型旋耕刀的横切刃较大，抛土现象明显，产生的回填效果显著低于其他刀具(图7)。凿型旋耕刀同样具有抛土特性，但其产生的侧抛率小于IT225型旋耕刀，因此产生的土壤回填效果相对较好。凿型旋耕刀形成的破碎过程是由土壤拉伸失效产生的。鉴于拉伸失效裂纹的不可控性[20]，在耕作过程中，凿型旋耕刀形成的种床内壁不整齐且不容易控制(图4)，此时的扰动率远远超过其他刀具(图5)。
提高刀轴的转速，可以降低切土的节距，在耕作过程中可以降低对土壤体积的影响。据此，将刀轴转速设置为510 r/min时，凿型旋耕刀可以得到较好的种床截面，截面的整齐度有所改善，但其效果仍低于另外两种刀具的。
耕作过程要满足适于种子发芽、作物生长的需求，以便种子得到适宜的空气和水分，因此需要得到良好的种床环境。带状旋耕的方式下，需要产生足够多的土壤破碎颗粒，较小的土壤扰动面积以及种床截面整齐的环境，据此，耕作刀具应该同时考虑直刃旋耕刀和凿型旋耕刀的优势，既可以在种床内产生足量的土壤破碎颗粒，也可以得到良好的种床截面。
1) 耕作部件形状是影响土壤回填效果的关键因素，直刃旋耕刀没有正切刃，没有抛土能力，当刀轴转速是510 r/min时，其形成的回填率可达到50%左右；
IT225型旋耕刀的正切刃大于凿型刀，其形成的回填率显著大于IT225型旋耕刀。
2) 刀轴转速的大小直接影响土壤的回填效果和破碎能力。提高刀轴的转速，会导致抛土问题严重，土壤回填效果明显降低，但对土壤的破碎效果提高。当刀轴的转速大于280 r/min时，IT225旋耕刀对土壤的破碎能力较强，但是回填效果一般，形成的种床环境无法使种子和土壤形成良好的接触。
3) 本研究为带状旋耕耕作部件优化指明了方向，即兼顾直刃旋耕刀和凿型旋耕刀的特点，将两种或几种刀具进行有机结合，以满足不同土壤条件下带状旋耕播种的需求。
猜你喜欢 刀轴土块耕作 贼的藏身术北方人(2021年24期)2021-02-26贼的藏身术北方人（B版）(2021年12期)2021-01-13贼的藏身术视野(2020年20期)2020-12-23全断面隧道掘进机（TBM）盘形滚刀刀轴断裂失效分析凿岩机械气动工具(2019年2期)2019-06-24瓦线横切机刀轴偏心质量对切刀磨损影响的研究科技与创新(2019年3期)2019-02-19旋耕机刀轴刀库螺栓连接结构的研究探讨农机使用与维修(2019年12期)2019-01-06难忘新年窑鸡乐作文周刊·小学三年级版(2018年13期)2018-05-24基于强度比较的微耕机刀轴的优化设计干旱地区农业研究(2017年4期)2017-08-16宁夏保护性耕作的必要性及技术模式探讨中国工程咨询(2017年7期)2017-01-31保护性耕作是玉米高产稳产的重要途径中国农业信息(2016年10期)2016-02-06