水稻精量穴直播機開溝裝置的設計與試驗

張明華，王在滿※，羅錫文，楊文武，戴億政，王寶龍

水稻精量穴直播機開溝裝置的設計與試驗

張明華1,2，王在滿※1,2，羅錫文1,2，楊文武1,2，戴億政1，王寶龍1,2

（1. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 南方糧油作物協同創新中心，長沙 410128）

為解決人工撒播與機械條播表土播種方式存在的苗難齊、產量不穩等問題，根據“精量穴播”、“開溝起壟”的技術思路，對水稻精量穴直播機同步開溝起壟裝置的關鍵部件播種溝開溝器和蓄水溝開溝器進行了研究。根據同步開溝起壟的農藝要求確定適宜直播機水田作業的土壤（壤土和黏土）含水率為50%～58%，并確定了播種溝開溝器及蓄水溝開溝器的外形尺寸分別為50 mm×35 mm×30 mm、80 mm×50 mm×50 mm（上寬×下寬×高度）。對不同開溝方式對水稻出苗、水稻產量及其構成因素的影響進行了對比試驗，試驗設3個處理：開水溝+開播種溝+機械穴播（W1）、開播種溝+機械穴播（W2）、不開溝+機械穴播（W3），選用雜交稻品種培雜泰豐和常規稻品種玉香油占為試驗材料。研究結果表明，與“不開溝+穴播”播種方式相比，開播種溝的播種方式不僅可以保證穴播方式的成行成穴齊苗生長，還可提高水稻出苗率（培雜泰豐提高了13.4%～17.8%，玉香油占提高了12.3%～16.0%）；結實率與產量極顯著相關，有效穗數與產量亦具有顯著相關性。綜合考慮3者的變化程度及趨勢，“播種溝+水溝+穴播”播種方式總體優勢明顯，較不開溝播種方式，在水稻產量方面最高可提高8.10%，且始終保持相對最高產量的效果。開溝裝置的設計以及大田試驗的驗證對水稻機械化穴直播技術的推廣應用有重要的指導意義。

農業機械；設計；試驗；水稻；精量穴播；同步開溝起壟；開溝器

0 引 言

目前國內水稻直播方式主要有人工撒播和機械直播2種方式。人工撒播難以實現成行成穴種植，受自然因素影響較大，出苗率低，群體結構不合理，疏密不均，導致產量不穩[1-3]。同時，播種溝的質量對種子著床的精確性有影響[4]，良好的播種溝有助于提高水稻種子分布的均勻性和播深的一致性，有利于提高出苗率[5-7]。上海滬嘉系列外槽輪式水稻條直播機和廣西大學農機化研究所研制的2BD-8型自走型分流式水稻直播機都采用條播方式，播種量較大，且都將種子播于泥面[8-9]，如播后遇大雨，可能將已播種子沖亂。江蘇昆山市農機推廣站研制的水稻帶式精量條直播機[10]，在塑料底板下裝有播種溝開溝器，但開出的播種溝較寬較淺，播后種溝回土性能較差，對播深沒有顯著幫助。南京農業大學研究了一種輕便式的水稻直播機[11]，以條播方式將種子播在泥面上，再由覆土板抹入泥漿中，雖可減少種子漂浮，但對田面的平整度和泥腳的平整度要求較高，否則會出現覆土板將種子拖拉移位或不能實現覆土的問題。目前的水稻直播技術主要將種子播于表面，沒有一定的播深，受雨水等自然因素影響，導致種子在田間的分布不均勻，影響水稻生長群體結構，從而影響出苗率和產量。

國內外農學家研究表明，水稻生產采用濕潤灌溉方式，可有效提高水分利用率，有利于作物干物質的積累和產量的提高[12-16]。華南農業大學提出了同步開溝起壟技術[17-19]，并研制成功同步開溝起壟水稻精量穴直播機[20-26]。該技術在田面同時開出播種溝和蓄水溝，播種溝位于兩條蓄水溝之間的壟臺中間，采用穴播方式將水稻種子成行成穴地播在播種溝中，保證“溝中有水，水不上畦”，有利于實現濕潤灌溉。鄭天翔等[16]對同步開溝起壟水稻精量穴播技術結合濕潤灌溉進行了研究，結果表明可節水30%以上。臧英等[27-28]對同步開溝起壟水稻精量穴播技術對甲烷排放的影響進行了研究，研究結果表明該技術可降低54.55%甲烷氣體排放。

本文主要針對水稻精量穴直播機的開溝起壟裝置進行研究，設計了播種溝開溝器和蓄水溝開溝器的形狀與尺寸，使水稻精量穴直播機有良好的開溝起壟效果；在大田對水稻精量穴播“同步開溝起壟”與“不開溝”2種播種方式進行了對比研究，分析了“同步開溝起壟”對出苗率和水稻產量構成的影響，以期為水稻精量直播技術與機具的優化提供依據。

1 開溝裝置總體結構設計

1.1 開溝裝置總體結構和設計依據

根據同步開溝起壟水稻機械化穴播技術的技術原理，在精量穴直播作業的同時，采用蓄水溝開溝器開出水溝，在開出水溝的同時形成相應的壟臺，采用播種溝開溝器在壟臺上同時開出播種溝，如圖1所示。

圖1 開溝裝置總體結構示意圖Fig.1 Overall structure diagram of furrowing device

為了達到較好的開溝起壟效果，根據水稻機械化穴直播技術的要求，開溝器必須滿足：

1）開溝成形效果好。主要與田塊準備有關，包括打田起漿、平整、沉淀和排水等過程，即需要控制田面滿足開溝起壟成形的條件。

2）開溝深淺一致。溝形整齊、平直，開溝起壟裝置能適應不同泥面情況自適應進行仿形作業。

3）開溝器不纏草。開溝作業時纏草影響開溝效果和播種效果。

4）開溝成形時無壅泥現象。壅泥會影響機器行走性能和覆蓋已播稻種，從而影響出苗。

5）結構簡單，重量輕，作業阻力小，維護方便。

1.2 播種溝開溝器設計

水稻移栽深度一般為20～40 mm，以此作為水稻機械化穴播技術的播種溝開溝深度的設計依據，即平均開溝深度定為30 mm。為保證大多數的種子可以落入種溝中，需要研究排種器在工作過程種子下落的成穴寬度，即每穴垂直于前進方向的最大距離。

采用水稻精量穴直播機所用的排種器在多功能播種試驗臺上進行了試驗，排種輪轉速為60 r/min，輸送帶的速度為1 m/s，播種高度為180 mm，種子選用破胸露白的玉香油占和秀水134。各取100穴，用直尺測量成穴寬度。試驗結果如表1所示。

表1 水稻精量穴直播機播種成穴寬度Table1 Hill width of precision rice hill-drop drilling machine

從表1結果可知，種溝底部的寬度應不小于44 mm，但考慮到播種后，受播種行距（特別是20 cm行距）的限制，播種溝不能過大，否則壅泥現象較嚴重。若播種溝設計成上下底邊分別為50 mm和35 mm的梯形時，以玉香油占和秀水134為例，100%的種子將落入種溝中，98.7%的玉香油占種子和99%的秀水134種子將落入種溝底部。

已有研究表明，溝形呈“U”形或“倒八字”形，有利于回土[29]，但是水稻水田直播時不可覆土過深[30-31]，否則會嚴重影響出苗率和秧苗素質，播種溝最理想的狀態是應隨著水稻出苗和生長，慢慢覆蓋平整。為此，播種溝的截面采用上下底邊為50 mm和35 mm的等腰梯形較合理。考慮水田泥面較軟，播種溝開溝器采用滑塊型式，如圖2所示，播種溝開溝器前端結構設計為尖端圓弧形狀，與平端面相比，既能降低工作阻力，又可減少雜草纏繞而影響開溝效果。為了保證開溝的成形性和稻種順利落到播種溝溝底，播種溝溝壁的泥土回流情況是研究和分析的關鍵。

圖2 播種溝開溝器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of seeding furrow opener

如圖3所示，播種溝溝壁的泥土在開溝器的擠壓過程中主要發生塑性形變，部分泥土在開溝器的作用力下有反彈回流的趨勢，水平方向的受力Fx為

從式（1）可知，當F與水平方向的夾角θ（°）增大時，Fx變小，有利于減緩泥土的回流，因此，播種溝開溝器的成形部分設計為梯形結構，下端寬度為35 mm，上端寬度為50 mm，更有利于播種溝的開溝成形。

圖3 播種溝溝壁土壤受力情況Fig.3 Force situation on soil of seeding furrow wall

根據式（2）可計算稻種下落的垂直方向初速度

忽略空氣阻力，根據式（3）可計算稻種下落的距離

式中vy為稻種下落的垂直方向初速度，m/s；v0為種子下落時的速度，m/s；Sy為稻種下落的距離，m；α為型孔中的稻種開始下落的速度方向與水平方向的角度，所選排種器為30°；n為排種器的轉速，60 r/min；r為排種輪的半徑，0.056 m；g為重力加速度，10 m/s2；t1為稻種從型孔開始下落到落入播種溝溝底所花時間，s。

根據式（3）可知，當投種總高度Sy為180 mm（包括播種溝溝深30 mm）時，t1大約為0.16 s，因此，播種溝泥土回流的較佳時間應大于0.16 s，即可保證大部分稻種順利落入種溝底。故合適的播種溝開溝器尺寸為50 mm× 35 mm× 30 mm (上寬×下寬×高度)。

田間試驗表明，播種溝的成形性能主要受泥面沉實狀況、土壤含水量和播種溝開溝器等因素影響。根據大田生產結果，田塊平整后一般需要沉實2～3 d，采用滑塊式開溝器開溝的成形效果較佳。

1.3 蓄水溝開溝器設計

根據播種溝開溝器的開溝成形機理，蓄水溝開溝器采用相同的開溝原理，也采用梯形形狀的滑塊式開溝器。由于蓄水溝的溝形尺寸比播種溝大，因此必須分析蓄水溝開溝器的入土條件和工作阻力。蓄水溝越大，蓄水效果越好，但機器工作阻力亦會相應增大，導致作業效率降低，甚至可能造成嚴重的壅泥現象；反之，蓄水溝越小，工作阻力亦越小，但蓄水效果差；所以必須設計合理的蓄水溝開溝尺寸。根據開溝器在滑板上的安裝尺寸，梯形的上下底邊分別取80 mm與50 mm；開溝器的成形長度越長，所開溝的成形效果越好，因此開溝器安裝面長度可取滑板的地面寬度，為300 mm；考慮降低工作阻力和減少雜草纏繞，蓄水溝開溝器的尖端做成弧形，因此開溝器的成形長度L暫取160 mm，結構如圖4所示。

圖4 蓄水溝開溝器結構圖Fig.4 Structure diagram of water furrow opener

影響蓄水溝開溝器的開溝效果的因素主要有土壤堅實度、土壤壓縮性、抗剪強度、抗壓強度和土壤塑性等。

根據《農業機械設計手冊》（2007）的土壤堅實度曲線[28]可知，同步開溝起壟裝置的開溝深度h應該控制在彈性變形與塑性變形階段內；為了減少開溝作業過程中出現嚴重壅泥的現象，h不能超過10 cm。

土壤的壓縮性可以土壤容積系數q0（N/cm3）表示，一般為5～50 N/cm3。

式中P為壓力，N；A為開溝器平均截面積，A=（a +b）·h/2，cm2；h為開溝器開溝深度，cm；a為開溝器上端面寬度，cm；b為開溝器下端面寬度，cm。

式（4）表示土壤被壓縮時，壓力P與開溝深度h成線性關系，一般是出現在低壓狀態，因此該公式適合水田濕潤狀態土壤的分析。

假設開溝起壟裝置完全靠自重壓入土壤中進行開溝作業，若播種機的質量（包括稻種質量，每個種箱加5 kg稻種）為250 kg，為了在土壤最佳壓縮范圍內容進行開溝，土壤容積系數q0可取最小值5.0 N/cm3，根據式（4）可計算出開溝器的平均截面積A和開溝深度h。

A·h = P / q0= 250×9.8 / 5.0 = 490 cm3假設開溝器的上、下端面寬度分別為8 cm和5 cm，長度L為16 cm，可得到開溝深度為

h = 490 / (((8+5)/2)×16) ≈ 4.7 cm因此，開溝器高度可取整數5.0 cm，即合適的蓄水溝開溝器尺寸為80 mm×50 mm×50 mm (上寬×下寬×高度)。

根據以上分析，開溝器在合適的外形尺寸時，可滿足水田土壤的堅實度和壓縮性的要求，在保證開溝效果的同時，也可減少開溝壅泥現象。

1.4 水田開溝作業與土壤含水率的關系

根據上述分析，本研究設計了一種同步開溝起壟裝置（圖1），每一個播種溝開溝器對應一行排種器，如10行機器對應的是10個播種溝開溝器；每2個播種溝開溝器中間安裝一個蓄水溝開溝器，為保證機器的對稱性，同時方便田間掉頭準確對行播種作業，整套同步開溝起壟裝置的蓄水溝開溝器數量為11個。

同步開溝起壟裝置田間作業時，實際情況與單個開溝器的開溝理論類似，但開溝器數量增加后，開溝器與土壤相互間的受力情況會有差異。根據圖5水田土壤的抗壓、抗剪強度與含水率和塑性范圍的關系[32]可知，同一類土壤，由于含水率的不同，機械性質也有所不同。水分較低時，土壤堅硬，耕作阻力增加，水分達到上塑限時，開始出現泥漿，最后水分增至飽和狀態，也就是水田耕作性能較好的狀態；水分增大到上塑限附近時，抗剪強度和抗壓強度最小。

圖5 水田土壤的抗壓、抗剪強度與塑性范圍和含水率的關系Fig.5 Relationships between compressive strength, shear strength, plastic range and water content in paddy soil

同步開溝起壟裝置作業性能與水田土壤條件（特別是含水率）的關系密切。在保證水田打田起漿和沉實排水的條件下，選擇適合開溝播種作業時的泥面土壤含水率至關重要。在湖南長沙、廣州華南農業大學躍進北農場、上海松江等地對開溝起壟效果較好的田塊取土樣調查，測得含水率如表2所示。

表2 開溝效果較好的土壤含水率范圍Table2 Range of water content with which opener furrowing is better

根據圖5可知，在含水率為40%以上時，水田土壤的抗剪和抗壓強度趨于最小值，且達到上塑限值，即同步開溝起壟作業阻力較小，成形性能較好，有利于同步開溝起壟精量穴直播作業。根據表2可知，壤土土壤的含水率為48.7%～55.5%，黏土土壤的含水率為49.3%～57.8%時，開溝起壟效果較好，與圖5理論基本相符。

實際上，播種后的稻種在比較濕潤（即含水率高，但不淹水）的泥面生長效果會更好，出苗率會更高，綜合以上分析，建議在進行同步開溝起壟精量穴直播作業時，在水田泥面保持不淹水和不積水的情況下，土壤（壤土和黏土）含水率為50%～58%時，可獲得較好的作業性能和水稻生長效果。

2 同步開溝裝置田間對比試驗

2.1 試驗處理

2012年晚季和2013年晚季2a在華南農業大學實驗農場的同一田塊共進行了2次試驗，選用雜交稻品種培雜泰豐和常規稻品種玉香油占為研究材料。

試驗設3個處理：開水溝+開播種溝+機械穴播（W1）、開播種溝+機械穴播（W2）、不開溝+機械穴播（W3），每個小區處理面積為300 m2。

采用華南農業大學研制的水稻精量穴播機（10行、行距20 cm、穴距18 cm）播種，W1處理為正常機器播種，W2處理播種前拆除了水溝開溝器，W3則同時拆除水溝開溝器和播種溝開溝器進行播種。期間田間水肥管理按當地高產栽培方法進行。

2.2 調查內容與方法

1）出苗率調查：在2013年晚季，在播種當天和播種后第15天，分別調查田間每穴播種粒數和每穴出苗數，計算出苗率，每個處理小區共調查100穴。

2）產量構成調查：調查每個處理小區的有效穗數，每個小區重復3次實割1 m2水稻，并取樣考種調查每穗總粒數、結實率、千粒質量等，稱量得出實際產量。

3）采用Excel 2010進行試驗數據的處理和分析。

2.3 結果與分析

2.3.1 不同開溝方式對水稻出苗的影響

表3是2013年試驗調查的出苗率情況，對2個品種而言，開播種溝播種處理（W1、W2）明顯高于不開溝播種處理（W3）的出苗率，培雜泰豐提高了13.4%、17.8%，玉香油占提高了16.0%、12.3%。

表3 2013年水稻出苗率情況Table3 Rate of seedling emergence in 2013

2.3.2 對水稻產量及其構成因素的影響

表4為2012年和2013年水稻精量穴直播在不同開溝方式下，水稻出苗率情況。從表4的結果中可知，在2012年試驗中，對產量而言，培雜泰豐和玉香油占的產量(分別為W1≈W2＞W3；W1＞W3＞W2)均以W1處理最高，相比W2和W3，分別提高了0.12%～1.28%，2.68%～8.10%；培雜泰豐和玉香油占的每穗總粒數也以W1處理最高；對有效穗數而言，培雜泰豐、玉香油占分別以W3、W1處理最高；對結實率而言，培雜泰豐和玉香油占的結實率均以W3處理最高；對千粒質量而言，培雜泰豐、玉香油占分別以W1、W3處理最高。相關性分析結果（表5）表明：結實率與產量極顯著相關(P＜0.01，r =0.813 1)，有效穗數與產量亦具有顯著相關性(P＜0.05，r =0.703 5)。但3組的結實率之間差異極小（0.3%～1.95%）；2個品種3組處理的有效穗數之間關系不穩定（W3＞W2＞W1；W1＞W2≈W3)。故重點考慮最重要的產量因素，盡管W2與W3之間變化不穩定，但是W1始終保持相對最高產量，較W3提高產量最高可達到8.10%。

表4 不同開溝方式對水稻產量及其構成因素的影響Table4 Effect on rice yield and yield components with different furrow-opening methods

表5 產量與產量構成因素之間的相關性分析Table5 Correlation analysis of rice yield and yield components

在2013年試驗中，對產量而言，培雜泰豐和玉香油占的產量分別以W2處理和W1處理最高；培雜泰豐和玉香油占的每穗總粒數均以W1處理最高；對結實率而言，培雜泰豐和玉香油占的結實率均以W3處理最高；對有效穗數而言，培雜泰豐和玉香油占的處理W1≈W2，且明顯大于W3，此外，2個水稻品種之間的產量趨勢也都表現為W1≈W2＞W3。

結合2a的試驗結果表明，W1的總體優勢明顯，具有較好的水稻產量效果；W2與W3的變化相對不穩定。

3 結 論

1）田間試驗結果表明，同步開溝起壟水稻播種方式，可滿足水稻機械化穴播技術的農藝要求。

2）根據同步開溝起壟農藝要求確定了適宜作業的土壤含水率為50%～58%，并確定了播種溝開溝器及蓄水溝開溝器的外形尺寸分別為50 mm×35 mm×30 mm、80 mm× 50 mm×50 mm（上寬×下寬×高度）。

3）田間試驗結果表明，較“不開溝+機械穴播”播種方式，有開播種溝的播種方式的高培雜泰豐的出苗率提高17.8%，玉香油占的出苗率提高16.0%；“開水溝+開播種溝+機械穴播”播種方式總體優勢明顯。較不開溝播種方式，水稻產量最高可提高8.10%；而且相對受品種及年份的影響小。

“開溝起壟”技術與“精量穴播”結合，是解決直播稻苗難齊導致的產量不穩現象的有效途徑，同時有利于實現水稻節水生產的濕潤灌溉技術。因此，在保證不影響機器作業效率和生產成本的情況下，應充分發揮“同步開溝起壟”的技術優勢。

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Design and experiment of furrowing device of precision hill-drop drilling machine for rice

Zhang Minghua1,2, Wang Zaiman1,2※, Luo Xiwen1,2, Yang Wenwu1,2, Dai Yizheng1, Wang Baolong1,2
(1. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha, 410128, China)

In general, manual rice broadcast seeding method has the problems of seedling without the same height, unstable yield, and so on. To solve these problems, the furrowing device of rice precision hill-drop drilling machine was designed and improved, on the basis of the technical idea of “precision hill-drop drilling” and “furrowing and ridging”. The precision rice hill-drop drilling technology with synchronous furrowing and ridging was researched to meet the requirements of rice planting in order. It can create a ridge, open the seeding furrow on the ridge and the water furrow between the ridges synchronously, and sow pre-germinated rice seeds in the seeding furrow. The results of the test in Hunan, Shanghai and Guangdong showed that the suitable water content of loam and clay was between 50% and 58%. According to agronomic requirement of furrowing and ridging, the size of seeding furrow opener (50 mm × 35 mm × 30 mm) and the size of water furrow opener (80 mm × 50 mm × 50 mm) were determined. The furrower must meet the following demands: 1) Good forming effect of ridge and furrow; 2) The furrows had the same depth, and were formed neatly and straightly and could adapt to different mud surface; 3) Furrower would not be wrapped with grass; 4) Furrower was not attached with a large quantity of mud; and 5) Simple structure, light weight and light operation resistance. Based on the rice transplanting depth of about 20-40 mm and the width of seed bed, the seeding furrower had a size of 50 mm × 35 mm × 30 mm; according to the experiments, the water furrower had a size of 80 mm × 50 mm × 50 mm. The effects of different furrow opening methods on seedling-emergence, yield and its component were studied using the compared tests, and the methods included water furrow + seeding furrow + hill-drop drilling (W1), seeding furrow + hill-drop drilling (W2) and hill-drop drilling (W3). Hybrid rice variety (Peizataifeng) and conventional variety (Yuxiangyouzhan) were used as the materials and treated under W1, W2, and W3. The test was conducted in 2012 and 2013. The results showed that compared with the method without furrow, furrowing and ridging synchronously could not only ensure the seedling to grow orderly and evenly, but also increase the seedling emergence rate (17.8% for Peizataifeng, 16.0% for Yuxiangyouzhan). Furthermore, the grain-filling percentage (P＜0.01) and effective panicle number (P＜0.05) were significantly correlated to the yield. Analyses of the change degree and tendency of the 3 furrow opening methods were performed, and the result showed that obvious advantages were exhibited under the W1 treatment, which not only increased the yield by up to 8.10% (compared with W3), but also kept the highest yield while not affected by rice varieties and different years (compared with W2 and W3). Totally, the design of furrow opening device, the suitable mechanical factors and the results of field experiments can be of significance to the extending application.

agricultural machinery; design; experiment; rice; precision hill-drop drilling; synchronous furrowing and ridging; opener

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.002

S223.2+3

A

1002-6819(2017)-05-0010-06

張明華，王在滿，羅錫文，楊文武，戴億政，王寶龍. 水稻精量穴直播機開溝裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(5)：10－15.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.002 http://www.tcsae.org

Zhang Minghua, Wang Zaiman, Luo Xiwen, Yang Wenwu, Dai Yizheng, Wang Baolong. Design and experiment of furrowing device of precision hill-drop drilling machine for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 10－15. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.002 http://www.tcsae.org

2016-06-24

2017-03-03

948計劃項目（2011-G18(2)）；公益性行業（農業）科研專項（201203059）；863計劃項目（2012AA10A501-2）

張明華，男，浙江嘉興人，博士，主要從事水稻生產機械化研究。廣州 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：zhangminghuascau@163.com

※通信作者：王在滿，男，廣東汕頭人，博士，副研究員，主要從事水稻機械化生產裝備研究。廣州 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：wangzaiman@scau.edu.cn