棉稈起拔力關鍵因素的研究及試驗

陳佳林，曹肆林，盧勇濤，王 敏，營雨坤

(1.石河子大學，新疆 石河子 832003；2.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832003)

0 引言

棉花是世界上最重要的農作物之一。在我國，植棉歷史悠久，種植技術成熟，棉花產量約占世界棉花產量的1/4。棉花在采摘時產生大量的副產物[1-2]，但主要產棉區對棉稈利用效率低，造成了資源的浪費[3]。棉稈作為棉花產業的副產品，是一種重要的可再生生物質能源，可作為反芻家畜的飼料，也可用于造紙、制板、食用菌培養、環保材料、化學制品、秸稈炭及建筑材料等，具有巨大經濟效益。據統計，我國棉花種植面積為600萬hm2，每年棉稈的產量約為3 000萬t，若將這些棉稈用于制造紙張，每年可以節省林木資源12萬m3，與此同時，每100萬t棉稈，產生的經濟效益為10億元。目前，棉稈收獲技術發展遲緩，配套收獲裝備性能低下，未能得到廣泛推廣。除新疆地區大部分棉稈被粉碎還田外，其他地區多數農戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，致使棉稈資源利用率低下。拔稈收獲能實現棉稈的收集，可避免殘留根茬對下一輪作物的不利影響，所以非常受農戶的歡迎。我國傳統的拔棉稈方式不僅費時費力，且效率低下，若采用機械拔取棉稈，在減輕棉農勞動強度的同時，也可增加一定的經濟收入。由于棉稈主莖粗細不一致，土壤吸附力大，人工收獲勞動強度大、耗功大，開展棉稈機械收獲技術研究已成為近年來棉花生產全程機械化技術研究的重點之一[4-9]。

通過對試驗田的進一步考察分析后，進行了起拔力的測試試驗，并對試驗田的測量數據進行了分析，研究了各因素對起拔力的影響規律，以期為棉稈起拔機械的設計提供數據參考。棉稈直徑對起拔力有較大的影響，設計棉稈起拔機時最大起拔力可以參考棉稈直徑進行設計。其中，土質、土壤含水量和土壤堅實度對棉稈的起拔力有一定的影響，合理地選擇收獲時間，可以減少動力的消耗，有效提高起拔效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2017年10月，在新疆農墾科學院試驗田實驗基地進行試驗。新疆氣候干燥少雨，冬季寒冷且長。試驗田的棉稈品種為華農16號，株距12cm，行距為(60+10)cm，數據采集區的棉花采用1膜6行的種植模式。棉稈試樣按照生長良好、莖稈直挺、粗細均勻的基本原則進行選取[10-11]。

1.2 試驗方法

數據采集從棉花收獲后開始，一共選取5塊試驗田的5個作業段，每個作業段選取20個樣本進行試驗，主要采集棉稈起拔力、棉稈直徑、土壤含水率、土壤堅實度和棉稈高度等數據。

1)棉稈起拔力的測定。棉稈起拔力的測量使用溫州市海寶儀器有限公司HF-1000型數顯式推拉力計(量程0～1 000N，精度0.05N)，其能夠通過顯示屏顯示測量力的不斷變化，當將工作模式設置為Peak(峰值保持)模式時，就會把每次測量的最大數據自動保存，并存儲。具體測量方法是：用尼龍繩一端系在棉稈的底部，另一端連接到推拉力計上，然后緩慢地起拔，當根部完全脫離土壤后，讀取并記錄下最大數據，如圖1所示。每個作業段測量20組數據，最后形成棉稈直徑、棉稈高度、起拔阻力、棉稈是否拔斷、土壤堅實度和土壤含水率的數據表格，后求取各組因數的平均值，并且列出其大小范圍，經處理后如表1所示。

2)棉稈高度的測定。每株棉稈從其地上根莖部分到主稈頂端為測量的高度部分，用卷尺(精度1mm)測量并同時記錄下讀數，對同一塊試驗田選取20 個樣本。

3)棉稈直徑的測定。以棉根底部為基準，每向上10cm測量1次，一共向上測量3次，用游標卡尺(精度0.02mm)進行測量，并取其平均值近似為棉稈直徑。對同一塊試驗田選取20 個樣本。

圖1 棉稈起拔力測定

作業段棉稈直徑/mm直徑范圍平均值棉稈高度/cm高度范圍平均值起拔阻力/N 阻力范圍平均值平均土壤含水率/%平均土壤堅實度/kPa17.93～12.509.7171.1～95.284.83360.3～776.7500.1617.09423.327.94～14.819.9467.8～99.481.57378.5～726.1473.6218.44387.537.67～11.7511.7561.2～92.669.62289.4～821.1539.4916.65449.947.98～11.959.8564.2～93.278.60234.7～796.9489.7116.54398.658.02～12.849.6262.3～99.881.15160.1～999.3512.5416.89450.0

4)土壤含水率和緊實度的測定。土壤堅實度的采集采用SC900數字式土壤堅實度儀(程0～7 000kPa，精度0103kPa)，測量時將其探頭緩緩插入土壤10cm處深度，然后讀取數值。土壤含水率的采集采用TDR 300土壤水分儀(范圍0-飽和狀態，精度3.0%體積水含量)，測量時將其探頭緩緩插入土壤10cm處深度，然后讀取數值，如圖2所示。測量點選取在地段中間，每次測量的選點與所測量的其它參數一一對應，每個作業段選取10個點，然后取其平均值。對同一塊試驗田選取20 個樣本。

2 結果與分析

本文將對所測數據用MINITAB軟件進行散點圖圖形處理及擬合，然后對5組數據進行線性回歸分析。

圖2 土壤堅實度測定

2.1 棉稈直徑對起拔力的影響

由于棉稈起拔力受多種因素影響，結合已有研究，確定以棉稈直徑為影響因素對棉稈起拔力進行單因素試驗研究。為了進一步分析研究結果，文中選取第2、3、5組采樣數據進行了線性回歸分析，分析結果如圖3所示。

○代表第2組采樣數據 +代表第3組采樣數據 △代表第5組采樣數據

線性回歸模型為

y2=87.9+38.8x

S=42.16，R-Sq=69.2%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=69.2% ，說明回歸方程顯著性一般。

y3=-609+120x

S=86.96，R-Sq=73.0%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=73.0%，說明回歸方程顯著性一般。

y5=-418+96.6x

S=189.49，R-Sq=35.1%，P=0.006

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=35.1%，說明回歸方程不顯著。

根據MINITAB軟件的分析，可以直觀地看出：在同一個作業段的采集數據中，棉稈的起拔力與棉稈直徑成正相關關系，起拔力具有隨棉稈直徑的增大而增大的趨勢，如圖3所示。線性回歸分析得出的3組處理結果中P值均小于0.05，這表明線性回歸模型是成立的；但回歸模型y2中的R-Sq=69.2%和y3中的R-Sq=73.0%，說明其模型線性回歸性不顯著。而回歸模型中y5的R-Sq=35.1%，說明其模型線性回歸極不顯著。這種情況是由于棉稈起拔力的影響因素可能與土壤的堅實度、含水率、棉稈起拔的角度及棉稈根系的分布生長情況等有關。在同一塊作業段中，由于施肥不均等因素，造成棉稈根系生長不同，還有土壤堅實度和含水率的不均勻性等導致了棉稈起拔力存在較大的差別，因此這只反應了一定情況下棉稈直徑與起拔力的關系。

2.2 棉稈高度對起拔力的影響

由于棉稈高度與棉稈起拔力并沒有直接的關系，根據上文得出了棉稈直徑與起拔力成正相關關系，因此筆者對棉稈直徑與棉稈高度的關系進行了分析。文中選取了第1、2、3組采樣數據進行線性回歸分析，分析結果如圖4所示。

○代表第3組采樣數據 +代表第2組采樣數據 △代表第1組采樣數據

線性回歸模型為

y1=32.2+5.42x

S=5.18，R-Sq=56.7%，P=0

y2=37.5+4.43x

S=5.45，R-Sq=63.6%，P=0

y3=32.3+3.91x

S=7.17，R-Sq=29.6%，P=0.013

對y1、y2、y3回歸方程進行分析：在y1與y2的回歸模型中，P=0<0.05，可知線性回歸模型成立；y1中R-Sq=56.7%，y2中R-Sq=63.6%，說明回歸方程顯著性一般；在y3的回歸模型中，P=0.013<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=29.6%，說明回歸方程不顯著。

根據MINITAB軟件的分析，可以直觀地看出：在同一個作業段的采集數據中，棉稈的高度與棉稈直徑成正相關關系，棉稈高度具有隨棉稈直徑的增大而增大的趨勢，如圖4所示。線性回歸分析得出的3組處理結果中P值均小于0.05，表明線性回歸模型是成立的；但回歸模型中y3的R-Sq=35.1%，說明其模型線性回歸極不顯著。這是因為棉稈的生長可能受溫度、光照、肥料和水分等因數的影響，在同一塊作業段中，由于施肥的不均勻性和棉稈吸收的差異，造成了棉稈的大小不同。根據上文得出的結論：棉稈直徑與起拔力成正相關關系，因此推出棉稈起拔力與棉稈高度成正相關關系。

2.3 土壤含水率對起拔力的影響

對棉稈起拔力與土壤含水率進行了單因素研究，將5個作業段的數據一一對應進行了線性回歸分析。

線性回歸模型為

y=1064-33.6x

S=120.77，R-Sq=37.7%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=37.7% ，說明回歸方程不顯著。

棉稈起拔力與土壤含水率的關系如圖5所示。棉稈起拔力與土壤含水率呈負相關關系，起拔力具有隨土壤含水率的增加而減小的趨勢。

圖5 棉稈起拔力與土壤含水率的關系

2.4 土壤堅實度對起拔力的影響

對棉稈起拔力與土壤堅實度進行了單因素研究，將5個作業段的數據一一對應進行了線性回歸分析。

線性回歸模型為

y=-88+1.37x

S=119.22，R-Sq=39.3%，P=0

因P<0.05，可知線性回歸模型成立；R-Sq=39.3%，說明回歸方程不顯著。

棉稈起拔力與土壤含水率的關系如圖6所示。棉稈起拔力與土壤含水率呈正相關關系，起拔力具有隨土壤堅實度的增加而增大的趨勢。

3 結論

1)在同一個作業段中，棉稈直徑是影響起拔力的關鍵因素，棉稈直徑與起拔力成正相關關系。在采集的5組數據中，第5組棉稈直徑最大值為12.84mm，最大起拔力為993.3N。在設計棉稈起拔機時，最大起拔力可參考棉稈直徑進行設計。棉稈起拔力與棉稈高度成正相關關系；棉稈起拔力與土壤含水率呈負相關關系；棉稈起拔力與土壤堅實度呈正相關關系。在已采集的5個作業段的數據中，第3組棉稈起拔力最大，單株棉稈最大起拔力為821.1N，平均起拔力為534.49N；第2組棉稈起拔力最小，單株棉稈最大起拔力達到726.1N，平均起拔力為473.62N。棉稈起拔力的大小受土壤含水率、堅實度的影響很大，因此應選取合適的季節拔稈，以減小動力消耗，提高效率。

圖6 棉稈起拔力與土壤堅實度的關系

2)棉稈的起拔力是棉稈收獲需要考慮的主要因素之一。在本試驗中，僅在第4作業段中拔斷了1根，土壤含水率和土壤堅實度不同棉稈的力學性能就不同。盡管作業段4中拉拔阻力較小，但棉稈的抗拉強度和抗彎強度等力學特性參數也較小，極易在拔稈作業中發生斷裂[12]，因此拔稈時需綜合考慮。本試驗所測數據及線性回歸方程更適合于新疆地區。