基于農機農藝結合的玉米膜下精密播種機設計

管燕燕

(山西省農業機械發展中心，山西 太原030031)

0 引言

干旱和半干旱地區土壤水分不足是作物穩產高產的主要限制因素，地膜覆蓋可有效保蓄土壤水分，提高地溫，增產效果顯著[1]。傳統覆膜方式容易出現苗和孔錯位問題，通常需要人工幫助幼苗破膜，費工費時，并且早春覆土，極易因覆土不嚴而致大風揭膜，或因大雨造成土壤板結[2]。研制一種農機農藝結合下的膜下播種機械，以克服上述弊端，有效延長地膜使用時間，提高地膜使用效果，具有重要的現實意義。目前針對地膜覆蓋種植的農藝研究中多采用作物自動破膜方式，對膜下播種的研究較少[3]。李鐵山等[4]提出在播種行上覆土的玉米自動破膜方法；楊忠娜等[5]提出土下覆膜播種方式，并研究作物自動破膜的出苗效應。本文針對人工放苗導致的出苗錯位、容易板結及出苗率較低等問題，研制一種農藝農機相結合的膜下播種機械，并通過試驗對該機具的可靠性進行驗證，以期為發展簡約化農田地膜覆蓋技術，探索地膜應用的新方向提供科學依據。

1 膜下播種農藝試驗

1.1試驗設計

田間試驗于2016—2018年每年的3—6月在山西省長治市襄垣縣侯堡村進行，試驗區地處山西省內陸黃土高原，屬半山丘陵地區。區域海拔1 000 m左右，無霜期166 d，年降水量550 mm。試驗地土壤類型為褐土，供試土壤含水量能夠滿足玉米正常出苗。試驗采用玉米“大豐30”，于4月10日播種，對比膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種處理方式下的出苗情況[6]。覆土厚度(膜上覆土厚度+膜下覆土厚度)分別為1 cm+3 cm，2 cm+2 cm，3 cm+1 cm。每組試驗重復3次，以露地為對照(CK)，小區面積1.8 m×10 m。

自播種后開始監測出苗情況，記錄出苗日期、出苗數和苗情。采用SAS9.2數據分析系統對試驗數據進行處理。以相對出苗率為試驗指標，對不同處理方式下的出苗效果進行比較[7]。相對出苗率計算公式為

y=xK

(1)

式中y——相對出苗率

x——實際出苗率

K——標準出苗率

1.2試驗分析

膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種處理方式下，玉米相對出苗率如表1所示。

表1 不同鋪膜播種方式下玉米的出苗情況

Table.1 Emergence of corn under different film spreading methods

處理膜上滾筒播種出苗數相對出苗率∕%播種鋪膜不打孔出苗數相對出苗率∕%播種鋪膜破膜出苗數相對出苗率∕%重復1139841247514890重復2140851257615091重復3141851247514990均值 140851247514990

由表1可知，采用播種后鋪膜破膜方式種植的玉米相對出苗率最高，達90%；先鋪膜后滾筒播種的方式相對出苗率居中，約為85%；而僅靠玉米自動破膜的播種后鋪膜不破孔的方式相對出苗率最低，僅為75%。基于上述研究，提出一種播種后進行鋪膜破膜的機具方案。

2 整機結構和工作原理

玉米膜下精密播種機整機結構如圖1所示，主要由旋耕機、施肥裝置、精密播種裝置、鋪膜破膜裝置、壓膜裝置和覆土裝置等組成。

玉米膜下精密播種機工作時，旋耕機進行旋耕整地，播種裝置和施肥裝置進行精密播種和施肥，鋪膜裝置進行鋪膜，破膜裝置對種床帶上的膜進行破孔作業，最后壓膜器進行壓膜覆土，完成對玉米的膜下精密播種。

3 關鍵部件設計

相關研究表明，鋪膜破膜及覆土裝置是保證機具作業效果的關鍵部件，應對其進行重點研究[8]。

3.1鋪膜破膜裝置

3.1.1鋪膜破膜結構設計

鋪膜破膜裝置(圖2)主要包括鋪膜裝置、壓膜輥和破膜輥。鋪膜成功后采用壓膜輥將地膜壓平，再利用破膜輥對地膜進行破孔處理。

3.1.2破膜輥試驗研究與設計

破膜輥結構如圖3所示。試驗于2016年3月在山西省農業機械化科學研究院進行，采用播種機模擬播種試驗臺對正常播種時玉米種子掉落的橫向偏移進行試驗和記錄[9]。以理想零速掉落的位置為對照(CK)，設置播種距離20 mm，株距200 mm。

采集種子掉落位置的橫向偏移量，根據樣本觀測值繪制頻率直方圖，如表2和圖4所示，種子掉落位置位移的曲線大致為正態分布曲線。

把種子橫向偏移距離分為13組，每組區間為5 mm，設置μ=0，計算出σ=12.28。

由正態分布分析可知，種子大概率地落在距離中心位置15 mm之內，膜上最佳打孔距離為5 mm，但地膜一般厚度為0.015 mm，薄并有韌性，若孔距相距太近會造成拉膜，達不到理想狀態，因此結合樣本數據分析、材料特性及植物向陽的特性，確定破膜輥長120 mm，破膜刀片直徑115 mm，孔縱橫向距均為10 mm。

表2 樣本數據

3.2覆土裝置

不同膜上膜下的覆土組合，玉米的相對出苗率差異極顯著(表3)。膜上覆土2 cm、膜下覆土2 cm時玉米平均相對出苗率最高，達90.57%。而膜上覆土1 cm、膜下覆土3 cm時，玉米平均相對出苗率僅為82.24%。玉米的播深為3～5 cm，若膜上覆土過深會增加種子出土過程中的能量消耗，導致出苗率降低，若膜上覆土過淺，則土壤壓力不足，導致種子無法出土[10]。

表3 不同覆土方式對玉米相對出苗率的影響

Table.3 Effect of different soil cover methods on relative emergence rate of corn

覆土厚度∕cm(膜上+膜下)相對出苗率∕%重復1重復2重復3均值1+382.3081.7582.6682.242+289.8591.5490.3390.573+186.7884.3283.9685.02

膜下覆土裝置(圖5)包含覆土板、鎮壓輪和調節螺絲，采用覆土板進行覆土，通過改變調節螺絲相對鎮壓輪高度實現對覆土厚度的調節。膜上覆土裝置(圖6)由刮土板、調節管套和覆土圓盤組成，通過覆土圓盤進行覆土，通過調節套管相對刮土板高度來調整覆土厚度。

4 討論

通過農藝試驗，獲取膜上滾筒播種、播種鋪膜不打孔及播種鋪膜破膜3種種植模式下的玉米出苗率。結果表明，采用播種后鋪膜破膜方式種植的玉米相對出苗率最高，達90%。各因素中，膜下覆土厚度和膜上覆土厚度對出苗率的影響最大，膜下覆土2 cm、膜上覆土2 cm時玉米出苗效果最好。基于農機與農藝相結合的原則，研制了一種膜下播種機，分別采用人工和機器作業的方式進行膜下播種試驗，玉米相對出苗率如表4所示。由表4可知，機器作業的相對出苗率相對較低，但滿足農藝要求，解決了傳統地膜覆蓋需要人工放苗、出苗錯位、容易板結及土下覆膜出苗率低等問題，提高了勞動效率，減少了作業成本。

表4 不同種植方式對玉米相對出苗率的影響

Table.4 Effect of different planting methods on relative emergence rate of corn

種植方式相對出苗率∕%重復1重復2重復3均值人工91.2592.3490.8591.48機器89.3090.0588.9589.43