水稻田激光平地技術研究與展望

胡煉 殷延勃 杜攀 羅錫文

（1華南農業大學工程學院，廣州510642；2寧夏農林科學院農作物研究所，銀川750105；第一作者：lianhu@scau.edu.cn）

水稻種植自古就有“寸水不過田，寸水不漏泥”的要求，即田面高低差不超過3 cm[1]，水稻生長過程中應保持田面有深淺適當的水層。水層過深容易浸沒秧苗心，妨礙呼吸作用和光合作用而使秧苗萎黃；水層過淺則泥皮干硬，水稻難以生根發芽[2]。激光平地技術是20世紀70 年代發展起來的一種激光控制與常規機械相結合的土地平整新技術，能滿足水稻生長對水田平整的要求。平整的水稻田優勢明顯：（1）可以實現淺水灌溉，節省灌溉用水，提高灌溉效率。農田表面平整度直接影響灌溉效率，超過20%的灌溉用水因農田表面高低不平被浪費。DAS 等[3]研究了采用激光平地的田塊、傳統平地的田塊和未進行平整的田塊的用水效率，結果表明采用激光平地的田塊具有最好的用水性能，比未平整的田塊節水47%，比手動平整的田塊節水15%，用水效率比未平整的田塊高98.7%，比手動平整的田塊高29.4%。（2）可以有效抑制雜草的生長，提高作物產量，降低生產成本。經過激光平地的農田，田面水層覆蓋率高，水稻之間成長時期同步性較好，促進了水稻成熟的均勻性。水稻在爭奪水分、養分、光照和空間等方面比雜草更具優勢，可減少雜草40.0%，節省3/4 的除草勞動力[4]。連續3 年的激光平地與傳統平地對比試驗表明，采用激光平地的田塊水稻產量比對照高31.3%[5]。（3）有利于淺水勤灌技術、水稻淺濕灌溉技術、水稻控制灌溉技術等節水技術的應用，精細平整的農田可進一步提高水稻機械直播技術和無人機撒播技術的推廣應用。

水稻田整地根據耕整地時是否泡水分為水整地和旱整地兩種模式。稻田水整地是傳統的耕整模式，耕作程序主要包括旋耕、耙地、上水泡田、整平和沉淀[6]，再進行栽插或直播等。稻田旱整地在寧夏、天津等地應用較多，耕作程序主要包括旱耙地和旱整平，再進行旱直播或泡水后栽插，有利于創造良好的土壤結構，使土壤空隙度增大，提高氧化還原電位，有利于栽后秧苗的返青和生長發育[1]，由于稻田水整地程序多、周期長、農時緊張[7]，部分地區水田泥腳深易陷車，因此，近年來南方稻田也開始采用旱整地再進行水稻旱直播。

本文針對稻田水整地和旱整地的要求，介紹了激光平地技術原理以及適應南方的水田激光平地機和旱地激光平地機，并分析了其作業效果和發展趨勢。

圖1 激光平地原理圖

1 激光平地技術原理

以激光發射器的旋轉光束作為基準面，通過固定在平地鏟上的激光接收器檢測激光基準信號，檢測平地鏟的高程偏差，以偏差信號控制液壓驅動系統實現平地鏟的升降，從而實現農田的精細平整。如圖1 所示，平地機在地勢較高處時激光接收器中線高于激光基準面，控制器控制平地鏟降低至激光接收器中線位于激光基準面，平地鏟鏟土；平地機在地勢較低處時激光接收器中線低于激光基準面，控制器控制平地鏟升高至激光接收器中線位于激光基準面，平地鏟內的泥土填到低洼處；平地機在地勢正好時平地機激光接收器中線位于激光基準面時，平地鏟不動作[8]。

圖2 平地鏟自動調平原理圖

圖3 1PJ-3.0 水田激光平地機

圖4 旱地激光平地機

表1 平整質量統計結果

2 稻田激光平地機

2.1 稻田水平激光平地機

水田平整時，由于犁底層高低不平，平地機左右輪陷深不一，導致平地鏟的左右方向不能保持水平，高程控制系統僅能控制平地鏟升降，田面平整度難以滿足水稻的種植要求。因此，水田激光平地時在高程控制系統的基礎上還需增加平地鏟的自動調平技術[8]，以保證平地鏟水平作業。自動調平技術采用傾角傳感器獲得拖拉機的實時傾斜角度，直線位移傳感器測量調平液壓油缸伸長量，利用平地鏟和拖拉機的相對傾斜角度轉換函數，通過電磁換向閥控制平地鏟保持水平（圖2）。

1PJ-3.0 水田激光平地機是一種與插秧底盤配套的應用于水田耕整后的激光平地機械（圖3）。平地機主要由插秧底盤、平地鏟、液壓系統和控制系統組成，其特點在于與插秧機底盤配套，水田驅動輪較窄不易產生較大輪轍，轉彎效率高；液壓系統和平地鏟一體化設計，平地鏟連接在插秧機上，提高了插秧機的使用率。控制系統主要包括平地機控制器、激光接收器和傾角傳感器系統，在插秧機方向盤右側安裝有平地機控制器，激光接收器安裝在平地鏟接收器桿上。作業后水田平整度小于3 cm，作業效率大于0.27 hm2/h。

2.2 稻田旱平激光平地機

目前旱地激光平地機通過大馬力拖拉機牽引，在大面積農田平整效率高，但其轉彎半徑較大，對小塊農田適應性較差。我國水稻種植地塊小，除了幾個平原地區外，大部分地區是小地塊，約占水稻種植總面積的70%。農戶種植規模90%以上為0.13～0.33 hm2[9]。現有的牽引式旱地激光平地機對于這種小塊農田適用性較差，采用2 個輪胎作為支撐輪支撐平地鏟升降，在土壤松軟的田塊易出現明顯壓實輪轍，影響平地效果。

1PJD-220 型懸掛式旱地激光平地機可與各種拖拉機采用三點懸掛機構掛接，平地鏟可提升倒車、地頭作業靈活度，小田塊作業效率高。平地鏟由12 個鋼性輪組支撐，松軟土壤經過適度均勻壓實后，不會有明顯輪轍，且可減少泡水后沉降，保證田面平整度。平地機配備獨立液壓系統、安裝方便。采用電控調節平地鏟入土深度，操作人員在駕駛座位上即可設置平地深度。路上行走、田間掉頭或田間倒車時，由拖拉機控制三點懸掛機構整體升降；田間作業時，則將拖拉機三點懸掛機構放至最低位置并設置為浮動模式。

為分析平整質量，采用全站儀采集平整前和平整后田面相對高程值，其中一次試驗的統計結果如表1所示[10]。懸掛式多輪支撐旱地激光平地機作業后，田面最大高程差從平前20.80 cm 降至平后7.30 cm，相對高度的標準偏差值從平前4.48 cm 下降到平后1.72 cm，平后絕對差值小于3.00 cm 的采樣測量點累計百分數為91.94%，懸掛式多輪支撐型旱地激光平地機在小田塊作業效率高，顯著改善了田面平整情況。

3 發展趨勢

3.1 系列化

不斷提高平地作業質量和作業效率是稻田平整的重點方向，應研制與輪式拖拉機和履帶式拖拉機配套的系列水田激光平地機[11-12]，并配置不同結構形式和不同作業幅寬的平地鏟，以滿足大型農場和南方小地塊稻田平整需求。

3.2 多功能化

在平地基本功能的基礎上增加打漿、壓實[10]、開溝和施肥等功能，如采用激光控制平地打漿機[13]，可減少作業工序和農機進入稻田作業次數，降低作業成本。

3.3 智能化

目前，我國北斗衛星導航系統已全面建成，定位精度高，其中高程方向精度可達2 cm，基于北斗/GPS 的平地技術的平地機將快速推廣[14]。此外，根據快速采集的農田地形，智能規劃平整作業路線，可以提高平地效率。同時，結合農機無人駕駛技術，研制無人駕駛激光平地機，以進一步提高平地機械智能化水平。