廣西甘蔗粉壟耕作技術與機械的研究現狀

廖麗 馬亞勤

（廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007）

蔗糖業是廣西區域經濟發展的重要支柱及農民的主要經濟來源，近年來，廣西甘蔗生產競爭力優勢穩定，甘蔗栽培是蔗糖業發展的基礎，各種栽培耕作技術得到了大力的發展，2011年開始進行甘蔗粉壟耕作技術的研究和應用。粉壟耕作技術是一項新型的農耕技術，采用粉壟機械的立式旋削刀具，在耕作深度30～60 cm范圍內深耕深松作業，直接起壟，達到一次作業可直接種植的效果。該方法能打破犁底層，使耕地松土層厚度增加，耕作層疏松，在一定程度上提高土壤保持水分的能力，增加土壤肥力，從而達到作物增產效果。應用粉壟技術后，甘蔗可增產27%，且一次粉壟具有多年的增產效果，是目前我國主要推廣的農業耕作新方法之一。［1］近年來國內學者也陸續開展了一些甘蔗粉壟耕作的研究，甘蔗粉壟耕作技術研究主要以甘蔗種植的相關農學試驗研究為主，粉壟耕作對照常規傳統耕作的甘蔗質量、土壤條件分析對比，并對現有的粉壟耕作機械的耕作阻力、破碎性能、功耗等方面進行研究分析，促進甘蔗粉壟耕作技術的推廣。

1 甘蔗粉壟耕作技術的研究現狀

甘蔗粉壟耕作技術研究主要從甘蔗品種和耕作方式等方面對甘蔗生長情況、甘蔗產量、蔗地土壤特性進行分析對比，廣西從2011年開始進行甘蔗粉壟耕作技術的研究。

1.1 粉壟耕作對甘蔗生長及產量的影響

采用粉壟耕作的甘蔗種植相較傳統種植方式，甘蔗產量有明顯提高。2010—2011年，韋本輝等人在不同地區利用“新臺糖22號”和“柳城03-1137”兩個甘蔗品種進行粉壟栽培和傳統栽培比較試驗，與傳統栽培相比，粉壟耕作栽培的根系鮮重增加115.05%～146.48%，功能葉片數增加14.65%～19.35%，產量增加21.91%～27.35%，甘蔗蔗糖含量增加3.63%～5.75%，甘蔗宿根芽數增加47.64%～197.70%。［2］廣西武鳴、賓陽和金光農場等不同蔗地進行單鉆頭粉壟耕作試驗，粉壟耕作深60 cm，寬40 cm，壟面寬60 cm，壟距1.2 m，試驗得出，粉壟栽培與對照相比有效莖數增加711條/667 m2，提高了20.23%；單莖質量增加0.25 kg，增加率為20.16%；產量增加1020kg/667 m2，提高了27.35%。［3］由于甘蔗種植地區土壤瘠薄、種植季節干旱缺水且處于低溫環境，造成長期制約甘蔗單產偏低，韋本輝等［4］提出可利用粉壟耕作進行深旋耕作業，實現聚天然降水和土壤速效養分增加10%～30%，甘蔗產量可增加20%以上。

粉壟耕作機耕相對常規拖拉機旋耕耕作對甘蔗產量影響較大。2015—2016年，周靈芝等［5］以“桂糖43號”為對象，在廣西南寧甘蔗地進行常規耕作（拖拉機耕作，深度25 cm，耙平）和粉壟耕作（粉壟耕作機整地，深度40 cm，耙平）的對比試驗。試驗得出，粉壟耕作有利于提高甘蔗的出苗率和分蘗率，粉壟耕作出苗率增加20.7%，分蘗率增多25.4%；粉壟耕作甘蔗的生長速度增加6.4%～53.7%；甘蔗莖稈增粗7.7%～23.8%；粉壟甘蔗莖稈產量為191.25 t/hm2，比對照增產18.2%。2017年，韋增林等［6］在廣西來賓以甘蔗品種“桂糖42號”為對象，分別采用拖拉機作業（二耙一開行，耕層20 cm）、拖拉機作業（一犁一耙一開行，耕層30 cm）和粉壟機作業（深耕40 cm+開行）進行甘蔗粉壟耕作對比試驗，結果粉壟栽培甘蔗增產25.6%。

2016—2017 年，王奇等［7］以“福農41號”為對象，對照傳統耕作，研究粉壟耕作對甘蔗農藝性狀及產量的影響，與對照相比，粉壟耕作促進蔗莖增粗8.4%，使單莖質量和有效莖數分別增加16.8%、13.5%，從而提高甘蔗產量35.3%。此外，與對照相比，在甘蔗生長后期，粉壟耕作條件下蔗葉完全展開的片數增多，甘蔗有效吸收光能面積增加，從而積累同化物提高甘蔗的單莖質量。

粉壟耕作對促進甘蔗生長也有較大影響。2018—2019年，李素麗等［8］以“桂糖42號”為對象，設常規耕作和粉壟耕作進行對比試驗。試驗提出，粉壟耕作能提高甘蔗生長期光合作用相關的酶活性、葉綠素含量和凈光合速率等生理指標，提高了光合作用，促進甘蔗生長，提高甘蔗產量與品質。

2018—2019 年，李浩等［9］以“桂糖42號”為對象，進行粉壟耕作試驗（耕作深度40 cm），以常規耕作為對照（耕作深度25 cm），分別測定土壤速效養分，甘蔗農藝性狀及產量和糖分、根系形態、根毛區組織細胞結構、根系活力、蘋果酸脫氫酶、細胞色素氧化酶等呼吸代謝相關酶活性。結果以常規耕作作為對照，粉壟耕作條件下新植蔗的出苗率和分蘗率分別增加了25.0%和17.4%，宿根蔗分別增加了30.6%和11.7%，粉壟耕作可提高速效氮和速效磷含量，改善甘蔗根系的營養，提高根系活力和呼吸代謝相關酶活性，有利于根系組織細胞結構和根系形態的發育，從而進一步促進根系對水肥的吸收。

1.2 粉壟耕作對蔗地土壤條件的影響

與常規機耕相比，粉壟耕作對甘蔗地土壤能實現深耕深松，不破壞土壤層的保肥蓄水能力。2017年，陳曉冰等［10］采用野外染色示蹤技術和形態學解析手段，結合土壤水分分層評價方法，對粉壟耕作和免耕方式下西南巖溶區的典型甘蔗地土壤優先流特征進行研究并提出，相對免耕，粉壟耕作使巖溶區甘蔗地土壤優先流的發生與發展減緩，土壤的保肥蓄水能力在一定程度上提升了。2018—2019年，陳仕林等［11］在廣西南寧丘陵山區甘蔗地采用雨養模式，進行粉壟耕作與常規耕作兩種耕作方式，開展平地和坡耕地甘蔗田間試驗，分析粉壟耕作對坡耕地雨養甘蔗地土壤的礦化速度、礦化累積量及土壤團聚體與緊實度結構效應的影響。試驗得出，粉壟雨養甘蔗提高了平地和坡耕地土壤耕層碳存儲，可降低土壤緊實度，增加土壤大團聚體形成，優化土壤耕層結構。

2018—2019 年，黃俞銘等［12］在減量施肥 20%、常規施肥兩種施肥條件下進行常規耕作和粉壟耕作，并于蔗種出苗后在其行間近根部覆蓋秸稈，研究第二年宿根蔗，采用染色示蹤法測定秸稈覆蓋下甘蔗土壤優先流特征，并測定分析蔗株高度、蔗莖大小、地表下層蔗根生物量、產量及品質等重要農藝性狀。對比常規耕作，粉壟耕作方式下蔗田添加秸稈覆蓋降低了土壤優先流發生程度，提高了土壤蓄水能力，增加了甘蔗根系生物量和產量，并有利于提高甘蔗品質。

2018年，王奇等［13］以“福農41”為試驗材料，以傳統耕作為對照，研究粉壟耕作對甘蔗根系生物量和氮含量的影響，并分析粉壟耕作對甘蔗根系中氮素吸收利用相關基因表達水平的調控作用。試驗得出，相對傳統耕作，粉壟耕作條件下甘蔗根系鮮重、干重、氮含量顯著提升，分別增加48.7%、46.8%、50.0%。粉壟耕作可能通過上調甘蔗根系中氮素吸收利用增加甘蔗根系中氮含量并促進根系生長；此外，從粉壟耕作的甘蔗根系發達情況，考慮通過增加根系與土壤接觸的面積，可促進甘蔗根系對土壤中氮素的吸收利用。

2 甘蔗粉壟耕作機械技術的研究現狀

根據粉壟技術的土壤深耕深松及保肥蓄水要求，粉壟耕作機械應運而生。2009年，韋本輝等［14］利用木匠使用螺旋鉆頭“鉆孔松屑”的原理，發明了首臺利用拖拉機驅動牽引的“螺旋型鉆頭”粉壟機，解決了“超深活土”滿足農作物自然性增產的難題。

從2010年起，廣西本地農機制造企業研制了多款螺旋鉆頭深耕粉壟機械，有力地推動了粉壟耕作技術的應用。第一代粉壟機，是在輪式拖拉機后面固定安裝粉壟裝置，粉壟裝置的動力由拖拉機的動力輸出端提供，進而帶動螺旋鉆頭高速旋轉，達到甘蔗栽培農藝的耕作深度，同時在拖拉機牽引下向前移動，土壤被鉆頭刀刃橫向切割，從而達到粉壟深耕深松的耕作目的。第一代粉壟機使用5個螺旋鉆頭，配套發動機功率從50馬力到195馬力不等，但是使用普通拖拉機牽引仍然存在較多缺陷，工作效率較低，無法商業化［15，16］。2015年，通過對鉆頭的多次改進以及行走方式的試驗，成功研制了第二代粉壟機，采用履帶行走模式和液壓傳動技術，能適應不同地區，效率和故障率有了明顯改善，開始接受市場檢驗并進行商業化推廣。［17］2016年，采用數字信號控制液壓系統的第三代粉壟機通過省級農機技術鑒定，可以實現數字化控制和采集信息，根據傳感器反饋智能調節功率。在第三代粉壟機的基礎上，小型無人駕駛粉壟機研制成功，此機型較適合南方丘陵地區，能滿足地塊大小不同高度不同的需求。［18］2019年研制成功并通過了國家農業機械專項鑒定的牽引式深耕粉壟機 （垂直深旋耕），配套發動機功率可達295馬力，可適應耕作超大阻力和野外惡劣工況，耕作深度可由液壓垂直升降系統自由調節，更換不同規格長度的鉆頭可適應不同作物需求。此外還具備高度信息化功能，可實現遠程GPS定位、鎖定功能及粉壟作業監控。

2020年，韋本輝聯合廣西粉壟制造企業研制了甘蔗粉壟“145”專用粉壟機，利用空心“二刀鉆”垂直深旋耕深松土壤，能實現最大化利用土壤養分、水分和氧氣等，較常規種植耕深增加且油耗低，此機型通過了省級農機鑒定，并在廣西甘蔗地中進行了相關作業試驗。

上述粉壟耕作機械技術研究發展迅速，但相關機械在廣西甘蔗地中仍存在作業效率較低、阻力大、振動大、刀具磨損嚴重等問題，限制了粉壟機在廣西甘蔗地的推廣應用。

2018年，楊望等［19］針對粉壟機作業功耗大、作業性能與粉壟刀具結構參數關系不詳的問題，采用SPH算法、試驗設計方法和回歸分析方法，建立粉壟刀具作業模型，以及其結構參數與功耗幅寬比和土壤破碎度的數學模型，進行仿真試驗并對粉壟刀具結構參數進行優化研究。試驗研究得出，在相同條件下，螺旋葉片直徑、螺距和軸距減小，有利于降低功耗幅寬比，提高土壤破碎度；而螺距增大軸距減小，則能降低功耗幅寬比。

2020年，肖雄等［20］針對粉壟刀具在黏土蔗地作業時，耕后破碎土壤大小不一，且破碎分布不均勻的問題，改進設計了一款增加彎刀裝置的新刀具，并通過仿真試驗，分析作業過程，優化影響因素，結果表明，新刀具能適應不同耕深，作業后土壤破碎度在垂直方向上分布比原刀具合理，碎土性能增加了，功耗幅寬比減小了。

2020年，肖雄等［21］利用通過驗證合理的粉壟刀具作業系統動力學仿真模型開展粉壟作業仿真，分析粉壟刀具的受力情況，得出粉壟刀具的螺旋葉片和刀片在高度平面上的不對稱性，和作業時使土壤耕深不均勻的參數存在差異、約束作用不一，導致刀具激振力力幅增大，是造成粉壟刀具作業時振動大的原因。新設計的雙螺旋粉壟刀具作業時，切土阻力和扭矩變化小，其力幅和力矩幅較原粉壟耕作刀具減小幅度較多，能有效減小粉壟刀具作業的振動。

3 結語

上述的研究表明，目前國內粉壟技術主要以廣西甘蔗地粉壟耕作相關農學的試驗研究為主，從甘蔗品種和耕作方式對甘蔗的生長情況、甘蔗產量、蔗地土壤特性進行分析對比。采用粉壟耕作的甘蔗種植相較于傳統常規拖拉機旋耕耕作，甘蔗單莖質量增加，甘蔗產量及品質有明顯提高；同時，粉壟耕作相對常規機耕，對甘蔗地土壤能實現深耕深松，不破壞土壤層的保肥蓄水能力，增加甘蔗根系生物量和產量，提高甘蔗品質。

現階段甘蔗地粉壟機械的研究較少，韋本輝發明了首臺粉壟機，國內的粉壟機械研究主要集中在廣西本地農機制造企業及大學等研發單位，而廣西甘蔗地主要為黏壤土，粉壟機在甘蔗地作業耕作阻力大，前進速度低，功耗大，表層土塊大，振動大，刀具磨損嚴重，一次粉壟含蔗蔸的蔗地根土破碎度低。嚴重影響了粉壟機在廣西甘蔗地的大范圍推廣應用。研究適合廣西甘蔗地作業的粉壟耕作機械是未來廣西甘蔗地粉壟研究的重點。