稻田綠肥種植開溝裝置的研發(fā)和應(yīng)用

黃建余，廖育林，孫玉桃，張江林，高雅潔，魯艷紅

（1. 沅江市草尾鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，湖南 沅江 413108；2. 湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙 410125；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部湖南耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，湖南 長沙 410125）

在南方水田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，種植和利用冬季綠肥是提升土壤肥力、減少化肥用量、保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施[1-2]。綠肥作物紫云英、苕子等性喜濕潤土壤，忌田間積水[3]。種植過程中正確處理好生長前期種子出苗需水、出苗后生長怕漬的這個矛盾，是冬季綠肥作物取得高產(chǎn)的關(guān)鍵[4]。因此，田間開溝排水降低地下水位是稻田紫云英栽培的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保證紫云英出苗率、提高紫云英產(chǎn)量和土壤肥力的重要保證[5]。但是目前的生產(chǎn)技術(shù)中，主要依靠人工開溝或機(jī)械裝置開溝，存在生產(chǎn)效率不高、開溝質(zhì)量不佳、需要多次清溝等問題[6]。因此，項(xiàng)目組針對目前輪作倒茬的稻田綠肥生產(chǎn)開溝排漬存在的技術(shù)不足，優(yōu)化改進(jìn)了稻田機(jī)械開溝裝置，改進(jìn)后的裝置具有排水溝成型好、土塊細(xì)碎、撒土均勻、土壤覆蓋厚度以及拋土幅寬適宜等特點(diǎn)，有效解決了稻田綠肥種植高效高質(zhì)開溝排漬的問題。

1 傳統(tǒng)人工開溝及常用機(jī)械開溝裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，稻田開溝方式大體上分為人工開溝和機(jī)械開溝2 種[7]。人工開溝，即采用人力為主、鐵鍬等工具為輔的方式在綠肥紫云英播種前進(jìn)行開溝，晚稻移栽前預(yù)留開溝，中耕時挖出豐產(chǎn)溝，綠肥紫云英播種前加深豐產(chǎn)溝，增開圍溝，做到溝灌、溝排，不漬水、不爛泥；晚稻收獲后，再修補(bǔ)主溝和圍溝，保障紫云英播種期不漬水[5]。機(jī)械開溝，即采用機(jī)械裝置進(jìn)行開溝，目前稻田綠肥種植開溝機(jī)主要有手扶拖拉機(jī)開溝機(jī)、單圓盤開溝機(jī)、雙圓盤開溝機(jī)、旋耕開溝機(jī)和播種開溝一體機(jī)等類型[8-12]。手扶拖拉機(jī)開溝深度一般為10～20 cm，配套動力≥11.19 kW，具有結(jié)構(gòu)簡單、適合丘陵地區(qū)小田塊開溝作業(yè)的特點(diǎn)；單圓盤開溝機(jī)比手扶式拖拉機(jī)更能適應(yīng)濕度較大、秸稈多的田塊，一般開溝深度為25～30 cm，開溝寬度為20～25 cm，配套動力≥29.83 kW，該裝備具有溝型規(guī)整、可開窄溝等優(yōu)點(diǎn)；雙圓盤開溝機(jī)開溝深度達(dá)25～30 cm，開溝寬度為20～30 cm，配套動力≥29.83 kW，開溝作業(yè)田塊比單圓盤開溝機(jī)的適應(yīng)性更高，具有溝型規(guī)整、拋土均勻的特點(diǎn)；一體式旋耕開溝機(jī)開溝深度為20～25 cm，開溝寬度為20～30 cm，配套動力≥44.74 kW，可在水分更低、秸稈多的田塊上作業(yè)，開溝墊條（即機(jī)械上附著的小土塊）易清理[8-12]。

人工開溝的缺點(diǎn)是費(fèi)時費(fèi)力，開溝效率低，開溝質(zhì)量不高，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營越來越普及和機(jī)械化程度越來越高的趨勢下，人工開溝方式將逐漸被淘汰。現(xiàn)有的機(jī)械開溝裝置中，手扶拖拉機(jī)開溝的缺點(diǎn)為開溝方向和深度難以控制，效率低，操作勞動強(qiáng)度大，且在濕度大的田塊開溝效果較差；圓盤開溝裝置存在溝形較窄、拋土不均，溝形不穩(wěn)等不足；旋耕開溝機(jī)和播種開溝一體機(jī)開溝裝置雖可高效完成開溝作業(yè)，但是存在開溝拋土塊大、撒土不均、覆土厚度及拋土幅寬不適宜等缺點(diǎn)[8-12]。

2 稻田綠肥種植開溝裝置的改進(jìn)

針對人工挖溝效率低且溝形不穩(wěn)，而傳統(tǒng)機(jī)械開溝裝置雖易造成溝但兩側(cè)土塊大、泥土堆積成垅、溝形不穩(wěn)、需要多次清溝等缺點(diǎn)，項(xiàng)目組對與旋耕機(jī)、拖拉機(jī)等配套的碎土拋撒開溝機(jī)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的稻田綠肥種植開溝裝置結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。改進(jìn)后的稻田綠肥種植開溝裝置主要包括傳動軸1、旋耕刀盤總成2 和導(dǎo)流板3，傳動軸固定在旋耕機(jī)動力輸出軸上，旋耕刀盤總成通過刀盤軸6 固定在傳動軸上，刀盤軸半徑r1=170 mm，旋耕刀盤總成的回轉(zhuǎn)半徑r2=320 mm。旋耕刀盤總成包括第一彎刀盤7、第二彎刀盤8 和切壁直刀盤9；第一彎刀盤包括多個沿傳動軸中心對稱布設(shè)的、具有直線刃口的第一直角彎刀10，且相鄰第一直角彎刀的刀尾彎曲方向相反，相鄰第一直角彎刀間隔30°布設(shè)；第二彎刀盤包括6 把沿傳動軸中心對稱布設(shè)的、具有直線刃口的第二直角彎刀（12），且刀尾朝切壁直刀盤彎曲設(shè)置；切壁直刀盤包括2 把直刀；第一直角彎刀、第二直角彎刀和直刀通過螺栓固定在耕刀座11 上，第一彎刀盤和第二彎刀盤錯開布設(shè)；耕刀座焊接在刀盤軸上構(gòu)成第一彎刀盤和第二彎刀盤；旋耕刀盤總成的后側(cè)固定有寬度與旋耕刀盤總成相匹配的導(dǎo)流板；導(dǎo)流板為蝶形分土導(dǎo)流板，由兩塊1/4 圓弧形板呈V 型排布而成，V 內(nèi)角度為120°，圓弧形板的弧度與旋耕刀盤總成的弧度相匹配，展開呈蝶形雙翼，雙翼展開間距為400 mm，下沿連接平行于地面并與刀盤軸等高的回土板4，底端沿旋耕刀盤總成方向延伸設(shè)置有彎曲的、與旋耕刀盤總成相鄰、呈扁平狀且與旋耕刀盤總成等寬的刮土板5，旋耕刀盤總成與刮土板之間最短距離為10 mm，刮土板通過螺栓安裝在蝶形分土板上便于拆卸刮土板控制開溝寬窄，刮土板底端與旋耕刀盤總成持平。蝶形分土導(dǎo)流板頂部設(shè)置有2～3 個螺紋孔來連接機(jī)架。

圖1 稻田綠肥種植開溝裝置的立體圖

如圖2～3 所示，旋耕刀盤總成由若干旋耕刀盤組成，沿軸向看第一彎刀盤、第二彎刀盤和切壁直刀盤呈“*”字型排列，第一彎刀盤、第二彎刀盤和切壁直刀盤的直徑一致，相鄰刀盤間距為彎刀刀尾的寬度；所述第一彎刀盤、第二彎刀盤和切壁直刀盤的彎刀刀尾均朝外安裝，第一彎刀盤的彎刀刀尾為交錯對稱混合安裝。

圖2 稻田綠肥種植開溝裝置的俯視圖

如圖3～5 所示，第一直角彎刀和第二直角彎刀均為旋耕刀，旋耕刀分為直刀和直角彎刀，直角彎刀為旋耕拋土寬翼彎刀，拋土寬翼彎刀為具有直線刃口的直角彎刀，其刀輥回轉(zhuǎn)半徑R1、R2、R3 分別為355、365 和275 mm，螺栓孔徑A1 為12 mm，正切刃為三維曲面，其中正切面彎折半徑R4 為150 mm，翼彎刀弧度（β）為130°，工藝簡單，不纏草，不裹土，翼寬拋土高效。

圖3 稻田綠肥種植開溝裝置的主視圖

圖4 稻田綠肥種植開溝裝置寬翼彎刀的結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 稻田綠肥種植開溝裝置寬翼彎刀的俯視圖

3 改進(jìn)后稻田綠肥種植開溝裝置的使用效果

在長沙縣高橋鎮(zhèn)湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)城對改進(jìn)后的稻田綠肥種植開溝裝置進(jìn)行測試。試驗(yàn)田面積約53.3 hm2，為紫云英直播田，紫云英苗高1～3 cm，前茬作物均為水稻，基本情況如表1 所示。

表1 試驗(yàn)地基本情況

開溝前由于基地下雨導(dǎo)致部分水田積水，因此選擇履帶式旋耕機(jī)安裝改進(jìn)后的稻田開溝裝置。旋耕機(jī)工作速度為25 km/h 左右，刀盤轉(zhuǎn)速控制在350 r/min，每隔10 m 左右開一條直溝，使紫云英田形成“井”字形溝系。開溝后分別測量各測試地隨機(jī)選取5 個點(diǎn)測量拋土幅寬、覆土厚度以及拋土均勻性，結(jié)果如表2 所示，該裝置所開溝溝底干凈、整潔，土方皆能隨刀盤拋向溝兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)土壤有效重疊、均勻覆土，對紫云英幼苗影響小，從整體效果來看能夠滿足紫云英等倒茬作物的生長。

表2 開溝分土作業(yè)性能評價

4 結(jié)論和討論

開溝是紫云英栽培的重要環(huán)節(jié)之一，其主要目的是排除漬水、增強(qiáng)土壤通透性、促進(jìn)紫云英植株的生長。針對目前紫云英種植開溝環(huán)節(jié)獨(dú)立作業(yè)時存在的作業(yè)質(zhì)量不高、生產(chǎn)效率低等問題，通過對稻田機(jī)械開溝裝置的優(yōu)化改進(jìn)，研制出了適用于機(jī)收水稻留茬地紫云英種植的開溝機(jī)，該裝置可通過變換傳動軸的型號與旋耕機(jī)、拖拉機(jī)、收割機(jī)等進(jìn)行連接，匹配機(jī)型更廣，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價較高。

改進(jìn)后的稻田綠肥種植開溝裝置（專利號：ZL 201921963021.8）開溝深度為20～25 cm，開溝寬度為20～30 cm，配套動力≥40 kW，在開溝過程中能將泥土均勻拋向溝的兩邊，作業(yè)效率可達(dá)1 hm2/h，顯著優(yōu)于其他開溝方式；而且該裝置可在地勢不均勻、水分低以及秸稈較多的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多場景作業(yè)，具有開溝墊條易清理、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作穩(wěn)定可靠、安裝維護(hù)方便、工作效率高和可防止碎料堵塞等優(yōu)點(diǎn)，為綠肥的高產(chǎn)栽培提供了有力保障。但該裝置還存在以下不足：（1）要通過控制機(jī)械速度來適應(yīng)田塊的軟硬程度；（2）因機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，緊靠田坎處無法開溝，一般在離田坎1 m 左右處開第一溝，再根據(jù)農(nóng)藝及排水要求，選擇合適的幅寬依次逐條開溝；（3）當(dāng)機(jī)具需要進(jìn)行田間轉(zhuǎn)移或者轉(zhuǎn)彎半徑較小時，需切斷開溝機(jī)旋轉(zhuǎn)動力，使刀尖離地面15 cm 以上，進(jìn)行低速安全轉(zhuǎn)移。基于這些不足，遙控、無人駕駛等智能化小型開溝裝置將成為后期研發(fā)的重要方向。