不同鎮壓強度對燕麥生長特性的影響

盧 琦， 王 璐， 劉 蕓， 李麗紅， 劉立晶， 鄭德聰

（1. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083； 2. 山西農業大學農業工程學院，山西 晉中 030801）

0 引言

燕麥屬于禾本科燕麥屬一年生草本植物，是一種糧飼兼用型作物，具有豐富的營養價值和保健價值[1-5]。近年來，隨著“糧改飼”等農業供給側結構性改革的推進，以及人們生活水平的提高和科學膳食觀念的普及，我國燕麥市場需求增大，種植面積呈逐年增加的趨勢[6]。但目前還沒有專用的燕麥播種機，導致機械化播種質量不高，需進行深入研究。

鎮壓作為機械化播種的主要環節之一，主要作用是對播種過程中的覆土環節進行壓密，鎮壓強度的大小直接影響播種機鎮壓效果。在旱作條件下，合理的鎮壓可以起到節水保墑的作用，提高發芽率和出苗率；鎮壓強度過大，會造成土壤板結，土壤團粒結構發生變化，透氣性變差；鎮壓不均勻則導致種子播種深度不一致，影響種子的出苗率，進而影響作物產量[7-9]。李曉靜等[10]為探索鎮壓處理的作用，研究了播后鎮壓對小麥生長發育特性和產量的影響，探索增加小麥產量的農藝措施，研究結果表明鎮壓處理可起到增產增收的作用。黨紅凱等[11]為明確造墑和播后鎮壓對小麥冬前耗水和群體與個體特征及產量的影響，為確定播后鎮壓技術和提高小麥水分利用效率提供依據，開展了田間試驗，試驗結果表明墑情適宜是小麥播后鎮壓的基礎，鎮壓又是提墑壯苗的保障；河北地區小麥播種后采用95 kg/m 鎮壓器便于田間操作且鎮壓效果較好。張榮亭等[12]分析了不同鎮壓方式對冬小麥產量影響的差異性，鎮壓有利于小麥增產增收，播前鎮壓增產效果更為顯著。崔正果等[13]研究了在玉米秸稈全量粉碎耕翻還田條件下播種深度與鎮壓強度對玉米出苗率的影響。綜上所述，目前在鎮壓處理對作物的農藝學特性影響研究方面僅限于玉米、小麥等主要糧食作物，對于不同鎮壓處理對燕麥生長特性的影響研究還比較少，有必要開展試驗研究。

本研究通過設計鎮壓試驗裝置，研究不同鎮壓強度條件對燕麥的出苗率、苗期根莖葉干物質積累量、產量等農藝學特性的影響，確定燕麥生長最佳的鎮壓強度，以期為燕麥專用播種機鎮壓裝置的設計提供參考。

1 鎮壓機理分析

1.1 鎮壓試驗裝置設計

為了探究鎮壓對燕麥生長的影響，消除播種機其他部件的影響，設計了一種鎮壓試驗裝置，如圖1 所示。試驗裝置主要由配重箱、鎮壓輪、手柄推桿等組成。試驗時，操作人員通過手柄推桿驅動整個試驗裝置向前行進，運動過程中配重箱始終保持垂直，可通過改變配重箱中不同的配重來改變鎮壓強度的大小，實現試驗要求。

圖1 鎮壓試驗裝置Fig. 1 Suppression test device

鎮壓輪選擇播種機上最常見的平面輪型式，結構尺寸如圖2a 所示，平面鎮壓輪寬度B為150 mm，外徑D為350 mm。試驗時采用尼龍棒（PA66）加工而成，實物如圖2b 所示。

圖2 鎮壓輪結構Fig. 2 Structure of pressing wheel

1.2 鎮壓強度確定

為探究土壤所受鎮壓強度的大小，需對鎮壓裝置進行受力分析，如圖3 所示。圖中F為操作人員通過手柄推桿驅動鎮壓輪向前運動施加的外力，N；R為鎮壓輪受土壤的反作用力，N；β為作用力與垂直方向夾角；Rx、Rz分別表示鎮壓輪受土壤反作用力的水平方向分力和垂直方向分力，N；Q為鎮壓輪所受的下壓力，方向垂直向下，為重力載荷，由質量與重力加速度之積表示，N；Z0為鎮壓輪的最大沉陷量，cm；Z為某一時刻土壤的沉陷量，cm。

圖3 鎮壓輪受力分析Fig. 3 Force analysis of suppression wheel

在垂直方向上，土壤對鎮壓輪的反作用力在垂直方向的分力Rz與鎮壓輪所受的下壓力Q互為作用力與反作用力，二者大小相等，方向相反。根據受力分析可知

式中p——深度Z處的土壤抗壓強度，kPa

B-鎮壓輪寬度，mm

x——單位土壤作用力作用點與鎮壓輪圓心間的距離，mm

由Bekker 經驗公式確定土壤抗壓強度p與下陷量Z0關系方程為[14]

式中K——土壤特性參數，N/cm2

kc——與土壤內聚力有關的系數

kφ——與土壤摩擦力有關的系數

n——沉陷指數

由式（1）、式（2）和式（3）化簡，并略去高次項可得[14]

為了方便計算，非剛性路面承受載荷，當輪子的下陷量不大時，下陷量的計算可簡化為[15-16]

式中 α0—與土壤性質有關的參數α0=1.01，計算可得K=5.100 5 N/cm2。

對剛松過土的黏土土壤來說，土壤特性相關參數取

1.3 鎮壓輪接地面積確定

對于剛性輪在非剛性路面上行走時，其接地面積可視為矩形，面積可由剛性輪寬度與徑向接觸弧長之積表示[15]。鎮壓輪接觸地面情況如圖4 所示。

圖4 鎮壓輪接地情況Fig. 4 Contact between suppression wheel and ground

式中S——平面輪接地面積，cm2

β——接觸角，（°）

lAB——平面輪與地面接觸弧長，cm

化簡式（7）可得

1.4 鎮壓強度與鎮壓輪下陷量的關系

忽略鎮壓輪下土壤向兩側流動，則接地面上邊緣和中心部位的土壤被同等程度地壓緊，這樣鎮壓輪對地面的垂直作用力可以近似認為是在矩形面上的均勻分布[16]。鎮壓輪對土壤的壓強為ρ，則

式中 ρ——平面輪對土壤的壓強，kPa

鎮壓輪對土壤的壓強主要根據土壤的性質、水分、密度和作物的要求而定，根據農藝要求，一般為30～50 kPa[17]。為了探究燕麥生長最優的鎮壓強度值，適當擴展鎮壓強度取值范圍，并做對照組試驗，取鎮壓強度ρ分別為0、15、30、45、60 和75 kPa。將K=5.100 5，D=350 mm，B=150 mm 分別帶入公式計算，可得鎮壓輪的下陷量Z0。

2 試驗設計

2.1 試驗條件

試驗于2021 年3 月25 日至7 月22 日在晉中市太谷區山西農業大學申奉試驗田進行。試驗土壤為黏質土，試驗前經測試土壤容積密度為1.27 g/cm3，0～20 cm 土壤平均含水率為19.6%。土壤pH 值為7.3，有機質質量分 數為1.59%， 堿 解 氮 為103.6 mg/kg， 速 效 磷 為23.7 mg/kg，速效鉀為141.0 mg/kg，前茬作物為蕎麥。

試驗設備包括泰鴻404 型拖拉機、1GKN-200 型旋耕機、V 型鎮壓器、電子秤、鋼板尺、鋁盒、干燥箱、鐵鍬、5TG-85 型脫粒機、簸箕及清選篩等。

2.2 試驗方案

以鎮壓強度0、15、30、45、60 和75 kPa 為因素，以燕麥出苗率、苗期干物質積累量、產量為評價指標，開展單因素試驗。其中鎮壓強度為0 時為對照組，每組重復3 次。

2.3 田間試驗

2.3.1 試驗地預處理

試驗地經1GKN-200 型旋耕機旋耕后，表層土壤較虛，播種前用V 型鎮壓器進行鎮壓作業，保證地表平整、土質細碎，播前鎮壓作業如圖5 所示。

圖5 播前鎮壓Fig. 5 Suppression before sowing

2.3.2 配重與鎮壓輪下陷量標定試驗

根據式（5）和式（9）可知，鎮壓輪最大沉陷量Z0與鎮壓輪所受下壓力Q正相關，假設鎮壓輪所受下壓力Q全部來源于試驗配重G（包含鎮壓裝置自身質量），田間試驗時通過改變配重來改變鎮壓輪所受下壓力Q的大小，進而改變鎮壓強度ρ和鎮壓輪下陷量Z0。為了試驗的可操作性，需求解不同鎮壓強度時所加配重的大小，因此研究配重G與下陷量Z0的關系是有必要的，需對鎮壓輪進行下陷量標定試驗。假定同一土壤條件和同一配重下，試驗過程中操作人員施加的F值和標定過程的值相等。標定時，通過電子秤稱量配重G，用卷尺測量鎮壓輪下陷量Z0。為增加標定曲線的準確性，標定過程每增加10 kg 測一次土壤下陷量，測量5 次求平均值。標定過程鎮壓輪盡可能保持勻速運動，每次行走距離不小于3 m。

通過Excel 軟件擬合工具得到土壤下陷量Z0和配重G的曲線如圖6 所示，擬合出來的二次方程如式（10），R2達0.997 9，擬合效果好。

圖6 標定曲線Fig. 6 Calibration curve

基于擬合函數關系將Z0取值分別帶入式（10）中，可以求解到不同鎮壓強度下鎮壓試驗時所加配重G的大小，如表1 所示。

表1 計算結果Tab. 1 Calculation result

2.3.3 播種試驗

播種試驗選用小區播種方式，小區面積為2 m×5 m=10 m2，為方便數據采集，小區與小區之間長度方向間隔1 m。選用燕麥品種為品燕4 號，測得種子平均含水率為9.46%，平均千粒質量為25 g。根據燕麥農藝要求，每個小區播6 行，播種量按150 kg/hm2計算，播種數為500 粒/行。為保證出苗率試驗數據準確且減少工作量，每小區選用2 行按500 粒/行播種，其他行按150 kg/hm2計算種子量播種。播種時，采用機械開溝作業，通過調整開溝器的深度來控制播種深度；播種后按試驗設計方案進行鎮壓。

3 結果與分析

3.1.1 出苗率測定

自燕麥播種15 d 后，開始統計各試驗小區燕麥出苗數據，每隔2 d 同一時間記錄1 次出苗率，當出苗率連續3 次統計沒有增加時為止，視為出苗結束，最終的出苗率作為該播種小區試驗最終評價數據，數值取3 組重復試驗的平均值。出苗率按式（11）計算。

3.1 試驗測定方法及結果

試驗結果如圖7 和表2 所示。

圖7 出苗率隨時間的變化曲線Fig. 7 Variation curve of emergence rate with time

3.1.2 苗期干物質量測定

在燕麥苗期，采用5 點法取各小區內生長的整株燕麥5 簇，為保證燕麥根系的完整，取樣時連帶土壤一同鏟起。將帶土的整株燕麥用水沖洗干凈后，同一試驗處理隨機取5 組燕麥植株，每組10 株，用剪刀進行根、莖葉分離后，將根和莖葉分別進行烘干，記錄根的干物質量和莖葉的干物質量，取平均值為該試驗處理的評價數據。試驗過程如圖8 所示，試驗結果如表2 所示。

圖8 試驗過程Fig. 8 Test process

3.1.3 產量測定

首先按照小區的順序依次進行收割，并做好標記，采用人工收割的辦法，將小區內的燕麥植株割倒、成捆、運輸到山西農業大學農業工程學院實驗室內，用5TG-85 型脫粒機進行脫粒，人工清選得到干凈的燕麥籽粒后，進行稱質量并計算產量，采用烘干法測量收獲后的燕麥籽粒含水率為15.42%。測定過程如圖9 所示，測定結果如表2 所示。

圖9 產量測定Fig. 9 Yield determination

表2 試驗結果Tab. 2 Test results

3.2 結果分析

3.2.1 燕麥出苗率

由圖10 可知，從出苗率變化趨勢來看，出苗率隨鎮壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.908 1，鎮壓強度過大或者過小都會影響燕麥的出苗率。適當的鎮壓強度可以壓密土壤，使得土壤與燕麥種子充分接觸，加之鎮壓作業具有蓄水保墑的作用，促使種子更好地發芽，使得出苗率升高；但當鎮壓強度過大時，會造成土壤堅實度增大，土壤板結，燕麥種子出苗阻力增大，種子出苗所需頂土力變大，造成出苗困難。當鎮壓強度為45 kPa 時，燕麥的出苗率最高，為78.33%；當鎮壓強度為0 時，燕麥的出苗率最低，為60.21%，出苗率從高到低鎮壓強度依次為45、60、30、15、75 和0 kPa；與不鎮壓對比，當鎮壓強度為45 kPa 時，出苗率可增加30.09%。從出苗時間來看，出苗從早到晚鎮壓強度依次為45、60、30、15、75 和0 kPa。從苗情群體分析和整體鎮壓效果來說，鎮壓強度為ρ=30～60 kPa 時，燕麥的出苗率較高，有利于種子發芽。

圖10 出苗率隨鎮壓強度的變化曲線Fig. 10 Variation curve of emergence rate with suppression intensity

3.2.2 燕麥苗期干物質積累量

（1）不同鎮壓強度對燕麥苗期根干物質積累量的影響。

由圖11 可知，燕麥苗期根干物質積累量隨鎮壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.908 2。這是因為，適宜的鎮壓作業使種子更好地與土壤接觸，可以給種子提供充分的營養物質和土壤環境，有利于根的生長發育。鎮壓強度過大時，土壤孔隙度減小，種子根部生長受阻，干物質積累量減小。整體來看，在試驗范圍內，鎮壓后燕麥苗期根的發育要比不鎮壓發育的好，不鎮壓時，苗期根干物質積累量最低，為0.066 g/株；當鎮壓強度為45 kPa 時，苗期根干物質積累量最高，為0.088 g/株，相比不鎮壓時增加33.33%。

圖11 根干物質積累量隨鎮壓強度的變化曲線Fig. 11 Variation curve of root dry matter accumulation with suppression intensity

（2）不同鎮壓強度對燕麥苗期莖葉干物質積累量的影響。

由圖12 可知，燕麥苗期莖葉干物質積累量隨鎮壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.950 3。適宜的鎮壓強度可為燕麥生長發育提供良好的土壤環境，促進燕麥的生長，燕麥易形成壯苗，當鎮壓強度過大時，土壤過于密實，不利于種子出苗和扎根，燕麥種子在破土過程中消耗大量的養分，也會使得種子出苗后表現較為纖細，苗期干物質量積累量減少。整體來看，在試驗范圍內，鎮壓后燕麥苗期莖葉干物質積累量比不鎮壓時好，即鎮壓處理有利于燕麥苗期的發育。不鎮壓時，苗期莖葉干物質積累量最低，為0.412 g/株；當鎮壓強度為45 kPa 時，苗期莖葉干物質積累量最高，為0.546 g/株，相比不鎮壓時增加32.52%。

圖12 莖葉干物質積累量隨鎮壓強度的變化曲線Fig. 12 Variation curve of dry matter accumulation of stems and leaves with suppression intensity

3.2.3 不同鎮壓強度對燕麥產量的影響

由圖13 可知，燕麥產量隨鎮壓強度增大先增大后減小，通過Excel 擬合，變化趨勢呈二次曲線，R2=0.961。當鎮壓強度為0 時，燕麥產量最低，為2 145.45 kg/hm2；當鎮壓強度為45 kPa 時，燕麥產量最高，為2 501.25 kg/hm2，相比不鎮壓時增產16.58%。當鎮壓強度分別為15、30、60 和75 kPa 時，燕麥產量分別為2 253.9、2 375.7、2 404.65 和2 178.15 kg/hm2，相比不鎮壓時分別增產5.05%、10.73%、12.08%和1.52%。適宜的鎮壓強度可促進燕麥生長，促進燕麥增產，這為旱作燕麥的高產栽培技術和高效機械化生產技術提供了依據和參考。

圖13 產量隨鎮壓強度的變化曲線Fig. 13 Variation curve of yield with suppression intensity

4 結論

（1）設計了一種鎮壓強度可調的鎮壓裝置，分析了鎮壓輪與土壤的相互作用，通過理論計算和田間標定試驗，得出了0、15、30、60 和75 kPa 不同鎮壓強度條件下鎮壓試驗所加配重質量分別為0、6.28、15.95、33.42、61.89 和111.64 kg。

（2）不同鎮壓強度影響燕麥的出苗、苗期生長發育及產量，適宜的鎮壓強度有助于燕麥生長，當鎮壓強度為45 kPa 時，燕麥生長發育情況表現最佳，燕麥出苗率、苗期根干物質積累量、莖葉干物質積累量、產量分別為78.33%、0.088 g/株、0.546 g/株、2 501.25 kg/hm2，相比不鎮壓時，分別增加了30.09%、33.33%、32.52%、16.58%。