電驅排種施肥免耕播種機保護性耕作效果試驗

沈卓群,孫繼東,董向輝,安鶴峰

(遼寧省農業機械化研究所,沈陽 110161)

0 引言

為實現黑土地保護,促進農業可持續發展,我國積極推廣保護性耕作技術,通過秸稈覆蓋及免、少耕技術,達到蓄水保墑、培肥地力和節本增效的效果[1]。針對保護性耕作技術要求,應用自主設計的氣吸式免耕播種機進行了田間試驗。試驗時,氣吸式排種器和外槽輪式排肥器均采用獨立的電機驅動,由控制系統控制播種間距和施肥量,排肥開溝器前方設置主動式缺口圓盤刀用于切開留茬和秸稈,防止機具堵塞。試驗測算控制系統電驅動排種間距調節誤差、播種間距、播種深度和種肥間距合格率,監測作物出苗情況和產量,從而驗證免耕播種機進行保護性耕作的效果,旨在為機具改進設計、推廣實施保護性耕作技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

在播種試驗臺測試機具的運行效果,測算排種器與排肥器驅動電機轉速與地輪轉速比例系數。測試時,對控制系統進行調試,使機具以不同速度行進時,播種間距自動保持與輸入的目標距離一致。田間試驗在沈陽市沈北新區孟家屯村進行,項目實施前未動土,地表秸稈全量覆蓋高留茬還田,計算播種間距、播種深度和種肥間距合格率,且跟蹤監測試驗地塊出苗率和單位產量[2]。

1.2 試驗方法

1.2.1 播種間距自動控制系統調試

在試驗臺對自主設計的氣吸式電驅動排種施肥免耕播種機進行播種試驗,觀察播種效果和機具的運行效果,并檢驗播種、施肥深度和間距是否滿足要求;查看氣吸式排種器氣吸效果,是否有漏播情況;調節控制系統,使其正常運轉,測量并計算排種器與排肥器驅動電機轉速與地輪轉速比例關系。

免耕播種機采用氣吸式排種器和外槽輪式排肥器,排種器和排肥器均由獨立的電機驅動,驅動軸端安裝編碼器。其中,播種機地輪上安裝角度傳感器,控制系統接收排種器與排肥器驅動電機轉速和地輪轉速信號,根據作業速度控制排種器和排肥器電機轉速,使牽引機具以不同速度行進時,播種間距和排肥量保持始終與在控制盒上輸入的數值一致。排種器驅動電機與地輪的轉速比系數計算公式為

(1)

式中K—排種器與地輪轉速比系數;

Xr—目標距離(mm);

k—排種盤孔數;

D—地輪直徑(mm)。

1.2.2 試驗地塊土壤成分與殘茬覆蓋量監測

田間試驗在沈陽市沈北新區孟家屯村進行,位于北緯N:41°59′45.53" 東經E:123°31′57.12",項目實施前未動土,土質疏松、土層深厚,地表秸稈全量覆蓋高留茬還田。

播種前,對試驗地塊進行土壤成分監測,測量土壤溫度和含水率,采用五點取樣法采集0～10、10～20、20～30cm深土樣,帶回實驗室烘干,測定土壤容重。取采土樣點附近1m2內的秸稈與留茬,稱重并測量含水率;使用GPS測量儀對試驗地塊范圍和采樣點進行定位。檢測得到試驗地塊春季播種前土壤平均含水量23.54%,地表溫度13℃,土壤緊實度616.13 kPa,土壤容重2.0g/cm3,pH5.5,全氮含量0.122%,水解性氮154.8mg/kg,有效磷含量36.3mg/kg,速效鉀含量296.6mg/kg,平均1m2內殘茬量1.675kg,秸稈含水率28.47%。

1.2.3 免耕播種機性能試驗

田間試驗采用高留茬秸稈全量覆蓋還田免耕播種技術模式,春季播種前不進行任何整地作業;當地表下深5～10cm、土壤溫度為10℃以上、含水率為10%～25%時播種,播種作業要求播種深度3～5cm,種肥間距5cm以上[3]。試驗使用玉米種子為東單1331,設定株距250mm,行距580mm;肥料采用高濃度純硫酸鉀型復混肥料,總養分≥45%,施肥量設定為30kg/667m2。

1)播種機田間通過性能測試。針對高留茬秸稈全量覆蓋還田免耕播種技術模式,免耕播種機排肥開溝器前方安裝了主動式缺口圓盤刀,由拖拉機輸出軸連接減速器驅動旋轉,用于切開擋在開溝器前的留茬和秸稈;排肥開溝器設計為帶缺口和刀刃的圓盤,為從動輪,與土壤摩擦轉動,防止排肥口堵塞。試驗時,拖拉機牽引免耕播種機以約2m/s速度對整個試驗地塊進行播種,觀察免耕播種機的切茬和防堵塞性能情況。免耕播種機田間試驗情況如圖1所示。

圖1 田間試驗Fig.1 Field experiment

2)播種間距合格率測試。作業過程中,對免耕播種機進行不同作業速度播種間距自動控制效果試驗,拖拉機先后分別以1、2、3m/s速度各行進50m,作業完成后,分別測量3種作業速度下連續10m播種間距。測量結果如表1所示。

表1 田間播種間距測量數據Table 1 Measurement data of field sowing spacing

3種速度下平均播種間距分別為247.32、239.48、246.15mm。免耕播種機各性能指數計算公式為

(2)

(3)

(4)

N′=n2+2n3+3n4+4n5

(5)

其中,n1=∑ni,Xi∈(0,0.5];n2=∑ni,Xi∈(0.5,1.5];n3=∑ni,Xi(1.5,2.5];n4=∑ni,Xi∈(2.5,3.5];n5=∑ni,Xi∈(3.5,+∞)。

(6)

式中A—合格指數(%);

D—重播指數(%);

L—漏播指數(%);

N′—區間數;

ni—區段內種間距數;

Xi—區段變量參數;

xi—區段中值(mm);

Xr—輸入的目標距離(mm)。

電驅動排種控制系統播種間距調節誤差按照下式計算,即

(7)

式中P—播種間距調節誤差;

X—各個測得種間距(mm);

Xr—輸入目標距離(mm);

N—測量種間距次數。

合格種間距變異系數按照下式計算,即

(8)

(9)

式中C—合格種間距變異系數;

ni—區段內種間距數;

各區段參數計算結果如表2所示。

表2 各區段參數計算結果Table 2 Calculation results of parameters of each section

續表2

3)播種深度與種肥間距合格率測試。免耕播種機作業時,調節播種深度為5cm、施肥深度為9cm,免耕播種機排肥口與排種口水平方向距離為5cm,分別測量3種速度下各10個點的播種深度和種肥間距;使用刮板刮去種子和附近化肥上方土壤,分別測量種子距地表垂直距離和種肥間距,測量結果如表3所示。

表3 播種深度與種肥間距測量數據Table 3 Measurement data of sowing depth and seed-fertilizer distance mm

1.2.4 出苗率與產量監測

1)出苗率監測。按照保護性耕作技術模式要求進行田間管理,噴除草劑,觀察出苗情況。在試驗地塊隨機選取5行,使用GPS測量儀采點并記錄每行50m長度內株數,根據播種間距計算實際出苗率。試驗地塊出苗情況如圖2所示。

圖2 試驗地塊出苗情況Fig.2 Emergence of experimental field plot

2)產量監測。隨機選取5次相鄰2行10m長作為樣點,計算平均株距,收獲樣點內全部玉米果穗。測量行距,計算樣點面積。計數樣點內果穗數目,稱量樣點內收獲的鮮玉米穗總質量。按平均穗重法取5個果穗作為標準樣本,脫粒后稱粒重計算玉米出籽率,使用谷物水分速測儀測定玉米籽粒含水率,玉米產量計算公式如下,即

(10)

式中Y—平均單位產量(kg/667m2);

W—樣點內玉米鮮穗總質量(kg);

E—出籽率(%);

M—玉米籽粒含水率(%);

S—樣點面積(m2)。

2 結果與分析

2.1 免耕播種機機具性能

1)通過性能。作業時缺口圓盤刀探進地表并轉動,有效切開并打散留茬與秸稈,缺口圓盤刀與排肥開溝器兩外圓周間距離很小,能夠有效切斷擋在開溝器前的留茬與秸稈,防止堵塞;除少量的秸稈碎片短時間掛在開溝器上并自行掉落,沒有發生秸稈纏繞、堵塞現象,能夠正常行走作業,順利將種子和化肥施播在溝底,并鎮壓覆土嚴實。

2)播種間距、播種深度與種肥間距合格率。根據測量與計算結果,試驗播種間距合格指數A為97.48%,重播指數D為1.68%,漏播指數L為0.84%,合格種間距變異系數為5.32%,目標距離250mm時,滿足合格指數≥80%、重播指數≤15%、漏播指數≤8%、合格種間距變異系數≤30%的要求?？刂葡到y根據地輪上傳感器信號,自動調節排種器與排肥器驅動電機轉速,使播種機在不同作業速度下,能夠自動保持目標播種間距。計算得到系統的播種間距調節誤差為2.27%,滿足電驅動排種控制系統播種間距調節誤差≤5%的要求。根據農藝要求,播種深度h≥3cm時,h±1cm為合格,種肥間距3～5cm為合格。試驗結果顯示,播種深度合格率為98.33%,種肥間距合格率為100%,均滿足農藝要求。

2.2 出苗率與產量

通過測量計算得到試驗地塊平均出苗率為96.3%,平均產量為891.02kg/667m2(見表4、表5),產量與相鄰地塊農戶自種的玉米產量854.28kg/667m2相比高4.3%。

表4 試驗地塊出苗率Table 4 Seedling emergence rate of experimental field plot

表5 試驗地塊產量Table 5 Yield of experimental field plot

3 結論與討論

1)為使機具以不同速度作業時,自動保持播種間距為輸入的目標距離,傳感器采集的地輪轉速與編碼器采集的排種器、排肥器驅動軸轉速為線性關系。試驗結果顯示:拖拉機以不同速度行駛時,播種間距可以自動保持在合理范圍,播種效果滿足實際播種要求,電驅動排種控制系統播種間距調節誤差2.27%<5%。由于當前一些耕地位置GPS信號較弱,采用地輪加裝傳感器采集作業速度信號模式,比應用GPS導航系統采集作業速度信號模式,效果更理想,響應速度更快,穩定性更高。

2)田間試驗對播種間距測量結果顯示:種間距合格指數97.48%,重播指數1.68%,漏播指數0.84%,播種深度合格率為98.33%,種肥間距合格率為100%,均滿足單粒免耕播種機性能指標要求。試驗中,免耕播種機以1m/s速度作業時,未出現重播與漏播現象;以2m/s速度作業時,出現一次重播;以3m/s速度作業時,出現一次重播、一次漏播。產生重播與漏播現象與氣吸式排種器真空壓力值、排種盤轉速和排種導管結構都有一定的關系,真空壓力值小易發生漏播現象,真空壓力值大易發生重播現象;排種盤轉速越高,種子離心力越大,吸附種子需要更大的真空壓力值;種子從排種器排出后受重力作用下落,經過排種導管播入溝底,由于種子在排種導管中下落時與導管壁發生碰撞,影響種子落點的精度。

3)使用自主設計的氣吸式電驅動排種施肥免耕播種機進行保護性耕作試驗,試驗地塊平均出苗率為96.3%,平均產量為891.02kg/667m2。保護性耕作試驗地塊產量,較相鄰地塊農戶自種的玉米產量高4.3 %。試驗年份為2021年,沈北地區雨水充足,土地墑情較好,保護性耕作產量優勢體現不十分明顯;但相比于傳統耕作模式,保護性耕作作業環節少、效率高、節約成本,對于增加土壤有機質,恢復黑土地地力具有深遠意義。