收獲期煙稈的拉拔力及影響因素

譚謙，孫松林*，李軍政，陳魁，高翔宇，全偉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

由于煙草秸稈腐爛后產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)對(duì)后茬作物生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生極大的副作用[1]，煙稈還田所攜帶的病原和蟲(chóng)原也將隨之進(jìn)入煙田，造成再侵染，因此，煙稈既不宜作燃料，也不宜還田作肥料[2]，必須連根拔除干凈。

目前，采用人工拔除煙稈，每人每天可拔除約0.1 hm2，而采用機(jī)械拔稈，每人每天可拔除1.3 hm2，人工拔稈成本大約為750 元/hm2，機(jī)械拔稈成本約為220 元/hm2[3]?？梢?jiàn)，機(jī)械拔稈效率高，且成本較低。筆者對(duì)煙稈起拔力與煙稈拉拔位移、煙稈直徑、土壤含水率、土壤緊實(shí)度的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為煙草拔稈機(jī)拔取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2011年7月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行。煙草為HT材料，煙田株高80～160 cm。按照長(zhǎng)勢(shì)良好、莖稈筆直、粗細(xì)均勻的原則選擇煙稈試樣[4–5]。

1.2 方 法

1.2.1 煙稈拉拔力的測(cè)定

煙草根部由主根、側(cè)根和不定根三部分組成，煙草的主根可下扎2 m以上，但70%～80%的根系集中于16～50 cm的土層內(nèi)，煙根的橫向分布為25～28 cm[6–9]。

拉拔煙稈過(guò)程中，煙株根系發(fā)生斷裂，土壤產(chǎn)生變形，同時(shí)還需克服根系與土壤的黏著力和摩擦阻力等，這些綜合阻力稱(chēng)為拉拔力[10–12]。拉拔力大小隨著煙稈根莖向上的運(yùn)動(dòng)而不斷變化，拉拔力的最大值稱(chēng)為起拔力。

拉拔煙稈是拉拔力、煙根與土壤的黏著力、土壤自身的黏結(jié)力以及煙株根部與莖部的抗拉強(qiáng)度等因素共同作用的結(jié)果。拉拔過(guò)程中，當(dāng)拉拔力大于煙根與土壤黏著力，煙根能較完整地被拔出；當(dāng)拉拔力小于煙根與土壤的黏著力，則煙根不能被拔出，殘留在土壤中。

由于煙稈起拔力較大，而現(xiàn)有測(cè)力計(jì)量程一般在1 000 N以?xún)?nèi)，用1個(gè)測(cè)力計(jì)難以完成試驗(yàn)，因而選用量程為1 000 N的管型測(cè)力計(jì)，利用杠桿原理(圖1)測(cè)定起拔力F。由杠桿平衡條件，起拔力F= F1·LBC/LAB。

式中：F1為管型測(cè)力計(jì)讀數(shù)的最大值(N)；LBC為動(dòng)力臂的長(zhǎng)度，LBC=125 cm；LAB為阻力臂的長(zhǎng)度，LAB=50 cm。

1.2.2 煙稈拉拔位移的測(cè)定

在煙稈被拔出土壤的過(guò)程中，測(cè)量5個(gè)位移點(diǎn)，并記錄每個(gè)位移點(diǎn)處的管型測(cè)力計(jì)讀數(shù)，計(jì)算出拉拔力，每個(gè)位移點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拉拔力測(cè)量40次，結(jié)果取平均值。

1.2.3 煙稈直徑的測(cè)定

以壟面為起點(diǎn)，依次向上每隔5 cm 測(cè)量1處煙稈直徑，共5處，取平均值。試驗(yàn)樣本數(shù)為68個(gè)。

1.2.4 土壤含水率和緊實(shí)度的測(cè)定

綜合考慮煙稈根系的深度，采用TDR200土壤水分速測(cè)儀測(cè)量煙蔸附近土表以下20 cm處的土壤含水率，采用SC–900土壤緊實(shí)度儀測(cè)量土表以下20 cm處的土壤緊實(shí)度。同一地塊不同時(shí)間段內(nèi)測(cè)量68個(gè)樣本。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合及圖形處理，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)方法[13]進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙稈拉拔力與位移的關(guān)系

從煙稈拉拔力–位移曲線(圖2)可知，從開(kāi)始拉拔煙稈至結(jié)束，位移的變化0～16 cm，拉拔力的變化可以分為2個(gè)階段。①拉拔力上升階段。當(dāng)垂直向上逐漸施力拉拔煙稈時(shí)，煙根需克服土壤黏著力和摩擦力，開(kāi)始向上移動(dòng)，拉拔力不斷增大。當(dāng)拉拔力繼續(xù)增大到一定值，煙稈的主根與側(cè)根幾乎同時(shí)斷裂，此時(shí)拉拔力值最大。當(dāng)土壤含水率較低(13.2%)、土壤緊實(shí)度較高(18.6 kg/cm2)時(shí)，煙稈拉拔位移為6 cm，起拔力達(dá)到最大值，為1 654 N；當(dāng)土壤含水率較高(21.8%)、土壤緊實(shí)度較低(11.54 kg/cm2)時(shí)，煙稈拉拔位移為8 cm，起拔力達(dá)到最大值1 628 N。②拉拔力下降階段。當(dāng)拉拔力達(dá)到最大值后，由于主側(cè)根的斷裂使得拉拔力明顯下降，曲線開(kāi)始下滑，但是一部分側(cè)根和不定根與土壤的分離仍然存在阻力，拉拔力最終漸變?yōu)?。在松軟、相對(duì)濕度較大的土壤中，側(cè)根和不定根被拉斷是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，相應(yīng)的位移過(guò)程較長(zhǎng)。

圖2 拉拔煙稈過(guò)程中的拉拔力Fig.2 The pulling force of obacco stalk drawing process

2.2 煙稈起拔力與直徑的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的煙稈直徑與相對(duì)應(yīng)的起拔力，繪制出直徑–拉拔力散點(diǎn)圖(圖3)，呈現(xiàn)出線性回歸特點(diǎn)，煙稈直徑為26.1～38.3 mm時(shí)，相應(yīng)起拔力值為551～1 840 N。

圖3 不同煙稈直徑下的起拔力Fig.3 Diameter –pulling force scatter diagram

線性回歸方程為：F=877.7D–1 605。

式中：F為起拔力(N)；D為煙稈直徑(mm)。

相關(guān)系數(shù)r=0.88，根據(jù)對(duì)相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)，由于0＜r=0.88＜1，可知直徑D與起拔力F呈正相關(guān)，并且r=0.88＞0.8，所以D與F有較高的線性相關(guān)。

2.3 煙稈起拔力與土壤含水率的關(guān)系

煙稈起拔力隨土壤含水率的變化如圖4所示。煙稈起拔力隨著土壤含水率的增大而減小，土壤含水率越小，煙稈起拔力越大；土壤含水率越大，煙稈起拔力越小。 2.4 煙稈起拔力與土壤緊實(shí)度的關(guān)系

圖4 不同土壤含水率的煙稈起拔力Fig.4 The pulling force of the tobacco stem under the different soil moisture content

由圖5可知，煙稈起拔力隨著土壤緊實(shí)度的增大而增大，土壤緊實(shí)度越大，煙稈起拔力越大；土壤緊實(shí)度越小，煙稈起拔力越小。

圖5 不同土壤緊實(shí)度的煙稈起拔力Fig.5 The pulling force of the tobacco stem under the different compaction

3 結(jié) 論

在考察煙稈起拔力與拉拔位移、煙稈直徑、土壤含水率、土壤緊實(shí)度等因素的關(guān)系過(guò)程中，所測(cè)得煙稈起拔力的最大值達(dá)1 840 N，因此，可以考慮在煙稈拔取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，取2 000 N作為起拔力設(shè)計(jì)值。煙稈直徑的最大值為38.3 mm，提示設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)時(shí)，將夾持鏈間距定為40 mm。另外，為減少功耗，煙草拔稈機(jī)作業(yè)應(yīng)盡可能選擇在土壤含水率較低、土壤緊實(shí)度較小時(shí)進(jìn)行。

[1]李勇．煙株殘?bào)w對(duì)病蟲(chóng)害發(fā)生的影響及其清除措施[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(23)：182．

[2]張承龍．煙稈的資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀及其前景[J]．再生資源研究，2002(1)：38–39．

[3]唐麗芬．曲靖市馬龍縣馬龍鄉(xiāng)推廣“煙稈拔除機(jī)”深受煙農(nóng)好評(píng)[EB/OL]．http：//www.qjyc.cn/product/detail. do?id=11656&cgid=2392&tableId=75，2010–09–13．

[4]沈茂，張國(guó)忠，夏俊芳，等．收獲期棉稈底部莖稈力學(xué)特性測(cè)試研究[J]．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1)：49–51．

[5]廖宜濤，廖慶喜，田波平，等．收割期蘆竹底部莖稈機(jī)械物理特性參數(shù)的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(4)：124–129．

[6]楊林波，邵惠芳，章新軍，等．煙草根系研究進(jìn)展[J]．煙草科技，2002(10)：45–48．

[7]張惠林，朱列書(shū)．煙草根系研究現(xiàn)狀[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(8)：111–112．

[8]馬新明，劉國(guó)順，王小純，等．煙草根系生長(zhǎng)發(fā)育與地上部相關(guān)性的研究[J]．中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2002，8(3)：26–29．

[9]易建華，孫在軍，賈志紅．烤煙根系構(gòu)型及動(dòng)態(tài)建成規(guī)律的研究[J]．作物學(xué)報(bào)，2005，31(7)：915–920．

[10]沈茂，張國(guó)忠，周勇，等．我國(guó)棉柴機(jī)械收獲技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2009，31(5)：22–25．

[11]馬繼春，薦世春，周海鵬．齒盤(pán)式棉花秸稈整株拔取收獲機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2010(8)：3–5，12．

[12]郭振華，史建新，康秀生，等．鏟刀式拔棉稈機(jī)阻力分析[J]．新疆農(nóng)機(jī)化，2008(4)：9–10，31．

[13]李小平．概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2007．