秸稈深還開溝合壟施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王瑞麗，潘廣鑫，魏鳳蘭，黃　毅，趙　娜，竇　森

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)　110161；2.朝陽(yáng)市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站，遼寧 朝陽(yáng)　122000；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)春　130118)

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秸稈深還開溝合壟施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王瑞麗1，潘廣鑫1，魏鳳蘭1，黃毅1，趙娜2，竇森3

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)110161；2.朝陽(yáng)市農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站，遼寧 朝陽(yáng)122000；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長(zhǎng)春130118)

摘要：機(jī)械化秸稈深埋還田集秸稈深埋、化肥深施技術(shù)于一體，對(duì)構(gòu)建土壤水庫(kù)、肥庫(kù)、碳庫(kù)和提高玉米產(chǎn)量具有重要作用，為徹底解決玉米秸稈焚燒造成的環(huán)境污染提供了重要的技術(shù)支撐。為此，對(duì)深耕合壟施肥機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)深開溝、化肥深施及起壟整壟聯(lián)合作業(yè)，配合玉米聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)可實(shí)現(xiàn)秸稈深埋還田。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)開溝參數(shù)和起壟參數(shù)符合秸稈深埋還田農(nóng)藝要求；當(dāng)開溝深度在30～40cm時(shí)，該機(jī)作業(yè)阻力在25～30kN變化，還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化工作部件結(jié)構(gòu)以減小作業(yè)阻力。種植試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械化秸稈深埋還田種植玉米每公頃增產(chǎn)率為10.59%，增產(chǎn)效果顯著。

關(guān)鍵詞：秸稈深埋；化肥深施；玉米種植；施肥機(jī)

0引言

遼寧西北部旱農(nóng)區(qū)氣候干旱且年內(nèi)降雨分布不均、土壤耕層淺薄、土壤有機(jī)質(zhì)含量低，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)[1]。玉米秸稈作為糧食生產(chǎn)的副產(chǎn)品，可作為燃料資源和牲畜飼料，或通過(guò)秸稈還田等途徑而有效利用，但仍有大量秸稈被閑置或焚燒。為了解決遼西旱地存在的“旱、薄、瘦”問(wèn)題，減小焚燒秸稈帶來(lái)的環(huán)境污染，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行了“土肥水跨季節(jié)調(diào)控”技術(shù)實(shí)踐，即秋季玉米收獲后進(jìn)行深開溝→喂入秸稈→施肥→覆土→合壟→整形→覆膜，春季膜上打孔種植耐密玉米[2]，種植模式如圖1所示。經(jīng)過(guò)5年的田間試驗(yàn)與示范，結(jié)果表明：“土肥水跨季節(jié)調(diào)控”技術(shù)能在播種和玉米生育期增加土壤水分，秸稈深還田2年后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，玉米產(chǎn)量顯著提高[3-7]；而深開溝、秸稈深還、化肥深施及起壟整壟是該技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)這種要求，研制了深耕合壟施肥機(jī)，并進(jìn)行機(jī)器的田間性能測(cè)試和玉米種植試驗(yàn)，探討秋季秸稈深埋還田對(duì)干旱地區(qū)玉米種植的影響，以期為東北半干旱區(qū)發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)和技術(shù)參考。

圖1　土肥水跨季節(jié)調(diào)控種植模式

1整體結(jié)構(gòu)與工作原理

深耕合壟施肥機(jī)(見(jiàn)圖2)由機(jī)架、開溝犁、還田機(jī)(可實(shí)現(xiàn)深開溝、秸稈深還、化肥深施)、覆土犁、施肥裝置，以及整壟裝置組成[8]。配合秸稈起壟整壟聯(lián)合作業(yè)。整機(jī)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接，機(jī)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，用方鋼加工而成。開溝犁沿機(jī)器前進(jìn)方向?qū)ΨQ安裝于機(jī)架前下方，作業(yè)時(shí)將耕層土壤犁開，浮土分向兩側(cè)形成壟溝。起壟犁對(duì)稱安裝于機(jī)架后下方，把開溝犁耕起并分向兩側(cè)的土壤推向犁溝并起壟。開溝犁、起壟犁都沿作業(yè)方向?qū)ΨQ安裝于機(jī)架兩側(cè)使犁耕阻力與機(jī)組前進(jìn)方向相反，避免引起過(guò)大側(cè)向力。

電動(dòng)施肥器由電機(jī)、排肥器及控制系統(tǒng)等幾部分組成。排肥器為外槽輪排肥器。施肥器整體安裝于肥箱的下方，由拖拉機(jī)電瓶給施肥器電機(jī)供電，電機(jī)帶動(dòng)排肥器旋轉(zhuǎn)使肥料均勻排出肥箱，并通過(guò)排肥管輸送到開溝犁開出的溝內(nèi)。整壟裝置將中間的浮土起壟、培壓成型。整壟裝置把覆土起壟犁做成的壟上和壟側(cè)土壤刮平并使壟形規(guī)則，近似梯形，以便于在壟上進(jìn)行大壟雙行種植耐密玉米。

1.肥箱　2.施肥器　3.機(jī)架　4.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　5.連接桿

2典型零部件設(shè)計(jì)

2.1整壟裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)秋季秸稈深埋還田、起壟整壟覆膜、春季膜上打孔播種的玉米種植模式(見(jiàn)圖1)，確定壟形為梯形，且整壟技術(shù)要求為：①壟高30～35cm、壟上底寬50～60cm、壟下底寬90～100cm；②可根據(jù)整壟阻力的變化調(diào)整壟高；③壟形規(guī)則，無(wú)明顯凸起或凹陷。設(shè)計(jì)整壟裝置(見(jiàn)圖3)，橫板長(zhǎng)900mm，寬400mm；橫板前面有寬100mm與橫板成15°的上擋板；左右擋板200mm，與橫板成120°夾角。整壟裝置隨著機(jī)器前進(jìn)時(shí)，把覆土犁聚攏的土壤整理成梯形，并進(jìn)一步細(xì)碎土壤，為鋪膜和膜上大壟雙行種植玉米奠定基礎(chǔ)。

1.右擋板　2.連接桿　3.螺栓　4.彈簧　5.橫板　6.左擋板

2.2電動(dòng)施肥器設(shè)計(jì)

電動(dòng)施肥器由電源、電機(jī)、排肥器及控制系統(tǒng)等幾部分組成，采用拖拉機(jī)上的12V電源驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)主要有體積小、效率高及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單等。排肥器是精密施肥機(jī)械的重要工作部件，其工作性能的好壞，直接影響施肥機(jī)械的工作質(zhì)量。本機(jī)采用外槽輪排肥器，實(shí)現(xiàn)均勻排肥。排肥器控制接線如圖4所示。其主電源正連接于鑰匙門后主線上或電瓶正極，負(fù)連接于主車搭，可同時(shí)控制3組排肥器。

3機(jī)器性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)基本條件

2012年4月20日在遼寧省阜蒙縣進(jìn)行深耕合壟施肥機(jī)田間試驗(yàn)，測(cè)定作業(yè)阻力、開溝起壟參數(shù)和施肥穩(wěn)定性。試驗(yàn)地土壤為褐土, 質(zhì)地為粉砂土，土壤容重為1.45g/cm3；前茬作物為玉米，留茬高度為8～10cm。

圖4　控制接線圖

3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

采用約翰·迪爾804拖拉機(jī)懸掛深耕合壟施肥機(jī)作為測(cè)試機(jī)組。由一輛解放141汽車拖拽約翰·迪爾804拖拉機(jī)，并將BLR-3型拉力儀固定在兩車之間測(cè)定牽引阻力。首先，汽車以1.2m/s的速度前進(jìn)、拖拉機(jī)掛空擋的條件下測(cè)試空行程牽引阻力，然后再測(cè)試機(jī)組穩(wěn)定工作時(shí)耕深分別為20、30、40cm時(shí)的牽引阻力。依據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 740-2003《田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》在試驗(yàn)地選取兩個(gè)開溝行程，每個(gè)行程在50m內(nèi)取5個(gè)點(diǎn)、共10個(gè)點(diǎn)測(cè)定開溝參數(shù)[9-10]。開溝溝形為梯形，其上底為溝面，下底為溝底，上底長(zhǎng)，下底短。同樣，按照開溝參數(shù)測(cè)定方法，測(cè)量并分析起壟參數(shù)。起壟壟形為梯形，上底為壟面，下底為壟底，上底短，下底長(zhǎng)。排肥器試驗(yàn)是將化肥(磷酸二銨、發(fā)酵菌劑、硫酸鉀和尿素)按照技術(shù)要求的施肥量混合均勻倒入肥箱，調(diào)節(jié)電動(dòng)排肥器控制器刻度來(lái)控制排肥速度，每個(gè)刻度時(shí)在2min內(nèi)重復(fù)試驗(yàn)3次，測(cè)定每次試驗(yàn)的排肥器轉(zhuǎn)速和排肥量。排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7732-2006所規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行測(cè)定[11]。

3.3結(jié)果與分析

3.3.1作業(yè)阻力

牽引阻力測(cè)定結(jié)果分析。機(jī)器空行時(shí)的牽引阻力約為1.2kN、犁耕深為20cm時(shí)，機(jī)器的牽引阻力約為20kN；犁耕深為30cm時(shí)，機(jī)器的牽引阻力約為25kN；犁耕深為40cm時(shí)，機(jī)器的牽引阻力約為30kN。當(dāng)耕深繼續(xù)增加時(shí)，機(jī)器的牽引阻力顯著增加?；貧w分析表明：深耕合壟施肥作業(yè)牽引阻力隨犁耕深度增加呈線性變化。結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)要求，確定作業(yè)速度為1.2m/s，開溝深度為30～35cm，此時(shí)牽引阻力為25～30kN。

3.3.2開溝起壟參數(shù)

通過(guò)田間試驗(yàn)可知：開溝深度在30～40cm范圍內(nèi)可調(diào)，開溝寬度在60～100cm范圍內(nèi)可調(diào)，覆土厚度為10～15cm。通過(guò)對(duì)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目均值分析(見(jiàn)表1)，可知開溝深度，溝面、溝底寬度、壟臺(tái)高度、壟面和壟底寬度，以此覆土厚度的穩(wěn)定性系數(shù)都大于80%，均符合農(nóng)藝要求。

表1　開溝和起壟參數(shù)

變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)×100%。

3.3.3施肥穩(wěn)定性

電動(dòng)施肥器轉(zhuǎn)速與排肥能力如表2所示。

表2　電動(dòng)施肥器排肥性能

圖5　排肥器轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響

根據(jù)旱地玉米土肥水跨季節(jié)調(diào)控技術(shù)要求，確定在深耕合壟施肥機(jī)上安裝4個(gè)電動(dòng)排肥器。當(dāng)機(jī)組作業(yè)速度為1.2m/s時(shí)，電動(dòng)施肥器應(yīng)在刻度7、轉(zhuǎn)速為28.5 r/min時(shí)作業(yè)，此時(shí)單個(gè)排肥器的排肥量為3.40kg/min，排肥量變異系數(shù)為0.74%；機(jī)組排肥量約為1 380kg/hm2，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.3%，符合施肥性能標(biāo)準(zhǔn)，滿足農(nóng)藝要求。

4種植試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)區(qū)基本情況

2012年4月26日在遼寧省阜蒙縣進(jìn)行秸稈深埋還田玉米種植試驗(yàn)。該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨，夏季炎熱，晝夜溫差大，秋季冷涼早霜，冬季寒冷少雪；年平均降雨量423mm，且不同季節(jié)降雨分配不均，春季占12.3%，夏季占68.5%，秋冬兩季共占19.2%；年均蒸發(fā)量為1 847.6mm。本試驗(yàn)設(shè)置秸稈深還化肥深施(處理1)和對(duì)照(CK)兩個(gè)處理，各進(jìn)行重復(fù)3次。處理1采用課題組研制的深耕合壟施肥機(jī)進(jìn)行深開溝(見(jiàn)圖6)和化肥深施，施肥量為磷酸二銨(600kg/hm2)、發(fā)酵菌劑(30～37.5kg/hm2) 、硫酸鉀(450kg/hm2)和尿素(300kg/hm2)。配套玉米聯(lián)合收獲機(jī)噴入切碎秸稈(1.2×104kg/hm2)，并用覆膜機(jī)進(jìn)行壟上覆膜。選用耐密玉米品種遼單565，每公頃保苗約6.6×104株。對(duì)照(CK)除了不實(shí)施秸稈還田外，其他因素與試驗(yàn)區(qū)相同。在玉米生育期進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，測(cè)定深度分別為0～10cm、10～20cm和20～40cm，土壤含水量采用土壤水分測(cè)定儀(FDR)測(cè)定。在玉米收獲期中，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)取3點(diǎn)，每點(diǎn)取30株樣本，進(jìn)行玉米產(chǎn)量測(cè)定。

4.2結(jié)果與分析

4.2.1玉米生育期土壤含水率

在玉米生育期的各個(gè)階段測(cè)定試驗(yàn)區(qū)不同深度土壤的含水率，每處測(cè)量10個(gè)點(diǎn)取平均值。由數(shù)據(jù)分析可知(見(jiàn)表3)：在不同的時(shí)期、同一土壤深度處，試驗(yàn)區(qū)的土壤含水率都明顯高于對(duì)照區(qū)的土壤含水率[12]；在土壤深度為0～10cm時(shí)，處理區(qū)的土壤含水率為11.37%，較對(duì)照區(qū)的9.04%提高了2.33%；在土壤深度為10～20cm時(shí)，處理區(qū)的土壤含水率為13.42%，較對(duì)照區(qū)的11.31%提高了2.12%；在土壤深度為20～40cm時(shí)，處理區(qū)的土壤含水率為14.08%，較對(duì)照區(qū)的11.86%提高了2.21%。

表3　土壤含水率/%

4.2.2玉米產(chǎn)量

從玉米產(chǎn)量測(cè)定結(jié)果(見(jiàn)表4)可以看出：秸稈還田區(qū)玉米平均每公頃產(chǎn)量為13 076.97kg，比對(duì)照區(qū)的平均每公頃產(chǎn)量為11 948.73kg，增加了1 128.23kg，每公頃增產(chǎn)率為10.59%，增產(chǎn)顯著。

表4　不同處理玉米產(chǎn)量測(cè)定結(jié)果

5結(jié)論與討論

1)深耕合壟施肥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、使用維修方便。該樣機(jī)的施肥器排肥性能較好且各參數(shù)穩(wěn)定性較好，按照每公頃地施肥1 387.5kg計(jì)算，排肥器應(yīng)該選擇用刻度7來(lái)進(jìn)行施肥。同時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析在該刻度進(jìn)行施肥，其排肥量的變異系數(shù)要小于國(guó)標(biāo)規(guī)定的7.8%，符合秸稈深還農(nóng)藝要求。

2)采用該機(jī)配合秋季秸稈深埋還田，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其可以有效提高土壤水分，每公頃玉米增產(chǎn)率為10.59%，增產(chǎn)顯著。

3)通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行耕作阻力測(cè)試可知：其耕作深度在30cm時(shí)，機(jī)器的牽引阻力約為25kN，耕作阻力相當(dāng)大，增加了耕作能耗。為此需要從樣機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步研究，以便能夠降低耕作阻力。

4)該樣機(jī)安裝了4個(gè)排肥器，保證每公頃土地施肥量達(dá)到要求；但是從樣機(jī)整體設(shè)計(jì)來(lái)看，4個(gè)排肥器安裝布置在數(shù)量上有些多。為此，可以考慮一下增大排肥量來(lái)減少排肥器的個(gè)數(shù)。

5)近幾年相關(guān)數(shù)據(jù)表明：遼西地區(qū)土壤肥力逐漸下降，通過(guò)秸稈還田可以培肥地力，提高生態(tài)效益。因此，從全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)著眼，與秸稈深埋還田相適應(yīng)的配套機(jī)具應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究和推廣。

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Design and Experiment on Fertilizing Machine Combined with Deep Tilling and Ridging

Wang Ruili1, Pan Guangxin1, Wei Fenglan1, Huang Yi1, Zhao Na2, Dou Sen3

(1.Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China; 2.Agricultural Environment Monitoring and Protection Station of Chaoyang City, Chaoyang 122000, China; 3.Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract：The technology of returning straw into deep soil using machinery can realize straw burying and fertilizer placement deeply. It has important role in constructing water, fertilizer and carbon reservoir in soil. And also can improve maize production yield. The technology provided vital technical support for get rid of environmental pollution caused by burying maize straw. In this study, a fertilizer machine combined with deep tilling and ridging was designed and tested. The combined work of deep ditching, fertilizing, and ridge making can be completed using the machine. The work of burying straw into deep soil can be done cooperated with maize harvester. Field test showed that ditching and ridging parameters meet the agronomic requirements. When ditching depth changes from 30cm to 40cm, the machine’s work resistance varies from 25kN to 30kN. The work resistance should be cut down by optimizing the machine structure. Planting test shows that the maize yield increase 10.59% per hectare by planting maize in the soil of buried straw and fertilizer.

Key words：bury straw into deep soil; fertilizing into deep soil; maize planting; fertilizing machine

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0090-05

中圖分類號(hào)：S222.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王瑞麗(1970-)，女，河北贊皇人，副教授，博士，(E-mail)rlwangsynd@163.com。通訊作者：黃毅(1956-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，研究員，碩士，(E-mail)emhuangyi@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175354)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303125/201503134)

收稿日期：2015-01-04