四川丘陵旱地玉米穴灌覆膜施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

胡 云，王小春*，陳 誠，蔡金雄，蒲 甜，張黎驊，楊文鈺

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014）

四川省是我國第三大玉米主產(chǎn)區(qū)-西南山地丘陵玉米區(qū)主要省份之一，近三年年均播種面積180萬hm2以上[1]，其中丘陵山地占全省玉米播種面積65%以上。因地塊小、土質(zhì)黏，不適用北方機(jī)械，玉米機(jī)械化生產(chǎn)水平低，成本極高[2]，限制玉米種植。四川丘陵旱地因早春極易形成重旱和極旱氣候條件[3]，導(dǎo)致玉米播種環(huán)節(jié)除常規(guī)播種、施肥外，還有灌溉、覆膜等環(huán)節(jié)。漫灌是目前四川丘陵旱地主要灌溉方式，但灌水定額大、水分利用率低。丘陵旱地均為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，水源缺乏難以滿足漫灌需水量。崔福柱等研究表明，穴灌與常規(guī)漫灌相比水分利用效率提高7.50%[4]。穴灌利于玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。石文廷等研究表明，穴灌可提高玉米水分利用率和苗期素質(zhì)，增加玉米產(chǎn)量[5]。陳偉研究表明，玉米覆膜處理與不覆膜處理相比出苗率提高8.07%，產(chǎn)量提高18.88%[6]。任新茂等研究表明，玉米覆膜處理比不覆膜處理水分利用率提高60.55%[7]。研制適宜四川丘陵旱地穴灌覆膜播種機(jī)具有重要意義。

穴灌坐水播種機(jī)研究主要集中在北方和黃淮海地區(qū)。王利強(qiáng)研究地輪泵水路型坐水播種機(jī)，具備間歇性灌水功能，實(shí)現(xiàn)種水同位，該機(jī)打穴所用打穴齒在土壤黏重的四川無法使用[8]。楊有剛等研制同步信號(hào)式種水同位施肥坐水播種機(jī)，該機(jī)開溝穴灌播種，水閥控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)灌水量調(diào)節(jié)，大田試驗(yàn)顯示，灌水存在沿溝流動(dòng)情況，但穴灌量不足，春旱情況下致玉米種子無法萌發(fā)出苗，難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[9]。王光輝等研制水種同穴同施坐水播種機(jī)，利用螺桿棒轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)灌水量調(diào)節(jié)，利用鴨嘴式打穴器打穴實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穴灌播種[10]。四川土質(zhì)黏重，生產(chǎn)中多采用銳角開溝勺輪式排種器播種，丘陵旱地多為套作玉米，株距小，實(shí)現(xiàn)小株距勺輪式排種裝置條件下種子和水分精準(zhǔn)投放是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

為解決以上技術(shù)問題，本研究針對(duì)不同土壤底墑下適宜穴灌量及播種機(jī)水箱體積容量、智能穴噴控制器等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)適于四川丘陵旱地智能穴灌覆膜播種機(jī)并優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)播種、施肥、灌水和覆膜四位一體，以解決四川及相近區(qū)域玉米播種過程繁瑣、效率低下問題。

1 適宜四川丘陵旱地玉米機(jī)械化播種穴灌量的確定

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)人工氣候室，供試品種為川單418，供試土壤為紫色濕潤(rùn)雛形土（典型西南丘陵區(qū)土壤），采用盆栽試驗(yàn)，兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。X因素為不同土壤含水量：X1為13%（±0.5%），X2為15%（±0.5%），X3為17%（±0.5%）；Y因素為不同穴施水量：Y1為0.08 L，Y2為0.1 L，Y3 為0.12 L，Y4 為0.14 L，Y5 為0.16 L，Y6為0.18 L，Y7為0.20 L，Y8為0.22 L。共24個(gè)處理，3次重復(fù)，種植72盆，每盆3穴，每穴兩株，模擬大田生產(chǎn)模式。通過測(cè)定出苗率和出苗后20 d株高確定不同底墑土壤適宜穴灌水量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，各土壤底墑條件下出苗率呈現(xiàn)一致規(guī)律：隨穴灌量增加，玉米出苗率增加；隨土壤底墑增加，達(dá)到同一出苗率所需穴灌量逐漸減少。在土壤水分含量分別為13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）時(shí)，最低穴灌量分別為0.16、0.14 和0.10 L 時(shí)出苗率超過90%，滿足生產(chǎn)要求。

在滿足玉米出苗率前提下，測(cè)定玉米出苗后20 d 株高，結(jié)果見表2，在不同土壤底墑條件下，玉米20 d 株高規(guī)律相同：隨穴灌量增加，玉米株高增加，增加到一個(gè)峰值后趨于平緩，穴灌量繼續(xù)增加，株高無顯著差異或降低。土壤水分含量越大，出現(xiàn)峰值所需穴灌量越小。在土壤水分含量為13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）時(shí)，穴灌量分別達(dá)到0.20、0.16 和0.14 L 后再增加灌水量玉米出苗后20 d 株高無顯著差異或反而降低。

綜上可得，在土壤水分含量為13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）時(shí)，最低穴灌量分別為0.20、0.16 和0.14 L 時(shí)播種玉米可滿足玉米大田出苗率并獲得較高生長(zhǎng)率，滿足大田玉米前期生長(zhǎng)要求。

對(duì)土壤含水量（X）和適宜穴灌量（Y）作線性關(guān)系分析如下：Y1=-2X+0.46（13%（±0.5%）≤X≤15%（±0.5%））；Y2=-1X+0.31（15%（±0.5%）≤X≤17%（±0.5%））。

表1 不同土壤水分含量和穴灌量對(duì)出苗率影響Table 1 Effects of different soil water content and hole irrigation on seedling rate (%)

表2 不同土壤水分含量和穴灌量對(duì)出苗后20 d株高影響Table 2 Effects of different soil water content and hole irrigation on plant height at 20 days after seedling (cm)

2 適宜四川地區(qū)穴灌播種機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 播種機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)及工作原理

如圖1～3 所示，播種機(jī)結(jié)構(gòu)包括調(diào)距限深輪、機(jī)架、水箱、卡箍、肥箱、穴播排肥器、排肥管、齒輪變速器、種箱、折疊伸縮管、噴頭、地輪、覆土輪、覆土器、紅外線感應(yīng)器、擋板、精量玉米播種盤、開溝器、智能穴噴控制器、輸水管，水藥箱通過卡箍固定安裝在機(jī)架前端，調(diào)距限深輪安裝在機(jī)架前端，肥箱固定安裝在機(jī)架后端，穴播排肥器由進(jìn)肥口、排肥盤、排肥外殼、出肥口與調(diào)控板組成，排肥管兩頭分別與出肥口和開溝器相連，智能穴噴控制器安裝在機(jī)架上端，分別與水藥箱和輸水管相連，精量玉米播種盤與玉米排出管、水藥排出管相通，地輪通過鏈條與齒輪變速箱相連，穴播排肥器緊固安裝在肥箱正下方且與排肥管連接，水藥箱與輸水管之間安裝智能穴噴控制器，紅外線感應(yīng)器平行玉米排出管并固定在精量玉米播種盤，水藥玉米排出口管法線與在精量玉米播種盤處輸水管出口法線夾角為0°，與玉米排出管法線為135°。

使用前，將玉米種子、肥料、水分別置于種箱、肥箱和水箱，將智能穴噴控制器通過導(dǎo)線與拖拉機(jī)中電瓶連接接通電源，將地膜拉出，用展膜輥和壓膜輪將地膜壓住。拖拉機(jī)行進(jìn)時(shí)，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤排出種子同時(shí)紅外傳感器將信號(hào)傳導(dǎo)至智能穴噴控制器，智能穴噴控制器同時(shí)噴出定量水（通過改變通電時(shí)間改變灌水量），開溝器開溝，水和種子排入溝中，覆土器覆土，完成一次播種作業(yè)。播種同時(shí)，鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)穴灌排肥器，排肥器運(yùn)動(dòng)通過排肥管將肥料投入排肥開溝器開出溝中并覆土。播種同時(shí)，覆膜開溝器運(yùn)動(dòng)，地膜輪隨機(jī)組運(yùn)動(dòng)將地膜壓入開溝器開出溝中，圓盤覆土器將土覆在薄膜上，完成壓膜。

2.2 關(guān)鍵部位構(gòu)成及工作原理

2.2.1 水箱容積設(shè)計(jì)

水箱容積影響機(jī)器作業(yè)效率和操作性能。水箱容積較小時(shí)需頻繁加水，降低工作效率，浪費(fèi)工作時(shí)間；水箱容積過大時(shí)水箱重量過大，造成機(jī)組下陷，壓實(shí)土壤不利于玉米生長(zhǎng)，且重量過大對(duì)拖拉機(jī)功率要求較高，降低拖拉機(jī)爬坡能力、轉(zhuǎn)向能力和可操作性。

在四川丘陵旱地，玉米—大豆帶狀復(fù)合種植體系中，每帶帶寬為2 m，每帶種植兩行玉米，玉米行距為0.40 m，按照四川高產(chǎn)玉米種植密度60 000 株·hm-2，穴距為0.33 m，每穴播種兩粒玉米，為不頻繁加水導(dǎo)致效率降低，水箱容積滿足0.0667 hm2玉米播種需水量。具體公式如下：

式中，V 為水箱容積（m3）；q 為穴灌量（L）；g為單位面積播種數(shù)。

根據(jù)前文可知：穴灌量范圍為：0.14～0.20 L；g為2 000穴。

V范圍為：0.14 L×2 000至0.2 L×2 000即280 L至400 L，通過換算V取最大值為：0.4 m3。

2.2.2 智能穴噴控制器

智能穴噴控制器由液壓泵、第一電控閥門、第二電控閥門、二位二通電磁閥、分流器、控制按鈕、紅外線接收器、PLC控制器、顯示器、繼電器組成，其中第一電控閥門至分流器處元件保障穴灌技術(shù)實(shí)現(xiàn)，第二電控閥門至可伸縮折疊管保障噴灌技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

如圖2、3 所示，玉米經(jīng)過排種管處時(shí)由紅外感應(yīng)器檢測(cè)到玉米實(shí)際掉落情況，將數(shù)據(jù)傳遞給紅外線接收器（197），紅外線接收器（197）接收信號(hào)后輸出反饋信號(hào)給PLC 控制器（198）輸入端，PLC 控制器（198）輸出一個(gè)控制信號(hào)到繼電器（190），繼電器（190）控制二位二通電磁閥（194）打開。智能穴噴控制器在接通電源后液壓泵（191）開始工作將水藥箱中水藥經(jīng)過調(diào)節(jié)電控閥門（192）吸出到液壓泵（191）中，等待二位二通電磁閥（194）打開，二位二通電磁閥（194）打開后水將依次通過二位二通電磁閥（194）、分流器（195）與噴頭，然后噴頭開始噴水并在玉米到達(dá)玉米排出管（171）末端時(shí)由噴頭（11）中高壓水將玉米與水一同通過排出管沖入土壤中。當(dāng)玉米通過紅外感應(yīng)器（15）檢測(cè)范圍時(shí)，紅外線感應(yīng)器（15）未能檢測(cè)到玉米時(shí)，紅外線接收器（197）無反饋信號(hào)輸出到PLC 控制器（198）輸入端，PLC 控制器（198）無輸出信號(hào)控制繼電器（190），繼電器（190）不動(dòng)作，二位二通電磁閥（194）關(guān)閉，然后播種盤處輸水管（20）處噴頭（11）停止噴水。如此反復(fù)保證智能穴噴控制器（11）達(dá)到間歇式智能穴噴控制。

2.2.3 種水同位裝置

勺輪式排種器屬于機(jī)械式排種器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、播種效率高等特點(diǎn)，該排種器廣泛應(yīng)用于精密玉米播種機(jī)。玉米—大豆帶狀復(fù)合種植核心技術(shù)縮株保密是指玉米寬行行距由傳統(tǒng)0.70 m 擴(kuò)大為1.60 m，窄行行距由傳統(tǒng)凈作0.70 m縮小為套作0.40 m，在密度60 000 株·hm-2不變前提下株距從0.476 m減小為0.334 m。在此背景下，智能穴灌覆膜播種機(jī)實(shí)現(xiàn)小株距下水種同位尤為重要。智能穴灌覆膜播種機(jī)采用勺輪式排種器，保證排種均勻、穩(wěn)定，滿足小株距播種要求，固定在精量玉米播種盤上固定紅外線感應(yīng)器平行于玉米排出管，感應(yīng)精量玉米播種盤排出玉米種子并將信號(hào)傳導(dǎo)至智能穴噴控制器，通電后液壓泵吸水，在玉米種子到達(dá)玉米排出管末端時(shí)噴頭中噴出高壓水將玉米種子沖入土壤，保證水種同位。

2.3 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于四川省仁壽縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地完成，處理為使用玉米穴灌覆膜施肥播種機(jī)播種，對(duì)照為常規(guī)灌溉不覆膜機(jī)播，播種密度為60 000株·hm-2，共2 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次，共6 個(gè)小區(qū)。玉米每公頃配施過磷酸鈣600 kg（含P2O512%），氯化鉀150 kg（含K2O 60%），尿素522 kg（含N 46%），施肥、播種深度均為0.05 m，施肥為溝施，施肥位置在玉米窄行中部，施肥均為播種時(shí)播種機(jī)施作底肥。其他管理同大田。從播種之日起使用雨棚遮雨15 d。播種時(shí)測(cè)定土壤底墑為16%（±0.5%），采用Y2 計(jì)算穴灌量為0.15 L 即穴灌總量為4.5 m3·hm-2；常規(guī)灌溉為播種后使用水泵抽水灌溉，抽水速率為2 m3·h-1，澆水0.75 h·667 m-2，常規(guī)灌溉量為22.5 m3·hm-2。試驗(yàn)期間降雨共332.5 mm（將灌溉用水換算成mm）。試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)有出苗率、產(chǎn)量和水分利用效率，樣機(jī)播種時(shí)計(jì)算粒距合格指數(shù)、重漏播指數(shù)、播深合規(guī)率等。

使用樣機(jī)播種粒距合格指數(shù)、播深合格率分別為85.1%、76.5%；重、漏播指數(shù)，粒距變異系數(shù)分別為6%、3.3%、9.2%，播種效果良好。各項(xiàng)指標(biāo)滿足玉米大田播種要求。田間試驗(yàn)結(jié)果見表3，使用樣機(jī)播種出苗率、產(chǎn)量和水分利用效率分別為91.11%、8 581.95 kg·hm-2和24.90 kg·hm-2·mm-1；常規(guī)灌溉不覆膜機(jī)播出苗率、產(chǎn)量和水分利用效率分別為78.89%、6 594.75 kg·hm-2和21.11 kg·hm-2·mm-1，使用樣機(jī)和普通播種機(jī)大田試驗(yàn)結(jié)果在0.05水平上各指標(biāo)差異均極顯著。

表3 樣機(jī)播種情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Planting statistics of prototype

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Field test result

3 結(jié)果與分析

3.1 穴灌量參數(shù)優(yōu)化

播種后，種子萌發(fā)需從土壤吸收足夠水分。使用穴灌播種技術(shù)時(shí)，灌水量過少，未達(dá)到土壤臨界含水量，種子難以發(fā)芽或者穴灌水在土壤表層風(fēng)干，已萌發(fā)幼苗得不到充足水分而枯萎；灌水量過大，易造成土壤通氣不良，限制種子萌發(fā)同時(shí)增加作業(yè)過程中加水次數(shù)，導(dǎo)致穴灌播種作業(yè)效率低、成本高[11]。劉一龍等研究表明，灌水過多或不足限制玉米產(chǎn)量[12]。馬淑英等認(rèn)為，在穴灌播種過程中，保證每株玉米灌溉量達(dá)到118 mL，玉米正常萌發(fā)出苗[13]；金誠謙等研究表明，穴灌量達(dá)到150 mL 時(shí)，玉米正常出苗[14]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤水分含量不同時(shí)，需穴灌量不同，隨土壤水分含量增加，穴灌量減少；針對(duì)不同土壤含水量有不同穴灌量，穴灌量為定值，與前人研究有一定差異，與本文土壤質(zhì)地有關(guān)。本研究土壤水分含量為13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）時(shí)，每穴分別0.20、0.16 和0.14 L 為最佳穴灌量。線性分析表明，不同范圍水分含量土壤與最佳穴灌量線性關(guān)系不同，水分含量13%～15%時(shí)，適宜穴灌量Y 與土壤含水量X 之間關(guān)系為Y=-2X+0.46；水分含量在15%～17%時(shí)，適宜穴灌量Y與土壤含水量X之間關(guān)系為Y=-1X+0.31，與侯玉虹等研究不同質(zhì)地土壤底墑與最佳灌溉量對(duì)玉米苗期株高影響等效點(diǎn)方程呈不同線性關(guān)系結(jié)果一致[15]。

3.2 智能穴灌覆膜播種機(jī)創(chuàng)新點(diǎn)

穴灌播種機(jī)在四川丘陵旱地運(yùn)用存在問題為水種同穴同施坐水播種機(jī)采用鴨嘴式成穴釘齒打穴裝置，而四川丘陵旱地地區(qū)土壤質(zhì)地粘重，鴨嘴式成穴釘齒無法正常使用。本文利用開溝播種，播種與穴灌同步，采用勻輪式排種裝置保證播種均勻穩(wěn)定；同步信號(hào)式種水同位施肥坐水播種機(jī)缺少覆膜裝置；前人設(shè)計(jì)該類播種機(jī)穴灌量均為固定量，而本文設(shè)計(jì)穴灌播種機(jī)穴灌量通過二位二通電池閥門開閉時(shí)間調(diào)節(jié)穴灌量，通過液壓泵產(chǎn)生高壓水流將玉米種子沖入土壤中，保證灌水和種子充分接觸，不產(chǎn)生錯(cuò)位情況，減少灌水損失，提高水分利用效率。智能穴灌覆膜播種機(jī)采用鏵式犁開溝器，更契合四川丘陵旱地土壤質(zhì)地。

3.3 樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)大田試驗(yàn)粒距合格指數(shù)、播深合格率高于規(guī)范要求；重、漏播指數(shù)，粒距變異系數(shù)低于規(guī)范要求，樣機(jī)滿足農(nóng)業(yè)部制定播種機(jī)質(zhì)量要求。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，使用樣機(jī)播種灌水量為4.5 m3·hm-2，較常規(guī)播種灌水量每公頃節(jié)約18 m3；使用樣機(jī)播種出苗率比常規(guī)灌溉不覆膜機(jī)播提高15.49%。此結(jié)果與灌水位置和灌水量有關(guān)，樣機(jī)灌水位置與種子在同一位置且灌水后種子立即與水接觸，適宜灌水量即滿足種子萌發(fā)所需水分[16]，適宜灌水量提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[17]。樣機(jī)先灌水后蓋土，不存在土壤表層板結(jié)問題，蓋土后覆膜保溫有保墑作用，利于玉米苗期生長(zhǎng)；常規(guī)漫灌灌水量大且先蓋土后灌水，導(dǎo)致土壤表層板結(jié)和土壤缺乏氧氣，無氧呼吸對(duì)種子產(chǎn)生毒害作用[18]。灌水下滲量由于離灌水位置不同而不同，部分土壤水分過高或土壤缺水，不利于種子萌發(fā)。常規(guī)漫灌后不覆膜在高溫天氣下水分很快蒸發(fā)，灌水難以充分利用，水分利用效率降低。

使用樣機(jī)播種產(chǎn)量和水分利用效率比常規(guī)灌溉不覆膜機(jī)播分別提高30.13%和31.03%，說明樣機(jī)符合丘陵旱地播種要求，可為丘陵旱地玉米播種機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。