南方林地微耕機(jī)的選用與改良試驗(yàn)

曹漢洋，陳建華，羅水金，童慶輝，翁學(xué)煌，李金祥

(1.福建省沙縣水南國(guó)有林場(chǎng)，福建 沙縣 365500；2.福建省三明市林業(yè)執(zhí)法支隊(duì)，福建 三明 365000；3.福建源華林業(yè)生物科技有限公司，福建 建寧 354500)

福建林區(qū)以丘陵山地為主，地形復(fù)雜多樣。割灌機(jī)、油鋸等裝備在福建林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中已得到廣泛應(yīng)用，但鋤草松土環(huán)節(jié)還處于無(wú)“機(jī)”可用的狀態(tài)[1-2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水田、旱田等農(nóng)田中應(yīng)用的微耕機(jī)研究較多[3-6]，微耕機(jī)在農(nóng)田、果園進(jìn)行開(kāi)墾、鋤草、松土、施肥等作業(yè)已經(jīng)很普遍，但在丘陵山地中的利用很少，還是主要依靠人力手工作業(yè)。因此，急需一款能夠適用丘陵山地鋤草松土的微耕機(jī)。

筆者以“操作簡(jiǎn)單、方便上山、經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的原則，選擇適合南方林區(qū)特點(diǎn)的小型、輕便的背負(fù)式和手推式2種便攜式微耕機(jī)在坡度23°以下的杉木林、油茶林和無(wú)患子林進(jìn)行鋤草、松土等作業(yè)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)查找問(wèn)題，對(duì)微耕機(jī)工作頭進(jìn)行改良，然后再進(jìn)行機(jī)械作業(yè)與人工作業(yè)對(duì)比，分析作業(yè)效果、勞動(dòng)效率，總結(jié)杉木林、油茶林和無(wú)患子林鋤草、松土機(jī)械作業(yè)配套技術(shù)，以期為南方丘陵山地機(jī)械化鋤草、松土等營(yíng)林作業(yè)提供有效方案。

1 微耕機(jī)機(jī)型選用試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了了解背負(fù)式和手推式2種便攜式微耕機(jī)在丘陵山地不同地形林地鋤草松土的效果，以便為不同地形林地選擇微耕機(jī)機(jī)型提供參考。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

1.2.1 杉木林試驗(yàn)地 位于沙縣虬江街道水南村水南峽工區(qū)26-51-1小班，地處武夷山與戴云山之間的閩中低山丘陵，海拔138～168 m，無(wú)坡向，平均坡度10°，土壤為紅壤，土層深厚。植被草本層以管茅和山油麻為主，蓋度95%。2018年煉山清雜，2019年春季以輕型基質(zhì)苗造林，造林密度3000～3200株·hm-2，造林面積6.27 hm2，2019—2020年，每年全鋤撫育2次。

1.2.2 油茶林試驗(yàn)地 位于沙縣虬江街道水南村水南峽工區(qū)54-2-1小班、54-2-2小班，地處武夷山與戴云山之間的閩中低山丘陵，海拔157～230 m，無(wú)坡向，平均坡度23°，土壤為紅壤，土層深厚。植被草本層以牛筋草為主，蓋度70%。2009年煉山清雜后，2010年春季以裸根苗造林，造林密度1500～1800株·hm-2，造林面積8.27 hm2，2010—2020年，每年全鋤撫育2次。

1.2.3 無(wú)患子試驗(yàn)地 位于建寧縣溪口鎮(zhèn)楓源村28-8-2小班，地處武夷山山脈中段山地丘陵，海拔352～401 m，坡向西，平均坡度13°，土壤為紅壤，土層深厚。植被草本層以狗尾草和蕨類為主，蓋度75%。2008年煉山清雜后，2009年春季裸根苗造林，造林密度600～750株·hm-2，造林面積6.8 hm2，2009—2020年，每年全鋤撫育2次。

1.3 試驗(yàn)材料與方法

1.3.1 材料 根據(jù)丘陵山地特點(diǎn)，選用小型、輕便的背負(fù)式和手推式2種便攜式微耕機(jī)，型號(hào)及參數(shù)詳見(jiàn)表1。2種微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2。

表1 微耕機(jī)參數(shù)

1.3.2 方法 背負(fù)式JF145A型、手推式145A型2種微耕機(jī)分別在杉木林、油茶林、無(wú)患子林試驗(yàn)地各進(jìn)行1次鋤草效果對(duì)比試驗(yàn)。

杉木試驗(yàn)林選取面積100 m2(10 m×10 m的正方形)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊2個(gè)。油茶和無(wú)患子試驗(yàn)林選取面積100 m2(臺(tái)面寬2 m×臺(tái)面長(zhǎng)50 m)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊各2個(gè)。2種微耕機(jī)配置相同的工作頭，記錄每種微耕機(jī)完成同類型林地鋤草的時(shí)間、故障類型與故障次數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)操作人員配戴安全帽、護(hù)目鏡、作業(yè)專用工作服、護(hù)腿、安全鞋等安全防護(hù)裝備，記錄人員在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)20 m以外做好記錄，同時(shí)做好自我防護(hù)。

1.4 結(jié)果與分析

1)背負(fù)式JF145A型微耕機(jī)在坡度較大、雜草植被密集的杉木林中移動(dòng)方便；適合在樹冠較大且枝下高低矮的油茶林地作業(yè)；適合在林地開(kāi)有平臺(tái)、無(wú)患子枝下高較高的環(huán)境作業(yè)，具有工作效率高、邊角作業(yè)到位的優(yōu)點(diǎn)。

2)手推式145A型微耕機(jī)在坡度較大、雜草植被密集的杉木林中推行困難，移動(dòng)不方便；不適合在樹冠較大且枝下高低矮的油茶林地作業(yè)；適合在林地開(kāi)有平臺(tái)、無(wú)患子枝下高較高的環(huán)境作業(yè)，具有工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，與背負(fù)式JF145A型微耕機(jī)相比勞動(dòng)強(qiáng)度低、但邊角作業(yè)不到位。

2 常見(jiàn)微耕機(jī)工作頭試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

搜集常用微耕機(jī)作業(yè)時(shí)所存在的問(wèn)題，取得各種微耕機(jī)工作頭鋤草效率的數(shù)據(jù)，為微耕機(jī)工作頭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)材料與方法

2.2.1 材料 選取市場(chǎng)上常見(jiàn)的旋耕刀(圖3)、鋤草輪(圖4)、深耕刀(圖5)、開(kāi)溝刀(圖6)等4種微耕機(jī)工作頭，安裝在背負(fù)式微耕機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 方法 旋耕刀、鋤草輪、深耕刀、開(kāi)溝刀4種微耕機(jī)工作頭安裝在背負(fù)式微耕機(jī)上，分別在杉木林、油茶林、無(wú)患子林試驗(yàn)地各進(jìn)行1次鋤草效果對(duì)比試驗(yàn)。

杉木試驗(yàn)林選取面積100 m2(10 m×10 m的正方形)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊4個(gè)。油茶和無(wú)患子試驗(yàn)林選取面積100 m2(臺(tái)面寬2 m×臺(tái)面長(zhǎng)50 m)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊各4個(gè)。記錄每種微耕機(jī)工作頭完成同類型林地鋤草的時(shí)間、故障類型與故障次數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)操作人員配戴安全帽、護(hù)目鏡、作業(yè)專用工作服、護(hù)腿、安全鞋等安全防護(hù)裝備，記錄人員在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)20 m以外做好記錄，同時(shí)做好自我防護(hù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，旋耕刀容易纏草，松土太淺，在雜草較多、土壤較硬的林地上不能使用。鋤草輪太重，費(fèi)力，容易纏草，松土太淺，在雜草較多、土壤較硬、有一定坡度的林地上不能使用，只能在雜草稀少、土壤松軟、開(kāi)設(shè)平臺(tái)的林地上才能使用。深耕刀容易被樹根、竹鞭、草根捆住，容易纏草，只能在樹根、竹鞭、草根、雜草稀少、土壤松軟的林地上才能使用。開(kāi)溝刀太重，費(fèi)力，容易纏草，只能在雜草稀少、土壤松軟、開(kāi)設(shè)平臺(tái)的林地上才能使用。綜合分析得出，4種微耕機(jī)工作頭的刀具刃口不鋒利，無(wú)法割斷有韌性的雜草而容易被雜草纏繞，松土太淺，工作頭也太笨重不靈活，只能用于雜草較少、土壤疏松的農(nóng)田和果園鋤草松土，不適用于雜草植被密集的丘陵山地鋤草、松土作業(yè)。

3 微耕機(jī)改良與試驗(yàn)

針對(duì)傳統(tǒng)微耕機(jī)工作頭在丘陵山地鋤草松土作業(yè)時(shí)容易被雜草纏繞、松土深度淺等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一組適合丘陵山地專用鋤草、松土工作頭。2020年9月，為了驗(yàn)證改良的工作頭在丘陵山地進(jìn)行鋤草松土的效果，選擇福建沙縣的杉木、油茶和福建建寧的無(wú)患子林地進(jìn)行微耕機(jī)鋤草松土與人工鋤草松土對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 工作頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)微耕機(jī)工作頭在鋤草與松土作業(yè)時(shí)雜草無(wú)法被切斷，容易纏繞在工作頭上，最終導(dǎo)致微耕機(jī)停機(jī)，無(wú)法進(jìn)行鋤草和松土作業(yè)。要達(dá)到鋤草、松土的目的，工作頭的刀具刃口必須鋒利，同時(shí)具備水平割草和垂直切割土壤的功能。按照這個(gè)思路，設(shè)計(jì)了3爪松土工作頭 、4爪松土工作頭、6爪割草松土兩用工作頭、8爪割草松土兩用工作頭等4種工作頭，工作頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7～圖10。刀具材料采用65 Mn，刃口淬火處理，洛氏硬度50～57 HRC，非淬火區(qū)硬度不超過(guò)28 HRC。

3.2 工作原理

改良后的工作頭安裝盤的外周間隔設(shè)置有割草刀和松土刀，割草刀的旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)設(shè)計(jì)有割草刃，松土刀的旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)設(shè)計(jì)有松土刃，松土刀的底端設(shè)置有若干切土齒。工作頭直接與動(dòng)力系統(tǒng)連接，刀具高速旋轉(zhuǎn)下，割草刀能有效割斷韌性大的雜草，松土刀能切碎被割倒的雜草、割茬、小樹根和竹鞭，切土齒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能確保松土深度。

3.3 試驗(yàn)材料和方法

在杉木試驗(yàn)林選取面積100 m2(10 m×10 m的正方形)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊15個(gè)。在油茶和無(wú)患子試驗(yàn)林選取面積100 m2(臺(tái)面寬2 m×臺(tái)面長(zhǎng)50 m)、立地條件基本相同的試驗(yàn)地塊各15個(gè)。試驗(yàn)地塊用羅盤儀定位、定仰角，換算邊長(zhǎng)后四邊用皮尺丈量，4個(gè)頂點(diǎn)用小彩旗固定，4條邊用紅色玻璃線圈定。

試驗(yàn)時(shí)，同一操作人員操作背負(fù)式JF145A微耕機(jī)，分別安裝3爪松土工作頭、4爪松土工作頭、6爪割草松土兩用工作頭、8爪割草松土兩用工作頭等4種工作頭進(jìn)行鋤草松土試驗(yàn)，與直接手持鋤頭人工鋤草松土進(jìn)行對(duì)比。按照三明市國(guó)有林場(chǎng)鋤草松土深度3～10 cm的要求，鋤盡雜草。

記錄試驗(yàn)地編號(hào)、林地類型、鋤草時(shí)間、松土深度、故障類型、故障次數(shù)等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)操作人員配戴安全帽、護(hù)目鏡、作業(yè)專用工作服、護(hù)腿、安全鞋等安全防護(hù)裝備，記錄人員距試驗(yàn)點(diǎn)20 m以外做好記錄，同時(shí)做好自我防護(hù)。

3.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果(表2～表4)表明，采用改良工作頭后的微耕機(jī)進(jìn)行鋤草松土作業(yè)的效率是人工鋤草作業(yè)效率的2.9～4.8倍。微耕機(jī)鋤草松土的效率與林地的坡度、植被種類和蓋度有關(guān)，林地坡度越大，植被蓋度越大，鋤草松土的難度越大，效率越低。帶有水平割草刀的6爪工作頭和8爪工作頭工作效率明顯高于不帶有水平割草刀的3爪工作頭和4爪工作頭，但同樣帶有水平割草刀的6爪工作頭和8爪工作頭工作效率基本相同。因此，6爪工作頭和8爪工作頭最適合丘陵山地的鋤草松土作業(yè)。

表2 杉木林地鋤草松土效果

表3 油茶林地鋤草松土效果

表4 無(wú)患子林地鋤草松土效果

4 結(jié)論

背負(fù)式JF145A型微耕機(jī)移動(dòng)方便，適合在樹冠較大且枝下高低矮的林地作業(yè)，具有工作效率高、邊角作業(yè)到位的優(yōu)點(diǎn)；手推式145A型微耕機(jī)適合在林地開(kāi)有平臺(tái)、枝下高較高的環(huán)境作業(yè)，具有工作效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)。

農(nóng)田與果園中使用的微耕機(jī)工作頭的刀具刃口不鋒利，無(wú)法割斷有韌性的雜草，不適用于坡度較大、雜草植被茂密的丘陵山地林區(qū)的鋤草松土作業(yè)。本研究改良設(shè)計(jì)的微耕機(jī)，操作方便，安全可靠，可以割斷韌性大的雜草，切碎被割倒的雜草、割茬、小樹根和竹鞭，適用于坡度23°以下、植被茂密的杉木林、油茶林和無(wú)患子林地鋤草松土作業(yè)，工作效率是人工鋤草松土作業(yè)的2.9～4.8倍，為丘陵山地林區(qū)鋤草松土機(jī)械化作業(yè)提供了有效方案，提高了營(yíng)林作業(yè)機(jī)械水平。