秸秆深还开沟合垄施肥机设计与试验

王瑞丽，潘广鑫，魏凤兰，黄　毅，赵　娜，窦　森

(1.沈阳农业大学，沈阳　110161；2.朝阳市农业环境监测保护站，辽宁 朝阳　122000；3.吉林农业大学，长春　130118)



秸秆深还开沟合垄施肥机设计与试验

王瑞丽1，潘广鑫1，魏凤兰1，黄毅1，赵娜2，窦森3

(1.沈阳农业大学，沈阳110161；2.朝阳市农业环境监测保护站，辽宁 朝阳122000；3.吉林农业大学，长春130118)

摘要：机械化秸秆深埋还田集秸秆深埋、化肥深施技术于一体，对构建土壤水库、肥库、碳库和提高玉米产量具有重要作用，为彻底解决玉米秸秆焚烧造成的环境污染提供了重要的技术支撑。为此，对深耕合垄施肥机进行了设计和试验。该机可实现深开沟、化肥深施及起垄整垄联合作业，配合玉米联合收获机作业可实现秸秆深埋还田。田间试验结果表明：该机开沟参数和起垄参数符合秸秆深埋还田农艺要求；当开沟深度在30～40cm时，该机作业阻力在25～30kN变化，还应进一步优化工作部件结构以减小作业阻力。种植试验结果表明：机械化秸秆深埋还田种植玉米每公顷增产率为10.59%，增产效果显著。

关键词：秸秆深埋；化肥深施；玉米种植；施肥机

0引言

辽宁西北部旱农区气候干旱且年内降雨分布不均、土壤耕层浅薄、土壤有机质含量低，导致粮食产量低而不稳[1]。玉米秸秆作为粮食生产的副产品，可作为燃料资源和牲畜饲料，或通过秸秆还田等途径而有效利用，但仍有大量秸秆被闲置或焚烧。为了解决辽西旱地存在的“旱、薄、瘦”问题，减小焚烧秸秆带来的环境污染，沈阳农业大学进行了“土肥水跨季节调控”技术实践，即秋季玉米收获后进行深开沟→喂入秸秆→施肥→覆土→合垄→整形→覆膜，春季膜上打孔种植耐密玉米[2]，种植模式如图1所示。经过5年的田间试验与示范，结果表明：“土肥水跨季节调控”技术能在播种和玉米生育期增加土壤水分，秸秆深还田2年后土壤有机质含量增加，玉米产量显著提高[3-7]；而深开沟、秸秆深还、化肥深施及起垄整垄是该技术的关键环节。针对这种要求，研制了深耕合垄施肥机，并进行机器的田间性能测试和玉米种植试验，探讨秋季秸秆深埋还田对干旱地区玉米种植的影响，以期为东北半干旱区发展旱作农业提供基础理论依据和技术参考。

图1　土肥水跨季节调控种植模式

1整体结构与工作原理

深耕合垄施肥机(见图2)由机架、开沟犁、还田机(可实现深开沟、秸秆深还、化肥深施)、覆土犁、施肥装置，以及整垄装置组成[8]。配合秸秆起垄整垄联合作业。整机与拖拉机三点悬挂连接，机架为对称结构，用方钢加工而成。开沟犁沿机器前进方向对称安装于机架前下方，作业时将耕层土壤犁开，浮土分向两侧形成垄沟。起垄犁对称安装于机架后下方，把开沟犁耕起并分向两侧的土壤推向犁沟并起垄。开沟犁、起垄犁都沿作业方向对称安装于机架两侧使犁耕阻力与机组前进方向相反，避免引起过大侧向力。

电动施肥器由电机、排肥器及控制系统等几部分组成。排肥器为外槽轮排肥器。施肥器整体安装于肥箱的下方，由拖拉机电瓶给施肥器电机供电，电机带动排肥器旋转使肥料均匀排出肥箱，并通过排肥管输送到开沟犁开出的沟内。整垄装置将中间的浮土起垄、培压成型。整垄装置把覆土起垄犁做成的垄上和垄侧土壤刮平并使垄形规则，近似梯形，以便于在垄上进行大垄双行种植耐密玉米。

1.肥箱　2.施肥器　3.机架　4.调节机构　5.连接杆

2典型零部件设计

2.1整垄装置设计

根据秋季秸秆深埋还田、起垄整垄覆膜、春季膜上打孔播种的玉米种植模式(见图1)，确定垄形为梯形，且整垄技术要求为：①垄高30～35cm、垄上底宽50～60cm、垄下底宽90～100cm；②可根据整垄阻力的变化调整垄高；③垄形规则，无明显凸起或凹陷。设计整垄装置(见图3)，横板长900mm，宽400mm；横板前面有宽100mm与横板成15°的上挡板；左右挡板200mm，与横板成120°夹角。整垄装置随着机器前进时，把覆土犁聚拢的土壤整理成梯形，并进一步细碎土壤，为铺膜和膜上大垄双行种植玉米奠定基础。

1.右挡板　2.连接杆　3.螺栓　4.弹簧　5.横板　6.左挡板

2.2电动施肥器设计

电动施肥器由电源、电机、排肥器及控制系统等几部分组成，采用拖拉机上的12V电源驱动，优点主要有体积小、效率高及机构简单等。排肥器是精密施肥机械的重要工作部件，其工作性能的好坏，直接影响施肥机械的工作质量。本机采用外槽轮排肥器，实现均匀排肥。排肥器控制接线如图4所示。其主电源正连接于钥匙门后主线上或电瓶正极，负连接于主车搭，可同时控制3组排肥器。

3机器性能试验

3.1试验基本条件

2012年4月20日在辽宁省阜蒙县进行深耕合垄施肥机田间试验，测定作业阻力、开沟起垄参数和施肥稳定性。试验地土壤为褐土, 质地为粉砂土，土壤容重为1.45g/cm3；前茬作物为玉米，留茬高度为8～10cm。

图4　控制接线图

3.2试验设计与方法

采用约翰·迪尔804拖拉机悬挂深耕合垄施肥机作为测试机组。由一辆解放141汽车拖拽约翰·迪尔804拖拉机，并将BLR-3型拉力仪固定在两车之间测定牵引阻力。首先，汽车以1.2m/s的速度前进、拖拉机挂空挡的条件下测试空行程牵引阻力，然后再测试机组稳定工作时耕深分别为20、30、40cm时的牵引阻力。依据农业行业标准NY/T 740-2003《田间开沟机械作业质量》在试验地选取两个开沟行程，每个行程在50m内取5个点、共10个点测定开沟参数[9-10]。开沟沟形为梯形，其上底为沟面，下底为沟底，上底长，下底短。同样，按照开沟参数测定方法，测量并分析起垄参数。起垄垄形为梯形，上底为垄面，下底为垄底，上底短，下底长。排肥器试验是将化肥(磷酸二铵、发酵菌剂、硫酸钾和尿素)按照技术要求的施肥量混合均匀倒入肥箱，调节电动排肥器控制器刻度来控制排肥速度，每个刻度时在2min内重复试验3次，测定每次试验的排肥器转速和排肥量。排肥稳定性试验根据机械行业标准JB/T7732-2006所规定的方法和步骤进行测定[11]。

3.3结果与分析

3.3.1作业阻力

牵引阻力测定结果分析。机器空行时的牵引阻力约为1.2kN、犁耕深为20cm时，机器的牵引阻力约为20kN；犁耕深为30cm时，机器的牵引阻力约为25kN；犁耕深为40cm时，机器的牵引阻力约为30kN。当耕深继续增加时，机器的牵引阻力显著增加。回归分析表明：深耕合垄施肥作业牵引阻力随犁耕深度增加呈线性变化。结合当地农业技术要求，确定作业速度为1.2m/s，开沟深度为30～35cm，此时牵引阻力为25～30kN。

3.3.2开沟起垄参数

通过田间试验可知：开沟深度在30～40cm范围内可调，开沟宽度在60～100cm范围内可调，覆土厚度为10～15cm。通过对各个测试项目均值分析(见表1)，可知开沟深度，沟面、沟底宽度、垄台高度、垄面和垄底宽度，以此覆土厚度的稳定性系数都大于80%，均符合农艺要求。

表1　开沟和起垄参数

变异系数=(标准差/均值)×100%。

3.3.3施肥稳定性

电动施肥器转速与排肥能力如表2所示。

表2　电动施肥器排肥性能

图5　排肥器转速对排肥量的影响

根据旱地玉米土肥水跨季节调控技术要求，确定在深耕合垄施肥机上安装4个电动排肥器。当机组作业速度为1.2m/s时，电动施肥器应在刻度7、转速为28.5 r/min时作业，此时单个排肥器的排肥量为3.40kg/min，排肥量变异系数为0.74%；机组排肥量约为1 380kg/hm2，施肥稳定性变异系数为1.3%，符合施肥性能标准，满足农艺要求。

4种植试验

4.1试验设计及试验区基本情况

2012年4月26日在辽宁省阜蒙县进行秸秆深埋还田玉米种植试验。该区属于温带半干旱大陆性季风气候，春季干旱少雨，夏季炎热，昼夜温差大，秋季冷凉早霜，冬季寒冷少雪；年平均降雨量423mm，且不同季节降雨分配不均，春季占12.3%，夏季占68.5%，秋冬两季共占19.2%；年均蒸发量为1 847.6mm。本试验设置秸秆深还化肥深施(处理1)和对照(CK)两个处理，各进行重复3次。处理1采用课题组研制的深耕合垄施肥机进行深开沟(见图6)和化肥深施，施肥量为磷酸二铵(600kg/hm2)、发酵菌剂(30～37.5kg/hm2) 、硫酸钾(450kg/hm2)和尿素(300kg/hm2)。配套玉米联合收获机喷入切碎秸秆(1.2×104kg/hm2)，并用覆膜机进行垄上覆膜。选用耐密玉米品种辽单565，每公顷保苗约6.6×104株。对照(CK)除了不实施秸秆还田外，其他因素与试验区相同。在玉米生育期进行土壤含水率测定，测定深度分别为0～10cm、10～20cm和20～40cm，土壤含水量采用土壤水分测定仪(FDR)测定。在玉米收获期中，试验区内取3点，每点取30株样本，进行玉米产量测定。

4.2结果与分析

4.2.1玉米生育期土壤含水率

在玉米生育期的各个阶段测定试验区不同深度土壤的含水率，每处测量10个点取平均值。由数据分析可知(见表3)：在不同的时期、同一土壤深度处，试验区的土壤含水率都明显高于对照区的土壤含水率[12]；在土壤深度为0～10cm时，处理区的土壤含水率为11.37%，较对照区的9.04%提高了2.33%；在土壤深度为10～20cm时，处理区的土壤含水率为13.42%，较对照区的11.31%提高了2.12%；在土壤深度为20～40cm时，处理区的土壤含水率为14.08%，较对照区的11.86%提高了2.21%。

表3　土壤含水率/%

4.2.2玉米产量

从玉米产量测定结果(见表4)可以看出：秸秆还田区玉米平均每公顷产量为13 076.97kg，比对照区的平均每公顷产量为11 948.73kg，增加了1 128.23kg，每公顷增产率为10.59%，增产显著。

表4　不同处理玉米产量测定结果

5结论与讨论

1)深耕合垄施肥机结构简单、性能可靠、使用维修方便。该样机的施肥器排肥性能较好且各参数稳定性较好，按照每公顷地施肥1 387.5kg计算，排肥器应该选择用刻度7来进行施肥。同时，经过数据分析在该刻度进行施肥，其排肥量的变异系数要小于国标规定的7.8%，符合秸秆深还农艺要求。

2)采用该机配合秋季秸秆深埋还田，通过相关试验数据表明，其可以有效提高土壤水分，每公顷玉米增产率为10.59%，增产显著。

3)通过对样机进行耕作阻力测试可知：其耕作深度在30cm时，机器的牵引阻力约为25kN，耕作阻力相当大，增加了耕作能耗。为此需要从样机结构上进一步研究，以便能够降低耕作阻力。

4)该样机安装了4个排肥器，保证每公顷土地施肥量达到要求；但是从样机整体设计来看，4个排肥器安装布置在数量上有些多。为此，可以考虑一下增大排肥量来减少排肥器的个数。

5)近几年相关数据表明：辽西地区土壤肥力逐渐下降，通过秸秆还田可以培肥地力，提高生态效益。因此，从全局和长远着眼，与秸秆深埋还田相适应的配套机具应该进行进一步的研究和推广。

参考文献：

[1]黄毅,张玉龙,邹红涛，等.辽西北旱地土壤水分调控[J].水土保持研究.2009, 16(4):113-116.

[2]王瑞丽,黄毅.秸秆深埋还田开沟扶垄犁设计及试验研究[J].沈阳农业大学学报，2011-04, 42(2):231-234.

[3]黄毅, 邹洪涛,虞娜,等.东北半干旱区秋后玉米地不同处理方式对土壤水分状况的影响[J].水土保持研究,2006(2):34-36.

[4]黄毅,邹洪涛,闫洪亮,等.玉米秸秆深还剂量对土壤水分的影响[J].水土保持研究,2013(4):61-63.

[5]黄毅,毕素艳,邹洪涛,等.秸秆深层还田对玉米根系及产量的影响[J]. 玉米科学,2013(5):109-112.

[6]王喜艳,张亚文,冯燕,等.玉米秸秆深层还田技术对土壤肥力和玉米产量的影响研究[J].干旱地区农业研究,2013(6):103-107.

[7]黄毅,王瑞丽,赵凯.辽西旱农区深层水肥调控对土壤主要物理性质和玉米产量的影响[J].干旱地区农业研究,2013(1):8-13.

[8]沈阳农业大学.多功能深耕合垄施肥机:中国,CN201120132330.8[P].2012-01-11.

[9]何进,李洪文,张学敏,等.1QL-70型固定垄起垄机设计与试验[J].农业机械学报,2009(7):55-60.

[10]中华人民共和国农业行业标准.NY/T 740-2003 田间开沟机械作业质量[S].北京：中国标准出版社，2004.

[11]中华人民共和国机械行业标准.JB/T 7732-2006 覆膜播种机[S].

[12]SHARMA, PEEYUSH, VIKAS ABROL,et al. Impact of tillage and mulch management on economics, energy requirement and crop performance in maize-wheat rotation in rained subhumid inceptisols, India[J].European Journal of Agronomy，2011,34 (1):46-51.

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

文章编号：1003-188X(2016)01-0090-05

中图分类号：S222.4

文献标识码：A

作者简介：王瑞丽(1970-)，女，河北赞皇人，副教授，博士，(E-mail)rlwangsynd@163.com。通讯作者：黄毅(1956-)，男，辽宁朝阳人，研究员，硕士，(E-mail)emhuangyi@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51175354)；公益性行业(农业)科研专项(201303125/201503134)

收稿日期：2015-01-04