棉秆拉拔阻力的研究

陈明江，宋德平，王振伟，王仁兵，刘凯凯，陈永生

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京　210014；2.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州　256601)



棉秆拉拔阻力的研究

陈明江1，宋德平2，王振伟1，王仁兵2，刘凯凯2，陈永生1

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京210014；2.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州256601)

摘要：为研究收获期的棉秆根部直径和土壤硬度对棉秆拉拔阻力的影响，为棉秆拔秆收获机械的设计和使用提供参考依据，在山东省无棣县棉花生产全程机械化示范基地进行了棉秆拔秆试验，采集了棉秆拉拔阻力、根部直径和土壤硬度的数据。试验结果表明：在较长时间跨度里，棉秆的拉拔阻力变化很大，呈先增大后减小的趋势。已采集的6批次数据中，第2批次(2014.12.26)棉秆拉拔阻力最大，单株棉秆最大拉拔阻力为1031.6N，平均拉拔阻力为679.0N；第6批次(2015.03.21)棉秆拉拔阻力最小，单株棉秆最大拉拔阻力达到471.1N，平均拉拔阻力为340.76N。对采集的数据进行的回归分析表明：同批次的棉秆拉拔阻力与棉秆根部直径成正相关关系，直线回归关系不显著；同批次的棉秆拉拔阻力土壤硬度成正相关关系，直线回归关系不显著。

关键词：棉秆；拉拔阻力；根部直径；土壤硬度

0引言

棉秆是棉花种植的副产品，是重要的生物质资源，既可作为燃料或饲料，也可作为肥料粉碎还田，同时在工业领域也有广泛的应用，具有较高的经济价值[1]。2014年，全国棉花播种面积4.22×106hm2，若棉秆单位面积产量按3t/hm2计算，全国棉秆总产量约为1.266×107t[2]。尽管棉秆总量巨大，但棉秆收获技术发展迟缓，配套收获装备性能低下，未能得到广泛推广。除新疆地区大部分棉秆被粉碎还田外，其他地区多数农户仍旧采用手工拔除或焚烧的方式处理，致使棉秆资源利用率低下。拔秆收获能实现棉秆的全部收集，可避免残留根茬对下一轮作物的不利影响，是最受农民欢迎的收获方式。为此，国内研制了多种基于拔秆原理的棉秆收获装备：水平齿盘式拔棉秆机，如河北农哈哈的4MJ-2型棉花秸秆收获机；卧式齿辊拔棉秆机，如农业部南京农业机械化研究所的4MGB-237型棉秆拔秆切碎联合收获机；链式拔秆机，如苏顺达机械厂的MB-1型棉花拔棵机。由于设备的性能、可靠性还达不到相应的要求，且对拔秆机理的基础性研究还有所不足，这些机型的使用并不广泛[3-8]。

棉秆拉拔阻力是棉秆收获机理研究的重要技术参数，国内外科研单位在这方面开展了一系列工作。张凤元[9]测定，人工用手拔棉柴的拔秆阻力为40～120kg/株，可见其劳动强度特别大。苏丹喀土穆大学的Tawfig F·Demian[10]研究发现，一棵棉株从同一穴中好几棵棉株中拔出来最大起拔力为1 000N，一棵单独的棉柴的起拔力为1 210N。沈茂[11]等研究人员在研究中发现，沿垂直方向拉拔，棉秆的整个根系都受到土壤的阻力；而以一定角度拉拔，棉秆仅有一部分根系受拉，这样必然使得棉秆的拉拔阻力减小。李怡[12]等人开展的进一步研究发现，起拔角度对棉秆起拔力存在显著影响，试验条件下最优起拔角度为30°，最优起拔线速度为6.28mm/s。由于棉秆拔秆阻力的影响因素同时还与土壤的物理参数有密切关系，因此在实际应用中还需要同时考虑土壤对拔秆阻力的影响。山西省运城市农机科研所李有田[13]在对棉秆拉拔阻力作了初步测定发现，棉柴拉拔阻力分布与位移关系可分为阻力上升阶段和阻力下降阶段。

实际上，从棉花开始采摘到棉秆完全收获有5～6个月，在这段时间内，受土壤、气候、棉秆生理活性等因素的影响，棉秆的水分蒸发、根部腐烂，以及土层的含水率、硬度变化都会导致棉秆的拉拔阻力在不同的时间段存在变化。土质、土壤含水量和土壤坚实度对棉柴的起拔力有较大的影响[14]，虽然人们对棉秆拉拔阻力进行了研究，但忽略了在较长时间跨度里棉秆腐烂、水分、温度、土壤理化性质等因素对棉秆拉拔阻力的影响。针对上述问题，本文测量了棉秆在不同的时间点拉拔阻力的变化，为棉秆收获装备的研制和使用提供参考资料。

1材料与方法

1.1试验区概况

采样地点位于山东省滨州市无棣县棉花生产全程机械化示范基地，土壤属盐碱地；气候夏热多雨，冬寒季长，春季多风干燥；数据采集区的棉花采用一膜双行的膜下直播种植模式，棉花品种为中棉所-50(CCRI50)。

1.2数据采集

数据采集从棉花收获后开始，第1次采集时间在2014年10月23日，此后每隔一段时间采集1次数据，一直延续至第2年春季棉花播种。主要采集棉秆根部直径、拉拔阻力及土壤硬度等数据，并通过天气预报跟踪天气变化，如气温等。根部直径采用测量棉秆地表根部同一横截面的垂直两个方向的尺寸，并求取平均值。拉拔阻力的测量使用乐清禾木仪器仪表有限公司SH-1000型数显式推拉力计(量程0～1 000N，精度0.5N)，其能够实时显示测量力的变化，且能将每次测量的最大数据自动存储。具体测量方法是：用尼龙绳一端拴在棉秆的根部，另一端连接到推拉力计的挂钩上，并竖直向上缓慢提拔，根部脱离土壤后，读取最大数据。土壤硬度的采集采用潍坊普创仪器有限公司TYD-1型土壤硬度计，测量距离棉秆根部5cm内侧(铺膜)和外侧(未铺膜)数据，并求平均值。每次测量数据40组，形成棉秆根部直径、拉拔阻力和土壤硬度的数据表，经处理后如表1所示。

表1　采集的相关数据

2结果与分析

观察表1的数据发现：第3～5次采样数据中的拉拔阻力数据缺失。因棉花根系为直根系，分为主根和侧根，大部分的根系分布在耕作层内，在土壤养分、水分和土质合适的情况下，根系生长非常发达，主根可深入土层达2m左右，侧根长度可达1m以上，73%以上的根几种在地表40cm的土层内，根系下扎可达140cm，根系总量有超过80.6%侧向分布在0～15cm。平文超的试验结果表明：不同密度下，0～30cm的土层内的根干质量和根长分别占总量的67.8%～97.4%和54.0%～93.3%；30cm以下土层的棉秆根部主要是毛细根部，其容易断裂，产生的拉拔阻力小，棉秆抓地力最强的部分主要位于0～30cm的土层内[15-16]。而滨州为温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，进入冬季以后气温逐渐降低。追踪滨州市当年分月的天气发现：在进入12月份后，日最低气温均在0℃以下，导致土壤从上往下逐渐发生冰冻。随时间的推移，冻土深度加深，土壤和棉秆地表向下的根部理化性状随之发生改变，土层内的水分变为冰渣，棉秆根部的水分也变为冰渣并附着其上，如图1所示；而位于0～30cm的土层内的棉秆根正好是土层对棉秆作用力最强的部分。因此，导致棉秆的拉拔阻力急剧增加，绝大多数棉秆的拉拔阻力已经超出推拉力计的量程，超过人力拉拔的极限(多数棉秆两人合力不能拔出)；又因寒冬不适合田间作业，棉秆的收获也失去了意义，因此未采集相关数据。

2.1棉秆根部直径对拉拔阻力的影响

为提高研究结果的可信度，文中分别对第1次采样数据与第2次采样数据通过MATLAB软件进行线性回归分析，分析结果如图2所示。

线性回归模型为

y1=29.42x+21.26

r2=0.60F=560.00P=0.00

P<0.05，可知线性回归模型成立；r2=0.60，说明回归方程显著性一般。

y2=33.78x+200.82

r2=0.00F=12.00P=0.00

P<0.05，可知线性回归模型成立；r2=0.60说明线性回归不显著。

图中A、B、C区域有非常明显的冰渣

○代表第1次采样数据 ；+代表第2次采样数据

通过软件分析，可直观地发现：同批次采集的数据中，棉秆最大拉拔阻力与棉秆根部直径成正相关关系，如图2所示。线性回归分析得出的两组处理结果中P值均小于0.05，表明线性回归模型成立；但回归模型y1中的r2=0.60，显示其模型线性回归性不显著。回归模型y2中的r2=0.00，显示其模型线性回归极不显著。这是因为直接影响棉秆拉拔阻力的因素可能有土壤的硬度、土壤跟棉秆的摩擦力及棉秆根系的分布生长情况等因素。在同一地块中，因肥力的不均匀性，造成棉秆根系生长差别较大，导致棉秆的拉拔阻力存在了较大差别；而棉秆的根部地面直径的大小仅是在一定程度上反应根系的生长情况。

2.2土壤硬度对拉拔阻力的影响

由于棉秆的拉拔阻力与棉秆直径存在正相关关系，因此在研究棉秆的最大拉拔阻力与土壤硬度的关系时，应避免棉秆根部直径这个因素对棉秆最大拉拔阻力的影响；但实际情况决定了采集相同直径棉秆的数据难度大，就不可避免棉秆直径对数据分析的影响。所以，为了最大限度地减小棉秆直径对棉拉拔阻力的影响，文中按照直径大小将棉秆数据分组(理论分组区间越小，直径因素对研究拉拔阻力和土壤硬度的影响因素越小)，既要降低直径因素的影响，又要兼顾分组中数据的个数，本文将棉秆直径按照1mm的区间进行分组。为提高数据的可信度，从第1批次数据中选取了数据个数最多4组数据，分别是直径在12～13mm、13～14mm、15～16mm、17～18mm的数据，并对4组数据分别做了拉拔阻力和土壤硬度的线性回归分析，如图3所示。

图3土壤硬度与棉秆拉拔阻力的关系

Fig.3The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉秆拔秆试验数据；*代表13～14mm棉秆拔秆试验数据；+代表15～16mm棉秆拔秆试验数据；△代表17～18mm棉秆拔秆试验数据。

线性回归模型为

y3=54.60x+663.89(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y4=49.59x+177.98(13～14mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y5=63.55x+110.31(15～16mm)

r2=0.5F=6.50P=0.00

y6=59.80x+300.07(17～18mm)

r2=0.6F=6.40P=0.01

对方程y3、y4、y5、y6进行比较分析发现：仅有y3回归模型显示棉秆的拉拔阻力与土壤硬度成负相关关系。对12～13mm内的数据分析发现：有1组数据直径12.21mm，土壤硬度3.15kg/cm2，拉拔阻力614N，其大小远超过12～13mm，其它拉拔阻力的平均值373.6N。该数据可能受未知因素的影响而远超过常规数据，因此为降低对整体数据的影响，将该数据的拉拔阻力修正为其它数据的平均值373.6N，重新进行线性回归分析，分析结果如图4所示。

图4土壤硬度与棉秆拉拔阻力的关系

Fig.4The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉秆拔秆试验数据；*代表13～14mm棉秆拔秆试验数据；+代表15～16mm棉秆拔秆试验数据；△代表17～18mm棉秆拔秆试验数据。

线性回归模型为

y3=7.62x+341.71(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.08

虽然P=0.08>0.05，显示线性回归模型不成立；但是从图上y3的线性图像上看出：棉秆的拉拔阻力与土壤硬度成正相关关系。综上，在y4、y5、y6显示棉秆拉拔阻力与土壤硬度正相关非常明显的基础之上得出棉秆的拉拔阻力与土壤硬度成正相关。

2.3在长时间跨度里棉秆的拉拔阻力变化趋势

研究在长时间跨度里棉秆的拉拔阻力变化趋势时，将所采集的数据按照棉秆直径5～9mm、10～12mm、13～15mm、16～19mm及20mm以上分成5个等级，分别求取对应级别中每组棉秆的平均拉拔阻力。平均拉拔阻力与根部直径对应关系如图5所示。

为便于描述，将采集的数据按照时间顺序为3组，第1次采样数据与第2次采样数据分别设为Ⅰ和Ⅱ组，第6次采样数据设为Ⅲ组。横向比较3组数据可知：每组棉秆的平均拉拔阻力均随平均直径的增加而增大。纵向比较3组数据可发现：在同一直径区间内，棉秆的平均拉拔阻力Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。

分析此次试验对比得出：在同批次棉秆中，棉秆根部的最大拉拔阻力不但与棉秆根部直径成正相关关系(这与上文中得出结论一致)，而且在不同批次棉秆中，棉秆的最大拉拔阻力相差甚大；其变化规律呈先上升后下降的趋势，拉拔阻力最大的时候出现在寒冬。该地区在棉花收获后约1个月时间进入寒冬，平均温度降至0℃以下并持续下降，土壤水分冻结，出现冻土，且随着时间推移，冻土深度增加，使得土壤硬度增加，从而导致棉秆的最大拉拔阻力急剧上升；3月份后，温度升高，冰雪融化、冻土解冻及在微生物活动的影响下，导致土壤疏松，土壤硬度减小；其次，棉秆根部诸多毛细根及较细的根部腐烂变质，导致自身抗拉强度减小，受力容易断裂，综合诸多因素导致棉秆的最大拉拔阻力减小，且明显小于棉花收获初期时的最大拉拔阻力。

图5　不同月份棉秆拉拔阻力的比较

3结论

通过试验可以得出：在同批次棉秆中，棉秆的拉拔阻力跟棉秆根部直径成正相关关系；棉秆的拉拔阻力与土壤硬度成正相关关系；受土壤硬度变化的影响，棉秆的拉拔阻力也发生变化，从棉花收获后到棉花再播种期间，棉秆的拉拔阻力变化很大，呈先增大后减小的趋势。已采集的6批次数据中，第2批次(2014-12-26)棉秆拉拔阻力最大，单株棉秆最大拉拔阻力为1 031.6N，平均拉拔阻力为679.0N；第6批次(2015-03-21)棉秆拉拔阻力最小，单株棉秆最大拉拔阻力达到471.1N，平均拉拔阻力为340.76N。

需要指出的是：棉秆的拉拔阻力只是棉秆拔秆收获需要考虑的因素之一。实际上，随着含水率的变化，棉秆的抗拉强度等力学特性也在不断发生变化。就本次试验数据而言，第6批次棉秆试样尽管拉拔阻力最小，但棉秆的抗拉强度和抗弯强度等力学特性参数也最小，极易在拔秆作业中发生断裂[17-18]，从而影响收获作业效果。棉秆收获作业能耗受拉拔阻力影响，而拔断率与棉秆抗拉强度和抗弯强度等力学特性有关。因此，棉秆拔秆收获作业需综合考虑棉秆拉拔阻力和棉秆自身力学特性。

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Research on the Cotton-Stalk Uprooting Resistance

Chen Mingjiang1, Song Deping2, Wang Zhenwei1, Wang Renbing2, Liu Kaikai2, Chen Yongsheng1

(1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;2.Binzhou Research Institute for Agricultural Mechanization, Binzhou 256616, China)

Abstract：In order to study the cotton-stalk uprooting resistance influenced by the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, and thereby to provide reference for the design and use of cotton-stalk uprooting harvester, cotton-stalk uprooting experiment was taken artificially in cotton full mechanization demonstration base in Wudi district,Shandong Province. Experimental results show that, in a long time interval, the cotton-stalk uprooting resistance changes greatly, first increased and then decreased. Among the 6 batches of sampling data, the largest cotton-stalk uprooting resistance appears in the second batch (2014-12-26), the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 1 031.6N, and the average uprooting resistance is 679.0N, the smallest cotton-stalk uprooting resistance appears in the sixth batch (2014-12-26),the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 471.1N,and the average uprooting resistance is 340.76N.Regression analysis of the sampling data shows that, during the same period, the cotton-stalk uprooting resistance is positive correlation to the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, both of the linear regression relationships are not significant.

Key words：cotton-stalk; uprooting resistance; root diameter; soil hardness

文章编号：1003-188X(2016)06-0064-05

中图分类号：S121；S562

文献标识码：A

作者简介：陈明江(1984-)，男，江苏高邮人，助理研究员，硕士，(E-mail)cmj_cn@163.com。通讯作者：陈永生(1964-)，男，江苏泰兴人，研究员，(E-mail)cys003@sina.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203057)

收稿日期：2015-06-29