四川丘陵旱地玉米穴灌覆膜施肥播种机设计与参数优化

胡 云，王小春*，陈 诚，蔡金雄，蒲 甜，张黎骅，杨文钰

（1.四川农业大学农学院，农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130；2.四川农业大学机电学院，四川 雅安 625014）

四川省是我国第三大玉米主产区-西南山地丘陵玉米区主要省份之一，近三年年均播种面积180万hm2以上[1]，其中丘陵山地占全省玉米播种面积65%以上。因地块小、土质黏，不适用北方机械，玉米机械化生产水平低，成本极高[2]，限制玉米种植。四川丘陵旱地因早春极易形成重旱和极旱气候条件[3]，导致玉米播种环节除常规播种、施肥外，还有灌溉、覆膜等环节。漫灌是目前四川丘陵旱地主要灌溉方式，但灌水定额大、水分利用率低。丘陵旱地均为雨养农业，水源缺乏难以满足漫灌需水量。崔福柱等研究表明，穴灌与常规漫灌相比水分利用效率提高7.50%[4]。穴灌利于玉米生长和产量形成。石文廷等研究表明，穴灌可提高玉米水分利用率和苗期素质，增加玉米产量[5]。陈伟研究表明，玉米覆膜处理与不覆膜处理相比出苗率提高8.07%，产量提高18.88%[6]。任新茂等研究表明，玉米覆膜处理比不覆膜处理水分利用率提高60.55%[7]。研制适宜四川丘陵旱地穴灌覆膜播种机具有重要意义。

穴灌坐水播种机研究主要集中在北方和黄淮海地区。王利强研究地轮泵水路型坐水播种机，具备间歇性灌水功能，实现种水同位，该机打穴所用打穴齿在土壤黏重的四川无法使用[8]。杨有刚等研制同步信号式种水同位施肥坐水播种机，该机开沟穴灌播种，水阀控制机构实现灌水量调节，大田试验显示，灌水存在沿沟流动情况，但穴灌量不足，春旱情况下致玉米种子无法萌发出苗，难以达到预期目标[9]。王光辉等研制水种同穴同施坐水播种机，利用螺杆棒转动实现灌水量调节，利用鸭嘴式打穴器打穴实现精准穴灌播种[10]。四川土质黏重，生产中多采用锐角开沟勺轮式排种器播种，丘陵旱地多为套作玉米，株距小，实现小株距勺轮式排种装置条件下种子和水分精准投放是设计关键。

为解决以上技术问题，本研究针对不同土壤底墒下适宜穴灌量及播种机水箱体积容量、智能穴喷控制器等关键技术，设计适于四川丘陵旱地智能穴灌覆膜播种机并优化参数，实现播种、施肥、灌水和覆膜四位一体，以解决四川及相近区域玉米播种过程繁琐、效率低下问题。

1 适宜四川丘陵旱地玉米机械化播种穴灌量的确定

1.1 试验设计

试验地点为四川农业大学成都校区人工气候室，供试品种为川单418，供试土壤为紫色湿润雏形土（典型西南丘陵区土壤），采用盆栽试验，两因素随机区组设计。X因素为不同土壤含水量：X1为13%（±0.5%），X2为15%（±0.5%），X3为17%（±0.5%）；Y因素为不同穴施水量：Y1为0.08 L，Y2为0.1 L，Y3 为0.12 L，Y4 为0.14 L，Y5 为0.16 L，Y6为0.18 L，Y7为0.20 L，Y8为0.22 L。共24个处理，3次重复，种植72盆，每盆3穴，每穴两株，模拟大田生产模式。通过测定出苗率和出苗后20 d株高确定不同底墒土壤适宜穴灌水量。

1.2 试验结果

由表1 可知，各土壤底墒条件下出苗率呈现一致规律：随穴灌量增加，玉米出苗率增加；随土壤底墒增加，达到同一出苗率所需穴灌量逐渐减少。在土壤水分含量分别为13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）时，最低穴灌量分别为0.16、0.14 和0.10 L 时出苗率超过90%，满足生产要求。

在满足玉米出苗率前提下，测定玉米出苗后20 d 株高，结果见表2，在不同土壤底墒条件下，玉米20 d 株高规律相同：随穴灌量增加，玉米株高增加，增加到一个峰值后趋于平缓，穴灌量继续增加，株高无显著差异或降低。土壤水分含量越大，出现峰值所需穴灌量越小。在土壤水分含量为13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）时，穴灌量分别达到0.20、0.16 和0.14 L 后再增加灌水量玉米出苗后20 d 株高无显著差异或反而降低。

综上可得，在土壤水分含量为13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）时，最低穴灌量分别为0.20、0.16 和0.14 L 时播种玉米可满足玉米大田出苗率并获得较高生长率，满足大田玉米前期生长要求。

对土壤含水量（X）和适宜穴灌量（Y）作线性关系分析如下：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对出苗率影响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对出苗后20 d株高影响Table 2 Effects of different soil water content and hole irrigation on plant height at 20 days after seedling (cm)

2 适宜四川地区穴灌播种机设计

2.1 播种机整机设计及工作原理

如图1～3 所示，播种机结构包括调距限深轮、机架、水箱、卡箍、肥箱、穴播排肥器、排肥管、齿轮变速器、种箱、折叠伸缩管、喷头、地轮、覆土轮、覆土器、红外线感应器、挡板、精量玉米播种盘、开沟器、智能穴喷控制器、输水管，水药箱通过卡箍固定安装在机架前端，调距限深轮安装在机架前端，肥箱固定安装在机架后端，穴播排肥器由进肥口、排肥盘、排肥外壳、出肥口与调控板组成，排肥管两头分别与出肥口和开沟器相连，智能穴喷控制器安装在机架上端，分别与水药箱和输水管相连，精量玉米播种盘与玉米排出管、水药排出管相通，地轮通过链条与齿轮变速箱相连，穴播排肥器紧固安装在肥箱正下方且与排肥管连接，水药箱与输水管之间安装智能穴喷控制器，红外线感应器平行玉米排出管并固定在精量玉米播种盘，水药玉米排出口管法线与在精量玉米播种盘处输水管出口法线夹角为0°，与玉米排出管法线为135°。

使用前，将玉米种子、肥料、水分别置于种箱、肥箱和水箱，将智能穴喷控制器通过导线与拖拉机中电瓶连接接通电源，将地膜拉出，用展膜辊和压膜轮将地膜压住。拖拉机行进时，地轮转动，带动链条转动，排种盘排出种子同时红外传感器将信号传导至智能穴喷控制器，智能穴喷控制器同时喷出定量水（通过改变通电时间改变灌水量），开沟器开沟，水和种子排入沟中，覆土器覆土，完成一次播种作业。播种同时，链条传动带动穴灌排肥器，排肥器运动通过排肥管将肥料投入排肥开沟器开出沟中并覆土。播种同时，覆膜开沟器运动，地膜轮随机组运动将地膜压入开沟器开出沟中，圆盘覆土器将土覆在薄膜上，完成压膜。

2.2 关键部位构成及工作原理

2.2.1 水箱容积设计

水箱容积影响机器作业效率和操作性能。水箱容积较小时需频繁加水，降低工作效率，浪费工作时间；水箱容积过大时水箱重量过大，造成机组下陷，压实土壤不利于玉米生长，且重量过大对拖拉机功率要求较高，降低拖拉机爬坡能力、转向能力和可操作性。

在四川丘陵旱地，玉米—大豆带状复合种植体系中，每带带宽为2 m，每带种植两行玉米，玉米行距为0.40 m，按照四川高产玉米种植密度60 000 株·hm-2，穴距为0.33 m，每穴播种两粒玉米，为不频繁加水导致效率降低，水箱容积满足0.0667 hm2玉米播种需水量。具体公式如下：

式中，V 为水箱容积（m3）；q 为穴灌量（L）；g为单位面积播种数。

根据前文可知：穴灌量范围为：0.14～0.20 L；g为2 000穴。

V范围为：0.14 L×2 000至0.2 L×2 000即280 L至400 L，通过换算V取最大值为：0.4 m3。

2.2.2 智能穴喷控制器

智能穴喷控制器由液压泵、第一电控阀门、第二电控阀门、二位二通电磁阀、分流器、控制按钮、红外线接收器、PLC控制器、显示器、继电器组成，其中第一电控阀门至分流器处元件保障穴灌技术实现，第二电控阀门至可伸缩折叠管保障喷灌技术实现。

如图2、3 所示，玉米经过排种管处时由红外感应器检测到玉米实际掉落情况，将数据传递给红外线接收器（197），红外线接收器（197）接收信号后输出反馈信号给PLC 控制器（198）输入端，PLC 控制器（198）输出一个控制信号到继电器（190），继电器（190）控制二位二通电磁阀（194）打开。智能穴喷控制器在接通电源后液压泵（191）开始工作将水药箱中水药经过调节电控阀门（192）吸出到液压泵（191）中，等待二位二通电磁阀（194）打开，二位二通电磁阀（194）打开后水将依次通过二位二通电磁阀（194）、分流器（195）与喷头，然后喷头开始喷水并在玉米到达玉米排出管（171）末端时由喷头（11）中高压水将玉米与水一同通过排出管冲入土壤中。当玉米通过红外感应器（15）检测范围时，红外线感应器（15）未能检测到玉米时，红外线接收器（197）无反馈信号输出到PLC 控制器（198）输入端，PLC 控制器（198）无输出信号控制继电器（190），继电器（190）不动作，二位二通电磁阀（194）关闭，然后播种盘处输水管（20）处喷头（11）停止喷水。如此反复保证智能穴喷控制器（11）达到间歇式智能穴喷控制。

2.2.3 种水同位装置

勺轮式排种器属于机械式排种器，具有结构简单、播种效率高等特点，该排种器广泛应用于精密玉米播种机。玉米—大豆带状复合种植核心技术缩株保密是指玉米宽行行距由传统0.70 m 扩大为1.60 m，窄行行距由传统净作0.70 m缩小为套作0.40 m，在密度60 000 株·hm-2不变前提下株距从0.476 m减小为0.334 m。在此背景下，智能穴灌覆膜播种机实现小株距下水种同位尤为重要。智能穴灌覆膜播种机采用勺轮式排种器，保证排种均匀、稳定，满足小株距播种要求，固定在精量玉米播种盘上固定红外线感应器平行于玉米排出管，感应精量玉米播种盘排出玉米种子并将信号传导至智能穴喷控制器，通电后液压泵吸水，在玉米种子到达玉米排出管末端时喷头中喷出高压水将玉米种子冲入土壤，保证水种同位。

2.3 田间试验

试验于四川省仁寿县现代农业示范基地完成，处理为使用玉米穴灌覆膜施肥播种机播种，对照为常规灌溉不覆膜机播，播种密度为60 000株·hm-2，共2 个处理，每个处理重复3 次，共6 个小区。玉米每公顷配施过磷酸钙600 kg（含P2O512%），氯化钾150 kg（含K2O 60%），尿素522 kg（含N 46%），施肥、播种深度均为0.05 m，施肥为沟施，施肥位置在玉米窄行中部，施肥均为播种时播种机施作底肥。其他管理同大田。从播种之日起使用雨棚遮雨15 d。播种时测定土壤底墒为16%（±0.5%），采用Y2 计算穴灌量为0.15 L 即穴灌总量为4.5 m3·hm-2；常规灌溉为播种后使用水泵抽水灌溉，抽水速率为2 m3·h-1，浇水0.75 h·667 m-2，常规灌溉量为22.5 m3·hm-2。试验期间降雨共332.5 mm（将灌溉用水换算成mm）。试验测定指标有出苗率、产量和水分利用效率，样机播种时计算粒距合格指数、重漏播指数、播深合规率等。

使用样机播种粒距合格指数、播深合格率分别为85.1%、76.5%；重、漏播指数，粒距变异系数分别为6%、3.3%、9.2%，播种效果良好。各项指标满足玉米大田播种要求。田间试验结果见表3，使用样机播种出苗率、产量和水分利用效率分别为91.11%、8 581.95 kg·hm-2和24.90 kg·hm-2·mm-1；常规灌溉不覆膜机播出苗率、产量和水分利用效率分别为78.89%、6 594.75 kg·hm-2和21.11 kg·hm-2·mm-1，使用样机和普通播种机大田试验结果在0.05水平上各指标差异均极显著。

表3 样机播种情况统计Table 3 Planting statistics of prototype

表4 田间试验结果Table 4 Field test result

3 结果与分析

3.1 穴灌量参数优化

播种后，种子萌发需从土壤吸收足够水分。使用穴灌播种技术时，灌水量过少，未达到土壤临界含水量，种子难以发芽或者穴灌水在土壤表层风干，已萌发幼苗得不到充足水分而枯萎；灌水量过大，易造成土壤通气不良，限制种子萌发同时增加作业过程中加水次数，导致穴灌播种作业效率低、成本高[11]。刘一龙等研究表明，灌水过多或不足限制玉米产量[12]。马淑英等认为，在穴灌播种过程中，保证每株玉米灌溉量达到118 mL，玉米正常萌发出苗[13]；金诚谦等研究表明，穴灌量达到150 mL 时，玉米正常出苗[14]。本试验研究结果表明，当土壤水分含量不同时，需穴灌量不同，随土壤水分含量增加，穴灌量减少；针对不同土壤含水量有不同穴灌量，穴灌量为定值，与前人研究有一定差异，与本文土壤质地有关。本研究土壤水分含量为13%（±0.5%）、15%（±0.5%）和17%（±0.5%）时，每穴分别0.20、0.16 和0.14 L 为最佳穴灌量。线性分析表明，不同范围水分含量土壤与最佳穴灌量线性关系不同，水分含量13%～15%时，适宜穴灌量Y 与土壤含水量X 之间关系为Y=-2X+0.46；水分含量在15%～17%时，适宜穴灌量Y与土壤含水量X之间关系为Y=-1X+0.31，与侯玉虹等研究不同质地土壤底墒与最佳灌溉量对玉米苗期株高影响等效点方程呈不同线性关系结果一致[15]。

3.2 智能穴灌覆膜播种机创新点

穴灌播种机在四川丘陵旱地运用存在问题为水种同穴同施坐水播种机采用鸭嘴式成穴钉齿打穴装置，而四川丘陵旱地地区土壤质地粘重，鸭嘴式成穴钉齿无法正常使用。本文利用开沟播种，播种与穴灌同步，采用匀轮式排种装置保证播种均匀稳定；同步信号式种水同位施肥坐水播种机缺少覆膜装置；前人设计该类播种机穴灌量均为固定量，而本文设计穴灌播种机穴灌量通过二位二通电池阀门开闭时间调节穴灌量，通过液压泵产生高压水流将玉米种子冲入土壤中，保证灌水和种子充分接触，不产生错位情况，减少灌水损失，提高水分利用效率。智能穴灌覆膜播种机采用铧式犁开沟器，更契合四川丘陵旱地土壤质地。

3.3 样机田间试验结果

样机大田试验粒距合格指数、播深合格率高于规范要求；重、漏播指数，粒距变异系数低于规范要求，样机满足农业部制定播种机质量要求。田间试验结果表明，使用样机播种灌水量为4.5 m3·hm-2，较常规播种灌水量每公顷节约18 m3；使用样机播种出苗率比常规灌溉不覆膜机播提高15.49%。此结果与灌水位置和灌水量有关，样机灌水位置与种子在同一位置且灌水后种子立即与水接触，适宜灌水量即满足种子萌发所需水分[16]，适宜灌水量提高作物产量和水分利用效率[17]。样机先灌水后盖土，不存在土壤表层板结问题，盖土后覆膜保温有保墒作用，利于玉米苗期生长；常规漫灌灌水量大且先盖土后灌水，导致土壤表层板结和土壤缺乏氧气，无氧呼吸对种子产生毒害作用[18]。灌水下渗量由于离灌水位置不同而不同，部分土壤水分过高或土壤缺水，不利于种子萌发。常规漫灌后不覆膜在高温天气下水分很快蒸发，灌水难以充分利用，水分利用效率降低。

使用样机播种产量和水分利用效率比常规灌溉不覆膜机播分别提高30.13%和31.03%，说明样机符合丘陵旱地播种要求，可为丘陵旱地玉米播种机设计与应用提供参考。