湖北省水稻生产全程机械化解决方案

张玉华,张凯鑫,陈 源

(1.湖北工业大学 经济与管理学院,武汉 430068;2.湖北省农业机械工程研究设计院,武汉 430068)

0 引言

长江、汉江流域被列为全国优质稻谷产业带[1],推进水稻生产全程机械化有利于提高水稻的生产效率。为此,以湖北省水稻种植区域划分为基础,结合地形地貌、水稻农艺、水稻机械机具类型、技术,以水稻耕整、机插、收割等水稻生产关键环节为重点,分析了湖北省水稻生产全程机械化建设存在的问题,探索了湖北省水稻生产全程机械化建设的途径。

1 湖北省水稻种植基本情况

统计数据显示,1978—2017 年,湖北省水稻种植面积有升有降：1978—2003年期间水稻种植面积持续下降,从1978年的 2894.63khm2下降到2003年的1808.75khm2,下降幅度为 20.84%;2004年实施粮食最低收购价政策后,水稻种植面积出现反弹,增加到2084.02khm2,增加幅度为15.22%;2000—2012年期间在2000khm2左右波动,2013年开始持续增加,维持在2200～2300khm2左右;2017年水稻播种面积为2368.07khm2[2]。湖北省水稻历年种植面积分布如图1所示。湖北省是全国重要的水稻主产省[3],省内各区大多属于亚热带大陆性季风气候,四季分明,雨量充沛,温暖湿润,光照充足,地貌类型多样。湖北省总面积中,山地占56%,丘陵占24%,平原湖区占20%[4]。湖北省水稻种植区域主要集中于鄂中丘陵、鄂北岗地的襄阳市、荆门市、京山县,鄂东北地区孝感市,以及江汉平原和鄂东地区的荆州市和黄冈市等地。以自然条件、种植习惯为划分依据,湖北省各区域水稻种植情况分布如表1所示[5-11]。

图1 1978-2017年湖北省水稻播种面积分布图Fig.1 Distribution map of rice planting area in Hubei Province from 1978 to 2017

表1 湖北省水稻种植区域分布情况表Table 1 Regional distribution table of rice planting in Hubei Province

2 湖北省水稻生产全程机械化存在问题

湖北省自然条件优越,水稻多与小麦、油菜等作物轮作。水稻种植制度可以分为单季稻、双季稻、再生稻,以及稻渔共生等形式。2017年,湖北省农业机械总动力为43 354 699.08kW[2]。水稻生产各环节机械化水平分别为机械耕整92.6%,机播6.82%,机插38.72%,联合收获90.48%[2]。近些年,虽然湖北省农业机械水平和机具保有量比以前有很大的提升,但由于水稻生产过程复杂,且湖北省地形较为复杂,水稻机械化在很多方面还存在着明显的不足,作业效率有待提升。因此,研究湖北省水稻机械化过程中存在的问题,对推进湖北省水稻生产的全程机械化意义重大。

2.1 江汉平原水田机械耕整泥脚变深、土壤结构破坏问题突出

江汉平原是湖北省水稻生产的重要产区,2017年播种面积为1022.42khm2,占湖北省水稻种植面积的43.18%[2]。水田耕整地是水稻生产中非常重要的环节,一般由动力机械牵引耕整机械完成。耕整水田的动力机械一般有轮式拖拉机、履带式拖拉机及船式拖拉机。在湖北地区,除荆州、仙桃、潜江有少量履带式拖拉机+旋耕生产模式外,大多数水田采用44～58.8kW轮式拖拉机+旋耕机的生产模式完成机械耕整(丘陵地区多采用微耕机进行耕整),能翻松,弄碎土壤,平整表层土壤,清除田间杂草,改善作物生长环境。但由于轮式拖拉机接地比压较大,高花轮胎在提供足够牵引力的同时,接地压力大,会造成土壤压实和结构性破坏。在低洼易涝地区的水田作业时,轮式拖拉机通过性能不好,作业时要较大滑转率才能达到最大牵引力,对硬底层破坏严重,导致田间泥脚不断变深。在湖北江汉平原地区,这种问题尤为突出,因为江汉平原复种指数较高、作业次数多,多茬耕作后会导致泥脚逐渐变深。水田泥脚变深后,小马力拖拉机因泥脚深不能够完成作业,农户只能选择大马力轮式拖拉机,而大马力拖拉机会使上述问题变得更严重。履带式拖拉机接地比压较小,不会碾压泥底层,但由于履带与黏土间静态压覆使得脱泥效果不佳,会影响机具的作业效果。

2.2 鄂东北低山丘陵区种植机械化水平和适应性有待提高

鄂东北地区属亚热带大陆性季风气候,四季分明,光照充足,非常适合种植水稻;但该地区属丘陵地区,一般水稻田块小、分散,田间落差比较大[12],地形条件限制使鄂东北低山丘陵地区的农机化水平要低于平原湖区。在购机补贴政策影响下,虽然旋耕、施肥、植保各环节机械化水平有大幅度提高,但种植机械水平和适应性仍有待提高。2018年,湖北农村统计年鉴的数据显示,鄂东北低山丘陵的种植机械水平一般低于荆门、荆州等平原湖区。例如：2018年,京山县水稻机械种植面积为42 752khm2,水稻种植面积为65.99khm2,机械种植机械化水平为64.79%,而孝南机械种植面积为9800hm2,种植面积为28khm2,机械种植化水平为35%[2]。造成这种现象的原因为：①鄂东北地形条件影响了机具的适宜性。水稻机械种植方式主要有机械育插秧、机械直播和机械抛秧,每种方式各有利弊,育插秧能节约田间种植时间7～15天,并能保持较好的产量,但育秧工序繁琐、人工成本较高。直播能有效解决育秧成本高的问题,省去育秧、拔秧和移栽作业[13],在节水、田间管理、提高土壤有机质等方面都大有益处,但不能节约田间种植时间。水稻种植机械在实施过程中存有一些问题：一是少播、漏播导致的减产问题;二是机械插秧存在有插秧易倒、漂、伤秧、缺穴的问题[14]。这些机械种植的问题在其他区域也存在,但由于鄂东北大部分地域为丘陵山地,田块之间都有落差,田块面积小、机具在其间转移难度大,大中型机具无法下田,小型机具也运转不畅,危险系数高,这种地形加大了机具的不适应性。②适用机具少。购机补贴是激励农民购买农机的有效政策,在国家实施购机补贴政策之后,农民的购机热情高涨,但许多适用于平原地区的机具不适用于丘陵山区,适宜的小型适宜机具未进入补贴目录,影响了农民用机积极性。

2.3 再生稻头季机收技术有待研制和改进

再生稻是“一种两收”的种植模式,传统再生稻生产头季采用人工撩穗收割,打捆搬运后脱粒,由于再生稻种植栽培技术的限制,传统再生稻模式在湖北省的推广面积逐年萎缩。近年来,随着再生稻栽培技术的进步,湖北省的再生稻生产呈现高速发展之势,种植面积从 2013 年的 2.98万hm2增至 2017 年的 15.3万khm2[15]。在再生稻的推广应用过程中,机械收割的适配性对再生稻生产发育与产量都有影响,湖北省水稻机收机械主要有自走轮式谷物联合收割机(全喂入)、自走履带式谷物联合收割机(全喂入)和半喂入联合收割机。水稻机械联合收获技术相对较为成熟,但在湖北省地域范围内,再生稻头季机械收割的相关技术并不完善,其适配性还有待研制和改进,主要表现为：①头季再生稻收割带水问题。头季再生稻收割都带水收获,田间的含水量较高时,不利于轮式收割机的行走,采用履带式收割机能在一定程度上改善轮式机具行走结构,适应水田作业,但履带宽度比一般轮式收割机大,转向半径大、转向不灵活,易造成稻桩碾压,头季稻稻桩碾压率过高,易造成再生稻再生季产量下降,稻米品质降低[16]。②脱粒风选不净问题。对于联合收割机的脱粒清选机构来说,双季稻和再生稻的头季均在7—8月间,具有雨水多、温度高、籽粒含水量大等特点,存在风选不净的问题。③下陷问题。再生稻需要收割后留高茬供再生季生长,再生稻头季机械收获时,收割机会碾压稻桩,如遇田间排水不畅,稻田土壤硬实度较低,收割机在作业过程中下陷,稻桩受碾压,稻桩受到破坏,将影响再生季的生长。

2.4 粉碎还田切碎能力不强,打捆机秸秆捆易于膨胀松散,成捆率偏低

湖北省各级政府高度重视秸秆禁烧工作,对秸秆粉碎还田等农作物秸秆还田和捡拾利用机具实行敞开补贴。2018 年,湖北省水稻秸秆 2515.99万 t;水稻机械还田秸秆量 1710.88万t,机械还田率68%,离田量 335.13万t,机械离田率18%[17]。秸秆禁烧工作成效显著,但还存在不少问题。主要表现为：①打捆机秸秆捆易于膨胀松散、成捆率低。湖北省机械化秸秆处理一般采用秸秆还田机械化技术(联合收割机加装切碎器抛撒还田)和秸秆离田机械化技术(拖拉机配套打捆机)。农作物秸秆还田和离田应分作物考虑,因为秸秆还田会提高作物产量[18],但也是农作物生产中重要的生物资源。湖北江汉平原和鄂东南地区的水稻种植面积较大,对于中稻和晚稻,晒田后收割,水量低,易于离田,但目前以秸秆还田技术为主。2018 年湖北省秸秆粉碎还田机的保有量为21 517台,秸秆捡拾打捆机的保有量仅为1752台[2]。这主要是因为目前离田机械技术中多使用拖拉机配套打捆机,目前国内使用的各类打捆机秸秆捆都存有成捆率低的问题[19],且目前国内多使用牵引打捆机,需收获后二次下田作业,对土壤有一定破坏[20]。②粉碎还田切碎能力不强。秸秆粉碎还田是湖北省秸秆处理的主要方式,秸秆就地还田成本较低,可以通过秸秆粉碎加腐熟剂的形式进行还田,增加土壤有机质;但在实践中存有秸秆粉粹能力不强,影响还田和需二次粉碎问题。

3 湖北省水稻生产全程机械化解决方案

3.1 江汉平原单季稻-冬油菜轮作模式

稻油轮作的机械化作业流程为：水稻种植→田间管理 →水稻机械化收割→机械化耕整→油菜种植→油菜机械化收割→秸秆粉碎还田→机械化耕整→ 水稻种植。水稻、油菜轮作是提高土地复种指数的一种方式,可充分利用冬天闲置土地,对土壤肥力有明显的改善,有充分的时间处理秸秆,可以解决秸秆还田难以腐烂、田间遗留茬桩的问题。

1)育秧：采用工厂化育秧形式培育水稻秧苗。SBL-280型水稻育秧播种流水线实现自动铺土、播种,能确保播种量均匀,底土厚度统一,以利秧苗盘根。产品使用220V民用电源驱动,电源不便地区,可配用发电机,如图2所示。

图2 SBL-280工厂化育秧机Fig.2 SBL-280 Factory rice seedling machine

2)大田耕整：该地区属于平原湖区,种植面积大,且具有深泥脚的问题,耕整方面要求机具作业较为高效。建议采用51kW左右的船式拖拉机牵引旋耕机、打浆平地机在泡田后将其耕整,耕整深度100～150mm,要求不留残茬,可以选用图3HH702船式拖拉机。有条件的地区可以使用平地机,要求耕整后田块表面高低相差不超过30mm,耕整后沉实1～2天后,在达到水泥分清沉淀不板结的情况下进行机械插秧。机具选择如图3、图4所示。

图3 HH702船式拖拉机Fig.3 HH702 boat- type tractor

图4 打浆平地机Fig.4 Beating grader

3)机械插秧：插秧前应保证前茬秸秆处理干净,无残茬;否则,将影响插秧机秧爪深入泥土,导致倒秧、堵秧和漏秧,同时要求耕整后沉实效果达到力学条件,适合高速机械化插秧。插秧机方面,可以选择6～8行乘坐式高速插秧机,每天工作面积达到3.3hm2。各地根据实地情况,由机具预定种植面积,由种植面积预定育秧数量。插秧机可以选择洋马2ZGQ-60D乘坐式高速插秧机,功率15.4kW,6行,如图5所示。

图5 洋马2ZGQ-60D乘坐式高速插秧机Fig.5 Yangma 2ZGQ-60D sitting high speed rice transplanter

4)田间管理：机插后,田间干湿交替,湿润为主, 及时晒田,浅水抽穗扬花,湿润灌浆,收割前7天断 水。水田田间管理机具建议采用高地隙植保机。在 水田中,特别需要转向灵活、转弯半径小的植保机。其中,四轮转向高地隙植保机能够将转弯半径缩小,3WP-600HA植保机整机四轮驱动、四轮转向,匹配差速锁和大马力发动机, 转向灵活,水田通过性好;整机采用撒肥前置、动力后置的设计,确保整车重心在中间位置,确保水田作业和转运时通过性和安全性更好,功率18.5kW,如图6所示。

图6 3WP-600HA四轮转向高地隙植保机Fig.6 WP-600HA Four-wheel steering high-clearance plant protection machine

5)机械收获：单季稻成熟后籽粒含水率及土壤含 水率低,有利于机械化收获,对收割机没有特别的要求,可选用功率大、喂入量大的全喂入或半喂入收割机。全喂入收割机可以选用久保田4LZ-4型自走履带式联合收割机,喂入量4kg/s,功率72.9kW,割台宽度2300mm,如图7所示。半喂入收割机可选用久保田4LBZ-172型自走履带式联合收割机,作业行数5行,功率66kW,如图8所示。

图7 久保田4LZ-4型全喂入自走式履带联合收割机Fig.7 Jiubaotian 4LZ-4 Full-feed self-propelled crawler combine-harvester

图8 久保田4LBZ-172型半喂入自走履带式联合收割机Fig.8 Jiubaotian 4LBZ-172 self-propelled crawler combine- harvester

6)秸秆处理：水稻秸秆处理后种植下茬油菜。油菜多以播种形式种植,水稻秸秆处理相对容易。对于水稻秸秆,采用全喂入水稻收割机,在收割时将其粉碎。留茬高度大于180mm的需要使用旋耕机灭茬,对于秸秆量大、抛撒不均匀的田块,需要多次灭茬。机具选用河南豪丰1GKNS-230旋耕机,如图9所示,灭茬同时施加腐熟剂。如果采用半喂入水稻收割机,在收割不处理秸秆的情况下,采用反向旋耕埋入泥土,同时施加腐熟剂,有条件的地区可以采用旋耕埋草机,效果更佳。机具可以选择如图10所示的旋耕埋草机。油菜收割大多采用分段式,割晒后留下油菜秸秆,建议采旋耕麦草的方式还田,并施加腐熟剂,避免留残茬,为后茬水稻机械插秧提供条件。

图9 河南豪丰1GKNS-230旋耕机Fig.9 Henan Haofeng 1GKNS-230 rotary cultivator

图10 旋耕埋草机Fig.10 Rotating ploughing and burying machine

7)机械烘干：采用低温循环方式集中干燥。DF168混流式谷物烘干机(见图11)：采用变径混流干燥方式,热风与谷物可充分接触,干燥均匀、效率高; 采用变频节能技术,可根据谷物品种不同自动匹配风量,更节能,可优化最佳干燥比,进一步提高烘干效率;全自动干燥监控系统,操作更简单、管理更方便;可选装进口在线谷物水分测试仪,实时精准检测水分值。

图11 混流式谷物烘干机Fig.11 Mixed flow grain drying machine

3.2 江汉平原“早籼晚粳”双季稻区

1)育秧：工厂化育秧技术符合NY/T 1534的要求。

2)大田耕整：采用船式拖拉机牵引圆盘犁或者旋耕机的形式。机具选用要求：①早稻采用圆盘犁或铧式犁翻耕,耕层深度150～180mm;②晚稻采用浅旋耕,耕层深度100～150mm,耕整同时施用基肥;耕整后,田块表面高度差不超过30mm,平整后沉实1天。

3)机械插秧：采用20～25天的早籼稻秧苗和12～18天的晚粳稻秧苗,秧盘采用580mm×280mm标准规格。插秧机建议采用乘坐式6～8行高速插秧机,每天可完成3.3hm2机插任务。机具采用如图5所示的洋马2ZGQ-60D乘坐式高速插秧机。

4)田间管理：建议采用高地隙喷雾施肥一体机,施肥、水分管理、病虫害防治标准参照DB42/T 1412-2018。植保施肥机选用如图6所示的3WP-600HA四轮转向高地隙植保机。

5)机械收获：早籼稻85%稻穗黄熟时,抢晴天机械收割。早稻收获时间是在夏天,茬口紧、雨水多,水稻容易倒伏,采用半喂入式水稻联合收割机,能够解决倒伏问题,提高效率。对于土壤含水率高、秸秆含水率高的情况也可用全喂入水稻联合收割机,以解决脱粒不净及容易沉陷的问题。早稻收割机可选用久保田4LZ-1.5A8全喂入自走式履带收割机,喂入量1.5kg/s,功率24.1kW,如图12所示。晚粳稻90%稻穗黄熟时,抢晴天机械收割,收割时间在10月中下旬,可通过晒田减少土壤含水率和秸秆含水率,有利于机械化收割,对机具要求不高。机具可选择如图7所示的久保田4LZ-4型全喂入自走式履带联合收割机,也可以选择如图8所示的久保田4LBZ-172型半喂入自走履带式联合收割机。

图12 久保田4LZ-1.5A8Fig.12 Jiubaotian 4LZ-1.5A8 full- feed crawler harvester

6)秸秆处理：早稻秸秆量大,且“双抢”期间没有足够的时间和条件腐熟,一般将早稻秸秆通过收割机粉碎装置粉碎后还田,茬桩通过旋耕机翻耕入土,有条件的地区可以将其捡拾打捆。晚稻秸秆含水率低, 可以通过秸秆捡拾打捆机打捆成形后利用在别的领域。 机具选用9YZ-2200FA自走式捡拾打捆机,如图13所示。9YZ-2200FA自走式打捆机,配置2.2m捡拾割台及 60kW优质发动机,设计离地间隙312mm,履带宽450mm,有效降低了接地压力,水田适应性好;设计针对潮湿秸秆的双喂入输送结构,有效避免堵塞,提高工作效率。

图13 9YZ-2200FA自走式打捆机全喂入履带收割机Fig.13 9YZ-2200FA self-propelled binding machine

7)机械烘干：采用低温循环方式集中干燥,选用DF168混流式谷物烘干机。

3.3 鄂东北丘陵机械化直播水稻模式

水稻机械化直播将水稻种子直接播种到田地里,省去了育秧、起秧、移栽等环节,简化了作业工序,具有省工、节本、省秧田及增产增收等特点[21]。

1)机械化直播种子处理：将种子晾晒后,进行药物浸种,浸种48h后,进行常温催芽。

2)大田耕整：建议采用船式拖拉机或者履带式拖拉机牵引旋耕机或打浆机,耕整后沉实2～3天可进行插秧。

3)丘陵地区大田耕整：根据丘陵山区地形,大田耕整建议选用履带式拖拉机或者适宜的轮式拖拉机牵引旋耕机进行耕整。对于田块较小、道路较窄的地区,在确保安全的情况下,可以使用微耕机进行耕整。耕整沉实3天后可进行插秧。机具可以选择1WG6.3-110型微耕机,如图14所示。

图14 WG6.3-110型微耕机Fig.14 1WG6.3-110 Mini-tille

4)机械化播种：机械化播种是水稻机直播技术的薄弱环节,水稻机直播技术采用的是精量穴播的方式,在播种时,种子经历了晾晒、浸种、催芽及物质特性较为特殊,难度较大。精量穴播作业时,需要关注漏播情况。如有漏播,需及时补种,见苗后要及时补秧。机具选择2BD-10水稻穴播机,播种宽度10行,行距220mm,如图15所示。

图15 2BD-10水稻精量穴播机Fig.15 2BD-10 precision rice hill-drop planter

5)丘陵机械化插秧：选用手扶步进式插秧机,机具选择2ZS-4(SPW-48C) 4行手扶步进式水稻插秧机,如图16所示。

图16 4行手扶步进式水稻插秧机Fig.16 4 line walking rice transplanter

6)田间管理：草害和倒伏是水稻机直播技术中需注意的问题,可采用高地隙施肥喷雾一体机。在丘陵地区,田间灌溉是水稻全程机械化中的薄弱环节,建议选用机电灌溉设备。

7)机械收获：对于直播水稻来说,机械化收获需要注意的问题是遇到倒伏的水稻需要采用半喂入式收割机。对于田块较小的丘陵山区,应当选用轻型化的全喂入收割机。机具可选择图12所示的久保田4LZ-1.5A8全喂入履带收割机。

8)秸秆处理：有条件的地区可以在收割时打碎秸秆,然后还田。

9)机械烘干：采用低温循环方式集中干燥,选用DF168混流式谷物烘干机。

3.4 鄂东南地区再生稻区

再生稻是“一种两收”的种植模式,产量超过单季稻,省去了大田耕整、播种或机插流程,缩短了田间管理,具有省工、省时的特点。

1)品种选择：再生稻一般选用中稻品种,生育期135天左右,稻米品质达到国标三级以上,如丰两优香1号、两优6326、黄华占和甬优4949等适宜品种。

2)育秧：工厂化育秧技术符合NY/T 1534的要求。

3)大田耕整：大田耕整建议采用船式拖拉机或者履带式拖拉机牵引旋耕机或打浆机,耕整后沉实2～3天可进行插秧。

4)机械直播/插秧：如果采用直播方式,播种时间在3月底之前,需要注意漏播问题,及时发现漏播后进行补种。直播机具应采用精量直播机加穴播的形式,若出现有规律的漏播,应适当加大播种量。机具可选择如图15所示的2BD-10水稻精量穴播机。如果采用插秧的方式,应从4月中旬开始,连续3天平均气温稳定12℃开始插秧,秧龄控制在20左右。插秧机应选用6～8行乘坐式高速插秧机或4～6行手扶步行式插秧机,有条件地区将田头空置,不插秧,以便头季收获时,收割机掉头不碾压茬桩。机具选择洋马2ZGQ-60D乘坐式高速插秧机,或者选择如图16所示的4行手扶步进式水稻插秧机。

5)田间管理：施肥、晒田、水分控制应参考相关技术规程。

6)机械收获：头季收获时间在8月,应尽量靠近立秋,以便有足够的时间培育再生稻。头季留高茬,应带水收获,选用质量较轻的全喂入水稻收割机。根据收割时间和留茬高度,有条件的地区,建议采用高地隙的全喂入水稻收割机。如果籽粒和秸秆含水较大,还应采用轴流脱粒滚筒装置,以便充分脱粒。全喂入收割机应该配备秸秆粉碎装置,将高茬秸秆风选清理后将其打碎,覆盖于茬桩上。机具选择如图12所示的久保田4LZ-1.5A8全喂入履带收割机。与普通水稻相比,再生季的秸秆量较大,全喂入收割机因为需利用割台的形式将秸秆割断,会耗费较大的功率,致使收割速率不高,如果提高收割效率,可以采用如图8所示的久保田4LBZ-172型半喂入自走履带式联合收割机。

7)秸秆处理：再生季的秸秆量较大,收割阶段可采用半喂入收割机且带秸秆粉碎装置将其打碎;如未将其打碎,可以利用旋耕埋草机将其碾压入土,并施以腐熟剂,就地还田。

8)机械烘干：采用低温循环方式集中干燥,选用DF168混流式谷物烘干机。

3.5 鄂中北粳稻区

鄂中北地区适合种植粳稻,且湖北省的粳稻种植面积有逐年增加的趋势。

1)品种选择：选择生育期在140～150天的品种,同时注意米质、产量和抗性3大因素。

2)大田耕整：尽量选择船式拖拉机和履带式拖拉机牵引圆盘犁或铧式犁,耕整后沉实2天左右。

3)机械插秧：粳稻插秧时间在5月,需要注意插秧效率,秧龄不能过大。插秧机建议选用乘坐式6行高速插秧机或者步行式4行插秧机。

4)田间管理：粳稻的田间管理参照相关操作规程。

5)机械收获：收获时间在10月。籽粒95%黄熟时收获,成熟收割前7～10天断水。籽粒95%黄熟时收获,成熟收割前7～10天断水。机具可以选择4LZ-5.0E全喂入自走式履带收割机,喂入量5.0kg/s,如图17所示。

图17 4LZ-5.0E全喂入自走式履带收割机Fig.17 4LZ5.0E Full-feed self-propelled crawler harvester

6)秸秆处理：粳稻收获时,成熟度高,添加腐熟剂后,在鄂中北地区具有适宜的温度和充分的时间进行腐熟。建议使用反向旋耕埋草入土。

7)机械烘干：机械烘干采用低温循环方式集中干燥,选用DF168混流式谷物烘干机。