稻田绿肥种植开沟装置的研发和应用

黄建余，廖育林，孙玉桃，张江林，高雅洁，鲁艳红

（1. 沅江市草尾镇农业综合服务中心，湖南 沅江 413108；2. 湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125；3. 农业农村部湖南耕地保育科学观测实验站，湖南 长沙 410125）

在南方水田农业生产中，种植和利用冬季绿肥是提升土壤肥力、减少化肥用量、保持作物高产稳产的重要措施[1-2]。绿肥作物紫云英、苕子等性喜湿润土壤，忌田间积水[3]。种植过程中正确处理好生长前期种子出苗需水、出苗后生长怕渍的这个矛盾，是冬季绿肥作物取得高产的关键[4]。因此，田间开沟排水降低地下水位是稻田紫云英栽培的关键环节，也是保证紫云英出苗率、提高紫云英产量和土壤肥力的重要保证[5]。但是目前的生产技术中，主要依靠人工开沟或机械装置开沟，存在生产效率不高、开沟质量不佳、需要多次清沟等问题[6]。因此，项目组针对目前轮作倒茬的稻田绿肥生产开沟排渍存在的技术不足，优化改进了稻田机械开沟装置，改进后的装置具有排水沟成型好、土块细碎、撒土均匀、土壤覆盖厚度以及抛土幅宽适宜等特点，有效解决了稻田绿肥种植高效高质开沟排渍的问题。

1 传统人工开沟及常用机械开沟装置的优缺点

目前，稻田开沟方式大体上分为人工开沟和机械开沟2 种[7]。人工开沟，即采用人力为主、铁锹等工具为辅的方式在绿肥紫云英播种前进行开沟，晚稻移栽前预留开沟，中耕时挖出丰产沟，绿肥紫云英播种前加深丰产沟，增开围沟，做到沟灌、沟排，不渍水、不烂泥；晚稻收获后，再修补主沟和围沟，保障紫云英播种期不渍水[5]。机械开沟，即采用机械装置进行开沟，目前稻田绿肥种植开沟机主要有手扶拖拉机开沟机、单圆盘开沟机、双圆盘开沟机、旋耕开沟机和播种开沟一体机等类型[8-12]。手扶拖拉机开沟深度一般为10～20 cm，配套动力≥11.19 kW，具有结构简单、适合丘陵地区小田块开沟作业的特点；单圆盘开沟机比手扶式拖拉机更能适应湿度较大、秸秆多的田块，一般开沟深度为25～30 cm，开沟宽度为20～25 cm，配套动力≥29.83 kW，该装备具有沟型规整、可开窄沟等优点；双圆盘开沟机开沟深度达25～30 cm，开沟宽度为20～30 cm，配套动力≥29.83 kW，开沟作业田块比单圆盘开沟机的适应性更高，具有沟型规整、抛土均匀的特点；一体式旋耕开沟机开沟深度为20～25 cm，开沟宽度为20～30 cm，配套动力≥44.74 kW，可在水分更低、秸秆多的田块上作业，开沟垫条（即机械上附着的小土块）易清理[8-12]。

人工开沟的缺点是费时费力，开沟效率低，开沟质量不高，在现代农业规模化经营越来越普及和机械化程度越来越高的趋势下，人工开沟方式将逐渐被淘汰。现有的机械开沟装置中，手扶拖拉机开沟的缺点为开沟方向和深度难以控制，效率低，操作劳动强度大，且在湿度大的田块开沟效果较差；圆盘开沟装置存在沟形较窄、抛土不均，沟形不稳等不足；旋耕开沟机和播种开沟一体机开沟装置虽可高效完成开沟作业，但是存在开沟抛土块大、撒土不均、覆土厚度及抛土幅宽不适宜等缺点[8-12]。

2 稻田绿肥种植开沟装置的改进

针对人工挖沟效率低且沟形不稳，而传统机械开沟装置虽易造成沟但两侧土块大、泥土堆积成垅、沟形不稳、需要多次清沟等缺点，项目组对与旋耕机、拖拉机等配套的碎土抛撒开沟机装置进行了优化改进。改进后的稻田绿肥种植开沟装置结构如图1～3所示。改进后的稻田绿肥种植开沟装置主要包括传动轴1、旋耕刀盘总成2 和导流板3，传动轴固定在旋耕机动力输出轴上，旋耕刀盘总成通过刀盘轴6 固定在传动轴上，刀盘轴半径r1=170 mm，旋耕刀盘总成的回转半径r2=320 mm。旋耕刀盘总成包括第一弯刀盘7、第二弯刀盘8 和切壁直刀盘9；第一弯刀盘包括多个沿传动轴中心对称布设的、具有直线刃口的第一直角弯刀10，且相邻第一直角弯刀的刀尾弯曲方向相反，相邻第一直角弯刀间隔30°布设；第二弯刀盘包括6 把沿传动轴中心对称布设的、具有直线刃口的第二直角弯刀（12），且刀尾朝切壁直刀盘弯曲设置；切壁直刀盘包括2 把直刀；第一直角弯刀、第二直角弯刀和直刀通过螺栓固定在耕刀座11 上，第一弯刀盘和第二弯刀盘错开布设；耕刀座焊接在刀盘轴上构成第一弯刀盘和第二弯刀盘；旋耕刀盘总成的后侧固定有宽度与旋耕刀盘总成相匹配的导流板；导流板为蝶形分土导流板，由两块1/4 圆弧形板呈V 型排布而成，V 内角度为120°，圆弧形板的弧度与旋耕刀盘总成的弧度相匹配，展开呈蝶形双翼，双翼展开间距为400 mm，下沿连接平行于地面并与刀盘轴等高的回土板4，底端沿旋耕刀盘总成方向延伸设置有弯曲的、与旋耕刀盘总成相邻、呈扁平状且与旋耕刀盘总成等宽的刮土板5，旋耕刀盘总成与刮土板之间最短距离为10 mm，刮土板通过螺栓安装在蝶形分土板上便于拆卸刮土板控制开沟宽窄，刮土板底端与旋耕刀盘总成持平。蝶形分土导流板顶部设置有2～3 个螺纹孔来连接机架。

图1 稻田绿肥种植开沟装置的立体图

如图2～3 所示，旋耕刀盘总成由若干旋耕刀盘组成，沿轴向看第一弯刀盘、第二弯刀盘和切壁直刀盘呈“*”字型排列，第一弯刀盘、第二弯刀盘和切壁直刀盘的直径一致，相邻刀盘间距为弯刀刀尾的宽度；所述第一弯刀盘、第二弯刀盘和切壁直刀盘的弯刀刀尾均朝外安装，第一弯刀盘的弯刀刀尾为交错对称混合安装。

图2 稻田绿肥种植开沟装置的俯视图

如图3～5 所示，第一直角弯刀和第二直角弯刀均为旋耕刀，旋耕刀分为直刀和直角弯刀，直角弯刀为旋耕抛土宽翼弯刀，抛土宽翼弯刀为具有直线刃口的直角弯刀，其刀辊回转半径R1、R2、R3 分别为355、365 和275 mm，螺栓孔径A1 为12 mm，正切刃为三维曲面，其中正切面弯折半径R4 为150 mm，翼弯刀弧度（β）为130°，工艺简单，不缠草，不裹土，翼宽抛土高效。

图3 稻田绿肥种植开沟装置的主视图

图4 稻田绿肥种植开沟装置宽翼弯刀的结构示意图

图5 稻田绿肥种植开沟装置宽翼弯刀的俯视图

3 改进后稻田绿肥种植开沟装置的使用效果

在长沙县高桥镇湖南省农业科学城对改进后的稻田绿肥种植开沟装置进行测试。试验田面积约53.3 hm2，为紫云英直播田，紫云英苗高1～3 cm，前茬作物均为水稻，基本情况如表1 所示。

表1 试验地基本情况

开沟前由于基地下雨导致部分水田积水，因此选择履带式旋耕机安装改进后的稻田开沟装置。旋耕机工作速度为25 km/h 左右，刀盘转速控制在350 r/min，每隔10 m 左右开一条直沟，使紫云英田形成“井”字形沟系。开沟后分别测量各测试地随机选取5 个点测量抛土幅宽、覆土厚度以及抛土均匀性，结果如表2 所示，该装置所开沟沟底干净、整洁，土方皆能随刀盘抛向沟两侧，实现土壤有效重叠、均匀覆土，对紫云英幼苗影响小，从整体效果来看能够满足紫云英等倒茬作物的生长。

表2 开沟分土作业性能评价

4 结论和讨论

开沟是紫云英栽培的重要环节之一，其主要目的是排除渍水、增强土壤通透性、促进紫云英植株的生长。针对目前紫云英种植开沟环节独立作业时存在的作业质量不高、生产效率低等问题，通过对稻田机械开沟装置的优化改进，研制出了适用于机收水稻留茬地紫云英种植的开沟机，该装置可通过变换传动轴的型号与旋耕机、拖拉机、收割机等进行连接，匹配机型更广，实现了一机多用，但其结构较为复杂，造价较高。

改进后的稻田绿肥种植开沟装置（专利号：ZL 201921963021.8）开沟深度为20～25 cm，开沟宽度为20～30 cm，配套动力≥40 kW，在开沟过程中能将泥土均匀抛向沟的两边，作业效率可达1 hm2/h，显著优于其他开沟方式；而且该装置可在地势不均匀、水分低以及秸秆较多的环境下实现多场景作业，具有开沟垫条易清理、结构简单紧凑、工作稳定可靠、安装维护方便、工作效率高和可防止碎料堵塞等优点，为绿肥的高产栽培提供了有力保障。但该装置还存在以下不足：（1）要通过控制机械速度来适应田块的软硬程度；（2）因机械结构限制，紧靠田坎处无法开沟，一般在离田坎1 m 左右处开第一沟，再根据农艺及排水要求，选择合适的幅宽依次逐条开沟；（3）当机具需要进行田间转移或者转弯半径较小时，需切断开沟机旋转动力，使刀尖离地面15 cm 以上，进行低速安全转移。基于这些不足，遥控、无人驾驶等智能化小型开沟装置将成为后期研发的重要方向。