摘 要： 油菜是我国重要的油料作物, 耕整地作为油菜种植的首要环节尤为重要。本文阐述了世界主要油菜产区及我国冬、春油菜产区种植概况及特征, 分析了国内外油菜种植区耕作体系, 系统总结了油菜种植主要耕整地技术及配套装备研究进展, 包括种床整理技术、深施肥技术、秸秆还田技术、降附减阻防堵技术和耕整地智能化技术及其配套装备, 指出了油菜种植耕整地技术难点与发展趋势。
关键词： 油菜; 耕整地技术; 耕层; 发展趋势;
Abstract： Rapeseed is one of the important oil crops and tillage is the basic process for agricultural production. This paper reviewed the general situation of rapeseed planting, including the main rapeseed planting area in the world and the winter and spring rapeseed planting area in China. The area and production in winter rapeseed planting area were both above 90% for rapeseed planting in China. The tillage systems for rapeseed planting all over the world were analysed. The main tillage technology and equipment for rapeseed planting were summarised, including seedbed managing, deep fertilizing, straw application, resistance and adhesion reducing and intelligent tillage. In this review, we also pointed out the problems and development tendency for rapeseed tillage.
Keyword： rapeseed; tillage technology; plough layer; research progress;
油菜是我国重要的油料作物, 近20年来, 由傅廷栋院士领衔的团队开展兼具饲料、绿肥、蔬菜、能源、旅游、蜜源等油菜多功能研究开发取得了显着成效。耕整地技术作为油菜种植的首要环节, 其目的是疏松恢复土壤团粒, 积蓄水分及养分, 覆盖杂草肥料, 防治病虫害, 为油菜生长发育创造良好土壤条件。根据耕作的深度和目的不同, 耕整地主要包括耕地和整地两个方面。耕地主要是对土壤进行翻耕、旋耕、疏松作业, 为播种及栽植种床做初步准备, 其装备主要包含有单独或者联合完成翻耕、旋耕和深松等作业项目的机具。整地主要是对耕地作业后的耕层土壤进行细碎疏松、地表平整及压实作业, 为播种和栽植种床做最后准备, 其装备主要包含独立或者联合完成土壤细碎、地表平整和压实等作业的机具。油菜种植耕整地装备的作业质量受气候、地理条件、土壤质地、耕地面积等因素影响, 因此不同地区及地表作业工况下所使用的技术与装备不同。如, 新疆、内蒙古等平原地区地块大, 适合大型农机具作业;甘肃、江汉平原等地区, 地块面积相对较大, 适合中等规模农机具作业;而云贵等丘陵地区小面积水田耕作需要有小型轻便化的作业机具。
1、 油菜种植区概况
1.1、 国外油菜种植区概况
在全球多个国家及地区, 油菜都作为主要的油料作物种植。图1为国际粮油组织统计的2016年全球各地区油菜种植面积及油菜籽总产量, 加拿大、中国、欧盟、印度、澳大利亚都是油菜籽生产大国和区域, 其中, 加拿大、中国、欧盟的种植面积及油菜籽总产量占全世界的比重均高于10%。由于各国的气候条件和种植制度不同, 油菜种植模式及耕整地机械化水平差异较大。加拿大、澳大利亚主要以春油菜为主, 多为大面积播种作业, 移栽较少, 已实现全程机械化。欧盟及印度主要以冬油菜为主, 其中德国、法国、波兰等欧盟国家为中等规模播种作业, 移栽较少, 机械化水平也基本达到100%。印度主要是在拉贾斯坦邦、北方邦及哈里亚纳邦种植冬油菜, 机械播种、人工撒播及移栽并存, 地块面积相对较小, 机械化程度较低[1]。
图1 油菜种植面积与总产量 (2016年) Fig.1 Planting area and total production of rapeseed in the world (2016)
1.2、 国内油菜种植区概况
我国油菜种植区域广泛, 机播、移栽及人工撒播并存。油菜产区可以划分为冬油菜产区和春油菜产区, 春油菜种植区域主要包括青海、内蒙古、甘肃、新疆等区域, 一般4月播种, 9月收获;冬油菜种植区域主要分布在长江流域各省, 一般9~10月播种, 次年5月收获。冬油菜种植面积和产量均占全国90%左右, 其中湖北、湖南、四川油菜播种面积和产量均超过全国的10%[2]。北方春油菜产区机械化水平较高, 而南方冬油菜产区机械化水平相对较低 (表1) , 2016年全国油菜种植机耕水平为78.93%, 而南方冬油菜产区油菜种植机耕水平为76.08%[3]。
表1 2016年我国油菜主产区种植面积及机械化耕整水平Table 1 Planting area and tillage mechanization level of rapeseed production in China in 2016
2、 耕作体系
2.1、 国外油菜种植区耕作体系
加拿大、澳大利亚油菜主产区种植制度是一年一熟或者采取休耕模式, 种植春油菜, 一般在旱地大面积连片种植, 地域辽阔, 采用大型机具作业 (图2A~C) , 作业效率高, 基本实现全程机械化作业。耕整地很少采用旋耕作业, 一般采用免耕, 配套大马力拖拉机, 用大型联合耕整机或者带动力圆盘耙的联合耕整机进行耕整作业, 如美国约翰迪尔公司生产的2410型联合耕整机最大作业宽度可达19.2m, 作业速度可高达11.25km/h, 需要配套450马力以上拖拉机。德国、法国、波兰等欧盟国家油菜主产区种植制度为一年两熟, 种植冬油菜, 连片种植, 采用中等规模机具作业, 基本达到100%机械化种植。耕整地由大型联合耕整机一次性作业, 或先采用大型铧式犁进行深翻, 之后运用整地机械进行碎土平整作业, 作业效率均较高。印度油菜主产区种植制度是一年两熟, 种植冬油菜, 地块相对较小, 人畜力作业与机械作业并存, 一般采用小型轻便化耕整地机具作业, 如图2D所示, 用1-3铧式犁进深翻后再运用小型整地机械进行平整作业, 作业效率相对较低, 机械化程度不高[1]。
2.2、 国内油菜种植区耕作体系
北方春油菜产区由于气候及地理环境的影响, 降雨量较少, 主要为旱作种植方式, 一年一熟。南方冬油菜产区, 降雨量较多, 主要为水旱轮作种植方式, 一年多熟, 即有序地在季节间轮流种植水稻及旱地作物, 该方式是我国主要的作物生产方式之一。我国油菜种植常见的耕整方式有翻耕、旋耕。其中翻耕主要是通过交换上下层土壤, 埋覆地表秸秆杂草, 以创造作物生长的耕作层, 常用的翻耕机具有铧式犁和圆盘犁, 其作业深度一般为10~25cm。旋耕主要是对上层土壤进行细碎、混合交换, 并将地表秸秆杂草切断混合到耕作层, 创造细碎平整的作物生长环境, 常用旋耕机具是卧式旋耕机, 其作业深度一般为6~10cm。
春油菜产区一般地块相对较大, 采用中等规模机具作业, 一般先采用铧式犁进行深翻, 然后运用宽幅旋耕机进行碎土平整作业, 或者直接运用宽幅旋耕机进行耕整作业, 旋耕机作业幅宽可以达到3~4m, 配套动力100马力以上。冬油菜产区除部分平原地区外, 其它区域地块相对较小, 常见的耕整方式也是翻耕或者旋耕, 但机具作业幅宽相对较小, 如图2E及图2F所示, 一般为2~2.5m, 配套拖拉机动力为70~95马力。
整体而言, 我国油菜种植耕整机械化程度低于加拿大、澳大利亚及欧盟油菜主产地区, 但高于印度油菜主产地区。同时, 我国北方春油菜主产区机械化耕整程度高于南方冬油菜主产区。随着我国农业机械化进程的加快及劳动力的短缺, 机械化程度在逐年提高, 以人畜力为主的耕作体系模式逐渐减少, 关键环节机械化生产及全程机械化生产逐渐增多, 机耕、机播、机插、机械施肥、机收等作业环节得到推广应用[4,5]。同时, 由于周年的旋耕翻耕作业, 耕地耕作层逐渐变浅, 犁底层加厚[6]。为打破犁底层, 加深耕作层, 需进行深松作业。深松主要是在不交换上下层土壤情况下对下层土壤进行疏松, 通过破坏犁底层增加土壤透气透水能力来加深耕作深度, 常用深松机具是齿杆式深松铲, 其作业深度一般为20~35cm。为了防止土壤侵蚀, 杜绝秸秆焚烧所造成的大气污染, 实现增肥增产, 免耕覆盖作业及秸秆还田也得到推广应用。传统的旋耕、翻耕或者翻旋结合的耕作模式逐渐转变为翻耕、旋耕、旋免轮耕或者翻旋免轮耕及适时深松共存的耕作体系。
图2 不同油菜产区耕整地装备Fig.2 Tillage equipments of different rapeseed planting area in the world
注:A:凯斯纽荷兰大型联合耕整机;B:约翰迪尔大型联合耕整机;C:雷肯宽幅深翻铧式犁;D:印度被动整地机;E:液压驱动型联合耕整机;F:主动驱动对置组合式联合耕整机Note:A:Combined tillage equipment made by CNH;B:Combined tillage equipment made by John Deer;C:Mould plough equipment made by Reken;D:Disc plough in India;E:Hydraulic Combined tillage equipment;F:Symmetrical driven dics plow combined tillage equipment
3、 油菜种植耕整地技术及其装备
3.1、 种床整理技术及其装备
种床整理的质量对油菜发芽、出苗及移栽影响很大, 具有稳定耕深及细碎土壤的种床可为种子发芽提供良好的水分、气流通透性及温度等生长条件。在冬油菜产区, 降水量较大, 而油菜为根系忌水作物, 种植时需要厢面平整, 开好“三沟” (厢沟、腰沟、畦沟) , 有利于雨水及时排出, 从而避免雨水集于厢面低洼处, 影响油菜种子生长发芽。油菜种植耕整地机具作业后, 细碎土层深度需达8cm以上, 地表平整度5cm之内, 碎土率大于50%, 对于南方冬油菜主产区, 畦沟的沟宽需200~400mm, 沟深150~300mm, 才能满足油菜基本种植要求。
3.1.1、 耕深稳定性调控技术及其装备
机具进行耕整作业时, 耕作深度主要是由联合耕整、翻耕、旋耕、深松等机具作业深度及仿形机构等因素共同决定。耕作深度太浅, 种床松碎土壤量过少, 影响后续油菜播种深度;耕作深度过大则会增加机具作业功耗。研究翻耕、旋耕、深松、联合耕整等作业机具耕深稳定性调控技术对后续油菜播种作业至关重要。相关学者对联合耕整、翻耕、旋耕、深松等机具作业深度调控技术进行研究, 并与仿形机构配合作业, 保证耕作深度稳定性。
国外如凯斯纽荷兰、约翰迪尔等大型农机公司研发制造的联合耕整机作业深度范围较大, 为20.3~40.6mm, 作业速度一般为8.0~9.7km/h。机具作业时, 通过机具自重及调节行走支撑轮离地高度来控制机具作业深度, 如图3A所示, 并通过相关传感技术实时反馈耕作深度, 进而对机具作业深度进行实时调节。国内相关学者对耕整机具作业深度也进行了研究, 丁启朔等[7]利用原位土壤耕作综合测试平台进行精准控制凿形深松铲, 耕作深度在10~30cm, 研究了耕作阻力及比阻、土壤宏观扰动轮廓等深松作业指标。万国伟等[8]针对长江中下游土壤粘重板结、秸秆量大作业工况, 设计了一款液压驱动式圆盘耙, 田间试验表明该装备作业耕深为85~120mm, 耕深稳定性变异系数为9.6%, 作业稳定性好。廖庆喜等[9]针对人工移栽开沟深度不稳定、宽窄不一的作业难题, 研制了一种油菜摆栽开沟整形装置, 可以作业出上宽80mm, 下宽40mm, 深100~120mm的梯形沟, 实现油菜移栽开沟作业深度的稳定性控制。刘晓鹏等[10]针对传统耕整作业耕层浅、功耗大的不足, 设计了主动式对置犁耕与被动式开畦沟、碎土、平整相结合的联合耕整机, 田间试验表明整机作业实际耕深与限深深度基本一致, 作业后厢面平整度为2.2~2.6cm, 碎土率为60.1%~68.3%, 耕深稳定性系数可达90%以上。廖庆喜等[11]针对鸭嘴式移栽器无法有效打穴放苗, 作业深度不稳定的作业难题, 设计了一套鸭嘴式移栽机苗床整理装置, 该装置包括旋耕装置及开沟装置, 共同作业实现油菜移栽作业耕深的稳定性控制。
3.1.2、 碎土平整技术及其装备
耕作机具作业获得一定耕深后, 需要进行碎土平整作业, 否则影响播深一致性, 导致出苗不齐、长势不一致等问题。国外农机企业一般在联合耕整机具后面安装一排或者多排钉齿耙、弹齿耙或者碎土辊对土地进行细碎平整作业 (图3B、图3C) 。碎土平整作业机具一般采用模块化设计, 根据联合耕整机作业幅宽来配置碎土平整机具个数。国内学者贾洪雷等[12]设计了一种弹性可覆土镇压轮, 可同时实现仿形、限深、传动、覆土、镇压和碎土等功能。张智泓等[13]研究了不同材质组成的仿生凸齿滚动件在镇压作业时, 对脱土和土壤表面微形貌加工性能的影响, 对比作业后厢面的平整度。张青松等[14]采用多区段双螺旋线对称排列旋耕弯刀, 设计了深浅旋组合式种床整备装置, 配合旋耕装置后拖板作业, 在秸秆量大的地表作业, 碎土率为50.94%~64.64%, 厢面平整度为22.12%~29.37%。针对人工移栽挖孔深度不一, 厢面不平整, 造成地表凹凸不平, 易积水问题, 廖庆喜等[15]设计了一种用于移栽作业的牵引式连续打孔与地表仿形平整装置, 该装置周向安装有呈多头螺旋线分布打孔圆管的平整滚筒, 作业形成深为100~120mm孔后进行厢面平整。赵淑红等[16]设计了一种能实现双向仿形和镇压强度可调的镇压装置, 表明仿形镇压装置更能保证镇压均匀性及厢面平整。廖庆喜等[17]针对人工移栽覆土镇压, 劳动强度大, 厢面不平整问题, 设计了一种覆土镇压机, 从而保证油菜移栽覆土镇压后土壤细碎, 厢面平整。通过对碎土平整技术及机具的研究, 使作业后的油菜播种种床或者油菜移栽苗床厢面平整、碎土率满足油菜农艺种植要求。
3.1.3、 开畦沟技术及其装备
油菜根系忌水, 种植时, 地块雨水应及时排出, 避免积水影响油菜生长发育。加拿大、澳大利亚及欧盟等油菜主产区, 地块广阔, 采用大型联合耕整机作业, 大宽幅高速度粗放式种植, 一般没有进行开畦沟作业。而我国南方冬油菜主产区, 降雨量较大, 在水田种植油菜时需要开沟排水, 开好“三沟” (厢沟、腰沟、畦沟) 是避免油菜渍害的保证。目前开畦沟装置主要包括主动和被动开沟2种方式, 主动开畦沟装置作业效果好, 但功耗高, 如圆盘开沟机;被动开畦沟装置结构简单, 但作业性能不稳定。廖庆喜等[18]设计的一种双边抛土式免耕开畦沟装置, 通过卧式刀盘主动旋转, 作业出宽300~3 200mm, 深180~200mm的畦沟。张青松等[19,20]运用铧式犁相关原理设计了开畦沟装置, 如图3D所示, 由前后犁组成, 犁体作业深度为180mm, 宽度为170mm, 配合作业, 前犁开沟起土, 保证畦沟沟深和初步沟型, 后犁收沟整形, 从而保证最终畦沟沟型。为适应较高含水率条件开畦沟作业, 刘晓鹏等[21]进一步设计了船型开沟器, 如图3E所示, 作业形成沟深150~250mm, 上沟宽250~350mm, 沟底宽80mm的梯形畦沟, 解决长江中下游地区土壤黏重板结、含水率波动大, 导致播种时同步开畦沟的稳定性难以保证的实际问题。吴明亮[22]、罗海峰[23]等设计了稻茬田油菜免耕播种机开沟部件结构, 采用顺铣方式开沟切削抛土, 结果表明开沟作业性能良好, 工作可靠。开畦沟技术为在我国南方冬油菜产区种植油菜等旱地作物时田间雨水的顺利排出提供了技术保障。
种床整理是油菜播种或者移栽的重要环节, 稳定的土层深度及适宜的土壤细碎厢面平整度是油菜生长发育的必备条件。由于田间作业工况的复杂性, 尤其是在我国南方油菜主产区土壤粘重板结, 地表前茬作物秸秆残留量大, 显着影响了耕整地装备种床整理质量, 发展适应该地区种床整理的耕整地装备, 尤其是具有稳定作业耕深的开畦沟装备, 是研究难点之一。
图3 种床整理装备Fig.3 Seedbed management equipment
注:A:联合耕整机限深单元;B:联合耕整机碎土单元;C:联合耕整机平整单元;D:油菜直播机铧式开畦沟器;E:油菜直播机船型开畦沟器;1:行走支撑轮;2:碎土辊;3:钉齿耙Note:A:Depth limit unit of combined tillage equipment;B:Crushed soils unit of combined tillage equipment;C:Leveling unit of combined tillage equipment;D:Plow ditching uint of direct rapeseed seeder;E:Ship type operner of direct rapeseed seeder;1:Walking support wheel;2:Crushing soil toller;3:Tined harrow
3.2、 深施肥技术及其装备
化肥深施是一种节本增效的施肥方式, 通过把肥料施入到指定深度土层, 如在种子的正下方或者侧下方, 可以有效降低化肥撒施或者机械混施在土壤表面造成的挥发和流失, 促进油菜种子对化肥的吸收。目前肥料撒施或者混施, 肥料利用率一般不超过30%, 而深施肥料利用率可提高到35%~40%。深施肥铲具有多种结构形式, 如图4所示, 国外农机公司研发的联合耕整机一般通过锄铲式或滑刀式深施肥铲把肥料施入指定深度土层, 为防止深施肥部件作业时拥堵, 一般呈多列交错布置, 如约翰迪尔1835型联合耕整机作业幅宽为18.3m, 其中深施肥部件成4列布置, 每列铲体间距为762mm, 列间距离为762mm。国内深施肥装备作业幅宽较小, 一般为2~4m, 在南方冬油菜产区, 机具作业速度一般为2~7km/h。王金峰等[24]设计了一种深施型液态施肥装置, 实现中耕追肥。针对水旱轮作区深施肥部件铲体易堵塞问题, 廖庆喜等[25]设计了一种带切茬圆盘的类铧式深施肥装置, 通过在施肥铲体前安装切茬圆盘, 作业出一条50mm左右切缝, 之后类铧式犁起土, 作业出50~100mm犁沟, 达到切茬、破土及深施肥的功能。李慧等[26]设计了分层侧施肥播种机, 施肥深度为80~100mm, 播种深度为30~50mm, 可以达到肥料深施, 同时避免了烧种。深施肥技术把肥料精量、定点施于指定深度, 提高了肥料的利用率, 减少了肥料使用量。深施肥技术在地形广阔地区如加拿大, 由于机具作业幅宽大, 深施肥铲体作业间距大, 机具不易堵塞, 应用广泛。而在地形狭小地区如我国冬油菜产区, 由于一年多熟, 生产农时紧, 地表秸秆量大且韧性强, 土壤粘重板结, 油菜种植机具作业幅宽小, 深施肥部件铲体及出肥口易堵塞, 肥料流通不畅, 难以保证作业质量。采用仿生技术及创新性设计新型深施肥机是目前冬油菜产区深施肥部件研究的重点及难点。
图4 深施肥技术与装备Fig.4 Technology and equipment for deep fertilizing
注:1:作物种子;2:肥料颗粒;3:锄铲式深施肥铲;4:滑刀式深施肥铲;5:类铧式犁式深施肥铲Note:1:Crop seeds;2:Fertilizer granules;3:Hoe Type deep fertilizer unit;4:Sliding type deep fertilizer unit;5:Plow type deep fertilizer unit
3.3、 秸秆还田技术及其装备
秸秆还田可杜绝由焚烧秸秆导致的空气污染, 并提高土壤肥力, 减少化肥施用量。加拿大等地块广阔区域种植油菜时, 推广保护性耕作, 通过大型联合耕整机 (图5A) 对地表秸秆进行处理, 该类型机具特点是直径610~660mm的切茬圆盘多列布置, 同列圆盘间间距大, 可达280mm, 作业深度可达203mm, 作业速度高达11.3km/h, 通过高速作业, 切断地表残茬, 为后续油菜播种提供良好条件。在我国, 尤其是在水旱轮作区、两熟区等一年多熟地区种植油菜时, 地表前茬作物秸秆残留量较大, 需要对秸秆进行处理。现有秸秆还田技术主要有秸秆深埋、混埋、翻埋等处理方式。李永磊等[27]研制的双辊秸秆还田旋耕机可一次完成秸秆还田、旋耕碎土等联合作业。针对水稻秸秆还田机耕作深度浅的问题, 王金武等[28]设计的水稻秸秆深埋整秆还田装置, 秸秆还田深度可达到耕整地环节的要求, 秸秆还田率较高。周勇等[29]设计的双轴水田秸秆还田耕整机, 可一次性实现水田高茬秸秆的埋覆还田、旋耕碎土、平整地表等多项功能。张国忠等[30]研制的1GMC-70型船式旋耕埋草机, 可适用于泥脚深度350mm以下、秸秆高度700mm以下的水田耕整作业要求。张秀梅[31,32]等设计的水旱两用型秸秆还田耕整刀辊, 可实现水田和旱地秸秆埋覆、旋耕碎土、平整地表等多项功能。针对水稻秸秆还田机耕作深度及秸秆还田深度浅问题, 王金武[33,34]等设计了水稻秸秆深埋整秆还田装置, 可实现切土、碎土、埋草、压草及覆土等功能。针对长江流域土壤粘重板结, 地表秸秆量大, 影响旋耕作业, 廖庆喜等[35]设计的带状种床整理装置 (图5B) , 通过在机具底部安装灭茬刀组及带状旋耕刀组进行秸秆还田及种床整理。秸秆还田技术及相关机具的使用, 使田间大量秸秆通过机械化埋覆, 提高了作业效率, 减轻了劳动强度, 在油菜种植过程中, 减少了作业机具的堵塞, 促进了油菜机械化播种。然而目前我国南方水旱轮作区, 地表水稻秸秆残留量大, 韧性强, 而由于地形的限制, 机具作业幅宽较小, 作业速度较低, 进一步优化适应该地区的秸秆还田技术与装备是目前研究重点之一。
图5 秸秆还田技术与装备Fig.5 Technology and equipment for straw application
注:A:联合耕整秸秆处理装备;B:灭茬旋耕双轴耕整机Note:A:Combined straw returning equipment;B:Double shaft stubble cleaning equipment
3.4、 降附减阻防堵技术及其装备
在土壤黏重板结、前茬作物秸秆残留量大的地表耕整作业时, 机具容易产生粘附堵塞, 导致作业质量差, 功耗较大, 学者通过合理布局耕整装备作业部件, 增加防堵防缠部件及对机具表面改型、改性等方式开展相关降附减阻防堵技术研究。国外耕整地装备大多通过多列大间隙布局作业部件, 并在每个作业部件安装有过载保护弹簧 (图6A) , 实现降附减阻, 减少机具作业堵塞。国内田丽梅[36]、任露泉[37]等将土壤动物形体及行为特征的研究应用在机械上进行降附减阻, 取得了良好效果。与传统镇压辊相比, 仿生镇压辊的阻力得到降低[38,39]。张金波[40]模仿土壤洞穴动物小家鼠设计深松铲减阻结构, 深松铲的耕作阻力下降明显。赵佳乐等[41]设计的同时设有被动和主动卧式旋转部件的有支撑滚切式防堵装置, 其防堵作业效果明显。苟文等[42]设计了圆弧刃口型开沟器, 解决西南丘陵地区保护性耕作模式下免耕播种机尖角型开沟器易缠草堵塞、使用寿命短等问题。张青松[43]等通过安装切茬圆盘 (图6B) 来增加开畦沟犁体的通过性。舒彩霞等[44]设计的具有防缠绕且宽深比可调的扣垡犁, 初始宽深比为1.2~1.3, 起始原线角为38°, 通过调节犁体耕深及耕宽, 得到适宜的宽深比, 有效减少重耕和漏耕, 减少作业的堵塞及缠绕现象。耕整地是农业生产中耗能最大的环节, 降附减阻防堵技术的运用可以有效降低作业能耗, 提高机具作业质量及作业适应性。通过机具合理布局、增加防堵防缠部件及运用仿生技术进行作业部件表面改型及改性等方法, 以期达到降附减阻和防堵塞的目的, 从而提高机具作业质量, 降低机具作业功耗。
图6 降附减阻防堵技术与装备Fig.6 Technology and equipment for resistance and adhesion reducing
注:A:弹齿式防堵机构;B:切茬防堵圆盘Note:A:Elastic tooth type anti-blockage unit;B:Stubble-cut anti-blockage unit
3.5、 智能化耕整技术及其装备
随着智慧农业的发展, 智能化的油菜种植耕整机具是发展方向之一。油菜机械化耕整种植过程中, 运用自动导航技术、机器视觉及相关控制等技术可保证对行准确度和行驶直线度, 为中期智能化油菜管理监控和后期机械化收获提供标准化的作业环境。罗锡文等[45]在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统, 提出了跨行地头转向控制方法。油菜种植耕整受到地表作业工况如土壤类型、秸秆残余量及土壤含水率等影响, 张闻宇等[46]针对行驶过程中轮胎侧滑量等不确定性因素导致拖拉机运动轨迹难以准确描述的问题, 提出了一种基于SVR逆向模型的拖拉机导航纯追踪控制方法, 能够有效修正油菜播种作业时复杂的地表特征对行驶的影响, 并针对播种机导航作业过程中对行播种起始位姿调整和套行作业自动转弯问题, 设计了双切圆寻线模型控制方法 (图7) , 该方法可有效降低播种机人工操作配合自动导航作业的操作难度[47], 同时设计的自动导航摩擦轮式转向驱动系统能有效控制拖拉机转向, 拆装便捷, 提高了播种机导航系统的实用性[48]。张智刚等[49]提出了基于协方差函数的加窗估计算法, 用于在线估计电子罗盘和微机械陀螺的测量方差, 可有效估测农机的航向角度。丁幼春等[50]针对基于视觉的油菜直播机组自动对厢作业控制, 提出了结合模糊控制和带死区的PD控制的组合控制器, 控制直播机组转向。油菜种植耕整机具作业质量及作业效率的提高离不开耕整智能化技术。耕作深度、开畦沟深度、深施肥深度稳定性控制, 地块平整度的实时反馈, 机具粘附拥堵、深施肥肥料堵塞的实时监测, 机具作业时的路径规划等都需要智能化技术。自动导航技术已逐步应用于油菜机械化农业生产中, 但由于冬油菜产区地块较小, 针对油菜种植过程, 对田块曲线跟踪及自动避障等功能仍需进一步研究。
图7 自动导航系统Fig.7 Automatic navigation system
注:1:角度传感器;2:电控转向执行机构;3:导航控制终端;4:拖拉机Note:1:Angle sensor;2:Electrically controlled steering unit;3:Navigation control terminal;4:Tractor
4、 技术难点分析与发展趋势
加拿大等发达国家及地区采用旱作一年一熟种植制度, 地形广阔, 耕整机具作业幅宽大, 作业速度高, 机械化程度高。我国北方春油菜产区同样人口稀少, 地形开阔, 耕地面积大, 也主要采用旱作一年一熟种植制度, 其耕整机具作业幅宽大, 作业速度高, 机械化程度较高。我国南方冬油菜产区, 除部分平原地区外, 主要为丘陵山地, 地块狭小, 土地分散, 种植制度为水旱轮作, 一年两熟或三熟, 地表前茬作物残留秸秆量大、韧性强, 大型耕整农机具无法推广应用。因此需研制适合南方冬油菜产区油菜种植耕整装备, 进一步发展开畦沟技术、深施肥技术、秸秆还田技术及耕整装备的降附减阻防堵技术, 并结合相关智能化耕整技术, 提升油菜种植耕整装备作业质量及智能化水平。
4.1、 油菜种植耕整技术难点分析
(1) 油菜种植对种床或苗床土壤细碎度、厢面平整度要求较高, 需加强碎土平整装置及仿形装置研究。油菜播种深度与其它作物不同, 冬油菜播种深度一般控制在2cm之内, 春油菜根据区域差异控制在3~5cm, 在冬油菜种植区域, 还要求具有稳定的畦沟沟型, 对碎土平整和仿形装置进行研究, 从而保证种床或苗床作业质量。
(2) 土壤粘重板结、含水率差异大, 要求机具作业适应性强。轮作区土壤质地粘重, 易粘附土壤作业部件, 降低机具作业质量。全年降雨量充沛, 春耕及秋耕期间, 降雨较多, 土壤含水率波动大, 增加了机械化耕整难度, 需要对机具在不同条件下的作业适应性加强研究, 以适应水旱轮作区田间作业工况。
(3) 地表前茬作业秸秆残余量大、韧性强, 要求机具作业稳定性好及通过性能力高。轮作区前茬作物大量秸秆留存于地表, 为防止焚烧污染空气, 需秸秆还田, 同时作业过程中, 秸秆与粘重土壤混合, 降低了土壤的流动性, 易堵塞缠绕机具, 对机具作业稳定性及通过性能提出了更高要求。机具的防堵防粘防缠能力急需深化研究, 以满足农业生产实际需求。
(4) 地块分散、地形复杂, 机具难以标准化及规模化。水旱轮作区有丘陵、山地、平原等地区, 地块大小不同, 土壤质地有一定差异, 气候条件不同, 农艺种植要求不一样, 对机具大小尺寸要求不同, 对机具复式作业功能要求呈多样化。
4.2、 油菜种植耕整技术发展趋势
(1) 增加机具智能化水平, 运用相关测试及传感技术, 监控机具作业状态及作业质量, 如耕作深度、施肥深度及施肥量, 平整度、碎土率等作业指标, 实时反馈机具耕作深度、开畦沟深度、缠绕拥堵等情况, 实现田间信息快速获取及机具作业质量实时监控。
(2) 推广秸秆还田技术, 发展深施肥技术, 提高肥料利用率。推广秸秆还田, 杜绝秸秆焚烧带来的空气污染;发展深施肥技术, 减轻化肥过量使用导致的土壤性状恶化、农产品品质下降、环境污染等问题。
(3) 提高机具作业效率, 提升机具复式作业水平, 实现机具一次下地作业完成开畦沟、旋耕、施肥、播种、覆土、镇压等功能, 提高机具作业效率。
(4) 研发新型降附减阻防堵技术, 提高耕整机具作业质量。运用新技术新手段, 通过对土壤工作部件表面改性和表面改形等方法, 研究新型降附减阻防堵技术, 减少土壤粘附及秸秆缠绕作业集聚情况, 突破水旱轮作区由于土壤粘重板结、地表前茬作物秸秆残留量大, 易堵塞缠绕作业机具的难题。
优化开畦沟技术, 推广秸秆还田技术, 发展深施肥技术, 提高肥料利用率, 研发新型降附减阻防堵技术, 提高机具作业质量是冬油菜产区耕整机具研究重点;提升机具复式作业能力及智能化水平, 提高机具作业效率, 降低生产成本是现代农业发展必然选择。
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