基于农机农艺结合的玉米膜下精密播种机设计

管燕燕

(山西省农业机械发展中心，山西 太原030031)

0 引言

干旱和半干旱地区土壤水分不足是作物稳产高产的主要限制因素，地膜覆盖可有效保蓄土壤水分，提高地温，增产效果显著[1]。传统覆膜方式容易出现苗和孔错位问题，通常需要人工帮助幼苗破膜，费工费时，并且早春覆土，极易因覆土不严而致大风揭膜，或因大雨造成土壤板结[2]。研制一种农机农艺结合下的膜下播种机械，以克服上述弊端，有效延长地膜使用时间，提高地膜使用效果，具有重要的现实意义。目前针对地膜覆盖种植的农艺研究中多采用作物自动破膜方式，对膜下播种的研究较少[3]。李铁山等[4]提出在播种行上覆土的玉米自动破膜方法；杨忠娜等[5]提出土下覆膜播种方式，并研究作物自动破膜的出苗效应。本文针对人工放苗导致的出苗错位、容易板结及出苗率较低等问题，研制一种农艺农机相结合的膜下播种机械，并通过试验对该机具的可靠性进行验证，以期为发展简约化农田地膜覆盖技术，探索地膜应用的新方向提供科学依据。

1 膜下播种农艺试验

1.1试验设计

田间试验于2016—2018年每年的3—6月在山西省长治市襄垣县侯堡村进行，试验区地处山西省内陆黄土高原，属半山丘陵地区。区域海拔1 000 m左右，无霜期166 d，年降水量550 mm。试验地土壤类型为褐土，供试土壤含水量能够满足玉米正常出苗。试验采用玉米“大丰30”，于4月10日播种，对比膜上滚筒播种、播种铺膜不打孔及播种铺膜破膜3种处理方式下的出苗情况[6]。覆土厚度(膜上覆土厚度+膜下覆土厚度)分别为1 cm+3 cm，2 cm+2 cm，3 cm+1 cm。每组试验重复3次，以露地为对照(CK)，小区面积1.8 m×10 m。

自播种后开始监测出苗情况，记录出苗日期、出苗数和苗情。采用SAS9.2数据分析系统对试验数据进行处理。以相对出苗率为试验指标，对不同处理方式下的出苗效果进行比较[7]。相对出苗率计算公式为

y=xK

(1)

式中y——相对出苗率

x——实际出苗率

K——标准出苗率

1.2试验分析

膜上滚筒播种、播种铺膜不打孔及播种铺膜破膜3种处理方式下，玉米相对出苗率如表1所示。

表1 不同铺膜播种方式下玉米的出苗情况

Table.1 Emergence of corn under different film spreading methods

处理膜上滚筒播种出苗数相对出苗率∕%播种铺膜不打孔出苗数相对出苗率∕%播种铺膜破膜出苗数相对出苗率∕%重复1139841247514890重复2140851257615091重复3141851247514990均值 140851247514990

由表1可知，采用播种后铺膜破膜方式种植的玉米相对出苗率最高，达90%；先铺膜后滚筒播种的方式相对出苗率居中，约为85%；而仅靠玉米自动破膜的播种后铺膜不破孔的方式相对出苗率最低，仅为75%。基于上述研究，提出一种播种后进行铺膜破膜的机具方案。

2 整机结构和工作原理

玉米膜下精密播种机整机结构如图1所示，主要由旋耕机、施肥装置、精密播种装置、铺膜破膜装置、压膜装置和覆土装置等组成。

玉米膜下精密播种机工作时，旋耕机进行旋耕整地，播种装置和施肥装置进行精密播种和施肥，铺膜装置进行铺膜，破膜装置对种床带上的膜进行破孔作业，最后压膜器进行压膜覆土，完成对玉米的膜下精密播种。

3 关键部件设计

相关研究表明，铺膜破膜及覆土装置是保证机具作业效果的关键部件，应对其进行重点研究[8]。

3.1铺膜破膜装置

3.1.1铺膜破膜结构设计

铺膜破膜装置(图2)主要包括铺膜装置、压膜辊和破膜辊。铺膜成功后采用压膜辊将地膜压平，再利用破膜辊对地膜进行破孔处理。

3.1.2破膜辊试验研究与设计

破膜辊结构如图3所示。试验于2016年3月在山西省农业机械化科学研究院进行，采用播种机模拟播种试验台对正常播种时玉米种子掉落的横向偏移进行试验和记录[9]。以理想零速掉落的位置为对照(CK)，设置播种距离20 mm，株距200 mm。

采集种子掉落位置的横向偏移量，根据样本观测值绘制频率直方图，如表2和图4所示，种子掉落位置位移的曲线大致为正态分布曲线。

把种子横向偏移距离分为13组，每组区间为5 mm，设置μ=0，计算出σ=12.28。

由正态分布分析可知，种子大概率地落在距离中心位置15 mm之内，膜上最佳打孔距离为5 mm，但地膜一般厚度为0.015 mm，薄并有韧性，若孔距相距太近会造成拉膜，达不到理想状态，因此结合样本数据分析、材料特性及植物向阳的特性，确定破膜辊长120 mm，破膜刀片直径115 mm，孔纵横向距均为10 mm。

表2 样本数据

3.2覆土装置

不同膜上膜下的覆土组合，玉米的相对出苗率差异极显著(表3)。膜上覆土2 cm、膜下覆土2 cm时玉米平均相对出苗率最高，达90.57%。而膜上覆土1 cm、膜下覆土3 cm时，玉米平均相对出苗率仅为82.24%。玉米的播深为3～5 cm，若膜上覆土过深会增加种子出土过程中的能量消耗，导致出苗率降低，若膜上覆土过浅，则土壤压力不足，导致种子无法出土[10]。

表3 不同覆土方式对玉米相对出苗率的影响

Table.3 Effect of different soil cover methods on relative emergence rate of corn

覆土厚度∕cm(膜上+膜下)相对出苗率∕%重复1重复2重复3均值1+382.3081.7582.6682.242+289.8591.5490.3390.573+186.7884.3283.9685.02

膜下覆土装置(图5)包含覆土板、镇压轮和调节螺丝，采用覆土板进行覆土，通过改变调节螺丝相对镇压轮高度实现对覆土厚度的调节。膜上覆土装置(图6)由刮土板、调节管套和覆土圆盘组成，通过覆土圆盘进行覆土，通过调节套管相对刮土板高度来调整覆土厚度。

4 讨论

通过农艺试验，获取膜上滚筒播种、播种铺膜不打孔及播种铺膜破膜3种种植模式下的玉米出苗率。结果表明，采用播种后铺膜破膜方式种植的玉米相对出苗率最高，达90%。各因素中，膜下覆土厚度和膜上覆土厚度对出苗率的影响最大，膜下覆土2 cm、膜上覆土2 cm时玉米出苗效果最好。基于农机与农艺相结合的原则，研制了一种膜下播种机，分别采用人工和机器作业的方式进行膜下播种试验，玉米相对出苗率如表4所示。由表4可知，机器作业的相对出苗率相对较低，但满足农艺要求，解决了传统地膜覆盖需要人工放苗、出苗错位、容易板结及土下覆膜出苗率低等问题，提高了劳动效率，减少了作业成本。

表4 不同种植方式对玉米相对出苗率的影响

Table.4 Effect of different planting methods on relative emergence rate of corn

种植方式相对出苗率∕%重复1重复2重复3均值人工91.2592.3490.8591.48机器89.3090.0588.9589.43