不同镇压强度对燕麦生长特性的影响
时间：2023-02-15 19:55:09 来源：千叶帆 本文已影响人
卢 琦， 王 璐， 刘 芸， 李丽红， 刘立晶， 郑德聪
（1. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；
2. 山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801）
燕麦属于禾本科燕麦属一年生草本植物，是一种粮饲兼用型作物，具有丰富的营养价值和保健价值[1-5]。近年来，随着“粮改饲”等农业供给侧结构性改革的推进，以及人们生活水平的提高和科学膳食观念的普及，我国燕麦市场需求增大，种植面积呈逐年增加的趋势[6]。但目前还没有专用的燕麦播种机，导致机械化播种质量不高，需进行深入研究。
镇压作为机械化播种的主要环节之一，主要作用是对播种过程中的覆土环节进行压密，镇压强度的大小直接影响播种机镇压效果。在旱作条件下，合理的镇压可以起到节水保墒的作用，提高发芽率和出苗率；
镇压强度过大，会造成土壤板结，土壤团粒结构发生变化，透气性变差；
镇压不均匀则导致种子播种深度不一致，影响种子的出苗率，进而影响作物产量[7-9]。李晓静等[10]为探索镇压处理的作用，研究了播后镇压对小麦生长发育特性和产量的影响，探索增加小麦产量的农艺措施，研究结果表明镇压处理可起到增产增收的作用。党红凯等[11]为明确造墒和播后镇压对小麦冬前耗水和群体与个体特征及产量的影响，为确定播后镇压技术和提高小麦水分利用效率提供依据，开展了田间试验，试验结果表明墒情适宜是小麦播后镇压的基础，镇压又是提墒壮苗的保障；
河北地区小麦播种后采用95 kg/m 镇压器便于田间操作且镇压效果较好。张荣亭等[12]分析了不同镇压方式对冬小麦产量影响的差异性，镇压有利于小麦增产增收，播前镇压增产效果更为显著。崔正果等[13]研究了在玉米秸秆全量粉碎耕翻还田条件下播种深度与镇压强度对玉米出苗率的影响。综上所述，目前在镇压处理对作物的农艺学特性影响研究方面仅限于玉米、小麦等主要粮食作物，对于不同镇压处理对燕麦生长特性的影响研究还比较少，有必要开展试验研究。
本研究通过设计镇压试验装置，研究不同镇压强度条件对燕麦的出苗率、苗期根茎叶干物质积累量、产量等农艺学特性的影响，确定燕麦生长最佳的镇压强度，以期为燕麦专用播种机镇压装置的设计提供参考。
1.1 镇压试验装置设计
为了探究镇压对燕麦生长的影响，消除播种机其他部件的影响，设计了一种镇压试验装置，如图1 所示。试验装置主要由配重箱、镇压轮、手柄推杆等组成。试验时，操作人员通过手柄推杆驱动整个试验装置向前行进，运动过程中配重箱始终保持垂直，可通过改变配重箱中不同的配重来改变镇压强度的大小，实现试验要求。
图1 镇压试验装置Fig. 1 Suppression test device
镇压轮选择播种机上最常见的平面轮型式，结构尺寸如图2a 所示，平面镇压轮宽度B为150 mm，外径D为350 mm。试验时采用尼龙棒（PA66）加工而成，实物如图2b 所示。
图2 镇压轮结构Fig. 2 Structure of pressing wheel
1.2 镇压强度确定
为探究土壤所受镇压强度的大小，需对镇压装置进行受力分析，如图3 所示。图中F为操作人员通过手柄推杆驱动镇压轮向前运动施加的外力，N；
R为镇压轮受土壤的反作用力，N；
β为作用力与垂直方向夹角；
Rx、Rz分别表示镇压轮受土壤反作用力的水平方向分力和垂直方向分力，N；
Q为镇压轮所受的下压力，方向垂直向下，为重力载荷，由质量与重力加速度之积表示，N；
Z0为镇压轮的最大沉陷量，cm；
Z为某一时刻土壤的沉陷量，cm。
图3 镇压轮受力分析Fig. 3 Force analysis of suppression wheel
在垂直方向上，土壤对镇压轮的反作用力在垂直方向的分力Rz与镇压轮所受的下压力Q互为作用力与反作用力，二者大小相等，方向相反。根据受力分析可知
式中p——深度Z处的土壤抗压强度，kPa
B-镇压轮宽度，mm
x——单位土壤作用力作用点与镇压轮圆心间的距离，mm
由Bekker 经验公式确定土壤抗压强度p与下陷量Z0关系方程为[14]
式中K——土壤特性参数，N/cm2
kc——与土壤内聚力有关的系数
kφ——与土壤摩擦力有关的系数
n——沉陷指数
由式（1）、式（2）和式（3）化简，并略去高次项可得[14]
为了方便计算，非刚性路面承受载荷，当轮子的下陷量不大时，下陷量的计算可简化为[15-16]
式中 α0—与土壤性质有关的参数α0=1.01，计算可得K=5.100 5 N/cm2。
对刚松过土的黏土土壤来说，土壤特性相关参数取
1.3 镇压轮接地面积确定
对于刚性轮在非刚性路面上行走时，其接地面积可视为矩形，面积可由刚性轮宽度与径向接触弧长之积表示[15]。镇压轮接触地面情况如图4 所示。
图4 镇压轮接地情况Fig. 4 Contact between suppression wheel and ground
式中S——平面轮接地面积，cm2
β——接触角，（°）
lAB——平面轮与地面接触弧长，cm
化简式（7）可得
1.4 镇压强度与镇压轮下陷量的关系
忽略镇压轮下土壤向两侧流动，则接地面上边缘和中心部位的土壤被同等程度地压紧，这样镇压轮对地面的垂直作用力可以近似认为是在矩形面上的均匀分布[16]。镇压轮对土壤的压强为ρ，则
式中 ρ——平面轮对土壤的压强，kPa
镇压轮对土壤的压强主要根据土壤的性质、水分、密度和作物的要求而定，根据农艺要求，一般为30～50 kPa[17]。为了探究燕麦生长最优的镇压强度值，适当扩展镇压强度取值范围，并做对照组试验，取镇压强度ρ分别为0、15、30、45、60 和75 kPa。将K=5.100 5，D=350 mm，B=150 mm 分别带入公式计算，可得镇压轮的下陷量Z0。
2.1 试验条件
试验于2021 年3 月25 日至7 月22 日在晋中市太谷区山西农业大学申奉试验田进行。试验土壤为黏质土，试验前经测试土壤容积密度为1.27 g/cm3，0～20 cm 土壤平均含水率为19.6%。土壤pH 值为7.3，有机质质量分 数为1.59%， 碱 解 氮 为103.6 mg/kg， 速 效 磷 为23.7 mg/kg，速效钾为141.0 mg/kg，前茬作物为荞麦。
试验设备包括泰鸿404 型拖拉机、1GKN-200 型旋耕机、V 型镇压器、电子秤、钢板尺、铝盒、干燥箱、铁锹、5TG-85 型脱粒机、簸箕及清选筛等。
2.2 试验方案
以镇压强度0、15、30、45、60 和75 kPa 为因素，以燕麦出苗率、苗期干物质积累量、产量为评价指标，开展单因素试验。其中镇压强度为0 时为对照组，每组重复3 次。
2.3 田间试验
2.3.1 试验地预处理
试验地经1GKN-200 型旋耕机旋耕后，表层土壤较虚，播种前用V 型镇压器进行镇压作业，保证地表平整、土质细碎，播前镇压作业如图5 所示。
图5 播前镇压Fig. 5 Suppression before sowing
2.3.2 配重与镇压轮下陷量标定试验
根据式（5）和式（9）可知，镇压轮最大沉陷量Z0与镇压轮所受下压力Q正相关，假设镇压轮所受下压力Q全部来源于试验配重G（包含镇压装置自身质量），田间试验时通过改变配重来改变镇压轮所受下压力Q的大小，进而改变镇压强度ρ和镇压轮下陷量Z0。为了试验的可操作性，需求解不同镇压强度时所加配重的大小，因此研究配重G与下陷量Z0的关系是有必要的，需对镇压轮进行下陷量标定试验。假定同一土壤条件和同一配重下，试验过程中操作人员施加的F值和标定过程的值相等。标定时，通过电子秤称量配重G，用卷尺测量镇压轮下陷量Z0。为增加标定曲线的准确性，标定过程每增加10 kg 测一次土壤下陷量，测量5 次求平均值。标定过程镇压轮尽可能保持匀速运动，每次行走距离不小于3 m。
通过Excel 软件拟合工具得到土壤下陷量Z0和配重G的曲线如图6 所示，拟合出来的二次方程如式（10），R2达0.997 9，拟合效果好。
图6 标定曲线Fig. 6 Calibration curve
基于拟合函数关系将Z0取值分别带入式（10）中，可以求解到不同镇压强度下镇压试验时所加配重G的大小，如表1 所示。
表1 计算结果Tab. 1 Calculation result
2.3.3 播种试验
播种试验选用小区播种方式，小区面积为2 m×5 m=10 m2，为方便数据采集，小区与小区之间长度方向间隔1 m。选用燕麦品种为品燕4 号，测得种子平均含水率为9.46%，平均千粒质量为25 g。根据燕麦农艺要求，每个小区播6 行，播种量按150 kg/hm2计算，播种数为500 粒/行。为保证出苗率试验数据准确且减少工作量，每小区选用2 行按500 粒/行播种，其他行按150 kg/hm2计算种子量播种。播种时，采用机械开沟作业，通过调整开沟器的深度来控制播种深度；
播种后按试验设计方案进行镇压。
3.1.1 出苗率测定
自燕麦播种15 d 后，开始统计各试验小区燕麦出苗数据，每隔2 d 同一时间记录1 次出苗率，当出苗率连续3 次统计没有增加时为止，视为出苗结束，最终的出苗率作为该播种小区试验最终评价数据，数值取3 组重复试验的平均值。出苗率按式（11）计算。
3.1 试验测定方法及结果
试验结果如图7 和表2 所示。
图7 出苗率随时间的变化曲线Fig. 7 Variation curve of emergence rate with time
3.1.2 苗期干物质量测定
在燕麦苗期，采用5 点法取各小区内生长的整株燕麦5 簇，为保证燕麦根系的完整，取样时连带土壤一同铲起。将带土的整株燕麦用水冲洗干净后，同一试验处理随机取5 组燕麦植株，每组10 株，用剪刀进行根、茎叶分离后，将根和茎叶分别进行烘干，记录根的干物质量和茎叶的干物质量，取平均值为该试验处理的评价数据。试验过程如图8 所示，试验结果如表2 所示。
图8 试验过程Fig. 8 Test process
3.1.3 产量测定
首先按照小区的顺序依次进行收割，并做好标记，采用人工收割的办法，将小区内的燕麦植株割倒、成捆、运输到山西农业大学农业工程学院实验室内，用5TG-85 型脱粒机进行脱粒，人工清选得到干净的燕麦籽粒后，进行称质量并计算产量，采用烘干法测量收获后的燕麦籽粒含水率为15.42%。测定过程如图9 所示，测定结果如表2 所示。
图9 产量测定Fig. 9 Yield determination
表2 试验结果Tab. 2 Test results
3.2 结果分析
3.2.1 燕麦出苗率
由图10 可知，从出苗率变化趋势来看，出苗率随镇压强度增大先增大后减小，通过Excel 拟合，变化趋势呈二次曲线，R2=0.908 1，镇压强度过大或者过小都会影响燕麦的出苗率。适当的镇压强度可以压密土壤，使得土壤与燕麦种子充分接触，加之镇压作业具有蓄水保墒的作用，促使种子更好地发芽，使得出苗率升高；
但当镇压强度过大时，会造成土壤坚实度增大，土壤板结，燕麦种子出苗阻力增大，种子出苗所需顶土力变大，造成出苗困难。当镇压强度为45 kPa 时，燕麦的出苗率最高，为78.33%；
当镇压强度为0 时，燕麦的出苗率最低，为60.21%，出苗率从高到低镇压强度依次为45、60、30、15、75 和0 kPa；
与不镇压对比，当镇压强度为45 kPa 时，出苗率可增加30.09%。从出苗时间来看，出苗从早到晚镇压强度依次为45、60、30、15、75 和0 kPa。从苗情群体分析和整体镇压效果来说，镇压强度为ρ=30～60 kPa 时，燕麦的出苗率较高，有利于种子发芽。
图10 出苗率随镇压强度的变化曲线Fig. 10 Variation curve of emergence rate with suppression intensity
3.2.2 燕麦苗期干物质积累量
（1）不同镇压强度对燕麦苗期根干物质积累量的影响。
由图11 可知，燕麦苗期根干物质积累量随镇压强度增大先增大后减小，通过Excel 拟合，变化趋势呈二次曲线，R2=0.908 2。这是因为，适宜的镇压作业使种子更好地与土壤接触，可以给种子提供充分的营养物质和土壤环境，有利于根的生长发育。镇压强度过大时，土壤孔隙度减小，种子根部生长受阻，干物质积累量减小。整体来看，在试验范围内，镇压后燕麦苗期根的发育要比不镇压发育的好，不镇压时，苗期根干物质积累量最低，为0.066 g/株；
当镇压强度为45 kPa 时，苗期根干物质积累量最高，为0.088 g/株，相比不镇压时增加33.33%。
图11 根干物质积累量随镇压强度的变化曲线Fig. 11 Variation curve of root dry matter accumulation with suppression intensity
（2）不同镇压强度对燕麦苗期茎叶干物质积累量的影响。
由图12 可知，燕麦苗期茎叶干物质积累量随镇压强度增大先增大后减小，通过Excel 拟合，变化趋势呈二次曲线，R2=0.950 3。适宜的镇压强度可为燕麦生长发育提供良好的土壤环境，促进燕麦的生长，燕麦易形成壮苗，当镇压强度过大时，土壤过于密实，不利于种子出苗和扎根，燕麦种子在破土过程中消耗大量的养分，也会使得种子出苗后表现较为纤细，苗期干物质量积累量减少。整体来看，在试验范围内，镇压后燕麦苗期茎叶干物质积累量比不镇压时好，即镇压处理有利于燕麦苗期的发育。不镇压时，苗期茎叶干物质积累量最低，为0.412 g/株；
当镇压强度为45 kPa 时，苗期茎叶干物质积累量最高，为0.546 g/株，相比不镇压时增加32.52%。
图12 茎叶干物质积累量随镇压强度的变化曲线Fig. 12 Variation curve of dry matter accumulation of stems and leaves with suppression intensity
3.2.3 不同镇压强度对燕麦产量的影响
由图13 可知，燕麦产量随镇压强度增大先增大后减小，通过Excel 拟合，变化趋势呈二次曲线，R2=0.961。当镇压强度为0 时，燕麦产量最低，为2 145.45 kg/hm2；
当镇压强度为45 kPa 时，燕麦产量最高，为2 501.25 kg/hm2，相比不镇压时增产16.58%。当镇压强度分别为15、30、60 和75 kPa 时，燕麦产量分别为2 253.9、2 375.7、2 404.65 和2 178.15 kg/hm2，相比不镇压时分别增产5.05%、10.73%、12.08%和1.52%。适宜的镇压强度可促进燕麦生长，促进燕麦增产，这为旱作燕麦的高产栽培技术和高效机械化生产技术提供了依据和参考。
图13 产量随镇压强度的变化曲线Fig. 13 Variation curve of yield with suppression intensity
（1）设计了一种镇压强度可调的镇压装置，分析了镇压轮与土壤的相互作用，通过理论计算和田间标定试验，得出了0、15、30、60 和75 kPa 不同镇压强度条件下镇压试验所加配重质量分别为0、6.28、15.95、33.42、61.89 和111.64 kg。
（2）不同镇压强度影响燕麦的出苗、苗期生长发育及产量，适宜的镇压强度有助于燕麦生长，当镇压强度为45 kPa 时，燕麦生长发育情况表现最佳，燕麦出苗率、苗期根干物质积累量、茎叶干物质积累量、产量分别为78.33%、0.088 g/株、0.546 g/株、2 501.25 kg/hm2，相比不镇压时，分别增加了30.09%、33.33%、32.52%、16.58%。
猜你喜欢 出苗率标定燕麦 五寨燕麦晋粒康“边煮边发芽”的神奇谷物今日农业(2022年13期)2022-09-15燕麦奶不含奶文萃报·周五版(2021年37期)2021-10-09轻卡前视摄像头的售后标定汽车电器(2021年8期)2021-08-24一种轻卡前视单目摄像头下线标定方法汽车电器(2021年7期)2021-08-04使用朗仁H6 Pro标定北汽绅宝转向角传感器汽车维修与保养(2020年11期)2020-06-09CT系统参数标定及成像—2智富时代(2019年2期)2019-04-18CT系统参数标定及成像—2智富时代(2019年2期)2019-04-18行了，我像所有的他们一样延河(2017年7期)2017-07-19燕麦是一把双刃剑新青年(2017年1期)2017-01-18谷子免间苗技术的土壤水分阈值研究安徽农学通报(2016年24期)2017-01-12 相关热词搜索：镇压，强度，生长，
