戴 飛，趙武云，張 華，馬明義，王久鑫，馬軍民

(1.甘肅農業(yè)大學機電工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅洮河拖拉機制造有限公司， 甘肅 定西 730500)

旱地小麥全膜覆土穴播技術是近年來我國西北地區(qū)旱作農業(yè)上發(fā)展的一項創(chuàng)新技術，其集覆蓋抑蒸、膜面種穴集雨、留膜免耕多茬種植等技術于一體，能夠有效解決旱地小麥等密植作物生長期缺水和產量低而不穩(wěn)的問題，且顯著的增產效應使其成為西北地區(qū)“旱作農業(yè)發(fā)展的里程碑”[1-3]，2014年甘肅省全膜覆土穴播小麥推廣面積達到13.3×104hm2[3]。旱地小麥全膜覆土穴播技術作為針對我國西北旱農區(qū)興起的一種新型農作制栽培模式，國內外對其配套的農機裝備研發(fā)還沒有進行深入研究，為此，自行研制了旱地小麥全膜覆土穴播聯合機，該機可一次性完成旋耕、鎮(zhèn)壓、鋪膜、覆土、播種等工序[4]。

覆土、播種作業(yè)質量是影響旱地小麥全膜覆土穴播技術農藝效應的關鍵因素，可為發(fā)揮小麥全膜覆土穴播技術優(yōu)勢提供保障。當膜頂覆土量過少時，小麥穴播種床不牢固，覆蓋地膜容易被風掀起，其功用無法很好實現；若覆土量過大，種子拱土相對困難，影響小麥出苗及后期的生長與產量效應[5]。相關旱地小麥全膜覆土穴播技術規(guī)程研究及試驗表明，當膜上土壤覆蓋厚度控制在10 mm左右時，有助于小麥種子萌發(fā)及對土壤水分、肥料高效利用[1-2,6]。因此，聯合機只有在保證全膜覆土種床作業(yè)質量的基礎上才能提高其播種性能。為進一步研究旱地小麥全膜覆土穴播聯合機高效覆土作業(yè)性能，以該機覆土機構相關工作參數作為自變量，通過試驗測得不同因素水平組合條件下的覆土合格率(參考已有技術規(guī)程研究，本試驗以膜上覆土厚度8 mm～12 mm為合格[7])，采用響應面分析法確定各因素及其交互作用對平均覆土合格率的影響并獲取最優(yōu)控制變量組合，以達到最佳全膜覆土、穴播一體化作業(yè)效果。

1 工作過程分析與關鍵參數選取

1.1 結構組成

旱地小麥全膜覆土穴播聯合作業(yè)機主要由旋耕裝置、鎮(zhèn)壓裝置、膜上覆土裝置、覆膜機構、清土裝置及播種裝置等部件組成，聯合機結構如圖1a、b所示。

注：1.旋耕刀組；2.機架；3.右傳動軸；4.鏈傳動I；5.鎮(zhèn)壓輥；6.掛膜架；7.穴播器；8.清土裝置；9.刮板式土壤升運器；10.覆土殼體；11.變速箱；12.左傳動軸；13.鏈傳動Ⅱ；14.仿形機構；15.展膜輥

Note: 1. Rotary knife set; 2.Rack; 3.Right transmission shaft; 4.Chain drive I; 5.Press roller; 6.Hang film frame; 7.Dibble planting device; 8.Clean soil device; 9.Scraper soil elevating mechanism; 10.Covering soil shell; 11.Gear-box; 12.Left transmission shaft; 13.Chain drive Ⅱ; 14.Feeler mechanism; 15.Unfold film roll

圖1旱地小麥全膜覆土穴播聯合機結構圖

Fig.1 Structure diagram of soil mulching on plastic-film and dibble machine for dry-land wheat

聯合機膜上覆土裝置主要由刮板式土壤升運器、覆土殼體等組成；刮板式土壤升運器主要由升運帶、物料刮板及傳動裝置等部件組成。其中，升運帶寬度為1 200 mm，物料刮板高度為40 mm，刮板通過螺釘與升運帶連接并沿升運帶幅寬均布，物料刮板間距為100 mm。覆膜機構主要包括掛膜架與展膜輥；播種裝置主要由仿形機構、后置穴播器及其清土裝置組成。

1.2 傳動方案與作業(yè)原理

如圖2所示，聯合機掛接的拖拉機通過萬向節(jié)將動力傳遞至變速箱，變速箱經左、右傳動軸分別將動力傳遞至旋耕刀組與刮板式土壤升運器，后置鎮(zhèn)壓輥、掛膜架、展膜輥及穴播器則隨著聯合機牽引前行轉動作業(yè)。

注：1.萬向節(jié)；2.旋耕刀組；3.右傳動軸；4.鏈傳動Ⅰ；5.鏈傳動Ⅱ；6.穴播器；7.展膜輥；8.掛膜架；9.鎮(zhèn)壓輥；10.刮板式土壤升運器；11.變速箱；12.左傳動軸；13.鏈傳動Ⅲ

Note: 1.Cardan joint; 2.Rotary knife set; 3.Right transmission shaft; 4.Chain drive Ⅰ; 5.Chain drive Ⅱ; 6.Dibble planting device; 7.Unfold film roll; 8.Hang film frame; 9.Press roller; 10.Scraper soil elevating mechanism; 11.Gear-box; 12.Left transmission shaft; 13. Chain drive Ⅲ

圖2傳動系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of transmission system

旱地小麥全膜覆土穴播聯合機作業(yè)時，其旋耕刀組快速旋轉將田間土壤切削、疏松，并高速拋擲至刮板式升運器表面；此時，刮板式土壤升運器順時針運轉，將田間土壤傾斜提升越過鎮(zhèn)壓、覆膜機構，待位于刮板式土壤升運器下方的相關機構完成鎮(zhèn)壓及覆膜作業(yè)后，將輸送土壤均勻鋪灑到地膜上。與此同時，輪式穴播器隨著聯合機的牽引轉動作業(yè)，并在仿形機構、清土裝置的配合作用下完成全膜覆土小麥播種作業(yè)。

1.3 工作參數分析與選取

通過對旱地小麥全膜覆土穴播聯合機的研發(fā)與改進，其播種裝置作業(yè)性能相對穩(wěn)定，但由于覆土過程中相關作業(yè)參數不匹配引起地膜覆土厚度不一致，且進一步影響后續(xù)播種質量，仍然是制約聯合機工作性能優(yōu)劣的最核心問題[6]。

旱地小麥全膜覆土種床的耕整、鋪設是在聯合機田間工作前進過程中由旋耕刀組作用獲取覆膜土壤，并隨刮板式土壤升運器傾斜提升、輸送至覆膜膜頂。因此，除地膜質量的優(yōu)劣外，作業(yè)機前進速度v1、刮板式土壤升運器線速度v2(圖3)、旋耕刀組轉速n1、刮板式土壤升運器傾角α(圖3)均對聯合機覆土作業(yè)性能有一定制約與影響[8]。其中，為降低聯合機功耗，防止旋耕刀軸變形與刀片斷裂，旋耕刀組轉速n1在滿足對土壤切削、拋送的前提下不宜頻繁變化調整，根據相關研究試驗時控制在220 r·min-1[9]。

注：1.傳動鏈；2.從動鏈輪；3.傳動軸承；4.傳動軸；5.主動鏈輪；6.升運帶；7.物料刮板

Note: 1.Drive chain; 2.Driven sprocket; 3.Drive bearing; 4.Transmission shaft; 5.Drive sprocket; 6.Elevator belt; 7.Material scraper

圖3刮板式土壤升運器結構圖

Fig.3 Structure diagram of scraper soil elevating mechanism

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

旱地小麥全膜覆土穴播聯合機覆土作業(yè)性能試驗在臨洮縣洮陽鎮(zhèn)進行，試驗地面積約為0.40 hm2，所處地勢平坦，土壤為黃綿土，土壤含水率為14.6%～15.9%。試驗依照旱地小麥全膜覆土穴播相關農藝要求，通過變換、調整聯合機不同前進速度、刮板式土壤升運器線速度及其傾角進行膜頂覆土作業(yè)，選用地膜為厚度為0.01 mm的白色地膜。

2.2 試驗方法

參照NY/T 986-2006《鋪膜機作業(yè)質量》標準試驗方法，測定計算旱地小麥全膜覆土穴播聯合機田間作業(yè)后的平均覆土合格率[5,10]。以地膜幅寬1.2 m×1.0 m(測區(qū)長度)的面積為1個試驗測定小區(qū)，每個測區(qū)隨機抽取20個樣點應用鋼卷尺對覆土厚度進行測量(其中，覆土厚度在8～12 mm，表明聯合機覆土作業(yè)性能符合相關農藝技術要求，覆土質量合格[1-2,6-7])，試驗以6個作業(yè)小區(qū)的測定平均值為測試結果。平均覆土合格率計算式為：

(1)

(2)

式中,σc為測區(qū)平均覆土合格率，%；σi為單個測區(qū)覆土合格率，%；Bj為單個測區(qū)內覆土厚度在8～12 mm的測試點數量；j為單個測區(qū)抽取樣點數量，取20；i為測區(qū)數量，取6。

2.3 響應曲面法試驗方案

綜合上述聯合機工作參數分析與選取，應用Design-Expert 8.050軟件，采用Box-Behnken試驗設計原理[11]，以作業(yè)機前進速度(x1)、刮板式土壤升運器線速度(x2)和刮板式土壤升運器傾角(x3)為自變量，平均覆土合格率(σc)為響應值，各試驗因素水平編碼如表1所示，共實施17組響應面分析試驗(表2)。

表1 因素水平編碼

3 試驗結果與分析

3.1 回歸模型的建立及檢驗

試驗結果如表2所示，旱地小麥全膜覆土穴播聯合機作業(yè)后平均覆土合格率為79.7%～96.5%，基本滿足相關農藝技術要求。

表2 響應面分析結果

借助Design-Expert 8.050軟件對所得試驗結果進行分析，獲得編碼值表示的平均覆土合格率σc的二次回歸模型為：

(3)

式中，σc為平均覆土合格率，%；X1為作業(yè)機前進速度的編碼值；X2為刮板式土壤升運器線速度的編碼值；X3為刮板式土壤升運器傾角的編碼值。

對上述二次回歸模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗，結果如表3所示。

由表3可知，回歸模型P<0.0001，表明獲得的回歸模型極其顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能正確反映平均覆土合格率σc與X1、X2和X3之間的關系，回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結果進行預測。其中模型的一次項X1(作業(yè)機前進速度)影響極顯著，X3(刮板式土壤升運器傾角)影響顯著，而X2(刮板式土壤升運器線速度)影響不顯著；模型的二次項X12、X22、X32影響均極顯著；交互項X1X3、X2X3影響極顯著，X1X2影響顯著。根據模型各因素回歸系數的大小，可得到各因素的影響主次順序為：X1、X3、X2，即作業(yè)機前進速度、刮板式土壤升運器傾角、刮板式土壤升運器線速度。

表3 回歸方程方差分析

注：*顯著(P<0.05)，**極顯著(P<0.01)。

Note: * mean significant (P<0.05), ** mean highly significant(P<0.01).

3.2 模型交互項的解析

根據回歸模型(3)作出各因素之間關系的響應面圖。響應曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則相反[12-13]。

由圖4響應曲面形狀可以看出，作業(yè)機前進速度與刮板式土壤升運器線速度交互作用對平均覆土合格率的影響顯著。當作業(yè)機前進速度固定在某一水平，刮板式土壤升運器線速度由0.5 m·s-1向1.5 m·s-1不斷遞增變化時，平均覆土合格率呈現出先增大、后減小的變化趨勢。這主要是由于當旋耕刀組高速切削土壤并拋擲至線速度適宜的刮板式土壤升運器后，其能夠將充足的土壤準確鋪撒至覆蓋地膜表面，覆土厚度合格。但同時隨著刮板式土壤升運器線速度的不斷增加，使得升運器各刮板間的土壤還未充分填充就已經傾斜提升、鋪撒，導致地膜表面土壤覆蓋厚度達不到要求，平均覆土合格率有所降低。

圖4作業(yè)機前進速度與刮板式土壤升運器線速度對平均覆土合格率的影響

Fig.4 Influence of advance velocity of machine and linear velocity of scraper soil elevating mechanism on the average percent pass of soil mulching

由偏回歸分析與等高線密度可以得出，作業(yè)機前進速度對平均覆土合格率的影響大于刮板式土壤升運器線速度的影響。

由圖5可知，作業(yè)機前進速度對平均覆土合格率影響較刮板式土壤升運器傾角更顯著，這與方差分析結果相同。當刮板式土壤升運器傾角在某一水平，作業(yè)機前進速度由0.40 m·s-1向0.60 m·s-1不斷增加時，平均覆土合格率呈現出先增大、后減小的變化趨勢，且相對明顯。當作業(yè)機速度較低時，刮板式土壤升運器輸送的土壤在覆膜膜面上堆積滯留增加，易出現覆土厚度過大的情況；隨著作業(yè)機速度不斷提升，覆土厚度逐漸減小并接近相關農藝要求；當作業(yè)機速度進一步提高時，刮板式土壤升運器上的定量土壤不能夠及時鋪撒至對應膜面，且單位時間內的覆膜面積增加，使得部分膜面覆土厚度不夠或出現地膜裸露現象(地膜表面無土壤覆蓋)。

由圖6可以看出，當聯合機刮板式土壤升運器傾角在25°～30°之間，刮板式土壤升運器線速度為1.25～1.50 m·s-1時，平均覆土合格率出現最低值。這主要是在作業(yè)過程中刮板式土壤升運器線速度逐步增加，其上刮板間的土壤填充時間相對不足，且當其升運傾角不斷變大時，部分土壤從兩刮板間滑落，使得覆蓋膜頂的土壤量無法滿足合格覆土厚度要求。兩因素對平均覆土合格率影響權重有所差異，這與方差分析結果相一致。

3.3 最優(yōu)工作參數及試驗驗證

為保證旱地小麥全膜覆土穴播聯合機田間覆土作業(yè)性能良好(即平均覆土合格率達到100%)，應用軟件Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型(3)進行該目標下優(yōu)化求解，得到旱地小麥全膜覆土穴播聯合機最優(yōu)工作參數為：作業(yè)機前進速度0.55 m·s-1、刮板式土壤升運器線速度1.00 m·s-1、刮板式土壤升運器傾角40°。

圖5 作業(yè)機前進速度與刮板式土壤升運器傾角對平均覆土合格率的影響

圖6刮板式土壤升運器線速度與刮板式土壤升運器傾角對平均覆土合格率的影響

Fig.6 Influence of linear velocity of scraper soil elevating and dip angle of scraper soil elevating mechanism on the average percent pass of soil mulching

為進一步驗證回歸模型(3)的可靠性，應用旱地小麥全膜覆土穴播聯合機調整其最優(yōu)工作參數進行9次田間覆土播種作業(yè)性能試驗(如圖7所示)，試驗材料與方法與文中2.1和2.2相同。

田間驗證試驗表明，旱地小麥全膜覆土穴播聯合機平均覆土合格率為98.6%，較優(yōu)化前平均覆土合格率(79.7%～96.5%)有明顯的提升，表明在該優(yōu)化工作參數條件下能夠實現膜頂合格覆土(覆土厚度在8～12 mm之間)，因此該回歸模型是可靠的。

4 結 論

1) 結合Box-Behnken試驗設計原理，采用三因素三水平響應面分析方法，進行旱地小麥全膜覆土穴播聯合機覆土性能工作參數優(yōu)化，通過試驗優(yōu)化結果可得影響平均覆土合格率的因素由大到小依次為：作業(yè)機前進速度、刮板式土壤升運器傾角和刮板式土壤升運器線速度。

2) 建立了平均覆土合格率與作業(yè)機前進速度、刮板式土壤升運器傾角和刮板式土壤升運器線速度的二次多項式回歸模型。以全膜覆土全部達標(σc=100%)為目標，優(yōu)化得到聯合機最佳工作參數：作業(yè)機前進速度為0.55 m·s-1、刮板式土壤升運器線速度為1.00 m·s-1、刮板式土壤升運器傾角為40°。

3) 田間驗證試驗表明，聯合機平均覆土合格率可達98.6%，較優(yōu)化前覆土作業(yè)性能有明顯的提升，達到了旱地小麥全膜覆土穴播技術關于覆膜種床頂部覆土厚度的標準要求，表明優(yōu)化后的工作參數組合可以作為旱地小麥全膜覆土穴播聯合機田間覆土作業(yè)的最佳依據。

圖7聯合機田間性能試驗

Fig.7 Field performance test of combined machine

[1] 李 福，劉廣才，李誠德，等.旱地小麥全膜覆土穴播技術的土壤水分效應[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2013，31(4)：73-78.

[2] 劉生學，張 靜，劉廣才，等.旱地小麥全膜覆土穴播技術高效施肥機理研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2015，33(3)：177-183.

[3] 郭振斌，劉廣才，李誠德，等.旱地小麥全膜覆土穴播技術肥料效應研究[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2014，32(4)：163-168.

[4] 唐學鵬，趙武云，戴 飛，等.旱地小麥全膜覆土播種一體機的研制[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2013，31(6)：248-251.

[5] 趙立軍，何 堤，周福君.2BF-1400 型水稻覆膜播種機覆土機構參數優(yōu)化與試驗[J].農業(yè)工程學報，2015，31(8)：21-26.

[6] 史聚寶，李興茂，孟治岳.小麥全膜覆土穴播技術存在的問題與對策[J].作物雜志，2014，(1)：129-131.

[7] 李 福，劉廣才，李誠德，等.甘肅省旱地小麥全膜覆土穴播栽培技術規(guī)程[J].甘肅農業(yè)科技，2012，(3)：49-51.

[8] 戴 飛，趙武云，馬明義，等.雙壟耕作施肥噴藥覆膜機工作參數優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報，2016，47(1)：83-90.

[9] 賈洪雷，汲文峰，韓偉峰，等.旋耕-碎茬通用刀片結構參數優(yōu)化試驗[J].農業(yè)機械學報，2009，40(7)：45-50.

[10] 黑龍江省農業(yè)機械運用研究所.NY/T 986-2006鋪膜機作業(yè)質量[S].北京：中國標準出版社，2006.

[11] 夏連明，王相友，耿端陽.傾斜圓臺型玉米精密排種器種子破損試驗[J].農業(yè)機械學報，2012，43(12)：67-71.

[12] 袁 雪，祁力鈞，王 虎，等.溫室搖擺式變量彌霧機噴霧參數響應面法優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報，2012，43(4)：45-50.

[13] 易軍鵬，朱文學，馬海樂，等.牡丹籽油超聲波輔助提取工藝的響應面法優(yōu)化[J].農業(yè)機械學報，2009，40(6)：103-110.