牛萌萌，方會(huì)敏，薦世春

（250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

雜草作為農(nóng)作物強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，其與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分和水分，直接影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量[1]，同時(shí)也是病蟲(chóng)害的主要寄主，農(nóng)田雜草滋生已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可忽視的一個(gè)重要問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)雜草的控制一般采用化學(xué)法，化學(xué)除草具有高效、及時(shí)、省工、徹底等特點(diǎn)[2]。但其帶來(lái)諸如雜草群落變遷[3]、抗藥性增強(qiáng)且抗藥譜擴(kuò)大[4]，以及環(huán)境污染[5]、農(nóng)藥殘留[6]等問(wèn)題。自2016年以來(lái)，每年的中央1 號(hào)文件都提到農(nóng)藥化肥零增長(zhǎng)，甚至2018 年以來(lái)強(qiáng)調(diào)農(nóng)藥化肥投入減量化、負(fù)增長(zhǎng)。

在國(guó)家大力提倡減藥增效和雜草綠色防控背景下，機(jī)械除草作為一種環(huán)境友好、針對(duì)性強(qiáng)、見(jiàn)效快且兼具農(nóng)藝功能的非化學(xué)防除方法，對(duì)于應(yīng)對(duì)抗性雜草繁衍、農(nóng)業(yè)環(huán)境惡化和糧食安全挑戰(zhàn)等具有重要意義[7]。本文從行間鋤鏟式中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)，首先對(duì)鋤鏟式除草機(jī)作用下土壤和秸稈的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，進(jìn)而分析了行間除草作業(yè)后土壤的破碎情況，為除草機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

黃淮海地區(qū)的玉米種植模式一般為60 cm 等行距播種，少數(shù)農(nóng)戶(hù)以70 cm 等行距播種。因此本文設(shè)計(jì)的鋤鏟式除草機(jī)行間距為60±10 cm（可調(diào)）。該除草機(jī)由6 個(gè)（共3 組）鋤鏟式除草部件組成，每個(gè)作業(yè)行內(nèi)有2 個(gè)鋤鏟安裝在前后梁上，以保證玉米行間雜草的清除效果。

拖拉機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中，鋤鏟將土體破開(kāi)，切開(kāi)撕裂土壤的同時(shí)將行間雜草從土壤中拔出，并引導(dǎo)行間雜草運(yùn)移至兩側(cè)。田間除草時(shí)，調(diào)整仿形輪使鋤鏟入土深度控制在10～15 cm。

1.2 鋤鏟設(shè)計(jì)

行間中耕除草鏟主要由鏟柄和鋤鏟組成，如圖1 所示。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括鋤鏟入土角α、切土角β、鏟翼張角γ、鋤鏟作業(yè)幅寬B。

圖1 行間鋤鏟式除草部件Fig.1 The weeding parts of inter-row hoe type weeder

鋤鏟入土角過(guò)小時(shí)，鏟刃部強(qiáng)度較弱；而入土角過(guò)大，工作時(shí)土壤上移量增加、土層抬高、土壤擾動(dòng)增強(qiáng)，造成中耕除草時(shí)整機(jī)工作阻力增加。本文鋤鏟的入土角α設(shè)計(jì)為16 °。

鋤鏟切土角過(guò)小時(shí)會(huì)影響鏟面高度；切土角過(guò)大時(shí)，土壤易被推向兩側(cè)，使土壤外翻量增加，極易在除草過(guò)程對(duì)兩旁植株造成壓苗傷苗情況。本文切土角β設(shè)計(jì)為10 °。

鏟翼張角的作用是引導(dǎo)雜草沿刃口滑切，使雜草順利滑出鋤鏟表面，防止雜草纏繞在鋤鏟上。因此本文鏟翼張角γ設(shè)計(jì)為80 °，既避免了過(guò)小張角造成鏟翼切斷草根的能力減弱，也避免了張角過(guò)大時(shí)發(fā)生纏草、黏土、擁堵。

考慮到設(shè)計(jì)的鋤鏟應(yīng)對(duì)現(xiàn)有玉米播種行距具有普遍適用性，同時(shí)充分考慮沒(méi)有自動(dòng)駕駛輔助情況下農(nóng)機(jī)操作者的操作誤差，出于對(duì)兩側(cè)玉米植株的保護(hù)考慮，結(jié)合整機(jī)鋤鏟部件的布置結(jié)構(gòu)，此處鋤鏟作業(yè)幅寬B 設(shè)計(jì)為265 mm。

2 試驗(yàn)參數(shù)與方法

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2020 年7 月在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院試驗(yàn)基地山東省濟(jì)南市章丘區(qū)棗園鎮(zhèn)進(jìn)行，該試驗(yàn)田已連續(xù)進(jìn)行了多年小麥-玉米輪作試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)正值玉米苗4～5 葉期，是機(jī)械除草的關(guān)鍵時(shí)期。經(jīng)調(diào)查，田內(nèi)雜草以麥草和裂葉牽牛占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)時(shí)，土壤密度為1.45 g/cm3，0～5 cm、5～10 cm 土層內(nèi)土壤平均含水率分別為16.37%和16.41%，5 cm 和10 cm 處土壤緊實(shí)度分別為0.71，0.46 MPa。

2.2 試驗(yàn)小區(qū)布置

為了測(cè)量除草過(guò)程中土壤和雜草的運(yùn)動(dòng)，本研究采用示蹤法[8-10]。使用不銹鋼塊模擬土壤。試驗(yàn)時(shí)，將不銹鋼塊嵌入土壤中模擬不同位置土塊，將標(biāo)牌系在雜草上標(biāo)記不同位置雜草，通過(guò)追蹤示蹤器的運(yùn)動(dòng)來(lái)分析土壤和雜草的運(yùn)動(dòng)情況。其中，土壤示蹤器按照不同深度和距離除草中心線不同位置進(jìn)行布置，雜草示蹤器則在自然生長(zhǎng)位置處的雜草上進(jìn)行標(biāo)記。土壤示蹤器和雜草示蹤器布置如圖2 所示。除草試驗(yàn)重復(fù)3 次，單次除草長(zhǎng)度為30 m。

圖2 土壤和雜草示蹤器布置圖Fig2 Schematic view of tracer placements in field

除草試驗(yàn)中，在除草鏟除草路徑中心線垂直方向上布置土壤示蹤器，編號(hào)1 的示蹤器布置在相鄰2 行玉米的中心線上，之后分別以5 cm 間隔布置編號(hào)2～6 的土壤示蹤器。按此相對(duì)位置，在地表、地下5 cm 處及地下10 cm 處分別布置示蹤器，即合計(jì)18 個(gè)示蹤器。單次試驗(yàn)布置3 組，合計(jì)54 個(gè)土壤示蹤器。

雜草按實(shí)際生長(zhǎng)位置進(jìn)行標(biāo)記，其中距離除草路徑中心線垂直距離小于5 cm 范圍內(nèi)的雜草定義為第一范圍內(nèi)雜草；距離除草路徑中心線垂直距離5～15 cm 范圍內(nèi)的雜草定義為第2 范圍內(nèi)雜草；距離除草路徑中心線垂直距離15～25 cm范圍內(nèi)的雜草定義為第3 范圍內(nèi)雜草。

2.3 試驗(yàn)測(cè)定內(nèi)容

2.3.1 除草效果

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選擇3 個(gè)樣點(diǎn)（寬為玉米行距0.7 m，長(zhǎng)為0.45 m），將此范圍內(nèi)的雜草全部拔出，記錄雜草的株數(shù)并稱(chēng)其鮮重。

利用式（1）、式（2）計(jì)算株防效Ep和鮮重防效Ef：

式中：Ep——株防效；Nb——空白對(duì)照區(qū)雜草株數(shù)；Nt——處理區(qū)雜草株數(shù)。

式中：Ef——鮮重防效；Wb——空白對(duì)照區(qū)雜草鮮重；Wt——處理區(qū)雜草鮮重。

單次除草試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)30 m 試驗(yàn)區(qū)內(nèi)被土塊壓住或被除草部件刮傷的玉米植株株數(shù)，利用式（3）計(jì)算傷苗埋苗率Rs：

式中：Rs——傷苗埋苗率；NI——被傷被埋玉米株數(shù)；NP——玉米總株數(shù)。

2.3.2 土壤和雜草的運(yùn)動(dòng)

土壤和雜草的運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)測(cè)量各示蹤器在除草作業(yè)前后的位置之差來(lái)表達(dá)，通過(guò)不同位置示蹤器的運(yùn)動(dòng)位移結(jié)合除草部件結(jié)構(gòu)分析土壤和雜草在除草機(jī)作用下的運(yùn)動(dòng)特性。

2.3.3 土壤的破碎特征

采用數(shù)碼攝像機(jī)（SONY SR11E）對(duì)除草過(guò)程進(jìn)行跟蹤拍攝，分析每幀圖像中土壤的破碎行為，歸納總結(jié)土壤結(jié)構(gòu)在不同除草機(jī)構(gòu)作用下的破壞規(guī)律。

每次試驗(yàn)后，在除草試驗(yàn)路徑過(guò)程中框選出3 處（長(zhǎng)×寬=60 cm×60 cm）進(jìn)行除草后土壤尺寸的測(cè)量，每個(gè)取樣框中隨機(jī)選取10 個(gè)破碎后的土壤塊進(jìn)行最大直徑的測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

土壤和秸稈在鋤鏟式玉米中耕除草機(jī)作用下有破碎、運(yùn)移等情況，雜草在除草機(jī)作用下的運(yùn)移及土壤的運(yùn)動(dòng)和破碎情況直接反映工作部件的作用效果。通過(guò)對(duì)其作用下土壤和雜草的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，可以歸納總結(jié)除草機(jī)的作用方式及范圍。土壤在除草機(jī)作用下的破碎情況能夠反映除草機(jī)作用過(guò)程對(duì)土壤的擾動(dòng)。雜草的清除效果則是除草機(jī)械工作效果的最直接反映，是衡量除草機(jī)械作業(yè)效果的首要因素。

3.1 雜草的清除效果

鋤鏟式除草機(jī)單行內(nèi)的作業(yè)幅寬較大（36.5 cm），因此土壤受擾動(dòng)面積大，導(dǎo)致雜草清除面積大，除草率高。在此次試驗(yàn)中，鋤鏟式玉米中耕除草機(jī)的除草株防效為83.4%，鮮重防效為82.6%。而且，鋤鏟式除草部件入土較深，作業(yè)時(shí)的最大土壤擾動(dòng)寬度可達(dá) 62 cm 以上，更進(jìn)一步提高了雜草清除效果。

然而，鋤鏟式除草機(jī)作業(yè)時(shí)土壤擾動(dòng)大，也常出現(xiàn)將部分土塊拋至玉米苗上，造成其傷苗壓苗比率達(dá)3.6%。

3.2 土壤的運(yùn)動(dòng)

鋤鏟式玉米中耕除草機(jī)作用下土壤的運(yùn)動(dòng)情況如圖3 所示。在鋤鏟式除草機(jī)作用下，表層各位置土壤的水平位移顯著大于其縱向位移，主要原因在于鋤鏟式除草部件的作業(yè)方式是水平前進(jìn)式。1～3 號(hào)位置的土壤示蹤器運(yùn)動(dòng)位移較大，因其處于鋤鏟直接作用范圍內(nèi)，受鋤鏟運(yùn)動(dòng)的影響大；4～6 號(hào)位置的示蹤器距離鋤鏟的有效運(yùn)動(dòng)范圍較遠(yuǎn)，故運(yùn)動(dòng)位移較小，尤其6 號(hào)示蹤器的運(yùn)動(dòng)僅僅是因鏟翼對(duì)其周邊土壤的擾動(dòng)。

圖3 鋤鏟式除草機(jī)作用下土壤的運(yùn)動(dòng)位移Fig.3 The soil displacements under the condition of mechanical weeding with hoe-type weeder

在所有示蹤器中，2 號(hào)位置的土壤示蹤器既靠近右側(cè)鋤鏟的鏟尖（水平距離約82.5 mm），同時(shí)又位于左側(cè)鋤鏟的鏟翼運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)（與鏟翼的垂直坐標(biāo)相同），因此在雙鏟作用下的位移最大；而3 號(hào)位置的示蹤器雖距離右側(cè)鋤鏟的鏟尖最近，但缺乏左側(cè)鏟尖的二次作用，其運(yùn)動(dòng)位移對(duì)比2 號(hào)位置的示蹤器運(yùn)動(dòng)位移要小得多。同理，1 號(hào)位置的示蹤器雖距離左右側(cè)的鏟尖都較遠(yuǎn)，但是在雙鏟作用下的運(yùn)動(dòng)位移還是大于3 號(hào)而小于2 號(hào)示蹤器的運(yùn)動(dòng)位移。

對(duì)于土下5 cm 處的土壤運(yùn)動(dòng)而言，僅1～3號(hào)位置的土壤有小范圍運(yùn)動(dòng)，其不同位置的運(yùn)動(dòng)位移與表層土壤的運(yùn)動(dòng)位移具有類(lèi)似趨勢(shì)。但對(duì)于土下10 cm 處的土壤而言，其運(yùn)動(dòng)位移極小，可能是地表不平或秸稈等的存在影響了除草機(jī)的作業(yè)深度。對(duì)于深度方向的運(yùn)動(dòng)而言，幾乎表層和土下5 cm 位置的所有土壤示蹤器都往表層運(yùn)動(dòng)，這與鏟面非水平面有關(guān)，說(shuō)明鋤鏟式除草機(jī)有破土及小幅翻土的效果，作業(yè)時(shí)土壤擾動(dòng)較大。

3.3 雜草的運(yùn)動(dòng)

對(duì)除草作業(yè)而言，在3 個(gè)范圍內(nèi)共布置了雜草示蹤器27 株。在第1 范圍內(nèi)有運(yùn)動(dòng)位移的雜草比例占88.9%；第2、3 范圍內(nèi)則分別是83.3%和58.3%，而第3 范圍之外的雜草皆沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。

若以3 號(hào)土壤示蹤器的位置為基準(zhǔn)，向內(nèi)考查此范圍（即對(duì)應(yīng)土壤示蹤器1～3 位置的范圍）內(nèi)雜草的運(yùn)動(dòng)比例，發(fā)現(xiàn)此范圍內(nèi)高達(dá)80%的雜草有運(yùn)動(dòng)，此與前述分析土壤運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)一致，主要因?yàn)榇朔秶鸀殇z鏟的高效運(yùn)動(dòng)范圍。

縱觀所有雜草的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)雜草的平均水平位移為20.8 cm，縱向位移為38.1 cm；而鋤鏟高效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的雜草平均水平位移為30.3 cm，縱向位移為38.1 cm；非鋤鏟高效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的雜草平均水平位移和縱向位移為1.7 cm 和38.0 cm。

由此可見(jiàn)，在鋤鏟式除草機(jī)作用下，不同位置雜草縱向運(yùn)動(dòng)位移相差不大，都在鋤草部件前進(jìn)過(guò)程中因破土被側(cè)向移位；而不同位置的雜草其跟隨鋤鏟前進(jìn)的距離不同，越靠近鋤鏟的中心位置，其越容易跟隨鋤鏟前進(jìn)至一定程度被拋出。

3.4 土壤的破碎

鋤鏟式玉米中耕除草機(jī)作用下的土壤結(jié)構(gòu)變化如圖4 所示。鋤鏟式除草機(jī)工作時(shí),呈垂直安裝的鏟柄最下端的鋤鏟向前上方擠壓土壤，被擠壓的土壤向鏟柄和鋤鏟的兩側(cè)移位同時(shí)產(chǎn)生裂紋。鋤鏟的持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大（見(jiàn)圖4（b）），進(jìn)而在鏟柄和鋤鏟通過(guò)時(shí)土壤發(fā)生破碎（見(jiàn)圖4（c））。

圖4 鋤鏟式除草機(jī)作用下土壤的破碎過(guò)程Fig.4 The crushing process of the complex under the action of hoe-type weeder

鋤鏟式除草機(jī)作業(yè)后土壤結(jié)構(gòu)典型直徑為10.4 cm。同時(shí)其除草后的土壤體積較大，處于幼苗期的雜草根系較完整地包含在該土壤中。鋤鏟式除草機(jī)作業(yè)后5 cm 處的土壤緊實(shí)度約254.0 kPa，較未除草前降低了64.4%。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玉米田雜草的機(jī)械防除需求，本文設(shè)計(jì)了一種行間鋤鏟式玉米中耕除草機(jī)。并從土壤和雜草運(yùn)動(dòng)、土壤破碎、除草效果等角度對(duì)其作業(yè)性能進(jìn)行了研究。

研究表明，鋤鏟式除草機(jī)作用下，表層各位置土壤的水平位移顯著大于其縱向位移，且位于鋤鏟高效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的土壤運(yùn)動(dòng)位移顯著大于非高效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的土壤運(yùn)移。處于鋤鏟高效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的雜草運(yùn)動(dòng)比例高達(dá)80%，此范圍內(nèi)雜草平均水平位移為30.3 cm，縱向位移為38.1 cm；鋤鏟式除草機(jī)主要靠擠壓作用讓土壤破碎，破碎后土壤結(jié)構(gòu)的典型直徑為10.4 cm，5 cm 深度處土壤緊實(shí)度降低了64.4%。