陳明江，宋德平，王振偉，王仁兵，劉凱凱，陳永生

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京　210014；2.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所，山東 濱州　256601)

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棉稈拉拔阻力的研究

陳明江1，宋德平2，王振偉1，王仁兵2，劉凱凱2，陳永生1

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京210014；2.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所，山東 濱州256601)

摘要：為研究收獲期的棉稈根部直徑和土壤硬度對棉稈拉拔阻力的影響，為棉稈拔稈收獲機械的設(shè)計和使用提供參考依據(jù)，在山東省無棣縣棉花生產(chǎn)全程機械化示范基地進行了棉稈拔稈試驗，采集了棉稈拉拔阻力、根部直徑和土壤硬度的數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明：在較長時間跨度里，棉稈的拉拔阻力變化很大，呈先增大后減小的趨勢。已采集的6批次數(shù)據(jù)中，第2批次(2014.12.26)棉稈拉拔阻力最大，單株棉稈最大拉拔阻力為1031.6N，平均拉拔阻力為679.0N；第6批次(2015.03.21)棉稈拉拔阻力最小，單株棉稈最大拉拔阻力達到471.1N，平均拉拔阻力為340.76N。對采集的數(shù)據(jù)進行的回歸分析表明：同批次的棉稈拉拔阻力與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系，直線回歸關(guān)系不顯著；同批次的棉稈拉拔阻力土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系，直線回歸關(guān)系不顯著。

關(guān)鍵詞：棉稈；拉拔阻力；根部直徑；土壤硬度

0引言

棉稈是棉花種植的副產(chǎn)品，是重要的生物質(zhì)資源，既可作為燃料或飼料，也可作為肥料粉碎還田，同時在工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛的應用，具有較高的經(jīng)濟價值[1]。2014年，全國棉花播種面積4.22×106hm2，若棉稈單位面積產(chǎn)量按3t/hm2計算，全國棉稈總產(chǎn)量約為1.266×107t[2]。盡管棉稈總量巨大，但棉稈收獲技術(shù)發(fā)展遲緩，配套收獲裝備性能低下，未能得到廣泛推廣。除新疆地區(qū)大部分棉稈被粉碎還田外，其他地區(qū)多數(shù)農(nóng)戶仍舊采用手工拔除或焚燒的方式處理，致使棉稈資源利用率低下。拔稈收獲能實現(xiàn)棉稈的全部收集，可避免殘留根茬對下一輪作物的不利影響，是最受農(nóng)民歡迎的收獲方式。為此，國內(nèi)研制了多種基于拔稈原理的棉稈收獲裝備：水平齒盤式拔棉稈機，如河北農(nóng)哈哈的4MJ-2型棉花秸稈收獲機；臥式齒輥拔棉稈機，如農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所的4MGB-237型棉稈拔稈切碎聯(lián)合收獲機；鏈式拔稈機，如蘇順達機械廠的MB-1型棉花拔棵機。由于設(shè)備的性能、可靠性還達不到相應的要求，且對拔稈機理的基礎(chǔ)性研究還有所不足，這些機型的使用并不廣泛[3-8]。

棉稈拉拔阻力是棉稈收獲機理研究的重要技術(shù)參數(shù)，國內(nèi)外科研單位在這方面開展了一系列工作。張鳳元[9]測定，人工用手拔棉柴的拔稈阻力為40～120kg/株，可見其勞動強度特別大。蘇丹喀土穆大學的Tawfig F·Demian[10]研究發(fā)現(xiàn)，一棵棉株從同一穴中好幾棵棉株中拔出來最大起拔力為1 000N，一棵單獨的棉柴的起拔力為1 210N。沈茂[11]等研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)，沿垂直方向拉拔，棉稈的整個根系都受到土壤的阻力；而以一定角度拉拔，棉稈僅有一部分根系受拉，這樣必然使得棉稈的拉拔阻力減小。李怡[12]等人開展的進一步研究發(fā)現(xiàn)，起拔角度對棉稈起拔力存在顯著影響，試驗條件下最優(yōu)起拔角度為30°，最優(yōu)起拔線速度為6.28mm/s。由于棉稈拔稈阻力的影響因素同時還與土壤的物理參數(shù)有密切關(guān)系，因此在實際應用中還需要同時考慮土壤對拔稈阻力的影響。山西省運城市農(nóng)機科研所李有田[13]在對棉稈拉拔阻力作了初步測定發(fā)現(xiàn)，棉柴拉拔阻力分布與位移關(guān)系可分為阻力上升階段和阻力下降階段。

實際上，從棉花開始采摘到棉稈完全收獲有5～6個月，在這段時間內(nèi)，受土壤、氣候、棉稈生理活性等因素的影響，棉稈的水分蒸發(fā)、根部腐爛，以及土層的含水率、硬度變化都會導致棉稈的拉拔阻力在不同的時間段存在變化。土質(zhì)、土壤含水量和土壤堅實度對棉柴的起拔力有較大的影響[14]，雖然人們對棉稈拉拔阻力進行了研究，但忽略了在較長時間跨度里棉稈腐爛、水分、溫度、土壤理化性質(zhì)等因素對棉稈拉拔阻力的影響。針對上述問題，本文測量了棉稈在不同的時間點拉拔阻力的變化，為棉稈收獲裝備的研制和使用提供參考資料。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

采樣地點位于山東省濱州市無棣縣棉花生產(chǎn)全程機械化示范基地，土壤屬鹽堿地；氣候夏熱多雨，冬寒季長，春季多風干燥；數(shù)據(jù)采集區(qū)的棉花采用一膜雙行的膜下直播種植模式，棉花品種為中棉所-50(CCRI50)。

1.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集從棉花收獲后開始，第1次采集時間在2014年10月23日，此后每隔一段時間采集1次數(shù)據(jù)，一直延續(xù)至第2年春季棉花播種。主要采集棉稈根部直徑、拉拔阻力及土壤硬度等數(shù)據(jù)，并通過天氣預報跟蹤天氣變化，如氣溫等。根部直徑采用測量棉稈地表根部同一橫截面的垂直兩個方向的尺寸，并求取平均值。拉拔阻力的測量使用樂清禾木儀器儀表有限公司SH-1000型數(shù)顯式推拉力計(量程0～1 000N，精度0.5N)，其能夠?qū)崟r顯示測量力的變化，且能將每次測量的最大數(shù)據(jù)自動存儲。具體測量方法是：用尼龍繩一端拴在棉稈的根部，另一端連接到推拉力計的掛鉤上，并豎直向上緩慢提拔，根部脫離土壤后，讀取最大數(shù)據(jù)。土壤硬度的采集采用濰坊普創(chuàng)儀器有限公司TYD-1型土壤硬度計，測量距離棉稈根部5cm內(nèi)側(cè)(鋪膜)和外側(cè)(未鋪膜)數(shù)據(jù)，并求平均值。每次測量數(shù)據(jù)40組，形成棉稈根部直徑、拉拔阻力和土壤硬度的數(shù)據(jù)表，經(jīng)處理后如表1所示。

表1　采集的相關(guān)數(shù)據(jù)

2結(jié)果與分析

觀察表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：第3～5次采樣數(shù)據(jù)中的拉拔阻力數(shù)據(jù)缺失。因棉花根系為直根系，分為主根和側(cè)根，大部分的根系分布在耕作層內(nèi)，在土壤養(yǎng)分、水分和土質(zhì)合適的情況下，根系生長非常發(fā)達，主根可深入土層達2m左右，側(cè)根長度可達1m以上，73%以上的根幾種在地表40cm的土層內(nèi)，根系下扎可達140cm，根系總量有超過80.6%側(cè)向分布在0～15cm。平文超的試驗結(jié)果表明：不同密度下，0～30cm的土層內(nèi)的根干質(zhì)量和根長分別占總量的67.8%～97.4%和54.0%～93.3%；30cm以下土層的棉稈根部主要是毛細根部，其容易斷裂，產(chǎn)生的拉拔阻力小，棉稈抓地力最強的部分主要位于0～30cm的土層內(nèi)[15-16]。而濱州為溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，進入冬季以后氣溫逐漸降低。追蹤濱州市當年分月的天氣發(fā)現(xiàn)：在進入12月份后，日最低氣溫均在0℃以下，導致土壤從上往下逐漸發(fā)生冰凍。隨時間的推移，凍土深度加深，土壤和棉稈地表向下的根部理化性狀隨之發(fā)生改變，土層內(nèi)的水分變?yōu)楸薅捀康乃忠沧優(yōu)楸⒏街渖?，如圖1所示；而位于0～30cm的土層內(nèi)的棉稈根正好是土層對棉稈作用力最強的部分。因此，導致棉稈的拉拔阻力急劇增加，絕大多數(shù)棉稈的拉拔阻力已經(jīng)超出推拉力計的量程，超過人力拉拔的極限(多數(shù)棉稈兩人合力不能拔出)；又因寒冬不適合田間作業(yè)，棉稈的收獲也失去了意義，因此未采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1棉稈根部直徑對拉拔阻力的影響

為提高研究結(jié)果的可信度，文中分別對第1次采樣數(shù)據(jù)與第2次采樣數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件進行線性回歸分析，分析結(jié)果如圖2所示。

線性回歸模型為

y1=29.42x+21.26

r2=0.60F=560.00P=0.00

P<0.05，可知線性回歸模型成立；r2=0.60，說明回歸方程顯著性一般。

y2=33.78x+200.82

r2=0.00F=12.00P=0.00

P<0.05，可知線性回歸模型成立；r2=0.60說明線性回歸不顯著。

圖中A、B、C區(qū)域有非常明顯的冰渣

○代表第1次采樣數(shù)據(jù) ；+代表第2次采樣數(shù)據(jù)

通過軟件分析，可直觀地發(fā)現(xiàn)：同批次采集的數(shù)據(jù)中，棉稈最大拉拔阻力與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。線性回歸分析得出的兩組處理結(jié)果中P值均小于0.05，表明線性回歸模型成立；但回歸模型y1中的r2=0.60，顯示其模型線性回歸性不顯著?；貧w模型y2中的r2=0.00，顯示其模型線性回歸極不顯著。這是因為直接影響棉稈拉拔阻力的因素可能有土壤的硬度、土壤跟棉稈的摩擦力及棉稈根系的分布生長情況等因素。在同一地塊中，因肥力的不均勻性，造成棉稈根系生長差別較大，導致棉稈的拉拔阻力存在了較大差別；而棉稈的根部地面直徑的大小僅是在一定程度上反應根系的生長情況。

2.2土壤硬度對拉拔阻力的影響

由于棉稈的拉拔阻力與棉稈直徑存在正相關(guān)關(guān)系，因此在研究棉稈的最大拉拔阻力與土壤硬度的關(guān)系時，應避免棉稈根部直徑這個因素對棉稈最大拉拔阻力的影響；但實際情況決定了采集相同直徑棉稈的數(shù)據(jù)難度大，就不可避免棉稈直徑對數(shù)據(jù)分析的影響。所以，為了最大限度地減小棉稈直徑對棉拉拔阻力的影響，文中按照直徑大小將棉稈數(shù)據(jù)分組(理論分組區(qū)間越小，直徑因素對研究拉拔阻力和土壤硬度的影響因素越小)，既要降低直徑因素的影響，又要兼顧分組中數(shù)據(jù)的個數(shù)，本文將棉稈直徑按照1mm的區(qū)間進行分組。為提高數(shù)據(jù)的可信度，從第1批次數(shù)據(jù)中選取了數(shù)據(jù)個數(shù)最多4組數(shù)據(jù)，分別是直徑在12～13mm、13～14mm、15～16mm、17～18mm的數(shù)據(jù)，并對4組數(shù)據(jù)分別做了拉拔阻力和土壤硬度的線性回歸分析，如圖3所示。

圖3土壤硬度與棉稈拉拔阻力的關(guān)系

Fig.3The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；*代表13～14mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；+代表15～16mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；△代表17～18mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)。

線性回歸模型為

y3=54.60x+663.89(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y4=49.59x+177.98(13～14mm)

r2=0.00F=1.00P=0.00

y5=63.55x+110.31(15～16mm)

r2=0.5F=6.50P=0.00

y6=59.80x+300.07(17～18mm)

r2=0.6F=6.40P=0.01

對方程y3、y4、y5、y6進行比較分析發(fā)現(xiàn)：僅有y3回歸模型顯示棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成負相關(guān)關(guān)系。對12～13mm內(nèi)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：有1組數(shù)據(jù)直徑12.21mm，土壤硬度3.15kg/cm2，拉拔阻力614N，其大小遠超過12～13mm，其它拉拔阻力的平均值373.6N。該數(shù)據(jù)可能受未知因素的影響而遠超過常規(guī)數(shù)據(jù)，因此為降低對整體數(shù)據(jù)的影響，將該數(shù)據(jù)的拉拔阻力修正為其它數(shù)據(jù)的平均值373.6N，重新進行線性回歸分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4土壤硬度與棉稈拉拔阻力的關(guān)系

Fig.4The relationship between cotton-stalk uprooting resistance and soil hardness

○代表12～13mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；*代表13～14mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；+代表15～16mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)；△代表17～18mm棉稈拔稈試驗數(shù)據(jù)。

線性回歸模型為

y3=7.62x+341.71(12～13mm)

r2=0.00F=1.00P=0.08

雖然P=0.08>0.05，顯示線性回歸模型不成立；但是從圖上y3的線性圖像上看出：棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系。綜上，在y4、y5、y6顯示棉稈拉拔阻力與土壤硬度正相關(guān)非常明顯的基礎(chǔ)之上得出棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)。

2.3在長時間跨度里棉稈的拉拔阻力變化趨勢

研究在長時間跨度里棉稈的拉拔阻力變化趨勢時，將所采集的數(shù)據(jù)按照棉稈直徑5～9mm、10～12mm、13～15mm、16～19mm及20mm以上分成5個等級，分別求取對應級別中每組棉稈的平均拉拔阻力。平均拉拔阻力與根部直徑對應關(guān)系如圖5所示。

為便于描述，將采集的數(shù)據(jù)按照時間順序為3組，第1次采樣數(shù)據(jù)與第2次采樣數(shù)據(jù)分別設(shè)為Ⅰ和Ⅱ組，第6次采樣數(shù)據(jù)設(shè)為Ⅲ組。橫向比較3組數(shù)據(jù)可知：每組棉稈的平均拉拔阻力均隨平均直徑的增加而增大。縱向比較3組數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：在同一直徑區(qū)間內(nèi)，棉稈的平均拉拔阻力Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。

分析此次試驗對比得出：在同批次棉稈中，棉稈根部的最大拉拔阻力不但與棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系(這與上文中得出結(jié)論一致)，而且在不同批次棉稈中，棉稈的最大拉拔阻力相差甚大；其變化規(guī)律呈先上升后下降的趨勢，拉拔阻力最大的時候出現(xiàn)在寒冬。該地區(qū)在棉花收獲后約1個月時間進入寒冬，平均溫度降至0℃以下并持續(xù)下降，土壤水分凍結(jié)，出現(xiàn)凍土，且隨著時間推移，凍土深度增加，使得土壤硬度增加，從而導致棉稈的最大拉拔阻力急劇上升；3月份后，溫度升高，冰雪融化、凍土解凍及在微生物活動的影響下，導致土壤疏松，土壤硬度減??；其次，棉稈根部諸多毛細根及較細的根部腐爛變質(zhì)，導致自身抗拉強度減小，受力容易斷裂，綜合諸多因素導致棉稈的最大拉拔阻力減小，且明顯小于棉花收獲初期時的最大拉拔阻力。

圖5　不同月份棉稈拉拔阻力的比較

3結(jié)論

通過試驗可以得出：在同批次棉稈中，棉稈的拉拔阻力跟棉稈根部直徑成正相關(guān)關(guān)系；棉稈的拉拔阻力與土壤硬度成正相關(guān)關(guān)系；受土壤硬度變化的影響，棉稈的拉拔阻力也發(fā)生變化，從棉花收獲后到棉花再播種期間，棉稈的拉拔阻力變化很大，呈先增大后減小的趨勢。已采集的6批次數(shù)據(jù)中，第2批次(2014-12-26)棉稈拉拔阻力最大，單株棉稈最大拉拔阻力為1 031.6N，平均拉拔阻力為679.0N；第6批次(2015-03-21)棉稈拉拔阻力最小，單株棉稈最大拉拔阻力達到471.1N，平均拉拔阻力為340.76N。

需要指出的是：棉稈的拉拔阻力只是棉稈拔稈收獲需要考慮的因素之一。實際上，隨著含水率的變化，棉稈的抗拉強度等力學特性也在不斷發(fā)生變化。就本次試驗數(shù)據(jù)而言，第6批次棉稈試樣盡管拉拔阻力最小，但棉稈的抗拉強度和抗彎強度等力學特性參數(shù)也最小，極易在拔稈作業(yè)中發(fā)生斷裂[17-18]，從而影響收獲作業(yè)效果。棉稈收獲作業(yè)能耗受拉拔阻力影響，而拔斷率與棉稈抗拉強度和抗彎強度等力學特性有關(guān)。因此，棉稈拔稈收獲作業(yè)需綜合考慮棉稈拉拔阻力和棉稈自身力學特性。

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Research on the Cotton-Stalk Uprooting Resistance

Chen Mingjiang1, Song Deping2, Wang Zhenwei1, Wang Renbing2, Liu Kaikai2, Chen Yongsheng1

(1.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China;2.Binzhou Research Institute for Agricultural Mechanization, Binzhou 256616, China)

Abstract：In order to study the cotton-stalk uprooting resistance influenced by the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, and thereby to provide reference for the design and use of cotton-stalk uprooting harvester, cotton-stalk uprooting experiment was taken artificially in cotton full mechanization demonstration base in Wudi district,Shandong Province. Experimental results show that, in a long time interval, the cotton-stalk uprooting resistance changes greatly, first increased and then decreased. Among the 6 batches of sampling data, the largest cotton-stalk uprooting resistance appears in the second batch (2014-12-26), the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 1 031.6N, and the average uprooting resistance is 679.0N, the smallest cotton-stalk uprooting resistance appears in the sixth batch (2014-12-26),the maximum uprooting resistance of single cotton-stalk is 471.1N,and the average uprooting resistance is 340.76N.Regression analysis of the sampling data shows that, during the same period, the cotton-stalk uprooting resistance is positive correlation to the cotton-stalk root diameter and the soil hardness, both of the linear regression relationships are not significant.

Key words：cotton-stalk; uprooting resistance; root diameter; soil hardness

文章編號：1003-188X(2016)06-0064-05

中圖分類號：S121；S562

文獻標識碼：A

作者簡介：陳明江(1984-)，男，江蘇高郵人，助理研究員，碩士，(E-mail)cmj_cn@163.com。通訊作者：陳永生(1964-)，男，江蘇泰興人，研究員，(E-mail)cys003@sina.com。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203057)

收稿日期：2015-06-29