張建路，王鵬飛，李昕昊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引言

果樹(shù)種植屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的果樹(shù)栽培技術(shù)和管理技術(shù)相對(duì)落后，先進(jìn)的種植模式——果樹(shù)行間種草[1]相較于以往果樹(shù)行間的閑置或旋耕，不但可補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，還可保持土壤水分、改變果園環(huán)境、提高果實(shí)產(chǎn)量[2]。傳統(tǒng)的閑置或旋耕使得地表裸露、水土流失，果樹(shù)行間種草不僅避免了這些問(wèn)題，還能促進(jìn)果樹(shù)根系的生長(zhǎng)，提高土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀、鈣的含量[3]。果園的果樹(shù)單一生長(zhǎng)，容易誘發(fā)多種病蟲(chóng)害，造成管理的困難，種草可以使得果園的生態(tài)達(dá)到一種微妙的平衡，阻止某些細(xì)菌不再無(wú)節(jié)制的爆發(fā)導(dǎo)致果樹(shù)生病[4,5]。

本文分析了果園生草農(nóng)藝及噴播機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)已有噴播機(jī)構(gòu)提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 果園生草

果園生草主要有3 種方式：一是自然生草；二是人工種草；三是在自然生草的基礎(chǔ)上人工種草[6]。

1.1 果園生草的意義

國(guó)內(nèi)果園生草技術(shù)應(yīng)用不多，且大多數(shù)還在使用清耕制，這種方式使得果園生產(chǎn)成本大，生態(tài)退化嚴(yán)重[7-9]，產(chǎn)品質(zhì)量不佳。此外，還有果農(nóng)認(rèn)為草會(huì)影響果樹(shù)的生長(zhǎng)，和果樹(shù)搶養(yǎng)分，甚至是招來(lái)害蟲(chóng)[10,11]，但最近一些學(xué)者的研究表明，在果園種草一定程度上可以提高果樹(shù)的抗逆能力，例如提高果園中的微生物數(shù)量，土壤溫差變小、害蟲(chóng)的天敵增多等[12,13]。只要管理妥當(dāng)，不會(huì)出現(xiàn)草樹(shù)爭(zhēng)搶養(yǎng)分的情況，根據(jù)王珊等人的研究，當(dāng)草的生長(zhǎng)缺少水或者陽(yáng)光時(shí)，果樹(shù)的茂密程度及果實(shí)的質(zhì)量大小會(huì)有明顯變化[14]。

1.2 果園生草的主要類(lèi)型

果園的生草類(lèi)型有一年生和多年生兩種。一年生需要每年為果園種草，陳學(xué)森等人提出長(zhǎng)柔毛野豌豆在自然生草的狀態(tài)下，可以生長(zhǎng)良好，該品種適應(yīng)能力強(qiáng)且分布廣泛[15]。多年生草種需要有良好的越冬率，楊露等人通過(guò)對(duì)美國(guó)常用的21 種果園常用生草的品種進(jìn)行篩選，挑出了8 種具有良好越冬率的品種[16]。草生長(zhǎng)5～7 年后，其覆蓋性能會(huì)降低，此時(shí)可以休閑1～2 年，重新種草[17]。多年生的雜草也可以重新利用，主要方式有3 種：直接做綠肥、刈后覆蓋或做草飼料[18]。

1.3 草種的選擇

草種的選擇應(yīng)具備以下條件[19]。

1）年降水量在600 mm 以上的果園可以種草，較干旱地區(qū)可以種多年生黑麥草。酸性土壤可以種植白三葉草、鼠毛草等。

2）草種經(jīng)過(guò)攪拌和泵送后不會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)芽造成影響或影響較小。液力噴播機(jī)對(duì)草種的影響最小，客土噴播在攪拌中可能會(huì)因?yàn)槟Σ撂?，使得種皮脫落。

3）種草之前，應(yīng)該確定草的品種具有耐踐踏、引誘天敵且固氮能力較強(qiáng)等特性。

2 果園生草用機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

果園生草機(jī)械化主要是通過(guò)噴播機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)，噴播機(jī)械主要分為氣力噴播機(jī)和液力噴播機(jī)兩大類(lèi)。早期的氣力噴播機(jī)主要應(yīng)用于播種后的覆蓋，后來(lái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以在覆蓋的物料中混入草種，直接進(jìn)行播種。液力噴播機(jī)應(yīng)用較為廣泛，我國(guó)于20世紀(jì)90年代引入液力噴播技術(shù)，用來(lái)恢復(fù)高速公路、機(jī)場(chǎng)等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)后的地表植被，同時(shí)也在植樹(shù)造林、防風(fēng)固沙等方面起了重要作用[20]。

液力噴播機(jī)主要由混料罐、攪拌器、泵站、噴槍和機(jī)架5 部分組成?？屯羾姴C(jī)主要設(shè)備由噴播機(jī)、空壓機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、自落式混凝土攪拌機(jī)、碎土機(jī)、抽水泵、自卸汽車(chē)組成[21]。氣力噴播機(jī)主要由主風(fēng)道系統(tǒng)、排種輸送系統(tǒng)、噴筒系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)組成[22]。

國(guó)外有許多國(guó)家諸如美國(guó)、日本等都有設(shè)計(jì)噴播機(jī)械，種類(lèi)繁多，容量在150～12 000 L不等，匹配動(dòng)力在3～60 kW。常見(jiàn)的品牌有“芬尼”“波威”“土寶”“安逸”“萊克”等[23]。

2.1 噴播種草技術(shù)條件

噴播種草技術(shù)代替了人力，種草更為方便快捷。噴播種草主要分3 種方式，氣力噴播、液力噴播和客土噴播。噴播前應(yīng)具備以下幾個(gè)條件[24]。

1）地表應(yīng)比較干凈且無(wú)其它雜物?？屯羾姴ブ屑尤肓巳劳磷鳛榻橘|(zhì)，是對(duì)無(wú)法清理干凈的表面進(jìn)行的一種作業(yè)方式。

2）地表無(wú)水且不能積水。液力噴播是在以水為載體的情況下進(jìn)行的噴播作業(yè)，由于機(jī)器的限制和人力的干預(yù)，噴播后的表面并非處處都有相同的厚度，有的地方過(guò)薄可能無(wú)法長(zhǎng)草，有的地方過(guò)厚可能也無(wú)法長(zhǎng)草，雨后水直接覆蓋草漿表面等均是噴播前需要處理的問(wèn)題，噴播表面排水性好。

3）地形要平整。平整后的地形更有利于排水，也不會(huì)造成草漿無(wú)法覆蓋或覆蓋過(guò)多的問(wèn)題，地形平整也有利于機(jī)器的前進(jìn)，方便作業(yè)后的管理且比較美觀。

4）表土改造。不同的草種適用于不同的地面，表土有砂質(zhì)土、黏質(zhì)土和壤土之分，有酸堿之分，土壤元素種類(lèi)有多有少，在播種前應(yīng)把土壤改造成適于草種生長(zhǎng)的環(huán)境。

5）去除雜草。雜草不僅和新播種的草種爭(zhēng)奪養(yǎng)分，同時(shí)也不利于噴播作業(yè)。噴播前應(yīng)使用五氯酚鈉覆蓋地面以殺死雜草與其種子，在暴曬的情況下仍會(huì)有一些草種隨風(fēng)飄到噴播地面，此時(shí)藥效仍可把隨風(fēng)飄來(lái)的草種殺死。一般施藥一周后藥效失效，則可以進(jìn)行噴播作業(yè)。草種萌發(fā)多在春秋，此時(shí)噴灑農(nóng)藥效果明顯。

6）施足有機(jī)底肥。在混料中有一些種子萌發(fā)劑，種子萌發(fā)后為了快速成長(zhǎng)，可以施一些有機(jī)肥，保證噴播后能有效成長(zhǎng)。有機(jī)肥一般為漚肥，同時(shí)與地表土混拌均勻，量不宜過(guò)多，以免肥量過(guò)多造成燒苗。在噴播前首先應(yīng)檢查土壤微量元素，缺少某種元素，就用無(wú)機(jī)肥進(jìn)行補(bǔ)充；如果地表較為貧瘠可以施復(fù)合肥，使地表的微量元素平衡或達(dá)到草種的生長(zhǎng)需求。

2.2 主要噴播機(jī)類(lèi)型

2.2.1 氣力噴播機(jī)

我國(guó)最初并未引進(jìn)氣力噴播機(jī)，因?yàn)樗蛔鞑シN后的覆蓋工作，但是氣力噴播機(jī)體積小，易操作，國(guó)內(nèi)便著手進(jìn)行自主研究。

內(nèi)蒙古林學(xué)院研制的4BQD-40 氣力噴播機(jī)，供料均勻可靠，不堵塞、不漏播，可用于遠(yuǎn)距離噴射作業(yè)[25]。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的王安亭對(duì)其排種系統(tǒng)進(jìn)行了研究并加入了自動(dòng)控制，使機(jī)械能在作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，達(dá)到精確控制排種[26]。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)陳燕更加精確地從多個(gè)方面對(duì)排種進(jìn)行了控制[27]。該氣力噴播機(jī)的播種性能得到了很好的提升，但是遠(yuǎn)距離的噴播作業(yè)對(duì)天氣有一定要求，氣力噴播機(jī)的種子多為干纖維和草莖，沿途可能會(huì)留下草屑。噴播作業(yè)時(shí)種子沒(méi)有埋于地下，多與其一起噴播出的草莖同時(shí)覆蓋于土質(zhì)表層，不利于種子發(fā)芽，且發(fā)芽后的小苗也容易受到雨水的沖刷和風(fēng)力的摧殘。為解決上述問(wèn)題，液力噴播機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

2.2.2 液力噴播機(jī)

液力噴播機(jī)主要由混料罐、攪拌器、泵站、噴槍和機(jī)架5 部分組成?；炝瞎薜拇笮∈菄姴バ实闹饕笜?biāo)，芬尼噴播機(jī)的最大容積達(dá)12 500 L，作業(yè)的范圍更廣。

劉曄、王曉東等人研制的CBJ-3.5 草種噴播機(jī)以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力，同時(shí)為攪拌和噴射泵提供動(dòng)力（如圖1 所示），不僅可以噴播草種也可作為水槍澆水，甚至可以更換噴頭進(jìn)行噴霧作業(yè)。每立方米混合液的噴播覆蓋面積大約為300 m2，每裝一罐噴播面積可達(dá)1 000 m2左右，噴播時(shí)間約為20 min，攪拌時(shí)間約為30 min，比人工效率高10～15 倍[28]。該噴播機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，在加入保水劑和粘合劑后不會(huì)造成堵塞且具備其他功能。但與很多液力噴播機(jī)類(lèi)似，該設(shè)備沒(méi)有單獨(dú)設(shè)計(jì)溢流口，當(dāng)噴播作業(yè)需要暫停時(shí)，只能通過(guò)關(guān)閉離心泵來(lái)停止作業(yè)；如果噴播機(jī)已經(jīng)完成作業(yè)且罐中仍有剩余混料時(shí)，混料無(wú)法取出。同時(shí)該設(shè)備還必須在每次攪拌混料前計(jì)算好材料比例，如果水多，后期種子的覆蓋效果將大大降低；如果水少，攪拌系統(tǒng)的壓力和泵的壓力將會(huì)大大增加，達(dá)不到揚(yáng)程，噴播效果不好。

圖1 CBJ-3.5型草種噴播機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CBJ-3.5 grass seed sprayer

2.2.3 客土噴播機(jī)

噴播機(jī)在使用過(guò)程中首先應(yīng)考慮的是種子能否快速萌芽生長(zhǎng)，然后才是作業(yè)能力?？屯羾姴C(jī)在液力噴播機(jī)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了在混料中加入土壤成分，土壤的加入能更好地覆蓋地表，國(guó)內(nèi)對(duì)此類(lèi)機(jī)型的研究還比較少。

青山綠水機(jī)械廠(chǎng)研發(fā)的ZKP 大功率客土噴播機(jī)為液壓型噴播機(jī)（如圖2），在混料中加入了土壤后有利于草種的發(fā)芽成長(zhǎng)，但是噴播作業(yè)完成后需蓋無(wú)紡布，否則會(huì)被雨水沖刷。另外，此液壓噴播機(jī)比平常液力噴播機(jī)多了一道篩土工序，而液力噴播機(jī)為攪拌噴播一體機(jī)，暫無(wú)篩土機(jī)構(gòu)，因此該機(jī)器運(yùn)行時(shí)必須有篩土機(jī)配合，若直接加入土壤進(jìn)行攪拌不僅影響噴播效率，而且會(huì)因?yàn)閭€(gè)別土壤攪拌不充分，誤工誤時(shí)。

圖2 客土噴播機(jī)作業(yè)圖Fig.2 Operation diagram of guest soil sprayer

3 果園生草機(jī)械及其構(gòu)成

下文將介紹的果園生草機(jī)械方案采用液力噴播方式，與普通液力噴播機(jī)不同的是，不采用噴槍進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)，而是僅覆蓋在牽引機(jī)械的后方位置，即果樹(shù)行間。

3.1 攪拌系統(tǒng)的選擇

表1 為5 種常見(jiàn)的攪拌系統(tǒng)[29]。檔變速機(jī)械攪拌系統(tǒng)和無(wú)極變速機(jī)械攪拌系統(tǒng)都可以攪拌不同濃度的漿液，檔變速機(jī)械攪拌傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率和不穩(wěn)定因素高；定速攪拌系統(tǒng)也可以攪拌濃度不是很高的草漿。如果條件允許可以選擇液壓無(wú)級(jí)變速攪拌，雖造價(jià)昂貴，但是它優(yōu)化了傳動(dòng)鏈，操作空間緊湊，攪拌力度、攪拌方向等均可調(diào)整，操作簡(jiǎn)單。定速機(jī)械攪拌可以直接使用拖拉機(jī)作為動(dòng)力源直接傳送動(dòng)力，簡(jiǎn)單方便。

表1 噴播機(jī)攪拌系統(tǒng)Tab.1 Mixing system of spray seeder

3.2 泵送系統(tǒng)的選擇

表2 是可以作為泥漿泵的幾種類(lèi)型[29]，上文所提到的液力種草機(jī)，所用的是離心泵，離心泵流量大、揚(yáng)程大、輸送效率高，不僅可以輸送混合漿液，還可以直接作為潛水泵使用。

在果園種草機(jī)械中，由于不需要大揚(yáng)程的遠(yuǎn)距離作業(yè)，因此可以選擇軸流泵，揚(yáng)程不大、流量大，可以快速地在果樹(shù)間進(jìn)行種草作業(yè)。種草后一般不會(huì)二次行走于種植地帶，因此導(dǎo)流柵板一定要足夠長(zhǎng)從而實(shí)現(xiàn)果樹(shù)行間的全覆蓋。

表2 噴播機(jī)泵送系統(tǒng)Tab.2 Spray seeder pumping system

綜上所述，提出以下設(shè)計(jì)方案（如圖3 所示）。

拖拉機(jī)作為動(dòng)力源可同時(shí)為攪拌機(jī)提供動(dòng)力，攪拌機(jī)在攪拌均勻后為防止沉淀，在噴射泵工作過(guò)程中，攪拌機(jī)也須協(xié)同間歇性工作。

圖3 果園生草機(jī)械方案Fig.3 Scheme of orchard grass growing machinery

輸送機(jī)構(gòu)應(yīng)有溢流閥和調(diào)壓閥，種草時(shí)可調(diào)節(jié)流量，拐彎時(shí)也可以關(guān)閉輸送，有余料剩余時(shí)溢流裝置可以將余料傾出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的果園種草機(jī)械是以液力噴播機(jī)為原型經(jīng)過(guò)改進(jìn)后進(jìn)行種草作業(yè)的機(jī)械，具有以下特點(diǎn)。

1）泵送系統(tǒng)不再使用離心泵，轉(zhuǎn)而使用流量更大的軸流泵。

2）取消了噴槍?zhuān)挠脟娮旌蛯?dǎo)流柵板，使種草更加均勻。

3）攪拌系統(tǒng)選擇無(wú)級(jí)變速，可以快速調(diào)節(jié)攪拌速度；同時(shí)加入回流系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)榱髁窟^(guò)大造成浪費(fèi)。

4）本裝置只需一人操作一臺(tái)機(jī)械就可以完成加料、攪拌及種草作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了果園種草的機(jī)械化。