玉米根茬的特性及機(jī)械處理模式特點(diǎn)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

玉米根茬的特性及機(jī)械處理模式特點(diǎn)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染成為當(dāng)下世界的焦點(diǎn)問(wèn)題,農(nóng)作物秸稈作為可再生生物質(zhì)資源成為研究的熱門,而農(nóng)作物根茬同樣也是一種重要的生物質(zhì)能燃料。當(dāng)前,對(duì)玉米、高粱、大豆、小麥和水稻等作物根茬處理方式的研究主要集中在根茬粉碎還田和保衛(wèi)性免耕作業(yè)下的根茬處理技術(shù)與裝備上,對(duì)根茬機(jī)械化挖掘收獲技術(shù)的相關(guān)研究較少。玉米根茬與其它作物根茬相比質(zhì)量大、根系發(fā)達(dá)、熱值高,是一種極具開(kāi)發(fā)價(jià)值的生物質(zhì)能燃料。我們國(guó)家是玉米種植大國(guó),2020年播種面積達(dá)3495105hm2,估計(jì)玉米根茬的年產(chǎn)量為0.67108t左右,如此龐大的生物質(zhì)資源需要開(kāi)發(fā)利用。為此,通過(guò)系統(tǒng)地分析玉米根茬的特性及處理形式的特點(diǎn),提出玉米根茬收獲、根茬還田、免耕作業(yè)互相輪作的玉米根茬處理形式,為今后根茬的處理方式方法提供了有效途徑。1、玉米根茬特點(diǎn)1.1玉米根茬生長(zhǎng)特點(diǎn)玉米根茬由地上部分的殘存余留秸稈和地下部分的根系兩部分組成。根系絕大部分生長(zhǎng)在地表下面的幾個(gè)基節(jié)上,成輻射狀向外生長(zhǎng),在根茬的上部圍繞莖部構(gòu)成柵欄狀的錐形框架。根系以側(cè)根為主線、次生根為支線向土壤中延伸,通過(guò)分布、穿插、纏繞等形式固結(jié)了周圍土壤,構(gòu)成了一種天然的根系土壤嚴(yán)密結(jié)合的復(fù)合構(gòu)造,稱為根土復(fù)合體。玉米根土復(fù)合體及根茬的構(gòu)造形態(tài)。1.2玉米根茬熱值分析玉米根茬富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。相關(guān)研究結(jié)果表示清楚,纖維素、木質(zhì)素含量與熱值呈正相關(guān),且達(dá)極顯著水平。據(jù)測(cè)試,2t秸稈的熱值就相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤。玉米秸稈的熱值從上到下逐步升高,如表1所示;而玉米根茬的熱值要比玉米秸稈的熱值更高層次(約高10%~20%)。玉米根茬灰分含量低、平均含硫量低、熱值高,非常合適燃燒發(fā)熱。以玉米根茬年產(chǎn)量0.67108t計(jì)算,全國(guó)根茬年產(chǎn)量轉(zhuǎn)換為熱值約相當(dāng)于0.35108t標(biāo)準(zhǔn)煤。2、玉米根茬機(jī)械化處理形式現(xiàn)在狀況2.1傳統(tǒng)根茬處理形式農(nóng)村傳統(tǒng)的根茬處理方式主要有3種:一是靠人工把根茬翻到地表,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間晾曬后,通過(guò)人工敲打方式把根茬和土塊分開(kāi),最后再人工撿拾裝運(yùn)回家里作為燃料;二是利用犁將根茬扣到地里,任其腐爛;三是用刨茬鍬刨出或用拉茬機(jī)將茬原地割斷,由人工集堆后放火燒掉,灰燼還田。傳統(tǒng)的玉米根茬處理形式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率極低,且燃燒根茬產(chǎn)生了大量的煙霧,造成大氣污染,嚴(yán)重影響正常的交通運(yùn)輸,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失。另外,根茬通過(guò)燃燒變成灰燼還田,有機(jī)質(zhì)含量大量流失,燃燒經(jīng)過(guò)中產(chǎn)生的熱量沒(méi)有得到利用,浪費(fèi)嚴(yán)重。這種對(duì)根茬處理的處理方式盡管最近已被根茬粉碎還田和免耕形式下的根茬處理所代替,但在局部地區(qū)仍然存在。2.2玉米根茬粉碎還田技術(shù)根茬還田技術(shù),是利用機(jī)械將玉米根茬粉碎成絲條直接拋撒在地表上,隨即進(jìn)行旋耕作業(yè),將粉碎根茬混入土壤中作有機(jī)肥的一項(xiàng)農(nóng)機(jī)作業(yè)項(xiàng)目。隨著玉米產(chǎn)量的逐年提高,加重了地力消耗,使土壤中的有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤容重增加、板結(jié)嚴(yán)重,玉米根茬粉碎還田技術(shù)為培肥地力開(kāi)拓了新途徑。根茬被粉碎還田后,均勻拌入土層中,可增加土壤有機(jī)質(zhì),使土壤微生物活動(dòng)加強(qiáng),提高了肥料的利用率。秸稈與根茬還田最早由美國(guó)在20世紀(jì)30年代提出。歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家利用機(jī)械化秸稈和根茬直接或間接還田方式方法與施肥應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高土壤肥力,改善土壤耕作性能,進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展。國(guó)外并未見(jiàn)單獨(dú)的滅茬作業(yè)機(jī)具的研究,只要在免耕播種機(jī)上安裝的粉碎根茬部件。20世紀(jì)80年代末,我們國(guó)家在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研究開(kāi)發(fā)出多種類型的秸稈還田機(jī)。隨著對(duì)地上秸稈粉碎技術(shù)研究的深切進(jìn)入和機(jī)具性能的不斷完善,人們又把目光轉(zhuǎn)向?qū)Φ叵赂绲姆鬯樘幚?開(kāi)場(chǎng)逐步重視根茬粉碎還田技術(shù),發(fā)展并研制了旋轉(zhuǎn)滅茬、振動(dòng)滅茬、對(duì)行滅茬及復(fù)合滅茬等新原理和新機(jī)具。當(dāng)前,我們國(guó)家根茬粉碎還田機(jī)已并不僅局限在單一的功能上,為了適應(yīng)一機(jī)多用和新的農(nóng)藝要求,傳統(tǒng)的滅茬機(jī)在增加了深松、起壟、旋耕部件后,向復(fù)式作業(yè)發(fā)展。根茬粉碎還田機(jī)按使用功能可分為單軸式根茬粉碎還田機(jī)、根茬粉碎起壟(或深松)機(jī)、秸稈及根茬粉碎還田機(jī)和雙軸式滅茬旋耕機(jī)。國(guó)內(nèi)幾種典型玉米根茬還田機(jī)具如表2所示。玉米根茬粉碎還田固然有利于增加土壤的有機(jī)質(zhì)成分,但是在切茬、碎茬還田處理經(jīng)過(guò)中,土壤擾動(dòng)水平較大,易造成適耕表層土壤的流失;耕作阻力大、能耗高,相應(yīng)加大了整地成本。2.3免耕形式下的根茬處理技術(shù)留茬免耕播種是保衛(wèi)性耕作的核心技術(shù)之一,是旱地農(nóng)業(yè)保水保土行之有效的種植方式方法。這種作業(yè)形式是指前茬作物收獲后,不單獨(dú)進(jìn)行土壤耕作,而在茬地上直接播種后作物的一種耕作方式。一般用聯(lián)合作業(yè)免耕播種機(jī)在前茬地上一次完成切茬、開(kāi)溝、噴藥除草、施肥、播種和覆土等多道工序。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開(kāi)場(chǎng)推廣免耕播種法,并進(jìn)行了大量研究,國(guó)內(nèi)從90年代開(kāi)場(chǎng)研制免耕播種機(jī)。免耕形式下的根茬處理部件主要是安裝在免耕播種機(jī)前方的破茬裝置上,保證機(jī)具作業(yè)時(shí)具有很好的破茬入土能力。當(dāng)前,免耕播種機(jī)上采用的破茬裝置主要有破茬圓盤刀、鋤鏟式分茬開(kāi)溝器和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式破茬裝置3種形式。國(guó)外的免耕播種機(jī)一般為牽引式聯(lián)合作業(yè)機(jī)具,能夠一次完成破茬、松土、開(kāi)溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓和覆土等多項(xiàng)作業(yè)。代表機(jī)型有美國(guó)JohnDeere1590免耕條播機(jī),該機(jī)采用圓盤破茬刀,對(duì)秸稈根茬有很好的破除作用;意大利GASPARDO免耕播種機(jī)采用波紋盤施肥開(kāi)溝器及激光監(jiān)視系統(tǒng),可顯示播種情況和播種量;我們國(guó)家免耕播種機(jī)主要采用懸掛式,具有減少轉(zhuǎn)彎半徑、適應(yīng)小地塊的特點(diǎn),如2BMFS-5/10型免耕覆蓋施肥播種機(jī),可一次完成碎稈、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè),既可在玉米秸稈直立狀態(tài)下播種小麥,又可在高麥茬地中播種玉米。免耕形式下的根茬處理技術(shù)存在的問(wèn)題是被動(dòng)式破茬裝置對(duì)秸稈覆蓋量適應(yīng)性差,難以解決秸稈覆蓋量大時(shí)的堵塞問(wèn)題;而主動(dòng)式破茬裝置功率消耗大、刀片磨損快、平穩(wěn)性差。2.4玉米根茬機(jī)械化收獲技術(shù)2.4.1工藝玉米根茬機(jī)械化收獲技術(shù)是利用玉米根茬收獲機(jī)械,完成玉米根茬挖掘、撿拾、脫土和集裝的根茬處理技術(shù),主要目的是毀壞根土復(fù)合體構(gòu)造,使根茬與包裹其上的土壤分離,最終將根茬進(jìn)行收集。研究發(fā)現(xiàn),在粘濕的土壤條件下,根土復(fù)合體對(duì)外部作用方式和作用強(qiáng)度的反響極為敏感:當(dāng)土壤含水量為25%~30%時(shí),土壤組分主要為壤土和粘土的土質(zhì)條件下,對(duì)根土復(fù)合體的外力作用將導(dǎo)致土壤愈加嚴(yán)密地包裹在玉米根系中,使得根系與土壤的分離更為困難;當(dāng)土壤含水量為15%~20%時(shí),土壤呈現(xiàn)較為松碎的狀態(tài),此時(shí)易于根茬脫土。因而,當(dāng)玉米根茬與土壤含水量高時(shí),需采用分段式機(jī)械化收獲工藝。即:先使用玉米根茬起鋪機(jī)實(shí)現(xiàn)玉米根茬的挖掘、撿拾、初步根土分離及集條放鋪,然后將玉米根茬在田間晾曬,待土壤含水率降低到15%左右時(shí),再采用玉米根茬收集機(jī)實(shí)現(xiàn)玉米根茬的撿拾、根土分離和集裝。2.4.2機(jī)具研究現(xiàn)在狀況當(dāng)前,國(guó)外未見(jiàn)關(guān)于玉米根茬收獲機(jī)具的研究,國(guó)內(nèi)主要有華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、佳木斯大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對(duì)玉米根茬收獲機(jī)具進(jìn)行了相關(guān)研究。玉米根茬收獲機(jī)具從功能上分,主要有玉米根茬起鋪機(jī)、玉米根茬收集機(jī)和玉米根茬根土分離裝置,機(jī)具構(gòu)造各具特點(diǎn),性能差異不同較大。其主要機(jī)型如表3所示。3、玉米根茬處理形式的綜合分析根茬粉碎還田、免耕作業(yè)和根茬收獲是當(dāng)前根茬處理的主要形式,這3種形式需相輔相成、相互補(bǔ)充,應(yīng)根據(jù)各地的土壤質(zhì)地、地形特點(diǎn)和種植制度的差異,因地制宜,采用不同的作業(yè)形式。根茬處理形式首要作業(yè)就是根茬機(jī)械化挖掘收獲。當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量到達(dá)一定程度,繼續(xù)根茬粉碎還田得到的有機(jī)質(zhì)邊際效率勢(shì)必遞減,此時(shí)若根茬粗大,難以腐爛時(shí),就可選擇根茬收獲。當(dāng)玉米秸稈、根茬病蟲害嚴(yán)重時(shí),免耕和還田都有可能把病害帶到下一季耕種,這時(shí)可以進(jìn)行根茬收獲。所以,采用不同的根茬作業(yè)形式輪作制是今后的發(fā)展方向。比方1∶1∶1或1∶2輪作制,即根茬還田1年、免耕作業(yè)1年、收獲1年,或根茬還田/免耕作業(yè)1年再收獲兩年2年,根據(jù)不同地區(qū)選擇不同的比例輪作。這樣使根茬回收、根茬粉碎還田和免耕作業(yè)有機(jī)結(jié)合,使根茬的熱值和有機(jī)質(zhì)利用到達(dá)最優(yōu)化。4、結(jié)論與瞻望1)傳統(tǒng)的手工刨茬勞動(dòng)量大、效率低,需要對(duì)根茬進(jìn)行機(jī)械化收獲。國(guó)內(nèi)外玉米根茬處理主要采用根茬粉碎還田和免耕作業(yè),對(duì)玉米根茬回收機(jī)械的研究較少,需開(kāi)展相關(guān)設(shè)備的研制。2)玉米根茬粉碎直接還田機(jī)械化技術(shù)適用于有機(jī)質(zhì)含量低的土壤。將根茬粉碎后直接均勻混拌于耕層中,有利于提高增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤環(huán)境、蓄水保墑,并到達(dá)播前除茬整地的要求。3)免耕作業(yè)主要用于干旱地區(qū),可充分利用作物殘茬保衛(wèi)土壤,減少水土流失,保衛(wèi)自然資源,利于水分浸透、吸收、蓄水保墑,以及減少土面水分蒸發(fā)損失。4)瞻望:根茬粉碎還田、免耕作業(yè)和根茬收獲今后將采用輪作制,這樣將使根茬回收、根茬粉碎還田和免耕作業(yè)有機(jī)結(jié)合,使根茬的熱值和有機(jī)質(zhì)利用到達(dá)最優(yōu)化。以下為參考文獻(xiàn):[1]李強(qiáng).2020年中美玉米播種面積及影響[J].黑龍江糧食,2020(7):31-33.[2]廖醒龍.玉米根茬起鋪機(jī)關(guān)鍵部件的研究[D].廣州:華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2018.[3]孫劍.玉米根茬構(gòu)造和力學(xué)特征及與土壤的摩擦