發(fā)布時(shí)間：2017-12-14 10:18

  本文關(guān)鍵詞：立茬覆蓋保護(hù)性耕作模式及其配套玉米收獲機(jī)

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【摘要】：玉米秸稈立茬覆蓋地表是繼玉米全秸稈粉碎還田保護(hù)性耕作之后的一種新型的秸稈處理方式；這種處理方式下玉米秸稈的上部被從田間移走,保留一定高度的站立玉米秸稈殘茬,因此玉米秸稈的上部可以作為牲畜的越冬飼料和日常生活燃料等他用；除了站立的秸稈殘茬之外,還有部分零散的碎葉散落在地表。為了評(píng)價(jià)這種耕作模式在控制土壤風(fēng)蝕方面的表現(xiàn),在吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了一個(gè)為期4年的試驗(yàn)(2011年至2014年)。試驗(yàn)中共采用了4種不同的處理模式,分別為全秸稈還田覆蓋(玉米收獲機(jī)收獲過程中將玉米秸稈粉碎,然后鋪撒在地表)和其余三種不同留茬高度的立茬覆蓋；立茬的高度分別為30、40和50 cm。這個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)為4種秸稈處理模式重復(fù)4年,即4次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)量了所有處理模式下土壤顆粒的流失以及沉積。具有30,40和50 cm高度的站立殘茬分別可以增加空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度(相當(dāng)于理論上土壤表面上方風(fēng)速減小至0的高度)19.87,43.77和61.62 mm,并且分別增加風(fēng)速閾值11%、25%和33%。對(duì)于全秸稈覆蓋的地塊,平均月土壤流失量為1.27Mg/ha,對(duì)于30、40和50 cm站立殘茬覆蓋地塊,平均月土壤沉積量為0.725、1.088和1.967 Mg/ha。這些試驗(yàn)證實(shí)立茬覆蓋可以作為一種有效的控制土壤風(fēng)蝕的辦法,同時(shí)節(jié)省一部分玉米秸稈作為牲畜的越冬飼料。除研究了玉米秸稈立茬覆蓋在控制土壤風(fēng)蝕方面的作用之外,我們也比較了立茬覆蓋和全秸稈還田對(duì)土壤冰凍深度的影響。這個(gè)試驗(yàn)歷經(jīng)了3個(gè)冬季(2012年～2015年),其中每個(gè)冬季都測(cè)量土壤冰凍深度,從2013年～2015年的2個(gè)冬季也記錄了相應(yīng)的積雪厚度,最后一個(gè)冬季也測(cè)量了土壤熱通量的變化。測(cè)量土壤冰凍深度的主要工具為CRREL-Gandahl冰凍管,測(cè)量土壤熱通量的土壤熱通量測(cè)量盤埋于地表之下8 cm處。相比較于全秸稈覆蓋還田模式,玉米立茬覆蓋可以在冬季捕獲更多的積雪,較厚的積雪有效阻止了部分冷空氣侵入土壤,因此顯著地降低了最大土壤凍深(p0.01)。這對(duì)于玉米的春季早播非常重要,早播有利于中晚熟玉米品種充分利用生長(zhǎng)期,在下霜之前充分灌漿,籽粒將更加飽滿,增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。由于玉米立茬覆蓋保護(hù)性耕作模式有效地控制了土壤風(fēng)蝕、減小了土壤凍深、有利于中晚熟玉米品種的春季早播,所以需要研制與玉米秸稈立茬覆蓋保護(hù)性耕作模式配合的、適合保留一定高度秸稈根茬(后文中此功能簡(jiǎn)記為“留高茬”,“一定高度秸稈根茬”簡(jiǎn)記為“留茬高度”)的秸稈切割器。本論文中設(shè)計(jì)的玉米秸稈切割器安裝于兩行臥輥式玉米收獲機(jī)的割臺(tái)之下,玉米收獲機(jī)的果穗箱之下安裝有秸稈粉碎裝置。這樣使該玉米收獲機(jī)既可以完成“留高茬”作業(yè),也可以完成全秸稈粉碎還田作業(yè)。該切割器采用旋轉(zhuǎn)刀盤,刀盤的鋸齒采用仿棉蝗[( Chondracris rosea rosea (De Geer)]口器外緣輪廓結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以降低切削功耗與切割力；不僅如此,該切割器還可以調(diào)節(jié)刀盤離地高度(此后簡(jiǎn)記為“切割高度”),調(diào)節(jié)刀盤與地面之間夾角(此后簡(jiǎn)記為“切割角度”)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著切割高度的增加,秸稈的切斷率上升,其切斷率的平均值從82.61%增加到93.33%；在15°～0的范圍內(nèi),隨著切割角度的減小,秸稈切斷率上升,其切斷率的平均值從88.71%增加到89.08%；在切割角度一定的情況下,秸稈留茬高度平均值隨切割高度的升高而升高,秸稈留茬高度平均值從314增加到504 mm,并且越來越接近切割高度值。在切割高度一定的情況下,秸稈留茬高度平均值隨切割角度的減小而增大,其留茬高度的平均值從401增加到416 mm,并且越來越高于實(shí)際切割高度。本論文設(shè)計(jì)的適用于臥輥式玉米收獲機(jī)的切割器能夠滿足玉米立茬覆蓋保護(hù)性耕作模式的需要；實(shí)際解決了玉米立茬覆蓋保護(hù)性耕作模式的推廣問題。除了使傳統(tǒng)的玉米收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)“留高茬”作業(yè)功能之外,提升玉米收獲機(jī)的整機(jī)作業(yè)質(zhì)量是農(nóng)民和農(nóng)業(yè)工作者的共同訴求。玉米秸稈堵塞“摘穗輥”是臥輥式玉米收獲機(jī)工作中存在的一個(gè)不容小視的問題,分析產(chǎn)生該問題的原因,主要是因?yàn)檠卣�穗輥的方向�?玉米秸稈已經(jīng)到達(dá)末端,但是豎直方向上,玉米秸稈仍然存在于摘穗輥間隙中,又因?yàn)椴粩嘤杏衩捉斩掃M(jìn)入摘穗輥間隙,以致于造成堵塞。為了解決該問題,本論文對(duì)普通的摘穗輥進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)：第一,將摘穗輥表面等螺距的螺旋凸棱改成變螺距螺旋凸棱,人為使玉米秸稈沿摘穗輥方向的速度逐漸降低；第二,將固定間距的摘穗輥改變成可變間距的摘穗輥,讓摘穗輥時(shí)刻緊緊夾持玉米秸稈。為了防止尺寸較小的玉米果穗被摘落后,夾在兩摘穗輥縫隙上方,與摘穗輥摩擦產(chǎn)生的落粒和籽粒破損,本文將傳統(tǒng)的兩個(gè)摘穗輥之間相同的旋轉(zhuǎn)速度改變?yōu)橐豢煲宦�的差速形�?目的是使這種夾在摘穗輥縫隙上方的小尺寸玉米果穗具有掉落到“升運(yùn)器”上的趨勢(shì)。本論文中應(yīng)用CATIA軟件和ADAMS軟件分別完成了本摘穗輥的建模和仿真試驗(yàn),仿真試驗(yàn)之后進(jìn)行了田間試驗(yàn),試驗(yàn)中未發(fā)生玉米秸稈堵塞摘穗輥的狀況,而且落粒和籽粒破損率之和僅為0.11%,遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2%。如果玉米收獲機(jī)能夠保質(zhì)保量地完成傳統(tǒng)的摘穗、集箱等工作之外,還能夠完成其他作業(yè),將極大地提高工作效率、降低作業(yè)成本。例如獲得田間的玉米植株數(shù)量對(duì)于優(yōu)化不同玉米品種的種植密度有重要意義,玉米植株數(shù)量也是計(jì)算新玉米品種平均株產(chǎn)的重要參數(shù)。為了減輕人工獲得玉米植株數(shù)量的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率,本論文利用基于機(jī)器視覺的圖像處理技術(shù)來獲得玉米植株數(shù)量。玉米秸稈立茬覆蓋的地塊,有一定高度的玉米秸稈長(zhǎng)在地表,攝錄這樣的圖像信息可以大大簡(jiǎn)化圖像處理的難度,提高結(jié)果的精確度,所以將圖像采集裝置安裝在玉米收獲機(jī)之后來獲得視頻流。后處理過程中,將視頻文件分解為圖片文件,然后將真彩色的RGB圖片文件轉(zhuǎn)化成灰度圖像進(jìn)行圖片的配準(zhǔn),再將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像進(jìn)行圖像分割與邊界提取,最后找到玉米秸稈斷面的幾何中心并進(jìn)行標(biāo)記,統(tǒng)計(jì)標(biāo)記結(jié)果即獲得玉米植株數(shù)量。試驗(yàn)結(jié)果顯示,人工播種與機(jī)械播種在圖像識(shí)別的誤差上沒有顯著差異(P0.05)；機(jī)器視覺識(shí)別出來的玉米植株數(shù)量與實(shí)際數(shù)量也沒有顯著差異(P0.05),其平均誤差為6.7%；并且該誤差不會(huì)隨著圖像中玉米植株數(shù)量的增加而產(chǎn)生積累。本論文充分利用玉米秸稈斷面與其它物體的色差優(yōu)勢(shì),降低了機(jī)器視覺在識(shí)別玉米植株數(shù)量過程中的難度,提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率,更好地服務(wù)生產(chǎn)實(shí)際問題。本論文對(duì)于“玉米立茬覆蓋”的有益效果進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)此保護(hù)性耕作模式有利于控制土壤風(fēng)蝕、減小凍土深度、有利于中晚熟玉米品種的春季早播。為了實(shí)現(xiàn)保留一定高度的玉米秸稈,研制了“留高茬”玉米收獲機(jī)。并且對(duì)玉米收獲機(jī)的摘穗輥進(jìn)行了改進(jìn),一定程度上解決了玉米秸稈堵塞“摘穗輥”和玉米果穗的籽粒損失問題。除此之外,將基于機(jī)器視覺的玉米植株數(shù)量獲取功能加入到該玉米收獲機(jī)之中；整體上,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)臥輥式玉米收獲機(jī)作業(yè)功能的創(chuàng)新和作業(yè)質(zhì)量的提升。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S225.51;S345

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