水稻田激光平地技术研究与展望

2020-11-03胡炼殷延勃杜攀罗锡文

中国稻米 2020年5期

胡炼殷延勃杜攀罗锡文

（1华南农业大学工程学院，广州510642；2宁夏农林科学院农作物研究所，银川750105；第一作者：lianhu@scau.edu.cn）

水稻种植自古就有“寸水不过田，寸水不漏泥”的要求，即田面高低差不超过3 cm[1]，水稻生长过程中应保持田面有深浅适当的水层。水层过深容易浸没秧苗心，妨碍呼吸作用和光合作用而使秧苗萎黄；水层过浅则泥皮干硬，水稻难以生根发芽[2]。激光平地技术是20世纪70 年代发展起来的一种激光控制与常规机械相结合的土地平整新技术，能满足水稻生长对水田平整的要求。平整的水稻田优势明显：（1）可以实现浅水灌溉，节省灌溉用水，提高灌溉效率。农田表面平整度直接影响灌溉效率，超过20%的灌溉用水因农田表面高低不平被浪费。DAS 等[3]研究了采用激光平地的田块、传统平地的田块和未进行平整的田块的用水效率，结果表明采用激光平地的田块具有最好的用水性能，比未平整的田块节水47%，比手动平整的田块节水15%，用水效率比未平整的田块高98.7%，比手动平整的田块高29.4%。（2）可以有效抑制杂草的生长，提高作物产量，降低生产成本。经过激光平地的农田，田面水层覆盖率高，水稻之间成长时期同步性较好，促进了水稻成熟的均匀性。水稻在争夺水分、养分、光照和空间等方面比杂草更具优势，可减少杂草40.0%，节省3/4 的除草劳动力[4]。连续3 年的激光平地与传统平地对比试验表明，采用激光平地的田块水稻产量比对照高31.3%[5]。（3）有利于浅水勤灌技术、水稻浅湿灌溉技术、水稻控制灌溉技术等节水技术的应用，精细平整的农田可进一步提高水稻机械直播技术和无人机撒播技术的推广应用。

水稻田整地根据耕整地时是否泡水分为水整地和旱整地两种模式。稻田水整地是传统的耕整模式，耕作程序主要包括旋耕、耙地、上水泡田、整平和沉淀[6]，再进行栽插或直播等。稻田旱整地在宁夏、天津等地应用较多，耕作程序主要包括旱耙地和旱整平，再进行旱直播或泡水后栽插，有利于创造良好的土壤结构，使土壤空隙度增大，提高氧化还原电位，有利于栽后秧苗的返青和生长发育[1]，由于稻田水整地程序多、周期长、农时紧张[7]，部分地区水田泥脚深易陷车，因此，近年来南方稻田也开始采用旱整地再进行水稻旱直播。

本文针对稻田水整地和旱整地的要求，介绍了激光平地技术原理以及适应南方的水田激光平地机和旱地激光平地机，并分析了其作业效果和发展趋势。

图1 激光平地原理图

1 激光平地技术原理

以激光发射器的旋转光束作为基准面，通过固定在平地铲上的激光接收器检测激光基准信号，检测平地铲的高程偏差，以偏差信号控制液压驱动系统实现平地铲的升降，从而实现农田的精细平整。如图1 所示，平地机在地势较高处时激光接收器中线高于激光基准面，控制器控制平地铲降低至激光接收器中线位于激光基准面，平地铲铲土；平地机在地势较低处时激光接收器中线低于激光基准面，控制器控制平地铲升高至激光接收器中线位于激光基准面，平地铲内的泥土填到低洼处；平地机在地势正好时平地机激光接收器中线位于激光基准面时，平地铲不动作[8]。

图2 平地铲自动调平原理图

图3 1PJ-3.0 水田激光平地机

图4 旱地激光平地机

表1 平整质量统计结果

2 稻田激光平地机

2.1 稻田水平激光平地机

水田平整时，由于犁底层高低不平，平地机左右轮陷深不一，导致平地铲的左右方向不能保持水平，高程控制系统仅能控制平地铲升降，田面平整度难以满足水稻的种植要求。因此，水田激光平地时在高程控制系统的基础上还需增加平地铲的自动调平技术[8]，以保证平地铲水平作业。自动调平技术采用倾角传感器获得拖拉机的实时倾斜角度，直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量，利用平地铲和拖拉机的相对倾斜角度转换函数，通过电磁换向阀控制平地铲保持水平（图2）。

1PJ-3.0 水田激光平地机是一种与插秧底盘配套的应用于水田耕整后的激光平地机械（图3）。平地机主要由插秧底盘、平地铲、液压系统和控制系统组成，其特点在于与插秧机底盘配套，水田驱动轮较窄不易产生较大轮辙，转弯效率高；液压系统和平地铲一体化设计，平地铲连接在插秧机上，提高了插秧机的使用率。控制系统主要包括平地机控制器、激光接收器和倾角传感器系统，在插秧机方向盘右侧安装有平地机控制器，激光接收器安装在平地铲接收器杆上。作业后水田平整度小于3 cm，作业效率大于0.27 hm2/h。

2.2 稻田旱平激光平地机

目前旱地激光平地机通过大马力拖拉机牵引，在大面积农田平整效率高，但其转弯半径较大，对小块农田适应性较差。我国水稻种植地块小，除了几个平原地区外，大部分地区是小地块，约占水稻种植总面积的70%。农户种植规模90%以上为0.13～0.33 hm2[9]。现有的牵引式旱地激光平地机对于这种小块农田适用性较差，采用2 个轮胎作为支撑轮支撑平地铲升降，在土壤松软的田块易出现明显压实轮辙，影响平地效果。

1PJD-220 型悬挂式旱地激光平地机可与各种拖拉机采用三点悬挂机构挂接，平地铲可提升倒车、地头作业灵活度，小田块作业效率高。平地铲由12 个钢性轮组支撑，松软土壤经过适度均匀压实后，不会有明显轮辙，且可减少泡水后沉降，保证田面平整度。平地机配备独立液压系统、安装方便。采用电控调节平地铲入土深度，操作人员在驾驶座位上即可设置平地深度。路上行走、田间掉头或田间倒车时，由拖拉机控制三点悬挂机构整体升降；田间作业时，则将拖拉机三点悬挂机构放至最低位置并设置为浮动模式。

为分析平整质量，采用全站仪采集平整前和平整后田面相对高程值，其中一次试验的统计结果如表1所示[10]。悬挂式多轮支撑旱地激光平地机作业后，田面最大高程差从平前20.80 cm 降至平后7.30 cm，相对高度的标准偏差值从平前4.48 cm 下降到平后1.72 cm，平后绝对差值小于3.00 cm 的采样测量点累计百分数为91.94%，悬挂式多轮支撑型旱地激光平地机在小田块作业效率高，显著改善了田面平整情况。