吕杰 尤泳 王德成 徐鹏 张学宁

摘 要：草地免耕播种可减少土壤的水分蒸发，降低工作阻力及能耗，而草地播种开沟器直接决定着播种机的工作质量。该文阐述了我国草地播种开沟器应具备的要求的研究现状、以及未来草地开沟器的发展动态。

关键词：天然草地;免耕播种;开沟器;工作质量

中图分类号 S223.24文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）19-0116-03

Development Status and Prospects of Natural Grassland Seeding Openers

LU Jie et al.

（China Agricultural University， Beijing 100083， China）

Abstract：No-tillage sowing of grassland should be able to reduce soil moisture evaporation and reduce work resistance and energy consumption， and grassland seeding openers directly determine the working quality of planters. This article focuses on the current research status of sowing openers in my country， the progress of opener research methods， and the development of grass openers in the future.

Key words：Natural grassland; No-tillage seeding; Opener; Work quality

我国草原总面积约为4亿hm2，占全国总面积的40%，北方草原主要以天然草地为主[1]。受过载放牧以及气候的影响，我国天然草地退化严重，牧草生产率降低。我国原有的传统式开沟器对草地的扰动率大，开沟阻力大，难以破坏草地坚实的土壤，从而无法开出适宜牧草生长的种床[2]。因此，研发出一种能够打破天然草地复合体结构、创造良好种沟、低能耗的草地开沟器成为了草地耕作技术的重点。

1 草地开沟器应具备的要求

1.1 性能技术要 开沟器需要在保证牧草种子能正常发芽的前提下对土壤扰动最小，为牧草种子构建能够提供发芽和生长的良好种床。天然草地地表坚实且土壤中既有横向根系，也有纵向生长的根系，土壤与牧草根系形成了难以破坏的复合体结构，因此，开沟器除了要具备传统开沟器的性能，还应具备切割根系以及破碎土壤的能力。

1.2 结构 天然草地开沟器需具有一定的强度和刚度且耐磨性较高，具有锋利的刃口，开沟深度可以调节，结构简单，安全可靠。

2 草地开沟器研究现状

2.1 开沟器种类 由于各地自然资源以及农业生产客观条件的不同，形成了多种类型的开沟器，如锄铲式开沟器、箭铲式开沟器、翼铲式开沟器、船形铲式开沟器、芯铧式开沟器，靴鞋式开沟器、滑刀式开沟器、单圆盘式开沟器、双圆盘式开沟器以及动力型开沟器。而这些开沟器都有一定的局限性，如锄铲式开沟器简单，维修方便，但对土壤扰动大，在有秸秆或杂草覆盖的田地中工作时容易产生拥堵，不适用于免耕播种机[3];翼铲式开沟器限用于要求宽苗幅的播种机上;船型開沟器适用于浅播和窄行播，工作速度不宜过高[4];芯铧式开沟器不利于保墒，开沟阻力大;靴鞋式开沟器对土壤扰动小，但对播种前整地的要求较高，在免耕播种机上使用较少[5];单圆盘开沟器入土性能好，但对土壤扰动大，不适用于干旱地区[6];双圆盘开沟器保墒性能好，但入土性能较差[7]。

近几年来，学者们对不同种类开沟器进行了优化设计。陈鹏和张波[8]提出了一种新型圆盘式开沟器，该开沟器在一个圆盘上安装了3种挖刨刀具，这种结构提高了开沟效率，降低了开沟器的动力需求。潘世强[9]基于均匀设计法设计了芯铧式开沟器，并对开沟器的参数进行了优化得到了适合吉林省中部土壤的开沟器。

通过优化开沟器的材料，可以提高开沟器性能。Foley[10]将滑刀式开沟器和船形铲式开沟器的材料改进为陶瓷材料;Kaleemullah[11]设计了一种木质开沟器，其在播种深度较深、土壤湿度较大的情况下能够减小土壤的粘附力，提高开沟器耐磨性;Kyryliv[12]研究了在干摩擦条件下由65G钢制成的播种机开沟器盘的耐磨性，结果表明，通过低温回火淬火使开沟器的耐磨性分别提高了2.6倍、13倍。

仿生开沟器能够有效降低开沟阻力和土壤扰动，如马云海[13]设计了一种仿生波纹形圆盘开沟器;贾洪雷和郑健[14]根据蚯蚓的运动形态设计研发了一种能有效改善土壤结构、提高土壤温度与含水率的多功能的开沟器;赵淑红[15]通过拟合旗鱼头部曲线设计了一种开沟器;陈海涛[16]研究了一种仿箭鱼嘴开沟器，该开沟器能够对土壤进行强制回土，从而保障了种肥分床，提高了肥料利用率。

有学者研究了一种新型的倒“T”型的开沟器[17-18]，这种开沟器所开种沟呈上窄下宽状，开沟阻力较大且不易入土，但其所开种沟非常有利于种子发芽，种子出苗率比用传统开沟器播种和人工播种的要好，同时为种子的发芽提供很好地种床条件，能够提高牧草种子的越冬能力。

利用拖拉机的动力带动刀具旋转进行开沟，可有效提高开沟器通过性。李文汉[19]研究了一种苜蓿切根施肥开沟器，该开沟器利用拖拉机的动力带动圆盘刀进行切割，具有很好的防堵性能;戴圣杰[20]发明了一种农田开沟器，该开沟器包括圆柱形筒体以及筒体外表面的铲板，圆柱形筒体由传动轴传输的动力带动转动。

为提高开沟器适用性，部分学者研究设计了可调式开沟器。冯小娇[21]和杨林[22]设计了可以调节开沟深度和入土角度的开沟器;刘红杰[23]研究了一种能够根据播种物料的的不同来调节2个圆盘的夹角，进而调节播种宽度的双圆盘式开沟器;李向林[24]研究了一种可伸缩式苜蓿开沟器，该开沟器利用伸缩装置快速去除开沟产上的黏土，使得开沟部位工作时阻力减小，提高工作效率。

有学者研究了一种液体破茬开沟装置，该装置利用高压液体对土壤进行开沟[25]。尤泳[26]研制了一种新型羊草草地破土切根机，切根机与拖拉机配套，能够在保证切断羊草根茎的情况下保证土壤不翻垡，实现牧草的增产。此外，国内也展开了对窄齿类开沟器的研究，如贺长彬[27]进行了窄齿类开沟器与草地土壤作用关系的研究。相对于圆盘开沟器，窄齿类开沟器还具有将湿土覆盖种子的优势[28]。

2.2 开沟器参数 开沟器参数的大小直接影响着耕作质量的好坏，优化其结构参数可以使其更加符合耕作要求。研究多围绕着开沟器的幅宽、入土角、入土隙角、斜面角等参数展开。试验表明，入土角对垂直阻力与侧向阻力的影响不大，其主要影响前进阻力，随着入土角的增大工作阻力也增大，开沟器入土角增加到71°时，阻力会有一个激增，而且土壤扰动达到之前的2倍，开沟器应在保证工作要求的情况下选取尽量小的入土角，以减小工作阻力，开沟器入土角一般选取30～50°[29-30];入土隙角在0～12°，开沟器阻力先减小后增大，在入土隙角为7°左右時产生最小工作阻力，入土隙角增加到10°时，开沟器的工作阻力急剧上升，且入土隙角的增加会加剧开沟器的磨损。因此，在保证开沟器有一定入土能力的情况下应选取较小的入土隙角[31];当开沟器斜面角在40°～60°时，具有最优性能;开沟器宽度为50～60mm时，具有较小的开沟阻力以及土壤扰动[32]。

2.3 开沟器结构 不同的开沟器结构会产生不同的开沟效果。James Barr[33]设计了一种弯柄开沟器，可以有效降低土壤扰动。Aikins[34]分析了不同形状和不同类型开沟器对土壤扰动的大小，得出带翼的开沟器可减少对种子的干扰且有助于保持土壤水分。针对适用于草地土壤的窄齿类开沟器研究得出，带有刃口的三角形铲柄开沟器对于土壤的扰动要小于双翼型铲柄开沟器且锋利的刃口可使开沟器的前进阻力明显降低。开沟器最易磨损位置在于铲尖的顶端以及刃口区域，因此，可以通过优化刃口区域的加工工艺或者加装一种开沟前的破土装置来减少开沟器磨损。如利用切割圆盘刀对土壤进行切割开沟，然后进行开沟可以有效减少开沟器阻力，可使开沟过程无堵塞，通过性良好[35]。

2.4 开沟器作业参数 开沟器的作业参数会影响开沟效果以及整机能耗。经研究得出，开沟器的前进速度、开沟深度以及土壤含水率影响开沟器的工作阻力和开沟质量[36]。工作阻力主要表现为水平阻力，侧向力和垂直反力受影响较小。在未达到临界速度时，开沟器工作阻力增加的较为缓慢，当超过这一临界速度，开沟器的工作阻力急剧增加，这一临界速度在不同质地和不通开沟器下数值不同。如鸭嘴式开沟器[37]在冬小麦地区的临界速度约为4km/h，山地苜蓿开沟器的临界速度约为2.8km/h。较高的地面速度时，拖拉机的油耗较高，但以开沟面积为单位表示油耗，由于提高了拖拉机的工作效率，在较高的前进速度下燃油消耗较低[38]。表明合适的前进速度与拖拉机尺寸可以节省燃料。土壤扰动表现为扰动宽度和回土深度。由于天然草地土壤坚实度高，在整机功率一定的情况下需要适当的减小工作速度可以获得更大的输出力。因此，在保证一定的开沟效率下，尽量减小开沟速度来获得更好地开沟质量。天然草地的根系主要分布在地下一定深度范围内，若想切断草地根系开出一定质量的种沟，开沟器就必须选取合适的开沟深度。天然草地根系主要分在地下20cm以内，故开沟深度尽量控制在15cm左右，开沟深度过大会导致工作阻力和土壤扰动增大。开沟器的工作阻力随着含水率的上升先增加后减小，这是因为水膜的张力能够一定程度上影响土壤粘附力。当土壤含水率较低时，含水率的塑性与液限之间存在最大粘附力值，当含水率超过这一液限，粘附力随着含水率的增加而减小[39]。天然草地土壤含水率较低，选择较低含水量时期进行耕作，能够得到较小的工作阻力。

3 讨论

（1）新研究的倒“T”型开沟器的种子出苗率比用传统开沟器播种和人工播种的要好，能够为种子的发芽提供良好的种床条件，提高牧草种子的越冬能力，应是研究的重点方向。

（2）由于草地土壤较农田土壤更为坚实，开沟器在工作过程中的磨损更为严重，加快了开沟器的失效，使得开沟器参数改变，造成开沟阻力以及土壤扰动增大，减少了开沟器的使用寿命。故可通过替换开沟器铲尖或设计一种开沟前的破土装置来减少开沟器磨损。

（3）在满足一定的作业效率下，应选取合适的前进速度以降低土壤扰动和整机功耗。

（4）开沟器在工作过程中可以看作开沟器与土壤根系相互作用的过程，可利用计算机模拟技术将土壤和根系离散化，实现开沟器开沟以及切根的可视化。

参考文献

[1]盖志毅.草原生态经济系统可持续发展研究[D].北京：北京林业大学，2005.

[2]罗海峰，汤楚宙，吴明亮，等.免耕播种开沟器的发展现状[J].湖南农机，2005（05）：18-20.

[3]高焕文，保护性耕作技术与机具[M].北京：中国农业出版社，2004.

[4]王磊，廖宜涛，张青松，等.油麦兼用型精量宽幅免耕播种机仿形凿式开沟器研究[J].农业机械学报，2019（11）：70-80.

[5]Townsend J.S，Bethge J.M.Furrow opener for proper seed and fertilizer placement in no-till.[J].International Journal of Scientific Research，1984，3（4）：345-346.

[6]杜卫刚.开沟器仿生设计及其试验分析[D].长春：吉林大学，2004..

[7]龚振平，杨悦乾.作物秸秆还田技术与机具[M].北京：中国农业出版社，2012.

[8]陈鹏，张波.圆盘式开沟器的创新设计[J].科技与创新，2015（14）：9-10.

[9]潘世强.基于离散元法的芯铧式开沟器优化设计与试验研究[D].吉林：吉林大学，2015.

[10]Foley A G，Mclees V A.A comparison of the wear of ceramic tipped and onventional  precision seed drill coulters[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1986（35）：97-113.

[11]Kaleemullah S.Development of a low-cost ferticum seed drill[J].AMA 1997，28（1）：26-28.

[12]V.I.Kyryliv，Chaikovskyi B P ，Hvozdetskyi V M ，et al.Influence of Heat Treatment on the Abrasive Wear Resistance of the Disks of Furrow-Openers of Seeding Machines Made of 65G Steel[J].2020.

[13]马云海，马圣胜，贾洪雷，等.仿生波纹形开沟器减黏降阻性能测试与分析[J].农业工程学报，2014，30（05）：36-41.

[14]贾洪雷，郑健，赵佳乐，等.仿蚯蚓运动多功能開沟器设计及参数优化[J].农业工程学报，2018，34（12）：62-71.

[15]赵淑红，刘宏俊，谭贺文，等.仿旗鱼头部曲线型开沟器设计与性能试验[J].农业工程学报，2017（05）：32-39.

[16]陈海涛，柴誉铎，唐洪光，等.一种仿箭鱼嘴曲面式强制回土分层施肥开沟器[P].CN108781624A，2018-11-13.

[17]王德成，张永禄，尤泳，等.一种苜蓿播种机用开沟器[P].CN209731977U，2019-12-06.

[18]Adul  Shakoor  Khan.Slection  of  Seed-cum-Fertullizer  Drill：Technical  considerations[J].AMA 1990，21（1）：35-39.

[19]李文汉，高爱民，徐蓉霞，等.一种苜蓿地施肥开沟器[P].CN208523185U，2019-02-22.

[20]戴圣杰，解思瑾，李强，耿计彪.高效农田开沟器[P].CN209314253U，2019-08-30.

[21]冯小娇，敖茜，廖禺，王欢，等.一种可调节开沟宽度的旱地开沟器[P].CN209572389U，2019-11-05.

[22]杨林，王飞鹏，陈超，等.一种入土角度可调的开沟器以及播种机[P].CN209768175U，2019-12-13.

[23]刘红杰，倪永静，任德超，等.一种圆盘开沟器[P].CN210143268U，2020-03-17.

[24]李向林，万里强，李跃，等.用于苜蓿的伸缩式开沟器[P].CN206760000U，2017-12-19.

[25]贾洪雷，屈明浩，王立春，等.一种高压液体动态破茬开沟装置[P].CN110754170A，2020-02-07.

[26]尤泳，王德成，王光辉.9QP-830型草地破土切根机[J].农业机械学报，2011，42（10）：61-67.

[27]贺长彬.天然草地土壤—根系复合体与窄齿类耕作部件作用关系研究[D].北京：中国农业大学，2018.

[28]Solhjou A ，Fielke J M ，Desbiolles J M A.Soil translocation by narrow openers with various rake angles[J].Biosystems Engineering，2012，112（1）：65-73.

[29]James B.Barr，Mustafa Ucgul，Jack M.A.Desbiolles，John M.Fielke.Simulating the effect of rake angle on narrow opener performance with the discrete element method[J].Elsevier Ltd，2018，171：1-15.

[30]姚宗路，高焕文，李洪文，等.不同结构免耕开沟器对土壤阻力的影响[J].农机化研究，2009，31（07）：30-34.

[31]张杰，赵春花.小型山地苜蓿播种机开沟器的设计与试验[J].农业机械，2013（10）：149-152.

[32]李辉，吴建民，孙伟，等.垂直分层种肥分施开沟器试验研究[J].安徽农业科学，2015，43（30）：337-339.

[33]Barr J ，Desbiolles J ，Ucgul M ，et al.Bentleg furrow opener performance analysis using the discrete element method[J].Biosystems Engineering，2019，189：99-115.

[34]Kojo Atta Aikins，Troy A.Jensen，Diogenes L.Antille.Three-dimensional scanning of soil surface and furrow profiles using a portable and affordable unit[J].Elsevier Ltd，2020，193.

[35]朱惠斌，李洪文，白丽珍.基于SolidWorks圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析[C]//中国农业工程学会学术年会.2011.

[36]吕金庆，衣淑娟，陶桂香，等.马铃薯播种机分体式滑刀开沟器参数优化与试验[J].农业工程学报，2018，34（004）：44-54.

[37]赵淑红，杨悦乾，闫以勋，等.鸭嘴式开沟器的设计试验[J].东北农业大学学报，2013，44（11）：113-117.

[38]Barr J B ，Ucgul M ，Desbiolles J ，et al.Development and field evaluation of a high-speed no–till seeding system[J].Soil and Tillage Research，2019，194（1）.

[39]刘弘，王大放，杨陆，等.粘性土的含水率对其力学性质的影响[J].东北水利水电，2006，24（11）：55-56.

（责编：张宏民）