0 引言
據糧農組織\\( FAO\\) 數據統計可知,2011 年我國主要糧食作物小麥產量高達 1. 174 億 t,油菜等油料作物產量為 150 萬 t,皆居世界首位.伴隨著我國耕地面積的不斷下降及農村勞動力的減少,出現了糧食供應與需求之間的不平衡,使我國糧食安全問題日益突出.多年的生產實踐經驗證明,糧食增產、農民增效最有效的方法和途徑就是提升良種的增產潛力,培育和推廣農作物優良品種,即通過提高育種水平提高我國的糧食單位面積的產量[1 - 2].
由于播種作業是小區試驗最基本環節,也是最重要、最費工和費時的環節.為保證育種試驗具有較高的試驗精度,國內育種單位通常采用較原始的人工播種方式來完成此項作業.這種播種方式在一定程度上避免了種子間的相互混雜,但同時存在著勞動強度大、延誤工時、漏種及播種均勻性差的缺陷.我國對于小區播種機的研究始于 20 世紀 80 年代,進行了初步的研究試驗; 但 21 世紀以來,由于國家重視程度、研究成本、市場推廣及政府扶持力度的影響,我國在小區育種播種機排種裝置方面的理論研究甚少.同時,由于國內研制的排種裝置存在著以下幾點問題,使得小區條播機械難以被推廣應用: ①小區播種機播種均勻性差; ②小區播種機錐體格盤等關鍵部件分種工作過程中存在脈動現象; ③小區地頭漏播、重播現象嚴重.
因此,亟需加強中國育種機械化技術的研究,提高國內育種機械化作業水平,改變國內育種單位的育種規模偏小、育種手段較為落后的現狀,提高育種工作效率,節省投資,縮短新品種的推出周期,這對于扭轉大田作物良種依靠從國外引進的趨勢、保證我國的糧食安全具有重大的現實意義.
1 排種裝置工作原理
在小區育種試驗機械化播種裝備中,排種裝置作為播種機械的核心作業部件,其工作性能是決定播種機特性及整機作業性能、影響育種試驗播種精度的最重要的因素[5].
2BY-6 型育種試驗小區條播機使用的錐體離心式排種裝置如如圖 1 所示.
育種試驗條播機舍棄了傳統的純機械式傳動方式,采用了由電控系統控制的電力驅動方式.在工作的過程中,工作人員將種子倒入存種漏斗,條播機控制器根據測程輪發出的脈沖信號控制存種筒提升手柄工作,種子順著錐體流入格盤中; 然后,育種試驗條播機控制根據所接受的脈沖信號控制變頻電機的轉速,驅動格盤、離心分配器工作,使其能夠實現在規定的行長內播完定量的種子,使育種試驗條播機具有自凈功能[6].
2 錐體格盤分種運動的相關分析
本研究擬以課題組研制的 2BY-6 型小區播種機落種裝置為試驗對象,進行大量室內試驗 研究落種充種裝置在不同結構參數與工作參數下,對小麥育種試驗播種種均勻性的影響,以期為獲得落種裝置的最佳工作條件和各排種環節共用參數的最佳工作條件提供試驗依據.
2. 1 存種筒的運動分析
存種筒的結構如圖 2 所示.其運動采用了直動滑塊機構的運動原理,通過導向分種錐的導向作用,保證存種筒的直線運動.經大量的試驗研究發現,存種筒的運動情況能直接影響錐體的分種效果: 若存種筒在其提升的過程中出現向一側偏轉的現象,則種子流在流出時流向對側的就會相對較多,影響了錐體的分種均勻性.因此,需保證存種筒的提升過程的直線運動,減少影響錐體分種效果的不必要因素.
對存種筒整個提升過程進行受力分析發現,當其被提升至最高點、處于靜止狀態時可能存在以下兩種情況:
1\\) 當存種裝置到達最高位置時,對存種裝置進行受力分析,如圖 3\\( a\\) 所示.根據牛頓第三定律可知:其自身重力與提升桿提供的支持力是一對作用力與反作用力,且總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上.此時存種裝置處于受力平衡狀態,保證存種筒保持垂直狀態.
2\\) 存種裝置所受的支持力與自身重力不重合,這樣產生一個繞提升手柄支撐點轉動的扭矩,存種裝置受力不平衡,如圖 3\\( b\\) 所示.因此,存種裝置在提升過程中易出現傾斜現象.這種狀態存種裝置被提升時,通過導向分種錐與導向驅動軸的相互作用保證存種筒做直線提升運動; 但由于分種錐與導向驅動軸是間隙配合,在存種筒提升至較高位置時存種裝置無法保證其在提升過程中不出現傾斜現象,從而影響錐體分種均勻性[7].
2. 2 落種部件對分種均勻性的影響
育種試驗以小區為播種單元,所播的品種多而數量少,要求實驗結果的準確性高,故其有特殊要求:
1\\) 能夠把一份種子均勻地、全部地播種在規定的行長內-播種均勻性技術要求;2\\) 播完每個品種或每個小區后,種子箱內必須無剩余種子-育種自凈能力;3\\) 播后田間呈規格化.播種均勻性是小區育種試驗播種作業的重要性能指標之一.目前,國內主要是通過分析排種器的結構參數和運動參數進行育種試驗條播機播種均勻性的研究; 但在落種部件的結構參數、運動參數與排種器播種均勻性及其自凈性能之間的影響關系方面還缺乏分析和研究[8].
小區育種試驗條播機能夠實現份量播種是其最基本的農藝要求.現今國內的育種試驗條播機大多采用錐體格盤式排種器,種子流經過錐體分種全部落入格盤的時間 Δt 不僅是影響條播機播種均勻性的一個重要的參數,同時還會對育種自凈性能產生影響.
首先,對分種過程影響的方面進行分析,在種子流從存種筒落入錐體格盤的同時,錐體格盤排種裝置始終在進行著分種、排種的工作,因此落種時間 Δt 越小對錐體分種均勻性的影響便越小; 如果落種時間 Δt 增加到一定程度時,當錐體格盤排種裝置轉動 1 周完成 1次排種工作后,某些格槽內可能會有剩余的種子存在,從而形成了二次充種的情況[9].國內大多數育種試驗條播機都存在這種現象.
條播機把格盤內剩余的種子播到設置的小區外,不僅僅影響育種試驗的試驗精度,而且影響錐體分種的均勻性,種子損失率較大,從而影響育種試驗條播機的工作性能[10].
3 試驗研究分析
3. 1 試驗方案設計
根據相關的室內試驗研究,發現存種筒提升高度h存、存種筒的內徑 D存、種子的播種量 M播都是影響種子流落種時間 Δt 大小的影響因素.根據存種筒的落種試驗要求,且保證試驗方案具有正交性[11],根據因素個數和個因素均取零水平的試驗點,選取合適的相關系數 r 進行中心化處理,并對以上 3 個試驗因素進行因素水平編碼,對試驗因素進行水平編碼,如表 1所示.
3. 2 試驗結果分析
參照所選的因素與試驗因素水平編碼表,對試驗指標落種時間進行三元二次回歸正交試驗方案的設計[12].落種部件的試驗設計就是對落種部件的試驗方案進行科學合理的安排\\( 見表 2\\) ,以達到最優的試驗指標.試驗設計就是要在全面試驗空間域中按一定的準則選取適當的空間試驗點,以達到在減小試驗次數的情況下還能獲得必需的信息量以進行結果的統計分析.
存種裝置的提升落種試驗所選的 3 個因素都經過了無量綱的線性編碼處理,并且三因素的一次項回歸系數 bj之間,bj與 3 因素\\( Z1、Z2、Z3\\) 的交互項\\( Z1Z2、Z1Z3、Z2Z3\\) 回歸系數 bk j、平方項\\( Z12、Z22、Z32\\) 的回歸系數 bj j之間也都是不相關的,所以可以根據回歸系數絕對值來確定三因素一次項對排種均勻性的影響程度.
根據表 2 所示的試驗方案設計與試驗結果可知,影響落種時間影響因素的交互項 Z1Z3、Z2Z3的回歸系數 b13、b23與零相差無幾.因此,可以將其直接從方程中剔除.通過檢驗,二次項 Z1Z2及 Z12Z22Z32的回歸系數的顯著水平 α "0. 25,所以也應該剔除.由回歸方程可知 Δt=0. 485-0. 088z1-0. 089z2+0. 052z3,則有
統計檢驗結果表明,上述方程的顯著性水平為0. 001,并且擬合得很好,可以認為是最優回歸方程.
4 結論
通過上述試驗分析及通過三元二次回歸正交試驗得到的回歸方程,可以得出如下結論: 存種筒提升高度、存種筒的內徑及種子的播種量這 3 個試驗因素對錐體分種均勻性影響的主次關系為: D存"h存"M播.
1\\) 從滿足育種試驗播種農藝要求的角度出發,對落種部件的工作原理、工作過程進行分析,指出了落種裝置的各個部件如何通過機械方式滿足播種的農藝要求.
2\\) 從保證存種筒的提升桿的豎直提升角度對提升過程進行力學分析,從力學角度分析出影響存種筒在提升時發生偏斜的原因,為設計存種筒部件的運動參數提供了理論依據,保證了在落種時存種筒的豎直狀態.
3\\) 通過對影響種子流落種時間的因素進行試驗研究,對試驗結果利用 SPSS 數據里處理軟件處理數據,得出時間 Δt 與提升高度 h存、存種筒內徑 D存、播種量 M播之間的回歸方程關系為
目前,育種專家需要根據當地育種試驗基地所使用的種子活性、試驗田的土壤肥力以及當地所特有的氣候環境等因素確定規定行長內所需要的播種量.因此,在播種量一定的前提下,通過上述試驗所確定的三者之間關系,在小區育種條播機的設計時合理地選擇存種筒的內徑及存種筒提升高度,避免落種時間過長,減少其對播種機播種均勻性的影響,提高小區試驗的精度.
參考文獻:
[1] 宋江騰. 小區播種機結構設計和試驗研究[D]. 北京: 中國農業大學,2004.
[2] 郭佩玉. 實現田間育種機械化,加速新品種的育成[J]. 種子世界,1994\\( 10\\) : 14-15.
[3] 郭佩玉,汪裕安. 亟待發展的田間育種試驗機械化[C]/ /全國種子工程學術研討會. 北京: 中國農業工程學會田間育種試驗機械化專業委員會,1996.
[4] 尚書旗,楊然兵,殷元元,等. 國際田間試驗機械的發展現狀及展望[J]. 農業工程學報,2010,26\\( S1\\) : 5-8.
[5] 劉曙光. 小區育種播種機關鍵裝置的設計與機理分析[D]. 沈陽: 沈陽農業大學,2011.
[6] 郭佩玉,施森寶,汪裕安. 田間育種機械化與種子加工現代化[M]. 北京: 中國農業大學出版社,1998: 14-17.
[7] 劉曙光,尚書旗,楊然兵,等. 小區播種機的發展分析[J].農機化研究,2011,33\\( 3\\) : 237-241.
[8] 劉俊峰,楊欣,馮曉靜. 2BF-8 型小麥精播機播種均勻性影響因素分析[J]. 農業工程學報,2001,17\\( 6\\) : 64-68.
[9] 劉曙光,尚書旗,楊然兵,等. 小區播種機充種裝置工作性能試驗[J]. 中國農業大學學報,2011,16\\( 3\\) : 156-163.
[10] 孫桂芹,任寶國,初從偉. 影響排種器工作性能的因素[J]. 農機科技推廣,2006\\( 7\\) : 27-41.
[11] 黃玉碧,明道緒,榮廷昭. 三因素隨機區組試驗結果的二次回歸分析法[J]. 四川農業大學學報,1997\\( 4\\) : 6-12.
[12] 唐啟義,馮明光. DPS 數據處理系統[M]. 北京: 科學出版社,2007
