广西甘蔗粉垄耕作技术与机械的研究现状

廖丽 马亚勤

（广西农业职业技术大学，广西 南宁 530007）

蔗糖业是广西区域经济发展的重要支柱及农民的主要经济来源，近年来，广西甘蔗生产竞争力优势稳定，甘蔗栽培是蔗糖业发展的基础，各种栽培耕作技术得到了大力的发展，2011年开始进行甘蔗粉垄耕作技术的研究和应用。粉垄耕作技术是一项新型的农耕技术，采用粉垄机械的立式旋削刀具，在耕作深度30～60 cm范围内深耕深松作业，直接起垄，达到一次作业可直接种植的效果。该方法能打破犁底层，使耕地松土层厚度增加，耕作层疏松，在一定程度上提高土壤保持水分的能力，增加土壤肥力，从而达到作物增产效果。应用粉垄技术后，甘蔗可增产27%，且一次粉垄具有多年的增产效果，是目前我国主要推广的农业耕作新方法之一。［1］近年来国内学者也陆续开展了一些甘蔗粉垄耕作的研究，甘蔗粉垄耕作技术研究主要以甘蔗种植的相关农学试验研究为主，粉垄耕作对照常规传统耕作的甘蔗质量、土壤条件分析对比，并对现有的粉垄耕作机械的耕作阻力、破碎性能、功耗等方面进行研究分析，促进甘蔗粉垄耕作技术的推广。

1 甘蔗粉垄耕作技术的研究现状

甘蔗粉垄耕作技术研究主要从甘蔗品种和耕作方式等方面对甘蔗生长情况、甘蔗产量、蔗地土壤特性进行分析对比，广西从2011年开始进行甘蔗粉垄耕作技术的研究。

1.1 粉垄耕作对甘蔗生长及产量的影响

采用粉垄耕作的甘蔗种植相较传统种植方式，甘蔗产量有明显提高。2010—2011年，韦本辉等人在不同地区利用“新台糖22号”和“柳城03-1137”两个甘蔗品种进行粉垄栽培和传统栽培比较试验，与传统栽培相比，粉垄耕作栽培的根系鲜重增加115.05%～146.48%，功能叶片数增加14.65%～19.35%，产量增加21.91%～27.35%，甘蔗蔗糖含量增加3.63%～5.75%，甘蔗宿根芽数增加47.64%～197.70%。［2］广西武鸣、宾阳和金光农场等不同蔗地进行单钻头粉垄耕作试验，粉垄耕作深60 cm，宽40 cm，垄面宽60 cm，垄距1.2 m，试验得出，粉垄栽培与对照相比有效茎数增加711条/667 m2，提高了20.23%；单茎质量增加0.25 kg，增加率为20.16%；产量增加1020kg/667 m2，提高了27.35%。［3］由于甘蔗种植地区土壤瘠薄、种植季节干旱缺水且处于低温环境，造成长期制约甘蔗单产偏低，韦本辉等［4］提出可利用粉垄耕作进行深旋耕作业，实现聚天然降水和土壤速效养分增加10%～30%，甘蔗产量可增加20%以上。

粉垄耕作机耕相对常规拖拉机旋耕耕作对甘蔗产量影响较大。2015—2016年，周灵芝等［5］以“桂糖43号”为对象，在广西南宁甘蔗地进行常规耕作（拖拉机耕作，深度25 cm，耙平）和粉垄耕作（粉垄耕作机整地，深度40 cm，耙平）的对比试验。试验得出，粉垄耕作有利于提高甘蔗的出苗率和分蘖率，粉垄耕作出苗率增加20.7%，分蘖率增多25.4%；粉垄耕作甘蔗的生长速度增加6.4%～53.7%；甘蔗茎秆增粗7.7%～23.8%；粉垄甘蔗茎秆产量为191.25 t/hm2，比对照增产18.2%。2017年，韦增林等［6］在广西来宾以甘蔗品种“桂糖42号”为对象，分别采用拖拉机作业（二耙一开行，耕层20 cm）、拖拉机作业（一犁一耙一开行，耕层30 cm）和粉垄机作业（深耕40 cm+开行）进行甘蔗粉垄耕作对比试验，结果粉垄栽培甘蔗增产25.6%。

2016—2017 年，王奇等［7］以“福农41号”为对象，对照传统耕作，研究粉垄耕作对甘蔗农艺性状及产量的影响，与对照相比，粉垄耕作促进蔗茎增粗8.4%，使单茎质量和有效茎数分别增加16.8%、13.5%，从而提高甘蔗产量35.3%。此外，与对照相比，在甘蔗生长后期，粉垄耕作条件下蔗叶完全展开的片数增多，甘蔗有效吸收光能面积增加，从而积累同化物提高甘蔗的单茎质量。

粉垄耕作对促进甘蔗生长也有较大影响。2018—2019年，李素丽等［8］以“桂糖42号”为对象，设常规耕作和粉垄耕作进行对比试验。试验提出，粉垄耕作能提高甘蔗生长期光合作用相关的酶活性、叶绿素含量和净光合速率等生理指标，提高了光合作用，促进甘蔗生长，提高甘蔗产量与品质。

2018—2019 年，李浩等［9］以“桂糖42号”为对象，进行粉垄耕作试验（耕作深度40 cm），以常规耕作为对照（耕作深度25 cm），分别测定土壤速效养分，甘蔗农艺性状及产量和糖分、根系形态、根毛区组织细胞结构、根系活力、苹果酸脱氢酶、细胞色素氧化酶等呼吸代谢相关酶活性。结果以常规耕作作为对照，粉垄耕作条件下新植蔗的出苗率和分蘖率分别增加了25.0%和17.4%，宿根蔗分别增加了30.6%和11.7%，粉垄耕作可提高速效氮和速效磷含量，改善甘蔗根系的营养，提高根系活力和呼吸代谢相关酶活性，有利于根系组织细胞结构和根系形态的发育，从而进一步促进根系对水肥的吸收。

1.2 粉垄耕作对蔗地土壤条件的影响

与常规机耕相比，粉垄耕作对甘蔗地土壤能实现深耕深松，不破坏土壤层的保肥蓄水能力。2017年，陈晓冰等［10］采用野外染色示踪技术和形态学解析手段，结合土壤水分分层评价方法，对粉垄耕作和免耕方式下西南岩溶区的典型甘蔗地土壤优先流特征进行研究并提出，相对免耕，粉垄耕作使岩溶区甘蔗地土壤优先流的发生与发展减缓，土壤的保肥蓄水能力在一定程度上提升了。2018—2019年，陈仕林等［11］在广西南宁丘陵山区甘蔗地采用雨养模式，进行粉垄耕作与常规耕作两种耕作方式，开展平地和坡耕地甘蔗田间试验，分析粉垄耕作对坡耕地雨养甘蔗地土壤的矿化速度、矿化累积量及土壤团聚体与紧实度结构效应的影响。试验得出，粉垄雨养甘蔗提高了平地和坡耕地土壤耕层碳存储，可降低土壤紧实度，增加土壤大团聚体形成，优化土壤耕层结构。

2018—2019 年，黄俞铭等［12］在减量施肥 20%、常规施肥两种施肥条件下进行常规耕作和粉垄耕作，并于蔗种出苗后在其行间近根部覆盖秸秆，研究第二年宿根蔗，采用染色示踪法测定秸秆覆盖下甘蔗土壤优先流特征，并测定分析蔗株高度、蔗茎大小、地表下层蔗根生物量、产量及品质等重要农艺性状。对比常规耕作，粉垄耕作方式下蔗田添加秸秆覆盖降低了土壤优先流发生程度，提高了土壤蓄水能力，增加了甘蔗根系生物量和产量，并有利于提高甘蔗品质。

2018年，王奇等［13］以“福农41”为试验材料，以传统耕作为对照，研究粉垄耕作对甘蔗根系生物量和氮含量的影响，并分析粉垄耕作对甘蔗根系中氮素吸收利用相关基因表达水平的调控作用。试验得出，相对传统耕作，粉垄耕作条件下甘蔗根系鲜重、干重、氮含量显著提升，分别增加48.7%、46.8%、50.0%。粉垄耕作可能通过上调甘蔗根系中氮素吸收利用增加甘蔗根系中氮含量并促进根系生长；此外，从粉垄耕作的甘蔗根系发达情况，考虑通过增加根系与土壤接触的面积，可促进甘蔗根系对土壤中氮素的吸收利用。

2 甘蔗粉垄耕作机械技术的研究现状

根据粉垄技术的土壤深耕深松及保肥蓄水要求，粉垄耕作机械应运而生。2009年，韦本辉等［14］利用木匠使用螺旋钻头“钻孔松屑”的原理，发明了首台利用拖拉机驱动牵引的“螺旋型钻头”粉垄机，解决了“超深活土”满足农作物自然性增产的难题。

从2010年起，广西本地农机制造企业研制了多款螺旋钻头深耕粉垄机械，有力地推动了粉垄耕作技术的应用。第一代粉垄机，是在轮式拖拉机后面固定安装粉垄装置，粉垄装置的动力由拖拉机的动力输出端提供，进而带动螺旋钻头高速旋转，达到甘蔗栽培农艺的耕作深度，同时在拖拉机牵引下向前移动，土壤被钻头刀刃横向切割，从而达到粉垄深耕深松的耕作目的。第一代粉垄机使用5个螺旋钻头，配套发动机功率从50马力到195马力不等，但是使用普通拖拉机牵引仍然存在较多缺陷，工作效率较低，无法商业化［15，16］。2015年，通过对钻头的多次改进以及行走方式的试验，成功研制了第二代粉垄机，采用履带行走模式和液压传动技术，能适应不同地区，效率和故障率有了明显改善，开始接受市场检验并进行商业化推广。［17］2016年，采用数字信号控制液压系统的第三代粉垄机通过省级农机技术鉴定，可以实现数字化控制和采集信息，根据传感器反馈智能调节功率。在第三代粉垄机的基础上，小型无人驾驶粉垄机研制成功，此机型较适合南方丘陵地区，能满足地块大小不同高度不同的需求。［18］2019年研制成功并通过了国家农业机械专项鉴定的牵引式深耕粉垄机 （垂直深旋耕），配套发动机功率可达295马力，可适应耕作超大阻力和野外恶劣工况，耕作深度可由液压垂直升降系统自由调节，更换不同规格长度的钻头可适应不同作物需求。此外还具备高度信息化功能，可实现远程GPS定位、锁定功能及粉垄作业监控。

2020年，韦本辉联合广西粉垄制造企业研制了甘蔗粉垄“145”专用粉垄机，利用空心“二刀钻”垂直深旋耕深松土壤，能实现最大化利用土壤养分、水分和氧气等，较常规种植耕深增加且油耗低，此机型通过了省级农机鉴定，并在广西甘蔗地中进行了相关作业试验。

上述粉垄耕作机械技术研究发展迅速，但相关机械在广西甘蔗地中仍存在作业效率较低、阻力大、振动大、刀具磨损严重等问题，限制了粉垄机在广西甘蔗地的推广应用。

2018年，杨望等［19］针对粉垄机作业功耗大、作业性能与粉垄刀具结构参数关系不详的问题，采用SPH算法、试验设计方法和回归分析方法，建立粉垄刀具作业模型，以及其结构参数与功耗幅宽比和土壤破碎度的数学模型，进行仿真试验并对粉垄刀具结构参数进行优化研究。试验研究得出，在相同条件下，螺旋叶片直径、螺距和轴距减小，有利于降低功耗幅宽比，提高土壤破碎度；而螺距增大轴距减小，则能降低功耗幅宽比。

2020年，肖雄等［20］针对粉垄刀具在黏土蔗地作业时，耕后破碎土壤大小不一，且破碎分布不均匀的问题，改进设计了一款增加弯刀装置的新刀具，并通过仿真试验，分析作业过程，优化影响因素，结果表明，新刀具能适应不同耕深，作业后土壤破碎度在垂直方向上分布比原刀具合理，碎土性能增加了，功耗幅宽比减小了。

2020年，肖雄等［21］利用通过验证合理的粉垄刀具作业系统动力学仿真模型开展粉垄作业仿真，分析粉垄刀具的受力情况，得出粉垄刀具的螺旋叶片和刀片在高度平面上的不对称性，和作业时使土壤耕深不均匀的参数存在差异、约束作用不一，导致刀具激振力力幅增大，是造成粉垄刀具作业时振动大的原因。新设计的双螺旋粉垄刀具作业时，切土阻力和扭矩变化小，其力幅和力矩幅较原粉垄耕作刀具减小幅度较多，能有效减小粉垄刀具作业的振动。

3 结语

上述的研究表明，目前国内粉垄技术主要以广西甘蔗地粉垄耕作相关农学的试验研究为主，从甘蔗品种和耕作方式对甘蔗的生长情况、甘蔗产量、蔗地土壤特性进行分析对比。采用粉垄耕作的甘蔗种植相较于传统常规拖拉机旋耕耕作，甘蔗单茎质量增加，甘蔗产量及品质有明显提高；同时，粉垄耕作相对常规机耕，对甘蔗地土壤能实现深耕深松，不破坏土壤层的保肥蓄水能力，增加甘蔗根系生物量和产量，提高甘蔗品质。

现阶段甘蔗地粉垄机械的研究较少，韦本辉发明了首台粉垄机，国内的粉垄机械研究主要集中在广西本地农机制造企业及大学等研发单位，而广西甘蔗地主要为黏壤土，粉垄机在甘蔗地作业耕作阻力大，前进速度低，功耗大，表层土块大，振动大，刀具磨损严重，一次粉垄含蔗蔸的蔗地根土破碎度低。严重影响了粉垄机在广西甘蔗地的大范围推广应用。研究适合广西甘蔗地作业的粉垄耕作机械是未来广西甘蔗地粉垄研究的重点。