本文是一篇农业论文，本研究根据玉米免耕播种技术的发展需求，针对现有免耕播种技术进行进一步改进，提出了基质覆盖式玉米免耕播种解决方案，并利用该技术对土壤环境及玉米生长等方面进行了较为深入的理论分析和试验研究.
1 绪论
1.1 研究目的与意义
目前，全球玉米播种面积是 20 亿 hm2，玉米总产量 6000 亿千克，中国玉米产量在全球总量中占比 22.4%，为全球第二[1-3]。广东省是中国热带、亚热带重要的经济林果种植地区，也是经济作物和粮食生产的重要基地[4-6]，该土壤类型区由于长期受亚热带季风气候的影响，致使土壤水热同步，外加复种指数高，导致水资源时空分配不均，春至夏初降雨过分集中，极易发生水土流失，土壤肥力衰退；而伏秋雨量及频率降低，土壤供水严重不足；与此同时，为了保证产量，大量施用化学试剂，而忽视了土壤中微生物群落和地力培育，
导致土壤质量逐年下降。水土流失、旱灾频发和土壤质量下降是广东省农业可持续发展的主要障碍[7]，对中国红壤区生态环境有很大影响，成为制约农业生产发展的重要问题。
农田沃土是我国的重要资源，2018 年 8 月 1 日由生态环境部南京环境科学研究所、中国科学院南京土壤研究所等单位共同起草的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》开始实施[8]。9 月 25 日，习近平总书记在黑龙江省七星农产视察过程中指出，北大荒的土质要不断优化，不能退化。保护农田土壤资源，推广绿色农业生产技术，实现农业可持续发展已经成为时代发展的必然趋势。
免耕播种作业是在地表秸秆覆盖或者留茬情况下，不耕整地或为了减少秸秆残留进行粉碎、耙、少耕后播种[9-12]，以减少风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进作业技术，如图 1-1 所示，其具有拦蓄径流、增加土壤入渗、改良土壤结构、优化耕地环境等多重优点，长期进行免耕播种的耕地能够实现地力显著培肥，玉米产量显著提升的效果[13]。课题组前期在黑龙江省针对该技术对土壤渗水能力、风蚀的影响进行了大量的研究，研制了配套设备，建立了适应北方寒地气候和土壤特点的耕作技术体系，并取得了良好的推广效果。然而以上研究是针对北方寒地展开的，南方土壤、气候、作物类型等与北方差异较大，不能直接借用。
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1.2 玉米免耕播种国内外研究现状
1.2.1 免耕播种技术国外研究现状
1930 年，美国西部遭受“黑风暴”侵袭，对国土面积 60%以上的范围造成严重影响[24]，统计结果认为，有 3 亿吨土壤随飓风流入大西洋，当时美国农业生产遭受巨大损失，震惊了全世界。保护性耕作研究自此由美国提出[25]，并开始在世界范围内展开。土壤学家、农学家、农机专家等研究出，要保护现代土壤耕地，必须以保护性耕作为主要方法。在这方面研究经历数十年长期投入，植树、种草等与保护性耕作共同升级，对沙尘暴对土壤伤害保护起到极大遏制作用。经过试验验证，我们发现这类保护性耕作方式还有利于径流蒸发的控制，对土壤结构改善、土壤肥力提升、作物产量增值等，有很好的推进作用。1970s，澳大利亚、加拿大等国因为传统耕作造成土地荒漠化问题，积极推进保护性耕作技术的推广，通过对土壤的适度改良、耕地操作技术保护性发展，大大减少耕作工序，对杂草处理、施肥精准都有很好的推进效果。所以，1980s 以后，这种方式成为各国农业重要耕作形式。国外免耕技术发展根据技术升级，可划分为如下三个阶段：
第一阶段，1930s-1940s，美国成立土壤保护局，这是现代化农业免耕技术研究开端[26]。该阶段主要是分析传统机械种植模式的缺点，并探索合理的解决方案，针对水蚀、风蚀问题，寻找能兼顾耕地保护的更高经济效益技术拓展空间，这对于农田灾害防治来说，是具有一定推动作用的。正是因为这种需求，农业机械技术及耕作方式都得到极大改良，农机具以不翻土为原则，提出少耕、免耕、深松的种植概念[28]。经过大面积推广实验，最终确定免耕技术为主导方式，指的就是在播种以后，地表残茬覆盖度达到总耕地面积 30%以上。
第二阶段，1950s-1970s，全球各国都认识到保护性耕作技术的重要性，加拿大、墨西哥、澳大利亚、苏联等国，都对这一研究概念进行深度分析[29]，保护性植被覆盖、机械化免耕技术等研究处于同步进展状态。各国积极推进农业免耕技术，通过实践结果来看，土壤侵蚀现象被大大减少，然而，当时存在的问题是，因为杂草、秸秆无法完全清理，造成土壤覆盖现象，低温导致作物减产[30]。这也是保护性耕作在此时出现反对意见的原因，新技术推广效率并不高。1970s，澳大利亚建立全国范围内的保护性更低试验基地，通过对大量农业专家研究结论的汇总，得出秸秆覆盖具有水土保护作用的结论[31-33]。1950s 前后，苏联同样遭遇过“黑风暴”的侵袭，对农业耕种技术升级有极为迫切的需要，1960s，西伯利亚等地区作为苏联试验区，以宽型铲深松犁为替代耕种方式，传统耕翻法被农业市场抛弃[34]。该技术优势是能维护耕层水稳性团聚体含量，而且对作物留茬、植物残体有很好的保存功能，蓄水保墒耕作得到有效推广。
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2.基质覆盖式玉米免耕播种技术单因素试验研究
2.1 试验材料与方法
2.1.1 试验材料
试验在中国热带农业科学院南亚热带作物研究所循环农业研究中心进行。试验所用羊粪为草畜一体化课题组黑山羊当年所产羊粪；玉米秸秆通过课题组当季收获玉米后，将秸秆回收粉碎获得，试验用秸秆和羊粪理化参数如表 2-1 所示。粉碎机购置于郑州宏辉重工设备有限公司；育苗秧盘用于培育秧苗，验证基质的腐熟程度，由瓜果蔬菜课题组提供；供试玉米品种雅玉青贮 26 号，购买于四川雅玉公司，玉米百粒重 31.2g，平均亩产（干重）1346.5kg，生育期 125 天左右，具有较强的耐冷性、适合在广东省中部栽培。
2.1.2 试验方法
基质覆盖免耕播种试验：首先对原料进行预处理，将收集的羊粪与粉碎处理后的玉米秸秆按照不同比例进行物料混合搅拌机搅拌，再将搅拌均匀的混合物进行堆沤腐熟发酵，将发酵完全的基质进行晾晒，如图 2-1（a）所示。利用制备好的基质做一个发芽试验确保其可行性。最后利用制备好的基质进行单因素试验，以玉米株距、基质覆盖量、羊粪所占比例为影响因素进行单因素试验。
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本研究设计机具的主要组成部分包括：机架、排种器、种箱、基质箱、排料装置、直流电机、撒籽装置、控制系统等。机具行进动力是由卷扬机牵引提供，该方式可避免拖拉机对土地压实造成的土壤结构的破坏，并且卷扬机牵引方式结构简单、机动性好。播种机正常作业时，机具在卷扬机的牵引下，随卷扬机进行往复运动。在直流电机驱动下排种器进行排种，排料器在直流电机驱动下进行排放基质，将玉米种子按照株距要求排在地表，排料装置将基质完全覆盖于种子上完成播种。在机具返回行进时，撒籽装置进行撒籽工作，再次进行基质覆盖，完成行间草籽播撒作业。完成排肥排种作业。控制系统可控排种电机开关，排种管下方安装有监测装置，可监控重播漏播率。
机械式排种器：指夹式排种器对于规则形状种子较为适宜，具有良好的排种性能，机械稳定性明显。问题在于机械设计结构非常复杂，只能精播玉米，通用性差，对于扁平或细长的种子，夹种性能下降。窝眼轮式精密排种器优势在于，结构精简、投种高度低，并且能根据各个孔径数据，随时更换窝眼轮来对多个作物类型进行点播。缺点是做种子清选分级时，容易造成种子破坏，高速作业很难实现。孔带式精密排种器具有精简、紧凑的结构，但胶带变形明显，必须在规律尺寸种子中才能实施作业，高速应用效果一般[65]。
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3.1 整机结构及工作原理......................................... 19
3.2 关键部件的设计及选型.......................................... 20
4 基质覆盖式玉米免耕播种技术田间试验研究................................... 29
4.1 试验材料与方法........................................... 29
4.1.1 试验地概况............................... 29
4.1.2 试验材料与设备..................................... 29
5 结论与展望................................... 49
5.1 结论......................................... 49
5.2 创新点......................................... 49
5.3 展望........................................ 49
4 基质覆盖式玉米免耕播种技术田间试验研究
4.1 试验材料与方法
4.1.1 试验地概况
本试验于 2019 年 3 月在湛江市中国热带农业科学院南亚热带作物研究所循环农业研究中心试验基地进行，其土壤类型为红壤土。试验小区 0-20cm 土壤，基本理化性状：有机质 13.62 g/kg，全氮 1.07 g/kg，全磷 1.21g/kg，全钾 13.7 g/kg，pH 值 5.7，其次含水率为 3.60%，容重为 1.30 g/cm3。
以玉米株距、基质覆盖量和羊粪所占比例为影响因素，以土壤理化性质和玉米生长性状为评价指标进行试验研究，依据单因素试验确定各影响因素最优解的存在范围，在此基础上进行正交试验[71]。利用 Design Expert 数据分析软件对所得的试验结果进行回归分析，
建立回归方程，并对回归方程进行拟合度和显著性检验，最后通过优化模块确定最佳技术规程。
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5 结论与展望
5.1 结论
本研究根据玉米免耕播种技术的发展需求，针对现有免耕播种技术进行进一步改进，提出了基质覆盖式玉米免耕播种解决方案，并利用该技术对土壤环境及玉米生长等方面进行了较为深入的理论分析和试验研究，得到如下结论。
（1）提出基质覆盖式玉米免耕播种技术的概念，并对覆盖基质进行了制备，以玉米株距 X1、基质覆盖量 X2、羊粪所占比例 X3 为影响因素，以玉米株高 Y1、茎粗 Y1、产量Y2 为评价指标进行单因素试验。最终得出株距最佳范围为 20~40 ㎝、基质覆盖量最佳范围为 6300~12300kg/hm2、羊粪所占比的最佳范围为 50~90%。
（2）研发出基质覆盖式玉米免耕播种机设备，针对排种系统、机制覆盖装置等实施优化，这种设计可确保各个工具结构配合精密，这种智能控制技术为现代试验台有很好的自动搭建作用，能为现代玉米免耕播种技术提供更好的发展空间。
（3）对基质覆盖式玉米免耕播种机进行田间试验。选取玉米株距，基质覆盖量及羊粪所占比例为影响因素，以土壤环境及玉米生长农艺性状为评价指标进行正交试验。土壤环境参数主要包括土壤全 N 含量，土壤有效 P 含量及土壤速效 K 含量，玉米农艺性状主要包括玉米株高，茎粗及产量。对土壤环境影响的主次顺序依次为：基质覆盖量、玉米株距、羊粪所占比例；对玉米农艺性状影响的主次顺序依次为：玉米株距、基质覆盖量、羊粪所占比例。通过数据分析软件建立回归模型，对模型进行优化和修正后可知，基质覆盖式玉米免耕播种技术最优参数为：玉米株距：35cm，基质覆盖量：10800kg/hm2，羊粪所占比例：80%，此时土壤全 N 含量为 2.10g/kg，土壤有效 P 含量为 57.03mg/kg，土壤速效K 含量为 140.16mg/kg，玉米株高为 317.9 ㎝，茎粗为 3.05 ㎝，产量为 4.14kg。
参考文献（略）