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厨余生化机产物的种子发芽指数及影响因素研究

周欣, 熊传教, 李子东, 张俊文, 刘可星

周欣, 熊传教, 李子东, 等. 厨余生化机产物的种子发芽指数及影响因素研究[J]. 华南农业大学学报, 2023, 44(2): 239-244. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202201017
引用本文: 周欣, 熊传教, 李子东, 等. 厨余生化机产物的种子发芽指数及影响因素研究[J]. 华南农业大学学报, 2023, 44(2): 239-244. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202201017
ZHOU Xin, XIONG Chuanjiao, LI Zidong, et al. Seed germination index of the product of kitchen waste biochemical equipment and its influencing factors[J]. Journal of South China Agricultural University, 2023, 44(2): 239-244. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202201017
Citation: ZHOU Xin, XIONG Chuanjiao, LI Zidong, et al. Seed germination index of the product of kitchen waste biochemical equipment and its influencing factors[J]. Journal of South China Agricultural University, 2023, 44(2): 239-244. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202201017

厨余生化机产物的种子发芽指数及影响因素研究

基金项目: 广州市科技计划(202002020015)
详细信息
    作者简介:

    周欣,硕士研究生,主要从事固体废弃物资源化利用研究,E-mail: 1293624703@qq.com

    通讯作者:

    刘可星,副教授,博士,主要从事固体废弃物资源化利用研究,E-mail: kxliu@scau.edu.cn

  • 中图分类号: X799

Seed germination index of the product of kitchen waste biochemical equipment and its influencing factors

  • 摘要:
    目的 

    确定厨余生化机产物腐熟度及Na+、小分子有机酸与种子发芽指数(Seed germination index,GI)的关系,促进厨余生化机产物的资源化利用及推广,同时,开拓固碳于土壤达到碳中和目标的新技术途径。

    方法 

    利用萝卜Raphanus sativus种子测定厨余生化机产物的GI,并模拟不同浓度Na+、小分子有机酸溶液,分析其对GI的影响。

    结果 

    厨余生化机产物的GI为1.53%,不满足堆肥基本腐熟的标准(GI≥50%),厨余生化机产物浸提液稀释10倍时,溶液中Na+质量浓度为75.25 mg/L,GI为43.73%。模拟试验结果显示,随着Na+浓度的升高,GI呈下降趋势,当Na+质量浓度为1200 mg/L时,GI为52.86%。随着小分子有机酸浓度的增加,GI呈下降趋势,当乙酸和乳酸质量浓度高于100 mg/L、丙酸和丁酸质量浓度高于50 mg/L时,GI小于50%。丙酸、丁酸对GI的影响强于乙酸、乳酸。

    结论 

    厨余生化机产物的GI未达到堆肥基本腐熟的标准,制约其未达标的主要影响因素是厨余垃圾降解产生的小分子有机酸,而非其含盐量。

    Abstract:
    Objective 

    To determine the relationships between maturity, Na+, small molecular organic acids of product of kitchen waste biochemical equipment and germination index (GI), promote the resource utilization and popularization of the product of kitchen waste biochemical equipment, and at the same time, exploit the new technological way of carbon neutrality through soil carbon sequestration.

    Method 

    The GI of product of kitchen waste biochemical equipment was determined using radish (Raphanus sativus) seeds, and the effects of Na+ and small molecular organic acid solutions on GI were analyzed by mimic experiments.

    Result 

    The GI of the kitchen waste biochemical equipment product was 1.53%, which did not reach the standard of basic maturity of compost (GI ≥ 50%). When the extract of kitchen waste biochemical equipment product was diluted for 10 times, the Na+ content in the solution was 75.25 mg/L, and the GI value was 43.73%. With the increase of sodium concentration, the GI value showed a downward trend. When the Na+ concentration was 1 200 mg/L, the GI value was 52.86%. With the increase of the concentration of small molecular organic acids, the GI value showed a downward trend. When the concentrations of acetic acid and lactic acid were higher than 100 mg/L, and while the concentrations of propionic acid and butyric acid were higher than 50 mg/L, the GI value was less than 50%. The inhibiting effect of propionic acid and butyric acid on GI was stronger than that of acetic acid and lactic acid.

    Conclusion 

    The GI of product of kitchen waste biochemical equipment did not reach the maturity standard of composting, and the main restriction factor was the small molecular organic acids produced by the degradation of kitchen waste, rather than its salt content.

  • 水稻直播栽培技术便于实现机械化,具有降低劳动强度,缓解农时,节本增效等优点[1-3],随着人们对水稻直播理念的深入了解[4],水稻直播机在各地得到广泛推广。但现有的机械式水稻直播机大多采用镇压轮传动播种,这种播种方式普遍存在一些不足:镇压轮易于裹草堵转,导致漏播;播量靠手动调节且控制精度低;无法实时依据机具车速变化自动调节播种量;自动化程度较低。目前国内外针对播种机播量调节已有一些相关研究,国外直播装备研究和运用起步较早,基本实现自动化、智能化作业[5],如LEMKEN公司生产的Saphir系列播种机通过配备电脑控制终端Easytronic系统,可以预设播种量并对播种量、施肥量进行校对,可完成多种作物播种;日本矢崎公司生产了一种直接配套插秧机进行播种作业的SYG-8型水稻直播机,播种量、穴距可精准调节,但该机具作业效率较低,价格高昂,使其推广受到限制。国内现有水稻直播机的研究主要集中在机械结构的设计改进以及关键部件的参数优化[6-8],未能从根本上解决镇压轮传动播种导致的漏播以及播种量无法同步均匀调节问题。

    本文以现有苏南地区机械式水稻播种机为基础,设计了一种基于PID控制算法[9-11]的水稻直播机播量控制系统。该系统可以在线无极调节排种量,实现排种转速的闭环控制,达到同步播种目的,提高播量控制精度,为现有的水稻直播机播量自动化改造提供了一种可靠途径。

    播量控制系统工作原理如图1所示。播种作业时,通过电位器设定目标播量,结合安装在测速轮上的编码器采集实时机具车速以及排种转速,计算出排种目标转速;同时安装在排种轴上的编码器实时检测排种轴转速;决策系统将目标播量、机具车速、排种转速作为控制系统的输入量,得到当前排种器的转速控制量,然后通过PID调速算法使控制器输出相应PWM波[12-13],再经过放大调理后,驱动排种电机在线调节排种转速,实现同步排种作业。

    图  1  控制原理结构图
    Figure  1.  Schematic diagram of control principle

    单位面积上的播种量[Q(t)]可以表示为[14-15]

    $$ Q(t) = \frac{{0.06q(t){{n}}}}{{L v(t)}}, $$ (1)

    式中, q(t)为单个排种器播种量,g/min;n为播种行数;L为排种通道所能覆盖的作业幅宽,m;v(t)为机具作业车速,km/h;0.06是各变量单位换算产生的系数;q(t)和排种电机转速(ɑ)的标定公式为:

    $$ q(t) = ka + b, $$ (2)

    式中, kb是标定试验测定系数。根据目标播种量,排种电机转速和机具车速之间关系可以表示为:

    $$ a = \frac{{Q(t) L v(t)}}{{1\,000k{{n}}}} - \frac{b}{k}{\text{。}} $$ (3)

    根据公式(3),机具车速发生变化时,控制器可以同步调整排种轴转速,确保实际单位面积排种量与目标播种量一致。

    针对江苏丹阳欣田机械制造有限公司生产的2BFGK-12型播种机进行自动化改造,改造后的播种机结构简图如图2所示。自动化改进保留了机械式播种开沟、旋耕、播种、镇压等功能,重点改进了排种驱动方式,将链轮传动改为直流电机驱动,排种轴下方种箱内侧安装直流电机驱动,通过链轮驱动排种轴,播种行数为12行,机具宽度230 mm,取消地轮与排种轴连接的链式结构;设计增加了一种铁质测速轮,直径为400 mm,测速轮表面均匀布设15个防滑齿[16],抓地性良好,且具有单铰链仿行机构,弹簧支杆上方每隔20 mm开调节孔位1个,共计10个,可以通过开口销调节弹簧压缩长度,减缓测速轮对地弹跳,提高测速准确度;弹簧压杆上方安装行程开关,抬起机具可断停排种电机,防止重播;通过轴套分别在排种轴和地轮安装2个编码器用于测量排种轴转速和机具车速;播量可按需无极调节,简化了播量调节方法,可实现同步播种。

    图  2  播种机结构图
    Figure  2.  Seeder structure diagram

    控制系统按照模块化设计思路,由速度采集、人机交互、执行机构、主控单元等主要模块组成,如图3所示。排种控制系统设计手动和自动2种模式:手动模式可转动旋钮调节播量;自动模式下,控制系统可依据设定机具前进速度与播种量的比例系数,在线调节排种转速。数码管采用三段式设计,分别显示机具车速、播量档位、排种转速。速度采集模块采用2个编码器测速,分别采集排种转速和机具车速,信号经过A/D转换发送主控器STC12C5A60S2单片机[17]。驱动电路采用拖拉机12 V电源供电,控制电路经L7805稳压芯片输出5 V供电,强弱电分离,提高电路板稳定性与可靠性,控制系统主控原理图如图4

    图  3  控制系统硬件结构框图
    Figure  3.  Hardware structure diagram of control system
    图  4  控制系统原理图
    Figure  4.  The circuit diagram of control system

    1)测速模块:编码器是把角位移或直线位移等非电量信号转换为电量信号的装置[18],安装于具有单铰链仿行机构的测速轮,实时检测机具行进速度,产生脉冲信号经过调理电路将脉冲信号放大并滤掉杂波,确保输出标准方波。选用欧姆龙增量式编码器E6B2-CWZ6C,旋转1周输出600脉冲数,该编码器具有构造简单、性能稳定,测量精度高等优点[19]。编码器采样频率为5 Hz,对每5个采样脉冲数据进行均值滤波,输出1 Hz速度控制信号,提高了测量速度的精度与稳定性。采用一个0.2 μF电容滤除采样信号过程中的杂波,并对LM358放大器进行保护。

    试验中设计直径为400 mm的测速轮模拟拖拉机后轮,播种机测速轮的转速与脉冲频率的关系为:

    $$ N = \frac{{60{{f_0}}}}{{ZM}}, $$ (4)

    式中,Z表示编码器每转输出的脉冲个数;f0为准时钟的脉冲频率,Hz;M为编码器2个脉冲之间的时钟脉冲的个数。

    2)直流电机驱动模块:直流电机工作时需要驱动12个排种槽轮,为了提高电路板驱动性能,设计了二极驱动电路单元,双NPN型三极管组合构成达林顿管,提升了SSF7509增强型MOS管[20]驱动电流,有效提高了驱动效率,最大漏极电流达60 A,漏源击穿电压为80 V,漏源导通电阻为6.5 mΩ。PWM信号经驱动模块调理运算控制排种电机,为提高驱动模块可靠性与稳定性,对MOS管电路铜箔表面走锡处理,形成3 mm的焊锡导线,增大有效走线截面,提高电路板载荷电流,驱动模块电路图如图5

    图  5  直流电机驱动电路图
    Figure  5.  Driving circuit diagram of DC motor

    3)人机交互模块:人机交互模块由按键、播量旋钮和数码管组成。74HC595驱动3个2位1.42 cm的共阴极数码管[21],将串行信号转为并行信号,分别显示拖拉机速度(km/h)、播量档位、排种轴转速(r/min);电源芯片实现了DC12 V与DC5 V的电压转换,排种轴控制模式可手动自动切换,按键输出端与P0.5引脚相连,高电平为自动模式、低电平为手动模式,墒情较为严重时,可选用手动模式,确保播种效果,人机交互电路图如图6

    图  6  人机交互电路图
    Figure  6.  Circuit diagram of human-computer interaction

    排种器转速控制本质是一个直流电机控制系统,测速轮转速作为系统输入量,输出量为排种槽轮转速。在忽略微小电感的情形下[22],可将该排种器驱动电机看成经典的一阶系统,其传递函数是一个典型积分环节和惯性环节串联[23]

    $$ G(s) = \frac{{1/2\pi {C_{\rm e}}}}{{s\left(\displaystyle\frac{{{J_{\rm a}}{R_{\rm a}}}}{{{C_{\rm e}}{C_{\rm t}}}}s + 1\right)}}, $$ (5)

    式中,G(s)是原函数经过拉普拉斯变换后的复函数表达式;Ce为电动势常数,由电动机结构参数确定;Jɑ为电动机转子转动惯量;Rɑ为电动机电阻;Ct为电磁力矩常数,由电动机结构参数确定;s为复频率。

    选用邦瑞公司生产的5D90-12GU直流电机,电机参数为Ce=12.04, Jɑ=4×10–5 kg·m2, Rɑ=6Ω, Ct=0.115 N·m/A,代入式(5)得:

    $$ G(s) = \frac{{8.69}}{{s(0.642s + 1)}}{\text{。}} $$ (6)

    本研究选用PID控制器模型,被控对象由排种电机、电机驱动器、执行机构组成。PID控制系统输入信号Nin,Sin为经PID控制器输出的最佳转速控制量,Nout为排种轴的作业转速;控制器执行过程中,编码器实时监测测速轮和排种轴转速,并将转速信号输入到控制系统中,与最佳转速控制量形成偏差(e),经PID调节器输出相应的控制量来调节排种转速,实现播量在线无极调节,达到控制目标。PID控制器与电机数学模型、负反馈控制量组成闭环控制系统,其传递函数近似于二阶惯性环节,通过与标准惯性环节比较取PID参数:kp=15.216 2,ki=0.319 3,kd=1.012 1,PID控制系统结构图如图7

    图  7  PID控制系统结构图
    Figure  7.  Structure diagram of PID control system

    电机空载下,测试控制器变速调节电机转速响应变化效果,排种轴转速选取农户常用播种量对应的3个转速,分别为20、30和40 r/min,测试控制系统启动后的电机响应转速数据曲线如图8,性能参数如表1所示。结果表明:控制系统在目标转速40 r/min下超调量最大,不同转速下的调整峰值时间差距较小,整体调整时间低于0.63 s,响应及时。

    表  1  空载响应试验数据
    Table  1.  The experimental data of no-load response
    转速/(r·min–1)
    Speed
    超调量/%
    Overshoot
    峰值时间/s
    Peak time
    调整时间/s
    Adjusted time
    20 7.66 0.24 0.38
    30 8.02 0.29 0.54
    40 8.21 0.33 0.63
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    图  8  不同目标转速下电机空载转速响应曲线
    Figure  8.  The response curve of motor velocity without load under different target speeds

    传统播种机由于制造工艺和加工精度的差异,致使相同槽轮的排种轴阻力差距较大,对控制系统带负载能力要求较高。依据排种轴扭矩标准[24],12行以下播种机扭矩不大于10 N·m,通过磁负载装置给电机施加7.5、10.0和12.5 N·m负载,测试控制系统带负载能力及负载变化的调节能力,记录排种电机实时转速值及驱动电路负载电流。变负载响应曲线如图9所示。施加负载7.5 N·m时,电机瞬时转速回落较小,转速回调时间短,随着负载增大,电机瞬时转速回落逐渐增大,调整时间延长,当负载12.5 N·m时,转速瞬间下降了23.5%,控制系统迅速响应,系统转速回调时间为0.32 s,最大负载电流为6.5 A,大负载作业条件下控制系统工作稳定,性能可靠,为控制系统适配不同播种机提供了理论依据,带负载性能测试如图10所示。

    图  9  施加不同负载的电机转速曲线
    Figure  9.  The curve of motor speed under different loads
    图  10  负载性能试验台
    Figure  10.  Test platform of load performance

    排种转速控制精度对于播种效果起关键作用,为了综合测试播种机性能,开展了排种转速及播量控制精度田间试验(图11)。试验地点位于南京高淳禾田家庭农场,田间秸秆留茬高度18.5 cm,秸秆含水率(w)21.2%,秸秆切碎长度13.5 cm,秸秆量6 725.6 kg/hm2。土壤状况如表2所示,试验品种为‘南粳46’。设计机具车速和目标播量两因素三水平试验,依据苏南地区农户实际播种要求,选取试验机具车速为0.8、1.2和1.6 m/s,目标播量为7.50、11.25和15.00 g/m2。水稻直播机有效播种幅宽2.3 m,由久保田754拖拉机牵引,播种作业距离140 m(田块长约70 m)视为1次试验,记录排种轴实时转速、机具车速、实际播量,每个目标播量重复2次试验,取平均值为最终数据,结果见表3表3的结果表明,3种目标播量下的转速最大误差分别为6.73%、6.59%和7.21%,转速误差平均值分别为4.67%、4.92%和5.31%,对比传统播种机最大控制误差24.54%和平均控制误差17.08%[23],本系统控制精度显著提高;目标播量15.00 g/m2时,机具车速提升后转速误差平均值降低较为明显且播量误差显著降低,说明本控制系统在较高车速和较高目标播量下,控制效果更好;播种机整机转速控制精准,能满足实际需求,在不同的测试条件下,播量控制系统性能稳定。

    图  11  田间试验图
    Figure  11.  Field experiment chart
    表  2  田间土壤状况
    Table  2.  Soil condition in field
    土壤深度/cm
    Soil depth
    容重/(g·cm−1)
    Density
    含水率(w)/%
    Water content
    坚实度/MPa
    Firmness
    0~5 1.32 23.41 0.43
    5~10 1.45 20.26 0.86
    10~15 1.53 18.96 1.23
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    表  3  不同目标播量下田间试验的控制精度
    Table  3.  Control accuracy of speed and seeding amount in field under different target seeding amounts
    播量/(g·m−2)
    Seeding amount
    机具车速/(m·s−1)
    Vehicle speed
    转速最大误差/%
    Max. speed error
    转速误差均值/%
    Average speed error
    播量误差/%
    Seeding amount error
    7.50 0.8 6.73 4.67 3.86
    1.2 4.96 3.62 3.91
    1.6 4.13 2.74 3.66
    11.25 0.8 6.59 4.92 3.25
    1.2 5.81 3.83 2.76
    1.6 5.34 2.32 2.12
    15.00 7.21 5.21 3.96 7.21
    5.68 3.54 2.52 5.68
    4.08 1.63 1.04 4.08
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    机具行驶作业速度变化时需要排种轴快速同步响应,为测试播量控制系统排种同步性,设计了田间阶梯车速播种试验。选取目标播量11.25 g/m2,测试机具行驶速度在0.8~1.6 m/s范围内阶梯变化,实时记录排种轴转速和车速,田间排种车速同步跟随效果如图12图12的结果表明,田间播种车速变化时排种转速响应及时,具有较高的排种同步性,说明本研究设计改造的排种驱动机构和PID控制算法的引入措施起到了关键性的作用。

    图  12  排种车速同步跟随图
    Figure  12.  Synchronization follow map of seeding speed

    对传统水稻直播机进行自动化改造,重点改进了播量调节机构,并设计了配套的播量控制系统,简化播量调节方式。控制系统引入PID控制策略,并且建立了相应的传递函数,针对设计目标播量下的转速范围内,排种电机空载转速最大超调量为8.21%,转速调整最大时间为0.63 s,电机负载状况下最大回调时间为0.32 s,最大负载电流6.5 A, 控制系统响应迅速,满足实际播种需求。

    田间试验转速最大误差为7.21%,最大转速误差均值5.31%,最大播量误差为3.96%,播种机整机转速控制精度较传统播种机显著提高,田间播种车速变化时排种转速响应及时,具有较高的排种稳定性和同步性,实现了同步播种作业,提高了传统播种机播种性能。

    该控制系统自动化改造简便,对传统机械直播机具有较高适配性,为现有的机械式播种机低成本播量自动化改造提供了思路。

  • 图  1   不同浓度钠离子的种子发芽指数

    柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05,Duncan’s法)

    Figure  1.   Seed germination index(GI)of different concentrations of sodium ions

    Different lowercase letters on the columns indicated significant differences (P<0.05, Duncan’s method)

    图  2   4种小分子有机酸不同浓度下的种子发芽指数

    各图中,柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05,Duncan’s法)

    Figure  2.   The seed germination index of four kinds of small molecular organic acids under different concentrations

    In each figure, different lowercase letters on the columns indicated significant differences (P<0.05, Duncan’s method)

    表  1   厨余生化机产物浸提液的种子发芽指数(GI)

    Table  1   Seed germination index (GI) of extract of kitchen waste biochemical machine product

    浸提液稀释倍数 Dilution times of extract ρ(Na+)/(mg·L−1) 电导率1)/(µS·cm−1) Electrical conductivity GI1)/%
    0 752.44 5 800.00±200.00a 1.53±0.04d
    5 150.49 1 300.00±50.00b 30.43±2.69c
    10 75.25 697.67±68.07c 43.73±2.88b
    50 15.05 161.33±17.21d 76.95±4.75a
     1)表中数据为平均值±标准误,n=3;同列数据后的不同小写字母表示差异显著(P<0.05,Duncan’s法)  1) The data in the table were mean ± standard error, n=3; Different lowercase letters after the data in the same column indicated significant differences (P<0.05, Duncan’s method)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-17
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2023-03-09

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