水田側(cè)深施肥裝置的分析與試驗(yàn)

位國建，薦世春，李 娜，彭強(qiáng)吉，崔榮江，吳美麗

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；2.郯城縣楊集鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，山東 郯城 276100)

0 引言

合理施肥和肥料高效利用是水稻種植過程中節(jié)肥增效的關(guān)鍵因素[1-2]。在我國，按照傳統(tǒng)種植方法，需要在插秧、分蘗和壯穗期各施肥1次。施肥環(huán)節(jié)不管是人工作業(yè)還是簡易機(jī)械，目前所用方法大多數(shù)都是直接水面撒施，既費(fèi)工費(fèi)時，又使肥料流失嚴(yán)重，導(dǎo)致環(huán)境污染加重[3-5]。水田側(cè)深施肥技術(shù)能保證水稻插秧時肥料定位、定量、均勻，日本早期對水稻側(cè)深施肥的研究也表明水稻側(cè)深施肥對節(jié)肥增效有較明顯的作用[6-8]。因此，搞好水稻插秧側(cè)深螺旋排肥裝置的研究，同時結(jié)合市場上現(xiàn)有已經(jīng)應(yīng)用的浮板式插秧機(jī)研發(fā)水稻插秧側(cè)深施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)水田插秧、側(cè)深施肥聯(lián)合作業(yè)勢在必行。

水稻在我國是主要的糧食作物之一，水稻插秧側(cè)深螺旋排肥技術(shù)對優(yōu)化水稻生產(chǎn)過程具有重要影響，對保護(hù)環(huán)境及建立更好的水稻生產(chǎn)體系具有積極的影響[9]。本研究綜合考慮螺旋排肥的原理，針對水田機(jī)械施肥時肥料易受潮粘結(jié)堵塞的難題，設(shè)計(jì)了一種側(cè)深螺旋排肥裝置，并對該技術(shù)的優(yōu)越性進(jìn)行了分析。該裝置通過控制器來調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動軟軸強(qiáng)制排肥，不但實(shí)現(xiàn)了施肥量的無極調(diào)節(jié)，且傳動簡單、節(jié)省空間。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了螺旋排肥裝置的排肥性能，解決了水稻插秧側(cè)深施肥過程中肥料受潮粘結(jié)堵塞開溝器的問題，提高了肥料排施作業(yè)質(zhì)量和效果。

1 工作原理及總體結(jié)構(gòu)

1.1 水田側(cè)深施肥裝置總體機(jī)構(gòu)

水田側(cè)深施肥裝置主要由肥箱、施肥器、開溝器及軟軸等組成，如圖1所示。

1.電機(jī) 2.軟軸 3.聯(lián)軸器 4.開溝器 5.施肥管 6.施肥器 7.肥箱

施肥器安裝于肥箱下端，其入料口與肥箱聯(lián)通，出料口與施肥管一端連接，施肥管另一端與開溝器連接；動力為驅(qū)動直流電機(jī)，通過軟軸和聯(lián)軸器，將動力傳至螺旋排肥攪龍的上端，使攪龍?jiān)谌んw的型腔內(nèi)轉(zhuǎn)動。肥料是散落性較好、干燥的顆粒，但是水田施肥環(huán)境下易潮解，所以攪龍葉片選擇螺旋推力大、速度快、輸送量多的滿面式螺旋葉片。將三通進(jìn)料口流入的肥料推送到秧苗下方深約5cm處，通過控制器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而一致性調(diào)節(jié)攪龍轉(zhuǎn)速，來達(dá)到預(yù)設(shè)的排肥量。

為實(shí)現(xiàn)插秧和側(cè)深施肥聯(lián)合作業(yè)的目的，該裝置裝備在市場上現(xiàn)有的已經(jīng)應(yīng)用的浮板式高速插秧機(jī)上，使該組合機(jī)一次作業(yè)可完成水田施肥開溝及側(cè)深施肥。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，同時結(jié)合水稻種植的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)要求該裝置將肥料定位施入距秧苗側(cè)4～5cm、深4～5cm的泥土中，同時在插秧機(jī)浮板上裝有覆土裝置，施肥后及時覆土避免漂肥[9-13]。螺旋推進(jìn)式排肥裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋施肥裝置主要參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of helical fertilization device

1.2 工作原理

水稻側(cè)深施肥裝置安裝在水稻插秧機(jī)上，隨著插秧機(jī)前行，同時施肥裝置將肥料施入土層中。作業(yè)時，施肥器驅(qū)動肥料自肥箱經(jīng)施肥管落入開溝器內(nèi)，同時電機(jī)驅(qū)動軟軸帶動開溝器內(nèi)的攪龍轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)的攪龍將從肥箱落下的肥料強(qiáng)制排入開溝器已經(jīng)開好的溝槽內(nèi)。在插秧的同時，將肥料施入離水稻秧苗根部4～5cm處、深5cm左右的土壤中。施肥原理如圖2所示。

圖2 側(cè)深施肥原理圖Fig.2 Side deep fertilizing principle diagram

采用上述方案后，肥料被埋入土壤中，其優(yōu)點(diǎn)如下：一是避免了機(jī)械深施肥過程中肥料受潮粘結(jié)堵塞施肥管，提高了肥料排施作業(yè)質(zhì)量和效果；二是避免了肥料的揮發(fā)和流失；三是使水稻前期營養(yǎng)吸收充分，既促進(jìn)了水稻生長，又不燒苗，不但降低了環(huán)境污染，而且減少了肥料的浪費(fèi)，提高了肥料的利用率，具有極大的社會效益。主要技術(shù)要點(diǎn)如下：

1)肥料種類。按照水稻施肥技術(shù)要求施用控釋肥，硬度適中，氮磷鉀比例合理。多種類型的肥料混合施用時，應(yīng)現(xiàn)混現(xiàn)施，以防止排肥不均勻，影響施肥效果。

2)側(cè)深施肥要求。土地平整且有一定耕深；機(jī)械施肥作業(yè)勻速，施肥均勻，排肥口順暢；肥料硬度適宜，顆粒整齊。

3)檢查調(diào)整。調(diào)整排肥量，保證各行排肥一致性。在田間作業(yè)時，要及時檢查調(diào)整施肥器，以及轉(zhuǎn)數(shù)、速度、泥漿深度等可影響排肥量的參數(shù)。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

由于肥料的物理特性對該裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能均有較大影響，所以在進(jìn)行主要工作部件設(shè)計(jì)之前應(yīng)對肥料的物理特性進(jìn)行相關(guān)研究。

田間試驗(yàn)地點(diǎn)定在浙江省平湖市新埭鎮(zhèn)，通過實(shí)地調(diào)研可知：當(dāng)?shù)厮痉N植常用肥料類型為普通復(fù)合肥，該種肥料大小不一、形狀不規(guī)則，在高溫高濕環(huán)境下容易出現(xiàn)潮解現(xiàn)象。通過對肥料進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)可知：田間試驗(yàn)肥料與新開包裝肥料對比，縱、橫向拉伸負(fù)荷等特性均會發(fā)生明顯變化。這說明，溫度、濕度等外界環(huán)境對肥料的物理特性存在較為顯著的影響。

肥料的物理特性決定了高溫、高濕環(huán)境下排肥的困難程度，因?yàn)橐壮苯猓员仨殢?qiáng)制排肥。根據(jù)分析，可得水稻插秧側(cè)深螺旋排肥裝置的關(guān)鍵部件為施肥開溝部件及螺旋攪龍?jiān)O(shè)計(jì)。

2.1 施肥開溝部件設(shè)計(jì)

施肥開溝器(見圖3)包括開溝體和固定在開溝體后端的導(dǎo)肥體，開溝體呈楔形，且上表面具有定位臺階，導(dǎo)肥體由殼體、三通和攪龍組成。其中，殼體和三通固定安裝，攪龍通過支架等安裝在三通內(nèi)部。開溝體楔形部底面為向下遠(yuǎn)離秧船的傾斜面，且左右兩側(cè)面之間夾角為10°～20°；殼體為矩形框架結(jié)構(gòu)與開溝體和三通固定安裝；三通設(shè)計(jì)為45°導(dǎo)流，有利于肥料填充攪龍、減少螺旋攪龍對肥料的研磨；攪龍?jiān)谌▋?nèi)部轉(zhuǎn)動將導(dǎo)流進(jìn)入三通的肥料強(qiáng)制推送出三通施入預(yù)先設(shè)計(jì)的位置。

圖3 開溝器三維圖Fig.3 3D of furrow opener

開溝體呈楔形，在水田施肥作業(yè)時，開溝體具有減小阻力的作用。當(dāng)雜草、秸稈較多時，楔形開溝體亦能將其壓入泥漿，防止纏繞開溝器，影響施肥。導(dǎo)肥體具有一定寬度，因而開溝后的施肥溝無法瞬間彌合，導(dǎo)肥管內(nèi)的攪龍強(qiáng)制推送肥料，可防止因泥漿堵塞開溝器造成缺肥。肥料順利落入由開溝體開好的溝槽，安裝在插秧機(jī)浮板上的覆土板及時將施肥溝彌合，避免出現(xiàn)水面漂肥現(xiàn)象。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

螺旋式水田側(cè)深施肥控制系統(tǒng)包括具有GPS模塊的車載控制器、施肥控制器、電動排肥器、檢測傳感器及驅(qū)動電機(jī)等，系統(tǒng)控制如圖4所示。該系統(tǒng)是基于實(shí)時車速精準(zhǔn)控制，施肥量存儲到單片機(jī)中，車載控制器通過接收GPS信號獲得前進(jìn)速度，從而達(dá)到精準(zhǔn)施肥。

圖4 插秧施肥監(jiān)控系統(tǒng)Fig.4 Fertilization principle diagram

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速是施肥控制系統(tǒng)發(fā)送給施肥控制器的指令，直流電機(jī)帶動排肥攪龍轉(zhuǎn)動；排肥攪龍實(shí)際轉(zhuǎn)速信息是施肥控制器給施肥控制系統(tǒng)的反饋命令，通過反饋信息調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；車速信息是通過GPS接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的當(dāng)前車速信息，車速信息反饋給施肥控制系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)施肥控制器變化達(dá)到預(yù)設(shè)施肥量。電動施肥過程代替了復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，簡化了傳動，降低了成本。該裝置還可以“模塊化”作業(yè)，每行作為一個模塊獨(dú)自工作，互不影響，更具實(shí)用性。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的水稻插秧螺旋施肥裝置的有效性，對螺旋側(cè)深施肥裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室及田間試驗(yàn)。試驗(yàn)以排肥一致性和施肥量偏差為技術(shù)指標(biāo)，分別整理和分析該排肥裝置的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其實(shí)用性[14]。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為了測試設(shè)計(jì)的水田側(cè)深施肥裝置的各項(xiàng)參數(shù)及實(shí)用性，進(jìn)行了兩組試驗(yàn)：一是于2016年5月在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行螺旋攪龍部件試驗(yàn)及樣機(jī)施排肥一致性試驗(yàn)；二是于2017年6月在浙江省平湖市新埭鎮(zhèn)試驗(yàn)田進(jìn)行了該裝置的田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)前，對螺旋攪龍部件試驗(yàn)臺和試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行檢查，保證其運(yùn)轉(zhuǎn)正常。實(shí)驗(yàn)室測試為螺旋攪龍部件試驗(yàn)臺，田間試驗(yàn)所使用的樣機(jī)為配置水田側(cè)深施肥裝置的2ZGQ-6型水稻高速插秧機(jī)。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

1)螺旋攪龍部件防堵模擬試驗(yàn)。在模擬水田插秧狀態(tài)的土槽內(nèi)進(jìn)行側(cè)深施肥試驗(yàn)，制作簡易施肥試驗(yàn)臺，測試螺旋施肥部件的防堵性能。人為將開溝器底部用試驗(yàn)土槽內(nèi)的泥土封住，模擬開溝器在插秧機(jī)栽秧盤降落時開溝器進(jìn)入泥土的堵塞狀態(tài)；然后，利用控制器啟動驅(qū)動電機(jī)帶動螺旋攪龍轉(zhuǎn)動，查看攪龍能否將人為堵塞的泥土順利推開并強(qiáng)制將肥料排出開溝器。防堵性試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 防堵性試驗(yàn)Fig.5 Blocking test

2)樣機(jī)排肥一致性試驗(yàn)。肥料箱裝半箱肥料，在試驗(yàn)中間不再加肥，以消除對縱向施肥的不均勻度的影響。啟動螺旋攪龍排肥裝置，使機(jī)具整體處于靜止?fàn)顟B(tài)，控制器改變驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過數(shù)字轉(zhuǎn)速表監(jiān)測排肥軸轉(zhuǎn)速，分別在10、20、30、40 r/min轉(zhuǎn)速下，連續(xù) 2min于開溝器底部用塑料袋接排出肥料并稱重。樣機(jī)施肥量試驗(yàn)如圖6所示，各行排肥量一致性測定統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

3.1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)(見圖7)主要是測試樣機(jī)在田間作業(yè)時是否滿足設(shè)計(jì)要求，能否有效解決開溝器堵塞、施肥量及施肥位置偏差等。施肥量偏差試驗(yàn)方法：首先，測量出設(shè)定的作業(yè)面積；其次，測量試驗(yàn)前肥料質(zhì)量，試驗(yàn)后測量剩余肥料質(zhì)量，由此可得出樣機(jī)作業(yè)面積、預(yù)施肥量和實(shí)際施肥量；最后，按公式計(jì)算出施肥量偏差。

圖6 樣機(jī)施肥量試驗(yàn)Fig.6 Blocking test

表2 各行排肥量一致性測定統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of each row fertilizer quantity consistency determination

圖7 田間性能試驗(yàn)Fig.7 Blocking test

田間施肥試驗(yàn)時，試驗(yàn)區(qū)域地表平整，坡角不大于5°，控制試驗(yàn)樣機(jī)作業(yè)速度設(shè)定為3.6km/h，預(yù)置施肥量為300kg/hm2，試驗(yàn)樣機(jī)在規(guī)定的試驗(yàn)區(qū)域重復(fù)3次，并按公式計(jì)算出本試驗(yàn)區(qū)域?qū)嶋H施肥量。田間施肥統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 田間施肥統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of field application

施肥量偏差按下式進(jìn)行計(jì)算，即

式中γs—施肥量偏差(%)；

Wq—試驗(yàn)前肥料質(zhì)量(kg)；

Wh—試驗(yàn)后剩余肥料質(zhì)量(kg)；

S—作業(yè)面積(m2)；

F—預(yù)施肥量(kg/hm2)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)由各行排肥量一致性測定統(tǒng)計(jì)表可以看出：隨著排肥轉(zhuǎn)速的提高，該裝置的排肥量基本程線性增長，不同轉(zhuǎn)速下各行排肥量一致性變異系數(shù)基本穩(wěn)定在3%左右。在控制系統(tǒng)的精確控制下，合理匹配行進(jìn)速度與排肥器的轉(zhuǎn)速，便可滿足水稻種植施肥量的要求。

2)該項(xiàng)新技術(shù)及裝置田間施肥統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：該裝置施肥量基本保持穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度設(shè)定為3.6km/h時，施肥量偏差基本可以控制在6%以內(nèi)。

3)該螺旋側(cè)深施肥裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室及田間試驗(yàn)表明：該裝置滿足了水稻種植側(cè)深施肥作業(yè)要求，是水稻生產(chǎn)過程中施肥方式的一個重要轉(zhuǎn)變，對優(yōu)化水稻生產(chǎn)過程、保護(hù)環(huán)境及建立更好的水稻生產(chǎn)體系具有積極的影響。

4 結(jié)論

1)水田側(cè)深施肥技術(shù)是水稻種植過程中施肥方式的一種創(chuàng)新，降低了人工成本，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力減少的環(huán)境下，效果尤為顯著。

2)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)在插秧作業(yè)的同時完成了側(cè)深施肥。試驗(yàn)表明：水田側(cè)深施肥技術(shù)更有利于肥效的發(fā)揮，可達(dá)到節(jié)肥增效的目的，降低了水稻種植施肥環(huán)節(jié)的成本。

3)水田側(cè)深施肥技術(shù)不僅能增強(qiáng)土壤對氨態(tài)氮的吸附，提高肥料利用率，而且可減少氨揮發(fā)，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。