花生起壟分層施肥覆膜播種機研制

張春艷，薦世春，康建明，向陽，華偉

（1.250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院；2.255000 山東省 淄博市 山東理工大學(xué)；3.266600 山東省 青島市 青島萬農(nóng)達花生機械有限公司）

0 引言

花生是我國重要的油料作物，全國播種面積約460 萬hm2，總產(chǎn)約1700 萬t，是國民經(jīng)濟發(fā)展和維護國家糧油安全的重要保障[1]。經(jīng)研究，花生在不同生長時期對營養(yǎng)元素的需求和吸收規(guī)律不同，在特定時間段進行針對性的供肥，既能滿足植株的需要，又能充分發(fā)揮生物固氮的能力，達到增產(chǎn)節(jié)肥的目的。根據(jù)花生需肥規(guī)律，實現(xiàn)一次施肥全程可控是花生增產(chǎn)節(jié)肥的重大突破。

分層施肥技術(shù)依據(jù)花生苗期、中后期植株對營養(yǎng)需要差異的特點，在花生播種環(huán)節(jié)將含有不同營養(yǎng)成分的肥料一次性施入土壤中，將原來的2-3 次施肥減少至1 次施肥，達到減肥、增效的目的，有效緩解土壤酸化和鹽堿化脅迫，同時提高了化肥的利用效率[2]。分層施肥機具的研究發(fā)展迅速，頓國強[3]設(shè)計了調(diào)比控位施肥裝置，主要裝置由肥料均布器和控位分層施肥開溝器組成，深層肥料比例在50 %～70 %內(nèi)可調(diào)，深、淺肥施肥位置在4～8 cm 內(nèi)可調(diào)；王云霞[4]等設(shè)計了一種施肥量可調(diào)式分層施肥器，利用離散元法對肥料顆粒的運動規(guī)律以及影響施肥配比的主要因素進行仿真研究，可實現(xiàn)施肥深度在5，10，15 cm 之間的調(diào)節(jié)，并且可改變分層施肥器施肥配比；王志偉[5]等研發(fā)了小麥深松分層施肥播種機，結(jié)合深松分層施肥精播技術(shù)設(shè)計了具有深松和分層深施肥功能的分層施肥深松鏟，能夠在播種時一次施足控釋肥等。

目前對分層施肥的研究多在理想環(huán)境下，且主要針對小麥和玉米，面對花生播種需要進行起壟整地和精量播種復(fù)雜工況[6-7]，容易造成施肥深度不勻、播種質(zhì)量不高等問題。本文結(jié)合花生的播種條件，針對花生全生命周期施肥問題，設(shè)計出一種可實現(xiàn)起壟、分成施肥、覆膜花生播種機，可根據(jù)不同生育期需肥規(guī)律，將不同肥料一次性施入不同深度土層，形成立體條帶式肥料分布，并結(jié)合單粒精播、覆膜覆土等裝置完成多道工序，從而減少機具進地次數(shù)，提高化肥施用后的利用率，解決后續(xù)土壤壓實嚴重、勞動強度大等問題，保證了苗全、苗齊、苗壯，實現(xiàn)夏花生高質(zhì)量播種。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作機理

1.1 技術(shù)要點與設(shè)計方案

花生作為一種養(yǎng)分需求量很大的農(nóng)作物，目前在我國花生機械化種植中，施肥過程采用復(fù)混肥一次性籠統(tǒng)施加，這種施肥方式可能導(dǎo)致某種元素肥料偏施，土壤中養(yǎng)分不平衡，不僅不利于花生幼苗的養(yǎng)分吸收，而且會浪費肥料資源。

由于花生幼苗在不同生長階段對不同營養(yǎng)元素的需求量也有所不同，采用分層施肥種植模式，可讓花生幼苗在生長過程中，根據(jù)不同層次根系吸收不同養(yǎng)分。在花生幼苗期需復(fù)合肥，達到全苗、齊苗和壯苗，在花生開花下針期和結(jié)莢前期，花生需要大量的鈣鎂磷肥，到了結(jié)莢中后期和飽果期主要需要鈣肥，達到果實飽滿目標。根據(jù)花生生產(chǎn)全過程所需營養(yǎng)成分選用啟爆氮與中補鈣復(fù)合肥、后援氮復(fù)合肥，兩種肥料與種子的位置關(guān)系如圖1 所示，具體參數(shù)如表1 所示。

圖1 兩壟四行花生分層施肥位置圖Fig.1 Layered fertilization location of peanut in two ridges and four rows

圖1 中：L1——壟面寬度；L2——花生種子間橫向間距；L3——壟距；L4——壟底寬度；H1——壟高；H2——花生種子播種深度；H3——啟爆氮與中補鈣復(fù)合肥施肥深度；H4——后援氮復(fù)合肥施肥深度。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

花生起壟分層施肥覆膜播種機整機結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括起壟裝置、施肥裝置、播種裝置和覆膜覆土裝置，播種機采用三點懸掛與拖拉機相連，并且在懸掛機架與機架固定各裝置的基礎(chǔ)上增加加強桿，保證工作時機身穩(wěn)定。覆膜覆土裝置插接于機架后部與施肥播種裝置完成組裝，不工作時可任意拆卸，方便運輸。

圖2 花生起壟分層施肥覆膜播種機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of peanut ridging,layer fertilization and film mulching seeding machine

1.3 工作機理

花生起壟分層施肥覆膜播種機工作時，通過傳動裝置將動力輸送至地輪，播種機前進過程中，起壟鏟先對田間土壤進行深松，由起壟輥將土壤起壟壓實，種下施肥鏟、行間施肥鏟和雙圓盤開溝器開溝，經(jīng)地輪帶動施肥器軸和排種器軸轉(zhuǎn)動，不同的肥料經(jīng)過種下施肥裝置和行間施肥裝置由深到淺依次排出，花生種子由單粒精量播種器排出，地膜由展膜輥展開，在壓膜輪的作用下地膜固定于壟上，膜邊覆土圓盤將土壤刮起推送至覆土滾筒內(nèi)，隨著覆土滾筒的滾動，土壤經(jīng)螺旋狀導(dǎo)土板輸送至漏土帶，并撒落在膜邊處，為花生種子生長提供良好的種床條件。整機主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 整機主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 起壟裝置

起壟裝置由起壟鏟、起壟輥、機架和懸掛機架組成，如圖3 所示，并且在起壟鏟與起壟輥中間部位留有一定間距安裝種下施肥裝置，在播種機前進過程中進一步將土壤破碎，便于起壟輥起壟和壓實。通過松緊螺栓可調(diào)節(jié)起壟圓片的距離，進而調(diào)節(jié)起壟寬度。

圖3 起壟裝置Fig.3 Ridging device

2.2 分層施肥裝置

分層施肥裝置采用單體式分層施肥裝置使每個單體單獨作業(yè)，通過調(diào)節(jié)安裝位置使深施肥組件和淺施肥組件的入土深度實現(xiàn)分層作業(yè)。單壟施肥組件分布如圖4 所示。

圖4 分層施肥裝置布局圖Fig.4 Layout diagram of layered fertilization device

該機包含4 套后援氮復(fù)合肥施肥裝置和2 套啟爆氮與中補鈣復(fù)合肥施肥裝置。為了減少花生種子與肥料、肥料與肥料之間的橫向分布誤差，本設(shè)計選用滑刀式開溝器，并且滑刀式開溝器工作時為擠壓式開溝，具有開溝寬度窄和土層保留完整等特點。

現(xiàn)對滑刀式開溝器刃口進行受力分析。如圖5 可知，滑刀與土壤之間存在多種相互作用力，由于滑刀刃口相對開溝器作用面面積較小，故可一并視為兩側(cè)面處理。假設(shè)工作過程中開溝器深度穩(wěn)定，兩楔形面受到的正應(yīng)力為σ、剪切力為τ，并且開溝器切削阻力F2相對較小忽略不計，則可建立方程：

圖5 滑刀式刃口受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of sliding blade

式中：Q1——機身牽引力；Q2——開溝器所受正壓力；F1——土壤與滑刀之間相互作用力；Fx，F(xiàn)y——F1的水平和豎直方向分力；μ——開溝器兩側(cè)面摩擦系數(shù)；A——滑刀側(cè)面積；F0——土壤對滑刀側(cè)面作用力。

結(jié)合土壤抗剪強度，其中正應(yīng)力為σ、剪切力為τ，需滿足條件：

式中：C——土壤粘結(jié)力；φ——內(nèi)摩擦角。

將τ帶入式（1）可得：

由上述結(jié)果可以看出，土壤性質(zhì)一定時，滑刀工作過程中受力與滑刀滑切角、滑刀表面材料光滑屬性相關(guān)，因此滑刀式開溝器的刀片具有圓弧形結(jié)構(gòu)[9]，能夠減小開溝阻力，且斜板具有折彎段，能夠減小開溝器底部在工作過程中所受的阻力。據(jù)此，設(shè)計了單體式分層施肥裝置，如圖6 所示。

圖6 單體式分層施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of monomer layered fertilization device

單體式分層施肥裝置包括覆土器、施肥管和滑刀式開溝器。施肥管固定于開溝器內(nèi)部，出口下部有隔板，施肥管工作時不直接接觸土壤，不會引起堵塞。覆土器通過開溝側(cè)板的通孔安裝于開溝器遠離刀片一側(cè)，通過安裝于不同通孔位置以調(diào)節(jié)覆土深度。覆土器包括兩個對稱安裝的覆土側(cè)板，覆土側(cè)板之間固定有刮平板，兩個覆土側(cè)板之間通過連接板相連，且二者之間形成圓弧形區(qū)域，刮平板位于圓弧形區(qū)域內(nèi)，且刮平板端部與覆土側(cè)板端部具有設(shè)定距離，刮平板可在覆土過程中將土壤刮平，使覆土均勻。施肥管另一端穿過連接方管且與之固定連接，連接方管套設(shè)于固定方管內(nèi)部且二者可拆卸連接。固定方管一側(cè)固定有安裝板，安裝板通過U 型螺栓與橫梁相連。連接方管通過若干螺栓及防松螺母與固定方管固定。開溝深度可通過連接方管與固定方管、施肥器和連接方管之間的相對位置進行調(diào)節(jié)。開溝器的底部封板為平面，能夠平均開溝器下落過程所受阻力，同時保護施肥管，而施肥管位于開溝器內(nèi)部，施肥管底部為開溝器平面，不直接接觸土壤，不會引起堵塞。

2.3 播種裝置

播種裝置采用單粒播種，主要由機架、圓盤開溝器、排種器、種箱、鎮(zhèn)壓機構(gòu)組成。圓盤開溝器開出種溝，由排種器排出的種子落入種溝內(nèi)。排種器采用內(nèi)充式垂直圓盤排種器，主要由排種輪、護種板、傳動軸等結(jié)構(gòu)組成，排種盤在排種器內(nèi)腔，并在地輪的帶動下轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)一圈完成一個排種周期，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 內(nèi)充種式排種器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Schematic diagram of inner-filled seed plater

排種器的排種過程分為充種、清種、護種和投種4 個階段，如圖8 所示。種子從進種口進入排種器內(nèi)腔，隨著排種輪的轉(zhuǎn)動，排種器內(nèi)腔中種子在離心力和重力作用下，先進入排種盤上的復(fù)式型孔的外孔中，并逐漸進入到復(fù)式型孔的內(nèi)孔中，復(fù)式型孔內(nèi)孔中的種子在護種板的保護下進入投種區(qū)，在重力和離心力的作用下完成投種。

圖8 內(nèi)充種式排種器排種過程Fig.8 Seeding process of inner-filled seed plater

2.4 覆膜覆土裝置

覆膜機構(gòu)主要包括開溝圓盤、展膜機構(gòu)、膜邊覆土機構(gòu)等，如圖9 所示。將地膜卷安裝在地膜支架上，地膜通過展膜機構(gòu)等部件拉向后方。工作時，隨著機組的行走，開溝圓片在待鋪膜畦面上開出兩道壓膜溝，地膜被從膜卷上拉出，由在地面滾動的展膜輥平鋪在整形后的畦面上，然后由壓膜輪將膜邊壓入開溝圓盤開出的膜溝內(nèi)，靠壓膜輪的圓弧面在膜溝內(nèi)滾動，對地膜產(chǎn)生一個橫向拉伸力，使地膜緊緊貼于地表，緊接著由覆土圓片取土壓牢膜邊。

圖9 覆膜覆土機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.9 Structure diagram of film-covered soil-covered mechanism

工作前調(diào)整開溝圓盤與前進方向的夾角，使其在15°～20°之間，保證入土深度在60～70 mm之間。按播種要求的行距確定壟面寬度，對兩個開溝圓盤刃口間距離進行調(diào)整，保證所開的溝與壓膜輪相對應(yīng)。調(diào)整壓膜輪使壓膜輪與相應(yīng)開溝圓盤走在同一直線的溝墻內(nèi)，并使壓膜輪弧面與開溝圓盤開出的溝壁正好貼緊，這樣在壓膜的同時對地膜能產(chǎn)生一個橫向的拉伸力，使地膜能緊貼于地面。

覆土裝置的主要工作部件有覆土滾筒和覆土圓片，如圖9 所示。覆土滾筒兩側(cè)設(shè)計成壓膜圈，同時兼顧覆土、開溝、壓膜的作用，省去壓膜輪等一些機構(gòu)，減小了機具縱向長度，使機具重心前移，結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時降低了拖拉機懸掛提升難度，增加機具靈活性，便于轉(zhuǎn)向和運輸。覆土圓片設(shè)計成球面狀，當(dāng)土壤條件發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)覆土圓片的前傾角和外傾角獲得較好的挖土及軸向推土效果。

為土壤能準確地覆蓋在種行上，控制覆蓋在種行上的土量，并保證膜面所需的采光面積，對覆土滾筒的左右位置和漏土帶的間隙進行調(diào)整，使覆土滾筒上漏土帶能和種行在同一直線上，根據(jù)不同的土壤，靠近覆土圓片的漏土帶間隙為15～20 mm，另一個漏土帶的間隙為25～30 mm，當(dāng)土質(zhì)為粘重土壤時，間隙還可適當(dāng)調(diào)整增大。

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗條件

為檢驗花生起壟分層施肥覆膜播種機的作業(yè)效果，在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟陽試驗基地進行了田間試驗，如圖10 所示。播種時間為2019年5 月，地區(qū)土壤輕砂壤土，結(jié)實層疏松，耕作層生物活性強，3 年內(nèi)未種過花生的生茬地，土壤容重1.2～1.3 g/cm3，總孔隙度50 %左右，有機質(zhì)8.5 g/kg 以上，并要求地勢平坦、排澇方便，灌溉設(shè)施齊全。單粒精播對種子質(zhì)量要求很高，否則容易出現(xiàn)缺苗斷壟現(xiàn)象，選用花育33，使用啟爆氮與中補鈣復(fù)合肥、后援氮復(fù)合肥兩種肥料，使用量為1 125 kg/hm2。

圖10 播種機田間試驗Fig.10 Field trial of seeder

3.2 試驗?zāi)康呐c方法

此次試驗主要針對播種機播種性能、施肥性能和覆膜覆土性能考核，其中播種機分層施肥作業(yè)性能需對不同肥料進行分層測定，各測試參照國家標準GB/T 20865-2007《免耕施肥播種機》和國家機械行業(yè)標準JB/T7732-2006《鋪膜播種機》規(guī)定完成。采用小區(qū)抽樣檢測法，選取多個面積為10 m2的小區(qū)，在機具作業(yè)后記錄并整理試驗數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結(jié)果

經(jīng)過田間試驗測定播種機具體試驗數(shù)據(jù)，在分層施肥環(huán)節(jié)中得出啟爆氮復(fù)合肥與中補鈣復(fù)合肥平均施肥深度為99.6 mm、后援氮復(fù)合肥平均施肥深度為180.1 mm，計算出分層施肥性能參數(shù)，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 分層施肥性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of layered fertilization

作業(yè)過程中，播種機其它環(huán)節(jié)順利完成，其中整地表現(xiàn)良好，種子播種中排種器極少存在傷種和漏種現(xiàn)象，覆膜時膜卷放膜順暢無卡滯，且左右串動不明顯，覆土過程中膜邊覆土裝置轉(zhuǎn)動靈活，工作中各部位均安全可靠。田間試驗結(jié)果如表4 所示，試驗數(shù)據(jù)均滿足花生種植農(nóng)藝要求。

表4 覆膜播種性能參數(shù)Tab.4 Seeding performance parameters of film mulching

4 結(jié)論

結(jié)合研究方案提出了分層施肥結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)兩種肥料在不同深度、不同位置施用，為花生全生命周期提供養(yǎng)分，并減少全生命周期施肥次數(shù)，將原來的2-3 次施肥減少至1 次施肥，達到減肥、增效的目的，有效緩解土壤酸化和鹽堿化脅迫，同時提高了化肥的利用效率。

設(shè)計的花生起壟分層施肥覆膜播種機在試驗過程中各性能表現(xiàn)良好，各項指標均達到國家規(guī)定標準，為花生播種在起壟、施肥、播種、覆膜和覆土作業(yè)上提供了技術(shù)支持，基本實現(xiàn)對花生大面積機械化播種。

花生起壟分層施肥覆膜播種機中單體式分層施肥裝置組合作業(yè)，將啟爆氮與中補鈣復(fù)合肥、后援氮復(fù)合肥兩種施肥裝置有序排布，通過連接方管與固定方管、施肥器和連接方管之間的相對位置調(diào)節(jié)開溝器深度，使不同肥料在土壤中合理分布，滿足了花生生長周期所需要的各類營養(yǎng)元素。