何義川，湯智輝，溫浩軍，鄭 炫，李建軍，楊懷君，劉進寶，趙 巖

(1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子 832000；2.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾 843300；3.農業(yè)部西北農業(yè)裝備重點實驗室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】施用肥料是提高農作物產量的重要手段，施肥作業(yè)已成為農業(yè)生產中不可或缺的環(huán)節(jié)，目前中國已成為世界上化肥施用量最多的國家之一，當前農民為了提高作物單產，施用化肥過程中存在盲目性與過度性，施肥方式還存在不科學、不合理性，導致肥料利用率低，造成肥料的浪費與土壤的污染[1-5]。目前在棉花作物生產過程中，機械化施肥主要以秋季撒施基肥、播種施種肥和苗期追肥為主[6]。秋季撒施基肥是將肥料撒施在地表，通過犁耕作業(yè)將肥料翻入土壤中，作業(yè)過程中，肥料容易落入犁底層，并且容易產生肥料堆積現象，導致土壤肥料分布不合理；播種施種肥主要是在播種作業(yè)過程中同時進行施肥作業(yè)，但是施用的種肥只能滿足作物生長初期，而且容易產生燒苗現象；苗期追肥是在幼苗時期進行中耕追肥，由于新疆當前棉花種植普遍采用地膜覆蓋技術，不利于中耕追肥作業(yè)。當前棉花機械化施肥還存施肥方式不科學、不合理等問題，施肥方式與肥料利用率急需改善[7]。結合棉花種植農藝特點，研究在棉花種行方向進行基肥的分層深施，對研制棉花基肥對行分層深施機有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】針對化肥科學合理的施用，我國學者在相關技術上展開了大量研究[8-13]，主要開展了肥料的減量和增效技術，通過對肥料的減量、精確使用，達到提高肥料利用率和作物產量的目的。【本研究切入點】針對當前棉花種植過程中施肥方式不科學，傳統(tǒng)撒施肥料用量大、利用率低，造成土壤污染等問題，結合棉花種植農藝特點，研究在棉花種行方向進行基肥的分層深施。【擬解決的關鍵問題】將肥料減施和增效與棉花機械化施肥相結合，提出了一種基于北斗導航技術的棉花基肥機械化對行分層深施方式[14]。

1 材料與方法

1.1 材 料

施肥機主要由限深行走輪、機架、肥箱、開溝分層施肥器和覆土裝置構成。

其中限深行走輪設置在前端，避免了施肥覆土后對地表的碾壓；開溝分層施肥器包括開溝鏟和分層施肥器，通過開溝鏟座與機架連接；開溝分層施肥器上方設置有肥箱總成，肥箱總成包括肥箱、外槽輪排肥盒和排肥軸，外槽輪排肥盒出口通過肥管與開溝分層施肥器肥料入口相連；在開溝分層施肥器正后方設置有覆土裝置。其中開溝施肥器和覆土裝置在作業(yè)幅寬方向設置有6組，作業(yè)行距可根據實際要求調節(jié)。圖1

1.限深行走輪2.機架3.肥箱架4.肥箱總成5.開溝鏟座6.開溝分層施肥器7.肥管8.后梁9.覆土梁10.覆土裝置

1.Road wheel2.Frame3.Fertilizer box frame4.Fertilizer box assembly5.Furrowing blade pedestal6.Furrowing and layering device7.Fertilizer pipe8.Back rest 9.Overlying soil beam10.Overlying soil device

圖1 整機結構

Fig.1 The structure of whole machine

1.2 方 法

1.2.1 工作原理

當前新疆棉花種植模式由寬行與窄行交錯種植，窄行行距為10 cm，寬行行距為66 cm，棉種播種深度在2～3 cm。為了適應當前棉花種植模式，采用秋季對行施基肥，春季對行播種的模式，根據棉花根系分布情況，采用在窄行處，兩行種子對應一行肥料的模式。首先秋季在窄行處進行對行分層施肥，第一層施肥深度在10～13 cm，第二層施肥深度在18～20 cm，通過冬季的雪水凍融，肥料充分融化在棉花窄行相對處的土壤中；在春季播種時，利用導航技術將棉種施播在秋季施肥的肥行正上方，達到肥行與種行的對行作業(yè)，減少了肥料的施用量，使棉花在不同生長期均有肥料利用。施肥作業(yè)前先進行耕地和整地作業(yè)，使土壤細碎平整，在對行技術方面，采用北斗導航拖拉機自動駕駛技術，其對行誤差范圍在2 cm以內，滿足對行作業(yè)要求。圖2

1.棉種 2.肥料

1.Cotton seed 2.Fertilizer

圖2 種植及施肥模式

Fig.2 Planting and fertilization model

機具理論作業(yè)速度為6 km/h，設置理論施肥量為20 kg/667m2，依據公式(24)，槽輪實際轉速根據機具實際作業(yè)速度時時自動調整，作業(yè)速度與槽輪轉速在作業(yè)過程中是一個動態(tài)值。淺層肥料所占比例設置為40%，試驗時隨機選擇測試區(qū)，其中施肥深度與分層效果隨機選擇10個測量點。實際每667m2施肥量根據肥箱肥料的變化情況稱重得出，其中圖8 c表示將淺層肥料覆蓋的土壤除去，列出肥料沿著作業(yè)方向在淺層土壤中的分布情況，圖8 d表示肥料在土壤中分層覆蓋的效果。表5

表1 主要技術指標

Table 1 Main technical parameters

機具作業(yè)時，通過拖拉機后三點懸掛裝置與機架相連，作業(yè)前調節(jié)限深行走輪與開溝分層施肥器的高度差，使其達到要求的施肥深度。作業(yè)時由拖拉機提供動力，排肥盒通過電機控制實時轉速，將肥箱肥料排至分層施肥器，肥料被分層施肥器分為上下兩層施入土壤中，覆土裝置將開溝后的擾動土壤進行平整。

1.2.2 主要技術參數

棉花基肥對行分層深施機外形尺寸5 m×1.9 m×1.5 m，整機質量800 kg，作業(yè)配套動力70 kw，作業(yè)幅寬4.56 m，作業(yè)行數6行，作業(yè)速度5～8 km/h, 淺層施肥深度8 ～13 cm，深層施肥深度15～20 cm。傳統(tǒng)施肥量在35 kg/667m2左右，對行分層施肥量減少至20 kg/667m2。

2 結果與分析

2.1 開溝分層施肥器

2.1.1 開溝分層施肥器結構設計

開溝分層施肥器是施肥作業(yè)的入土部件，包括開溝鏟部件和分層施肥器部件，兩者通過焊接方式連接，開溝鏟實現對土壤的開溝作業(yè)，分層施肥器實現肥料的分層入土作業(yè)。圖3

注：1.開溝鏟柄;2.前刃板;3.鏟尖;4.底層擋土板;5.深層排肥口;6.底板;7.橫向調節(jié)板;8.淺層排肥口;9.豎向調節(jié)板;10.導肥管 ;H為開溝鏟開溝深度，cm；h1為淺層排肥口深度，cm；h2為淺層排肥口與深層排肥口高度差，cm；L為淺層排肥口與深層排肥口水平方向距離，cm

Note: 1.Furrowing blade handle;2.Front blade plate;3.Shovel tip;4.Bottom retaining plate;5.Deep layer fertilizer ejection export;6.Baseplate;7.Lateral adjustment plate;8.Shallow layer fertilizer ejection export;9.Vertical adjustment plate;10.Fertilizer guide tube;His furrowing depth, cm;h1is depth of Shallow layer fertilizer ejection export, cm;h2is height difference between shallow layer and deep layer of fertilizer, cm;Lis horizontal distance between shallow fertilizer outlet and deep fertilizer outlet, cm

圖3 開溝分層施肥器結構

Fig.3 The structure of furrowing and layering device

開溝鏟部分包括開溝鏟柄、前刃板和鏟尖組成，其中開溝鏟采用輕型深松鏟柄的結構，鏟尖采用槽型深松鏟。分層施肥器部分包括導肥管、底板、橫向調節(jié)板、豎向調節(jié)板和底層擋土板組成，部件在分層施肥器上組成了淺層排肥口和深層排肥口，其中底板構成的肥料通道與水平方向呈一定夾角。根據棉花種植模式與施肥作業(yè)要求，工作時淺層排肥口深度h1為12 cm，淺層排肥口與深層排肥口高度差h2為7 cm，此時開溝鏟入土開溝深度H為25 cm。圖3

通過排肥管落入分層施肥器中的肥料顆粒沿著底板下滑，一部分肥料從淺層排肥口滑出，另一部分從深層排肥口滑出，通過調節(jié)橫向調節(jié)板與豎向調節(jié)板的長度，控制淺層排肥口處通道的尺寸大小，從而改變淺層排肥口排肥量的大小。為了減小碰撞作用，確保肥料均勻的落在底板上，并沿著底板下滑，將排肥管下口設置為扁狀。圖4

圖4 導肥管結構

Fig.4 The structure of fertilizer guide tube

2.1.2 肥料顆粒運動

肥料以一定的初速度沿著肥管下落至分層施肥器中，肥料顆粒在分層施肥器中除了受到顆粒間的碰撞外。在淺層排肥口設置的豎向調節(jié)板可調節(jié)豎向開口尺寸ha，在淺層排肥口設置的橫向調節(jié)板可調節(jié)橫向開口尺寸hb。圖5

肥料進入分層施肥器后沿著底板下滑，在淺層排肥口處會產生一次碰撞，肥料撞擊在橫向調節(jié)板上，碰撞后的肥料改變了運動方向，一部分肥料顆粒沿著淺層排肥口流出，另一部分肥料顆粒碰撞后在橫向調節(jié)板內側處做斜拋運動，最終滑落至深層排肥口。

根據肥料顆粒在底板受力情況可得：

(1)

式中m為肥料顆粒質量，kg；v1為肥料沿底板下滑速度，m/s；α1為底板傾角，()；k為肥料與底板摩擦系數，Fk為底板對肥料顆粒支撐力，N。

碰撞后改變了肥料的運動速度與方向，根據動量定理可得：

Fctc=mv′-mv1.

(2)

式中v′為肥料顆粒碰撞后的速度，m/s；Fc為肥料顆粒所受合外力，N；tc為碰撞產生的時間，s。

注：Fk為底板對肥料顆粒的支撐力，N；m為肥料顆粒的質量，kg；k為肥料顆粒與底板的摩擦系數；v為機具作業(yè)速度，m/s；v1為肥料沿底板下滑速度，m/s；v2為淺層排肥口肥料顆粒的流出速度，m/s；v3為深層排肥口肥料顆粒的流出速度，m/s；ha為豎向開口尺寸，mm；hb為橫向開口尺寸，mm；1為底板傾角，()；2為淺層排肥口滑道傾角，()

Note:Fkis the support of the floor to the fertilizer particles, N;mis the quality of fertilizer particles, kg;kis friction coefficient of fertilizer particles and bottom plate;vis working speed of machine tools, m/s;v1is speed of fertilizer slide down the floor, m/s;v2is the flow speed of fertilizer particles in the shallow layer of fertilizer, m/s;v2is the flow speed of fertilizer particles in the deep layer of fertilizer, m/s;hais vertical opening size, mm;hbis transverse opening size, mm;1is bottom dip angle, ();2is slideway dip angle of shallow layer fertilizer outlet, ()

圖5 肥料顆粒受力情況

Fig.5 The force condition of fertilizer particles

碰撞后一部分肥料沿著淺層排肥口滑落至土壤中，另一部分沿著底板繼續(xù)下滑至深層排肥口處。

(3)

(4)

式中v2為淺層排肥口肥料顆粒的流出速度，m/s；v3為深層排肥口肥料顆粒的流出速度，m/s；Fk1為淺層排肥口滑道對肥料顆粒的支撐力，N；α2為淺層排肥口滑道傾角，()。

當機具以速度v前進作業(yè)時，肥料相對于地表會存在一個絕對速度，通過分析可知，深層肥料的絕對速度方向是偏向于前進方向的，而淺層肥料的速度取決于淺層排肥口肥料顆粒的流出速度v2的大小。在實際作業(yè)時，淺層排肥口的肥料速度偏向機具作業(yè)的相反方向更有利于肥料流出，同時土壤可利用淺層排肥口與深層排肥口高度差h2與水平方向距離L進行肥料的分層覆蓋。

根據運動情況初步設計參數，底板傾角α1為50，淺層排肥口滑道傾角α2為35，豎向開口尺寸ha范圍為0～20 mm，橫向開口尺寸hb范圍為0～20 mm，淺層排肥口與深層排肥口水平方向距離L為220 mm。

2.2 排肥裝置設計

排肥裝置采用外槽輪排肥器，主要由排肥槽輪、阻塞套和排肥舌組成[15-16]，排肥量的大小主要由槽輪有效工作長度、槽輪轉速和排肥舌角度決定，其中槽輪有效工作長度范圍為0～45 mm，槽輪外徑D為50 mm，排肥軸直徑為15 mm的方軸，阻塞套外徑為35 mm。圖6

1.底座;2.槽輪;3.阻塞套;4.排肥舌;5.排肥口D為槽輪外徑，mm；Lc為槽輪有效工作長度，mm

1.Base;2.Sheave;3.Blocking sleeve;4.Fertilizer tongue plate;5.Fertilizer exportDis outer diameter of sheave, mm;Lcis effective working length of sheave, mm

圖6 排肥裝置結構

Fig.6 The structure diagram of fertilizer arrangement

2.3 排肥過程臺架試驗

2.3.1 試驗條件

通過搭建簡易試驗臺架，選用新疆錦江化工廠生產的小顆粒尿素作為試驗用肥料，在室內進行試驗測試。排肥過程采用電機驅動，驅動電機轉速設置在35～60 r/min，將排肥口排出的肥料進行收集稱重，并且計算排肥過程的標準差和變異系數，通過計算樣本數據的變異系數來判斷試驗數據的穩(wěn)定性。

(5)

(6)

(7)

式中Cv為變異系數；為標準差；N為樣本數量；X為樣本絕對平均值。

2.3.2 槽輪排肥量試驗

該機構排肥量主要采用控制電機轉速的方式實現，因此,主要測試轉速與排肥量的關系，試驗分別設置為35、40、45、50、55、60 r/min，在每個轉速下重復試驗5組，每組試驗測試時間為1 min，得到每分鐘槽輪的排肥量Q，g/min。表3

表3 槽輪排肥量試驗

Table 3 Test on the amount of manure of sheave

槽輪轉速Rotary speed of sheave (r/min)槽輪有效工作長度Effective working length of sheave (mm)51015202530354394967978769701 206404565738199101 0801 264454556068569971 2271 284504706919311 0891 3041 392554717149761 1381 3691 454604887381 0141 1731 4171 501

通過分析排肥量的穩(wěn)定性，當槽輪工作長度為20 mm時，排肥量變異系數最小且趨于穩(wěn)定。圖7

在控制策略選擇時，選定槽輪工作長度為20 mm，得出此時排肥量與轉速之間的近似線性關系：

Q=14.48n+343.

(8)

式中Q為槽輪排肥量，g/min；n為槽輪工作轉速，r/min。

a.變異系數變化；b.排肥量變化

a.Variation of coefficient of variation b.Change of the amount of fertilizer

圖7 不同轉速下的槽輪排肥量

Fig.7 Manure capacity of sheave pulley at different rotational speeds

表4 淺層排肥口肥料所占比例臺架試驗

Table 4 Scale bench test for the proportion of fertilizer in the shallow layer of fertilizer

橫向開口尺寸hbTransverse opening size(mm)豎向開口尺寸haVertical opening size(mm)510152008.6313.9113.3217.56516.4619.2120.8428.631033.4034.8936.8139.161536.6238.7140.5641.992038.0540.9842.6945.22

2.3.3 分層施肥器分層比例試驗

為了試驗測試分層施肥器的分層效果，豎向開口尺寸ha和橫向開口尺寸hb分別調節(jié)設置為5、10、15、20 mm，在每個有效開口尺寸下重復試驗5組，每組試驗測試時間為1 min，分別收集淺層排肥口排出的肥料和深層排肥口排出的肥料并稱重，計算得到淺層排肥口排肥量所占百分比。

淺層肥料所占比例調節(jié)范圍為8.63%～45.22%，根據當前棉花種植農藝要求，將淺層肥料所占比例設置為40%，試驗參數最接近的狀態(tài)為ha=15 mm，hb=15 mm。此時分層比例的變異系數為6.3%，分層效果比較穩(wěn)定。表4

2.4 田間試驗

2018年9月6日在石河子145團新疆科神股份試驗田進行試驗，配套動力為安裝有北斗導航拖拉機自動駕駛系統(tǒng)的雷沃754輪式拖拉機，田間試驗主要測試施肥性能的穩(wěn)定性。圖8

圖8 田間試驗效果

Fig.8 Field experiment effect

3 討 論

3.1 新疆棉花種植一般采用“66 cm+10 cm”寬窄行的機采棉種植模式[22]，在這種模式下，傳統(tǒng)大田撒肥在寬行中施的肥料大部分都沒有被棉花根系吸收，不僅浪費了大量肥料，而且也對土壤造成了污染。因此，針對這一現狀，將肥料分層深施在棉苗播種窄行的正下方，不僅節(jié)約了肥料，而且也提高了肥料的利用率，同時也減少了肥料對土壤的污染。

3.2 新疆棉花鋪膜播種深度2～3 cm[23]，棉花基肥對行分層深施機分層施肥既要保證上層肥料在棉種發(fā)芽生根的時候及時為其提供養(yǎng)料，同時也要保證棉苗在后期的生長過程中為其根系提供養(yǎng)料，促進棉苗根系的向下生長。因此,將棉花基肥深施器設計為上下兩層施肥結構，進而保證肥料分層深施入土壤中，確保棉花在生長的全過程其根系都可以有效的吸收養(yǎng)分。

3.3 由于分層施肥是直接將肥料深施在窄行的正下方，因此，在棉花播種的時候一定要使用帶衛(wèi)星導航自動駕駛的拖拉機進行后續(xù)的播種作業(yè)[24]，只有這樣才能確保種肥同行，達到節(jié)約肥料、提高肥料利用率的目的。

實際施肥量平均值為21.4 kg/667 m2，變異系數為4.0%，施肥量比較穩(wěn)定。在施肥深度方面，深層肥料的深度比較穩(wěn)定，平均深度為19.8 cm，而淺層肥料深度穩(wěn)定性偏低，其中有一組未出現分層，主要影響因素為土質情況與機具作業(yè)速度，當土壤含水率較高時，土壤流動性也會變差，當機具前進速度比土壤回流速度快時，便會產生深層肥料還未被土壤覆蓋時，淺層肥料已落入深層土壤中，造成肥料未出現分層效果。因此,后續(xù)研究還需要針對不同性質土壤，匹配淺層排肥口與深層排肥口的尺寸距離，確保土壤對肥料的分層覆蓋。

在覆土性能方面，根據實際試驗效果，當αs=75，αs1=23時具有較好的覆蓋性能，刮土板可以有效將擾動堆積的土壤推平填埋至溝渠中，未出現肥料裸露于地表的現象，肥料覆蓋率達100%。表5

表5 田間試驗數據

Table 5 Field test data

編號Number淺層肥料深度Shallow fertilizer depth /cm深層肥料深度Deep fertilizer depth /cm實際施肥量Actual amount of fertilizer kg/667 m21122019.822132020.363131921.094122020.595191921.326122119.547122021.038102020.659111920.3810111919.01平均值Average value12.519.821.4標準差Standard deviation2.330.60.85變異系數Coefficient of variation18.7%3.0%4.0%

4 結 論

4.1 針對棉花基肥對行分層深施的需求，設計了棉花基肥對行分層深施機，分別對開溝分層施肥器的結構、肥料顆粒分層過程等進行了分析。

4.2 對施肥裝置進行了臺架試驗，當槽輪工作長度為20 mm時，排肥量變異系數最小且趨于穩(wěn)定，得到槽輪排肥量與轉速的關系：Q=14.48n+343，測試得到分層施肥器在不同豎向開口尺寸和橫向開口尺寸下的淺層肥料所占比例，淺層肥料所占比例調節(jié)范圍為8.63%～45.22%。

4.3 ，平均667 m2施肥量為21.4 kg，變異系數為4.0%，施肥量比較穩(wěn)定。肥料分層效果方面，深層肥料平均深度為19.8 cm，比較穩(wěn)定，而淺層肥料深度穩(wěn)定性相對偏低，主要影響因素是土質情況和機具作業(yè)速度。因此,后續(xù)研究還需要針對不同性質土壤，匹配淺層排肥口與深層排肥口的尺寸距離，確保土壤對肥料的分層覆蓋，提高肥料分層深施的穩(wěn)定性。