棉花基肥对行分层深施机的设计与试验

何义川，汤智辉，温浩军，郑 炫，李建军，杨怀君，刘进宝，赵 岩

(1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子 832000；2.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；3.农业部西北农业装备重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】施用肥料是提高农作物产量的重要手段，施肥作业已成为农业生产中不可或缺的环节，目前中国已成为世界上化肥施用量最多的国家之一，当前农民为了提高作物单产，施用化肥过程中存在盲目性与过度性，施肥方式还存在不科学、不合理性，导致肥料利用率低，造成肥料的浪费与土壤的污染[1-5]。目前在棉花作物生产过程中，机械化施肥主要以秋季撒施基肥、播种施种肥和苗期追肥为主[6]。秋季撒施基肥是将肥料撒施在地表，通过犁耕作业将肥料翻入土壤中，作业过程中，肥料容易落入犁底层，并且容易产生肥料堆积现象，导致土壤肥料分布不合理；播种施种肥主要是在播种作业过程中同时进行施肥作业，但是施用的种肥只能满足作物生长初期，而且容易产生烧苗现象；苗期追肥是在幼苗时期进行中耕追肥，由于新疆当前棉花种植普遍采用地膜覆盖技术，不利于中耕追肥作业。当前棉花机械化施肥还存施肥方式不科学、不合理等问题，施肥方式与肥料利用率急需改善[7]。结合棉花种植农艺特点，研究在棉花种行方向进行基肥的分层深施，对研制棉花基肥对行分层深施机有实际意义。【前人研究进展】针对化肥科学合理的施用，我国学者在相关技术上展开了大量研究[8-13]，主要开展了肥料的减量和增效技术，通过对肥料的减量、精确使用，达到提高肥料利用率和作物产量的目的。【本研究切入点】针对当前棉花种植过程中施肥方式不科学，传统撒施肥料用量大、利用率低，造成土壤污染等问题，结合棉花种植农艺特点，研究在棉花种行方向进行基肥的分层深施。【拟解决的关键问题】将肥料减施和增效与棉花机械化施肥相结合，提出了一种基于北斗导航技术的棉花基肥机械化对行分层深施方式[14]。

1 材料与方法

1.1 材 料

施肥机主要由限深行走轮、机架、肥箱、开沟分层施肥器和覆土装置构成。

其中限深行走轮设置在前端，避免了施肥覆土后对地表的碾压；开沟分层施肥器包括开沟铲和分层施肥器，通过开沟铲座与机架连接；开沟分层施肥器上方设置有肥箱总成，肥箱总成包括肥箱、外槽轮排肥盒和排肥轴，外槽轮排肥盒出口通过肥管与开沟分层施肥器肥料入口相连；在开沟分层施肥器正后方设置有覆土装置。其中开沟施肥器和覆土装置在作业幅宽方向设置有6组，作业行距可根据实际要求调节。图1

1.限深行走轮2.机架3.肥箱架4.肥箱总成5.开沟铲座6.开沟分层施肥器7.肥管8.后梁9.覆土梁10.覆土装置

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

图1 整机结构

Fig.1 The structure of whole machine

1.2 方 法

1.2.1 工作原理

当前新疆棉花种植模式由宽行与窄行交错种植，窄行行距为10 cm，宽行行距为66 cm，棉种播种深度在2～3 cm。为了适应当前棉花种植模式，采用秋季对行施基肥，春季对行播种的模式，根据棉花根系分布情况，采用在窄行处，两行种子对应一行肥料的模式。首先秋季在窄行处进行对行分层施肥，第一层施肥深度在10～13 cm，第二层施肥深度在18～20 cm，通过冬季的雪水冻融，肥料充分融化在棉花窄行相对处的土壤中；在春季播种时，利用导航技术将棉种施播在秋季施肥的肥行正上方，达到肥行与种行的对行作业，减少了肥料的施用量，使棉花在不同生长期均有肥料利用。施肥作业前先进行耕地和整地作业，使土壤细碎平整，在对行技术方面，采用北斗导航拖拉机自动驾驶技术，其对行误差范围在2 cm以内，满足对行作业要求。图2

1.棉种 2.肥料

1.Cotton seed 2.Fertilizer

图2 种植及施肥模式

Fig.2 Planting and fertilization model

机具理论作业速度为6 km/h，设置理论施肥量为20 kg/667m2，依据公式(24)，槽轮实际转速根据机具实际作业速度时时自动调整，作业速度与槽轮转速在作业过程中是一个动态值。浅层肥料所占比例设置为40%，试验时随机选择测试区，其中施肥深度与分层效果随机选择10个测量点。实际每667m2施肥量根据肥箱肥料的变化情况称重得出，其中图8 c表示将浅层肥料覆盖的土壤除去，列出肥料沿着作业方向在浅层土壤中的分布情况，图8 d表示肥料在土壤中分层覆盖的效果。表5

表1 主要技术指标

Table 1 Main technical parameters

机具作业时，通过拖拉机后三点悬挂装置与机架相连，作业前调节限深行走轮与开沟分层施肥器的高度差，使其达到要求的施肥深度。作业时由拖拉机提供动力，排肥盒通过电机控制实时转速，将肥箱肥料排至分层施肥器，肥料被分层施肥器分为上下两层施入土壤中，覆土装置将开沟后的扰动土壤进行平整。

1.2.2 主要技术参数

棉花基肥对行分层深施机外形尺寸5 m×1.9 m×1.5 m，整机质量800 kg，作业配套动力70 kw，作业幅宽4.56 m，作业行数6行，作业速度5～8 km/h, 浅层施肥深度8 ～13 cm，深层施肥深度15～20 cm。传统施肥量在35 kg/667m2左右，对行分层施肥量减少至20 kg/667m2。

2 结果与分析

2.1 开沟分层施肥器

2.1.1 开沟分层施肥器结构设计

开沟分层施肥器是施肥作业的入土部件，包括开沟铲部件和分层施肥器部件，两者通过焊接方式连接，开沟铲实现对土壤的开沟作业，分层施肥器实现肥料的分层入土作业。图3

注：1.开沟铲柄;2.前刃板;3.铲尖;4.底层挡土板;5.深层排肥口;6.底板;7.横向调节板;8.浅层排肥口;9.竖向调节板;10.导肥管 ;H为开沟铲开沟深度，cm；h1为浅层排肥口深度，cm；h2为浅层排肥口与深层排肥口高度差，cm；L为浅层排肥口与深层排肥口水平方向距离，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

图3 开沟分层施肥器结构

Fig.3 The structure of furrowing and layering device

开沟铲部分包括开沟铲柄、前刃板和铲尖组成，其中开沟铲采用轻型深松铲柄的结构，铲尖采用槽型深松铲。分层施肥器部分包括导肥管、底板、横向调节板、竖向调节板和底层挡土板组成，部件在分层施肥器上组成了浅层排肥口和深层排肥口，其中底板构成的肥料通道与水平方向呈一定夹角。根据棉花种植模式与施肥作业要求，工作时浅层排肥口深度h1为12 cm，浅层排肥口与深层排肥口高度差h2为7 cm，此时开沟铲入土开沟深度H为25 cm。图3

通过排肥管落入分层施肥器中的肥料颗粒沿着底板下滑，一部分肥料从浅层排肥口滑出，另一部分从深层排肥口滑出，通过调节横向调节板与竖向调节板的长度，控制浅层排肥口处通道的尺寸大小，从而改变浅层排肥口排肥量的大小。为了减小碰撞作用，确保肥料均匀的落在底板上，并沿着底板下滑，将排肥管下口设置为扁状。图4

图4 导肥管结构

Fig.4 The structure of fertilizer guide tube

2.1.2 肥料颗粒运动

肥料以一定的初速度沿着肥管下落至分层施肥器中，肥料颗粒在分层施肥器中除了受到颗粒间的碰撞外。在浅层排肥口设置的竖向调节板可调节竖向开口尺寸ha，在浅层排肥口设置的横向调节板可调节横向开口尺寸hb。图5

肥料进入分层施肥器后沿着底板下滑，在浅层排肥口处会产生一次碰撞，肥料撞击在横向调节板上，碰撞后的肥料改变了运动方向，一部分肥料颗粒沿着浅层排肥口流出，另一部分肥料颗粒碰撞后在横向调节板内侧处做斜抛运动，最终滑落至深层排肥口。

根据肥料颗粒在底板受力情况可得：

(1)

式中m为肥料颗粒质量，kg；v1为肥料沿底板下滑速度，m/s；α1为底板倾角，()；k为肥料与底板摩擦系数，Fk为底板对肥料颗粒支撑力，N。

碰撞后改变了肥料的运动速度与方向，根据动量定理可得：

Fctc=mv′-mv1.

(2)

式中v′为肥料颗粒碰撞后的速度，m/s；Fc为肥料颗粒所受合外力，N；tc为碰撞产生的时间，s。

注：Fk为底板对肥料颗粒的支撑力，N；m为肥料颗粒的质量，kg；k为肥料颗粒与底板的摩擦系数；v为机具作业速度，m/s；v1为肥料沿底板下滑速度，m/s；v2为浅层排肥口肥料颗粒的流出速度，m/s；v3为深层排肥口肥料颗粒的流出速度，m/s；ha为竖向开口尺寸，mm；hb为横向开口尺寸，mm；1为底板倾角，()；2为浅层排肥口滑道倾角，()

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, ()

图5 肥料颗粒受力情况

Fig.5 The force condition of fertilizer particles

碰撞后一部分肥料沿着浅层排肥口滑落至土壤中，另一部分沿着底板继续下滑至深层排肥口处。

(3)

(4)

式中v2为浅层排肥口肥料颗粒的流出速度，m/s；v3为深层排肥口肥料颗粒的流出速度，m/s；Fk1为浅层排肥口滑道对肥料颗粒的支撑力，N；α2为浅层排肥口滑道倾角，()。

当机具以速度v前进作业时，肥料相对于地表会存在一个绝对速度，通过分析可知，深层肥料的绝对速度方向是偏向于前进方向的，而浅层肥料的速度取决于浅层排肥口肥料颗粒的流出速度v2的大小。在实际作业时，浅层排肥口的肥料速度偏向机具作业的相反方向更有利于肥料流出，同时土壤可利用浅层排肥口与深层排肥口高度差h2与水平方向距离L进行肥料的分层覆盖。

根据运动情况初步设计参数，底板倾角α1为50，浅层排肥口滑道倾角α2为35，竖向开口尺寸ha范围为0～20 mm，横向开口尺寸hb范围为0～20 mm，浅层排肥口与深层排肥口水平方向距离L为220 mm。

2.2 排肥装置设计

排肥装置采用外槽轮排肥器，主要由排肥槽轮、阻塞套和排肥舌组成[15-16]，排肥量的大小主要由槽轮有效工作长度、槽轮转速和排肥舌角度决定，其中槽轮有效工作长度范围为0～45 mm，槽轮外径D为50 mm，排肥轴直径为15 mm的方轴，阻塞套外径为35 mm。图6

1.底座;2.槽轮;3.阻塞套;4.排肥舌;5.排肥口D为槽轮外径，mm；Lc为槽轮有效工作长度，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

图6 排肥装置结构

Fig.6 The structure diagram of fertilizer arrangement

2.3 排肥过程台架试验

2.3.1 试验条件

通过搭建简易试验台架，选用新疆锦江化工厂生产的小颗粒尿素作为试验用肥料，在室内进行试验测试。排肥过程采用电机驱动，驱动电机转速设置在35～60 r/min，将排肥口排出的肥料进行收集称重，并且计算排肥过程的标准差和变异系数，通过计算样本数据的变异系数来判断试验数据的稳定性。

(5)

(6)

(7)

式中Cv为变异系数；为标准差；N为样本数量；X为样本绝对平均值。

2.3.2 槽轮排肥量试验

该机构排肥量主要采用控制电机转速的方式实现，因此,主要测试转速与排肥量的关系，试验分别设置为35、40、45、50、55、60 r/min，在每个转速下重复试验5组，每组试验测试时间为1 min，得到每分钟槽轮的排肥量Q，g/min。表3

表3 槽轮排肥量试验

Table 3 Test on the amount of manure of sheave

槽轮转速Rotary speed of sheave (r/min)槽轮有效工作长度Effective working length of sheave (mm)51015202530354394967978769701 206404565738199101 0801 264454556068569971 2271 284504706919311 0891 3041 392554717149761 1381 3691 454604887381 0141 1731 4171 501

通过分析排肥量的稳定性，当槽轮工作长度为20 mm时，排肥量变异系数最小且趋于稳定。图7

在控制策略选择时，选定槽轮工作长度为20 mm，得出此时排肥量与转速之间的近似线性关系：

Q=14.48n+343.

(8)

式中Q为槽轮排肥量，g/min；n为槽轮工作转速，r/min。

a.变异系数变化；b.排肥量变化

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

图7 不同转速下的槽轮排肥量

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

表4 浅层排肥口肥料所占比例台架试验

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

横向开口尺寸hbTransverse opening size(mm)竖向开口尺寸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 分层施肥器分层比例试验

为了试验测试分层施肥器的分层效果，竖向开口尺寸ha和横向开口尺寸hb分别调节设置为5、10、15、20 mm，在每个有效开口尺寸下重复试验5组，每组试验测试时间为1 min，分别收集浅层排肥口排出的肥料和深层排肥口排出的肥料并称重，计算得到浅层排肥口排肥量所占百分比。

浅层肥料所占比例调节范围为8.63%～45.22%，根据当前棉花种植农艺要求，将浅层肥料所占比例设置为40%，试验参数最接近的状态为ha=15 mm，hb=15 mm。此时分层比例的变异系数为6.3%，分层效果比较稳定。表4

2.4 田间试验

2018年9月6日在石河子145团新疆科神股份试验田进行试验，配套动力为安装有北斗导航拖拉机自动驾驶系统的雷沃754轮式拖拉机，田间试验主要测试施肥性能的稳定性。图8

图8 田间试验效果

Fig.8 Field experiment effect

3 讨 论

3.1 新疆棉花种植一般采用“66 cm+10 cm”宽窄行的机采棉种植模式[22]，在这种模式下，传统大田撒肥在宽行中施的肥料大部分都没有被棉花根系吸收，不仅浪费了大量肥料，而且也对土壤造成了污染。因此，针对这一现状，将肥料分层深施在棉苗播种窄行的正下方，不仅节约了肥料，而且也提高了肥料的利用率，同时也减少了肥料对土壤的污染。

3.2 新疆棉花铺膜播种深度2～3 cm[23]，棉花基肥对行分层深施机分层施肥既要保证上层肥料在棉种发芽生根的时候及时为其提供养料，同时也要保证棉苗在后期的生长过程中为其根系提供养料，促进棉苗根系的向下生长。因此,将棉花基肥深施器设计为上下两层施肥结构，进而保证肥料分层深施入土壤中，确保棉花在生长的全过程其根系都可以有效的吸收养分。

3.3 由于分层施肥是直接将肥料深施在窄行的正下方，因此，在棉花播种的时候一定要使用带卫星导航自动驾驶的拖拉机进行后续的播种作业[24]，只有这样才能确保种肥同行，达到节约肥料、提高肥料利用率的目的。

实际施肥量平均值为21.4 kg/667 m2，变异系数为4.0%，施肥量比较稳定。在施肥深度方面，深层肥料的深度比较稳定，平均深度为19.8 cm，而浅层肥料深度稳定性偏低，其中有一组未出现分层，主要影响因素为土质情况与机具作业速度，当土壤含水率较高时，土壤流动性也会变差，当机具前进速度比土壤回流速度快时，便会产生深层肥料还未被土壤覆盖时，浅层肥料已落入深层土壤中，造成肥料未出现分层效果。因此,后续研究还需要针对不同性质土壤，匹配浅层排肥口与深层排肥口的尺寸距离，确保土壤对肥料的分层覆盖。

在覆土性能方面，根据实际试验效果，当αs=75，αs1=23时具有较好的覆盖性能，刮土板可以有效将扰动堆积的土壤推平填埋至沟渠中，未出现肥料裸露于地表的现象，肥料覆盖率达100%。表5

表5 田间试验数据

Table 5 Field test data

编号Number浅层肥料深度Shallow fertilizer depth /cm深层肥料深度Deep fertilizer depth /cm实际施肥量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标准差Standard deviation2.330.60.85变异系数Coefficient of variation18.7%3.0%4.0%

4 结 论

4.1 针对棉花基肥对行分层深施的需求，设计了棉花基肥对行分层深施机，分别对开沟分层施肥器的结构、肥料颗粒分层过程等进行了分析。

4.2 对施肥装置进行了台架试验，当槽轮工作长度为20 mm时，排肥量变异系数最小且趋于稳定，得到槽轮排肥量与转速的关系：Q=14.48n+343，测试得到分层施肥器在不同竖向开口尺寸和横向开口尺寸下的浅层肥料所占比例，浅层肥料所占比例调节范围为8.63%～45.22%。

4.3 ，平均667 m2施肥量为21.4 kg，变异系数为4.0%，施肥量比较稳定。肥料分层效果方面，深层肥料平均深度为19.8 cm，比较稳定，而浅层肥料深度稳定性相对偏低，主要影响因素是土质情况和机具作业速度。因此,后续研究还需要针对不同性质土壤，匹配浅层排肥口与深层排肥口的尺寸距离，确保土壤对肥料的分层覆盖，提高肥料分层深施的稳定性。