一種多功能深松施肥機的設計與田間試驗效果

孟長伊　李廣宇　郝宇佳　楊少奇　張含思+張磊　李劍飛

摘要：針對玉米寬窄行種植模式的農藝要求及特點，設計一種配套的多功能深松施肥機。根據季節特點、施肥位置要求和拖拉機作業形式等條件，設計了深松施肥機，提高肥料利用率，減少機器進地次數和對土壤的壓實；該機不僅可以在伏雨到來前在寬行進行深松施肥作業，也可以去除施肥部件，在秋季進行標準深松作業，從而實現一機多用。田間試驗結果表明：采用苗帶側200～250 mm處定向施肥，施肥深度50～100 mm，與寬行苗帶中間施肥相比，在施肥一個月后，植株高度顯著提高10%～13%；在秋季拆分成獨立的深松機可實現250～300 mm的深松作業，深松深度的平均變異系數為1.03%，說明該機的工作穩定性好；夏季深松機深松后的土壤平均膨脹度為16.12%，對土壤擾動范圍較小，地表沒有出現明顯的大塊與粘條。

關鍵詞：土壤深松； 中耕施肥； 深松鏟；多功能深松施肥機

中圖分類號：S224.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）12-0079-05

由于東北黑土區氣候寒冷，秋后還田的秸稈來年春天來不及腐爛，影響春播，所以秋后留高茬（300～500 mm）越冬，在種植下茬作物后原茬仍保留不動，已成為黑土區推廣保護性耕作的主要形式[1]。“玉米寬窄行交替休閑種植模式”就是其中之一，目前正在東北地區大力推廣。其基本體現為平作模式，苗帶窄行行距400 mm，寬行休閑帶寬度900 mm，地表面留有前期作物30%的秸稈殘留物覆蓋，寬窄行為每年交替進行[2]。研究表明，與傳統耕作相比，寬窄行交替休閑種植可明顯改善土壤容重、硬度、土壤孔隙度、田間持水量等土壤物理性狀，產量較常規耕作增產14.8%～15.1%[3]。傳統的深松施肥機多是為等行距設計[4，5]，不能適應寬窄行交替種植的農藝要求。本研究所設計的深松施肥機就是為玉米寬窄行種植模式配套的一種機具，該機不僅可以在伏雨到來前在寬行進行深松施肥作業，也可以去除施肥部件，在秋季進行標準深松作業，一機多用。

1耕作工藝和整機結構特點

1.1耕作工藝

如圖1所示，根據玉米寬窄行種植模式農藝特點，設計采取苗帶側“”處施肥，寬行中間“”處深松，深松施肥一次完成。有利于肥料的吸收利用，減少了普通中耕作業時拖拉機輪胎對土壤的壓實，蓄水保墑。中耕施肥深度約為50～100 mm，深松鏟同時淺松除草，深松深度200～250 mm，秋季可作為深松機獨立使用，深松深度在250～300 mm之間。

1.2整機結構

多功能深松施肥機的主要構件見圖2。它采用分行聯合作業的方式，一次進地，實施中耕深松和追施肥作業，兩種作業獨立完成，相互效果不產生干涉影響；減少了人工勞作和機器進地次數，減少土壤壓實，提高產量；機具可拆分成獨立的深松機，實現一機多用；也可用于等行距作業模式。其主要參數見表1。

2關鍵工作部件的設計

2.1機架的設計

本機采用可變梁結構，采用聯接梁方式[6]，由矩形管和工字鋼套合焊接，加強整機強度；模塊化設計，使主要工作部件具有良好的排列性和自由的固定空間，并可按不同作業需求進行聯接；工作時機架距地面距離530 mm，作業時不傷苗。

2.2深松鏟的設計

國外研究人員對深松部件作業時在土壤中的受力狀態和理論模型已經建立的十分完善，形成了較完整的理論體系，并且將理論模型成功地運用在深松部件的設計和受力狀態的分析上[7～10]，深松鏟柄是深松機的重要部件，直接影響深松效果和牽引阻力。因此，通過對國內外資料的研究和具體的生產實踐總結，我們設計選用了直臂深松鏟柄作為深松工作部件，作業時理論上直臂深松鏟柄的工作刃與垂直方向的夾角為15°，處于這個狀態作業的深松機所受的土壤阻力較小。鏟柄底端通過沉頭螺釘安裝鏟尖，設計鏟尖為箭型、鑿型兩種形式[12]。

秋季深松作業時，可附加雙翼鏟作為入土工作部件，雙翼鏟可以通過螺栓安裝在直臂深松鏟柄上，作業時深松鏟的理論入土角為23°，理論入土后角為7°。這樣不僅可以實現寬幅深松，而且可以疏松翼鏟上方的土壤，擴大深松寬度。

由于機具的主要工作部件屬于入土工作部件，其在土中作業時的磨損速度很快，因此在設計這些部件時，除了選用耐磨材料制作外，還采用耐磨套式設計以保護主要工作部件（圖3）。耐磨套式設計的優點是可以根據耐磨套的磨損情況，及時更換耐磨套，從而保證機具工作部件的入土角、耕深等參數與設計參數一致，并且延長機具的使用壽命。

本機上的耐磨套設計有兩個，一個是鏟柄保護套，另一個是鑿型鏟尖。鏟柄保護套安裝在直臂深松鏟柄的直臂刃上，在減小工作阻力的同時，保護鏟柄不被磨損。鑿型鏟尖采用楔套設計，套裝在鏟柄上，以防止在工作過程中的脫落。

2.3施肥機構與部件的設計

施肥機構由切茬裝置、施肥開溝器、排肥器、鎮壓輪等組成。施肥動力來自于地輪，隨動張緊機構安裝在地輪和中間軸之間，地輪通過中間軸由鏈傳動驅動排肥器。在機架上安裝4個排肥器，肥管下端通過導肥管固定在機架上，以消除田間作業振動影響。

2.3.1施肥量的計算[13]機組在行距為S（m）的田間追施肥，機組上有N個排肥器，每個排肥器有α個排肥口，則在一公頃田地的面積上一個排肥器應施肥的地段長度為：

按要求每公頃施肥量為Q（kg），則機組工作時每個排肥口在單位地段長度上的排肥量為：

排肥器選擇使用外槽輪式排肥器，本機設計的施肥量為每公頃400～450 kg，比常規做法減少施肥量10%～20%。可通過調節外槽輪的工作面積調節施肥量的多少。

2.3.2切茬裝置的設計由于本機可在殘留物覆蓋耕地上進行作業，因此切茬刀的設計至關重要，因為其設計直接影響到整機作業的通過性[14]，由于季節問題，秸稈潮濕，不容易被切斷，所以要配置專用刀具切茬。因此，本設計（圖4）選取單懸臂結構齒形圓盤刀，它的工作性能非常適合于土壤的少耕、保護性耕作等地表具有秸稈殘留物的切茬入土作業，土壤擾動最小，適合各種土壤環境，單懸臂機構行間工作時不傷苗。設計切茬深度為80 mm，刀盤直徑400 mm，刀盤材質采用硼鋼，增加刀盤的剛性和耐磨性，同時為了能迅速更換刀盤，采用高強螺栓作為刀盤軸芯，使刀盤安裝變得便捷。

2.3.3安裝位置與工作過程設計將單圓盤切茬刀安裝在垂直施肥開溝器的前面，呈前后排列，圓盤與地面和前進方向垂直安裝，這樣不但入土性能良好，而且切開土壤表面殘留物的能力較強。

工作時先由單圓盤刀切開覆蓋秸稈土塊等障礙及土壤；采用滑刀式鈍角開溝器開溝，設計兩護板之間距離小于40 mm，自動回土效果好；隨后帶有施肥器的垂直施肥刀將隨著前面切開的切口跟進，由于施肥刀的入土深度按要求設定，施肥器隨即將肥料撒在垂直施肥刀開辟的肥溝底部，完成施肥作業；最后采用鼠籠式鎮壓，進行覆埋。

由于組合式施肥機構不存在土壤翻動的效果，因此防止了土壤中水分的流失，減少了肥料需要二次掩埋的環節。

3田間試驗

采用同一地塊不同區域對比法進行試驗。

試驗于2013年在農安縣開安鎮石場村土壤上進行。土壤類型為黑鈣土，地面秸稈殘留覆蓋30%～40%。采用寬窄行種植模式，種植作物為玉米；處理區采用苗帶側200～250 mm處定位，定向施肥模式，對比區采用傳統的寬行苗帶中間施肥方式。

于5月初玉米植株高度均在500 mm左右進行作業，配套動力為山托泰山TS550拖拉機，作業速度按4.19 km/h左右滿幅作業，將深松部件的深松深度調至200、250 mm，拖拉機作業長度為50 m，取中間的30 m作為測試數據采集區。

中耕施肥一個月內，選有代表性的植株連續定點10株，從施肥后15天開始每10天一次，調查單株葉面積，同時測量株高、單株根層數、根條數等，玉米成熟后，收取中間4行統計產量，每處理抽取10穗調查穗部性狀。

3.1施肥效果測定

試驗結果表明：中耕施肥后地塊與對比區常規施肥方式相比，玉米根系的根長和直徑增加，根系的密度增大，而且單根上的須根也明顯增多，一個月后，株高顯著提高10%～13%，產量沒有受到影響。從表2看出，施肥深度達到設計要求。

3.2中耕深松穩定性及土壤膨松度

試驗結果（表3）顯示：本機在夏季中耕可實現200～250 mm的深松作業，平均深松變異系數0.77%，說明機具的工作性能較好，深松部件設計較為合理；土壤平均膨松度在16.12%，地表沒有出現明顯的大塊與粘條。

3.3秋季深松深度和土壤膨松度的測定

2013年10月中旬，檢測機具深松深度和土壤膨松度指標時，作業速度按4.35 km/h左右滿幅作業，將深松部件的深松深度均調至270、300 mm，拖拉機作業長度為50 m，取中間的30 m作為測試數據采集區。試驗結果（表4）顯示：本機在秋后拆分成獨立的深松機可實現250～300 mm的深松作業，深松深度的平均變異系數為1.03%，說明該機的穩定性很好；深松機的深松部件對土壤擾動范圍較小，土壤膨松度為17.05%。

4結論

4.1采用苗帶側200～250 mm處定位、定向施肥，縮小肥料與玉米植株之間的距離，施肥深度50～100 mm，與寬行苗帶中間施肥相比，在施肥一個月后，株高顯著提高10%～13%。

4.2中耕后土壤平均膨松度為16.12%，地表沒有出現明顯的大塊與粘條，說明深松機的深松部件對土壤擾動范圍較小。

4.3秋季深松深度的平均變異系數為1.03%，說明該機的穩定性很好，有利于形成松實結合的土壤環境，蓄水保墑。

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