水田側深施肥裝置的分析與試驗

位國建，薦世春，李 娜，彭強吉，崔榮江，吳美麗

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.郯城縣楊集鎮農業服務中心，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肥增效的關鍵因素[1-2]。在我國，按照傳統種植方法，需要在插秧、分蘗和壯穗期各施肥1次。施肥環節不管是人工作業還是簡易機械，目前所用方法大多數都是直接水面撒施，既費工費時，又使肥料流失嚴重，導致環境污染加重[3-5]。水田側深施肥技術能保證水稻插秧時肥料定位、定量、均勻，日本早期對水稻側深施肥的研究也表明水稻側深施肥對節肥增效有較明顯的作用[6-8]。因此，搞好水稻插秧側深螺旋排肥裝置的研究，同時結合市場上現有已經應用的浮板式插秧機研發水稻插秧側深施肥機，實現水田插秧、側深施肥聯合作業勢在必行。

水稻在我國是主要的糧食作物之一，水稻插秧側深螺旋排肥技術對優化水稻生產過程具有重要影響，對保護環境及建立更好的水稻生產體系具有積極的影響[9]。本研究綜合考慮螺旋排肥的原理，針對水田機械施肥時肥料易受潮粘結堵塞的難題，設計了一種側深螺旋排肥裝置，并對該技術的優越性進行了分析。該裝置通過控制器來調節直流電機轉速，驅動軟軸強制排肥，不但實現了施肥量的無極調節，且傳動簡單、節省空間。通過試驗驗證了螺旋排肥裝置的排肥性能，解決了水稻插秧側深施肥過程中肥料受潮粘結堵塞開溝器的問題，提高了肥料排施作業質量和效果。

1 工作原理及總體結構

1.1 水田側深施肥裝置總體機構

水田側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 2.軟軸 3.聯軸器 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；動力為驅動直流電機，通過軟軸和聯軸器，將動力傳至螺旋排肥攪龍的上端，使攪龍在三通殼體的型腔內轉動。肥料是散落性較好、干燥的顆粒，但是水田施肥環境下易潮解，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。將三通進料口流入的肥料推送到秧苗下方深約5cm處，通過控制器調整電機轉速，進而一致性調節攪龍轉速，來達到預設的排肥量。

為實現插秧和側深施肥聯合作業的目的，該裝置裝備在市場上現有的已經應用的浮板式高速插秧機上，使該組合機一次作業可完成水田施肥開溝及側深施肥。通過查閱相關文獻，同時結合水稻種植的實際需求，設計要求該裝置將肥料定位施入距秧苗側4～5cm、深4～5cm的泥土中，同時在插秧機浮板上裝有覆土裝置，施肥后及時覆土避免漂肥[9-13]。螺旋推進式排肥裝置主要技術參數如表1所示。

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

1.2 工作原理

水稻側深施肥裝置安裝在水稻插秧機上，隨著插秧機前行，同時施肥裝置將肥料施入土層中。作業時，施肥器驅動肥料自肥箱經施肥管落入開溝器內，同時電機驅動軟軸帶動開溝器內的攪龍轉動，旋轉的攪龍將從肥箱落下的肥料強制排入開溝器已經開好的溝槽內。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，其優點如下：一是避免了機械深施肥過程中肥料受潮粘結堵塞施肥管，提高了肥料排施作業質量和效果；二是避免了肥料的揮發和流失；三是使水稻前期營養吸收充分，既促進了水稻生長，又不燒苗，不但降低了環境污染，而且減少了肥料的浪費，提高了肥料的利用率，具有極大的社會效益。主要技術要點如下：

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

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

3)檢查調整。調整排肥量，保證各行排肥一致性。在田間作業時，要及時檢查調整施肥器，以及轉數、速度、泥漿深度等可影響排肥量的參數。

2 主要工作部件設計

由于肥料的物理特性對該裝置結構參數及性能均有較大影響，所以在進行主要工作部件設計之前應對肥料的物理特性進行相關研究。

田間試驗地點定在浙江省平湖市新埭鎮，通過實地調研可知：當地水稻種植常用肥料類型為普通復合肥，該種肥料大小不一、形狀不規則，在高溫高濕環境下容易出現潮解現象。通過對肥料進行相關的力學性能試驗可知：田間試驗肥料與新開包裝肥料對比，縱、橫向拉伸負荷等特性均會發生明顯變化。這說明，溫度、濕度等外界環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、高濕環境下排肥的困難程度，因為易潮解，所以必須強制排肥。根據分析，可得水稻插秧側深螺旋排肥裝置的關鍵部件為施肥開溝部件及螺旋攪龍設計。

2.1 施肥開溝部件設計

施肥開溝器(見圖3)包括開溝體和固定在開溝體后端的導肥體，開溝體呈楔形，且上表面具有定位臺階，導肥體由殼體、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部。開溝體楔形部底面為向下遠離秧船的傾斜面，且左右兩側面之間夾角為10°～20°；殼體為矩形框架結構與開溝體和三通固定安裝；三通設計為45°導流，有利于肥料填充攪龍、減少螺旋攪龍對肥料的研磨；攪龍在三通內部轉動將導流進入三通的肥料強制推送出三通施入預先設計的位置。

圖3 開溝器三維圖Fig.3 3D of furrow opener

開溝體呈楔形，在水田施肥作業時，開溝體具有減小阻力的作用。當雜草、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。導肥體具有一定寬度，因而開溝后的施肥溝無法瞬間彌合，導肥管內的攪龍強制推送肥料，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，安裝在插秧機浮板上的覆土板及時將施肥溝彌合，避免出現水面漂肥現象。

2.2 控制系統設計

螺旋式水田側深施肥控制系統包括具有GPS模塊的車載控制器、施肥控制器、電動排肥器、檢測傳感器及驅動電機等，系統控制如圖4所示。該系統是基于實時車速精準控制，施肥量存儲到單片機中，車載控制器通過接收GPS信號獲得前進速度，從而達到精準施肥。

圖4 插秧施肥監控系統Fig.4 Fertilization principle diagram

直流電機轉速是施肥控制系統發送給施肥控制器的指令，直流電機帶動排肥攪龍轉動；排肥攪龍實際轉速信息是施肥控制器給施肥控制系統的反饋命令，通過反饋信息調節電機轉速；車速信息是通過GPS接收到的數據計算得出的當前車速信息，車速信息反饋給施肥控制系統，進而調節施肥控制器變化達到預設施肥量。電動施肥過程代替了復雜的機械機構，簡化了傳動，降低了成本。該裝置還可以“模塊化”作業，每行作為一個模塊獨自工作，互不影響，更具實用性。

3 試驗與結果分析

為了驗證設計的水稻插秧螺旋施肥裝置的有效性，對螺旋側深施肥裝置進行實驗室及田間試驗。試驗以排肥一致性和施肥量偏差為技術指標，分別整理和分析該排肥裝置的兩組試驗數據，驗證其實用性[14]。

3.1 試驗設計與方法

為了測試設計的水田側深施肥裝置的各項參數及實用性，進行了兩組試驗：一是于2016年5月在山東省農業機械科學研究院實驗室進行螺旋攪龍部件試驗及樣機施排肥一致性試驗；二是于2017年6月在浙江省平湖市新埭鎮試驗田進行了該裝置的田間性能試驗。試驗前，對螺旋攪龍部件試驗臺和試驗樣機進行調試運行檢查，保證其運轉正常。實驗室測試為螺旋攪龍部件試驗臺，田間試驗所使用的樣機為配置水田側深施肥裝置的2ZGQ-6型水稻高速插秧機。

3.1.1 實驗室試驗

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

圖5 防堵性試驗Fig.5 Blocking test

2)樣機排肥一致性試驗。肥料箱裝半箱肥料，在試驗中間不再加肥，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，使機具整體處于靜止狀態，控制器改變驅動電機的轉速，通過數字轉速表監測排肥軸轉速，分別在10、20、30、40 r/min轉速下，連續 2min于開溝器底部用塑料袋接排出肥料并稱重。樣機施肥量試驗如圖6所示，各行排肥量一致性測定統計結果如表2所示。

3.1.2 田間試驗

田間試驗(見圖7)主要是測試樣機在田間作業時是否滿足設計要求，能否有效解決開溝器堵塞、施肥量及施肥位置偏差等。施肥量偏差試驗方法：首先，測量出設定的作業面積；其次，測量試驗前肥料質量，試驗后測量剩余肥料質量，由此可得出樣機作業面積、預施肥量和實際施肥量；最后，按公式計算出施肥量偏差。

圖6 樣機施肥量試驗Fig.6 Blocking test

表2 各行排肥量一致性測定統計結果Table 2 Statistical results of each row fertilizer quantity consistency determination

圖7 田間性能試驗Fig.7 Blocking test

田間施肥試驗時，試驗區域地表平整，坡角不大于5°，控制試驗樣機作業速度設定為3.6km/h，預置施肥量為300kg/hm2，試驗樣機在規定的試驗區域重復3次，并按公式計算出本試驗區域實際施肥量。田間施肥統計結果如表3所示。

表3 田間施肥統計結果Table 3 Statistical results of field application

施肥量偏差按下式進行計算，即

式中γs—施肥量偏差(%)；

Wq—試驗前肥料質量(kg)；

Wh—試驗后剩余肥料質量(kg)；

S—作業面積(m2)；

F—預施肥量(kg/hm2)。

3.2 試驗結果分析

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

2)該項新技術及裝置田間施肥統計結果表明：該裝置施肥量基本保持穩定，當機具作業速度設定為3.6km/h時，施肥量偏差基本可以控制在6%以內。

3)該螺旋側深施肥裝置進行的實驗室及田間試驗表明：該裝置滿足了水稻種植側深施肥作業要求，是水稻生產過程中施肥方式的一個重要轉變，對優化水稻生產過程、保護環境及建立更好的水稻生產體系具有積極的影響。

4 結論

1)水田側深施肥技術是水稻種植過程中施肥方式的一種創新，降低了人工成本，在我國農業生產勞動力減少的環境下，效果尤為顯著。

2)該技術實現在插秧作業的同時完成了側深施肥。試驗表明：水田側深施肥技術更有利于肥效的發揮，可達到節肥增效的目的，降低了水稻種植施肥環節的成本。

3)水田側深施肥技術不僅能增強土壤對氨態氮的吸附，提高肥料利用率，而且可減少氨揮發，保護了生態環境。