設(shè)施蔬菜根區(qū)土壤分層施肥機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：設(shè)施蔬菜；分層施肥；施肥機(jī)；施肥機(jī)械化；設(shè)施農(nóng)業(yè)

0 引言

土壤是作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著密切的關(guān)系，為植物根系提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境。施肥方式不同，對(duì)土壤理化特性的影響也不同[1]。肥料分層深施技術(shù)可將肥料施于作物根系密集層，使肥料養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物生長(zhǎng)周期養(yǎng)分需求同步，延長(zhǎng)養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間，保證充足的養(yǎng)分供給，提高肥料利用率，一次性施肥可顯著提高農(nóng)作物產(chǎn)量，達(dá)到減施增效的目的。

分層深施是實(shí)現(xiàn)化肥減施增效的重要途徑，研究人員根據(jù)化肥在土壤中的轉(zhuǎn)化、移動(dòng)與擴(kuò)散，提出了位置肥效理論，為肥料深施提供了理論依據(jù)。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開展了系統(tǒng)研究，目前大量專用的施肥機(jī)械已用于中耕施肥、改良土壤等。如德國(guó)AMAZONE系列智能施肥機(jī)，實(shí)時(shí)測(cè)得作物冠層葉綠素含量，計(jì)算出氮素需求量，控制液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)變量施肥[2]。美國(guó)CASE系列中耕追肥機(jī)，利用液壓調(diào)節(jié)壓力將液態(tài)肥施入作物根部，基于GPS和施肥處方圖作業(yè)，也可更換施肥工作部件在耕整地時(shí)精準(zhǔn)施用固態(tài)底肥。美國(guó)AgLeader肥料控制系統(tǒng)與多種主流施肥機(jī)適配，可施用液態(tài)肥和固態(tài)肥，并根據(jù)不同需要自動(dòng)切換肥箱[3]。此外，法國(guó)KUHN、美國(guó)JOHNDEERE等公司均有基于3S技術(shù)的基肥、種肥、追肥適用機(jī)型面市，但分層施肥研究鮮見報(bào)道[4]。

近年來(lái)，為積極響應(yīng)化肥減施，針對(duì)分層施肥我國(guó)研究人員開展了大量研究。曾山等[5]根據(jù)水稻根系生長(zhǎng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種基于氣力式的分層施肥系統(tǒng)。祝清震等[6]基于旋耕覆土原理設(shè)計(jì)了冬小麥基肥分層定深施用裝置。楊然兵等[7]結(jié)合馬鈴薯根系分布規(guī)律提出了一種基于曲面排肥與V型防堵結(jié)構(gòu)的分層施肥技術(shù)。楊慶璐等[8]設(shè)計(jì)了一種氣力集排式變量排肥系統(tǒng)分層施肥量調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)農(nóng)藝要求調(diào)整上下層施肥量的比例，提高了分層施肥作業(yè)中肥料的可靠穩(wěn)定分肥作業(yè)水平。張俊雄等[9]設(shè)計(jì)了一種玉米分層正位穴施肥精播機(jī)，能夠精確地將化肥按預(yù)定比例施入不同深度土層中，化肥分布由深至淺依次遞減，滿足玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的實(shí)際需肥規(guī)律。

上述分層施肥裝置主要是針對(duì)糧食作物，目前蔬菜生產(chǎn)中常見的施肥機(jī)械，大多數(shù)沿用傳統(tǒng)的作業(yè)機(jī)械，其中不少是在運(yùn)輸機(jī)械、播種機(jī)械或中耕管理機(jī)械上進(jìn)行改造，缺少科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，作業(yè)的技術(shù)及性能指標(biāo)落后，施肥作業(yè)的效果不能適應(yīng)不同作物、不同生長(zhǎng)階段的農(nóng)藝要求[10-16]。本研究設(shè)計(jì)并試驗(yàn)示范了一種適合蔬菜種植需求的分層施肥機(jī)械裝備，效果良好。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)蔬菜種植農(nóng)藝要求及溫室空間結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)，包括機(jī)架、分層施肥器、輸肥管、肥箱、開溝培土機(jī)構(gòu)、刮土牽引板、地輪、后懸掛座、縱梁、副梁和支腿等部分整體布局，以及施肥箱容積和整體尺寸，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。配套動(dòng)力選擇44.1kW以上大棚王拖拉機(jī)，采用后懸掛方式。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 旋耕組件

旋耕質(zhì)量直接影響施肥和起壟部件工作質(zhì)量，影響施肥機(jī)的性能和效率。傳統(tǒng)的旋耕刀輥容易出現(xiàn)耕深不夠、刀片損壞及纏繞雜草等情況。本設(shè)計(jì)的旋耕刀側(cè)切刃曲線不是直接采用阿基米德曲線，而是進(jìn)行了調(diào)整。在一個(gè)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)安裝兩把刀，以便減小功率損失，刀采用左旋刀和右旋刀對(duì)應(yīng)的方式，刀頭設(shè)計(jì)成Y字型，可以增加刀的受力強(qiáng)度和切割土壤的有效范圍，在切入土壤時(shí)產(chǎn)生更好的破碎效果；同時(shí)在刀軸上采用雙邊螺旋狀排列，同一平面內(nèi)的旋耕刀之間的相位角22.5°，刀軸每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相等的角度，都有相應(yīng)的旋耕刀入土，保證深耕機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和刀軸的負(fù)荷均勻。選擇在1.2m的刀軸上安裝12把旋耕刀，考慮到作業(yè)時(shí)的受力狀況和刀體自身的物理屬性，在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有選擇刀盤，而是選擇獨(dú)立刀座。Y字型旋耕刀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

刀片的最大切削半徑Rmax與耕深及傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)有圖2 Y字型旋耕刀Fig.2關(guān)，在滿足耕深的前提下，盡量選擇較小的切削半徑，可以減少動(dòng)力損失。因此，為了滿足最大耕深hmax能夠達(dá)到200mm，最大切削半徑設(shè)計(jì)Rmax=240mm。側(cè)面刃口曲線的起始半徑R0按式（1）確定。

正面刀刃幅寬b的大小影響旋耕時(shí)的工作質(zhì)量和功率消耗。幅寬b越大，刀軸上的刀片數(shù)就會(huì)越少，相鄰的刀片之間的間距就會(huì)越大，這樣雖然不易堵塞或者纏繞農(nóng)作物秸稈，功率消耗降低，但是碎土質(zhì)量變差。根據(jù)現(xiàn)有的刀刃幅寬，選擇b=50mm。刀軸回轉(zhuǎn)1周過(guò)程中，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相等的角度，在同一個(gè)相位角，保證1把刀入土，以保證工作穩(wěn)定和刀軸的負(fù)荷均勻，相繼入土的刀片在刀軸上的軸向距離越大越好，以免發(fā)生堵塞，為了保證刀軸兩端軸承所承受的側(cè)壓力較為平衡，刀片按照螺旋線排列，如圖3所示。

2.2 分層施肥器結(jié)構(gòu)

導(dǎo)肥槽底部設(shè)計(jì)為開口狀，內(nèi)部安裝有螺旋導(dǎo)肥葉片，導(dǎo)肥槽設(shè)計(jì)多個(gè)排肥口，每一個(gè)排肥口安裝有一個(gè)導(dǎo)肥板，其中排肥口的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。在施肥時(shí)，實(shí)現(xiàn)較深的一層肥料被回落的土壤覆蓋后，上一層的肥料恰好落在剛回落的土壤之上。當(dāng)淺層土壤需要施肥時(shí)，排肥口及導(dǎo)肥板偏向兩側(cè)，此時(shí)，防護(hù)板在長(zhǎng)度方向上設(shè)置為前窄后寬的形狀，在寬度方向上設(shè)置為上寬下窄的形狀，其中在側(cè)方排肥口及導(dǎo)肥板與防護(hù)板的間隙中需設(shè)置中間隔離板，確保肥料從導(dǎo)肥板的末端落下，施肥后可形成圓柱狀肥區(qū)。排肥器結(jié)構(gòu)如圖4所示，傳動(dòng)系統(tǒng)采用地輪驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)，由于地輪中心距離排肥口較遠(yuǎn)，之間設(shè)置中間傳動(dòng)，中間傳動(dòng)采用同軸的兩個(gè)鏈輪傳遞動(dòng)力。鏈輪中心距確定：選取大棚王拖拉機(jī)動(dòng)力44.1kW，輸出軸轉(zhuǎn)速N1=540r/min，排肥器轉(zhuǎn)速N2=220r/min，傳動(dòng)比I=N1/N2=540/220=2.45，小齒輪齒數(shù)Z1=23，大齒輪齒數(shù)Z2=IZ1=2.45×23=57，中心距a計(jì)算如下

3 整機(jī)裝配調(diào)試與田間試驗(yàn)

整機(jī)經(jīng)安裝調(diào)試進(jìn)行實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)，同時(shí)開展普通施肥與分層施肥對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比施肥量和農(nóng)作物產(chǎn)量，計(jì)算施肥效率。

3.1 試驗(yàn)條件與方法

2023年8月下旬，開展了設(shè)施蔬菜根區(qū)分層施肥機(jī)械化技術(shù)及裝備的試驗(yàn)示范，并對(duì)施肥深度、施肥量、施肥效率等數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和分析。

（1）試驗(yàn)地塊。試驗(yàn)選取溫室可作業(yè)規(guī)格為長(zhǎng)度80m、寬度8.5m，土壤容重1.47g/cm3、土壤含水率21.3%。

（2）種植品種。七星青蘿卜。

（3）肥料性狀。顆粒狀。

（4）試驗(yàn)前地塊處理。對(duì)試驗(yàn)地塊進(jìn)行耕整地處理，土壤墑情滿足農(nóng)藝要求。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選取兩組試驗(yàn)溫室進(jìn)行施肥試驗(yàn)，一組溫室采用設(shè)施蔬菜根區(qū)土壤分層施肥機(jī)施肥，另一組溫室采用正常人工施肥，對(duì)比施肥量、青蘿卜長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量等指標(biāo)。

3.2.1 設(shè)施蔬菜根區(qū)土壤分層施肥試驗(yàn)分析

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖5、圖6和圖7所示，主要參數(shù)為配套動(dòng)力雷沃50型拖拉機(jī)、工作擋位慢2擋、施肥口寬度75cm及施肥機(jī)幅寬100cm。按圖6中肥料分布點(diǎn)位（圓圈處）對(duì)施肥量、施肥深度和施肥效率等指標(biāo)進(jìn)行了采集分析，如表1所示。

通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得出施肥機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，施肥深度范圍3～20cm，肥料分布在不同的土壤層。

3.2.2 人工與機(jī)械施肥用時(shí)對(duì)比分析

如表2和表3所示，在開展機(jī)械化施肥的同時(shí)，也與人工施肥進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，計(jì)算施肥時(shí)間和施肥量。分別進(jìn)行了5個(gè)棚室的作業(yè)數(shù)據(jù)記錄分析，得出采用機(jī)械化施肥效率相比于人工施肥效率提升50%以上，機(jī)械化施肥比人工施肥的施肥量可減少30%以上。

3.2.3 人工與機(jī)械施肥出苗情況對(duì)比測(cè)試

在播種后第20天對(duì)兩種施肥方式的出苗情況進(jìn)行了測(cè)試。分別在一個(gè)溫室中選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取1m2，計(jì)算出苗率。由表4可知，兩種施肥方式出苗情況相似。

3.2.4 人工與機(jī)械施肥青蘿卜品質(zhì)測(cè)試

對(duì)兩種施肥方式下種植的青蘿卜質(zhì)量、長(zhǎng)度、可溶性固形物等數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，如表5和表6所示。

由表5和表6可知，機(jī)械施肥種植的青蘿卜質(zhì)量、長(zhǎng)度、水分、維生素C含量及可溶性固形物等含量品質(zhì)指標(biāo)上都略有提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)施農(nóng)業(yè)可以極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義，但是設(shè)施農(nóng)業(yè)因其空間限制，先進(jìn)、實(shí)用的農(nóng)機(jī)具較少。本研究研制了設(shè)施蔬菜根區(qū)土壤分層施肥機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，該機(jī)具可以滿足設(shè)施空間要求，提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少化肥施用量，為提高設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提供裝備保障和思路參考。