油菜直播機分層定量施肥裝置設計與試驗

劉曉東，王緒坪，陳禮源，張朝宇，劉溫伯，丁幼春

·農業裝備工程與機械化·

油菜直播機分層定量施肥裝置設計與試驗

劉曉東，王緒坪，陳禮源，張朝宇，劉溫伯，丁幼春※

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對長江中下游地區現有油菜直播同步肥料混施作業，肥料施用方式粗放的問題，結合油菜廂面條播種植模式及油菜根系生長規律，該研究提出了一種基于肥料流均勻分布的上下層肥量按比例分配、上層肥料左右分施技術，設計了一種分層定量施肥裝置，通過構建肥料在均布器中均勻分散的狀態轉移矩陣驗證該裝置的肥料均布效果，并確定了裝置的基本參數。以擋桿直徑、擋桿組數、擋桿組間距為試驗因素，實際施肥比例與目標施肥比例最小誤差為目標，利用二次回歸正交旋轉組合仿真試驗確定肥料均布裝置的最優結構參數為擋桿直徑3 mm、擋桿組數5、擋桿組間距8.9 mm。為進一步驗證肥料比例調節分配機構性能，以目標施肥比例與實際施肥比例的誤差、上下層落肥管排肥量穩定性變異系數和上層落肥管左右兩側排肥量穩定性變異系數為評價指標，開展最優參數組合下的排肥性能試驗。試驗結果表明，上下層實際施肥比例與目標施肥比例的最大誤差為4.1個百分點，排肥量穩定性變異系數低于3.9%，說明肥料分配比例穩定；上層左右落肥管實際施肥比例與目標施肥比例的誤差低于4.1個百分點，排肥量穩定性變異系數低于4.8%，滿足上層肥料按比例分施要求。田間試驗表明，下層肥料平均施肥深度為141.2 mm，上層左側肥料平均施肥深度為81.9 mm，右側平均施肥深度為81.6 mm，上層左、右側肥料間的平均間距為67.8 mm，滿足油菜分層施肥要求。該研究可為油菜肥料按比例分層施用提供技術支撐。

設計；試驗；油菜；分層施肥；深施肥

0 引 言

習近平總書記指出，農業發展不僅要杜絕生態環境欠新賬，而且要逐步還舊賬，要打好農業面源污染治理攻堅戰[1]?；实倪^量施用是造成農業面源污染問題不斷加劇的重要原因之一，破解當前農業環境污染的瓶頸問題，是實現農業生產持續發展的重要途徑[2-3]。長江中下游地區是國內油菜主產區[4-5]，播種時采用化肥廂面撒施，施用方式粗放、肥料利用率低，嚴重制約了農業綠色可持續發展[6-7]。

分層深施是實現化肥減施增效的重要途徑[8]，國內外科研工作者根據化肥在土壤中的轉化、移動與擴散，提出了位置肥效理論，為肥料深施提供了理論依據。歐美等發達國家圍繞精準農業開展了系統研究，但分層施肥研究尚未見報道，國內近年來為積極響應化肥減施，針對分層施肥開展了大量研究。曾山等[9]根據水稻根系生長規律，設計了一種基于氣力式的分層施肥系統；祝清震等[10]基于旋耕覆土原理設計了冬小麥基肥分層定深施用裝置；楊曉龍等[11]設計了一種組合式分層施肥開溝器；頓國強等[12]設計了肥料比例分配和控位分層施肥組合的調比控位分層施肥裝置；楊然兵等[13]結合馬鈴薯根系分布規律提出了一種基于曲面排肥與V型防堵結構的分層施肥技術；王金峰等[14]設計了一種葉片調節式水田側深施肥裝置，通過對施肥量調節機構的分析，確定了裝置的最優參數；宋少龍等[15]設計了一種分層施肥靴，對推動新疆地區精量減肥具有重要意義。上述深施肥裝置結構形式和施肥方式均能為分層施肥裝置的改進設計提供依據。

分層施肥深淺層肥量比例精準調節控制，是滿足不同地區施肥量要求，提高肥料利用率、保證作物后期優勢生長的重要手段[16]。王云霞等[17]設計了一種可調施肥量的玉米分層施肥器，并利用離散元法對肥料顆粒的運動規律以及影響施肥配比的主要因素進行仿真研究，在機具不同作業速度下均能滿足目標施肥量配比要求；楊慶璐等[18]設計了一種氣力集排式變量排肥系統分層施肥量調節裝置，可根據農藝要求調整上下層施肥量的比例，提高了分層施肥作業中肥料的可靠穩定分肥作業水平；張俊雄等[19]設計了一種玉米分層正位穴施肥精播機，能夠精確地將化肥按預定比例施入不同深度土層中，化肥分布由深至淺依次遞減，滿足玉米生長過程中的實際需肥規律；頓國強等[20-21]設計了一種肥料調配裝置，通過肥料調比分配和控位分層施肥開溝器的組合完成肥料分層深施。

上述分層施肥裝置主要是針對糧食作物，對長江中下游地區的適應性較差，不能直接應用于油菜直播機。隨著分層施肥理論研究的深入，肥料分層深施成為油菜輕簡化栽培的重要一環，肥料分層深施技術可將肥料施于作物根系密集層，使肥料養分釋放規律與作物生長周期養分需求同步，延長養分供應時間，保證充分的養分供給，提高肥料利用率，一次性施肥可顯著提高油菜籽產量，達到減施增效的目的[22-24]。根據油菜根系生長規律，本文設計了一種分層定量施肥裝置，通過理論分析確定主要結構參數，并通過田間試驗進行分層施肥效果驗證，以期為油菜按比例分層施肥提供技術支撐。

1 油菜直播技術要點與施肥農藝要求

1.1 油菜直播技術要點

油菜直播多采用廂面條播，省工、省時，直播地塊要求整地質量高、保墑好，播種時適當增大種植密度，播種量為4.5～9.0 kg/hm2。本設計根據油菜廂面條播種植模式開展。

1.2 油菜施肥農藝要求

長江中下游地區現有油菜直播機同步施肥方式為淺層混施，將顆粒肥排于油菜直播機前端地表，施肥量為225～525 kg/hm2，通過直播機前端旋耕機組完成顆粒肥的淺層混施，肥料分布于淺層土壤和土壤表面，顆粒肥施用量大，肥料利用率低，且播種后存在燒種現象，同時由于田間土壤狀況不同，旋耕后肥料分布不均，導致后期作物根系吸收肥量不一致，影響作物產量。

按照油菜需肥量要求（垂直根早期搶先發育導致地上部徒長延遲開花結果，反之，水平根發育良好形成根網，有助于地上部較順利地向生殖生長轉化），同時結合發育早期，垂直根系分枝能力較差、水平根系分枝性較強的特點[25-26]，本文提出了一種分層定量施肥方案。即將肥料分成2層排施，上層肥料排施量約占總排施量的30%～50%，為油菜營養生長提供養料，下層肥料排施量約占總排施量的50%～70%，為油菜生殖生長提供養料，上層肥料左右分施，兩側肥量各占上層排施量的一半。油菜肥料分層排施模式如圖1所示，施肥播種作業后，上層肥料位于油菜籽下左右兩側，下層肥料位于油菜籽正下方，該種方式可實現集中施肥，減少化肥施用量，并實現養分的最大化利用。肥料與油菜籽的位置關系可由上層肥料和油菜籽的縱向距離、上層左右兩側肥料的橫向距離及下層肥料與油菜籽的縱向距離控制，結合文獻[26]，取50～100 mm，取100～150 mm，取60～80 mm。后期油菜籽發芽生根后，側根吸收上層兩側肥料養分，隨著根系生長，主根生長至下層肥料帶，保證后期養分供應。

2 分層定量施肥裝置設計

2.1 施肥裝置整體結構與工作原理

分層定量施肥裝置整體結構如圖2所示，主要由肥料均布器、肥量控制與分流機構、上層落肥管、下層落肥管等組成。根據油菜廂面條播種植農藝要求，上層肥料與油菜籽為非同溝分層排布，下層肥料與油菜籽為正位同溝分層排布。

分層定量施肥裝置通過安裝板與油菜直播機后端鏟架連接，且能在安裝板豎直方向調節，以滿足不同施肥深度要求；由于不同地區前茬作物留茬高度不一，翻耕作業后仍有稻茬，作業中稻茬易纏繞鏟體造成壅土堵塞，影響機器順利作業，因此，在鏟體前端加裝防堵輥，防堵輥為外徑60 mm、壁厚2 mm的圓管，長度250 mm；為保證上層肥料分施，分土板采用2.5 mm厚鋼板切割成L形，側翼板與鏟體側面呈一定夾角焊接在鏟體左右兩側，同時為保證下層施肥后土壤迅速回填滿足上層肥料分施條件，在側翼板中間位置焊接有扇形回土板，可將兩側土壤快速導入下層肥溝內。

圖3a為肥料比例調節分配部件，主要由肥料均布器、分肥板、肥料比例調節滑槽等組成?？偱欧使苡蓪?0 mm、高20 mm、壁厚2 mm的方管直接切割而成，上端通過螺栓與肥料均布器聯接，肥料均布器與排肥管末端連接。如圖3b所示，為保證肥料順利從下層排肥口排出，下層落肥管豎直管壁與底部排種面夾角為130°，為方便加工焊接，下層排肥口尺寸與下層落肥管豎直管道相同，與下層落肥管豎直管道下端口焊接；上層落肥管上部豎直管道也采用與下層落肥管尺寸相同的方管切割而成，上層落肥管（圖3c）焊接在上層落肥管上部豎直管道護板后端，通過緊固螺栓實現上層肥料排施深度的調整。

分層定量施肥裝置安裝在2BYL-8型離心式油菜直播機后端機架上，工作時，稻草在防堵輥的作用下向鏟體兩側移動，施肥鏟開出肥溝，肥料通過肥量控制與分流機構按比例進入上層和下層落肥管，下層肥料通過下層排肥口落入溝底，土壤在L形分土板缺口處回填，形成上層溝底，在L形分土板上端翼板的作用下，形成上層肥溝，上層肥料通過左右排肥口實現肥料左右分施，回土板將土壤回填在上層肥料帶，完成分層施肥作業。

2.2 肥料均勻分布策略

現有施肥裝置均是將與排肥器連接的排肥管末端直接放在落肥管中，排肥管末端的朝向、角度均無法調控，不利于精量和穩定施肥。本文設計的肥料均布器如圖4所示，主要由肥管接口、均肥管、均肥擋桿等組成。肥料均布器上端與排肥管末端連接，并置于總排肥管中間位置，以保證肥料流動方向的集中穩定，同時在圓管內壁設計有軸向等距、徑向垂直、中間未交叉的5組均肥擋桿，相鄰層均肥擋桿徑向夾角45°，通過碰撞保證肥料均勻分散在管道內，為后續的肥料分配比例提供支持。

1.肥管接口 2.調節塊 3.均肥管 4.均肥擋桿

1.Interface of fertilizer tube 2.Adjustment block 3.Fertilizer distributing tube 4.Fertilizer uniform distributing rod

注：為均肥管內徑，mm；為均肥擋桿末端所在圓內徑，mm；1、2、3、4、5為肥料的流通區域。

Note:is the inner diameter of fertilizer uniform distributing tube, mm;is the inner diameter of the circle formed by the end of fertilizer uniform distributing rod, mm;1,2,3,4and5are the fertilizer circulation areas.

圖4 肥料均布器

Fig.4 Fertilizer uniform distributor

調節塊根據總排肥管的參數確定，長、寬均為36 mm，高20 mm，均肥管外徑設計為34 mm，壁厚為2 mm，則均肥管內徑為30 mm，為保證肥料均勻分布于排肥管內，1～4的各區域面積應與5區域相同，則有：

式中為均肥擋桿直徑，mm。

設均肥擋桿的最大直徑為5 mm，則由（1）式得為11.53 mm，此時肥料的流通面積（mm2）為

由式（2）得為521.8 mm2。以最大施肥量525 kg/hm2、機器作業幅寬2300 mm、施肥行數8行、機器前進速度為7 km/h為計算依據，則單位時間施肥量m為29.4 g/s。根據機器尺寸得肥料從排肥口排出的最小速度min約為1 920 mm/s，則均肥管不發生堵塞的最小流通面積min為

式中ρ為肥料的密度，845.61 kg/m3[26]。

根據式（3）得肥管不發生堵塞的最小流通面積min為18.1 mm2，遠小于肥料的流通面積，肥料均布器滿足肥料流通要求。

2.3 肥料比例調節方法

不同地區肥料的施用量和上下層肥料施用比例有所不同，因此上下層肥料排施量需在一定比例內可調，同時需保證分配比例的可靠穩定。

本文設計的分肥板兩側與總排肥管之間僅留有便于安裝的0.5 mm間距，分肥板上端為倒楔形，以減少因肥料與分肥板碰撞彈跳引起的左右兩側肥料分配比例不穩定，分肥板將肥料均布器中圓管的內圓面積分割成2個部分（本文以緊固肥料均布器的螺栓所在位置為右，對面為左），左側為下層肥料通道，右側為上層肥料通道，通過在肥料比例調節滑槽內左右移動緊固件，調節肥料均布器中圓形落肥管的左右兩側落肥面積，以落肥面積占總圓面積的比例表征肥料分配比例，本文設計左側面積在50%～70%之間可調，右側面積在30%～50%之間可調，以滿足不同地區油菜施肥要求。

將肥料比例調節分配部件進行簡化，如圖5所示，以肥料均布器圓管圓心為坐標原點構建直角坐標系，以鏟體前進方向的反方向為軸的正方向，前進方向的右方為軸的正方向，則肥料均布器內圓的方程為

分肥板上端倒楔形頂部棱邊與軸平行，且將內圓面積分成2部分。

注：0為分肥板與坐標原點的距離，mm；為分肥板左側區域面積，mm2；為分肥板右側區域面積，mm2。下同。

Note:0is the distance between the fertilizer separating board and the coordinate origin, mm;is the area on the left side of the fertilizer separating board, mm2;is the area on the right side of the fertilizer separating board, mm2. The same below.

圖5 肥料比例調節示意圖

Fig.5 Schematic diagram of fertilizer proportion adjustment

根據積分求圓面積的方法，結合分層施肥比例要求，應用Excel軟件求解不同施肥比例對應的0值如表1所示。

表1 不同施肥比例的分肥板位置

2.4 土壤回填機構參數設計

分土板參數對下層肥溝的土壤回填和上層肥溝的成型具有重要影響，直接影響分層施肥效果。為滿足上層肥料左右分施要求，根據上層排肥口尺寸，分土板與鏟體外側面夾角設計為160°，其角度遠大于土壤與鏟體的摩擦角[13]，土壤可在重力作用下回填；為實現上層肥溝深度的調整，上側翼板下端與下側翼板下端距離設計為90 mm，并通過調整上層落肥管的豎向位置實現施肥深度的調整，同時為保證分土板的分土性能，上側翼板的高度設計為80 mm。

上側翼板下端的土壤顆粒經過點后，進入下層土壤回填階段，下層肥溝溝頂的邊緣土壤顆粒下落。為了避免土壤回填時間過長，造成上層肥料隨土壤滾落至下層肥溝內，影響分層施肥效果，設計了通過焊接與L形分土板呈一定角度的扇形回土板，扇形回土板為以寬度3為半徑的四分之一圓，圓弧面向前焊接在L形分土板下側，以保證土壤快速回填到下層肥溝內，同時利用回土板為上層肥料劃切出肥溝。分土板結構簡圖如圖6所示。

為保證上層肥料落在上層肥溝內，鏟體寬度與回土板與分土板焊接位置與鏟體側面的距離需滿足：

本文設計的鏟體寬度l為40mm，根據式（5）得2的取值范圍為10～20 mm，本文取2=15 mm。根據結構幾何關系，回土板與分土板的焊接位置到點的距離1為

根據式（6）得1為44 mm。為保證土壤順利回填，扇形回土板與鏟體側面的夾角需遠大于土壤與鏟體的摩擦角[13]，本文取135°。同時，為避免回土板對下層肥溝已回填土壤的擾動，扇形回土板末端與鏟體側面需盡量保持在一個面上，則扇形回土板的寬度3為

根據上式得扇形回土板的寬度3=22 mm。同時為保證較好的上層肥料埋土效果，在鏟體后方也安裝了回土板。

3 肥料比例調節分配機構仿真試驗與分析

肥料比例調節分配機構是影響上下層肥料排施比例的關鍵部件，其作業效果直接影響施肥比例的準確性和穩定性。本文通過構建肥料比例調節分配機構模型，應用EDEM仿真軟件進行多因素試驗，分析各參數對肥料分配比例準確性和穩定性的影響，獲取肥料比例調節分配機構的最佳結構參數。

3.1 仿真模型構建

為保證仿真的準確性并縮短仿真時間，將與肥料顆粒無接觸的部件省去，按照1:1的比例，采用SolidWorks軟件建立肥料比例調節分配機構三維模型，以.IGS格式導入EDEM軟件。肥料比例調節分配機構上端接一段斜置的肥管，仿真時肥料從肥管開始進入。適用于油菜的配方肥球形度均大于87%，球形度較高，因此用球形代替顆?；蔥27-28]，設置其密度為845.61 kg/m3，等效直徑為3.3 mm，泊松比為0.25，剪切模量為1.1×108Pa[25]。結合實際施肥量和機器作業速度，設置顆粒生成速度為500 粒/s，固定時間步長為Rayleigh時間步長的20%，仿真時間10 s[29]。由于顆?；蕿轭惽蛐紊⒘ｓw，顆粒表面無粘附作用，因此選擇Hertz-Mindlin (no-slip)無滑動接觸模型[30]。

3.2 仿真試驗與結果分析

3.2.1試驗設計

肥料均布器中的均肥擋桿直徑D、均肥擋桿組數D及相鄰均肥擋桿組之間的距離D是影響肥料均勻分布效果進而影響上下層肥料分配比例穩定性的主要因素，采用Design-Expert軟件響應面分析中的Box-Behnken Design(BBD)響應面優化分析法進行二次回歸正交旋轉組合設計，每組試驗重復3次取平均值。

分析肥料均布器結構可知，均肥擋桿直徑越小，越利于肥料通過，但結構強度越低；均肥擋桿組間距越小肥料越容易通過，但均肥效果越差，結合文獻[20]，在確保均肥擋桿強度的基礎上，選取均肥擋桿直徑為3～5 mm，每層均肥擋桿組間距8～12 mm；根據肥料均勻分布策略和肥料均布器結構限制，確定均肥擋桿組數為4～6組。試驗因素水平如表2所示。各仿真參數如表3所示。

表2 試驗因素水平表

表3 仿真參數設置

結合油菜生長需肥特點，以上、下層施肥量比例4∶6設置分肥板位置，以機器前進速度4 km/h時的排肥量設置顆粒生成速度，以上、下層施肥比例與設置的目標比例誤差為試驗指標，考察肥料比例調節分配機構的作業效果。上、下層施肥比例與目標施肥比例的誤差可由式（8）計算。

式中E為上層施肥量比例與目標施肥比例的誤差；m為上層實際施肥量比例，%；m為設置的上層施肥量比例，%；E為下層施肥量比例與目標施肥比例的誤差；m為下層實際施肥量比例，%；m為設置的下層施肥量比例，%。

3.2.2 結果與分析

試驗方案和結果如表4所示，利用Design-Expert軟件對試驗數據進行處理，剔除不顯著項，得到實際施肥比例與目標施肥比例誤差的二次回歸模型為

表4 試驗方案和結果

注：1、2、3分別為均肥擋桿的直徑、組數和組間距編碼值。下同。

Note:1,2and3are the coded values for diameter, groups and distance between groups of fertilizer uniform distributing rods. Same as below.

對二次回歸模型進行方差分析和顯著性檢驗，結果如表5所示。

表5 回歸方程方差分析

注：<0.01為極顯著影響；0.01≤<0.05為顯著影響。

Note:<0.01 means significant effect; 0.01<<0.05 means significant effect.

根據表5可知，二次回歸模型<0.01極顯著，失擬項>0.05失擬不顯著，說明擬合模型能正確反映各因素與誤差之間的關系，可以較好地對試驗結果進行預測，1、2、3、12、12、22、32項極顯著，其余項均不顯著，根據模型回歸系數大小可知，各因素對誤差的影響由大到小依次為3、2、1。

將任一因素固定在0水平，得到其余兩因素交互作用對實際施肥比例與目標施肥比例誤差的響應面圖，如圖7所示，由圖7a可知，當擋桿組間距D處于0水平，且擋桿組數為5時誤差存在最小值；由圖7b可知，當D處于0水平，擋桿組數D位于4.4～5.6之間時誤差存在最小值；由圖7c可知，當D處于0水平，D值較大或較小且D較小時誤差存在最小值。利用軟件中Optimization-Numerical模塊求得最優參數組合為D=3 mm，D=5.16，D=8.94 mm，此時實際施肥比例與目標施肥比例誤差為1.83%，結合加工實際，確定最優參數為D=3 mm，D=5，D=8.9 mm。

4 排肥穩定性試驗

4.1 試驗條件與評價指標

為驗證仿真分析確定的最優參數組合下肥料比例調節分配機構的作業性能，以螺旋擾動錐體離心式排肥器為供肥裝置，選用史丹利復合肥，開展排肥器轉速在100、110、120 r/min（對應播種速度約為1.8、2.6、3.1 km/h。此3種排肥器轉速下各行排肥量一致性系數高于96.5%，排肥均勻穩定）[25]，上、下層設置施肥比例為50:50、40:60、30:70，供肥時間1 min的肥料比例分配性能試驗，每次試驗利用接肥袋收集各排肥管內肥料，重復3次取平均值。試驗以目標施肥比例與實際施肥比例誤差、上下層落肥管排肥量穩定性變異系數和上層落肥管左右兩側排肥量穩定性變異系數為評價指標，排肥量穩定性變異系數由式（10）求得。

式中為試驗次數；x為排肥量，g；CV為排肥量穩定性變異系數，%。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 上下層排肥量穩定性試驗

上下層排肥量穩定性變異系數是衡量肥料分配比例穩定性的重要指標。肥料比例調節分配機構排肥性能試驗如圖8所示。排肥性能試驗結果如表6所示。

由表6可知，相同上下層目標施肥比例下，隨排肥器轉速增加，即排肥量的增加，實際施肥比例與目標施肥比例誤差逐漸增大；相同排肥器轉速下，隨上層目標施肥比例的減小，實際施肥比例與目標施肥比例誤差也逐漸增加，最大誤差為4.1個百分點，該誤差較小，對油菜后期長勢影響較弱，滿足油菜施肥要求。

上下層排肥穩定性變異系數隨排肥器轉速關系如表7所示。由表7可知，目標施肥比例為40:60和30:70時，下層排肥量穩定性變異系數均低于上層實際排肥量穩定性變異系數；目標施肥比例為50:50和40:60時，隨排肥器轉速的增加，排肥量穩定性變異系數減小，上下層排肥量穩定性變異系數最高為3.9%，說明上下層肥料比例分配穩定，滿足油菜分層施肥要求。

4.2.2上層分施排肥性能試驗

上層左右落肥管排肥量差異和穩定性是影響油菜根系前期生長的重要指標。上層排肥穩定性變異系數如表8所示。

從表8可以看出不同轉速下上層左右落肥管排肥量穩定性變異系數低于4.8%，說明左右兩側排肥量穩定性好，排肥器轉速對兩側排肥量穩定性影響較小。

上層左右兩側落肥管的排肥性能試驗結果如表9所示。由表9可知，實際施肥比例與目標施肥比例誤差低于4.1個百分點，說明左右兩側落肥管分肥效果好，滿足上層肥料分施要求。

表6 不同轉速下肥量控制與分流機構上下層排肥性能試驗結果

表7 不同轉速下上下層排肥量穩定性變異系數

表8 不同轉速下上層左右側排肥量穩定性變異系數

表9 不同轉速下上層左右側排肥性能試驗結果

5 田間試驗

為驗證分層定量施肥裝置的分層施肥效果，于2020年9月11日在監利市試驗示范基地開展田間試驗。選用2BYL-8型離心式油菜直播機作為試驗平臺，試驗前地塊已旋耕，肥料為史丹利復合肥，采用東風井關T954型拖拉機3.1 km/h開展試驗，試驗中采用拖拉機12V蓄電池作為電源為排肥器直流電機提供動力，排肥器轉速為120 r/min，試驗中任取5行肥溝，機器前進20 m后選取肥溝內第一個測量點，間隔50 m后選取另一個測量點，共計10個測量點，測量分層施肥深度和上層肥料分施間距，試驗現場如圖9所示。

施肥深度為每層肥料與地表的最遠肥料顆粒距離，上層分施間距為左右兩側距離最近的肥料顆粒之間的距離。由于測量過程中存在土壤流動，且進行肥料位置測量將土扒開過程造成肥料位置的改變，無法準確測得實際值，因此為確保施肥位置的測量結果更接近實際值，采用位于落肥管內且與排肥口最近的肥料顆粒位置作為測量依據，分別測得上、下層施肥深度和上層左右兩側肥料的分施間距，測量結果如表10所示。由表10可知，下層肥料平均深度為141.2 mm；上層左側肥料平均深度為81.9 mm，右側平均深度為81.6 mm，兩者相差不大；上層左側與右側肥料平均間距為67.8 mm。上述結果均滿足設計要求，同時施肥深度穩定，滿足分層施肥要求。

表10 施肥位置測量結果

6 結 論

1）針對長江中下游地區油菜播種同步施肥過程施肥方式粗放、分層施肥裝置匱乏問題，提出了一種基于肥料流均勻分布的上下層肥料比例調節、上層肥料左右分施技術，設計了一種上下層施肥深度可調的分層定量施肥裝置，利用二次回歸正交旋轉組合試驗，仿真分析確定了均布裝置的最優結構參數：擋桿直徑為3 mm、擋桿組數為5、擋桿組間距為8.9 mm。

2）最優參數組合下的排肥性能試驗結果表明，上下層實際施肥比例與目標施肥比例最大誤差為4.1個百分點，排肥量穩定性變異系數低于3.9%，說明肥料比例分配穩定；上層左右落肥管實際施肥比例與目標施肥比例誤差低于4.1個百分點，排肥量穩定性變異系數低于4.8%，滿足上層肥料分施要求；田間試驗表明，施肥裝置作業穩定，滿足油菜分層施肥要求。

本研究重點對顆?；示鶆蚍植及幢壤峙溟_展理論分析，以滿足肥料分層施用的要求，未進行殘茬量大且未耕整地塊的試驗，后續將結合主動防堵裝置的研究對不同田塊的適應性進行試驗與分析。

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Design and experiments of layered and quantitative fertilization device for rapeseed seeder

Liu Xiaodong,Wang Xuping,Chen Liyuan, Zhang Chaoyu, Liu Wenbo, Ding Youchun※

(1.,,430070,; 2.,430070,)

Overuse of chemical fertilizers is one of the important factors that cause the agricultural nonpoint source pollution to aggravate in precise agriculture. The middle and lower reaches of the Yangtze River are the main producing areas of oilseed rape in China. In sowing, the mixed and extensive application of chemical fertilizers with low utilization has become a severe restriction on the sustainable production of rape in green agriculture. Layered and quantitative fertilization is an alternative way to reduce the excessive amount, while increasing the efficiency of chemical fertilizers. In layered fertilizing, the proportion of fertilizers in the upper and lower layer can be accurately controlled with a high utilization rate for the later advantageous growth of crops in different areas. However, the traditional extensive mode of operation has posed a great challenge on the direct seeding of rapeseed in the middle and lower reaches of the Yangtze River. In this study, a layered and proportional fertilizing device was proposed for the uniform distribution of fertilizer flow in a rape seeder, according to the planting and growth pattern of the root system. A proportional control system was applied to adjust the amount of fertilizer in the upper and lower layers, while separately fertilizing at the left and right of the upper layer. A quadratic regression orthogonal test was conducted to take the diameter of blocking rod, the number of the blocking rod groups, and the distance between blocking rods as the experimental factors. The optimal structural parameters of the device were determined: the rod diameter was 3 mm, the number of rod groups was 5, and the distance between the rods was 8.9 mm. A performance test of fertilizer discharge was carried out under the optimal combination of parameters. The evaluation indexes were set as the error between the target fertilizing ratio and the actual fertilizing ratio, the variation coefficient of stable discharge volume for the upper and lower pipes, and the variation coefficient of stable discharge volume for the left and right sides of the upper pipe. The test results showed that the maximum error between the actual and target fertilizing ratio was 4.1 percentage points for the upper and lower layers, indicating very little influence on the later growth of rape. The variation coefficient of stable fertilizer discharge in the upper and lower layers was lower than 3.9%, indicating a stable distribution of fertilizer ratio for the standard requirements in the layered fertilization of rape. The error between the actual and target fertilizing ratio was less than 4.1 percentage points in the upper pipe, meaning an excellent fertilization effect for the standard requirements in the upper layer. The variation coefficient of stable discharge volume was lower than 4.8% in the upper pipe. There was no obvious relationship with the rotational speed of the discharge device, indicating excellent stability of discharge volume for the left and right sides. The field test showed that the fertilizing device was stable for the high requirements in the layered fertilization of rape. This finding can provide potential technical support for the proportional layering of fertilizer during large-scale production of oilseed rape.

design; experiments; rapeseed; layered fertilization; deep fertilization

劉曉東，王緒坪，陳禮源，等. 油菜直播機分層定量施肥裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(5)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001 http://www.tcsae.org

Liu Xiaodong, Wang Xuping, Chen Liyuan, et al. Design and experiments of layered and quantitative fertilization device for rapeseed seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001 http://www.tcsae.org

2020-09-29

2021-02-20

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；

劉曉東，博士生，研究方向為現代農業裝備設計與測控。 Email：17863963882@163.com

丁幼春，教授，博士生導師，研究方向為油菜機械化生產智能化技術與裝備。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001

S223.2+4

A

1002-6819(2021)-05-0001-10