基于旋耕覆土的冬小麦基肥分层定深施用装置设计

祝清震，武广伟，陈立平，孟志军，史江涛，赵春江



基于旋耕覆土的冬小麦基肥分层定深施用装置设计

祝清震1,2，武广伟2，陈立平3，孟志军3，史江涛4，赵春江1,2※

（1. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，杨凌 712100； 2. 北京农业信息技术研究中心，北京 100097；3.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097； 4. 西安亚澳农机股份有限公司，西安 710300）

针对中国黄淮海地区冬小麦主产区基肥的无序、过量施用和利用率低等问题，该文在基肥分层施用农艺研究基础上，基于旋耕机覆土原理，提出了土壤后覆盖方式下的冬小麦基肥精准分层定深投送方法，并设计了冬小麦基肥分层定深施用装置，该装置可一次完成旋耕、分层施肥和镇压作业。其中旋耕机构配备变速齿轮传动箱，可以进行高、中、低3种转速之间的转换，选用国标IT245型号旋耕刀，在刀辊上按对称螺旋线布置；肥料分层投送机构配深层和浅层排肥管，用于深层和浅层肥料的投送作业。在北京小汤山精准农业示范基地进行了装置的田间作业性能试验，结果显示：装置在120、150和180 mm的3种耕深作业工况下，耕深最大误差为5 mm，耕深稳定性系数最小为93.84%，满足旋耕机构的作业性能技术要求；设置浅层和深层肥料的目标施用深度分别为80和150 mm，实际肥料施用深度稳定性系数分别为92.38%和95.11%、合格率分别为83.33%和90%，满足旋耕施肥装置的作业性能指标要求。该研究可以为冬小麦基肥的机械化精准分层定深施用技术提供装备支撑。

农业机械；设计；旋耕；基肥；分层施肥

0 引 言

基肥施用是农作物生长管理过程中一个重要环节，高效的施用基肥方法对保证农作物的产量具有重要意义[1-2]。在中国黄淮海地区，小麦等农作物的基肥施用方法仍然沿用地表撒施+深翻或旋耕的深施或全层施用技术模式，这2种基肥施用模式方式存在化肥无序投放、利用率低和过量施用的缺点[3-4]，改变和优化现有小麦的基肥施用方式是亟需解决的问题，因此研究人员从农艺的角度对基肥施用方式进行了大量研究，其中基肥分层施用是较为先进的施肥技术方式之一[5-7]，夏光利等[8]以济麦22号作为试验对象，发现采用分层施肥可以显著提高小麦的产量和氮肥的利用率；席天元等[9]研究发现分层施磷可以明显促进冬小麦生长发育，提高地上部和根系干重，增加下层根系比例，和提高磷肥的利用率；耿伟等[10]研究了肥料分层深施对旱作冬小麦光合生理特性及产量的影响，试验结果表明按10 cm+30 cm+50 cm分层施肥可明显改善旱作冬小麦光合生理特性，提高产量。因此，开展冬小麦基肥的机械化分层施用技术研究具有重要意义。

最近几年，国内外学者对分层施肥机械装备进行了大量的研究，其中以玉米、棉花、大豆等宽行距株植农作物为应用对象的相关分层施肥机械研究较多，如河北农业大学的刘其潼等设计开发的玉米分层施肥装置[11-12]，王云霞等[13]应用离散元法对该分层施肥装置的结构参数进行了仿真优化研究；东北农业大学的顿国强等设计开发了适用于中国东北地区大豆种植模式的调比控位分层施肥装置[14-15]；刘进宝等[16]设计开发了适用于中国新疆地区棉花种植模式的2FQ-5多层施肥机。目前应对小麦等密植窄行距农作物的分层施肥机械还较少，王志伟等[17]研发了一种可以同时完成深松、分层施肥、播种和覆土及镇压的机具，其中分层施肥机构安装在深松铲后侧，依靠肥料颗粒的重力进行分层作业；姚万生等[18]设计了组合式下位分层施肥播种联合作业装置，这些分层施肥装置和机具虽然能取得一定的分层施用效果，但其大多与开沟器相配合使用，在应用过程中，肥料的分层施用效果不能完全适应冬小麦的窄行距密植管理模式，因此开展适用于中国黄淮海地区的小麦基肥精准分层定深施用装置的创新研究十分必要。

本文应对中国黄淮海地区冬小麦主产区基肥的无序、过量施用和利用率低等问题，基于旋耕机覆土原理，提出了土壤后覆盖方式下的冬小麦基肥精准分层定深投送方法，并依据该方法设计了冬小麦基肥分层定深施用装置，为小麦基肥的机械化分层施用技术提供装备支撑。

1 施肥装置结构及工作原理

1.1 机构组成及技术参数

冬小麦的基肥精准分层定深施用装置是根据我国黄淮海平原一年两熟地区的冬小麦种植施肥管理农艺需求设计研发的，该施肥装置将肥料分层施用过程与传统的旋耕整地作业相结合，可以一次完成冬小麦基肥深层和浅层的精准定深投送，其结构如图1所示，主要由机架、限深机构、旋耕机构、肥料分层投放机构、镇压机构、精准排肥控制系统、深层肥箱、浅层肥箱等组成。机架下侧从前往后依次安装布置限深机构、旋耕机构、肥料分层投放机构和镇压机构，机架上侧由前向后依次安装布置浅层肥箱和深层肥箱，其中精准排肥控制系统安装在浅层肥箱和深层肥箱一侧。该装置的主要技术参数如表1所示。

1.机架 2.深层肥料箱 3.浅层肥料箱 4.精准排肥控制系统 5.镇压机构 6.肥料分层投放机构 7.旋耕机构 8.限深机构

1.2 工作原理

冬小麦基肥分层定深施用装置是采用土壤后覆盖的形式对不同目标施用深度的肥料进行精准投放作业。装置由拖拉机提供前进动力和举升力，旋耕机构的前端通过万向伸缩传动轴与拖拉机的动力后输出轴连接，依靠齿轮传动的方式驱动刀轴进行转动，刀轴上的旋耕刀完成碎土、切茬和抛土作业，被旋耕刀切碎的土壤向机具后端抛撒，安装在旋耕机构后端的基肥分层投送机构排出的肥料，可以立即被回落到沟底的土壤覆盖，达到不同深度位置的浅层肥料和深层肥料层叠分布的技术效果，如图2所示。位于装置最后端的镇压机构对施肥后的地表进行镇压，形成较紧实的土壤表层环境，减少浅层化肥的挥发。其中施肥装置上端的浅层肥箱和深层肥箱可以为分层投放机构提供持续的化肥物料，精准排肥控制系统通过调整排肥轮的转速可以对浅层和深层肥料的排出量进行精准控制；旋耕机构配备变速齿轮传动箱，可以根据不同的土壤环境和机具前进速度，对刀轴的转速进行调整；限深机构和镇压机构相互配合可以对装置的旋耕深度进行调整；根据肥料分层施用深度实际需求，可以对肥料分层投送机构的排肥管位置进行纵向和横向调整。

表1 主要技术参数 Table 1 Main structural parameters of the device

1.旋耕机构 2.深层肥料投送管 3.浅层肥料投送管 4.未耕土壤 5.已耕土壤 6.深层肥带 7.浅层肥带

1.Rotary tilling device 2.Pipeline of deep layered fertilizer delivery 3.Pipeline of shallow fertilizer layered delivery 4.Unploughed soil 5.Cultivated soil 6.Deep layered fertilizer belt 7.Shallow layered fertilizer belt

注：图中箭头表示旋耕刀旋转方向。

Note: Arrow in figure means rotation direction of rotary blade

图2 肥料精准分层定深施用工作原理

Fig.2 Working theory of precision stratified application device of base-fertilizer

2 关键机构参数设计

为了达到基肥精准分层投送的技术效果，需要对该装置的关键机构进行设计，本文主要对旋耕机构和肥料分层投放机构进行重点分析和设计。

2.1 旋耕机构

旋耕机构除了完成对田间土壤进行耕、耙作业，为种子发芽提供良好的种床条件外，由装置的工作原理可知，旋耕机构还必须具有较好的土壤抛撒特性，以达到肥料的分层覆盖效果。

2.1.1 总体设计

旋耕机构主要由可变速齿轮传动箱、刀辊、刀座、旋耕刀、窜垡型小犁、支撑侧板和破茬小铲等组成，如图3所示。为了使旋耕机构布局紧凑，缩短传动路径，以及使旋耕刀轴对称布置，旋耕机构采用中间传动形式，刀辊分左右安装在变速齿轮传动箱两侧，为了防止齿轮箱下侧出现漏耕现象，在齿轮箱前端安装窜垡型小犁，刀辊外侧两端通过支撑侧板上的轴承固定，对于秸秆覆盖较多的地表，旋耕机构2个支撑侧板前方易出现拥堵的现象，本文在支撑侧板前端安装破茬小铲，以提高旋耕机构两支撑侧板的通过性，另外一方面，与传统的旋耕机构相比，本文设计的旋耕机构后侧不配备后拖板，可以使旋耕刀抛出的土壤顺利向后抛撒。

1.机架 2.变速齿轮传动箱 3.支撑侧板 4.刀座 5.窜垡型小犁 6.刀辊 7.旋耕刀，8.破茬小铲

2.1.2 变速齿轮传动箱

旋耕刀的转速对碎土率和抛土效果具有重要影响[19]，为了满足不同工况下旋耕刀转速的不同需求，同时为了提高作业效率，设计了变速齿轮传动箱，并将齿轮箱分为主齿轮箱和副齿轮箱，其中主齿轮箱主要完成变速功能，副齿轮箱主要完成传动和变向功能，其动力传输方案如图4所示。在主齿轮箱内，通过档位拨叉对齿轮组之间的啮合关系进行调整，可以实现低、中、高3种转速转换，当一轴上主动齿轮1与二轴上从动齿轮1′啮合时，刀辊进行低速旋转；当一轴上主动齿轮2与二轴上从动齿轮2′啮合时，刀辊进行中速旋转；当一轴上主动齿轮3与二轴上从动齿轮3′啮合时，刀辊进行高速旋转。将主动齿轮1、2、3进行联动，以保证动力传输过程中有且仅有一对齿轮进行啮合。

根据旋耕机构的低、中、高3种动力传输要求机械设计手册，本文设计的变速齿轮传动箱内各级齿轮齿数：1为21，2为20，3为19，1′为19，2′为20，3′为22，4为19，5为23，6为16，7为30，8为25。其中主齿轮箱内不同啮合齿轮之间的传动比见式（1）。

式中11′、22′、33′分别表示低速、中速、高速传动比；1、2、3分别表示一轴上齿轮1、齿轮2、齿轮3的工作转速，r/min；1′、2′、3′分别表示二轴上齿轮1′、齿轮2′、齿轮3′的工作转速，r/min；1、2、3分别表示一轴上齿轮1、齿轮2、齿轮3的齿数，1′、2′、3′分别表示二轴上齿轮1′、齿轮2′、齿轮3′的齿数。

副齿轮箱内各级传动齿轮比为

式中45、68分别表示齿轮4和5、齿轮6和8的传动比；4、5、6、7、8分别表示齿轮4、齿轮5、齿轮6、齿轮7、齿轮8的工作转速，r/min；4、5、6、7、8分别表示齿轮4、齿轮5、齿轮6、齿轮7、齿轮8的齿数。

故拖拉机的后输出轴与旋耕机刀辊转动之间的传动比关系存在3种形式，如式（4）所示。

式中表示变速齿轮传动箱可以选用的传动比。

以约翰迪尔1204型拖拉机作为机具的配套动力，该型拖拉机的后输出轴转速为540 r/min，结合式（4），利用式（5）可以对旋耕机构刀辊的高、中、低3种转速进行计算。

式中L、M、H分别表示变速齿轮传动箱的可以传输的低、中、高工作转速，r/min。

根据现有旋耕机构的转速一般介于220～350 r/min之间，本文所设计的3种转速能够满足不同工况对旋耕刀转速的需求。

1 (2、3).主动齿轮 1′ (2′、3′).从动齿轮 4.小锥齿轮 5.大锥齿轮 6.三轴平齿轮 7.四轴平齿轮 8.刀辊齿轮 9.档位拨叉 10.一轴 11.二轴 12.旋耕刀

2.1.3 旋耕刀及其排列方式

旋耕刀是旋耕机构直接与土壤接触的关键部件，以正向旋转作业为例，旋耕刀首先将旋耕机构前端的土垡切下，然后将土垡向后抛出[20]。其中旋耕刀的种类、刀具数量、旋耕刀的排列方式等都会对旋耕机构的碎土、抛土性能具有重要影响[21]。结合装置的肥料分层覆盖的特殊功能要求，对旋耕刀的型号、数量和排列方式进行设计。

国标IT245型弯刀因为具有较好的滑切性能和防杂草、秸秆缠绕特性，在中国应用最为广泛[22]。本文选用国标IT245型弯刀作为旋耕机构的旋耕刀，其幅宽为50 mm，回转半径为245 mm，该型号弯刀理论的最大旋耕深度为205 mm。

旋耕刀正向旋转时，其上各点的运动轨迹均为余摆线[23]，其运动轨迹分析见文献[24]。

弯刀进行切土的同时，刀端也会撕裂其附近的土壤，旋耕刀的纵向安装间距应该大于旋耕刀的工作幅宽，其取值服从式（6）。

式中∆为相邻2个旋耕刀的纵向固定间隙，常取10～20 mm；表示旋耕刀作业幅宽，mm；表示旋耕刀的纵向安装间距，mm。本文选用的IT245弯刀工作幅宽为50 mm，为了提高旋耕刀的碎土率，本文∆取11mm。

旋耕机构的刀辊上安装弯刀总数按式（7）计算。

式中表示每个切土小区内刀片数，本文=2；为弯刀总数目（取偶数值）；为旋耕装置一侧刀辊的有效长度，mm。

装置的作业总幅宽为2550 mm，其中变速齿轮箱下侧宽度为145 mm，则单侧刀辊的作业耕幅为1164 mm，带入式（7），可知需要安装的弯刀总数为76个，即每侧安装38个弯刀。为避免旋耕刀切削土壤过程中附加多余动载荷和增加刀辊的脉冲振动，参照现有旋耕机理论[25]，以变速齿轮箱为中心，采用对称螺旋线排列方式对旋耕刀进行安装固定，其中每个切土小区的2个旋耕刀安装夹角为142°，相邻同类型旋耕刀的安装夹角为56.8°，安装排列方式如图5所示。

注：表示左旋刀，表示右旋刀。

2.2 肥料分层投送机构

参考文献[24]，对肥料分层投送机构进行设计。如图6所示，该机构主要由深层排肥管、浅层排肥管、纵向梁、套筒、固定螺栓、U型螺栓等组成，深层排肥管、浅层排肥管分别通过固定螺栓固定在对应的套筒上，套筒通过U型螺栓固定在纵向梁上，纵向梁前端固定在机架的中部横梁，后端固定在机架后部横梁。为了满足不同施肥深度要求，深层排肥管、浅层排肥管可进行横纵调整，通过调节U型螺栓，使套管在纵向横梁上前后移动，调整排肥管与刀辊旋转中心水平间距；通过调节固定螺栓，使排肥管在套筒内上下移动，调节排肥管作业深度。

1.机架后梁 2.纵向梁 3.固定螺栓 4.套筒 5.U型螺栓 6.机架中部横梁 7.深层排肥管 8.浅层排肥管

3 田间作业性能试验

参照GB/T20346.1-2006《施肥机械试验方法》第1部分全幅宽施肥机、NY/T1003-2006《施肥机械质量评价技术规范》和JB/T 8401.1-2007《旋耕联合作业机械旋耕施肥播种机》，对所设计的小麦基肥精准分层定深投送装置进行田间作业性能试验。

3.1 试验地点

2017年10月在北京市昌平区小汤山国家精准农业研究示范基地（北纬40°，东经116°26′）的北部试验田进行小麦基肥精准分层定深投送装置试验，试验田前茬作物为玉米。试验区域的土壤为黄黏土，采用5点取样法，应用土壤紧实度仪（浙江托普仪器有限公司，TJSD-750-IV型号，精度0.02 kPa）、土壤湿度及温度测试仪（德国STEPS，MST-3000+型号，湿度和温度的精度分别为0.1%和0.1 ℃）和堆积角测量装置对试验区域的各层土壤的紧实度、湿度、温度和堆积角进行测试记录。对试验区域及数据采集点进行标记，每个试验小区长70 m，宽3 m，小区前10 m作为加速区，后10 m作为减速区，中间50 m作为试验数据采集区，并在该区域每隔5 m设置1个数据采集点标签，共计10个采样点，重复试验3次。

3.2 试验材料

为了测试装置的基肥分层定深投送效果，必须对排施对象肥料进行选型。传统的化肥颗粒一旦施入土壤中，如何再次进行回收和施用深度测量，是进行田间试验的难点，本文在文献[14]的基础上，以肥料粒径大小、肥料包衣颜色与试验区域黄黏土颜色差别大小作为筛选条件，最终选用中化山东肥业有限公司生产的蓝精灵复合肥（蓝色）和山东红日化工股份有限公司生产的艳阳天复合肥（粉红色）作为装置的化肥排施对象。使用游标卡尺（桂林广陆数字测控股份有限公司，K15G278418数显卡尺，精度0.02 mm）对2种化肥颗粒的长、宽和高进行测量，并对其等效直径和球形率进行计算[25]，相关测量和计算结果如表3所示。

表2 试验田条件

表3 试验肥料的三维尺寸

3.3 试验方法

选用约翰迪尔1204型拖拉机作为动力牵引装置，经过测试，选择约翰迪尔1204拖拉机的中速1档，发动机的转速为2 000 r/min时，可以保证机具稳定在1.5 m/s的速度匀速前进，同时其动力后输出轴可以稳定在540 r/min的转速，通过调节旋耕机构的变速齿轮箱的档位，使旋耕刀的作业转速保持在245 r/min。本试验选择设置120、150和180 mm 3种旋耕作业目标深度用于考察装置的旋耕作业性能；然后以旋耕目标深度180 mm作业工况为例，进行分层施肥作业性能试验，参考文献[26]，设置深层肥料投送目标深度为150 mm，浅层肥料投送目标深度为80 mm，参考文献[24]，对肥料分层投送机构的排肥口空间位置参数进行调整，试验测试内容主要包括旋耕和施肥质量等，试验及数据测量过程如图7所示。

3.3.1 旋耕作业质量测试及评价方法

作业耕深与耕深稳定性系数是用来表征旋耕质量的关键指标[23]。使用耕深尺在试验区域设置的数据采集点对耕深数据进行采集，鉴于装置的作业幅宽较大，为了减少试验误差，选择每个数据采集点旋耕机构的左、右刀辊的中部位置各测1次，取其平均值作为该采集点的旋耕作业深度，每个行程共计10个数据采集点，相同工况下重复3次，每种旋耕作业深度试验工况共计30组数据，该工况下机具的耕深平均值，目标耕深误差，耕深标准差、变异系数和稳定性系数，按式（8）计算。

图7 机具田间性能试验

3.3.2 分层施肥作业质量测试及评价方法

式中表示肥料的深度合格率；N表示施肥深度满足要求的测试点数目，这里取±1 cm为满足肥料投送深度要求；N表示总测试点数。

4 结果与分析

4.1 旋耕作业质量

对测取的旋耕作业深度数据进行整理，如表4所示，3种旋耕作业目标深度下，耕深最大误差为5mm，作业过程中的耕深稳定性系数最小为93.84%，耕深稳定性系数大于85%，各项参数均满足JB/T8401.1-2007《旋耕联合作业机械-旋耕施肥播种机》中规定的旋耕机构作业性能技术要求，说明机具的旋耕机构作业稳定性较好，能够为后方肥料的精准分层定深投送提供良好的作业条件。

表4 旋耕作业主要性能指标测试结果

4.2 分层施肥作业效果

对测取的深层和浅层肥料条带的位置深度数据进行整理，如表5所示，浅层肥料的实际施用深度误差为4.3 mm，深层肥料的实际施用深度误差为5.8 mm，作业过程中浅层肥料的投放位置深度稳定性变异系数为89.92%，深层肥料的投放位置深度稳定性变异系数为95.09%，说明机具的深层和浅层肥料条带的深度稳定性较高；浅层肥料的施用深度合格率为83.33%，深层肥料的施用深度合格率为90%，能够满足JB/T 8401.1-2007《旋耕联合作业机械旋耕施肥播种机》对施肥深度装置的施肥作业性能指标要求。相较于深层肥料，浅层肥料的施用深度稳定性系数和合格率较低，这可能与试验区域地表玉米秸秆覆盖量大有关，表层土壤出现架空现象，使浅层肥料带位置深度稳定性较差。

表5 分层施肥作业主要性能指标测试结果

5 讨 论

鉴于本文设计的冬小麦基肥精准分层定深施用装置是依靠旋耕机构的抛土特性完成肥料的分层定深施用，肥料的分层施用最大深度必然受旋耕机构的耕深限制，传统的旋耕机构作业耕深一般不大于200 mm，本装置不能满足冬小麦基肥分层施用的深度农艺要求时，王志伟[17]借助深松铲作业深度可以达到200 mm以上的技术特点，将分层排肥管固定在深松铲柄后侧，设计了适用于宽幅小麦的深松分层施肥机具，姚万生[18]等设计了组合式下位分层施肥播种开沟器，应用该组合式开沟器可以将深层肥料输送到200 mm以上的目标施用深度，同样达到了深层肥料和浅层肥料层叠分布的技术效果，这些实施方案都可以弥补本文研究的不足。

本文的旋耕刀、后抛土块的运动分析，以及对土壤结构的最终稳定状态假设，都是基于理论状态进行推导的，试验过程也是在大田状态下进行的，没有充分考虑土壤的物理参数如土壤含水率、土壤类型等对土块运动轨迹的影响，文献[29-30]对不同含水率、紧实度等参数下的土壤扰动与机具的作用关系进行研究，其中土壤含水率对旋耕作业效果具有重要影响。鉴于土壤的物理参数对土壤的运动过程具有重要影响，为了进一步完善和优化基肥精准分层定深投送装置工作性能，后期会开展相关研究工作。

6 结 论

本文将传统的旋耕机切抛土壤作业过程与小麦的基肥精准分层投送过程结合，研制了一种小麦基肥精准分层定深施用装置，确定了其主要机构和工作参数，并对其旋耕机构和肥料分层投放机构进行重点分析和设计，对装置的旋耕作业效果和肥料分层施用效果进行了田间试验，试验结果表明：

1）装置的旋耕机构在120、150和180 mm的3种目标旋耕深度作业工况下，耕深的最大误差为5 mm，耕深稳定性系数最小值为93.84%，能够满足规定的旋耕作业性能技术要求，并能为后方肥料的精准分层定深投送提供良好的作业条件；

2）装置在浅层肥料目标施用深度80 mm，深层肥料目标施用深度为150 mm时，实际施用深度误差的平均值分别为4.3和5.8 mm，深度稳定性变异系数分别为89.92%和95.09%，施用深度合格率分别为83.33%和90%，能够满足规定的旋耕施肥机具田间作业性能指标要求，该研究可以为冬小麦基肥的机械化精准分层定深施用技术提供装备支撑。

[1] 王激清，马文奇，江荣风，等. 我国水稻、小麦、玉米基肥和追肥用量及比例分析[J]. 土壤通报，2008，39(2)：329－333. Wang Jiqing, Ma Wenqi, Jiang Rongfeng, et al. Analysis about amount and ratio of basal fertilizer and topdressing fertilizer on rice, wheat, maize in China[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(2): 329－333. (in Chinese with English abstract)

[2] 杨莉琳，贾良良，胡春胜，等. 太行山山前平原冬小麦-夏玉米推荐施肥指标的修正[J]. 农业工程学报，2007，23(11)：89－94.

Yang Lilin, Jia Liangliang, Hu Chunsheng, et al. Revision of fertilizer recommendation for wheat and maize rotation in Taihang piedmont of North China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 89－94. (in Chinese with English abstract)

[3] 谭德水，刘兆辉，江丽华. 中国冬小麦施肥历史演变及阶段特征研究进展[J]. 中国农学通报，2016，32(12)：13－19. Tan Deshui, Liu Zhaohui, Jiang Lihua. Fertilization history evolution and stage characteristics of winter wheat in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(12): 13－19. (in Chinese with English abstract)

[4] 王旭，李贞宇，马文奇，等. 中国主要生态区小麦施肥增产效应分析[J]. 中国农业科学，2010，43(12)：2469－2476. Wang Xu, Li Zhenyu, Ma Wenqi, et al. Effects of fertilization on yield increase of wheat in different agro-ecological regions of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(12): 2469－2476. (in Chinese with English abstract)

[5] Matocha Christopher J, Grove John H, Karathanasis Tasios D, et al. Changes in soil mineralogy due to nitrogen fertilization in an agroecosystem[J]. Geoderma, 2016, 263(2): 176－184.

[6] 王锡久，孙茂真，许卫霞，等. 深松分层施肥技术对冬小麦产量及其构成因子的影响[J]. 山东农业科学，2015，47(3)：76－79. Wang Xijiu, Sun Maozhen, Xu Weixia, et al. Effects of subsoiling and layered fertilization technology on winter wheat yield and its components[J]. Shandong Agriculture Sciences, 2015, 47(3): 76－79. (in Chinese with English abstract)

[7] 尹博，张晓辉，冯海明. 浅谈小麦深松分层施肥精播机械化技术的推广应用——以山东省日照市为例[J]. 中国农机化学报，2016，37(8)：242－247.

Yin Bo, Zhang Xiaohui, Feng Haiming. Popularization and application of the mechanized technology of deep loosening and layered fertilization in wheat: taking Rizhao city of Shandong province as an example[J]. 2016, 37(8): 242－247. (in Chinese with English abstract)

[8] 夏光利，毕军，史桂芳，等. 分层施肥对冬小麦产量及氮素效应的影响研究[J]. 山东农业科学，2016，48(4)：72－74，78. Xia Guangli, Bi Jun, Shi Guifang, et al. Effects of layered fertilization on yield and nitrogen effect of winter wheat[J]. Shandong Agriculture Sciences, 2016, 48(4): 72－74, 78. (in Chinese with English abstract)

[9] 席天元，李永山，谢三刚，等. 分层施磷对冬小麦生长及产量的影响[J]. 中国农业科技导报，2016，18(3)：112－118.

Xi Tianyuan, Li Yongshan, Xie Sangang, et al. Effects of placing phosphorus fertilizer in different soil layers on winter wheat growth and yield[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2016, 18(3): 112－118. (in Chinese with English abstract)

[10] 耿伟，薛绪掌，王志敏. 肥料分层深施对旱作冬小麦光合生理特性及产量的影响[J]. 麦类作物学报，2006，26(3)：166－168. Geng Wei, Xue Xuzhang, Wang Zhimin. Effects of deep fertilization on photosynthetic characteristics and yield of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2006, 26(3): 166－168. (in Chinese with English abstract)

[11] 刘其潼，张晋国，杨娜，等. 玉米免耕深松全层施肥精量播种机播前碎土镇压轮的研制[J]. 农机化研究，2015，37(7)：127－130. Liu Qitong, Zhang Jinguo, Yang Na, et al. Study on the pulverizer repression wheel before sowing of the precise planter with no-tillage subsoil and whole layer fertilization[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(7): 127－130. (in Chinese with English abstract)

[12] 杨娜，张晋国，刘其潼，等. 玉米深松全层施肥种行旋耕播种机关键部件的设计[J]. 农机化研究，2015，37(9)：96－99. Yang Na, Zhang Jinguo, Liu Qitong, et al. Design of subsoiling whole layer fertilizer of corn and rotary seeder row planter key components[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(9): 96－99. (in Chinese with English abstract)

[13] 王云霞，梁志杰，崔涛，等. 玉米分层施肥器结构设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(增刊1)：163－169.

Wang Yunxia, Liang Zhijie, Cui Tao, et al. Design and experiment of layered fertilization device for corn[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.1): 163－169. (in Chinese with English abstract)

[14] 顿国强，陈海涛，冯夷宁，等. 调比控位分层施肥装置设计与试验[J]. 东北农业大学学报，2015，46(12)：86－93.

Dun Guoqiang, Chen Haitao, Feng Yining, et al. Design and test of adjustable ratio and control position separated layer fertilization device[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(12): 86－93. (in Chinese with English abstract)

[15] 顿国强，陈海涛，冯夷宁，等. 基于EDEM软件的肥料调配装置关键部件参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(7)：36－42.

Dun Guoqiang, Chen Haitao, Feng Yining, et al. Parameter optimization and test of key parts of fertilizer allocation device based on EDEM software[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 36－42. (in Chinese with English abstract)

[16] 刘进宝，赵岩，郑炫，等. 2FQ-5多层施肥机的设计与试验[J]. 甘肃农业大学学报，2017，52(3)：140－147.

Liu Jinbao, Zhao Yan, Zheng Xuan, et al. Design and experiment of 2FQ-5 multilayer fertilizer machine[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2017, 52(3): 140－147. (in Chinese with English abstract)

[17] 王志伟，张银平，刁培松，等. 小麦深松分层施肥宽苗带免耕播种机的设计与试验[J]. 农机化研究，2018，40(6).

Wang Zhiwei, Zhang Yinping, Diao Peisong, et al. Design and experiment on wheat precision no-tillage planter with subsoiling layered fertilization and fide seedling[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(6): 102－106. (in Chinese with English abstract)

[18] 姚万生，薛少平，朱瑞祥，等. 组合式下位分层施肥播种开沟器的研制[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2008，36(8)：223－228. Yao Wansheng, Xue Shaoping, Zhu Ruixiang, et al. Development of the combined layered fertilizing-seeding ditcher[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat. Sci. Ed, 2008, 36(8): 223－228. (in Chinese with English abstract)

[19] 李绪，吴雪梅，高贵，等. 深施肥机旋耕部件关键参数设计与试验[J]. 农机化研究，2018，40(8)：198－202，207.

Li Xu, Wu Xuemei, Gao Gui, et al. Design and experiment on critical parameters of rotary tillage parts of a fertilizer deep applicator[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(8): 198－202,207. (in Chinese with English abstract)

[20] 李永磊，宋建农，康小军，等. 双辊秸秆还田旋耕机试验[J]. 农业机械学报，2013，44(6)：45－49.

Li Yonglei, Song Jiannong, Kang Xiaojun, et al. Experiment on twin-roller cultivator for straw returning[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(6): 45－49. (in Chinese with English abstract)

[21] 贾洪雷，汲文峰，韩伟峰，等. 旋耕碎茬通用刀片结构参数优化试验[J]. 农业机械学报，2009，40(7)：45－50.

Jia Honglei, Ji Wenfeng, Han Weifeng, et al. Optimization experiment of structure parameters of rototilling and stubble breaking universal blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(7): 45－50. (in Chinese with English abstract)

[22] 汲文峰，贾洪雷，佟金，等. 通用刀片功率消耗影响因素分析与田间试验[J]. 农业机械学报，2010，41(2)：35－41. Ji Wenfeng, Jia Honglei, Tong Jin, et al. Analysis of influencing factors on power consumption and field test of universal blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(2): 35－41. (in Chinese with English abstract)

[23] 赵大勇，李连豪，许春林，等. 1ZQHF-350/5型前后分置悬挂式联合整地机[J]. 农业机械学报，2014，45(10)：92－96.

Zhao Dayong, Li Lianhao, Xu Chunlin, et al. 1ZQHF-350/5 hang combined cultivating machine with front-stubble- breaking, post-subsoil and rotary-tilling equipment[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 92－96. (in Chinese with English abstract)

[24] 祝清震，武广伟，安晓飞，等. 基肥定深施用装置排肥口位置与施肥深度关系模型[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：8－17.

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, An Xiaofei, et al. Relationship model of fertilizer outlet location and fertilizer application depth of depth-fixed application device of base-fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 8－17. (in Chinese with English abstract)

[25] 苑进，刘勤华，刘雪美，等. 配比变量施肥中多肥料掺混模拟与掺混腔结构优化[J]. 农业机械学报，2014，45(6)：125－132.

Yuan Jin, Liu Qinhua, Liu Xuemei, et al. Simulation of multi-fertilizers blending process and optimization of blending cavity structure in nutrient proportion of variable rate fertilization[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(6): 125－132. (in Chinese with English abstract)

[26] 薛少平，朱瑞祥，姚万生，等. 机播小麦种子与肥料适宜间隔距离研究[J]. 农业工程学报，2008，24(1)：147－151.

Xue Shaoping, Zhu Ruixiang, Yao Wansheng, et al. Suitable distance between wheat seeds and fertilizer during mechanical sowing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(1): 147－151. (in Chinese with English abstract)

[27] 孟志军，赵春江，付卫强，等. 变量施肥处方图识别与位置滞后修正方法[J]. 农业机械学报，2011，42(7)：204－209.

Meng Zhijun, Zhao Chunjiang, Fu Weiqiang, et al. Prescription map identification and position lag calibration method for variable rate application of fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 204－209. (in Chinese with English abstract)

[28] 付卫强，孟志军，黄文倩，等. 基于CAN总线的变量施肥控制系统[J]. 农业工程学报，2008，24(增刊2)：127－132.

Fu Weiqiang, Meng Zhijun, Huang Wenqian, et,al. Variable rate fertilizer control system based on CAN bus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(Supp.2): 127－132. (in Chinese with English abstract)

[29] 蒋建东，高洁，赵颖娣，等. 土壤旋切振动减阻的有限元分析[J]. 农业机械学报，2012，43(1)：58－62.

Jiang Jiandong, Gao Jie, Zhao Yingdi, et al. Finite element simulation and analysis on soil rotary tillage with external vibration excitation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(1): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[30] 张军，丁启朔，丁为民，等. 分层旋耕对水稻土耕层物理性状的影响[J]. 南京农业大学学报，2015，38(6)：1016－1022. Zhang Jun, Ding Qishuo, Ding Weimin, et al. Effect of stratified rotary tillage on paddy soil physical properties[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2015, 38(6): 1016－1022. (in Chinese with English abstract)

Design of stratified and depth-fixed application device of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage

Zhu Qingzhen1,2, Wu Guangwei2, Chen Liping3, Meng Zhijun3, Shi Jiangtao4, Zhao Chunjiang1,2※

(1.712100; 2.100097; 3100097; 4.710300)

Winter wheat is the most important crop for Huanghe-Huaihe-Haihe (H-H-H) region of China, which has the characteristics of large planting area, high yield per unit area and high total yield and so on. Base-fertilizer application is an important process of winter wheat production, which directly affects the yield of winter wheat. At present, base-fertilizer of winter wheat is applied to the surface of farmland by manure spreader or laborers in the H-H-H region of China, and the moldboard plow or rotary tiller is used to bury the base-fertilizer underground, but these methods have the shortcomings of disorderly application of fertilizer, and have caused great harm to the agricultural environment because of excessive application of fertilizer and low utilization efficiency. The precisely stratified and depth-fixed application method of base-fertilizerfor winter wheat is a perfect way to improve the utilization efficiency of fertilizer. On the stratified and depth-fixed application method of agronomic research in the base-fertilizer, a stratified and depth-fixed application method of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage was proposed in this paper, and the application device was set up. The device could implement rotary tillage, separated layer fertilization and compacting at the same time. The device was mainly composed of 8 parts: frame, deep fertilizer box, shallow fertilizer box, precise fertilizer control system, compacting device, mechanism of complete fertilizer layered device, rotary tilling device, depth-controlled component. The rotary tilling device was equipped with variable speed gearbox, which could convert between between high, medium and low rotate speed. National standard IT245 rotary blade was selected for the rotary tilling device and was arranged on the knife roller by a symmetrical spiral line. Through kinematic analysis of rotary blade and soil block, the mathematical model of the positions of fertilizer outlet orifice of the deep and shallow fertilizer tube and the depth of fertilization target was established. The mechanism of complete fertilizer layered device was designed and manufactured based on the mathematical model. The fertilizer layered mechanism could be adjusted longitudinally and laterally according to the requirements of the fertilize depth. In order to test the performance of stratified and depth-fixed application device, an experiment was designed and conducted at the National Experiment Station for Precision Agriculture located in Xiaotangshan Town, Beijing City on October 2017. The maximum rotary tillage depth error of the device is 5 mm, and the minimum coefficient of rotary tillage depth stability is 93.84% under 3 kinds of target rotary tillage working condition of 120, 150 and 180 mm. The result indicated that the rotary tilling device could meet the technical requirements of national standard. When the target application depth of the shallow and deep fertilizer was 80 and 150 mm, the coefficient of the shallow and deep actual fertilizer depth stability was 92.38% and 95.11% respectively, and the qualified rates of the shallow and deep actual fertilizer depth were 83.33% and 90% respectively. The result indicated that the stratified and depth-fixed application device could meet the technical requirements of rotary tillage and fertilizing. The research can provide equipment support for the mechanization of precisely stratified and depth-fixed application of base-fertilizer for winter wheat and improve the application efficiency of base-fertilizer in H-H-H region of China.

agricultural machinery; design; rotary tillage; base-fertilizer; separated layer fertilization

祝清震，武广伟，陈立平，孟志军，史江涛，赵春江. 基于旋耕覆土的冬小麦基肥分层定深施用装置设计[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：18－26.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003 http://www.tcsae.org

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, Meng Zhijun, Shi Jiangtao, Zhao Chunjiang. Design of stratified and depth-fixed application device of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 18－26. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003 http://www.tcsae.org

2018-03-05

2018-05-20

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600）；国家重点研发计划课题（2016YFD0200601）；北京市农林科学院院级科技创新团队（JNKYT201607）

祝清震，男，山东菏泽人，博士生，主要从事小麦基肥精准施用与装备研究。Email：zhenforyou@163.com

赵春江，男，河北定州人，研究员，博士生导师，主要从事农业信息技术与精准农业技术研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003

S224.21

A

1002-6819(2018)-13-0018-09