水稻直播机气流式分层施肥系统设计与试验

曾 山，郑振晖，杨 洲，罗锡文，谭奕鹏，莫泽文

·农业装备工程与机械化·

水稻直播机气流式分层施肥系统设计与试验

曾 山1,2，郑振晖1,2，杨 洲2，罗锡文1,2※，谭奕鹏1,2，莫泽文2

（1. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；2. 华南农业大学工程学院，广州 510642）

针对水稻不同生长期施肥劳动强度大和肥料易堵塞的问题，该文提出了一种水稻分层施肥技术，根据水稻种植农艺要求和根系分布特点，在水稻直播时将整个生长期所需肥料一次性分层施入土壤中，浅层施肥深度为30～40 mm，距离水稻行距离为50 mm，为水稻苗期生长提供养分；深层施肥深度为70～100 mm，深层施肥沟在2行水稻中间，为水稻的后期生长提供养分。设计了一种气流式分层施肥系统，根据分层施肥要求确定肥料分配器结构及分层施肥量调节比例；利用SolidWorks 软件对肥料混合器变截面处不同截面高度的进肥口风速和出口处的负压进行仿真分析和试验验证，确定气流肥料混合器变截面通道高度为20 mm；对气流式分层施肥系统进行性能试验，以风速、肥量分配比例调节板开度和施肥管道长度为主要因素进行正交试验。试验结果表明，当风速为18 m/s、肥量分配比例调节板开度为30°、施肥管道长度为1 000 mm时，浅层施肥量变异系数为1.61%、深层施肥量变异系数为1.58%、2个浅层施肥量和深层的施肥量分配比例误差为1.91%。将气流式分层施肥系统安装在2BDH-10型水稻直播机上进行田间作业性能试验，田间试验结果表明，2个浅层施肥量与深层施肥量分配比例最大误差为7.76%，浅层施肥量最大变异系数为3.98%，深层施肥量最大变异系数为4.41%，满足水稻种植分层施肥的要求。研究结果可为水稻气流式分层施肥技术研究提供重要参考。

水稻；机械化；分层施肥；气流式；设计与试验

0 引 言

中国是世界上最大的水稻生产国和消费国之一[1]。目前水稻生产主要依靠化肥来提高产量[2-4]，传统施肥方式施肥量大，肥料利用率低，不利于农业可持续发展[5-7]。深施肥技术能有效提高肥料利用率，减少污染。一般深施肥深度为70～100 mm，但水稻种子出苗后，苗期根系分布较浅，不能吸收深层养分[8]，为保证水稻苗期生长，必须施苗肥，增加了作业成本和机具下田次数。分层施肥能够同时将肥料施入浅层和深层土壤，保证水稻生长苗期、中期和后期的养分需求。分层施肥能够为水稻中期和后期的生长提供充足养分[9]，浅层施肥能保证水稻生长苗期的养分供应，促进苗期根系的生长[10]。水田施肥作业时，肥料在空气中易吸潮结块，吸潮后的肥料在施肥时极易发生堵塞现象，使肥料不能顺利的施入田间[11,15]。为减少生产成本和环境污染，提高化肥利用效率，亟需研究水稻施肥新技术和新装备，解决深施肥技术存在的问题。

近年来，国内外学者对气流输肥和分层施肥技术进行了研究。主要以大豆、玉米和棉花等作物为研究对象。顿国强等研制了一种适用于东北地区大豆种植模式的调比控位分层施肥装置[12]；王云霞等研制了玉米分层施肥装置[13]；刘进宝等研制了适用于新疆地区棉花种植模式的2FQ-5多层施肥机[14]。左兴健等研制成功了一种气送式水稻侧深精准施肥装置[15]；黑龙江八一农垦大学和哈尔滨市农业机械化研究所在借鉴国外技术的基础上成功研制了水田节水免耕施肥插秧机，采用气流输肥技术[16]。国外对水稻深施肥技术研究较多，研究结果表明深施氮肥有利于水稻的生长，提高氮肥的利用率，可节省氮肥达65%，对稻米品质的提升有一定的影响[17-19]；但对于分层施肥机械研究较少，施肥机械主要以气流输肥技术为主。日本井关、洋马和久保田三大农机公司研制的同步侧深施肥水稻插秧机，均采用气流强制输送肥料；欧美国家普遍采用集中排肥的气流输送式施肥系统[20]，主要以旱地作物为主。国内对气流式施肥装置的研究处于起步阶段，对水稻分层施肥的研究文献报导较少，缺乏对气流式分层施肥技术的工作机理和理论研究。

针对以上问题，本文研制了一种水稻直播机气流式分层施肥系统，设计了一种肥料分配器，在不同风速、不同调节板开度和不同施肥管长度条件下，对其排肥性能展开试验研究，以期为水稻分层施肥技术及装备研究提供理论依据和参考。

1 气流式分层施肥系统结构及工作原理

1.1 分层施肥原理

郑景生等对水稻根系在土壤中的分布研究结果表明，在总根量中，0～100 mm土层的根量占71%～82%[21]。因此，本文确定浅层施肥深度为30～40 mm，距离水稻行水平距离为50 mm，深层施肥深度为70～100 mm，在2行水稻中间，分层施肥原理见图1。根据水稻分层施肥配套农艺要求，确定浅层肥料占水稻整个生长期养分供应的40%，深层肥料占水稻整个生长期养分供应的60%。

1. 深层肥料 2.浅层肥料 3.水稻种子 4. 土壤

1.2 系统结构

在分层施肥原理的基础上设计了水稻直播机气流式分层施肥系统。包括风机、驱动地轮、肥料箱、排肥器、气流肥料混合器、变径均布器、肥料分配器、分层施肥开沟器、输肥管和排肥管等。如图2所示，该系统与2BDH-10型水稻旱直播机配套使用。

1.驱动地轮 2.风机 3.分流管 4.输气管 5.肥箱 6.排肥器 7.气流肥料混合器 8. 简易均布器 9.输肥管 10.变径均布器 11.肥料分配器 12.浅层排肥管 13.深层排肥管 14.深层开沟器 15.浅层开沟器

1.3 工作原理

如图2所示，气流由风机进入分流管，分流管将气流分流后进入输气管，然后再进入气流肥料混合器，排肥器工作时，肥料从排肥器排出进入气流肥料混合器，在气流作用下，气流和肥料混合进入变径均布器，然后再进入肥料分配器，从分配器浅层和深层排肥口排出的肥料分别通过浅层排肥管和深层排肥管，最后施入由分层开沟器开出的施肥沟内，由镇压轮覆土镇压，完成施肥过程。

1.4 主要技术参数

水稻直播机气流式分层施肥系统主要技术参数见表1。

表1 分层施肥系统技术参数

2 气流式分层施肥系统关键部件设计

2.1 气流肥料混合器设计

气流从进气口经过通道进入混合器，在固定流量下流体的流速与管道横截面积成反比，即

式中为气流流动速度，m/s；为气体总流量，m3；为气体通过管道的横截面积，m2。

由图3a可知，气流肥料混合器的进肥管与进气管外径一致，为使肥料能顺利从进肥口进入混合腔，应在进肥口下端产生低于大气压的负压，由公式（1）可知，改变气流肥料混合器通道的截面积，空气流速增大，可产生较大的压力差，在进肥口处带动肥料向出口运动，增加了肥料的流动性。为确定合理的气流肥料混合器通道处截面大小，采用SolidWorks Flow Simulation软件进行仿真分析。根据气流速度和进气管直径，设计了高度为10、15和20 mm三种通道结构的气流肥料混合器，仿真分析所用气体为空气，进肥口和气肥混合物出口初始气压为标准大气压，以进气口风速为变量，分析不同通道高度对气流分布的影响。仿真分析结果见图3。

图3 气流肥料混合器结构及不同通道高度的气流速度分布仿真结果

由图3可知，通道高度为10 mm时，进肥口处风速为4.56 m/s，最有利于肥料顺利进入混合器，但在排肥口处有气流倒吸情况，影响肥料顺利排出；通道高度为15 mm时，排肥口上端气流弱，不利于排肥；通道高度为20 mm时，处风速为3.27 m/s排肥口上端气流分布均匀，有利于肥料进入混合器和排出。

为验证仿真分析结果，设计了3种不同通道高度的气流肥料混合器进行试验，试验材料为本文第3节所用风机和风速测量仪，根据前期肥料颗粒启动速度试验结果，设定进气口风速为14～20 m/s，采用精度为0.1 mm的U型水平管测量进肥口处负压和风速。试验结果见表2。

表2 不同进气速度下进肥口A处的风速与负压

表2试验结果表明，当通道处截面高度为20 mm时，气流肥料混合器进肥口处风速测试结果与仿真分析结果基本吻合，误差为0.37%，此时进肥口处负压最小，有利于肥料进入混合器。因此，确定气流肥料混合器通道高度为20 mm。

2.2 肥料分配器设计

为保证肥料能均匀进入肥料分配器，设计了一种变径肥料均布器，如图4所示，变径肥料均布器由变径接头和分布在变径接头内部的轴向等距、周向均布的挡杆组成，变径接头入口直径为36 mm，与气流肥料混合器出口连接，变径接头出口直径为56 mm，与肥料分配器进肥口连接，变径接头内均匀分布8根挡杆，挡杆直径为5 mm，其作用是使进入肥料分配器进肥口的肥料在横截面上均匀分布[24]。肥料从输肥管进入变径均布器进肥口，通过变径均布器内部挡杆作用后从变径均布器出肥口排出，均匀进入肥料分配器。

1.出肥口 2.壳体 3.进肥口 4.挡杆

肥料分配器对能否按设计比例将肥料分配为深层肥料和浅层肥料起决定性作用，也是能否实现分层施肥的关键部件。根据水稻施肥要求设计了肥料分配器，由分配器壳体、隔板、第一浅层进肥口、第二浅层进肥口、第一肥量分配比例调节板、第二肥量分配比例调节板、锁紧螺杆、第一浅层排肥口、第二浅层排肥口和深层排肥口组成，如图5所示。

1.分配器壳体 2. 第一肥量分配比例调节板 3.隔板 4. 第二肥量分配比例调节板 5.垫片 6.锁紧螺杆 7.第一浅层排肥口 8.第二浅层排肥口 9.深层排肥口 10.深层进肥口 11.第一浅层进肥口 12.第二浅层进肥口

1.Shell of distributor 2.Adjusting plate of first fertilizer distribution 3.Separator 4. Adjusting plate of second fertilizer distribution 5.Gasket 6.Locking screw 7.First shallow fertilizer outlet 8.Second shallow fertilizer outlet 9.Deep fertilizer outlet 10.Deep fertilizer inlet 11.First shallow fertilizer inlet 12.Second shallow fertilizer inlet

注：1为第一浅层进肥口扇形角，（°）；2为第二浅层进肥口扇形角，（°）；为深层进肥口扇形角，（°）。

Note:1is the first shallow fertilizer inlet angle, (°);2is the second shallow fertilizer inlet angle, (°);is the deep fertilizer inlet angle, (°).

图5 肥料分配器

Fig.5 Fertilizer distributor

肥料进入肥料分配器后，肥料分配器将肥料按设定比例分配成深层肥料和浅层肥料，然后再进入施肥管道施入由分层开沟器开出的深层和浅层施肥沟内。深层施肥量与浅层施肥量比例可通过调节调比板改变深层进肥口通道与浅层进肥口通道在水平截面上的面积进行调节。

实际工作时，根据水稻不同生长期对需肥量的要求，转动第一肥量分配比例调节板和第二肥量分配比例调节板改变第一浅层排肥口通道和第二浅层排肥口通道的大小，从而改变主排肥口通道大小。当第一肥量分配比例调节板和第二肥量分配比例调节板调整到所需要的位置时，拧紧锁紧螺杆分别固定，设定施肥量。

根据图4b，通过公式（2）计算各个进肥口面积，再将面积比例转化为施肥量比例。

式中为进肥口的面积，mm2；为肥料分配器主进肥口的半径，mm。

深层施肥量与浅层施肥量的比例通过公式（3）计算。

式中1、2、3分别为第一浅层、第二浅层排肥口和深层施肥口截面积，mm2；1为深层施肥量与第一浅层施肥量的比值，2为深层施肥量与第二浅层施肥量的比值，通过调节肥料分配器调比板改变不同进肥口角度改变深层肥量与浅层肥量的比值范围，从而调节深层和浅层施肥量。

根据水稻施肥要求设计肥料分配器施肥量调节范围。如图5b所示，当第一和第二肥量分配比例调节板与水平轴线重合时为初始位置，第一和第二肥量分配比例调节板与水平轴线夹角为0°，此时1和2均为90°，为180°，由公式（2）可知，深层施肥量与浅层施肥量的总量相等，比值为1∶1。分别向上转动第一和第二肥量分配比例调节板到与水平轴线夹角为30°位置时，1和2均为60°，为240°。深层施肥量是第一和第二浅层施肥量的2倍，比值为2∶1。调节肥量分配比例调节板角度，可改变深层施肥量与总浅层施肥量比值，以满足不同地区水稻施肥要求。

3 送肥气流速度的确定

肥料颗粒在气流场中的运动受肥料颗粒的相互作用和气流作用的影响，颗粒之间的相互作用十分复杂。马云海等研究结果表明，影响肥料流动状态的因素主要有气流流速和肥料气流比，肥料气流比为输肥管道内肥料质量与输送气流质量之比，是气流式分层施肥系统设计的重要参数，也是肥料颗粒稳定输送的关键[25]，肥料气流比的计算包括气流和肥料的质量浓度C、体积浓度C和质量比m，计算公式见式（4～6）[26]。

气流和肥料的质量浓度C影响肥料能否稳定输送，计算公式为

式中Q为肥料质量流量，kg/s；Q为空气质量流量，kg/s。

气流和肥料的体积浓度C影响肥料的输送效率，C计算公式为

式中Q为肥料体积流量，m3/s；Q为空气体积流量，m3/s。

气流和肥料的质量比m计算公式为

肥料在高速气流作用下，在管道内形成气肥两相流，根据圆管雷诺数公式可知，气流在管道内主要为湍流运动状态，而肥料颗粒间的相互运动更为复杂，由图6肥料颗粒受力分析可知，肥料颗粒在气流压力差的作用下，由端运动到端，肥料颗粒受力有重力，肥料之间的碰撞力和管道壁的摩擦力等，肥料受气流作用向前运动，湍流中有与气流输送方向垂直的压力分量存在，肥料颗粒易产生不规则运动从而造成压力损失。肥料在管道输送过程中的压力损失P主要包括肥料颗粒在气流作用下产生不规则运动的阻力损失P、管道内输送气流的局部流动压力损失P和肥料在管道中输送肥料压力损失P[27]。

注：D为管道内径，mm；L为管道长度，mm；G为肥料颗粒重力，N；v为肥料运动速度，m·s-1；ΔP为输送气流压力，kPa；T为肥料与管道壁的摩擦力，N。

湍流的计算主要采用半经验半解析的湍流模型进行分析[28]，肥料颗粒在气流作用下产生不规则运动的阻力损失P采用达西公式计算。

式中为达西摩擦因子，一般取0.02～0.03[28]；为重力加速度，m/s2。

管道内输送气流的局部流动压力损失P包括管道入口、阀门、气流肥料混合器、分配器和接头等部件造成的气流压力损失，计算公式为

肥料在管道中输送压力损失P计算公式为

要保证肥料颗粒在管道内正常输送，输送气流压力Δ必须满足

由公式（10）可知，输送气流压力Δ的主要影响因素为管道输送过程中总的压力损失P，在气流输送流量与横截面积不变的情况下，气流输送速度与流量成正比。但在气流输送管道中，气流肥料处于湍流运动状态，气流的运动速度计算比较复杂，为保证肥料在管道内的正常输送和确定最佳输肥风速，本文设计了肥料颗粒悬浮试验和启动试验，以为风机选型和最佳输肥风速选取提供依据。

试验选取挪威雅苒复合肥、万谷颗粒状复合肥、海岛水稻专用肥和加利禾缓控肥4种水稻专用复合肥料，试验器材包括1.1 kW的漩涡气泵，流量调节阀，泰克曼公司生产的TM856风速风量仪（精度0.01 m/s，量程45 m/s）；长600 mm的锥形高透有机玻璃管（小口直径30 mm、大口直径50 mm，）；风量调节器，纱网，卡箍和输气管道，见图7。

1.风机 2.风量调节器 3.输气管 4.肥料柱5.卡箍 6.纱网

1.Fan 2. Air amount adjustment device 3. Air pipe 4. Fertilizer column 5.Clamp 6.Gauze

注：Δ为肥料柱高度，mm。

Note:Δis fertilizer column height, mm.

图7 气流速度试验

Fig.7 Airflow velocity test

称取10 g肥料装入锥形高透有机玻璃管中，将装有肥料颗粒的锥形高透有机玻璃管置于竖直状态，玻璃管的底端与风量调节器出口连接，顶部和底部覆盖沙网，避免肥料随气流冲出管道和落入输气管道；打开风机，通过风量调节器调节风流量，观察肥料颗粒群的高度位置，当肥料颗粒群上升至高度为的断面时，通过调节风流量开关，肥料颗粒群会在管道中行成一定高度Δ的肥料柱，见图7a。每种肥料重复3次，当绝大多数肥料始终悬浮在此高度时，该风速即为所需的悬浮速度。

同样称取10 g肥料装入锥形高透有机玻璃管中，将锥形高透有机玻璃管水平安放，肥料颗粒均匀平铺在管道中，调节分量调节器，肥料逐渐被吹走，则当前风速为所需的启动速度，每种肥料重复3次，试验结果表明，4种肥料颗粒的悬浮速度在11～14 m/s之间，启动速度在10～14 m/s之间，依此确定送肥气流速度≥14 m/s。

4 气流式分层施肥系统台架试验

4.1 试验装置及材料

为了考察气流式分层施肥系统的性能，确定系统基本工作参数，在华南农业大学岑村教学试验基地搭建了试验台架，进行单因素试验和正交试验。如图8所示，试验台架由XGB-2200S型风机（功率为2.2 kW、最大风量为290 m3/h）、流量控制阀、Z2BLD25-24直流电机（功率为25 W）、输气管道、排肥器、肥料分配器和输肥管道等组成。

1.风机 2.风量调节器 3.输气管 4.变频电机 5.排肥器 6.肥料箱 7.气流肥料混合器 8.输肥管 9.变径均布器 10.肥料分配器 11.浅层排肥管 12.深层排肥管 13接料桶

1）试验材料：选用挪威雅苒复合肥，粒径为1.5～4 mm，粒径范围较大，能反应不同肥料颗粒大小的试验情况。

2）试验仪器：尚亭SF-400A电子秤，精度为1 g，测量范围为1 g～5 kg；泰克曼公司生产的TM856型风速测量仪，精度为0.01 m/s，量程为0.01～45 m/s。

3）测试指标：为考核气流式肥料分配器的排肥稳定性，以浅层施肥量和深层施肥量一致性、2个浅层排肥口施肥量和深层排肥口施肥量分配比例误差为评价指标。

4）试验方法：相关研究文献表明，生产500 kg稻谷及相应的稻草需吸收氮7.50～9.55 kg、磷4.05～5.10 kg和钾9.15～19.10 kg[30]，设定试验施肥量为600 kg/hm²；根据水稻施肥农艺要求，水稻前期需肥量与中后期需肥量比例约为4∶6[31]，设定肥量分配比例调节板开度，试验因素水平见表3。试验时为防止肥料吸潮影响试验结果，用盖有透明塑料薄膜的塑料桶收集肥料，称取每个排肥口排出的肥料质量，3次重复，计算各排肥口的施肥量误差，包括浅层施肥量和深层施肥量变异系数、2个浅层施肥量与深层施肥量分配比例误差，以考察气流式分层施肥系统的作业效果。

浅层施肥量和深层施肥量变异系数CV由式（11）计算。

式中S为各行浅层施肥量或深层施肥量标准偏差，g；为各行浅层施肥量或深层施肥量平均值，g。

4.2 试验设计

根据单因素试验结果，以影响气流式分层施肥系统的风速、肥量分配比例调节板开度（深层和浅层施肥量）和施肥管道长度为影响因素，进行3×3×3正交试验，对不同风速、分配比例和排肥管长度对排肥性能的影响进行正交试验，试验因素水平见表3。

表3 试验因素水平表

4.3 结果与分析

正交试验方案及结果见表4，极差分析结果见表5。极差分析结果表明，风速、肥量分配比例调节板开度和排肥管道长度均对分配器的施肥量分配效果产生影响。其中对浅层施肥量与深层施肥量的分配比例误差、深层施肥量变异系数的影响顺序为风速＞肥量分配比例调节板开度＞施肥管长度，其中风速的影响最显著，增加风速能降低分配器施肥量分配比例误差，但随着风速增加肥料在输送过程中与管壁碰撞加剧，易造成肥料颗粒破损，流动性变差，影响施肥效果；调节肥量分配比例调节板角度能改变浅层和深层施肥量，肥量分配比例调节板开度对浅层施肥量变异系数影响显著。根据试验结果，确定232为最优组合，即风速为18 m/s，肥量分配比例调节板开度为30°，排肥管长度为1 000 mm，该组合下2个浅层施肥量和深层施肥量的平均分配比例误差为1.91%，浅层施肥量变异系数为1.61%，深层施肥量变异系数为1.58%。

表4 正交试验结果

注：⊿1为第一浅层施肥量与深层施肥量的分配比例误差；⊿2为第二浅层施肥量与深层施肥量的分配比例误差；⊿为浅层施肥量与深层施肥量分配比例的平均误差；浅为浅层施肥量变异系数；深为深层施肥量变异系数。

Note: ⊿1is the distribution ratio error between first shallow fertilizer and deep fertilizer, ⊿2is the distribution ratio error between second shallow fertilizer and deep fertilizer,⊿is the average distribution ratio error between the shallow fertilizer and deep fertilizer,浅is the coefficient variation of the shallow fertilizer,深is the coefficient variation of the deep fertilizer.

表5 极差分析表

5 田间试验

田间工作时，机器振动和肥料吸潮等会影响肥料进入肥料分配器的均匀性。为考察气流式分层施肥系统的田间作业效果，于2018年1月12日进行了田间试验。

试验地点：华南农业大学增城教学科研基地，土壤为黏性土壤，土壤含水率为21.5%，土壤坚实度为2.14 kPa，试验前一天采用旋耕机对田块进行旋耕2遍处理，将土壤打细碎后再进行田间试验。

试验材料：选用广州新农科肥业科技有限公式研制的水稻复混缓控肥，肥料颜色为红、黄和白三色；肥料颗粒粒径为2～4 mm。为防止肥料吸水影响试验效果，在试验开始时才将肥料开袋倒入肥料箱。

试验设备与仪器：将气流式分层施肥系统安装在2BDH-10型水稻旱直播机上，通过三点悬挂装置与拖拉机连接，见图9。测量装置包括泰克曼公司生产TM856型风速测量仪，精度为0.01 m/s，量程为0.01～45 m/s；尚亭SF-400A电子秤，精度为1 g，测量范围为1～5 kg；钢尺和皮尺。

测试指标：为考核气流式肥料分配器的施肥效果，以浅层施肥量和深层施肥量一致性、2个浅层施肥量和深层施肥量分配比例误差为评价指标。计算公式为式（11）～（12）。

试验步骤：1）启动电机使风机通电，调节气流调节阀，用风速风量仪测量系统风速，使系统风速保持在18 m/s，设定施肥量为600 kg/hm²，排肥管长度1 000 mm，按试验方案调节好肥料分配器深层施肥量与浅层施肥量的比例，见表6。2）将肥料装入肥料箱，分别在2个浅层施肥管道和深层施肥管道上套上网袋，其余施肥行正常开沟施肥，以测试分层施肥深度；启动拖拉机，为保证作业效果，拖拉机按中等作业速度1 m/s在标定的试验区段行驶。3）行驶30 m后先停止拖拉机，待管道内肥料全部排出后关闭发电机，使风机停止运行，取下装肥料的网袋，用电子秤分别测出各网袋里的施肥量。4）在试验区段30 m的范围内取5个点，测量这5个点的浅层和深层施肥深度，计算平均值。5）改变肥料分配器调比板开度使深层施肥量与浅层施肥量比例改变，重复步骤2）～4）3次，记录试验数据。试验结果见表6。

1.肥料箱 2.排肥器 3.发电机 4.镇压轮 5.施肥开沟器 6.风机 7.肥料分配器

表6 田间试验结果

表6田间试验结果表明，浅层施肥深度范围为320～372 mm，深层施肥深度范围为732～820 mm，均达到分层施肥深度要求；2个浅层施肥量与深层施肥量的分配比例误差≤7.76%，浅层施肥量变异系数≤3.98%，深层施肥量变异系数≤4.41%，按照《GB/T20865—2007免耕施肥播种机》要求，施肥量误差≤13%，总施肥量变异系数≤7.8%，浅层施肥量和深层施肥量分配比例误差及施肥量变异系数均在允许范围内，满足设计要求。

台架试验和田间试验结果表明，由于机器振动、气流输送管道压力损失和排肥管长度等因素影响，很难保证肥料分配系统的风速稳定，为保证分层施肥的作业性能，首先在风机选型上应考虑增加风机的功率和风量，应留有足够余量，保证稳定的风速；其次尽量优化施肥管路，减少输送气流的管道损失，保证排肥管内肥料的稳定输送，防止堵塞。

6 结 论

1）提出了一种气流式分层施肥技术。根据水稻生长农艺要求，水稻直播时将水稻整个生长期所需要的肥料一次分层施入土壤中，浅层施肥深度30～40 mm，距离水稻行的距离50 mm；深层施肥深度为70～100 mm，深层肥料在2行水稻中间。

2）研制了一种气流式水稻分层施肥系统，确定了肥料分配器等关键部件参数。正交试验结果表明，风速＞肥量分配比例调节板开度＞施肥管长度，其中风速的影响最显著，根据试验评价指标，确定了分层施肥系统的最优作业参数为风速18 m/s，调节板开度30°，排肥管长1 000 mm。

3）田间试验结果表明，气流式分层施肥系统能够调节深层施肥量和浅层施肥量分配比例，2个浅层施肥量与深层施肥量分配比例误差≤7.76%，浅层施肥量变异系数≤3.98%，深层施肥量变异系数≤4.41%，达到了预期设计目标，满足水稻分层施肥要求。

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Design and test of airflow layered fertilizer system for rice direct seeder

Zeng Shan1,2, Zheng Zhenhui1,2, Yang Zhou2, Luo Xiwen1,2※, Tan Yipeng1,2, Mo Zewen2

(1.,,,,510642,; 2.,,,510642,)

In this paper, a novel technique of rice layered fertilizer is proposed to solve the clogging of fertilizer pipe and relieve the high labor intensity in different growth stages of rice. According to the requirements of rice growth agronomy and the characteristics of root distribution, the fertilizer needed for the whole growing period was applied into the soil in layers at one time. To provide nutrients for the growth of the rice seedlings, the depth of the shallow fertilization is 30 to 40 mm, and the distance to the rice row is about 50 mm, to supply nutrients for the late growth of the rice, the depth of deep fertilization is 70 to 100 mm, and the deep groove is in the middle of two rice rows. An airflow layered fertilizer system was developed, and the key components of the fertilization system were designed, such as the air-fertilizer mixing device and the layer fertilizer distributor. The air-fertilizer mixing device was designed based on the Venturi principle to mix the fertilizer with the airflow. According to the simulation analysis and test results of SolidWorks, the structural parameters of the airflow fertilizer mixer were optimized, by which the optimum airflow channel height was set to 20 mm. According to the requirement of rice fertilization, a layered fertilizer distributor was designed, and the distribution ratio equation of shallow and deep fertilization was determined. The angle of the adjustment plate was 0° to 30° and the proportion of deep fertilization and total shallow fertilization was 1:1 to 2:1. Then, the single factor test and orthogonal test were carried out on the test platform. The single factor test results showed that the main factors affecting the performance of the system were wind speed, angle of the adjustment plate and fertilization pipe length. Orthogonal experiments were conducted with wind speed, angle of the adjustment plate and fertilizer pipe length as the main factors. The experimental results showed that when the wind speed was 18 m/s, angle of the adjustment plate was 30°, and the fertilization pipe length was 1 000 mm. The designed airflow layered fertilizer system was installed on the 2BDH-10 rice precision direct seeder to conduct field performance tests. The field test results showed that the maximum error of the ratio of two shallow and deep fertilization was 7.76%, the maximum coefficient variation of the shallow layer was 3.98%, the maximum coefficient variation of the deep layer was 4.41%.This work can provide an important reference for the technology of rice airflow layered fertilization.

rice; mechanization; layered fertilization; airflow; design and test

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.001

S22

A

1002-6819(2020)-04-0001-09

曾 山，郑振晖，杨 洲，罗锡文，谭奕鹏，莫泽文. 水稻直播机气流式分层施肥系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.001 http://www.tcsae.org

Zeng Shan, Zheng Zhenhui, Yang Zhou, Luo Xiwen, Tan Yipeng, Mo Zewen. Design and test of airflow layered fertilizer system for rice direct seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.001 http://www.tcsae.org

2019-02-16

2020-02-04

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600，2016YFD0200606）

曾 山，副研究员，博士，主要从事水稻生产机械化技术及装备研究。Email：shanzeng@scau.edu.cn

罗锡文，教授，院士，博士生导师，主要从事水稻生产机械化技术及装备研究。Email：xwluo@scau.edu.cn

中国农业工程学会会员：曾 山（E041200311S）