油菜直播机分层定量施肥装置设计与试验

刘晓东，王绪坪，陈礼源，张朝宇，刘温伯，丁幼春

·农业装备工程与机械化·

油菜直播机分层定量施肥装置设计与试验

刘晓东，王绪坪，陈礼源，张朝宇，刘温伯，丁幼春※

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对长江中下游地区现有油菜直播同步肥料混施作业，肥料施用方式粗放的问题，结合油菜厢面条播种植模式及油菜根系生长规律，该研究提出了一种基于肥料流均匀分布的上下层肥量按比例分配、上层肥料左右分施技术，设计了一种分层定量施肥装置，通过构建肥料在均布器中均匀分散的状态转移矩阵验证该装置的肥料均布效果，并确定了装置的基本参数。以挡杆直径、挡杆组数、挡杆组间距为试验因素，实际施肥比例与目标施肥比例最小误差为目标，利用二次回归正交旋转组合仿真试验确定肥料均布装置的最优结构参数为挡杆直径3 mm、挡杆组数5、挡杆组间距8.9 mm。为进一步验证肥料比例调节分配机构性能，以目标施肥比例与实际施肥比例的误差、上下层落肥管排肥量稳定性变异系数和上层落肥管左右两侧排肥量稳定性变异系数为评价指标，开展最优参数组合下的排肥性能试验。试验结果表明，上下层实际施肥比例与目标施肥比例的最大误差为4.1个百分点，排肥量稳定性变异系数低于3.9%，说明肥料分配比例稳定；上层左右落肥管实际施肥比例与目标施肥比例的误差低于4.1个百分点，排肥量稳定性变异系数低于4.8%，满足上层肥料按比例分施要求。田间试验表明，下层肥料平均施肥深度为141.2 mm，上层左侧肥料平均施肥深度为81.9 mm，右侧平均施肥深度为81.6 mm，上层左、右侧肥料间的平均间距为67.8 mm，满足油菜分层施肥要求。该研究可为油菜肥料按比例分层施用提供技术支撑。

设计；试验；油菜；分层施肥；深施肥

0 引 言

习近平总书记指出，农业发展不仅要杜绝生态环境欠新账，而且要逐步还旧账，要打好农业面源污染治理攻坚战[1]。化肥的过量施用是造成农业面源污染问题不断加剧的重要原因之一，破解当前农业环境污染的瓶颈问题，是实现农业生产持续发展的重要途径[2-3]。长江中下游地区是国内油菜主产区[4-5]，播种时采用化肥厢面撒施，施用方式粗放、肥料利用率低，严重制约了农业绿色可持续发展[6-7]。

分层深施是实现化肥减施增效的重要途径[8]，国内外科研工作者根据化肥在土壤中的转化、移动与扩散，提出了位置肥效理论，为肥料深施提供了理论依据。欧美等发达国家围绕精准农业开展了系统研究，但分层施肥研究尚未见报道，国内近年来为积极响应化肥减施，针对分层施肥开展了大量研究。曾山等[9]根据水稻根系生长规律，设计了一种基于气力式的分层施肥系统；祝清震等[10]基于旋耕覆土原理设计了冬小麦基肥分层定深施用装置；杨晓龙等[11]设计了一种组合式分层施肥开沟器；顿国强等[12]设计了肥料比例分配和控位分层施肥组合的调比控位分层施肥装置；杨然兵等[13]结合马铃薯根系分布规律提出了一种基于曲面排肥与V型防堵结构的分层施肥技术；王金峰等[14]设计了一种叶片调节式水田侧深施肥装置，通过对施肥量调节机构的分析，确定了装置的最优参数；宋少龙等[15]设计了一种分层施肥靴，对推动新疆地区精量减肥具有重要意义。上述深施肥装置结构形式和施肥方式均能为分层施肥装置的改进设计提供依据。

分层施肥深浅层肥量比例精准调节控制，是满足不同地区施肥量要求，提高肥料利用率、保证作物后期优势生长的重要手段[16]。王云霞等[17]设计了一种可调施肥量的玉米分层施肥器，并利用离散元法对肥料颗粒的运动规律以及影响施肥配比的主要因素进行仿真研究，在机具不同作业速度下均能满足目标施肥量配比要求；杨庆璐等[18]设计了一种气力集排式变量排肥系统分层施肥量调节装置，可根据农艺要求调整上下层施肥量的比例，提高了分层施肥作业中肥料的可靠稳定分肥作业水平；张俊雄等[19]设计了一种玉米分层正位穴施肥精播机，能够精确地将化肥按预定比例施入不同深度土层中，化肥分布由深至浅依次递减，满足玉米生长过程中的实际需肥规律；顿国强等[20-21]设计了一种肥料调配装置，通过肥料调比分配和控位分层施肥开沟器的组合完成肥料分层深施。

上述分层施肥装置主要是针对粮食作物，对长江中下游地区的适应性较差，不能直接应用于油菜直播机。随着分层施肥理论研究的深入，肥料分层深施成为油菜轻简化栽培的重要一环，肥料分层深施技术可将肥料施于作物根系密集层，使肥料养分释放规律与作物生长周期养分需求同步，延长养分供应时间，保证充分的养分供给，提高肥料利用率，一次性施肥可显著提高油菜籽产量，达到减施增效的目的[22-24]。根据油菜根系生长规律，本文设计了一种分层定量施肥装置，通过理论分析确定主要结构参数，并通过田间试验进行分层施肥效果验证，以期为油菜按比例分层施肥提供技术支撑。

1 油菜直播技术要点与施肥农艺要求

1.1 油菜直播技术要点

油菜直播多采用厢面条播，省工、省时，直播地块要求整地质量高、保墒好，播种时适当增大种植密度，播种量为4.5～9.0 kg/hm2。本设计根据油菜厢面条播种植模式开展。

1.2 油菜施肥农艺要求

长江中下游地区现有油菜直播机同步施肥方式为浅层混施，将颗粒肥排于油菜直播机前端地表，施肥量为225～525 kg/hm2，通过直播机前端旋耕机组完成颗粒肥的浅层混施，肥料分布于浅层土壤和土壤表面，颗粒肥施用量大，肥料利用率低，且播种后存在烧种现象，同时由于田间土壤状况不同，旋耕后肥料分布不均，导致后期作物根系吸收肥量不一致，影响作物产量。

按照油菜需肥量要求（垂直根早期抢先发育导致地上部徒长延迟开花结果，反之，水平根发育良好形成根网，有助于地上部较顺利地向生殖生长转化），同时结合发育早期，垂直根系分枝能力较差、水平根系分枝性较强的特点[25-26]，本文提出了一种分层定量施肥方案。即将肥料分成2层排施，上层肥料排施量约占总排施量的30%～50%，为油菜营养生长提供养料，下层肥料排施量约占总排施量的50%～70%，为油菜生殖生长提供养料，上层肥料左右分施，两侧肥量各占上层排施量的一半。油菜肥料分层排施模式如图1所示，施肥播种作业后，上层肥料位于油菜籽下左右两侧，下层肥料位于油菜籽正下方，该种方式可实现集中施肥，减少化肥施用量，并实现养分的最大化利用。肥料与油菜籽的位置关系可由上层肥料和油菜籽的纵向距离、上层左右两侧肥料的横向距离及下层肥料与油菜籽的纵向距离控制，结合文献[26]，取50～100 mm，取100～150 mm，取60～80 mm。后期油菜籽发芽生根后，侧根吸收上层两侧肥料养分，随着根系生长，主根生长至下层肥料带，保证后期养分供应。

2 分层定量施肥装置设计

2.1 施肥装置整体结构与工作原理

分层定量施肥装置整体结构如图2所示，主要由肥料均布器、肥量控制与分流机构、上层落肥管、下层落肥管等组成。根据油菜厢面条播种植农艺要求，上层肥料与油菜籽为非同沟分层排布，下层肥料与油菜籽为正位同沟分层排布。

分层定量施肥装置通过安装板与油菜直播机后端铲架连接，且能在安装板竖直方向调节，以满足不同施肥深度要求；由于不同地区前茬作物留茬高度不一，翻耕作业后仍有稻茬，作业中稻茬易缠绕铲体造成壅土堵塞，影响机器顺利作业，因此，在铲体前端加装防堵辊，防堵辊为外径60 mm、壁厚2 mm的圆管，长度250 mm；为保证上层肥料分施，分土板采用2.5 mm厚钢板切割成L形，侧翼板与铲体侧面呈一定夹角焊接在铲体左右两侧，同时为保证下层施肥后土壤迅速回填满足上层肥料分施条件，在侧翼板中间位置焊接有扇形回土板，可将两侧土壤快速导入下层肥沟内。

图3a为肥料比例调节分配部件，主要由肥料均布器、分肥板、肥料比例调节滑槽等组成。总排肥管由宽40 mm、高20 mm、壁厚2 mm的方管直接切割而成，上端通过螺栓与肥料均布器联接，肥料均布器与排肥管末端连接。如图3b所示，为保证肥料顺利从下层排肥口排出，下层落肥管竖直管壁与底部排种面夹角为130°，为方便加工焊接，下层排肥口尺寸与下层落肥管竖直管道相同，与下层落肥管竖直管道下端口焊接；上层落肥管上部竖直管道也采用与下层落肥管尺寸相同的方管切割而成，上层落肥管（图3c）焊接在上层落肥管上部竖直管道护板后端，通过紧固螺栓实现上层肥料排施深度的调整。

分层定量施肥装置安装在2BYL-8型离心式油菜直播机后端机架上，工作时，稻草在防堵辊的作用下向铲体两侧移动，施肥铲开出肥沟，肥料通过肥量控制与分流机构按比例进入上层和下层落肥管，下层肥料通过下层排肥口落入沟底，土壤在L形分土板缺口处回填，形成上层沟底，在L形分土板上端翼板的作用下，形成上层肥沟，上层肥料通过左右排肥口实现肥料左右分施，回土板将土壤回填在上层肥料带，完成分层施肥作业。

2.2 肥料均匀分布策略

现有施肥装置均是将与排肥器连接的排肥管末端直接放在落肥管中，排肥管末端的朝向、角度均无法调控，不利于精量和稳定施肥。本文设计的肥料均布器如图4所示，主要由肥管接口、均肥管、均肥挡杆等组成。肥料均布器上端与排肥管末端连接，并置于总排肥管中间位置，以保证肥料流动方向的集中稳定，同时在圆管内壁设计有轴向等距、径向垂直、中间未交叉的5组均肥挡杆，相邻层均肥挡杆径向夹角45°，通过碰撞保证肥料均匀分散在管道内，为后续的肥料分配比例提供支持。

1.肥管接口 2.调节块 3.均肥管 4.均肥挡杆

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

注：为均肥管内径，mm；为均肥挡杆末端所在圆内径，mm；1、2、3、4、5为肥料的流通区域。

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.

图4 肥料均布器

Fig.4 Fertilizer uniform distributor

调节块根据总排肥管的参数确定，长、宽均为36 mm，高20 mm，均肥管外径设计为34 mm，壁厚为2 mm，则均肥管内径为30 mm，为保证肥料均匀分布于排肥管内，1～4的各区域面积应与5区域相同，则有：

式中为均肥挡杆直径，mm。

设均肥挡杆的最大直径为5 mm，则由（1）式得为11.53 mm，此时肥料的流通面积（mm2）为

由式（2）得为521.8 mm2。以最大施肥量525 kg/hm2、机器作业幅宽2300 mm、施肥行数8行、机器前进速度为7 km/h为计算依据，则单位时间施肥量m为29.4 g/s。根据机器尺寸得肥料从排肥口排出的最小速度min约为1 920 mm/s，则均肥管不发生堵塞的最小流通面积min为

式中ρ为肥料的密度，845.61 kg/m3[26]。

根据式（3）得肥管不发生堵塞的最小流通面积min为18.1 mm2，远小于肥料的流通面积，肥料均布器满足肥料流通要求。

2.3 肥料比例调节方法

不同地区肥料的施用量和上下层肥料施用比例有所不同，因此上下层肥料排施量需在一定比例内可调，同时需保证分配比例的可靠稳定。

本文设计的分肥板两侧与总排肥管之间仅留有便于安装的0.5 mm间距，分肥板上端为倒楔形，以减少因肥料与分肥板碰撞弹跳引起的左右两侧肥料分配比例不稳定，分肥板将肥料均布器中圆管的内圆面积分割成2个部分（本文以紧固肥料均布器的螺栓所在位置为右，对面为左），左侧为下层肥料通道，右侧为上层肥料通道，通过在肥料比例调节滑槽内左右移动紧固件，调节肥料均布器中圆形落肥管的左右两侧落肥面积，以落肥面积占总圆面积的比例表征肥料分配比例，本文设计左侧面积在50%～70%之间可调，右侧面积在30%～50%之间可调，以满足不同地区油菜施肥要求。

将肥料比例调节分配部件进行简化，如图5所示，以肥料均布器圆管圆心为坐标原点构建直角坐标系，以铲体前进方向的反方向为轴的正方向，前进方向的右方为轴的正方向，则肥料均布器内圆的方程为

分肥板上端倒楔形顶部棱边与轴平行，且将内圆面积分成2部分。

注：0为分肥板与坐标原点的距离，mm；为分肥板左侧区域面积，mm2；为分肥板右侧区域面积，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.

图5 肥料比例调节示意图

Fig.5 Schematic diagram of fertilizer proportion adjustment

根据积分求圆面积的方法，结合分层施肥比例要求，应用Excel软件求解不同施肥比例对应的0值如表1所示。

表1 不同施肥比例的分肥板位置

2.4 土壤回填机构参数设计

分土板参数对下层肥沟的土壤回填和上层肥沟的成型具有重要影响，直接影响分层施肥效果。为满足上层肥料左右分施要求，根据上层排肥口尺寸，分土板与铲体外侧面夹角设计为160°，其角度远大于土壤与铲体的摩擦角[13]，土壤可在重力作用下回填；为实现上层肥沟深度的调整，上侧翼板下端与下侧翼板下端距离设计为90 mm，并通过调整上层落肥管的竖向位置实现施肥深度的调整，同时为保证分土板的分土性能，上侧翼板的高度设计为80 mm。

上侧翼板下端的土壤颗粒经过点后，进入下层土壤回填阶段，下层肥沟沟顶的边缘土壤颗粒下落。为了避免土壤回填时间过长，造成上层肥料随土壤滚落至下层肥沟内，影响分层施肥效果，设计了通过焊接与L形分土板呈一定角度的扇形回土板，扇形回土板为以宽度3为半径的四分之一圆，圆弧面向前焊接在L形分土板下侧，以保证土壤快速回填到下层肥沟内，同时利用回土板为上层肥料划切出肥沟。分土板结构简图如图6所示。

为保证上层肥料落在上层肥沟内，铲体宽度与回土板与分土板焊接位置与铲体侧面的距离需满足：

本文设计的铲体宽度l为40mm，根据式（5）得2的取值范围为10～20 mm，本文取2=15 mm。根据结构几何关系，回土板与分土板的焊接位置到点的距离1为

根据式（6）得1为44 mm。为保证土壤顺利回填，扇形回土板与铲体侧面的夹角需远大于土壤与铲体的摩擦角[13]，本文取135°。同时，为避免回土板对下层肥沟已回填土壤的扰动，扇形回土板末端与铲体侧面需尽量保持在一个面上，则扇形回土板的宽度3为

根据上式得扇形回土板的宽度3=22 mm。同时为保证较好的上层肥料埋土效果，在铲体后方也安装了回土板。

3 肥料比例调节分配机构仿真试验与分析

肥料比例调节分配机构是影响上下层肥料排施比例的关键部件，其作业效果直接影响施肥比例的准确性和稳定性。本文通过构建肥料比例调节分配机构模型，应用EDEM仿真软件进行多因素试验，分析各参数对肥料分配比例准确性和稳定性的影响，获取肥料比例调节分配机构的最佳结构参数。

3.1 仿真模型构建

为保证仿真的准确性并缩短仿真时间，将与肥料颗粒无接触的部件省去，按照1:1的比例，采用SolidWorks软件建立肥料比例调节分配机构三维模型，以.IGS格式导入EDEM软件。肥料比例调节分配机构上端接一段斜置的肥管，仿真时肥料从肥管开始进入。适用于油菜的配方肥球形度均大于87%，球形度较高，因此用球形代替颗粒化肥[27-28]，设置其密度为845.61 kg/m3，等效直径为3.3 mm，泊松比为0.25，剪切模量为1.1×108Pa[25]。结合实际施肥量和机器作业速度，设置颗粒生成速度为500 粒/s，固定时间步长为Rayleigh时间步长的20%，仿真时间10 s[29]。由于颗粒化肥为类球形散粒体，颗粒表面无粘附作用，因此选择Hertz-Mindlin (no-slip)无滑动接触模型[30]。

3.2 仿真试验与结果分析

3.2.1试验设计

肥料均布器中的均肥挡杆直径D、均肥挡杆组数D及相邻均肥挡杆组之间的距离D是影响肥料均匀分布效果进而影响上下层肥料分配比例稳定性的主要因素，采用Design-Expert软件响应面分析中的Box-Behnken Design(BBD)响应面优化分析法进行二次回归正交旋转组合设计，每组试验重复3次取平均值。

分析肥料均布器结构可知，均肥挡杆直径越小，越利于肥料通过，但结构强度越低；均肥挡杆组间距越小肥料越容易通过，但均肥效果越差，结合文献[20]，在确保均肥挡杆强度的基础上，选取均肥挡杆直径为3～5 mm，每层均肥挡杆组间距8～12 mm；根据肥料均匀分布策略和肥料均布器结构限制，确定均肥挡杆组数为4～6组。试验因素水平如表2所示。各仿真参数如表3所示。

表2 试验因素水平表

表3 仿真参数设置

结合油菜生长需肥特点，以上、下层施肥量比例4∶6设置分肥板位置，以机器前进速度4 km/h时的排肥量设置颗粒生成速度，以上、下层施肥比例与设置的目标比例误差为试验指标，考察肥料比例调节分配机构的作业效果。上、下层施肥比例与目标施肥比例的误差可由式（8）计算。

式中E为上层施肥量比例与目标施肥比例的误差；m为上层实际施肥量比例，%；m为设置的上层施肥量比例，%；E为下层施肥量比例与目标施肥比例的误差；m为下层实际施肥量比例，%；m为设置的下层施肥量比例，%。

3.2.2 结果与分析

试验方案和结果如表4所示，利用Design-Expert软件对试验数据进行处理，剔除不显著项，得到实际施肥比例与目标施肥比例误差的二次回归模型为

表4 试验方案和结果

注：1、2、3分别为均肥挡杆的直径、组数和组间距编码值。下同。

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

对二次回归模型进行方差分析和显著性检验，结果如表5所示。

表5 回归方程方差分析

注：<0.01为极显著影响；0.01≤<0.05为显著影响。

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

根据表5可知，二次回归模型<0.01极显著，失拟项>0.05失拟不显著，说明拟合模型能正确反映各因素与误差之间的关系，可以较好地对试验结果进行预测，1、2、3、12、12、22、32项极显著，其余项均不显著，根据模型回归系数大小可知，各因素对误差的影响由大到小依次为3、2、1。

将任一因素固定在0水平，得到其余两因素交互作用对实际施肥比例与目标施肥比例误差的响应面图，如图7所示，由图7a可知，当挡杆组间距D处于0水平，且挡杆组数为5时误差存在最小值；由图7b可知，当D处于0水平，挡杆组数D位于4.4～5.6之间时误差存在最小值；由图7c可知，当D处于0水平，D值较大或较小且D较小时误差存在最小值。利用软件中Optimization-Numerical模块求得最优参数组合为D=3 mm，D=5.16，D=8.94 mm，此时实际施肥比例与目标施肥比例误差为1.83%，结合加工实际，确定最优参数为D=3 mm，D=5，D=8.9 mm。

4 排肥稳定性试验

4.1 试验条件与评价指标

为验证仿真分析确定的最优参数组合下肥料比例调节分配机构的作业性能，以螺旋扰动锥体离心式排肥器为供肥装置，选用史丹利复合肥，开展排肥器转速在100、110、120 r/min（对应播种速度约为1.8、2.6、3.1 km/h。此3种排肥器转速下各行排肥量一致性系数高于96.5%，排肥均匀稳定）[25]，上、下层设置施肥比例为50:50、40:60、30:70，供肥时间1 min的肥料比例分配性能试验，每次试验利用接肥袋收集各排肥管内肥料，重复3次取平均值。试验以目标施肥比例与实际施肥比例误差、上下层落肥管排肥量稳定性变异系数和上层落肥管左右两侧排肥量稳定性变异系数为评价指标，排肥量稳定性变异系数由式（10）求得。

式中为试验次数；x为排肥量，g；CV为排肥量稳定性变异系数，%。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 上下层排肥量稳定性试验

上下层排肥量稳定性变异系数是衡量肥料分配比例稳定性的重要指标。肥料比例调节分配机构排肥性能试验如图8所示。排肥性能试验结果如表6所示。

由表6可知，相同上下层目标施肥比例下，随排肥器转速增加，即排肥量的增加，实际施肥比例与目标施肥比例误差逐渐增大；相同排肥器转速下，随上层目标施肥比例的减小，实际施肥比例与目标施肥比例误差也逐渐增加，最大误差为4.1个百分点，该误差较小，对油菜后期长势影响较弱，满足油菜施肥要求。

上下层排肥稳定性变异系数随排肥器转速关系如表7所示。由表7可知，目标施肥比例为40:60和30:70时，下层排肥量稳定性变异系数均低于上层实际排肥量稳定性变异系数；目标施肥比例为50:50和40:60时，随排肥器转速的增加，排肥量稳定性变异系数减小，上下层排肥量稳定性变异系数最高为3.9%，说明上下层肥料比例分配稳定，满足油菜分层施肥要求。

4.2.2上层分施排肥性能试验

上层左右落肥管排肥量差异和稳定性是影响油菜根系前期生长的重要指标。上层排肥稳定性变异系数如表8所示。

从表8可以看出不同转速下上层左右落肥管排肥量稳定性变异系数低于4.8%，说明左右两侧排肥量稳定性好，排肥器转速对两侧排肥量稳定性影响较小。

上层左右两侧落肥管的排肥性能试验结果如表9所示。由表9可知，实际施肥比例与目标施肥比例误差低于4.1个百分点，说明左右两侧落肥管分肥效果好，满足上层肥料分施要求。

表6 不同转速下肥量控制与分流机构上下层排肥性能试验结果

表7 不同转速下上下层排肥量稳定性变异系数

表8 不同转速下上层左右侧排肥量稳定性变异系数

表9 不同转速下上层左右侧排肥性能试验结果

5 田间试验

为验证分层定量施肥装置的分层施肥效果，于2020年9月11日在监利市试验示范基地开展田间试验。选用2BYL-8型离心式油菜直播机作为试验平台，试验前地块已旋耕，肥料为史丹利复合肥，采用东风井关T954型拖拉机3.1 km/h开展试验，试验中采用拖拉机12V蓄电池作为电源为排肥器直流电机提供动力，排肥器转速为120 r/min，试验中任取5行肥沟，机器前进20 m后选取肥沟内第一个测量点，间隔50 m后选取另一个测量点，共计10个测量点，测量分层施肥深度和上层肥料分施间距，试验现场如图9所示。

施肥深度为每层肥料与地表的最远肥料颗粒距离，上层分施间距为左右两侧距离最近的肥料颗粒之间的距离。由于测量过程中存在土壤流动，且进行肥料位置测量将土扒开过程造成肥料位置的改变，无法准确测得实际值，因此为确保施肥位置的测量结果更接近实际值，采用位于落肥管内且与排肥口最近的肥料颗粒位置作为测量依据，分别测得上、下层施肥深度和上层左右两侧肥料的分施间距，测量结果如表10所示。由表10可知，下层肥料平均深度为141.2 mm；上层左侧肥料平均深度为81.9 mm，右侧平均深度为81.6 mm，两者相差不大；上层左侧与右侧肥料平均间距为67.8 mm。上述结果均满足设计要求，同时施肥深度稳定，满足分层施肥要求。

表10 施肥位置测量结果

6 结 论

1）针对长江中下游地区油菜播种同步施肥过程施肥方式粗放、分层施肥装置匮乏问题，提出了一种基于肥料流均匀分布的上下层肥料比例调节、上层肥料左右分施技术，设计了一种上下层施肥深度可调的分层定量施肥装置，利用二次回归正交旋转组合试验，仿真分析确定了均布装置的最优结构参数：挡杆直径为3 mm、挡杆组数为5、挡杆组间距为8.9 mm。

2）最优参数组合下的排肥性能试验结果表明，上下层实际施肥比例与目标施肥比例最大误差为4.1个百分点，排肥量稳定性变异系数低于3.9%，说明肥料比例分配稳定；上层左右落肥管实际施肥比例与目标施肥比例误差低于4.1个百分点，排肥量稳定性变异系数低于4.8%，满足上层肥料分施要求；田间试验表明，施肥装置作业稳定，满足油菜分层施肥要求。

本研究重点对颗粒化肥均匀分布按比例分配开展理论分析，以满足肥料分层施用的要求，未进行残茬量大且未耕整地块的试验，后续将结合主动防堵装置的研究对不同田块的适应性进行试验与分析。

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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

刘晓东，王绪坪，陈礼源，等. 油菜直播机分层定量施肥装置设计与试验[J]. 农业工程学报，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

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

刘晓东，博士生，研究方向为现代农业装备设计与测控。 Email：17863963882@163.com

丁幼春，教授，博士生导师，研究方向为油菜机械化生产智能化技术与装备。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001

S223.2+4

A

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