【摘 要】
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精准农业是近年来农业科学研究的热点,精准施肥是精准农业的重要组成部分,其主要包括变量施肥自动控制技术和机械装备。变量施肥技术对于提高肥料利用率、改善土壤环境质量、减少化肥对环境污染、提高农作物产量等都具有很大的实际意义。目前,国内外研发和已应用的精准排肥装备主要针对大田施肥作业,适应丘陵山地果园的变量施肥装置研究较少,无法同时兼顾果园少量氮肥和大量有机复合肥的变量施肥,影响了精准施肥在丘陵山地水果
【基金项目】
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重庆市科委重点项目:柑橘果园多功能智能作业机械的研发及产业化（cstc2018jszx-cyzdX0051）; 重庆市科委重点项目:果园精准施肥智能装备的研制与应用（cstc2019jscx-gksbX0001）
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精准农业是近年来农业科学研究的热点,精准施肥是精准农业的重要组成部分,其主要包括变量施肥自动控制技术和机械装备。变量施肥技术对于提高肥料利用率、改善土壤环境质量、减少化肥对环境污染、提高农作物产量等都具有很大的实际意义。目前,国内外研发和已应用的精准排肥装备主要针对大田施肥作业,适应丘陵山地果园的变量施肥装置研究较少,无法同时兼顾果园少量氮肥和大量有机复合肥的变量施肥,影响了精准施肥在丘陵山地水果产业中的推广应用。本文结合实际生产需要研制了一种沟施肥与撒施肥两方式结合的变量施肥装置,该装置不仅适应丘陵山地果园变量排肥应用,而且能够满足果园变量沟施肥和丘陵山地变量撒施肥作业需求。论文的主要研究工作如下:（1）查阅国内外有关变量施肥装置和果园施肥方法的相关文献资料,实地调研我国丘陵山地果园施肥现状和施肥机具需求,分析确定了施肥装置的整体结构组成、技术与总体目标要求。变量施肥装置能实现两种模式的变量施肥作业,在丘陵山地果园沟施肥模式下,采用槽口体积和槽轮转速可调控的外槽轮式结构;在撒施肥模式下,采用气吹式结构定量抛撒肥料。变量施肥装置可根据目标施肥量、载具行驶速度,来调整装置施肥速度从而达到定量均匀施肥的目的。（2）对沟施变量排肥部件结构进行设计和施肥性能进行了研究。结合丘陵山地果园实际生产需求对沟施变量排肥部件结构进行了设计,针对颗粒肥料选用外槽轮式排肥器,将结构设计为排肥体积连续可变,并对其理论排肥量、工作空间的最大值进行设计计算。计算确定排肥槽轮的理论单圈最大排肥体积为534.07cm3;根据目标施肥量大小、载具行驶速度,控制系统可以实现在0-534.07cm~3间任意选择单圈排肥体积;实际测量得到装置单圈排肥的最大体积为532.28cm~3,误差为0.34%,其他情况下的控制体积与实际测量体积最大误差为0.67%;对槽轮转速与填充率之间的关系进行了试验,当排肥轮转速为30～120r/min时,填充率呈稳定的线性关系,相关系数值为0.9995,具有较好的排肥控制效果;建立了载具速度与排肥速度间的关系。通过室内模拟差异化变量施肥试验表明:当载具行驶速度为0.5、2.0、4.5km/h时,实际排肥量与理论排肥量间的误差最大为3.8%。（3）对撒施肥部件的结构和性能进行了研究。采用气吹式原理进行撒施肥,对颗粒肥料在排肥管道、气动通道以及空气中运动进行了力学和运动学分析,建立了肥料下排初始速度、肥料物理特性、出风口处的风速及风量、空气参数与肥料抛撒距离间的关系。设计的撒施肥区域远端半径为3.0m,近端半径为0.8m,摆幅角度60~0。选用ZHF283502型双叶离心风机作风源,风速为6.5m/s,试验表明,载具和抛施肥口都处于静态时,实际撒肥区域为矩形,宽度和长度分别为0.35m和2.2m,适应起垄种植番薯、白菜及果树幼苗等的撒施肥;载具静态而抛施肥口运动时,实际撒肥区域是远端半径为2.85m、近端半径为0.82m、撒肥区域为圆心角60°的环形区域。施肥量一定的情况下,抛撒肥料均匀性与摆动频率相关,可根据实际需肥量控制摆动频率。（4）在温室大棚进行了田间模拟试验研究。对装置的沟施变量排肥准确性和稳定性进行了验证,当载具速度为0.5、2.0、4.5km/h时,系统设定的目标排肥量与实际排肥量最大误差为7.4%。当果园单棵果树需肥量不同,可将施肥处方图导入系统,实现按需变量施肥;对需连续定量沟施肥情况下的变异系数与断条率进行测试,当载具速度为0.5、2.0、4.5km/h时,装置动态排肥的变异系数与断条率满足行业标准中分别小于7.8%和2%的要求;对装置撒施肥的性能进行了静态及动态测试,在静态时,测得撒肥装置的撒肥作业幅宽为0.35m,撒施肥作业的变异系数最大为11.81%;在动态时,在相同的摆动频率下,变异系数随载具排肥轮转速的提高而上升;在相同的排肥轮转速下,变异系数随摆动频率的上升而下降;在排肥轮转速为30r/min时,摆动频率大于等于0.5r/s时变异系数小于40%;在排肥轮转速为60r/min时,摆动频率大于等于0.7r/s时变异系数小于40%;当排肥轮转速为90r/min时,摆动频率大于等于0.9r/s时变异系数小于40%;当排肥轮转速为120r/min时,0.5-1.0r/s摆动频率下的变异系数大于40%。根据试验结果优化了调节规则,用修正后的调节规则进行撒施肥均匀性验证试验,试验测得的变异系数最大为23.24%,符合中华人民共和国农业行业标准NYT1003-2006《施肥机械质量评价技术规范》中变异系数应小于40%的要求。本文为我国丘陵山地果园机械施肥作业过程中装置无法精准变量、适应不同的施肥方式等问题提供了有效的解决办法,并为丘陵山地果园精准施肥机械的开发提供了参考。
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