吳　寧，吳德勝，李　輝，梁　浩

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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有機(jī)肥施肥機(jī)的標(biāo)校

吳寧，吳德勝，李輝，梁浩

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：由于畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，畜禽糞便的產(chǎn)出量急劇增大。畜禽糞便是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源，有機(jī)肥還田不但提供了農(nóng)作物生長需要的養(yǎng)分，還可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，降低糧食生產(chǎn)成本。因此，研制適合中國國情的有機(jī)肥施肥機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。目前，我國對有機(jī)肥施肥機(jī)的研究才剛剛起步，本文以中機(jī)華豐(北京)科技有限公司研制的有機(jī)肥施肥機(jī)為研究對象，主要研究了有機(jī)肥施肥機(jī)的標(biāo)校，包括施肥均勻度的測定與校驗(yàn)、工作幅寬的測定與校驗(yàn)以及部分試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證并回答了施肥過程中常遇到的幾個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥施肥機(jī)；均勻度；工作幅寬；標(biāo)校

0引言

近年來，由于畜牧場的興建及生產(chǎn)集約化、規(guī)模化、商品化程度的提高，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，使得畜禽糞便的產(chǎn)出量急劇增大，因未及時(shí)處理利用，導(dǎo)致環(huán)境污染問題和資源化、科學(xué)化利用問題日益凸顯[1-2]，成為阻礙養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。然而，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，無論過去、現(xiàn)在和將來，畜禽糞便都是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源[3-4]，經(jīng)過堆肥發(fā)酵后，既可將粉狀有機(jī)肥的形式直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也可加工成不同形狀的粒狀有機(jī)肥使用。試驗(yàn)和研究表明：有機(jī)肥不但提供了農(nóng)作物生長需要的營養(yǎng)元素，而且可增加土壤中有機(jī)物的含量、改善了土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤通風(fēng)和蓄水能力，并起到增加土壤肥力、促進(jìn)作物生長的作用；另外，有機(jī)肥的還田利用還可以改善農(nóng)業(yè)大氣環(huán)境、水環(huán)境和生物環(huán)境，減少了化肥的使用，降低糧食生產(chǎn)成本，是保持農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。因此，必須最大程度地利用畜禽糞便中的營養(yǎng)物，更好地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。目前，我國大部分地區(qū)的有機(jī)肥撒施還主要依靠人力，由于有機(jī)肥的撒施量大，人工撒施不但勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差，而且撒施也不均勻。因此，研制適合中國國情的有機(jī)肥施肥機(jī)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

1固體有機(jī)肥施肥機(jī)的研究現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家對施肥機(jī)的機(jī)理研究起步較早。早在1962年，Patterson and Reece就對肥料顆粒在圓盤上的運(yùn)動開始研究，成為當(dāng)今圓盤式施肥機(jī)的數(shù)學(xué)理論模型的基礎(chǔ)[5-6]。1996年，R.Olieslagers，H.Ramon and J.De Baerdemaeker通過施肥機(jī)模型對肥料類型進(jìn)行研究[7]。2001年，J.P.Fulton等對田間變量施肥機(jī)進(jìn)行田間性能評測和撒施試驗(yàn)，提出了將收集盒子按矩陣方式擺放進(jìn)行田間測試的方法，并對美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會的S341.2的測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改[8]。2004年，Edward Dintwa等人提出了運(yùn)用離散元法對單獨(dú)顆粒在施肥機(jī)旋轉(zhuǎn)圓盤模型上的運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬，將得到的運(yùn)動過程和計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際撒施試驗(yàn)相比較[9]。上述試驗(yàn)研究，為國外高性能的施肥機(jī)的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家已開發(fā)出多種自動化程度很高且性能可靠的有機(jī)肥施肥機(jī)，如圖1所示。

圖1　PICHON公司 M12立螺旋有機(jī)肥施肥機(jī)

國內(nèi)對有機(jī)肥施肥機(jī)的研究剛剛起步。針對我國農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及多年從事飼養(yǎng)設(shè)備和有機(jī)肥加工設(shè)備對畜禽糞便和有機(jī)肥特性的了解，中機(jī)華豐(北京)科技有限公司于2013年研發(fā)了系列立螺旋有機(jī)肥施肥機(jī)，并于2014年成功完成了各項(xiàng)性能指標(biāo)測試和生產(chǎn)考核。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)體質(zhì)量小、撒施寬度大及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　2F系列施肥機(jī)

鑒于有機(jī)肥施肥機(jī)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合研制和應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，為了保證所需的施肥量和撒施均勻性，施肥機(jī)是需要定期標(biāo)校的。根據(jù)設(shè)備的使用情況提出以下幾個(gè)問題：

①施肥量的變異系數(shù)在施肥機(jī)橫向還是前進(jìn)方向上更大？②施肥機(jī)保持一定的均勻度時(shí)，有效幅寬為多少？③較窄的工作幅寬提高了整個(gè)大田的平均施肥量。那么較窄的幅寬提高了還是降低了施肥的均勻度？

2有機(jī)肥施肥機(jī)的標(biāo)校

2.1　研究對象

本文以2F系列有機(jī)肥施肥機(jī)為試驗(yàn)對象(技術(shù)參數(shù)見表1)，其主要由底盤、肥箱、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、輸送裝置及垂直拋撒裝置等部件組成[10]；利用拖拉機(jī)作為行走和拋撒動力源，可一次性將5、8、10 m3動物糞便或有機(jī)肥料均勻拋撒在農(nóng)田，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1　2F系列有機(jī)肥施肥機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.底盤　2.液壓驅(qū)動系統(tǒng)　3.拋撒保護(hù)裝置　4.垂直拋撒裝置

最普通的有機(jī)肥施肥量的標(biāo)定方法是在一定面積的區(qū)域撒施一定量的有機(jī)肥，有機(jī)肥的質(zhì)量除以其撒施的面積。這需要假設(shè)撒施的有機(jī)肥質(zhì)量是已知的或容易預(yù)估的。如果肥料總量無法獲得，可以通過施肥機(jī)中有機(jī)肥的體積(m3)乘以有機(jī)肥的密度(kg/m3)得到施肥機(jī)中有機(jī)肥的近似質(zhì)量。

2.2　撒肥均勻度的測定

計(jì)算大區(qū)域內(nèi)的施肥量，并不表明每個(gè)作物個(gè)體都能獲得足夠養(yǎng)分。因此，必須要測定工作幅寬之間特定區(qū)域的均勻度。對于土壤中含有足夠的磷和鉀或一些對于氮的含量反饋不是很顯著的作物，只從環(huán)保角度來看，撒施均勻度是比較重要的。然而，磷和鉀含量對于作物產(chǎn)量有影響或需要足夠氮水平的谷類作物，均勻度對于任何肥料都是非常重要的。

有機(jī)肥施肥機(jī)按使用說明書規(guī)定的要求操作，試驗(yàn)使用肥料的物理特性應(yīng)按表2確定，試驗(yàn)用的肥料在試驗(yàn)前應(yīng)盡可能少進(jìn)行處理，經(jīng)過施肥機(jī)使用過的肥料不能重復(fù)使用。如果要使用兩種類別的肥料，肥料密度應(yīng)至少相差75kg/m3，且應(yīng)盡可能選擇類別不接近的肥料。

裝載時(shí)，肥料應(yīng)均勻填加，然后人工平整，但不應(yīng)人為進(jìn)行壓實(shí)。如果使用帶鏟斗的裝載機(jī)，鏟斗的寬度不應(yīng)超過機(jī)體長度的1/2，鏟斗應(yīng)在一定高度上傾卸排空，這一高度不應(yīng)超過機(jī)體高度1m。

表2　肥料特性

測定撒肥均勻度，需要用到塑料布、桶、磅秤及盒尺等。收集有機(jī)肥用的塑料布在橫向上以相同距離鋪在地面上，其長度方向與施肥機(jī)行進(jìn)方向平行。通過塑料布上的有機(jī)肥質(zhì)量可以計(jì)算施肥機(jī)在橫向上撒肥量的變異系數(shù)。

塑料布的大小應(yīng)一致(如300mm×600mm)。制作一張記錄塑料桶重的表格，包含空桶和塑料布的質(zhì)量。通過幾個(gè)表中記錄的皮重，來找到平均容器質(zhì)量，或是將某個(gè)皮重近似的作為每個(gè)表中的容器質(zhì)量。

接下來，將塑料布在施肥機(jī)橫向上以相同的間隔放置。塑料布的數(shù)量將隨施肥機(jī)拋撒的距離和塑料布之間的間隔距離不同而變化，一般會用到8~13個(gè)這樣的塑料布上。農(nóng)田常見的布局是：塑料布間隔750mm，施肥機(jī)可拋撒的最大寬度距行駛中心線可達(dá)5m，如圖4所示。

圖4　常見的收集箱布局模式

對于較寬的施肥機(jī)，可能需要在兩車輪之間放置兩個(gè)收集布，而較窄的施肥機(jī)，可能只需在兩車輪間放置一個(gè)收集布。當(dāng)以某一間距放置，導(dǎo)致一個(gè)收集布正好落在車轍上，可以省略這個(gè)收集布，用其兩側(cè)收集區(qū)域的平均質(zhì)量近似的代替。

撒肥行駛方向應(yīng)盡可能地與盛行風(fēng)向平行，塑料布應(yīng)垂直于施肥機(jī)行駛方向放置。風(fēng)速應(yīng)不高于8km/h。施肥機(jī)經(jīng)過后，從左向右橫向收集塑料布，分別稱重并記錄。檢查單個(gè)收集布中廄肥的質(zhì)量范圍，邊緣收集布中所含物料少于中間收集布所含物料50%的數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)整理，按以下方法計(jì)算變異系數(shù)，以此測定撒肥均勻度。

樣本標(biāo)準(zhǔn)差為

式中Xi—樣本質(zhì)量的測量值；

n—樣本數(shù)量；

S—樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

樣本變異系數(shù)為

式中CV—樣本變異系數(shù)(%)。

有機(jī)肥施肥機(jī)單行模式時(shí)的均勻度主要由施肥機(jī)結(jié)構(gòu)決定。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)撒施的有機(jī)肥主要集中在2~6m之間的區(qū)域，邊緣撒肥量相對于中間減半的位置約位于2m和6m附近，如圖5所示。

圖5　有機(jī)肥施肥機(jī)典型單行模式

2.3　工作幅寬的測定

測定工作幅寬時(shí)需要用到肥料收集箱，收集箱外部尺寸為300mm×300mm，高度不超過100mm。肥料收集箱的放置應(yīng)保證其邊緣與地面平行，以使肥料收集箱垂直于有機(jī)肥施肥機(jī)的行駛路線并覆蓋總的工作幅寬，第一個(gè)收集箱和最后一個(gè)收集箱的邊緣與中心線重合，如圖6所示[11]。

由施肥機(jī)的單行試驗(yàn)可知，撒肥量相對于中間減半的位置位于2m和6m附近，這兩點(diǎn)的距離約為3.9m，以此作為工作幅寬的起點(diǎn)，工作幅寬以300mm遞增(即肥料收集箱的寬度)。

施肥機(jī)經(jīng)過后，用收集箱收集物料，分別稱重并記錄。根據(jù)2.2中計(jì)算樣本變異系數(shù)的方法，計(jì)算出不同工作幅寬時(shí)的樣本變異系數(shù)。在一定的撒肥量范圍內(nèi)，變異系數(shù)最小時(shí)，對應(yīng)的幅寬即為最佳工作幅寬。

已知樣本質(zhì)量，無需進(jìn)一步分析，即可得到幅寬間相對應(yīng)的施肥量。幅寬間每個(gè)位置的實(shí)際施肥量為

A=(1×107·M)/(L·W·n)

其中，A為施肥量(t/hm2)；M為廄肥樣本總質(zhì)量(kg)；L、W為塑料布的長度和寬度(mm)；n為幅寬間收集箱的數(shù)量。

例如，如果13個(gè)300mm×300mm的收集箱中廄肥的質(zhì)量為1kg，則施肥量為

如果施肥量或拋撒效果是不合格的，那么工作幅寬、行進(jìn)速度或刮板輸送速度可能需要測試。減小幅寬和行進(jìn)速度，或提高刮板速度可以提高施肥量。所有收集箱的平均施肥量可以決定大田的平均施肥量，這個(gè)平均施肥量可以近似地當(dāng)作整個(gè)大田的施肥量，但不能獲得大田中植株與植株間的施肥差異。

為了提高均勻性，可以通過調(diào)整幅寬間隔，使其等于在幅寬方向上最大施肥量減半時(shí)兩位置的距離，以此提高均勻度。如果撒施速率太高或太低，在改變工作幅寬之前，可以首先通過刮板輸送速度、螺旋轉(zhuǎn)速或施肥機(jī)行駛速度來補(bǔ)償施肥率。

1.肥料收集箱　2.行駛方向　3.行駛方向

3施肥機(jī)的撒肥效果

試驗(yàn)糞肥是已經(jīng)在外面堆放了幾個(gè)月的牛糞有機(jī)肥半成品，含水量在50%左右(濕基)。由于施肥機(jī)在橫向上幅寬之間會有重疊，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，施肥量在橫向上比施肥機(jī)行進(jìn)方向上的變化量(變異系數(shù))大。

試驗(yàn)結(jié)果是由4個(gè)垂直螺旋和水平圓盤組成的施肥機(jī)得出的。單行模式的撒肥分布明顯的集中在所經(jīng)過的中心區(qū)域，以軸距2m的距離向兩側(cè)延展(見圖5)，該區(qū)域以外的分布率明顯下降。肥料分布的峰值在單向施肥機(jī)的中心線附近，固施肥機(jī)行駛速度或刮板鏈條速度的不同，撒肥量在25 ~50t/hm2間變化。

不同的幅寬重疊改變了總體的平均施肥量及橫向的撒肥均勻度。施肥機(jī)的均勻性通常以變異系數(shù)(CV)作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。CV越低表明撒肥量變化少，均勻度更好。圖7和圖8分別表示了施肥機(jī)不同幅寬間隔時(shí)對應(yīng)的總體施肥量和變異系數(shù)。窄的重疊量提高了均勻性，但也增加了施肥量。對于該類型施肥機(jī)應(yīng)用4m的幅寬時(shí)，提高了撒肥均勻性(變異系數(shù)減至32%)且并沒有極大提高施肥量(37t/hm2)。

圖7　施肥機(jī)不同幅寬時(shí)的撒肥量

圖8　施肥機(jī)不同幅寬時(shí)的變異系數(shù)

4結(jié)論

1)由于施肥機(jī)在橫向幅寬之間會有重疊，撒肥量在橫向上變異系數(shù)更大，除非幅寬間準(zhǔn)確重疊。

2)施肥機(jī)有效幅寬由兩側(cè)邊緣撒肥量相對于中間減半的距離開始，由于物料含水率的不同，有效幅寬主要集中在4~5m之間。

3)施肥機(jī)不同的幅寬間隔影響施肥量和撒肥均勻度。通常，窄的幅寬間隔會提高撒肥均勻度，但同時(shí)提高了總體的施肥量。

參考文獻(xiàn)：

[1]董克虞. 畜禽糞便對環(huán)境的污染及資源化途徑[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1998，17(6)：281-283.

[2]劉書楷. 從資源經(jīng)濟(jì)學(xué)原理論廢棄物資源化問題[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1991，10(3)：97-100.

[3]賈曉葵. 有機(jī)廢棄物的農(nóng)業(yè)利用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1991，10(2)：94-96.

[4]劉心愛. 集約化畜禽場的環(huán)境污染治理[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，1997，14(4)：8-10，27.

[5]Patterson D E，Reece A R. Theory of the centrifugal distributor. I: Montion on the disc，near-centre feed[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1962,7(3)：232-240.

[6]Inns F M，Reece A R.Theory of the centrifugal distributor. II: Montion on the disc，off-centre feed[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1962,7(4)：345-353.

[7]R Olieslagers，H Ramon，J De Baerdemaeker. Calculation of Fertilizer Distribution Patterns from a Spinning Disc Spreader by means of a Simulation Model[J].agric.Engng Res，1996,63：137-152.

[8]J P Fulton，S A Shearer，T S Stombaugh.Pattern Assessment of a Spinner Disc Variable-Rate Fertilizer Applicator[C]//Sacramento Convention Center，Sacramento，California，2001.

[9]Edward Dintwa，Paul Van Liedederke，Robert Olierlagers.Model for Simulation of Particle Flow on a Centrifugal Fertilizer Spreader[J].Biosystems Engineering，2004，87(4):407-415.

[10]吳德勝. Manure Spreaders[C]//全國第五期生物堆肥技術(shù)與工程培訓(xùn)班發(fā)言，2009.

[11]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB/T 25401-2010. 農(nóng)業(yè)機(jī)械 廄肥施肥機(jī)環(huán)保要求和試驗(yàn)方法[S].

Calibration of Manure Spreaders

Wu Ning, Wu Desheng, Li Hui, Liang Hao

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 100083,China)

Abstract：With the rapid development of livestock breeding industry, the output of livestock and poultry increases sharply. And livestock and poultry manure is a kind of high quality organic fertilizer. The organic manure returning to field not only provides the nutrition factor for crop growth, but also can improve the agricultural ecological environment and reduce the cost of food production. Therefore, it has important realistic significance and application value for the development of solid manure spreader which is suited to China’s national conditions. At present, the research on manure spreader in China has just started. This paper uses the solid manure spreader which is developed by MAE Wellful Industries Co., Ltd as the research object. Mainly studies the manure spreader calibration, including spreader uniformity measurement and calibration, swath width determination and verification as well as part of the test results. Verify and answer a few problems often encountered in the process of spreading.

Key words：manure spreaders； uniformity； swath width； calibration

中圖分類號：S224.21

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0255-05

作者簡介：吳寧(1990-),男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)wncaams@sina.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303014)

收稿日期：2015-09-05