1種藥肥施用裝置的研究及其在烤煙生產上的應用

摘 要：針對丘陵地區(qū)、山地旱土農作物移栽前后人工施肥中存在施肥量不均勻、工作效率低、勞動強度大，以及大農業(yè)機械設備受地形條件限制難應用等問題，研制了1種采用肩負式蓄電池作為動能、集施藥肥與抑芽操作于一體的小型農業(yè)機械設備。該設備由藥肥容器、藥肥輸送泵、輸送管、藥肥施用開關、藥肥施用桿、藥肥施放噴頭及控制板構成。該施肥器采用模塊化設計，具有結構簡單可靠、適用范圍廣、控制精度高、界面友好等優(yōu)點。烤煙田間試驗結果表明，該機具均勻施肥能提高烤煙葉綠素含量，能提高煙葉的產量、產值與質量，可以在烤煙及桔園、苗圃等生產中推廣。

關鍵詞：施藥肥裝置;烤煙;應用;定量施肥;肩負式

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2019）01-0062-06

Abstract： In view of the shortcomings of uneven fertilization， low work efficiency， high labor intensity and difficult application of large agricultural machinery and equipment due to topographic constraints before crop transplantation in hilly and mountainous dryland areas by artificial fertilization， a small agricultural machinery and equipment with accumulator as kinetic energy， backpack， fertilizer application and bud suppression operation was developed. It consists of a fertilizer container， a fertilizer delivery pump， a conveyor pipe， a fertilizer application switch， a fertilizer application rod， a fertilizer application sprinkler and a control board. The modular design of the fertilizer applicator has the advantages of simple and reliable structure， wide application range， high control precision and friendly interface. The field test results show that the uniform fertilization of the fertilizer applicator can improve the chlorophyll content of flue-cured tobacco leaves and the yield， output value and quality of tobacco leaves. It can be popularized in the production of flue-cured tobacco， orange orchards and nurseries.

Key words： fertilizer device; flue-cured tobacco; application; quantitative fertilization; shoulder type

隨著卷煙行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，優(yōu)質煙葉供應不足、等級結構不合理、煙葉資源使用效率低等問題日益突出[1]。目前煙草生產中的許多農事操作主要靠人工完成。在移栽和施肥上，沒有定根肥水、肥料溶液施用器械，一般用水壺或水瓢澆施定根肥水或肥料溶液;在施用抑芽劑方面，也沒有專用的抑芽劑施用器械，大部分是使用自制的塑料瓶進行淋施，僅有不能顯示數(shù)字且不能定量的噴霧器施用農藥時使用;針對煙苗整齊性問題，前人嘗試過膜下移栽研究[2-4]，在煙苗的移栽過程中，由于煙苗小、根系較脆弱，既要保證煙苗根部不被肥料所燒傷，又要避免肥料的浪費，因此，煙葉施肥移栽的機械化實現(xiàn)有一定的困難[5-9]。現(xiàn)有的施肥器，如雙層施肥機[10]、2B系列施肥器[11-15]、

手持式施肥機[16]、變量施肥機[17]、牽引式雙箱施肥機[18]和整體式分層分量施肥裝置[19]等，各有其優(yōu)缺點。國內外經(jīng)濟實用的自壓式施肥機械，其施肥濃度不能變化，且對肥料桶的位置高度要求較高[20];差壓式施肥裝置雖具價格低、便攜等優(yōu)點，但其肥液濃度會越來越低[21];應用最為廣泛的文丘里施肥器的主管流量的穩(wěn)定性有待提高[22-24];水力驅動注入施肥裝置的施肥濃度不能隨時變化[25-28];機械注入式施肥裝置成本較大，且過分依賴電力設施[29-32]。上述施肥機械均不能把肥料均勻精準安全地施用到每株作物的根系上，使不適于在山地、丘陵地區(qū)應用，因此，依據(jù)煙苗移栽作業(yè)的農藝要求及煙苗的生理需肥特性，設計一種適合于煙苗移栽的精準施肥器的新型提苗肥裝置，解決煙苗移栽成活率低、解決肥料利用率低問題十分必要[33]。湖南湘西土家族苗族自治州煙草專賣局（公司）煙葉生產技術中心采用計算機設計自動編程控制芯片，研發(fā)出適合山區(qū)田地使用的定量施藥肥機械，為解決煙葉生產用工多、效率低、成本大、肥料和藥劑的施用量不準確、施用不到位等問題，提高施藥肥準確率，從施藥肥措施上確保煙株田間生長整齊度，達到提質增效目的，試圖為探索山地特色現(xiàn)代煙草農業(yè)提供新的思路。

1 裝置設計

1.1 研制目的

使藥肥施用裝置能夠集施用定根肥水、肥料溶液、農藥、抑芽劑于一體，攜帶方便，操作使用簡便;采用數(shù)字化智能控制技術，能夠做到肥料、農藥和抑芽劑施用精確，實現(xiàn)精準化作業(yè);效益高成本低，還能夠減輕施肥、用藥手工操作勞動強度，提高工作效率，降低物資、勞力成本。

1.2 藥肥智能化精確施放控制模塊設計

藥肥施放控制模塊與藥肥運輸管連接，用于控制向藥肥運輸管的藥肥輸送;藥肥運輸管、藥肥施放桿和藥肥施放噴頭依次連接，藥肥施放開關可設置在藥肥施放桿的一端或中間的任意部位。它主要包括隔膜泵和單片機控制模塊。

1.2.1 隔膜泵 如圖1所示，需要施用的肥料和藥物經(jīng)由隔膜泵、進液過濾器和藥筒進口過濾器進入藥肥容器中，隔膜泵輸出的肥料和藥物經(jīng)藥肥運輸管輸出。其原理在于：通過對隔膜泵進行參數(shù)設置，達到精確控制藥肥施用量和時間的目的，提高作物的精益生產和標準化生產水平。

1.2.2 單片機控制模 如圖1所示，由電源模塊供電，與隔膜泵連接，控制隔膜泵的工作;與人機交互模塊連接，進行數(shù)據(jù)交換。其原理在于：使用者可以通過人機交互模塊進行參數(shù)的設置，設置的參數(shù)存儲在單片機控制模塊中;單片機控制模塊依此調整隔膜泵的參數(shù)，從而使得隔膜泵按照使用者的要求進行工作;單片機控制模塊還可以將電源和隔膜泵等部件的工作狀態(tài)通過人機交互模塊反饋給使用者，以便使用者調整使用方式。它包括以下四個單元。

（1）電源電壓測量單元。用于測量電源模塊的剩余電量，并由數(shù)控顯示模塊顯示。

（2）電機調速單元。依據(jù)經(jīng)由按鍵輸入模塊輸入的藥肥施放控制模塊的參數(shù)設置信息，調節(jié)隔膜泵的輸出。

（3）工作時長控制單元。依據(jù)經(jīng)由按鍵輸入模塊輸入的藥肥施放控制模塊的參數(shù)設置信息，調節(jié)隔膜泵的輸出。

（4）施藥壓力控制單元。依據(jù)經(jīng)由按鍵輸入模塊輸入的藥肥施放控制模塊的參數(shù)設置信息，調節(jié)隔膜泵的輸出。其原理在于：通過對上述電源電壓、電機轉速、工作時長、施藥壓力等方面的設置或監(jiān)測，就能夠實現(xiàn)智能化的施藥控制，完成功能選擇信息（包括定量施肥功能、抑芽劑施用功能和農藥噴灑功能的設定信息）。

1.3 人機交互模塊研制

人機交互模塊由電源模塊供電，包括數(shù)控顯示和按鍵輸入兩個用于顯示信息的模塊。

1.3.1 數(shù)控顯示模塊 顯示的信息可包括電源模塊的電量信息、藥肥施放控制模塊的參數(shù)設置信息、肥施用裝置的工作狀態(tài)信息。

1.3.2 按鍵輸入模塊 用于向藥肥施用裝置發(fā)送信息，包括藥肥施放控制模塊的參數(shù)設置信息、藥肥施用裝置的功能選擇信息。其原理在于使使用者可以實時監(jiān)控藥肥施用裝置的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，還能對藥肥的施用進行精確的參數(shù)設計和功能選擇，從而有利于達到對藥肥施用的精確定量控制（圖1）。

1.4 配套電路設計

電源模塊用于向藥肥施放控制模塊供電;電源模塊中包括12V鉛酸蓄電池和電源穩(wěn)壓變換單元，電源穩(wěn)壓變換單元可輸出三路穩(wěn)定電壓，分別向人機交互模塊、隔膜泵和單片機控制模塊供電。電源模塊可采用圖2電路圖實現(xiàn)。在圖2中，12V鉛酸蓄電池經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成電路U1、U2提供5V和3.3V電壓，供給微處理單元和顯示單元。E1、E2是濾波電容。D1可以防止電源向蓄電池反向充電。U4可采用LM817，輸出5V穩(wěn)定電壓。電源電壓測量單元，可采用圖3電路圖實現(xiàn)。電源模塊的剩余電量在數(shù)控顯示模塊的顯示可以采用圖4電路圖實現(xiàn)。

1.5 裝配結構設計

1.5.1 內部結構設計 藥肥施用裝置包括安裝在外殼內部的電源模塊、藥肥智能化精確施放控制模塊與人機交互模塊，具體見圖5。

1.5.2 外部結構設計 （1）施農藥時的外觀結構。農藥噴灑噴頭結構與傳統(tǒng)噴霧器相同，具有和傳統(tǒng)的農藥噴灑相同的使用效果，霧化強弱通過控制器面板上“+”“-”按鍵調節(jié)，調節(jié)后的參數(shù)自動保存，手柄按鍵開關能控制連續(xù)或間斷的農藥噴灑過程（圖6）。

（2）施肥料時的外觀結構。定量施肥噴頭具有獨特的金屬導管設計，施肥時，導管能夠輕松的插入土壤，在地面以下對農作物根部進行定量施肥。施肥量是通過智能數(shù)字控制模塊進行定量控制，調節(jié)定量參數(shù)，可以改變施肥的用量，每按動一次手柄開關，可以

完成一次農作物體的定量施肥過程，定量精確（圖7）。

（3）抑芽時的外觀結構。抑芽劑施用噴頭專門針對農作物的冠部，設計成傘狀，四周分布多個噴灑孔。抑芽噴灑時，用傘狀噴頭扣住農作物的冠部，對農作物的冠部進行集中的定量噴灑，定量參數(shù)可調，且抑芽噴灑過程中，藥物不會散落到農作物的生長莖葉上，抑芽效果十分理想（圖8）。三種不同的噴灑模式

是通過控制器面板上的“功能”按鍵切換，切換后的模式將自動保存，下一次使用將保留相同的噴灑模式。

2 試驗效果

2.1 均勻施肥試驗

于2016年在鳳凰縣科研基地進行均勻施肥試驗。采用隨機區(qū)組設計，設4個處理，分別為：T1（CK）常規(guī)施肥，T2施肥器均勻施肥，T3施肥器均勻施肥減施5%肥料，T4施肥器均勻施肥減施10%肥料。試驗做3次重復，共12個小區(qū)，小區(qū)面積62.4 m2，栽煙104株，行株距為1.2 m×0.5 m，種植密度為

1 111株/667m2。

T1～T4處理的烤煙葉綠素含量分別為37.49、41.60、40.90和40.87，其中T2gt;T3gt;T4gt;T1，經(jīng)隨機區(qū)組單因素方差分析及Duncan法多重比較，各處理間無顯著差異（P=0.2312）。可見施肥器均勻施肥能提高烤煙葉綠素含量。

由圖9可知，T2處理能提高煙葉的產量、產值，但與對照相比無顯著差異。

表1顯示，B2F煙葉總氮含量適宜，差異較小，T2、T3、T4處理的總氮含量均低于T1;煙葉鉀含量偏低，但T2、T3、T4的煙葉鉀含量均高于T1;所有處理煙葉氯含量偏低，但T2的煙葉氯含量高于對照;T2、T3、T4處理的煙葉糖堿比對照大，T3和T4處理氮堿比較大且更接近1（標準來源見參考文獻34）。經(jīng)方差分析，各處理各指標無顯著差異。C3F等級的各處理上述指標化學成分差異較少，均在適宜范圍內，經(jīng)方差分析，各處理各指標無顯著差異。T2處理的糖堿比和鉀氯比值更接近優(yōu)質煙葉指標，T3、T4的其他指標均在適宜范圍內[34]。

2.2 藥肥施用裝置在烤煙生產上的示范

于2017年在湘西州7縣示范146.67 hm2，由表2可見，藥肥施用裝置可提高工時1 576元/667m2，節(jié)約肥料農藥30.0元/667m2，提高產值234.9元/667m2，

提高了煙葉整齊度到84.51%。

3 結 論

通過藥肥施用裝置在烤煙生產上的應用可發(fā)現(xiàn)，藥肥施用裝置能夠集施用定根肥水、肥料溶液、農藥、抑芽劑于一體，攜帶方便，操作使用簡便;采用數(shù)字化智能控制技術，能夠做到肥料、農藥和抑芽劑施用精確，實現(xiàn)精準化作業(yè);效益高成本低（每個造價300元，可服務6.67～20 hm2），還能夠減輕施肥、用藥手工操作勞動強度，提高工作效率，降低物資、勞力成本，提高大田烤煙的整齊度，經(jīng)濟社會效益顯著。因此，該裝置適用于煙葉種植及桔園、苗圃等農作物施肥、施藥及抑芽使用，具有一機多用，智能化精確控制，使用簡便等特點。整個裝置能在山地、丘陵地區(qū)自由移動，作業(yè)方便，在一定程度上彌補了大型農業(yè)機械設備在山區(qū)的應用缺陷，豐富創(chuàng)新了施肥科學的內容，均勻施肥學、定位施肥學、精益化生產科學等學科應運而生，目前已獲得國家發(fā)明專利授權，2015年進行批量生產，2016年推廣2 000 hm2。但基于藥肥施用裝置的均勻施肥學、定位施肥學、精益化生產科學等配套技術還待進一步研究。

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（責任編輯：肖彥資）