基于香蕉根系分布特征的变量施肥机研制

2020-06-04 00:45欧治武孙健峰段洁利宋帅帅
农业工程学报 2020年8期
关键词:施肥量香蕉根系

杨 洲,欧治武,孙健峰,段洁利,宋帅帅

·农业装备工程与机械化·

基于香蕉根系分布特征的变量施肥机研制

杨 洲1,2,欧治武1,孙健峰1※,段洁利1,宋帅帅1

(1. 华南农业大学工程学院,广州 510642; 2. 嘉应学院广东省山区特色农业资源保护与精准利用重点实验室,梅州 514015)

针对香蕉施肥作业中肥量分布不合理和施肥效率低等问题,对香蕉根系的分布特征进行统计分析,获得基于根系分布特征的施肥决策,并以此为基础,设计了香蕉变量施肥机,进行了样机试验。结果表明:香蕉幼苗期的施肥长度≤0.22 m,主次施肥区的施肥量比例为8:5,施肥长度比例为2:1;营养体生长期的施肥长度≤0.42 m,主次施肥区施肥量比例为2:1,施肥长度比例为5:1;生殖体发育期的施肥长度≤0.84 m,主次施肥区施肥量比例为11:5,施肥长度比例为3:1。田间试验结果表明,机具前进速度0.38 m/s、排肥盘转速22 r/min、漏肥孔圆心角120°时,排肥量理论值与实际值平均相对误差为5.74%,施肥合格率为93%,满足香蕉施肥作业要求;采用变量施肥机施肥的香蕉植株长势优于常规人工穴施肥。该研究为香蕉变量施肥机的研究提供了基础数据和设计新思路。

农业机械;试验;变量施肥;排肥量;施肥机;蕉园;根系形态

0 引 言

香蕉被联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)认定为主要粮食作物之一,是交易量和消费量最大的鲜果[1]。香蕉为多年生常绿型草本单子叶植物,植株根部结构呈球状,须根向四周辐射生长无主根,根系发达、分布浅且对肥料敏感。合理的施肥方式与肥量分布能促进香蕉根系生长,保证植株对营养物质的吸收[2-5]。目前香蕉施肥作业中存在的主要问题是肥量分布不合理,人工施肥效率低。

变量施肥是精准农业的重要作业方式之一[6-12]。国外对变量施肥研究较早,已研发出一些应用于大型农田生产的变量施肥系统。如美国CASE公司设计的基于AFS系统的农业地理信息管理变量施肥系统,JOHN DEERE公司研发的“绿色之星”(Green Star)变量施肥系统[13-15],但对香蕉变量施肥装备的研究未见报道。国内对变量施肥技术的研究虽起步较晚,但也是近几年的研究热点。翟长远等[16]设计了果园穴施肥精量排肥系统,实现了靶标实时探测、排肥量精量控制和排肥故障报警,可用于枸杞不同生长期的施肥作业;罗锡文等[17]研制的两级螺旋排肥装置,能有效改善排肥效果,降低排肥器对肥料形态特征要求;肖宏儒等[18]设计了1KS60-35X型果园双螺旋开沟施肥机,减少了肥料浪费,节省了劳动成本;王金武等[19]研究了全方位仿形系统和电力驱动方式,设计了电动式外槽轮排肥器,可根据实际需求对每个排肥器独立调节,实现精准排肥。余洪锋等[20]对外槽轮排肥器进行结构优化,研究了基于简易电子处方图的变量施肥系统,实现了多种肥料按需配比、同一田块均匀施肥、不同田块变量施肥。以上变量施肥技术多以排肥器结构优化和肥料配比方式研究为主,研究作物根系分布特征与肥料施用量的关系不多,虽然穴施肥技术可根据作物根系生长范围进行定点、定量施肥,在一定意义上能实现变量施肥,但是作业效率较低[21-26]。变量施肥应满足:1)植株不同生长阶段施肥量不同;2)施肥量随植株根系分布特征变化。因此,研发一种适应蕉园的变量施肥机具有很大的应用前景。

本文以华南地区香蕉施肥作业为研究对象,提出一种基于根系分布特征的施肥决策,并以此为基础,设计一种香蕉变量施肥机。

1 香蕉根系分布特征

香蕉生长周期主要分为幼苗期、营养体生长期、生殖体发育期、抽蕾期和果实生长期,不同生长阶段的根系分布和肥量需求均有明显差异,且施肥次数不同[2-3]。本文主要采集幼苗期、营养体生长期和生殖体发育期的香蕉植株进行根系分布分析,以制定香蕉不同生长阶段的施肥决策。

根系是香蕉生长发育期间吸收水分和营养的重要器官之一,香蕉植株60%~70%的根系分布在地表0~30 cm土壤层内,合理控制施肥量和施肥方式可加快香蕉生长发育。香蕉根系形态可用平面几何构型或立体几何构型表达,平面几何构型是指根系在主根轴线上的二维分布,可由根系底端的水平分布范围尺寸等参数描述。立体几何构型是指根系在土壤中的三维分布,研究表明香蕉植株根系的二维构型在多数情况下可以间接反映三维构型[27-29],因此本文以香蕉根系二维构型为基础进行统计和分析。

分别采集幼苗期、营养体生长期、生殖体发育期的香蕉植株进行根系测量,每个生长期采集5株,如图1a。分别测量植株高度、根系底端长度、一级根数量,结果取平均值,如图1b所示。测量结果表明,幼苗期的平均株高0.60 m,根系底端水平分布范围的平均尺寸0.22 m;营养体生长期的平均株高1.20 m,根系底端水平分布范围的平均尺寸0.42 m;生殖体发育期的平均株高1.60 m,根系底端水平分布范围的平均尺寸0.84 m。以主根中轴线为轴,根系底端为轴,以2 cm为步长,分别统计坐标主根左右两侧的一级根数量,结果如图2所示。

注:A为幼苗期;B为营养体生长期;C为生殖体发育期。图1中尺寸为平均值。下同。

注:横坐标的原点表示主根位置,正负刻度值表示主根两侧的水平尺寸范围,下同。

由图2可知,一级根在主根两侧对称分布,且主根附近分布最多,设为主施肥区;两端分布较少,设为次施肥区。图2表明,香蕉每个生长期的一级根数量均呈近似正态分布,且存在3个极值点,即靠近主根轴线0点位置的一级根数量有极大值点,两端的一级根数量有极小值点。为准确划分主次施肥区,运用Origin软件对图2中的数据进行4次多项式拟合,拟合方程如式(1),方差分析如表1。

式中1,2,3分别为幼苗期、营养体生长期、生殖体发育期的根系底端的水平分布尺寸,cm;1,2,3分别为幼苗期、营养体生长期、生殖体发育期植株的一级根数量。对式(1)求一阶导数有:

求解式(2),得到式(1)的极值点:

表1 方差分析

注:1,2,3分别为幼苗期、营养体生长期和生殖体发育期的一级根数量。

Note:1,2and3are the number of primary roots in seedling stage, vegetative growth stage and reproductive development stage respectively.

由表1可知,4次多项式拟合过程中,1、2、3的回归模型拟合度极其显著(<0.000 1),表明拟合结果与实际数据吻合较好。

香蕉一级根的数量为整数,所以式(2)的解均为整数解。显然,1,1和1,2为1的极小值点,1,3为1的极大值点,因此幼苗期植株的一级根数量在(−11,0)和(0,11)区间内存在2个拐点。对1求二阶导数,令1的二阶导数为0,可获得拐点对应的轴坐标,即为主次施肥区分界点。同理,获得营养体生长期和生殖体发育期的主次施肥区分界点,结果如表2所示。

基于表2结果,明确不同生长阶段的香蕉根系分布范围,并以此获得主次施肥区的施肥量决策,如表3所示。根据幼苗期施肥量不超过0.150 kg[3],确定幼苗期的施肥决策为:施肥长度≤22 cm,施肥总量≤0.150 kg,(-11,-6] cm区间为次施肥区1,施肥量0.042 kg,(-6,6] cm区间为主施肥区,施肥量0.066 kg,(6,11) cm区间为次施肥区2,施肥量0.042 kg,各施肥区施肥量比例为5:8:5,施肥长度比例为1:2:1。根据营养体生长期施肥量不超过0.200 kg[3],确定营养体生长期的施肥决策为:施肥长度≤42 cm,施肥总量≤0.200 kg,(-21,-13] cm区间为次施肥区1,施肥量0.050 kg,(-13,15] cm区间为主施肥区,施肥量0.100 kg,(15,21) cm区间为次施肥区2,施肥量0.050 kg,各施肥区施肥量比例为1:2:1,施肥长度比例为1:5:1。根据生殖体发育期施肥量不超过0.300 kg[3],确定生殖体发育期的施肥决策为:施肥长度≤84 cm,施肥总量≤0.300 kg,(−42,−25] cm区间为次施肥区1,施肥量0.072 kg,(−25,27] cm区间为主施肥区,施肥量0.156 kg,(27,42) cm区间为次施肥区2,施肥量0.072 kg,各施肥区施肥量比例为5:11:5,施肥长度比例为1:3:1。

表2 主次施肥区划分结果

果实生长期的根系统计难度较大,可参考以上研究进行施肥决策。由式(1)可知,幼苗期植株拟合多项式的决定系数最接近于1,拟合精度最高,因此果实生长期采用幼苗期植株施肥决策,即次主次施肥区施肥量比例为5:8:5,施肥长度比例为1:2:1。

表3 香蕉根系分布特征与施肥决策

2 香蕉变量施肥机设计

2.1 总体结构及工作原理

香蕉变量施肥机结构如图3所示,主要部件有开沟刀1、悬挂2、控制箱3(包含红外光电传感器,型号为FKB30E23NPK,最大检测范围2.00 m,安装于控制箱侧面)、料斗4、进肥口5、步进电机6、机座7、覆土板支架8、限深轮9、覆土板10。料斗安装于底座上,机座安装于机架上,限深轮、覆土装置、开沟刀与机架配合安装,料斗内部带有施肥量调节装置。香蕉变量施肥机的整机长0.50 m,宽0.40 m,高0.68 m;整机质量16 kg,实际作业时,前进速度为0.35 m/s,排肥盘转速可在10~60 r/min内调节。

香蕉变量施肥机由电动牵引机提供动力,作业速度设置为0.35 m/s(固定档位),控制箱控制步进电机转速,进而控制施肥量调节装置,施肥作业中,首先由红外光电传感器检测到植株位置,将信号传送至控制系统,经控制系统处理后传送给步进电机驱动器,步进电机带动排肥盘转动,通过改变漏肥孔大小控制施肥量,从而实现变量施肥,完成排肥作业。操作人员根据不同生长阶段的香蕉,在10~60 r/min范围内调节排肥盘转速完成施肥作业,根据经验,确定幼苗期作业的排肥盘转速60 r/min,营养体生长期作业的排肥盘转速45 r/min,生殖体发育期作业的排肥盘转速35 r/min,果实生长期作业的排肥盘转速22 r/min。

1.开沟刀 2.悬挂 3.控制箱 4.料斗 5.进肥口 6.步进电机 7.机座 8.覆土板支架 9.限深轮 10.覆土板

2.2 施肥量调节装置

施肥量调节装置结构如图4所示,包括步进电机1、联轴器2、转轴3、排肥固定板4、排肥盘5、第一通孔6、第二通孔7、搅龙8。步进电机和转轴由联轴器配合安装,带动排肥盘转动,搅龙安装在转轴上且高度可调。施肥量调节装置长0.40 m、宽0.40 m、高0.32 m,质量6 kg(不装填肥料),可容纳12 kg肥料,排肥盘转速在10~60 r/min可调。

1.步进电机 2.联轴器 3.转轴 4.排肥固定板 5.排肥盘 6.第一通孔 7.第二通孔 8.搅龙

施肥过程中,排肥固定板静止,排肥盘转动,通过改变第一通孔与第二通孔的相对开口(以下简称漏肥孔)大小控制排肥量。步进电机带动排肥盘转动过程中漏肥孔由小变大再变小,当二者通孔重合时,开口最大,排肥量最大。田间施肥作业时操作人员根据施肥量要求调节排肥盘转速。

2.3 控制系统

香蕉变量施肥机采用STC12C5A60S2单片机为核心控制系统,控制系统主要用来接收红外光电传感器的探测信号、控制步进电机转速,进而控制排肥量。系统控制流程如图5所示。

注:b为传感器与香蕉植株的纵向垂直距离,m;c为传感器与香蕉植株的横向垂直距离,m。

香蕉植株位置检测如图6所示。

注:a为传感器检测距离,m。

光电传感器工作过程中,位置参数满足式(4):

参数、、在控制系统中进行调整,值根据香蕉不同生长期设定,大小为施肥长度的1/2,值在(0,]范围内变化。当值确定时,、的取值范围确定。香蕉不同生长期的位置参数如表4。

表4 香蕉不同生长期的位置检测参数

施肥机进入蕉园,当传感器检测到=时,控制系统发出信号,排肥盘转动,漏肥孔开启,开始排肥。随着机具前进,距离逐渐接近距离,当满足=时,漏肥孔开口最大,排肥量最大,完成半个排肥周期。随后距离逐渐大于距离,机具距离香蕉植株位置越来越远,漏肥孔开口逐渐变小,排肥量变小,当传感器检测距离超出时,漏肥孔关闭,完成一个排肥周期,此刻排肥盘复位到初始位置,等待下一个排肥信号。

2.4 排肥量

设计中假设排肥过程不受外界振动和排肥盘轴向力影响,单位时间排肥量(g/s)为

=(5)

式中为肥料填充系数,%;为肥料容重,g/cm3;为漏肥孔面积,cm2;为排肥速率,cm/s,大小与漏肥孔面积有关。

由式(5)可知,排肥过程中第一通孔和第二通孔相对运动时形成的漏肥孔面积决定排肥量。由图7排肥盘运动机构简图可知,排肥过程中,排肥固定板不动,排肥盘做顺时针圆周运动,角速度为根据匀速圆周运动可知:

=(6)

式中为排肥盘转动一圈所用时间,min;为排肥盘转速,r/min;为排肥盘转过的圈数;在施肥作业时,排肥盘转动一圈就完成一个排肥周期,因此=1,则排肥时间可表示为

=·/π (7)

式中为漏肥孔圆心角,rad。

注:ω为排肥盘角速度,rad∙min-1;α为漏肥孔圆心角,rad;R为漏肥孔外径,mm;r为漏肥孔内径,mm;Δβ为漏肥孔转过的角度,rad;ΔS为漏肥孔转过Δβ角度时对应的微单元面积,cm2;O为排肥盘中心。

则有:

式中Δ为漏肥孔转过Δ角度时对应的微单元面积,cm2;的积分区间为(0,],rad;为漏肥孔外径,cm;为内径,cm。

排肥盘转动过程中,漏肥孔面积随圆心角按0~~0周期变化,与香蕉施肥决策对应。即(0~)变化阶段,由次施肥区1进入主施肥区,排肥量递增;(~0)变化阶段,由主施肥区进入次施肥区2,排肥量递减。

将式(8)带入式(5)得:

则排肥量为

由式(11)可知,随着排肥盘转速增大,排肥量减小,在实际施肥作业中,可以根据不同生长阶段香蕉植株的需肥量大小来设定不同的排肥盘转速。

3 样机试验

3.1 试验平台搭建与试验方法

3.1.1 试验平台

2019年3月,在华南农业大学搭建试验平台,如图8所示,主要包括施肥量调节装置1、调速控制系统2、导轨3、坐标纸4、电动牵引车5、驱动轮6、电源7、导线8,其中坐标纸位4位于导轨3之上,牵引车5位于坐标纸4之上。平台以24 V铅蓄电池为动力,牵引车采用直流减速电机提供动力,前进速度在0.1~0.5 m/s范围内可调,导轨最大行程10 m。

1.施肥量调节装置 2.调速控制系统 3.导轨 4.坐标纸 5.电动牵引车 6.驱动轮 7.电源 8.导线

3.1.2 试验材料

试验选用福建省中挪化肥有限公司生产的复合钾肥(钾含量占总质量的46%,肥料颗粒等效直径3.24 mm,球形率97.64%,含水率2.82%,容重1.066 g/cm3,填充系数0.94)。试验器材还包括:ALC-210.3电子称重仪(北京赛多利斯仪器系统有限公司)、宝丽士牌防水坐标纸。

3.1.3 试验指标与方法

1)排肥量

排肥盘转速取值范围为10~60 r/min,步长为5 r/min,机具前进速度为0.38 m/s,测试不同型号排肥盘在不同转速下的排肥量。每组试验进行5次,结果取平均值,计算理论排肥量与实际排肥量的相对误差。根据前期预试验结果,选用的排肥盘的结构参数及对应的排肥速率如表5所示。

式中为相对误差,%;为理论排肥量,g;0为实际排肥量,g。

表5 排肥盘结构参数

2)排肥量分布

式中为取样点个数;为样本点的位置;q为各样本点的排肥量,g。试验中将一个排肥周期的排肥长度9等分,即=9,测量每一段内的肥量。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 排肥量与转速关系

不同型号排肥盘的排肥量与排肥盘转速的关系如图9所示。由图9可知,排肥装置结构参数和肥料属性一定时,在10~60 r/min的转速范围内,排肥量与排肥盘转速呈负相关关系;试验过程中,排肥盘振动使排肥量增加,产生排肥误差,其中Ⅱ号排肥盘的排肥量与理论值相对误差最小,平均相对误差为5.74%,根据文献[16-17],本文变量排肥装置设计合理,可用于实际施肥作业。

3.2.2 排肥量分布

选用II号排肥盘的试验数据进行不同排肥长度上的排肥量分布特征。如图10所示,每个排肥长度上的排肥量总体变化趋势均呈现“先递增,后递减”的特征,近似呈正态分布,与香蕉根系分布特征相符。以图10b为例,将该排肥周期上9个位置的排肥量均分为3份,即前3个位置为次施肥区1,中间3个位置为主施肥区,后3个位置为次施肥区2,测得次施肥区1、主施肥区和次施肥区2的排肥量分别为0.075、0.227和0.081 kg,显然主施肥区的肥量多,次施肥区的肥量少,与理论分析结果一致,表明本文设计的排肥盘可以满足香蕉根系分布特征的变量施肥。

图9 不同型号排肥盘的排肥量与转速的关系

图10 不同排肥盘转速下的作业方向排肥量分布

3.3 田间试验

2019年9月,在华南农业大学香蕉种植基地,对香蕉变量施肥机进行田间施肥试验,验证机具的田间施肥作业性能,样机与前期设计的电动牵引机配套安装,实物如图11a所示。

分别选取幼苗期、生殖体发育期和果实生长期的香蕉植株,参考本文制定的不同生长阶段香蕉的施肥决策,进行田间试验。结果表明:幼苗期(如图11b)施肥作业时,机具前进速度0.38 m/s,排肥转速60 r/min,选用Ⅱ型号排肥盘,测得总排肥量0.138 kg,排肥长度0.32 m,次施肥区施肥量分别为0.034和0.032 kg,主施肥区施肥量为0.072 kg;生殖体发育期香蕉植株(如图11c)施肥作业时,机具前进速度0.38 m/s,排肥转速35 r/min,选用Ⅱ型号排肥盘,测得总排肥量0.294 kg,排肥长度0.82 m,次施肥区施肥量分别为0.062和0.070 kg,主施肥区施肥量为0.162 kg。对于果实生长期,结合经验和前文理论分析,设置各施肥区施肥量比例为5:8:5,施肥长度比例为1:2:1,总施肥量0.400 kg[3]、施肥长度1.10 m,施肥机前进速度为0.38 m/s,排肥盘转速为22 r/min,选用Ⅱ型号排肥盘,连续施肥100株,分别统计单株香蕉的排肥量和排肥长度。结果表明:在100株施肥样本中,有93株的施肥符合要求,单株平均施肥量为0.384 kg、平均排肥长度1.07 m,次施肥区平均施肥量分别为0.107和0.115 kg,主施肥区平均施肥量为0.162 kg(如图11d)。由于蕉园地形不平整等因素,有7株的施肥长度小于1.00 m。参考文献[16]施肥合格率计算公式:施肥合格率=(实际施肥长度超过1.00 m的植株数量/总施肥植株数量)×100%,本次施肥作业的合格率为93%。

图11 田间试验

根据文献[30]可知,香蕉植株的直径大小可以作为香蕉长势的判断标准之一。为评价本文所设计的变量施肥与常规人工穴施肥下香蕉植株长势区别,于2019年12月测量采用变量施肥的香蕉植株直径和常规人工穴施肥的香蕉植株直径(施肥时间为2019年9-12月间),每个生长期选取5个样本,取平均值,结果如表6所示。

由表6可知,采用本文变量施肥机施肥的香蕉植株长势均优于常规人工穴施肥。变量施肥可以提高蕉园施肥作业质量。

表6 不同施肥方式下各生长期的香蕉植株直径

4 结 论

1)通过分析香蕉根系特征与分布规律,确定了香蕉变量施肥决策为:幼苗期施肥长度≤0.22 m,主次施肥区施肥量比例为8:5,施肥长度比例为2:1;营养体生长期施肥长度≤0.42 m,主次施肥区施肥量比例为2:1,施肥长度比例为5:1;生殖体发育期施肥长度≤0.84 m,主次施肥区施肥量比例为11:5,施肥长度比例为3:1。

2)台架试验结果表明,在10~60 r/min转速范围内,漏肥孔圆心角为120°的排肥盘的排肥量理论值与实际值吻合程度最高,平均相对误差为5.74%。

3)田间试验表明,机具前进速度0.38 m/s,排肥盘转速22 r/min,漏肥孔圆心角120°时,变量施肥机的施肥作业合格率为93%,满足香蕉变量施肥作业要求。

[1] 郑淑娟. 2019年1月世界香蕉信息[J].世界热带农业信息,2019,499(1):11-14.

Zheng Shujuan. World banana information in January 2019[J]. World Tropical Agriculture Information, 2019, 499(1): 11-14. (in Chinese with English abstract)

[2] 宁瑜,张玉,朱志堂,等. 不同减量施肥对香蕉幼苗生长的影响[J]. 农业研究与应用,2017(2):9-12.

Ning Yu, Zhang Yu, Zhu Zhitang, et al. Effects of different weight reduction fertilization on the growth of banana seedlings[J]. Journal of Agricultural Research and Applications, 2017(2): 9-12. (in Chinese with English abstract)

[3] 黄慧德. 香蕉需肥特点与施肥技术[J]. 世界热带农业信息,2017(6):51-55.

Huang Huide. Characteristics of fertilizer needed by banana and fertilization technology[J]. World Tropical Agriculture Information, 2017(6): 51-55. (in Chinese with English abstract)

[4] 杨兴昌. 作物营养与合理施肥技术[J]. 农业科技与信息, 2016(2):104-109.

Yang Xingchang. Crop nutrition and rational fertilization techniques[J]. Agricultural science, technology and information, 2016(2): 104-109. (in Chinese with English abstract)

[5] 于晶. 浅谈对农作物的科学施肥[J]. 农业与技术, 2015,35(6):117.

[6] 何东健,杨成海,杨青,等. 面向精准农业的农田土壤成分实时测定研究进展[J]. 农业工程学报,2012,28(7):78-85.

He Dongjian, Yang Chenghai, Yang Qing, et al. Research progress of real-time measurement of soil attributes for precision agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(7): 78-85. (in Chinese with English abstract)

[7] 齐兴源,周志艳,杨程,等. 稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验[J]. 农业工程学报,2016,32(6):20-26.

Qi Xingyuan, Zhou Zhiyan, Yang Cheng, et al. Design and experiment of key parts of pneumatic variable rate fertilizer applicator for rice production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016, 32(6): 20-26. (in Chinese with English abstract)

[8] 丁筱玲,崔东云,刘童,等. 精准变量排肥器结构优化设计与试验[J]. 中国农机化学报, 2019,40(1):5-12.

Ding Xiaoling, Cui Dongyun, Liu Tong, et al. Optimal design and test of precision variable fertilizer feeder structure[J]. China Journal of Agricultural Machinery Chemistry, 2019, 40(1): 5-12. (in Chinese with English abstract)

[9] 刘成良,苑进,刘建政,等. 基于ARM和DSP的双变量施肥控制系统设计与试验[J]. 农业机械学报,2010,41(1):233-238.

Liu Chengliang, Yuan Jin, Liu Jianzheng, et al. Design and test of dual variable fertilization control system based on ARM and DSP[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(1): 233-238. (in Chinese with English abstract)

[10] 孟志军,赵春江,付卫强,等. 变量施肥处方图识别与位置滞后修正方法[J]. 农业机械学报,2011,42(7):204-209.

Meng Zhijun, Zhao Chunjiang, Fu Weiqiang, et al. Method for identification and position lag correction of variable fertilization prescription map[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 204-209.(in Chinese with English abstract)

[11] 刘阳春. 变量配肥施肥精准作业装备关键技术研究[D]. 北京:中国农业机械化科学研究院,2012.

Liu Yangchun. Research on the Key Technologies of Precision Operation Equipment for Variable Fertilization[D]. Beijing: China Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2012. (in Chinese with English abstract)

[12] 陈金,赵斌,衣淑娟,等. 我国变量施肥技术研究现状与发展对策[J]. 农机化研究,2017,39(10):1-6.

Chen Jin, Zhao Bin, Yi Shujuan, et al. Research status and development countermeasures of variable fertilization technology in China[J]. Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(10): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[13] 白由路. 国内外施肥机械的发展概况及需求分析[J]. 中国土壤与肥料,2016(3):1-4.

Bai Youlu. Development and demand analysis of fertilizing machinery at home and abroad[J]. China Soil and Fertilizer, 2016(3): 1-4. (in Chinese with English abstract)

[14] Kim Y J, Kim H J, Ryu K, et al. Fertilizer application performance of a variable-rate granulary applicator for rice production[J]. Biosystem Engineering, 2008, 100(4): 498-510.

[15] Maleki M R, Mouazen A M, De Ketelaere B, et al. On-the-go variable-rate phosphorus fertilization based on a visible and near infrared soil sensor[J]. Biological System Engineering, 2008, 99(1): 35-46.

[16] 杨硕,王秀,翟长远,等. 支持种肥监测的变量施肥系统设计与试验[J] .农业机械学报,2018,49(10):145-153.Yang Shuo, Wang Xiu, Zhai Changyuan, et al. Design and test on variable rate fertilization system supporting seeding and fertilizing monitoring[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(10): 145-153. (in Chinese with English abstract)

[17] 陈雄飞,罗锡文,王在满,等. 两级螺旋排肥装置的设计与试验[J]. 农业工程学报,2015,31(3):10-16.

Chen Xiongfei, Luo Xiwen, Wang Zaiman, et al. Design and experiment of fertilizer distribution apparatus with double-level screws[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 10-16. (in Chinese with English abstract)

[18] 肖宏儒,赵映,丁文芹,等. 1KS60-35X型果园双螺旋开沟施肥机刀轴设计与试验[J]. 农业工程学报,2017,33(10):32-39.

Xiao Hongru, Zhao Ying, Ding Wenqin, et al. Design and experiment on blade shaft of 1KS60-35X type orchard double-helix trenching and fertilization machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 32-39. (in Chinese with English abstract)

[19] 王金武,李树伟,张曌,等. 水稻精量穴直播机电驱式侧深穴施肥系统设计与试验[J]. 农业工程学报,2018,34(8):43-54.

Wang Jinwu, Li Shuwei, Zhang Zhao, et al. Design and experiment of electrical drive side deep hill-drop fertilization system for precision rice hill-direct-seeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(8): 43-54. (in Chinese with English abstract)

[20] 余洪锋,丁永前,刘海涛,等. 小田块变量施肥系统优化设计与应用[J]. 农业工程学报,2018,34(3):35-41.

Yu Hongfeng, Ding Yongqian, Liu Haitao, et al. Optimization design and application of variable rate fertilization system for small-scaled fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 35-41. (in Chinese with English abstract)

[21] 安晓飞,王晓鸥,付卫强,等. 四要素变量施肥机肥箱施肥量控制算法设计与试验[J]. 农业机械学报,2018,49(Z1):149-154.

An Xiaofei, Wang Xiaoou, Fu Weiqiang, et al. Design and experiment of fertilizer amount control algorithm in four factors variable rate fertilization system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(Z1): 149-154. (in Chinese with English abstract)

[22] 耿向宇,李彦明,苗玉彬,等. 基于GPRS的变量施肥机系统研究[J]. 农业工程学报,2007,23(11):164-167.

Geng Xiangyu, Li Yanming, Miao Yubin, et al. Development of variable rate fertilizer applicator based on GPRS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2007, 23(11): 164-167. (in Chinese with English abstract)

[23] 施印炎,陈满,汪小旵,等. 稻麦精准变量施肥机排肥性能分析与试验[J]. 农业机械学报,2017,48(7):97-103.

Shi Yinyan, Chen Man, Wang Xiaochan, et al. Analysis and experiment of fertilizing performance for precision fertilizer applicator in rice and wheat fields[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(7): 97-103. (in Chinese with English abstract)

[24] 刘彪,肖宏儒,宋志禹,等. 果园施肥机械现状及发展趋势[J]. 农机化研究,2017,39(11):263-268.

Liu Biao, Xiao Hongru, Song Zhiyu, et al. Current status and development trend of fertilization machinery in orchard[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(11): 263-268. (in Chinese with English abstract)

[25] 苑进,刘勤华,刘雪美,等. 多肥料变比变量施肥过程模拟与排落肥结构优化[J]. 农业机械学报,2014,45(11):81-87.

Yuan Jin, Liu Qinhua, Liu Xuemei, et al. Granular multi-flows fertilization process simulation and tube structure optimization in nutrient proportion of variable rate fertilization[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(11): 81-87. (in Chinese with English abstract)

[26] 董向前,宋建农,张军奎,等. 锥盘式颗粒肥撒施机构抛撒性能分析与试验[J]. 农业工程学报,2013,29(19):33-40.

Dong Xiangqian, Song Jiannong, Zhang Junkui, et al. Analysis and test of casting performance of the applying mechanism of cone-coated granule fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(19): 33-40. (in Chinese with English abstract)

[27] 孙寅虎,李芹,张光勇,等. 不同基质对香蕉幼苗根系生长分析动态研究[J]. 热带农业科学,2018,38(2):1-5.

Sun Yinhu, Li Qin, Zhang Guangyong, et al. Dynamic analysis of root growth of banana seedlings by different substrates[J]. Journal of Tropical Agriculture, 2018, 38(2): 1-5. (in Chinese with English abstract)

[28] 徐艳如. 桃根系分布特点及其对不同施肥处理的反应[D].泰安:山东农业大学,2011.

Xu Yanru. Distribution Characteristics of Peach Roots and Their Responses to Different Fertilization Treatments[D]. Taian: Shandong Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[29] 颜正平. 植物根系分布生态学理论与体系模式之研究[J].水土保持研究,2005,12(5):1-6.

Yan Zhengping. Study on model and theoretical ecosystem of root distribution[J]. Soil and Water Conservation Research, 2005, 12(5): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[30] Song Shuaishuai, Duan Jieli, Yang Zhou, et al. A three-dimensional reconstruction algorithm for extracting parameters of the banana pseudo-stem[J]. Optik- International Journal for Light and Electron Optics. 2019, 185: 486-496.

Development of variable rate fertilizer applicator based on distribution characteristics of banana roots

Yang Zhou1,2, Ou Zhiwu1, Sun Jianfeng1※, Duan Jieli1, Song Shuaishuai1

(1.,,510642,; 2.,,514015,)

Fertilizer is an important condition for the crops growth and yield. In recent years, the use of agricultural fertilizer in China has increased significantly, which has brought a lot of environmental pollution and resource waste. Therefore, rational fertilization is one of the urgent problems in agricultural production. In order to solve the problems of unreasonable fertilizer distribution and low efficiency in banana fertilization operations by hands, this paper designed a variable rate fertilizer applicator based on the distribution characteristics of the banana roots. The distribution characteristics of banana roots at different growth stages were analyzed statistically, and the theory of variable rate fertilization was constructed. The fertilization decisions based on the distribution characteristics of banana roots were obtained, and the variable rate fertilizer applicator was designed, the prototype experiments were carried out. The results showed that the length of fertilization at the banana seedling stage was not more than 22 cm, the amount of total fertilization was not more than 0.150 kg, the ratio of fertilizer amount sowed in the primary and secondary fertilization areas was about 5:8:5 and the fertilization length ratio was about 1:2:1. The fertilization length at the vegetative growth stage was not more that 42 cm, the amount of total fertilization was not more that 0.200 kg, the ratio of fertilizer amount sowed in the primary and secondary fertilization areas was about 1:2:1and the fertilization length ratio was about 1:5:1. The length of fertilization at the reproductive developmental stage was not more that 84 cm, the amount of total fertilization was not more that 0.300 kg, the ratio of fertilizer amount sowed in the primary and secondary fertilization areas was about 5:11:5and the fertilization length ratio was about 1:3:1. The field tests results showed that when the forward speed of the fertilizer applicator was 0.38 m/s, the rotation speed of the fertilizer plate was 22 r/min, and the central angle of the leaking hole was 120°, the average relative error between the theoretical value and the actual value of the fertilization amount was 5.74%, the qualified rate of fertilizer application was 93%, which meet the requirements of banana fertilization operation. The growth of banana plants fertilized by variable rate fertilizer applicator was better than that of the conventional artificial drill fertilization.

agricultural machinery; experiment; variable rate fertilization; fertilization amount; fertilizer applicator; banana orchard; root characteristics

杨洲,欧治武,孙健峰,等. 基于香蕉根系分布特征的变量施肥机研制[J]. 农业工程学报,2020,36(8):1-10.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.001 http://www.tcsae.org

Yang Zhou, Ou Zhiwu, Sun Jianfeng, et al. Development of variable rate fertilizer applicator based on distribution characteristics of banana roots[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.001 http://www.tcsae.org

2019-11-05

2020-04-08

现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-31-10);广东省基础与应用基础研究基金项目(2019A1515011039,2020A1515010793);广州市珠江科技新星(201710010105)

杨洲,博士,教授,主要从事水果生产机械化研究。Email:yangzhou@scau.edu.cn

孙健峰,博士,副教授,主要从事农业机械化研究。Email:sunjianfeng@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.001

S147.2

A

1002-6819(2020)-08-0001-10

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