本書在綜述國內(nèi)外液態(tài)肥的使用狀況和液態(tài)施肥機械技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過理論分析、計算機輔助設(shè)計、計算機仿真與高速攝像相結(jié)合的方法，對液態(tài)施肥機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、原理、參數(shù)進行研究與探索。從介紹液態(tài)施肥機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和工作原理入手，將運動學(xué)與動力學(xué)理論、流體力學(xué)知識、計算機仿真技術(shù)和高速攝像的方法相結(jié)合，對液態(tài)施肥裝置及關(guān)鍵部件扎穴機構(gòu)、分配器和噴肥針的特點進行系統(tǒng)的介紹與分析。
本書適合施肥機械領(lǐng)域的科研人員參考使用。
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本書在綜述國內(nèi)外液態(tài)肥的使用狀況和液態(tài)施肥機械技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過理論分析、計算機輔助設(shè)計、計算機仿真與高速攝像相結(jié)合的方法，對液態(tài)施肥機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)、原理、參數(shù)進行研究與探索。
1 緒論
1.1 我國研究深施型液態(tài)施肥技術(shù)的目的和意義
中國是一個農(nóng)業(yè)大國， 也是一個肥料生產(chǎn)和消費大國。肥料對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展， 特別是糧食生產(chǎn)起到了重要作用。中國用不到世界10 %的耕地， 養(yǎng)活了占世界22 % 的人口， 這與肥料的貢獻是分不開的。從溫家寶總理向第12屆世界肥料大會發(fā)去的賀信詞中可以看出，肥料是農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)資料，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中發(fā)揮了顯著作用。但是，肥料生產(chǎn)和使用過程中存在的肥料施用不合理、肥效低、肥料浪費和環(huán)境污染等問題越來越引起關(guān)注。液態(tài)肥以生產(chǎn)費用低、施肥方便、吸收快、用肥省、可以改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等諸多優(yōu)點廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
為了兼顧農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展，施用液態(tài)肥是現(xiàn)階段一種可行的選擇。液態(tài)肥在生產(chǎn)和運輸過程中無粉塵、無煙霧、減少了因三廢排放對環(huán)境造成的污染。液態(tài)肥適用于小麥、水稻、玉米、大豆、茶葉、煙葉、花卉和中草藥等作物，應(yīng)用范圍廣；能夠刺激作物活性，加速有機物質(zhì)分解， 調(diào)節(jié)土壤的酸堿度， 改良土壤， 消除板結(jié)； 可使農(nóng)作物增產(chǎn)15 % ～ 30 % ，果菜類增產(chǎn)20 % ～ 40 % ， 葉菜類增產(chǎn)1 ～ 2 倍； 具有吸收速度快， 穩(wěn)定性好，抗逆性強，對人和畜禽無毒無害等優(yōu)點。
深施技術(shù)是通過施肥機具將肥料深施在作物根系附近， 即位于地表以下60 ～ 100mm 土壤層中，使養(yǎng)分能夠被充分吸收，減少肥料有效成分的揮發(fā)和淋失， 達到提高肥料利用率、保護環(huán)境和節(jié)本增效的目的�？茖W(xué)合理的施用肥料，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量， 降低生產(chǎn)成本，增加農(nóng)民收入， 提高農(nóng)業(yè)的投入產(chǎn)出率具有重要意義。深施技術(shù)是相對于撒施或淺施提出的，其優(yōu)點在于：
1.深施技術(shù)能夠增強作物的抗逆性
大部分作物根系具有趨肥性， 肥料施用過淺，作物根系大多集中在土壤表層。肥料深施后，吸引作物根向土壤下層深扎。根深能大大增強作物抗倒伏、抗旱能力，有利于促進作物高產(chǎn)。
2.深施技術(shù)有利于減輕作物后期早衰
土壤肥力不足會導(dǎo)致所種作物生育后期早衰。肥料深施以后， 有利于供應(yīng)作物生育中后期所需的養(yǎng)料，延長作物功能葉的生命活力和葉綠素含量，增強光合作用能力， 避免后期脫肥。
3.深施技術(shù)可以減少肥料損失
有些肥料如銨態(tài)氮肥和酰銨態(tài)氮肥施入土壤后，銨態(tài)氮在土壤表層，易被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。土壤膠體不能吸附硝態(tài)氮，除了隨水呈水平方向流失， 還會呈垂直方向移動，滲入土壤下層。硝態(tài)氮在土壤下層， 會受反硝化細(xì)菌作用， 變成氮氣和一氧化碳，擴散到空氣中去， 降低肥效。
而銨態(tài)氮肥深施后， 由于土壤下層硝化細(xì)菌極少，不易被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，反硝化細(xì)菌也不能轉(zhuǎn)化銨態(tài)氮。因此，可大大減輕肥料的損失。
4.深施技術(shù)能夠有效地提高肥料利用率
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所曾做過同位素跟蹤試驗， 試驗將碳酸氫銨和尿素深施到地表以下60 ～ 100mm的土層中，其氮的利用率可以達到58 % 和50 % ； 而采用表面撒施的施肥方式， 其氮的利用率僅為27 % 和37 %。由同位素跟蹤試驗結(jié)果可知， 深施肥料利用率比表面撒施肥料利用率高。大面積應(yīng)用肥料深施技術(shù)， 氮素肥料平均利用率可由30 %提高到40 % 以上， 磷素肥料和鉀素肥料平均利用率也有所提高。與表面撒施固態(tài)肥料相比，深施液態(tài)肥不僅可以減少肥料揮發(fā)和風(fēng)蝕的損失，增大土壤肥效區(qū)域， 促進作物吸收， 而且使肥料利用率由30 % 提高到60 % ，肥料使用量節(jié)約1/3 ～ 1/2 。
5.深施技術(shù)能夠提高作物產(chǎn)量
在同樣條件下， 深施液態(tài)肥比噴撒施肥使小麥、玉米增產(chǎn)225 ～675kg/hm2 ， 棉花（皮棉） 可增產(chǎn)75 ～120kg/hm2 ， 大豆可增產(chǎn)225 ～375kg/hm2 ， 增產(chǎn)幅度平均在5 % ～ 15 % 。
6.深施技術(shù)可以減少對環(huán)境的污染， 促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展
深施能夠有效地減少肥料中氮素?fù)]發(fā)， 在保持氮肥肥效的同時，減輕氨氣和一氧化氮對空氣的污染，降低肥料對水源的污染。深施使肥料有效成分被充分利用， 減少肥料的殘留量， 減緩鹽堿化過程，不致使土壤品質(zhì)退化，這也符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
當(dāng)前， 中國生產(chǎn)液態(tài)肥的企業(yè)雖然很多，但生產(chǎn)液態(tài)肥施用機具的企業(yè)卻很少。中國還沒有可完成深施液態(tài)肥的機具，相關(guān)研究也尚未開展，開展此項技術(shù)及配套機具的研究已成為當(dāng)務(wù)之急。本書將液態(tài)肥和深施技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)液態(tài)肥深施作業(yè)，對深施型液態(tài)施肥機具和施肥裝置的研究具有很強的現(xiàn)實意義， 是解決我國施肥問題的主要途徑。因此，無論從節(jié)約和環(huán)保的角度出發(fā)，還是從經(jīng)濟效益和社會效益的角度考慮，都急需研究適合我國國情的深施型液態(tài)施肥機具和施肥裝置。國家也非常重視這一方面，將液態(tài)肥深施技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機械化的關(guān)鍵技術(shù)之一。
1.2 國內(nèi)外液態(tài)肥發(fā)展現(xiàn)狀
液態(tài)肥在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有悠久歷史。人類很早就開始利用液態(tài)有機廢物作為農(nóng)作物養(yǎng)料。1808 年， 英國的Hemfri Geivi首先提出用無機鹽溶液作為農(nóng)作物養(yǎng)料的概念； 1840 年， 愛爾蘭建立了世界上第一座無機液態(tài)肥工廠； 1923年，美國加利福尼亞的澳克蘭G-M 公司建成美國第一座液態(tài)肥工廠， 20 世紀(jì)30年代初開始液氨直接施肥的試驗。此后，世界液態(tài)肥生產(chǎn)一直穩(wěn)步上升， 1960 年， 英國液態(tài)肥生產(chǎn)能力為4.93 萬t ， 1970年發(fā)展到14.5 萬t 。美國液態(tài)肥的發(fā)展比其他國家更為迅速，主要原因在于美國液態(tài)肥的生產(chǎn)、儲存、運輸和施用逐步得到妥善解決。
世界液態(tài)肥的研制、生產(chǎn)和使用主要集中在北美洲和歐洲。美國根據(jù)不同的土壤、農(nóng)作物以及農(nóng)作物在不同生長階段的需要，配制出各種規(guī)格的液態(tài)肥。例如，液氨、氨水、尿素溶液、尿素+ 硝銨溶液（ UAN） 、氨溶液+ 磷銨等清液肥料， 磷銨+ 微量元素+ 農(nóng)藥、磷酸加氨+微量元素+農(nóng)藥，以及分別用石灰石粉、石膏粉、硫化物、磷礦粉與磷酸、磷銨、氨、鉀鹽等原料配制而成的各種規(guī)格的懸浮液態(tài)肥。液態(tài)肥在美國的廣泛應(yīng)用，在一定程度上促進了美國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。目前，美國液氨施用量占氮肥總量的38% ， 加拿大、澳大利亞、丹麥等國為22 % ～ 36 % ，印度、埃及等一些發(fā)展中國家也在積極推廣液氨直接施用技術(shù)。
世界液態(tài)肥消費量北美居第一位， 約占世界液態(tài)肥消費總量的70 % ，西歐居第二位， 約占世界液態(tài)肥消費總量的25 %。據(jù)報道，液態(tài)肥中的氮肥， 北美也占全球消費總量的70 % ； 而氮素液態(tài)肥中直接施肥的液氨， 北美消費量高達世界液氨肥料的92 %。
中國對液態(tài)肥的應(yīng)用研究始于20 世紀(jì)50 年代， 1958年科研人員在北京和東北公主嶺開展過液氨直接施肥實驗。由于當(dāng)時中國氮肥工業(yè)尚未大量興起， 氮源無保障，中國整體經(jīng)濟實力比較低，農(nóng)業(yè)處于小農(nóng)經(jīng)濟狀態(tài)，所以液態(tài)肥的應(yīng)用停頓下來。70 年代后期隨著氮肥工業(yè)的發(fā)展，氨源有了一定保障，液氮直接施肥這項技術(shù)在眾多專家和有關(guān)部委領(lǐng)導(dǎo)的倡導(dǎo)支持下，重新提到日程上，先后在北京、浙江、山東、河北、廣東、新疆等地進行了液態(tài)肥施肥試驗。例如，浙江嘉興曾在早稻和晚稻中沖施液氮；山東陽谷、河北盧臺農(nóng)場在大田施用液氮， 均收到良好效果； 廣東省佛山地區(qū)1980年使用液氮直接施肥于旱稻田， 增產(chǎn)了5 % ～ 10 %。以上四處分別因農(nóng)業(yè)機械配套不合理或氨源無保障等原因未繼續(xù)維持。北京和新疆兩地的液氮施肥試驗、示范和推廣工作開展得較為系統(tǒng)，居國內(nèi)領(lǐng)先地位，均已通過部級鑒定。他們對液氮直接施用的機理、施用方法，施用后的經(jīng)濟效益以及注意事項等方面都提出了有指導(dǎo)意義的論據(jù)。特別是北京地區(qū)起步最早，在施肥機械無樣機、無資料的情況下，根據(jù)液氮的特點， 結(jié)合中國國情研制出了液氮直接施肥的機具和與其配套的計量儀器，為國內(nèi)液氨直接施肥提供了可靠的機具，為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。十余年來， 共有幾十萬畝農(nóng)田施用液氮，涉及作物種類包括大田作物（小麥、玉米、水稻） 、蔬菜（大白菜）、果樹（桃、蘋果、葡萄） 、飼料（早青儲玉米、晚青儲玉米） 等。1980年， 新疆農(nóng)墾總局開始使用液氨直接施肥， 1986 年使用液氨直接施肥面積為9000hm2 ， 以后又從美國引進施肥機械， 到1996年累計施肥面積超過105 萬hm2 。為了提高我國的液態(tài)肥施用率， 農(nóng)業(yè)部已把液態(tài)氮肥（特別是液氨）的直接施用列為推廣試驗項目。多年來，國內(nèi)的一些肥料生產(chǎn)企業(yè)、科研單位也加強了對液態(tài)復(fù)合肥的研究，并相繼開發(fā)和生產(chǎn)含氮、磷的基礎(chǔ)液態(tài)肥、酸性液態(tài)復(fù)合肥、磷酸二氫鉀復(fù)合肥、有機液態(tài)肥以及含微量元素的液態(tài)復(fù)合肥等。2002年，利用中國科學(xué)院開發(fā)的酸性液態(tài)復(fù)合肥技術(shù)建成的一套年產(chǎn)2 萬t 的生產(chǎn)裝置，在新疆投入運行，其生產(chǎn)的酸性液態(tài)肥在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團1.5 萬hm2 棉花種植田中施用后， 經(jīng)田間試驗對比， 肥料利用率提高30 %，節(jié)約肥料成本20 % ， 增產(chǎn)約15 %。新疆地區(qū)的地理和氣候環(huán)境決定了液態(tài)肥在該地區(qū)的應(yīng)用有很大潛力。國內(nèi)生產(chǎn)的液態(tài)肥除大面積根部施用外，一部分也用做葉面施肥，如對小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜及油葵等農(nóng)作物用液態(tài)肥進行根施灌溉；而對蔬菜、水果、園林及花卉等經(jīng)濟作物在生長期內(nèi)經(jīng)常噴灑液態(tài)肥；煙草產(chǎn)區(qū)除施基肥外，還在煙草生長期內(nèi)噴施或灌溉液態(tài)肥。目前，我國還沒有液態(tài)肥施用的詳細(xì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 初步估計每年用量約30 萬t 。
1.3 國內(nèi)外液態(tài)施肥機的研究現(xiàn)狀
從國內(nèi)外液態(tài)肥的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，國外對液態(tài)肥的研究比較早，而且非常深入細(xì)致，液態(tài)肥施用機具的種類也很多。廣泛采用的施肥方式主要有葉面噴灑液態(tài)肥、滴灌施液態(tài)肥和深施液態(tài)肥。葉面噴灑液態(tài)肥是通過施肥機具將液態(tài)肥噴施在作物的葉片上，這種施肥方式作業(yè)速度快、效果明顯、施肥方便，但與深施液態(tài)肥相比肥料利用率比較低， 且對環(huán)境造成污染。用這種方式施肥的機具比較多，技術(shù)相對成熟。例如， 約翰迪爾公司生產(chǎn)的4730自走式液態(tài)施肥機是一種采用噴灑施肥方式的液態(tài)施肥機具， 作業(yè)寬度可達27.4m ，如圖1.1所示。凱斯公司生產(chǎn)的愛國者3320自走式液態(tài)施肥機， 既可完成施肥作業(yè)， 又可用于噴藥作業(yè)， 該機器作業(yè)速度為20km/h ，作業(yè)幅寬可達30m 。由于采用全液壓控制， 輪距可以根據(jù)作物行距自動調(diào)整， 如圖1.2所示。十方公司生產(chǎn)的大平原噴灑及施肥設(shè)備，具有精準(zhǔn)的電子控噴系統(tǒng)， 噴施架有自動鎖定系統(tǒng)， 當(dāng)一側(cè)噴施架向上抬時，另一側(cè)的噴施架不會因此而擺動， 對地面的仿形極好，如圖1.3所示。Jacto 公司生產(chǎn)的UNIPORT2000 自走式噴藥施肥機，作業(yè)幅寬可達21m ， 作業(yè)效率每天可達300hm2 。十方公司生產(chǎn)的海吉STS-10 噴灑去雄組合機既可以噴灑農(nóng)藥，又能用于施液態(tài)肥。該機裝有GPS ， 噴灑精準(zhǔn)，精準(zhǔn)率可達96 % ， 可對高稈作物進行后期追肥， 作業(yè)幅寬可達27.4m ，如圖1.4 所示。凱斯公司生產(chǎn)的3310 自走式液態(tài)施肥機，幅寬27.4m ， 作業(yè)速度快， 施肥效率高， 液箱可以儲存液態(tài)肥4.2t， 如圖1.5 所示。雖然葉面噴灑液態(tài)肥這種施肥方式存在肥料利用率低的缺點， 但仍是一種非常先進的施肥方式。
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