《Agriculture》：Design and Testing of a Gravity-Constrained Fertilizer Guide Tube for Stable Fertilizer Cluster Movement
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肥料簇在与地面接触时倾向于失去其团聚状态，从而降低肥料利用效率。为解决这一问题，研究人员设计了一种重力约束式肥料导引管（GCFGT）。基于最小摩擦原理，设计了梯形沟槽。通过分析肥料下落及与地面接触时的运动，确定了影响成穴的关键因素，如导肥角、沟槽角和前进速度。
肥料簇在与地面接触时倾向于失去其团聚状态，从而降低肥料利用效率。为解决这一问题，研究人员设计了一种重力约束式肥料导引管（GCFGT）。基于最小摩擦原理，设计了梯形沟槽。通过分析肥料下落及与地面接触时的运动，确定了影响成穴的关键因素，如导肥角、沟槽角和前进速度。研究人员采用离散元法（DEM）确定了最佳参数组合：当导肥角为60°、沟槽角为80°、前进速度为6 km/h时，平均穴长为87.6 mm，穴长变异系数为6.51%，穴距变异系数为1.76%。台架试验结果表明，在目标单穴施肥量为6.0 g、前进速度为4–10 km/h、目标穴距为0.20–0.30 m的条件下，肥料簇在下落过程中始终维持团聚状态。田间试验结果显示，在目标单穴施肥量为2.0–8.0 g、前进速度为4–10 km/h、目标穴距为0.20–0.30 m的条件下，平均穴长为94.5–223.0 mm，穴长变异系数为7.17–11.16%，穴距变异系数为2.95–6.06%。虽然田间成穴性能有所降低，但各穴内肥料保持团聚状态且分布均匀。肥料与土壤之间的碰撞是影响成穴的关键因素。本研究结果可为穴施排肥装置的设计与优化提供思路和参考。
化肥施用是提高作物产量和品质的重要手段，但过量施用造成严重生态问题。穴施技术将肥料以簇状施于种子附近，可节省肥料50%，对绿色可持续农业生产至关重要。穴施排肥装置是实施穴施技术的核心部件，其最终导肥环节直接影响肥料在田间的分布状态。然而，在复杂田间条件下，装置常需抬高安装高度，导致肥料簇下落过程中易提前离散；气力约束虽强但抬高后难以保证簇状下落，且落地后仍受气流干扰。已有研究主要针对单颗粒的稳定输送，对肥料簇在导引管中的形态保持与结构参数影响尚不明确。为此，研究人员设计了一种重力约束式肥料导引管（GCFGT），以重力代替气力约束肥料簇，并系统研究了其结构参数和工作参数对成穴性能的影响。该研究发表在《Agriculture》。
研究人员首先基于最小摩擦原理设计了梯形沟槽，通过动力学分析确定影响成穴的关键因素，并结合离散元法（DEM）仿真、台架试验和田间试验对导肥角、沟槽角和前进速度进行单因素与响应面优化。主要得出最优参数组合为导肥角60°、沟槽角80°、前进速度6 km/h，在此条件下仿真得平均穴长87.6 mm，穴长变异系数6.51%，穴距变异系数1.76%。台架试验表明在目标单穴施肥量6.0 g、前进速度4–10 km/h、目标穴距0.20–0.30 m范围内，肥料簇下落时始终维持团聚状态。田间试验表明在目标单穴施肥量2.0–8.0 g、前进速度4–10 km/h、目标穴距0.20–0.30 m条件下，平均穴长为94.5–223.0 mm，变异系数分别在7.17–11.16%和2.95–6.06%之间，肥料仍保持聚集且分布均匀。研究结果为穴施排肥装置设计与优化提供了依据。
本研究主要采用了以下关键技术方法：使用离散元法（DEM）建立复合肥颗粒的多球模型，通过EDEM软件模拟肥料在导引管中的运动与成穴过程；采用单因素试验和Box–Behnken响应面设计分析导肥角、沟槽角和前进速度的影响及交互作用；利用高速摄影技术搭建台架试验平台，观测肥料簇下落过程中的聚集状态；在田间使用玉米精量电驱播种机进行验证试验。肥料颗粒选用鲁西化工集团复合肥，田间试验地点为北京昌平小汤山国家精准农业实验站，土壤类型为褐土。
3.1 仿真试验分析
3.1.1 单因素试验
（a）导肥角：在55°–90°范围内，随着导肥角增大，穴长逐渐增大，穴长变异系数先降后升，穴距变异系数呈阶梯式上升。最佳导肥角范围为55°–75°。
（b）沟槽角：在0°–80°范围内，穴长随沟槽角先减后增，20°–60°时稳定，肥料分布更集中，最佳沟槽角范围为20°–80°。
（c）前进速度：在2–12 km/h时，穴长随速度增大而增大，穴长变异系数先略降后增，穴距稳定性逐渐下降。当速度≤6 km/h时，穴长不超过95 mm，故确定正交试验速度范围为6–12 km/h。
3.1.2 正交试验
（a）回归方程与显著性：建立了平均穴长、穴长变异系数和穴距变异系数与三因素的回归方程，均高度显著且拟合不足不显著，决定系数分别为0.999、0.991和0.977。
（b）因素效应分析：各因素及其交互作用对各指标的影响显著，其中导肥角与前进速度的交互作用对穴长变异系数影响极显著，沟槽角与前进速度的交互作用影响显著。
（c）优化与目标分析：以最短穴长、最小穴长变异系数和最小穴距变异系数为目标，获得最优参数组合为导肥角60°、沟槽角80°、前进速度6 km/h，仿真预测值分别为87.6 mm、6.51%和1.76%。
3.2 台架试验分析
基于优化参数制造并安装GCFGT，台架试验结果表明：在相同前进速度下，增大穴距使穴长增加；在相同穴距下，增大前进速度也使穴长增加，高速大穴距不利于肥料簇下落。但各条件下穴距变异系数保持稳定，肥料簇维持聚集状态。
3.3 田间试验分析
田间试验结果与台架趋势一致：穴长随前进速度、目标穴距和单穴施肥量的增加而增大；穴长变异系数最大约12%，穴距变异系数约6%，均变化较小，肥料在穴内仍呈团聚状态。
讨论指出，仿真、台架和田间试验的穴长依次增大，是因为碰撞约束逐渐减弱。台架试验基于理想相对速度计算，未考虑地面冲击，穴长最短；仿真中设有肥沟，土壤恢复系数低且侧壁限制，穴长居中；田间试验将肥料直接施于地表，表层土壤不平且存在土块，肥料反弹滑动随机性增大，穴长最大。但实际机具将肥料施入肥沟，沟壁约束和土壤回填会改善成穴，因此田间结果可视为实际工况下穴长的上限。
研究结论如下：(1)理论分析表明，梯形沟槽能有效减少肥料簇内部剪切力，提高颗粒运动一致性；肥料在导引管出口的滑动和自旋影响反弹轨迹，进而影响分布形态，导肥角、沟槽角和前进速度直接影响肥料滑动与自旋。(2)仿真试验表明，保持肥料簇与地面间的相对平衡是提高成穴性能的关键；减小导肥角可削弱肥料与地面的相对运动，增大沟槽角可减少颗粒
