Google+ 生物產業機械: 水稻深層可變率施肥機

Sunday, March 11, 2007

水稻深層可變率施肥機

水稻深層可變率施肥機之研製

.中興大學農機系 謝禮丞 欒家敏 周明諒.

一、前言

一般相信水田的肥力變異性不是很顯著,文獻中認為這種觀點是不正確的,因為文獻中提供了三年實驗數據顯示水田中的土壤有顯著的空間變異率,尤其是氮素(soil-N)。因此依據文獻的實驗係建立在不同比率的上層施肥(top dressing)將水稻田中的土壤氮肥降至最低。這個觀念是建立在為維持水稻之高產量同時不傷害環境下而施用與維持適當的養分,將穀物產量之空間變異降至最低。實際解決的方法是以養分移除為基礎的施肥,如此估計為在高產值範圍內的最經濟作法。
水稻變率及深層機械施肥是依土壤當時之肥力狀況經計算施肥量,再加以深層施肥(8-10cm),而水稻深層施肥在日本先進國家已廣泛被稻農採用。故在工商業快速發展導致人們降低從事農業生產意願,農村人口老化及國外進口農產品競爭之下,為節省施肥勞力、減少施肥量以降低生產成本,減少過度施肥對環境的傷害,水質的污染及增加生產量,發展水稻變率及深層施肥機械是可行的方法。

國內也有高雄改良場與裕農公司合作生產過手推式之深層施肥插秧機,本研究也蒙高雄改良場之多次經驗分享,謹此致謝。農試所農工系與農化系的先進們也多所幫助,也對本機之發展提供許多正面的助益,亦在此致謝。

二、主要設備及作業方式

本變率施肥機係直接安裝在插秧機上,如圖1、圖2所示。為減輕其負荷,又不影響作業機之耐用下,宜選用材質較輕,厚度較薄者。且直接與具腐蝕性之肥料接觸,故必需採用不鏽鋼或塑膠等耐腐蝕材質。但由於變率施肥機尚在開發階段,若直接以塑膠材質製造,開發模組費用成本太高,故雛型機以不鏽鋼板製成。本研究實驗所用的試驗雛型機,其主要構造概述於后:

1.施肥桶

施肥桶之尺寸為長42cm×寬 30.0cm×高 40cm,可供兩行水稻施肥之用。在肥料桶之側邊有一存量檢視窗,供操作者察看肥料桶存量之用。且於肥料桶底部加裝肥料開關控制板,利用氣壓缸來控制開或關。以備將來八行插秧施肥時,可任意關掉1-2條之肥料配出,避免在同一位置重複施肥。

2.施肥輪與施肥爪

施肥輪主要是控制肥料之輸出量,施肥輪是以乙聚龍製成,心軸為不鏽鋼以防腐蝕及因負荷過大而斷裂,在輪之圓周面上鑿八個半圓形槽,內裝施肥爪,施肥輪作迴轉運動,如棘輪之動作,當插植爪每插植一株,施肥輪轉45度。施肥輪利用連桿與插植臂搖臂連接來驅動,故插秧及施肥作業同步進行。同時利用可程式控制器控制伺服馬達來驅動施肥爪之位移量以調整肥料槽之大小,以達控制六段肥料輸出量。於實際操作時發現肥料容易產生肥料粉末,造成施肥輪迴轉阻力太大,導致肥料輸出量不足,因此在施肥輪外殼裝一浮動裝置,以便順利排出肥料粉末及方便清除肥料粉末。

3.集肥杯及肥料輸出管

集肥杯出肥口為一Y形狀,使肥料盡量保持直線,同時集肥杯為不鏽鋼製成內部並噴上鐵伏龍粉末以防止肥料附著在其表面,集肥器下裝置可裝卸之斜板,以便可掀開清洗輸肥管,輸肥管之管徑為 4cm,並採用不鏽鋼管,管內亦噴上鐵弗龍粉末。在管旁加裝吹氣裝置以加速肥料落下避免阻塞。

4.開溝器及覆土器

開溝器由不鏽鋼製成,為防止雜草及稻桿聚集於開溝器而製成倒三角形,尺寸為長10.0cm×寬7.0cm×高12.0cm。功用為將地表剖開成溝,以便將肥料導入溝內,最佳裝置位置為愈靠近插植爪處,愈能使機械插植秧苗不會發生缺肥現象。同時肥料要落肥點之位於要在兩秧苗正中間,將來水稻生長才會整齊。而覆土器要能依土壤地形上下浮動,且要能將肥料覆蓋於土壤之下。

5.鼓風機

利用鼓風機之風力使之加速肥料落下土壤中,使肥料落下時間與秧苗插植時間一致,並可防止肥料在輸肥管阻塞,插秧作業完成後亦可利用鼓風機清除管路上之肥料粉末。

6.動力連接裝置

施肥機之動力來自插秧機之插植爪,由一螺桿兩端裝滾珠軸承,一端連接插植爪,另一端接施肥輪。而接施肥輪之處亦可作肥料量之微調,即越接近施肥輪其棘輪往復行程越短,則單位時間內施肥量增加,反之則減少。四個輸肥機構為了同步作業與調整肥料量,以連桿同時拉動。但因為插植部無法一致橫向線性排列,所以必須以萬向接頭方式聯動,以避免非直線運動之扭力破壞,也減少拉動時之阻力。

7.肥料變率控制

本研究為控制每施肥點為8.8g、7.8g、6.8g、5.8g、4.8g及3.8g六段之肥料量,利用可程式控制器控制伺服馬達來驅動施肥爪之位移量以調整肥料槽之大小,以達變率施肥之目的。雛型機之肥料變率控制機構包括:

  1. 控制箱面板:主要控制六段肥料、肥料箱之開與關、電源控制。(圖3)
  2. 可程式控制器:施肥機所使用之可程式控制器(PLC)為三菱FX1N-24機型,有14個輸入點及10個輸出點,其中已使用之輸入點有肥料量控制六點、定位啟動、定位開始、原點復歸及正轉寸動十個輸入點。
  3. 伺服控制系統:本研究雛型機使用伺服馬達加減速機帶動施肥爪位移,以改變施肥量。而伺服控制系統包括有伺服驅動器及伺服馬達。

今年度的第一、二期稻作插秧均在農試所的精準農業示範田區進行田間試驗(圖4),每期實施兩公頃的變率深層施肥,係根據指定的施肥量做田間施肥與插秧的作業,每一小區塊均作肥料量的量測,並將指定值與實際佈施量做比較得到誤差值,由第一次試驗的約8%平均誤差量降至第二次的小於3%(表1),輸肥管內無阻塞之狀況發生。惟第二次試驗時,田間稻桿殘枝浮在水面上過多,所以有些肥料無法完全到達預定的位置,此為未來機械應注意的現象。

三、結論

本施肥機係附掛於乘坐式插秧機之後方,並配合精準農業的變異率作業的要求,以可程式控制器作為控制方式,未來配合全球衛星定位系統與田間土壤肥力電子資料,可以將目前的功能應用在水稻田間作自動的可變率施肥作業如此可以達到節省肥料用量且環保的目的。整體而言,本機械目前的功能均能達到現階段的目標,惟目前的雛型機重量過重,未來應朝商品化的輕值材料著手,以減少動力的負荷。

(作者聯絡電話:04-22857518)

圖1 深層變率施肥機部分構造示意圖


圖2 施肥機附掛於插秧機之實物圖

圖3 控制面板示意圖

圖4 可變率深層施肥雛型機在農試所試驗田區作業情形


表1 第二期作田間實際試驗施肥量及誤差一欄表

註:1.N45為每點指定施肥量3.19g
2.N90為每點指定施肥量6.23g
3.N135為每點指定施肥量9.19g
4.平均每點之施肥量之計算方式為:
每點施肥量=實際施肥量÷(秧苗株數÷2)
(因兩株秧苗共用一施肥點肥料所以÷2)
5.誤差之計算方式:
誤差值(﹪)=(施肥機設定之施肥量-田間實際每點平均施肥量)÷施肥機設定之施肥量×100