肥料物理性质对无人机撒肥均匀性的影响

Effects of physical properties of fertilizer on the uniformity of UAV fertilization

摘要

为探究不同肥料物理性状与无人机播撒均匀度之间的关系，测定3种复合肥与3种颗粒尿素的颗粒物理力学特性参数，并且在不同飞行速度、不同飞行高度和不同离心盘转速下，探寻影响无人机施肥均匀性的肥料物性指标，同时初步建立各种肥料最优的作业参数。结果表明：1）肥料撒施均匀度与肥料的比重、休止角及堆密度的相关性最为显著，其他指标通过影响肥料的比重、休止角及堆密度进而影响施肥均匀度。2）不同肥料适配的最优参数不同，在本研究飞行环境下，4 m飞行高度、5 m/s飞行速度，15-15-15 在1 100 r/min转速下播撒均匀度最高；3）本研究初步得出2种肥料相较而言，复合肥播撒的均匀度更佳，撒肥量更大。不同飞行参数下15-15-15的均匀度普遍高于其他肥料，变异系数较小。肥料的高强度与较大的球形度显著提升了水稻施肥效率，促进了无人机对肥料的播撒，降低了肥料损失。适配无人机的肥料确实能够提高肥料的播撒均匀度。

Abstract

In order to explore the relationship between the physical properties of different fertilizers and the uniformity of UAV seeding， the physical and mechanical characteristics of three kinds of compound fertilizers and three kinds of granular urea were determined， and the physical properties of fertilizers affecting the uniformity of UAV fertilization were explored under different flight speeds， different flight altitudes and different centrifugal disk speeds， and the optimal operating parameters of various fertilizers were preliminarily established. The results showed that： 1） The correlation between the uniformity of fertilizer spreading and the specific gravity， angle of repose and bulk density of fertilizer was the most significant， and other indexes affected the uniformity of fertilization by affecting the specific gravity， angle of repose and bulk density of fertilizer. 2） The optimal parameters of different fertilizer adaptation are different， and the spreading uniformity is the highest at 4 m flight altitude and 5 m/s flight speed， and 15-15-15 at 1 100 r/min speed. 3） Compared with other fertilizers， 15-15-15 has better uniformity and a larger amount of fertilizer. The uniformity of 15-15-15 was generally higher than that of other fertilizers under different flight parameters， and the coefficient of variation was smaller. Its high strength and large sphericity significantly improve the fertilization efficiency of rice， promote the sowing of fertilizer by drones， and reduce fertilizer loss. Fertilizers adapted to drones can indeed improve the evenness of fertilizer spreading.

Graphical abstract

关键词

无人机施肥 / 颗粒肥料 / 理化性质 / 飞行参数 / 播撒均匀度

Key words

UAV fertilization / granular fertilizer / physical and chemical properties / flight parameters / dispersal uniformity

在绿色发展的紧迫需求下，通过施肥方式变革大幅度提高肥料利用率是当前重要命题^［1-2］。随着精准农业技术发展，机械施肥也不断有新的突破^［3］。水稻机械化作业可以提升水稻种植的效率，实现水稻种植的现代化和智能化^［［4-5］。随着无人机施肥技术的迅速发展，无人机撒播肥料逐渐兴起，大疆、极飞、珠海羽人和深圳高科新农等企业已开发出撒播多旋翼无人机^［6-7］。但无人机施肥技术仍存在作业播量范围有限和调节精度不高等问题^［8］。前人主要通过改造无人机排肥装置提高无人机作业效率，但优选肥料和调节肥料以提高无人机施肥精度的研究较少，无人机施肥技术对肥料利用率没有显著提升，技术还有待完善^［9］。

我国的国家肥料标准都是建立在人工撒施作业的基础上，对肥料的物理性状通常只对粒径大小及含水率有规定，对肥料的颗粒强度、球形率、吸湿率、光滑度和休止角等颗粒物理性状并无要求^［10］。王磊等^［11］建立肥料颗粒的运行模型，发现肥料颗粒的物理特性和排肥器材特性均对排肥性能有影响。但目前肥料物性中哪些指标影响无人机排肥尚没有形成清晰的认识^［12］，无法支撑无人机专用肥的研制和选用。企业存在盲目生产，农户存在盲目选择的问题。在施用固态颗粒肥时，为达到良好的排肥效果（播幅、播量），需要针对不同肥料的物理特性设计作业速度等参数，但目前这一类研究也较少，导致田间作业处于盲目状态，进而影响肥料的施肥效果^［13］。无人机撒肥中经常会出现堵塞的情况，不仅影响作业效率也影响施肥精准度，这也与肥料物理性状直接相关^［14-15］。

上述问题在长江中下游稻区尤为明显，在2023—2024年对上海庙镇和绿华镇的农户调研中发现，当地常用的无人机追肥产品有尿素和复合肥等，种类繁多，而且无人机作业规范缺失^［16］。在施肥过程中，随着飞行高度的变化，肥料在土壤中扩散区域也发生变化，对肥料分布产生影响。刘鑫^［17］建议在3 m/s的飞行速度和1.5 m飞行高度施肥，而肖汉祥等^［18］认为飞行高度在2~2.5 m，飞行速度约3~5 m/s最佳。但这些研究均未明确对于不同肥料该如何匹配无人机作业参数^［19-20］。

本研究拟通过分析上海崇明现有无人机和现有肥料产品，研究不同肥料的物理性状及与无人机播撒均匀度的关系，明确影响无人机施肥效果的肥料关键物性参数，以及满足施肥均匀度的作业参数和肥料匹配方案，以期为高效便捷的无人机撒肥运行系统提供科学依据，为同步提高水稻机械化撒肥效率和水稻高产提供关键指导。

1　材料与方法

1.1　供试材料

试验于2024年2—5月在合肥市肥东县中盐安徽红四方肥料绿色实验室进行。所选无人机型号为3WWDZ-40A大疆农业无人飞机，供试肥料为粒径差别大的大、中、小颗粒尿素与养分含量不同的3种复合肥，分别是15-15-15、17-17-17和24-8-10（在上海崇明农田无人机撒肥最为常见的肥料品种）。其中15-15-15复合肥、17-17-17复合肥、大颗粒尿素、中颗粒尿素、小颗粒尿素来来自安徽红四方有限公司，24-8-10复合肥来自上海惠尔利农资有限公司。

1.2　肥料物性测试

为反应肥料颗粒性状与无人机匹配性，本研究结合沉积分布模型标准，最终确定的肥料物理性质包括肥料颗粒的粒径、含水率、吸湿度、休止角、球形度、强度、颗粒比重和颗粒堆密度。肥料颗粒的物理力学特性不仅与成分含量有关，而且还受加工工艺、原料和填料的影响^［21-26］。

1.2.1　颗粒粒径测定

粒径是指颗粒的大小，又称“粒度”或者“直径”。一般国标要求粒径达到0.1~5.0 um，但是粒径的分布却是施肥均匀性的关键。在6种肥料中随机选1 000 g样品，依次通过5、4、3、2和1 mm孔径的标准网筛对肥料进行粒径分级，然后用电子秤称取不同粒径范围对应的质量，从而获得肥料粒径分布及对应的质量分数。

1.2.2　颗粒含水率测定

颗粒含水率是指一定的温度和湿度条件下，肥料中所含水分的质量比例。本试验采用烘箱干燥法，取样品充分混匀后堆成圆锥形。所需样品100 g，再将样品放入80~90 ℃恒温燥箱中烘15~30 min，降温至65 ℃，保持12~24 h，取出称量。水分含量以质量百分数（%）表示，试验所用仪器设备有电热恒温真空干燥箱（温度150.2 ℃，真空度64.0~70.7 kPa）、样品盒、电子天平（精确到0.001 g）、称量瓶（直径50 mm、高30 mm）。计算公式如下：

颗粒含水率=\frac{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{2}}}{m_{\mathrm{1}}-m_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中：m₁为干燥前样品及铝盒质量，g；m₂为烘干后样品及铝盒质量，g；m₀为铝盒质量，g。

1.2.3　颗粒吸湿度测定

吸湿度是指肥料在空气中能吸收水分的性质。目前尚没有肥料相关标准。将一定重量（2 g）的肥料放置培养皿中，置于恒温恒湿箱中，每隔1 h测试重量以检验肥料吸水情况。

肥料吸湿率=\left(W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{0}}\right)/W_{\mathrm{1}}\times \mathrm{1}00%（2）

式中：W₁为样品吸湿后质量，g；W₀为样品吸湿前质量，g。

1.2.4　颗粒休止角测定

休止角是指在重力场中，粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角，休止角越小表明流动性越好。一般机械施肥要求休止角<30°。底盘为直径7 cm培养皿，将2只玻璃漏斗上下交错重叠，固定在铁架台上，下漏斗出口与底盘距离为3.5~6.0 cm；取肥料若干，从上部漏斗慢慢加入，辅料经过2只漏斗的缓冲逐渐堆积在底盘上，形成锥体，直至得到最高的锥体为止。测定每种样品各测定3次，取平均值。

a=\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{-\mathrm{1}}H/R（3）

式中：a为休止角，°；H为锥体的高，cm；R为底盘半径，cm。

1.2.5　颗粒球形度测定

球形度是指颗粒形貌的参数。肥料颗粒的几何尺寸，通常以长、宽、高三轴尺寸来表示，它对无人机的撒肥过程有较大影响。随机抽取100粒肥料，采用精度为0.02 mm的游标卡尺，测量各品种肥料的长、宽、厚。

D_P={\left(\mathrm{L}\mathrm{W}\mathrm{T}\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{3}},\phi =D_P/L（4）

式中：D_P表示肥料颗粒球形度，%；L表示肥料的长，mm；W表示肥料的宽，mm；T表示肥料的长厚，mm；φ表示肥料的球形率，%。

1.2.6　颗粒强度测定

颗粒强度系数的大小反映受外力作用的弹性体抵抗变形的能力。本研究通过GWJ-2数显谷物硬度计（北京金科利达电子科技有限公司，中国）对肥料颗粒进行挤压试验来测量肥料的强度系数。

1.2.7　颗粒比重测定

颗粒比重指固体颗粒的密度与水的密度之比，也称为干实际密度。称取肥料样品50~100 g，将称好的肥料样品放在500 mL三角瓶中，加入选定的分散剂20 mL后，再用蒸馏水冲至200~300 mL。摇匀静置2 h，每隔15 min左右摇动一次。盖上小漏斗，放在电热板上加热煮沸。煮沸后保持沸腾10 min。将冷却的三角瓶中悬液全部进入沉降筒，用蒸馏水定容到1 000 mL。用搅拌棒搅动悬液1 min，测定液温，记录比重计读数。

1.2.8　颗粒堆密度测定方法

颗粒堆密度质量除以该粉体所占容器的体积求得的密度。将肥料样品装入容器中所测得的体积包括粉体真体积、粒子内空隙和粒子间空隙等，因此容器的形状、大小、物料的装填速度及装填方式等影响粉体体积。将粉体装填于测量容器时不施加任何外力测得密度^［27］。

\rho =M/V(5)

式中：\rho表示颗粒堆密度，%；M表示颗粒质量，g；V表示颗粒体积，mL。

1.3　肥料撒播均匀性试验设计

1.3.1　试验地点

试验地位于上海市崇明区庙镇万北村，年平均气温16.5 ℃。该地区属于亚热带季风气候，平均降雨量约为1 128.9 mm，日照充足，气候温和，地势较平坦。年平均气温在16~17 ℃，无霜期236 d，雨量丰沛，年平均降雨量1 129~1 149 mm，降雨呈现明显的季节性。将试验的6种肥料装于3WWDZ-40A大疆农业无人飞机撒肥装置上，进行撒肥验证试验。

1.3.2　试验方法

无人机施肥关键作业参数为无人机飞行高度、飞行速度和离心盘转速，为研究肥粒散布特性的影响因素，制定不同肥料颗粒的无人机飞行参数。在不同飞行参数组合下进行3次重复。设立平整10 m×20 m收集域，沿无人机飞行中线方向布置5组铝制支架，每组支架间隔5 m，每组支架布置10个取样点，每个取样点间隔1 m，每个采样点上固定一个肥料收集盒，收集盒大小为30 cm×30 cm×15 cm（图1）。在田间试验过程中通过布置采集盒的方式对颗粒沉积效果进行采集和检测^［28-34］。将采集盒内颗粒统一封装称重，便于后续处理。试验结束后，去掉试验10个取样点的边缘数据，选取中间5个取样点进行称重，计算肥料的播撒均匀度。肥料播撒均匀度指数是衡量肥料在播撒过程中分布均匀程度的一个指标，展示肥料颗粒在目标区域内的分布情况，即肥料颗粒是否均匀、无遗漏播撒。参考常红英^［35］等利用网格计数法来评价金相面上颗粒分布的均匀程度，沉积区内采样点间肥料颗粒均匀度为：

U=\mathrm{1}00%\times \left[\mathrm{1}-\frac{{\sum }_{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^N\left|p_i-\overline{p}\right|}{N^P}\right]（6）

式中：U表示颗粒均匀度；P_i 表示每一排收集的肥料颗粒质量，g；\overline{p}表示平均每排收集的肥料质量，g；N^P 表示每排样品收集点数量，个。

1.4　统计检验

采用Excel 2010和SPSS 26.0进行数据处理、统计分析，对数据进行单因素方差（One-way ANOVA）分析，数值为平均值+标准差，处理间均值比较使用Duncan差异显著性检验（P<0.05）；用Origin 2024作图。Statistics 23.0进行统计分析和相关性分析。多个因素采用多因素logistic回归模型法，差异显著水平为0.05（P<0.05为差异显著）。采用Origin 2024软件绘制图形。

2　结果与分析

2.1　肥料颗粒的物理性状

2.1.1　粒径分布

小颗粒尿素有85.87%的粒径集中在1~2 mm，中颗粒尿素有63.27%集中在2~3 mm，而大颗粒尿素则有60.13%集中在3~4 mm；复合肥产品中，15-15-15、17-17-17和24-8-10有38.63%~55.93%集中在2~3 mm，其中24-8-10的2~3 mm颗粒肥料占比最多（表1）。这6种肥料的粒径分布居于2~4 mm的颗粒占比达到74.00%~97.00%。

2.1.2　颗粒强度、比重

肥料强度小，易碎易变形，机械施用时可能粉化，造成堵塞^［25］。同类型产品，一般随着粒径变大，强度也变大。例如小颗粒尿素、中颗粒尿素和大颗粒尿素的强度从5.90 N到26.70 N到31.44 N。

而3种复合肥采用不同的工艺，存在原料不同、填料不同等问题，强度也不同。红四方的2种复合肥采用尿浆氨酸法生产，且无填充剂合成，其生产方法与上海惠尔利农资有限公司的有所差距，其强度普遍高于上海惠尔利的复合肥。而红四方2种复合肥之间也存在差异，17-17-17强度略低于15-15-15。

肥料比重也与强度有相关性，随着强度增加比重也增加，如小颗粒、中颗粒、大颗粒尿素的比重分别为1.15%、1.27%和1.28%（表2）。小颗粒尿素的比重最小，强度低，越容易被碾压粉碎，可能会在无人机施肥中存在堵塞问题；而不同工艺的复合肥也表现相同规律，15-15-15和17-17-17的强度普遍高于24-8-10，比重也相对较高。不易受到外界压力的影响而发生变化，粉碎程度较低^［36-38］。

2.1.3　肥料颗粒吸湿性、含水率

从图2（a）可以看出，6种肥料的吸湿性变异范围从1.33%~12.30%，肥料的吸湿性存在显著差异。中颗粒尿素的吸湿率最低，仅为1.33%，显著低于其他5种肥料（P<0.05），表明其储存效果更好，不易受潮变形，利于长期存放；而15-15-15的吸湿率最高，达到12.30%，显著高于其他5种肥料，说明长期存放于无人机容易导致结块，或者不宜与其他肥料混合放置，否则导致结块；其他4种产品均略低于15-15-15，而大幅度高于中颗粒尿素。

从图2（b）中可以看出，6种肥料的含水率变异范围从0.04%~3.44%，其中3种尿素的含水率普遍低于3种复合肥。而3种尿素之间也有显著差异，小颗粒尿素含水率最低，达到0.04%，接近于0；大颗粒尿素的含水率0.15%，中颗粒尿素达到0.53%；15-15-15含水率最高，达到3.44%。

结合含水量与吸湿度来看，两者并不直接相关，3种尿素产品中含水率高的产品吸湿性并不一定高，反之亦然。例如中颗粒尿素含水量高于大颗粒尿素和小颗粒尿素，但其吸湿性却最低，说明吸湿性受环境影响较大，而不是其本身的含水量；其产品中含有高吸湿性物质可能是主要因素。但复合肥的吸湿度与含水量趋势一致，吸湿度高的肥料含水率也高。如15-15-15吸湿度最高，也易受潮变质^［39］。

2.1.4　肥料颗粒堆密度、球形度与休止角

从图3可知，6种肥料堆密度变化范围在65.36%~92.00%，其中复合肥高于尿素，而大颗粒尿素最低。球形度变异范围在87.00%~94.77%，差异不是很大，大颗粒尿素和中颗粒尿素显著高于其他4种产品，其他4种产品之间没有差异。而六种肥料的休止角之间存在较大差异，变异范围为22.12°~35.67°，最小的是小颗粒尿素，为22.12°，其次是15-15-15，为28.23°；其余4种产品没有差异。

在颗粒尿素中，球形度高的尿素，堆密度也高，成球率最大。球形度越高，成圆度好，越便于播撒^［37］。复合肥中，3种肥料的球形度与堆密度增长趋势吻合，肥料的球形度越高，其堆密度也越高。

休止角的大小与颗粒的流动性有关，休止角越小，其与无人机机壁的摩擦也越小，流动性越大，播撒效率越高。休止角与粉粒之间的黏附性有关，可以反映颗粒流动的难易程度，休止角小则流动性好。一般认为休止角α<30°时流动性很好，α>45°时流动性差^［23］。从图3（c）中可知，小颗粒尿素的休止角只有22.12°，是流动性最好的，其次是15-15-15的休止角<30°^［40］。

2.1.5　肥料理化性质的相关性分析

上述分析发现，肥料的8种物理性状之间有一些关系，但关系并不清晰。进一步分析了各个指标间的相关性发现，堆密度仅与球形度、含水率、休止角显著相关，其中与球形度呈正相关，而与含水率、休止角呈负相关（表3）。强度仅与休止角为显著正相关，与其他指标无相关性。球形度除过与堆密度正相关，也与含水率呈负相关。吸湿度与其他指标均不相关。对于含水量来说，堆密度与球形度与其呈显著性水平，为负相关。比重也与休止角呈正相关。休止角与堆密度呈负相关，却与含水量呈正相关（表3）。

2.2　肥料与无人机撒播适配性测定

2.2.1　不同飞行参数下各种肥料施肥均匀性的差异

2.2.1.1　飞行高度

试验将飞行速度控制到5 m/s，撒播盘转速控制到900 r/min，通过从2~6 m调整飞行高度进行不同肥料的撒肥均匀性差异验证。结果表明，每种肥料均匀度最大时的飞行高度均不同，大颗粒尿素在3 m时撒播均匀度可达84.37%，中颗粒尿素为4 m时可达83.26%，小颗粒尿素也为4 m时撒播均匀度可达78.98%。17-17-17复合肥在2~3 m时撒播均匀度最高，也仅达到78.25%，15-15-15在3 m时，撒播均匀度可达84.26%，而24-8-10复合肥却表现出在飞行高度4 m和6 m时撒播均匀度最高（图4）。

2.2.1.2　飞行速度

试验将飞行高度控制到4 m，撒肥盘转速控制到900 r/min，通过从3~7 m/s调整飞行速度进行不同肥料的撒肥均匀性差异验证。结果表明，每种肥料均匀度最大时的飞行速度均不同，3种尿素均在4 m/s的速度下达到80%以上的均匀性，速度过快均匀度会显著下降。17-17-17复合肥和15-15-15复合肥在各个速度下均可达到80%以上的撒播均匀性，但当速度控制到6 m/s时均匀性可达到90%以上。而24-8-10复合肥在3 m/s和4 m/s时撒播均匀性可达到90%以上（图5）。

2.2.1.3　无人机离心盘转速

试验将飞行高度控制在4 m，飞行速度控制到5 m/s，通过从500 r/min到1 300 r/min调整飞行的离心盘转速进行不同肥料的撒肥均匀性差异验证。结果表明，每种肥料均匀度最大时的离心盘转速均不同，大颗粒尿素在700 r/min时撒播均匀度可达82.34%，中颗粒尿素为900 r/min时可达81.42%，小颗粒尿素也为700 r/min时撒播均匀度可达82.23%。17-17-17复合肥在1 300 r/min时撒播均匀度最高，也仅达到77.69%，15-15-15在1 100 r/min时撒播均匀度可达80%以上，而24-8-10复合肥却表现出在700 r/min时撒播均匀度最高（图6）^［42-46］。

综合上述分析发现，每种肥料适宜的作业参数存在较大差异。虽然是在3种参数独立试验下获得，但仍可作为参考性作业指标。其中大颗粒尿素最佳飞行高度为3 m、飞行速度为4 m/s、离心盘转速为700 r/min；中颗粒尿素最佳飞行高度为4 m、飞行速度为4 m/s、离心盘转速为900 r/min。小颗粒尿素最佳飞行高度为4 m、飞行速度为4 m/s、离心盘转速为700 r/min。15-15-15最佳飞行高度为3 m、飞行速度为6 m/s、离心盘转速为1 100 r/min。17-17-17最佳飞行高度为2~3 m、飞行速度为6 m/s、离心盘转速为1 300 r/min。24-8-10最佳飞行高度为4和6 m、飞行速度为3 m/s、4 m/s、离心盘转速为700 r/min（表4）。

2.3　肥料物理性状与施肥均匀性的关系

为了明确影响施肥均匀度的肥料物理形状指标，我们用6种肥料的8个指标分别与均匀度建立相关关系。由表4可知，肥料的均匀度与比重、休止角、堆密度的相关性最大，分别为0.576、0.576和0.495，相关性较为显著。而且都是正相关，说明比重与堆密度越大的肥料，其肥料的均匀度略高。休止角越大均匀性越好。

由表5可知，施肥的均匀度受这几种因素的影响，而这几种因素也在互相关联。施肥均匀度与强度和堆密度显著相关，且都呈正相关。肥料的强度越大，其排肥均匀度越大；堆密度越大，其肥料的施肥均匀度越大，效果越好。其他的理化性质中，休止角与含水量对施肥均匀度呈显著相关，呈正相关。休止角越大，其肥料的施肥均匀度相对越大。

3　讨论

3.1　不同肥料的物理性状差异

肥料的造粒工艺、养分配比等均会影响肥料的物理性状^［47-48］。在本研究中选用的6种肥料可将其分为尿素和复合肥两类，两类肥料的造粒工艺均为转鼓工艺，因此，尿素间的物理性状差异源于粒径分布，而复合肥的物理性状差异可能源于原料选择及养分配比。

在本研究中，大、中、小颗粒尿素的粒径分布各不相同，大颗粒尿素有60.13%集中在3~4 mm，中颗粒尿素有63.27%集中在2~3 mm，而小颗粒尿素有85.87%集中在1~2 mm，相对应的颗粒强度分别为31.44、26.70和5.90 N，说明本研究中尿素的粒径大小影响颗粒强度，粒径越大颗粒强度越高，这与蔡沛辰等^［49］研究结果相似。尿素的球形度与堆密度密切相关，球形度越高，堆密度越高，成圆度好，越便于播撒，而球形度与含水率、休止角呈负相关，休止角与强度呈正相关，这与王宏伟^［50］的研究相似。

3种复合肥的粒径分布中各不相同，15-15-15有55.93%集中在2~3 mm，17-17-17有51.63%集中在2~3 mm，而24-8-10有38.63%集中在2~3 mm，其强度大小分别为60.04、54.32和34.31 N，15-15-15与17-17-17的强度接近，比重也几乎相同，15-15-15的吸湿性达到12.30%，17-17-17在9.35%。复合肥的吸湿度与含水量趋势一致，吸湿度高的肥料含水率也高。这与张卫青等^［51］研究相似。

复合肥与大、小、中颗粒尿素，这两类肥料的理化性质各不相同，含水量高的颗粒尿素，吸湿度不一定高，但复合肥的含水量与吸湿度相关。肥料的材料不同，其理化性质存在一定差异。

3.2　肥料物理性状对施肥均匀度的影响

本研究发现，6种肥料中，其颗粒粒径越大，排肥效果越好，且肥料强度越大，易粉碎程度越低，其排肥均匀度越高，这与都鑫等^［52］的研究结果相似。此外，肥料理化性质中的堆密度也与排肥均匀度密切相关。研究指出堆密度的大小通过影响肥料在料箱中的下肥速度，进而影响排肥的均匀度。本研究通过调节不同转速也发现了相似的现象，例如17-17-17肥料在高转速下施肥均匀度较高，而颗粒尿素在转速低的情况下施肥均匀度较高，这很可能就是肥料自身的堆密度特性所致。关于肥料休止角对施肥均匀度的影响已经有了普遍认识，在无人机飞行速度较大的情况下，会严重影响肥料的飞行轨迹，此时选择休止角大的肥料比较适合。原因在于如果肥料休止角较小，代表其流动性较好，而流动性越好的肥料受飞行速度的影响更大，飞行速度越快，小颗粒尿素的排肥均匀度越低^［53］。但在无人机飞行速度较低的情况下应选择休止角较小的肥料，因为此时休止角大于30°的肥料流动性不高，进而影响施肥均匀度。肥料比重也与肥料排肥均匀度密切相关，因为肥料比重与强度密切相关，强度与球形度具有一定的关系。在肥料撒施过程中，比重大的肥料其球形度高，且强度大，不易挤压粉碎，不易发生离心盘堵塞而带来撒播困难、无法正常播撒的情况。15-15-15与17-17-17在各参数调整的过程中，更易达到80%的排肥均匀度，可能与其具有较高的强度和比重相关，这与徐春保等^［54］的研究有相似之处。

4　结论

本研究中6种肥料的理化性质存在明显差异，肥料的强度、比重、堆密度与播撒均匀度关系密切。研究初步得出15-15-15播撒效果表现最好，小颗粒尿素的吸湿性、含水率和休止角表现最低。不仅如此，同种肥料的物理性状也存在极大变异，例如6种肥料的吸湿性、含水率、堆密度和休止角均存在较大变异。

肥料颗粒理化性质与无人机施肥均匀性密切相关，其中比重、休止角及堆密度等指标是关键因素。不同肥料适配的最优参数不同，在本研究的飞行条件下，15-15-15 在4 m飞行高度、5 m/s 飞行速度，1 100 r/min转速下播撒均匀度最高，相较于颗粒肥料，复合肥的均匀度相对更好，撒肥量更大，变异系数较小。

本研究的飞行参数设计初步得出几种肥料在不同参数下的播撒效果，关于肥料的无人机适配和精准排肥还需要进一步的探讨研究。

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基金资助

支撑华北绿色超吨粮的高效功能肥料创制与应用项目(PC2023A02001)

巢湖面源污染关键技术研究项目（二期）(1031-69194009)