我国耕地面积占全球的9%,但却消耗了全球30%的化肥,化肥单位面积均使用量远高于世界上其他国家。化肥利用率低,稻田氮肥吸收利用率为30%~35%,而发达国家的肥料利用率比我国高10%。针对肥料利用率低的问题,本文设计了一种气流式分层施肥系统,该系统能将水稻整个生长期所需的肥料一次分层施入地中,以保证水稻前期、中期和后期生长养分的供给,并进行了田间性能试验。主要研究成果如下:1)对肥料物理特性进行了研究。测定了水稻生产中常用的4种复合肥相关的物理特性。挪威雅苒复合肥,肥料粒径1.5-4mm大于90%,堆积密度为834g/L,滑动角为23.5°;加利禾缓控肥,肥料粒径2-3mm大于90%,堆积密度为870g/L,滑动角为23.8°;海岛水稻专用肥,肥料粒径3-4mm大于90%,堆积密度为845g/L,滑动角为24.9°;万谷颗粒复合肥,肥料粒径2-3mm大于90%,肥料堆积密度为850g/L,滑动角为23.9°,并依据测定结果设计了肥料箱。2)设计了一种气流式分层施肥分配系统。根据水稻生长农艺要求,提出了一种分层施肥方式,确定了浅层和深层施肥位置和施肥量。播种时在水稻播种沟侧同步开一条浅层施肥沟,沟深4cm,距离播种沟5cm,浅层施肥量约为总施肥量的40%,在两条水稻播种沟中间同步开一条深层施肥沟,沟深8cm,深层施肥量约为总施肥量的60%。浅层施肥量和深层施肥量可根据实际需要调整。采用分层施肥方式可为水稻苗期、中期和后期均衡提供养分。在此基础上对气流式分层施肥系统进行了设计,通过肥料悬浮试验和起动试验,确定了气流输肥的最小风速。通过分析,确定气流输肥管道内径为38mm,同时,确定了本系统风机型号及相关参数。用SolidWorks simulation对气流肥料混合器变截面处不同截面高度时进肥口负风速和气流肥料混合出口处的负压进行了仿真分析,仿真结果表明,气流肥料混合器变截面处截面高度为20mm时能满足本系统对气流肥料混合器的要求,通过试验设计验证了仿真分析结果。3)对影响气流式分层施肥系统的6个因素进行了单因素试验,试验结果表明:系统风速、施肥管道长度、肥料含水率和亩施肥量均对施肥效果有影响,其中影响较显著的是系统风速、亩施肥量和施肥管道长度。通过单因素试验可知,系统风速为16m/s~20m/s,施肥量为30~60kg/亩,施肥管道长为50cm~150cm时,气流式分层施肥系统能够正常工作,且深层施肥量与浅层施肥量的比例的误差较小。选取影响较为显著的3个因素进行了正交试验,试验结果表明:对分层施肥分配器效果的影响顺序为系统风速>施肥管长>施肥量,确定最优方案为:风速为20m/s,施肥量为50kg/亩,排肥管长度为50cm。4)研制了分层施肥开沟器。确定了以异位分层施肥开沟器作为本系统的分层施肥开沟器,其中浅层施肥采用船形铲式开沟器,深层施肥采用芯铧式开沟器。对分层施肥开沟器进行了田间试验,试验结果表明,分层施肥开沟器的开沟深度和距离水稻行的水平距离满足设计要求。5)对气流式分层施肥系统进行了田间性能试验。深层施肥量与浅层施肥量比例稳定性田间试验结果表明:浅层施肥量与深层施肥量比例误差大于台架试验时的误差,但总体误差较小。施肥断条情况试验结果表明:在排肥器正常作业的情况下,亩施肥量为30kg~60kg,系统风速为16m/s~20m/s时,没有出现施肥断条情况。