CN117147218B - 一种车载式土壤自动采集装置及测土配方施肥方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载式土壤自动采集装置及测土配方施肥方法，用于测土配方施肥、土壤监测和耕地地力调查，为播种施肥阶段提供依据。包括支撑机构、采土装置、存土装置。所述支撑机构包括支撑架、直线导轨；所述采土装置包括固定板、液压缸缸体、液压缸活塞杆、双耳结构、盘式铰接件、T型移动杆、压缩弹簧、连杆机构、轮辐式铰接座、环刀连接件、环刀；所述存土装置包括滑道、滑板、存土容器、驱动轮、关节轴承、二维码标签。装置通过安装在拖拉机上采集土样，实现自动化采土、存土，便于拆卸，容易操作，满足大规模采土需求，同时降低劳动强度，提高采样效率，该方法可有效提高农户科学种植水平，进一步提高生产率。
Description
技术领域
本发明属于土壤采集及环境检测技术领域，涉及一种车载式土壤自动采集装置及测土配方施肥方法。
背景技术
土壤样品采集及其理化性质分析广泛应用于环境科学、地理学、生态学、农学等多个学科领域的科学研究以及工农业生产实践中。施肥是满足农作物生长的必要环节，为保证施肥的合理性和科学性，需要掌握土壤的情况，对其化验和分析后，合理配方施肥，因此土壤采集和检测是农作物播种和施肥前的必要阶段。土壤样品采集的质量直接影响后续理化性质分析的结果，土壤取样是从事土壤和生态研究科技工作的重要基础性工作之一，而土壤取样器则是测土配方施肥、土壤监测和耕地地力调查与质量评价项目中土壤采样的专用工具。土壤深度 20 厘米，称为土壤表层，表层土壤是大多数农作物根系、普遍草地根系的主要分布土层，也是农业生产耕作层、草原播种层，因此采集土样时，通常只需采集表层土壤。
我国土壤采样方式以人工采集土样为主，存在劳动强度大，采集效率低，在面积较大的农田或草原中，人工采集方式难以实现，研究一种便于安装在拖拉机上的自动化采土装置，对于农业实际生产中，存在必要需求。目前车载式采样机可提高采集效率，但结构复杂，能耗较高，且主要用于采样深度较大的实际生产中。本发明的目的在于依托于拖拉机等运输工具，实现自动化土样采集、存储，提高采样效率。
现阶段小规模家庭经营是主要农业体系，然而由于大多数农户受到的专业的种植知识较少，多数农户根据自身经验种植，因此小农户与现代农业的有机结合，可以通过科学种植策略指导小农户种植，同时避免农户为增产过度施肥造成的环境污染，研究一种测图配方施肥的方法。
发明内容
本发明的目的是：为解决在面积较大的农田或草原中，人工采集土样方式，劳动强度大，采集效率低的问题，提供一种车载式土壤自动采集装置，可实现自动化土样采集与取出，该装置大大提高采样效率，另外提供一种适配于车载式土壤自动采集装置的测图配方施肥方法，可配合所述采样装置使用，提高农户科学种植水平，操作简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种车载式土壤自动采集装置，包括支撑结构1、采土装置2、存土装置3，所述支撑结构1包括支撑架101、直线导轨102，直线导轨102设置于支撑架101的顶部横梁1013上，所述直线导轨102包括滑块1021、滑轨1022，且滑块1021设于滑轨1022上，所述采土装置2包括固定板201、液压缸缸体2021、液压缸活塞杆2022 、双耳结构2023、盘式铰接件2024、T型移动杆203、压缩弹簧204、连杆机构205、轮辐式铰接座206、环刀连接件207、环刀208，所述固定板201与所述滑块1021螺栓连接，在所述滑轨1022上可前后移动位置，所述液压缸缸体2021连接于固定板201底部，液压缸缸体2021两侧固定连接有双耳结构2023，液压缸缸体2021下部滑动连接有液压缸活塞杆2022，所述液压缸活塞杆2022底部固定连接盘式铰接件2024，所述盘式铰接件2024与其下部的连杆机构205铰接，所述T型移动杆203延伸出双耳结构2023与轮辐式铰接座206固定连接，T型移动杆203的顶部内侧与压缩弹簧204同轴嵌套，压缩弹簧204与双耳结构2023的上表面抵接，在土壤采样时，所述压缩弹簧204起到间接控制环刀208开合运动和轴线方向移动的先后顺序的作用，所述环刀连接件207上部与连杆机构205铰接，环刀连接件207下部与环刀208固定连接，环刀连接件207的折角位置与轮辐式铰接座206铰接。
优选的，所述存土装置3位于支撑架101的底部支撑板1012上，包括滑道301、滑板302、存土容器303、驱动轮304、关节轴承305、二维码标签306，所述滑道301在支撑板1012上呈“E”形排布，增加与存土容器303的安装位置，同时减小存土装置的尺寸，所述滑道301侧面为“工”字形，其顶板和底板突出，底板通过螺栓连接固定在支撑板1012上，滑板302上部固定有定位轴3021，滑板302上部还设有限位卡槽3025，滑板302底部安装有滑轮3022，滑板302侧面设置有单边从动滚轮3023和滚轮底座3024，所述滑板302之间通过定位轴3021和关节轴承305连接，定位轴3021与关节轴承305配合转动连接，所述驱动轮304转动设置于支撑板1012上，用于带动单边从动滚轮3023转动，驱动轮304通过与滑板302上的单边从动滚轮3023匹配，带动滑板302移动，所述滑轮3022侧表面中间有凹陷部分，其凹陷部分与滑道301顶板侧面接触，在滑道301顶板上移动，所述存土容器303通过在其上部设置的限位板3031可拆卸地插入在滑板302上，在存放土样时，所述驱动轮304带动滑板302移动，使土样落入对应的存土容器303中。
优选的，所述支撑架101通过悬挂大臂1015和悬挂侧拉杆1016三点悬挂安装于拖拉机，T型移动杆203与双耳结构2023之间有直线轴承或者无油衬套，使T型移动杆203在双耳机构内部稳固移动，减小磨损。
优选的，所述存土容器303上贴有二维码标签306，所述存土容器303的限位板3031插进滑板302的限位卡槽3025中，并通过磁吸连接固定，防止拖拉机行进过程中存土容器303脱离滑板；所述限位板3031上还设有限位卡扣3032、弹簧3033，限位卡扣3032中间固定有弹簧3033，所述限位卡槽3025上设有限位孔，存土容器303与滑板302为可拆卸连接方式，限位板3031插进限位卡槽3025时，限位卡扣3032插入限位孔中进行固定；所述存土容器303中设有限位器，用于增大存土容器与土样的摩擦，固定土壤位置。
优选的，还包括一种使用车载式土壤自动采集装置的方法，包括如下步骤：
S1、将车载式土壤自动采集装置通过所述支撑架101安装于拖拉机，采样前，将包含计划采样点具体位置、采样深度的信息的二维码标签306贴于所述存土容器303中，将所述存土容器303按照采样点的位置和采集顺序连接在滑板302上，设定第一个采土点的存土容器303的位置在液压缸的初始位置下边对应的滑板302上；
S2、控制执行元件，到达指定采样点，采土装置2在直线导轨102上向前移动至采样点且不与支撑板1012碰撞，具体包括：采样时，通过所述滑块1021水平移动，带动采土装置2的向前移动，通过所述液压缸活塞杆2022伸出调节所述连杆机构205的角度，实现环刀208闭合，液压缸活塞杆2022继续伸出带动环刀208向下取土；采样后，完全伸入土中的环刀208在液压缸活塞杆2022回程和压缩弹簧204恢复形变的驱动下，环刀208从土壤伸出，环刀208保持闭合；液压缸活塞杆2022继续回缩，通过连杆机构205打开环刀208，土样从环刀208中落入对应的存土容器303中，所述压缩弹簧204控制所述T型移动杆203的升降，间接实现环刀208开合和移动的顺序调节；
S3、到达下一采样点前，控制所述存土装置3移动，具体包括：通过所述驱动轮304带动滑板302在滑道301上转动，所述滑板302带动下一个存土容器303移动至指定位置；
S4、利用采土装置2和存土装置3实现多采样点土壤样品的自动采集，取样后，将存放土样的存土容器303送至检测，扫描存土容器的二维码信息，将土样位置信息与得到的土壤检测数据对应，并上传至云端服务器。
S5、根据测得不同采样点的土壤营养成分数据，知识库系统自动推荐给农户不同地块区域的最佳施肥策略，包括肥料种类、是否与其他肥料混合使用、施肥量、以及肥料的具体使用方法，同时可推荐给农户种植种类，农户也可以根据确定的种类调节施肥策略。
本发明所述的车载式土壤自动采集装置，通过所述的支撑架安装于拖拉机上，拖拉机通过导航，驱车到达指定采样点。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.通过一个液压伸缩装置与弹簧配合实现环刀的在特定阶段的开合和采样。
2.本发明是一种依托于拖拉机的自动采集、存储于一体的土壤采样装置，其安装方式简单，操作简单，可代替传统人工采集方式，针对大面积农田、草原的采集需求，降低劳动强度。另外提供一种适配于车载式土壤自动采集装置的土壤采样方法，与所述采样装置配合使用，提高农户科学种植水平，简化后续土壤检测环节。
附图说明
图1是本发明车载式土壤自动采集装置的结构示意图；
图2是采土装置的采集土样时的结构示意图；
图3是采土装置的放置土样时的结构示意图；
图4是本发明环刀和环刀连接件的结构示意图；
图5是本发明驱动轮和滑板的俯视图；
图6是本发明滑板的局部放大视图；
图7是本发明滑板的结构示意图；
图8是本发明存土容器的仰视剖视图。
其中的附图标记为：
1支撑结构
101 支撑架1011支撑柱 1012支撑板 1013横梁 1014加强筋 1015悬挂大臂 1016悬挂侧拉杆 102 直线导轨 1021滑块 1022滑轨
2采土装置
201固定板 2021液压缸缸体 2022液压缸活塞杆 2023双耳结构 2024盘式铰接件203T型移动杆 204压缩弹簧205连杆机构206轮辐式铰接座 207环刀连接件208环刀
3存土装置
301滑道302滑板 3021定位轴 3022 滑轮 3023单边从动滚轮 3024滚轮底座3025限位卡槽 303存土容器 3031限位板 3032 限位卡扣 3033弹簧304驱动轮 305关节轴承 306二维码标签
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：
参照附图，一种车载式土壤自动采集装置，其结构主要包括支撑机构1、在所述支撑结构上设有采土装置2、存土装置3；
所述支撑结构1包括支撑架101、直线导轨102，所述直线导轨102包括滑轨1022、滑块1021，且滑块1021设于滑轨1022上。所述支撑架101包括支撑柱1011、支撑板1012、横梁1013、加强筋1014、悬挂大臂1015、悬挂侧拉杆1016，所述支撑架101通过悬挂大臂1015与悬挂侧拉杆1016与拖拉机配套连接，所述拖拉机通过车载导航，驱车到达指定采样点。所述滑轨1022固定安装在横梁1013上，所述横梁1013起到支撑所述采土装置2的作用。所述支撑板1012起到支撑所述存土装置3的作用。
所述的采土装置2，其结构主要包括固定板201、液压缸缸体2021、、液压缸活塞杆2022 、双耳结构2023、盘式铰接件2024、T型移动杆203、压缩弹簧204、连杆机构205、轮辐式铰接座206、环刀连接件207、环刀208，所述固定板201与所述滑块1021螺栓连接，在所述滑轨1022上可前后移动位置，所述液压缸缸体2021两侧固定连接有双耳结构2023，所述液压缸活塞杆2022 底部固定连接盘式铰接件2024，所述盘式铰接件2024与连杆机构205铰接，所述T型移动杆203延伸出双耳机构2023与轮辐式铰接座206固定连接，T形移动杆203的内侧与压缩弹簧204同轴嵌套，压缩弹簧204与双耳结构2023的上表面抵接，在土壤采样时，所述压缩弹簧204起到间接控制环刀208开合运动和轴线方向移动的先后顺序的作用，所述环刀连接件207)上部与连杆机构205铰接，且环刀连接件207 下部与环刀208固定连接，环刀连接件207的折角位置与轮辐式铰接座206铰接。
所述的存土装置3位于支撑架101上，其结构主要包括滑道301、滑板302、存土容器303、驱动轮304、关节轴承305、二维码标签306，所述滑道301为“工”字形，其中顶板和底板突出，底板通过螺栓连接固定在支撑板101上，所述滑板302其结构主要包括滑板302上部固定有定位轴3021、滑板302上部还设有限位卡槽3025、滑板302底部安装有滑轮3022、滑板302侧面设置有单边从动滚轮3023和滚轮底座3024，所述滑板302之间通过定位轴3021和关节轴承305连接，所述驱动轮304带动单边从动滚轮3023转动，所述滑轮3022侧表面中间有凹陷部分，其凹陷部分与滑道301顶板侧面接触，在滑道301顶板上移动，所述存土容器303上还设有限位板3031可拆卸地插入在滑板302上。
见图5，在存放土样时，驱动轮304通过与滑板302上的单边从动滚轮3023匹配，带动滑板302移动，使土样落入对应的滑板302上固定的存土容器303中。单边从动滚轮可以轴向转动，较少与驱动轮的磨损。
见图6、图7，滑板302上部固定有定位轴3021与关节轴承305转动连接，滑板302之间相互带动，同时关节轴承305可调整不同角度，方便在弯道部分顺畅通过。滑板302底部的滑轮3022侧表面为凹陷结构，其凹陷位置与滑道301顶板接触，从而使滑轮在滑道上移动。
所述存土容器303的限位板3031插进滑板302的限位卡槽3025，通过磁吸连接固定，防止拖拉机行进过程中存土容器303脱离滑板。
所述T型移动杆203与双耳机构2023之间有直线轴承或者无油衬套，使T型移动杆203在双耳机构2023内部稳固移动，减小磨损。
所述滑道301为“E”形滑道，增加与存土容器的安装位置，同时减小存土装置的尺寸。
所述存土容器305上贴有二维码标签306，所述的二维码标签306，包含预先设定好的土壤采样点的位置信息、采样深度等信息，在采样前，有二维码生成器生成，并贴于所述存土容器305。
工作过程：
结合附图，使用时，通过车载导航，驾驶拖拉机到达指定采样点，控制采土装置和存土装置开始运动。
首先，控制存土装置3的驱动轮304转动固定的角度，带动滑板302在滑道301上移动，从而使位于滑板302上的存土容器305到达指定位置，等待采土装置将土样排出。
然后，伸入土壤采集土样时，滑块1021带动采土装置2向前移动至采样点，液压缸活塞杆2022伸出，通过连杆机构205闭合环刀208，液压缸活塞杆2022杆继续伸出，连杆机构205移动到极限位置，带动T型移动杆203、轮辐式铰接座206和环刀208向下运动，伸入土壤，采集土样。在采土过程中，压缩弹簧204克服形变时的作用力，保证先闭合环刀208，再使T型移动杆203、轮辐式铰接座206和环刀208向下运动。当需要取出土样时，完全伸入土中的环刀208在液压缸活塞杆2022回程和压缩弹簧204恢复形变的驱动下，T型移动杆203、轮辐式铰接座206和环刀208向上移动，环刀208从土壤伸出，同时环刀208保持闭合，滑块1021带动采土装置2向后移动至与对应存土容器305的正上方，液压缸活塞杆2022继续运动，通过连杆机构205打开环刀208，土样从环刀208中落入存土容器305。
实施例2：
与实施例1和2相比，其不同地方在于：所述的存土容器303上的限位板3031中还设有限位卡扣3032和弹簧3033，弹簧3033安装于两个限位卡扣3032之间，存土容器303与滑板302连接，限位板3031插入限位卡槽3025时，限位卡扣3032插进限位卡槽3025上的限位孔，在拖拉机行进过程中，用于稳定存土容器的位置。
实施例3：
与实施例1和2相比，其不同地方在于：在所述的存土容器303中设有限位器，如弹簧片，在拖拉机移动过程中，用于增大存土容器与土样的摩擦，固定土样位置。
实施例4：
参照附图，一种适配于所述的车载式土壤自动采集装置的土壤采样方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、将车载式土壤自动采集装置，通过所述支撑架101安装于拖拉机，采样前，将包含计划采样点具体位置、采样深度等信息的二维码标签306贴于所述存土容器303中，将所述存土容器(303)按照采样点的位置和采集顺序连接在滑板302，设定好第一个采土点的采土容器(303)位置在液压缸的初始位置下边对应的滑板302上；
S2、控制各执行元件，到达指定采样点，采土装置2在直线导轨102上向前移动至采样点且不与支撑板1012碰撞，具体包括：采样时，通过所述滑块1021水平移动，带动采土装置2的向前移动，通过所述液压缸活塞杆2022调节所述连杆机构205角度，实现环刀208闭合，液压缸活塞杆2022继续伸出带动环刀208向下取土；采样后，完全伸入土中的环刀208在液压缸活塞杆2022回程和压缩弹簧204恢复形变的驱动下，环刀208从土壤伸出，液压缸活塞杆2022继续回缩，通过连杆机构205打开环刀208，土样从环刀208中落入对应的存土容器303中。所述压缩弹簧204控制所述T型移动杆203的升降，间接实现环刀208开合和移动的顺序调节；
S3、到达下一采样点前，控制所述存土装置3移动，具体包括：通过所述驱动轮304带动滑板302在滑道301上的转动，所述滑板带动下一个存土容器303移动至指定位置；
S4、利用采土装置2和存土装置3实现多采样点土壤样品的自动采集，取样后，将存放土样的存土容器303送至检测，扫描存土容器的二维码信息，将土样位置信息与得到的土壤检测数据对应，并上传至云端服务器。
S5、根据测得不同采样点的土壤营养成分数据，知识库系统自动推荐给农户不同地块区域的最佳施肥策略，包括肥料种类、是否与其他肥料混合使用、施肥量、以及肥料的具体使用方法，同时可推荐给农户种植种类，农户也可以根据确定的种类调节施肥策略。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (4)
1.一种车载式土壤自动采集装置，其特征在于，包括支撑结构(1)、采土装置(2)、存土装置(3)，所述支撑结构(1)包括支撑架(101)、直线导轨(102)，直线导轨(102)设置于支撑架(101)的顶部横梁(1013)上，所述直线导轨(102)包括滑块(1021)、滑轨(1022)，且滑块(1021)设于滑轨(1022)上，所述采土装置(2)包括固定板(201)、液压缸缸体(2021)、液压缸活塞杆(2022) 、双耳结构(2023)、盘式铰接件(2024)、T型移动杆(203)、压缩弹簧(204)、连杆机构(205)、轮辐式铰接座(206)、环刀连接件(207)、环刀(208)，所述固定板(201)与所述滑块(1021)螺栓连接，在所述滑轨(1022)上可前后移动位置，所述液压缸缸体(2021)连接于固定板(201)底部，液压缸缸体(2021)两侧固定连接有双耳结构(2023)，液压缸缸体(2021)下部滑动连接有液压缸活塞杆(2022)，所述液压缸活塞杆(2022)底部固定连接盘式铰接件(2024)，所述盘式铰接件(2024)与其下部的连杆机构(205)铰接，所述T型移动杆(203)延伸出双耳结构(2023)与轮辐式铰接座(206)固定连接，T型移动杆(203)的顶部内侧与压缩弹簧(204)同轴嵌套，压缩弹簧(204)与双耳结构(2023)的上表面抵接，在土壤采样时，所述压缩弹簧(204)起到间接控制环刀(208)开合运动和轴线方向移动的先后顺序的作用，所述环刀连接件(207)上部与连杆机构(205)铰接，环刀连接件(207)下部与环刀(208)固定连接，环刀连接件(207)的折角位置与轮辐式铰接座(206)铰接；所述存土装置(3)位于支撑架(101)的底部支撑板(1012)上，包括滑道(301)、滑板(302)、存土容器(303)、驱动轮(304)、关节轴承(305)、二维码标签(306)，所述滑道(301)在支撑板(1012)上呈“E”形排布，所述滑道(301)侧面为“工”字形，其顶板和底板突出，底板通过螺栓连接固定在支撑板(1012)上，滑板(302)上部固定有定位轴(3021)，滑板(302)上部还设有限位卡槽(3025)，滑板(302)底部安装有滑轮(3022)，滑板(302)侧面设置有单边从动滚轮(3023)和滚轮底座(3024)，所述滑板(302)之间通过定位轴(3021)和关节轴承(305)连接，定位轴（3021）与关节轴承（305）配合转动连接，所述驱动轮(304)转动设置于支撑板(1012)上，用于带动单边从动滚轮(3023)转动，驱动轮（304）通过与滑板（302）上的单边从动滚轮（3023）匹配，带动滑板（302）移动，所述滑轮(3022)侧表面中间有凹陷部分，其凹陷部分与滑道(301)顶板侧面接触，在滑道(301)顶板上移动，所述存土容器(303)通过在其上部设置的限位板(3031)可拆卸地插入在滑板(302)上的限位卡槽(3025)内，在存放土样时，所述驱动轮(304)带动滑板(302)移动，使土样落入对应的存土容器(303)中。
2.根据权利要求1所述的车载式土壤自动采集装置，其特征在于，所述支撑架(101)通过悬挂大臂(1015)和悬挂侧拉杆(1016)三点悬挂安装于拖拉机，T型移动杆(203)与双耳结构(2023)之间有直线轴承或者无油衬套，使T型移动杆(203)在双耳机构内部稳固移动，减小磨损。
3.根据权利要求2所述的车载式土壤自动采集装置，其特征在于，所述存土容器(303)上贴有二维码标签(306)，所述存土容器(303)的限位板(3031)插进滑板(302)的限位卡槽(3025)中，并通过磁吸连接固定，防止拖拉机行进过程中存土容器(303)脱离滑板；所述限位板(3031)上还设有限位卡扣(3032)、弹簧(3033)，限位卡扣(3032)中间固定有弹簧(3033)，所述限位卡槽(3025)上设有限位孔，存土容器(303)与滑板(302)为可拆卸连接方式，限位板(3031)插进限位卡槽(3025)时，限位卡扣(3032)插入限位孔中进行固定；所述存土容器(303)中设有限位器，用于增大存土容器与土样的摩擦，固定土壤位置。
4.一种使用如权利要求3所述的一种车载式土壤自动采集装置的测土配方施肥方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将车载式土壤自动采集装置通过所述支撑架(101)安装于拖拉机，采样前，将包含计划采样点具体位置、采样深度的信息的二维码标签(306)贴于所述存土容器(303)中，将所述存土容器(303)按照采样点的位置和采集顺序连接在滑板(302)上，设定第一个采土点的存土容器(303)的位置在液压缸的初始位置下边对应的滑板(302)上；
S2、控制执行元件，到达指定采样点，采土装置(2)在直线导轨（102）上向前移动至采样点且不与支撑板(1012)碰撞，具体包括：采样时，通过所述滑块(1021)水平移动，带动采土装置(2)的向前移动，通过所述液压缸活塞杆(2022)伸出调节所述连杆机构(205)的角度，实现环刀(208)闭合，液压缸活塞杆(2022)继续伸出带动环刀(208)向下取土；采样后，完全伸入土中的环刀(208)在液压缸活塞杆(2022)回程和压缩弹簧(204)恢复形变的驱动下，环刀(208)从土壤伸出，环刀(208)保持闭合；液压缸活塞杆(2022)继续回缩，通过连杆机构(205)打开环刀(208)，土样从环刀(208)中落入对应的存土容器(303)中，所述压缩弹簧(204)控制所述T型移动杆(203)的升降，间接实现环刀(208)开合和移动的顺序调节；
S3、到达下一采样点前，控制所述存土装置(3)移动，具体包括：通过所述驱动轮(304)带动滑板(302)在滑道(301)上转动，所述滑板(302)带动下一个存土容器(303)移动至指定位置；
S4、利用采土装置(2)和存土装置(3)实现多采样点土壤样品的自动采集，取样后，将存放土样的存土容器(303)送至检测，扫描存土容器的二维码信息，将土样位置信息与得到的土壤检测数据对应，并上传至大数据库；
S5、根据所测得的不同采样点的土壤营养成分数据，大数据库系统自动推荐给农户不同地块区域的最佳施肥策略，同时推荐给农户种植种类、种植时间。
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