果園施肥機關鍵技術研究現狀與展望

李同璽，張猛強，牛 浩，何義川，蘭海鵬

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

開溝施肥是果園施肥的主要形式和關鍵環節，分析開溝施肥機械開溝、變量施肥、覆土等關鍵技術的特點和現狀，圍繞施肥關鍵技術存在的問題探索并提出合理化的建議有利于農業機械的發展和提高林果業生產管理質量。吉林大學孫會彬設計的開溝機械雖然實現了結構的創新，但由于在設計過程中偏置導致的力矩增加等問題，整機的工作效率仍有待提高[1]。白秋薇等研究的精準變量系統技術能夠覆蓋作物成長的不同階段，但施肥量的誤差和變異系數仍需進一步優化[2]。劉德江等人研制的復式作業機結構緊湊、調試方便，但是不能適應不同土壤環境，土壤含水量高會導致鎮壓器壓土量不足和粘土等問題[3]。因此，優化作業參數，提高機具的工作效率及穩定性和適用性是當前研究的重點。

1 施肥機開溝技術研究現狀

1.1 國外施肥機開溝技術研究現狀

開溝技術在林果業生產中被廣泛應用[4]。歐美發達國家對果園開溝施肥機的研究相對較早[5]，其技術也相對成熟。自上世紀中葉以來，已逐漸實現了從人工果園經營向機械化果園經營的轉變。歐美開溝機械按照功率不同主要分為大型開溝機和小型開溝機[6]。國外應用于林果業的開溝機普遍采用75kW 以下的小型開溝機。美國凱斯公司生產的CASE860型鏈式開溝機[7]為了滿足開溝的深度要求，在上一代機型的基礎上將速度和扭矩進行最優化配比，采用低速大扭矩的方式，在提高整機生產力的同時確保了刀具壽命。此類開溝機結構簡單，整機的穩定性和作業效率得到提升。俄羅斯生產的aTy-161型開溝機[8]在農業生產作業中得到了認可和應用，該機具可以提供充足的作業動力，開溝深度達1600mm、寬度達200～400mm。

1.2 國內施肥機開溝技術研究現狀

國內開溝技術在林果業上的運用起步較晚[9]，目前圓盤式開溝機在林果業生產中使用較多。阿布里孜·巴斯提等[10]研制的1FK-40 型偏置式果園開溝施肥機初步實現了一體化作業，可同步完成開溝和施肥作業，施肥調節閥門可根據施肥需求量的多少進行調節與控制，但在大規模作業中效率不高。何義川等[11]研制了2FK-40 型果園開溝施肥機械，該機采用偏置開溝裝置，在工作過程中能夠保持開溝深度達到30～40 cm，使植物根部得到保護，該機可以適應果園的開溝施肥作業要求，但機具未能進入實際生產。王鐵新等[12]研制的MX1500 雙圓盤開溝機適用于大規模作業，作業效率高，但機具便捷靈活度不足，機具功率損耗較高。

國內果園開溝施肥機具的適應性有待提升，主要原因是當前我國現有機械和開溝機具受地理條件制約很難保證路線不出偏差，機具功率損耗較高。

2 變量施肥技術研究現狀

目前，傳統的施肥方式已經不能滿足大型林果業種植需求，變量施肥技術作為精準農業的核心打破了固有傳統，可綜合土壤肥力和作物需求進行系統地定時、定位、按需施肥。

2.1 國外變量施肥技術研究現狀

當前國外變量施肥機能夠綜合變量施肥、分層施肥等多種功能并結合土壤特性和病蟲害情況進行精準施肥。美國的John Deere 公司的Green Star 系統能夠充分利用傳感器等儀器控制施肥量[13]。日本的TABATA 公司設計的變量施肥機以外槽輪作為排肥機構，通過行進速度和外槽輪轉速控制變量，施肥準確率達95%。Rawson 研發的ACCU-RATE 控制系統可以控制液態或者固態化的變量施肥。美國CASE 公司設計的輸送式施肥播種機利用自主設計的AFS 系統控制變量施肥。AgGPS170 田間計算機[14-15]綜合田間信息管理解決方案，與AgGPS接收機、導航系統及Autopilot 相結合，能在控制變量的同時實現導航和土壤取樣等多種功能，此項研究使變量施肥技術研究更加系統化。

2.2 國內變量施肥技術研究現狀

國內在上世紀末開始研究變量施肥，目前發展迅速。萬偉紅等[16]研制的新式專用施肥機采用雙攪龍葉片，實現了排肥量的精準控制，肥料和土壤的混合效果更好，肥料利用率更高。陳桂芬等[17]研制的2BAF-6 型播種機在原有的施肥機中加入了“3S”技術和農業生產專家系統，可更加精準地進行變量施肥。白秋薇研制的設施果園自動對靶精準變量施肥控制系統能滿足不同大小果樹對不同需肥量的精準變量自動施肥要求。崔長遠等針對枸杞樹設計了精量排肥機，實現了200 g 的變量穴施肥。張琦等研制的棗園施肥機利用單片機和傳感器及步進電機通過檢測外槽輪的轉動速度和棗樹株距來進行施肥，大大提高了施肥效率。國外對變量施肥研究已久，技術應用于農業和林業的多領域，國內現有變量施肥機械主要應用于農業，因此應加強對“3S”技術和傳感器的運用，充分考慮不同植株、不同區域及不同施肥層對施肥量的影響，研發研制集分層、自適應、系統智能化語音于一體且肥斗容量可調的施肥機。

3 施肥機覆土技術研究現狀

覆土作為施肥關鍵技術在近幾年得到了更多的研究[18-20]。目前常用的覆土器主要有六種：彈齒、鏈環、爪盤、刮板、圓盤和雙圓盤。

3.1 國外施肥機覆土技術研究現狀

自上世紀40 年代以來，國外學者將能否實現不同作物播種所采取的條播等方式的覆土要求作為研究重點，對覆土器本身的結構參數研究不深；A.Ozmerzi 等人加強了對精密播種機器的研究，進行了播種深度、土壤壓實度和土壤覆蓋等試驗研究，為覆土裝置的設計提供了新的參考；美國生產的免耕播種機[21]采用擠壓式覆土器，集覆土與鎮壓功能于一體，配合開溝器，覆土和鎮壓效果較好。

3.2 國內施肥機覆土技術研究現狀

國內對覆土裝置的研究主要依托于施肥機的整體設計，具體研究起步較晚。夏俊芳[22]等研制的新型覆土鎮壓裝置設置了限位桿和調壓彈簧，確保了覆土的深度以及鎮壓的力度，減輕了對種子的損傷。劉德江等[23]研制的復式覆膜裝置屬于一體機，實現了多種作業功能，可根據不同的作業要求調整覆土盤的覆土角度。梁方優化了草地切根施肥補播復試改良機械[24]，將寬型單體鎮壓輪改為V 型鎮壓輪覆土器，采用分層交錯式開溝器，解決了覆土器堵塞的問題。

從諸多文獻中發現，在果園施肥機研制中覆土往往是被忽視的關鍵技術，國內外研制覆土機構主要為整機服務，通過改進覆土機構增強協同機具作業能力，進而提升整機作業效率。目前施肥機覆土裝置借鑒了國內外的先進技術，但仍存在易堵塞及土壤壓實率不高的問題。覆土效果直接影響施肥質量和土壤成分的變化，應設計便捷可調覆土、鎮壓效果良好的機構，探索使用新材料解決堵塞問題，不斷優化覆土效果，確保施肥作業效率和質量。

4 施肥機關鍵技術的討論與展望

4.1 多行可調節機械在大規模農業生產中的應用

未來林果產業的規模越來越大，果園種植越來越規范，大量實踐表明多行開溝施肥機穩定性更好，在大規模施肥作業中使用多行分層的開溝裝置有利于提高作業效率。大規模施肥要選用合適的動力源，設計便捷可調的刀具機構，提高穩定性和適用性?？傊?，多行可調節機械在大規模農業生產中將得到更多應用。

4.2 精準化、智能化技術在變量施肥中的應用

目前部分發達國家在林果業生產中已經廣泛應用精準化、智能化技術，且在我國部分高端果園已經得到應用，隨著我國定位系統、導航系統、遙感系統和田間作業專家系統的實踐應用，大量機械會得到優化完善和應用。在大數據的研究背景下，變量施肥技術要充分考慮果園土壤環境的差異，同一地域的不同植株、不同的區域、不同施肥層所需的肥量均不同，精準、智能化變量施肥更加有利于農業機械化的發展，今后應探索研制集成分層、自適應和肥斗容量可調的果園施肥機。

4.3 新材料在覆土裝置的應用

我國覆土器的使用比較粗放，受土壤、雜草影響經常導致施肥不均。目前對集開溝、施肥、覆土為一體且能自適應多種規模、多種地形的施肥機研究越來越深入，覆土裝置應具有更強的通用性和適用性，新材料可降低土壤對機具的影響，粘土現象可得到一定緩解。因此未來應探索發掘新材料應用于覆土裝置零部件。