我國施肥機械化技術現狀及問題分析

付宇超，袁文勝，張文毅，紀 要

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

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我國施肥機械化技術現狀及問題分析

付宇超，袁文勝，張文毅，紀 要

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

化肥是重要的農業生產資料，其施用是農作物增產重要的條件，隨著勞動力的日益短缺，機械化施肥方式在未來農作物種植環節中必不可少。因此，了解我國施肥機械化技術發展現狀，預測未來的發展方向，對于施肥技術及裝備研究人員有重要意義。為此，論述了中外施肥機械化的發展與現狀，對國內相關技術及裝備研究成果進行了分析，并進一步分析了國內不同施肥方式存在的各種問題，指出了我國在施肥機械化的發展中遇到的困難和瓶頸，且有針對性地提出了建議。

施肥機械化；施肥技術；研究現狀；發展方向

0 引言

化肥可為植物生長提供必要的營養，施肥是農作物增產的主要方法之一，其三大支柱是化肥配制、施肥技術和施肥機械。在施肥的三大支柱中，由于政府的大力扶持，化肥配制已經在國際上達到了比較先進的水平。雖然我國的化肥配置水平較高，但我國施肥技術和施肥機械的研究則較發達國家落后許多[1]，不僅導致了化肥利用率低，而且隨著時間的推移，將會導致土壤肥力下降、水源污染及產出作物的品質下降等種種問題。通常情況下，農戶使用化肥采用撒播方式居多，大量撒播會造成肥料的浪費，作物沒有吸收的、多余的肥料滲入地下水會污染水源進而影響到人們的身體健康，也容易造成土壤板結。從施肥時間來看，肥料可以分為基肥、種肥及中耕追肥等。其中，基肥是指施肥時農作物還未種植的肥料，作物生長過程中大部分養分由基肥提供。播種時施用的肥料叫做種肥，種子發芽和早期生長發育所需的營養基本由種肥提供。種肥的施肥方式可以根據肥料和種子的相對位置來分，常見的有側位深施肥、正位深施肥和種肥混施等[2]。從施肥機械角度來看，根據肥料的種類和特性不同，施肥機可分為固態化肥施肥機、固態廄肥施肥機、液態化肥施肥機和液體廄肥施肥機；按施肥方式不同可分為撒布機械、施種肥機械、施追肥機械和施肥播種機械等[3]。

1 國外施肥機械研究現狀

由于人工施肥作業的勞動量比較大及施肥環境比較惡劣等種種因素，在20世紀早期歐美等發達國家就已經在施肥機械方面進行了研究，時至今日歐美等發達國家既有播種機械帶有的施肥裝置，還有大量用于整地前撒播、中耕施肥及改良土壤等專用的施肥機械。畜拉式堆肥撒布機在國外實現農業機械化的早期就已經研制出來[4]。20世紀30年代左右，國外在施肥機械的研究和制造領域已經有了可觀的規模， 70年代時歐美等發達國家基本實現了施肥的全程機械化作業，在化肥的儲存、裝卸、運輸及田間撒施作業等機具的研發和儲備方面已經形成較大規模[5]。

液體化肥的概念由美國率先提出，在20世紀30年代時美國率先使用，到目前為止加拿大、丹麥等國家已經在廣泛應用。由于液氨在液態化肥中極易揮發，所以施用液態化肥時一般采取深溝施肥和注入施肥等方法，而不能用常見的撒施等方法。美國生產的700型液氨施肥機原理是用開深溝的方法把液氨施入土地，但開深溝時極易切斷作物的根系從而導致作物產量降低。目前，施用液態化肥比較好的方法是注入法，前蘇聯研制了一種MBY-3型施肥機，該機采用旋轉式針狀注肥器作為工作部件。美國研制了一種液氨注施裝置，將液氨冷處理后形成85%的液體和15%的蒸汽，然后撒到較淺的土層中，后面的耕作機具立即覆土，效果比較理想[6]。美國AGCO公司的麥賽福格森SC7660型液體施肥機(見圖1)，該機既可撒施液態有機肥，也可以噴灑農藥，覆蓋性比較好，前/后輪距由液壓無極調節，可以靈活適應不同行距的要求[7]。

圖1 SC7660型液體施肥機

世界各國都很注意有機肥料的生產和使用，因為有機肥既能夠給作物生長提供充足的養分，又能夠對土壤微生物的營養結構進行調節、對土壤物理化學性能進行改善且可以有效地提高土壤肥力，而且有機肥比化肥更便宜。有機肥的制備一般是通過把家禽、家畜等排泄產生的糞、尿等混合物用固液分離機將液體與固體分離，然后在分離出來的固狀物中摻入土和粉碎過的植物秸稈進行發酵，發酵完成晾干后撒入土地或者進一步加工把發酵晾干的有機肥制成顆粒狀肥料再用施肥機撒施。日本巴依克米株式會社研制了一種小型制肥機，可以把收割后的秸稈、樹枝及雜草等切碎，然后在切碎的碎屑中加入稻殼，再進一步破碎和高壓混合，這種方法可以制成無臭味的有機肥。法國KUHN公司研制了一種ProPush2044尾部背推式撒肥機，該撒肥機的拋撒器有立式(見圖2)和臥式兩種不同形式，兩種拋撒形式各有優點：立式拋撒器的拋撒幅度比較寬；而臥式拋撒器的拋撒寬度則相對集中，且臥式拋撒器的功耗較小，卸料速度也比較小[8]。

圖2 立式撒肥機

法國KUHN公司生產了一種ProTwin8150側式撒肥機(見圖3)，是大型的側式拋肥機械。該機采用了雙攪龍輸送的方式，拋肥器采用錘片式，當有機肥等肥料運動到卸料口時，錘片將會把有機肥撕裂、粉碎，從下往上將物料有規律地拋撒出去。該機的適用范圍比較廣，可以拋撒溝肥、堆肥、泥漿、廄肥、墊床物料及沙糞肥等，有非常好的拋撒效果[9]。

圖3 ProTwin8150側式撒肥機

目前，國外的施肥機械已經比較發達，歐美等發達國家由于工業起步早，對施肥機械的研究比較深入，已形成了一套完整的施肥機械體系，非常值得學習和借鑒。

2 國內施肥機械研究現狀

早在20世紀80年代，上海就對施肥機械開始進行研究，并在計算機指導下取得了較好的成效。在20世紀90年代后期，我國開始關注精準農業并且進行了技術和科技的引進。近年來，我國對精準農業越來越重視和支持，在引進、消化、吸收國外先進的技術和科技的同時，也在不斷探索適合中國的精準農業的技術體系，在科研人員的不斷努力下，精準農業的概念已經被社會和科技界所接受，并且已經開始了實踐應用。目前，我國在變量施肥方面的應用主要是使用GPS定位土壤取樣化驗；利用地理信息系統(GIS)產生氮、磷、鉀、pH值、有機質層圖，并利用農業專家系統和地理信息系統產生變量施肥處方圖，控制變量施肥播種機進行變量施肥播種。例如，黑龍江墾區大西江農場的約翰迪爾變量施肥播種機就是利用GPS導航自動控制進行直線作業[10]。

馬旭等人的研究使播種機可以和便捷、穩定的手控與自控變量施肥機配套起來[11]。王秀等人研制了一種可以配套國產拖拉機的變量施肥機，而且還可以使用GPS得出處方圖從而進行變量施肥，并優化設計了齒槽轉速[12]。陳廣大等人設計了自動調節排肥量的控制系統，該系統的核心是ARM，通過PID自動調節排肥量，可以達到排肥均勻、穩定、精度高的效果[13]。于英杰等人設計的一種自動識別算法可以針對不同農田進行網格劃分并精確確定位置。其中，傳感器信號的采集使用APM控制器，其優點是穩定、精度高、能對農田形狀的變化有較好的適應性[14]。

北京市農林科學院農業信息化工程技術研究中心研制了一種變量施肥機，可以實時接收GPS信號和作業時行走信號，經過處理后與用戶設計的施肥量和計算機處方施肥量比對后自動調節排肥系統的轉速，從而實現實時的變量施肥，且設有手動和自動變量施肥兩個模式。目前，該機已經在北京、上海及新疆生產建設兵團等地推廣應用。

復式作業機方面，夏俊芳等人研究設計了一種2BFS-8型水稻芽種播種施肥機，能夠實現耕作、播種、施肥3種不同作業一次下地完成，并且生產率、斷芽率等性能指標均能達到國家標準[15]。王曉東等人設計了自走式的2BF-1型播種施肥機[16]，王玉華等人設計了可調式免耕播種施肥機[17]，這兩種機型具有調節方便可靠、機具簡單輕便等優點，且對丘陵山地等非平原地形有較好的適應性，提高了在上述復雜地形上作業時的作業質量和效率。苑嚴偉等人在種肥機上加裝了變量施肥模塊，在施種肥時把處方圖和定位信息通過自動控制系統結合起來，在精密施肥時可以做到變量施肥[18]。

上海交通大學機械與動力工程學院成功研制了我國第一臺智能變量施肥、播種、旋耕復合機，能夠適應我國南方地區農藝特點。根據我國的國情，該智能復合機創造性地提出了經驗處方、智能處方及數字設定變量施肥三大模型，從根本上突破了國際上變量施肥機完全依賴處方的現狀，能夠實現“人工自適應變量處方、智能變量處方和施肥量數字設定”3種模式下的變量施肥作業[19]。

張傳斌等人研制了TX-12型煙草定量穴灌追肥機，優點是可定量追肥、灌溉，該機型比較適用于干旱的地區，突出的特點是工作效率較高及田間移動靈活[20]。王金星等人研制了一種智能煙草定量穴施追肥機，可以通過高準確率的傳感器將檢測信號傳給單片機進而達到自動控制，且對煙草的損傷較低[21]。崔歡虎等人研制了一種中耕保墑追肥機，可以降低干旱地區農作物在苗期的中耕和追肥等作業的成本，提高中耕、追肥的效率，經過試驗產生了較好的效果[22]。

吉林大學生物與農業工程學院研制了2SF-2型變量深施肥機，特點是使用IC卡來作為信息儲存和決策單元，且連續兩年在吉林省德惠市國家農業高新技術示范區進行了試驗。該機的變量施肥控制方式有手動控制和自動變制兩種，試驗結果比較理想，能夠實現精準農業意義上的變量施肥操作[23]。

黑龍江八一農墾大學精準農業研究中心和八五二農場白樺耕作機廠進行合作，把變量施肥裝置安裝在氣吸式大豆精密播種機上，改裝后采用工業控制計算機為上位機，以單片計算機為核心的變量施肥控制驅動器為下位機，通過變量施肥控制驅動器控制電控無級變速器。該變速器控制播種機排肥傳動系統的傳動比，達到改變播種機施肥量的目的，并且在播種機上整合了GPS定位系統，成功研制出了基于GPS定位的大豆精密播種機。同時，對該機進行了大量的試驗，得到了比較理想的試驗結果。其中，GPS定位比較精確，變量施肥控制穩定，取得了較好的變量施肥試驗效果[24]。

申屠留芳等人研究設計了一種電動的自走式撒肥機，有結構簡單、靈活、輕巧、成本低等優點，廣受溫室種植戶的喜愛，提高了溫室作業的效率、大幅度降低了作業人員的勞動強度[25]。陳書法等人設計了以AT89C51單片(見圖4)為核心的水田高地隙自走式變量撒肥機，并且有針對性進行了大量試驗，使變量施肥在不同的施肥環境下達到了可控的目的[26]。

圖4 AT89C51引腳序列

張李嫻等人研究設計了一種擺管式撒肥機，可以防止化肥堵塞輸肥管，并且使化肥撒播更加均勻，為以后的研究提供了理論依據[27]。

程亨曼等人設計的FY400型多功能液態深施肥機可以和播種機配套且可適用于多種中耕作物，節肥、增產效果比較顯著[28]。王金峰等人利用高速攝像對扎穴運動曲線進行了研究，通過對高速攝像拍攝所得的圖像進行軟件分析與處理，得到了扎穴運動曲線，并確定了噴肥的時間誤差和精確度[29]。郗曉煥等人對施肥機械中的扎穴機構進行了優化設計，使用弧形扎穴機構代替了廣泛使用的曲柄搖桿機構、曲柄滑塊，用VB軟件進行了仿真分析，確定了最優參數，并對機構入穴與返程軌跡的一致性進行了驗證[30]。

河北農業大學機電學院聯合河北省農業機械化研究所對圓盤式變量施肥機進行了的深入的研究，并對圓盤式變量施肥機的發展和關鍵技術進行了探討[31]。

重慶市農業科學院、福建省農科院土壤肥料研究所等多家科研機構也對變量施肥技術進行了深入的探索和研究[32]。

從以上資料可以看出：近年來，施肥技術研究多集中在變量施肥等熱點技術方面；但這些研究大多只局限于關鍵技術或關鍵部件方面，針對整體施肥裝備統籌考慮的較少，更缺少生產中成熟可用的機具。傳統施肥方法多采用機械式排肥器，在作物側位條施。這種機械式排肥部件排肥量與機具前進速度不是線性比例關系，所以在不同的作業速度下施肥量不同、排肥器穩定性不高。條施肥方式對于大株距穴播作物容易造成肥料利用率低的問題，不被吸收的肥料會造成土壤和環境污染。目前，針對傳統肥料和傳統施肥方式的研究越來越少，智能化變量施肥等新技術及裝備又不夠成熟，所以總體來說我國的施肥機械化技術比較落后。

3 存在的問題

近年來，我國施肥機械化發展比較迅速，從撒肥機到智能變量施肥機，從粗放的施肥方式到精細化作業，我國的施肥機械化有了長足的進步和發展，在此過程中也遇到了許多困難和瓶頸。

1)對于變量施肥機來說，變量施肥機械往往比較高端，需要加載許多專用的傳感器等配件；而國內的傳感器的研究水平還不高，有許多專用的傳感器往往在國內沒有生產，而進口國外的傳感器則比較昂貴，所以導致成本較高。目前，我國的大多數農民家庭的購買能力相對比較弱，所以大多數農民無法接受該機械的成本。除此之外，變量施肥機作業幅寬比較小，而我國的地貌特征比較復雜，全國各地的土壤、水分等特征千差萬別，導致變量施肥機局限性比較大。

2)對于種肥施肥機來說，許多種肥施肥機對種子和化肥的比例做不到精確的控制從而影響種子發芽。由于推廣面積比較小，農民對施用種肥理解不深，導致許多農民認識不到深埋種肥的意義，所以在種肥施用是往往因為埋深不夠而導致污染。施種肥機械的操作往往要求較高，需要農民了解許多機械方面的知識。種肥施肥機如果在潮濕的土壤或者水田作業時，隨著土壤在開溝器上的不斷粘著容易導致輸肥管堵塞。

3)追肥施肥機的運動副容易產生磨損，修理比較難。 輸肥管在施肥機升降的往復運動中容易產生形變，產生的縫隙可能會使肥料漏掉。

4)液態化肥具有很多固體化肥不具有的優點，但液態化肥往往價格比較昂貴，國內生產液態化肥的廠家也比較少，而且液態氨有較強的揮發性和刺激性會對使用者的身體造成一定的傷害。

5)撒肥機的研究相對來說比較早，但也存在許多問題。往往化肥撒施以后要求深埋，撒施后只能通過翻耕來掩埋，而通過翻耕掩埋的方法往往深度達不到要求，如果撒肥后因為下雨沒有及時耕翻，就會造成污染。

4 結論與建議

1)將農機與農藝結合起來，進一步加強施肥機械和施肥技術的結合。國家應該進一步加強對施肥機械和施肥技術的投入比重，開發新型的農機具的同時，應考慮到我國復雜的地貌特征和人文環境，加強針對不同農藝要求的施肥機械的研制。我國的自然環境比較復雜，存在復雜的氣候差異、地域差異、植物生長周期差異等，研究施肥機具時需要更多的考慮農藝的要求。應更多地將液壓、氣動等較為先進且實用的技術應用到施肥機具上，進一步提高施肥機具的自動化程度，使新的機具有更高的效率、更少的污染和更高的精度。施肥機具的進一步研究應該帶有針對性，針對施肥過程中常見的問題進行點對點的研究突破或者優化，如肥料輸送時管道的堵塞問題等。

2)廣泛開展施肥技術和施肥機具應用培訓，加強對科研成果的推廣。我國施肥機械和施肥技術的落后有一部分原因是由于技術推廣不到位，所以未來施肥機械的發展過程中應該加強科研部門與農業推廣部門的合作。因此，應加深施肥技術和施肥機具研發的科研人員與廣大農民的溝通交流，深入群眾中去了解農民的亟需；應該定期展開對農民的技術培訓，以利于加深雙方的了解，增強農民技術和機械的應用水平、糾正農民錯誤的施肥方式和習慣、培養正確的施肥意識，以及使之學會對施肥機械的保養與維修，增加機械的使用壽命。技術交流可以使科研人員不脫離農村實際，及時了解農民在實際使用中遇到的問題，在進一步改進機具、完善技術時就做到了有的放矢。國內生產的施肥機械有一大部分來自中小型企業的生產，而中小型企業的研發與制造能力相對較弱，所以應該開展調查，選擇農民使用過并普遍認為效果較好的機型進行改進研發，從而減少資源浪費。

3)政府應進一步加大施肥機具的補貼力度，淘汰落后的機具。政府應該加大對先進施肥機具與先進施肥技術學習的補貼力度，在加大對農民購買施肥機具或施肥儀器的補貼之外，還要在農民學習先進的施肥技術及先進施肥機具使用時給予必要的經費補貼。一些落后的施肥機械由于設計時種種原因往往不太適用于現在施肥作業，而農民的購買能力相對比較弱，所以這些施肥機械還在使用，使用這種施肥機械可能會造成對環境的污染等后果。所以，根據國家對環境友好型施肥機具的補貼政策，應該在予以相應的補貼的基礎上強制性報廢一批低效率、化肥高污染的施肥機具。落后的施肥機械被淘汰有利于推廣更先進的、更高效的機械，提高施肥機械的自動化程度，推進農業現代化的進程。

[1] 陳遠鵬，龍慧，劉志杰．我國施肥技術與施肥機械的研究現狀及對策[J]．農機化研究，2015，37(4)：255-260.

[2] 袁文勝，金梅，吳崇友，等．國內種肥施肥機械化發展現狀及思考[J]．農機化研究，2011，33(12)：1-5．

[3] 張偉寶．關于的施肥機械技術性能的探討[J].科技創業家，2013(24)：183.

[4] 施繼紅．農家肥撒施機工作部件的試驗研究[D]．長春：吉林農業大學，2002．

[5] 施衛省，訾琨．國內外農機化施肥新技術[J]．南方農機，2004 (3)：43-44．

[6] 王吉亮.，王序儉，曹肆林．中耕施肥機械技術研究現狀及發展趨勢[J]．安徽農業科學2013(4)：1814-1816.

[7] SC4660液體施肥機[EB/OL]．[2015-08-13].http://www.agcocorp.cn/tabid/243/Default.aspx.

[8] 周斌．尾部背推式撒肥機[J]．農業機械，2010(1)：72．

[9] 周斌．庫恩側式拋撒機[J]．農業機械，2010(12)：106．

[10] 赴美國精準農業及3S技術培訓團．美國精準農業考察培訓報告[J]．中國農墾2005(2):29-33.

[11] 馬旭，馬成林，桑國旗，等．變量施肥機具的設計[J]．農業機械學報，2005，36(1)：50-53．

[12] 王秀，趙春江，孟志軍，等．精準變量施肥機的研制與試驗[J]．農業工程學報，2004，20(5)：114-117．

[13] 陳廣大，王悅剛，陳思睿，等．基于ARM的精確變量施肥控制系統的設計[J]．中國農機化學報，2013，34(4)：130-133．

[14] 于英杰，張書慧，齊江濤，等．變量施肥機在不規則田塊的定位方法[J]．農業機械學報，2011，42(2)：158-161．

[15] 夏俊芳，許綺川，王志山，等．2BFS-8型水稻芽種播種施肥機設計與試驗[J]．農業機械學報，2010，41(10)：44-47．

[16] 王曉東，王合．2BF-1型自走式播種施肥機的研究設計[J]．農業機械，2013(11)：107-108．

[17] 王玉華．可調式免耕播種施肥機的設計研究[J]．農業科技與裝備，2013(1)：19-21．

[18] 苑嚴偉，張小超，吳才聰，等．玉米免耕播種施肥機精準作業監控系統[J]．農業工程學報，2011，27(8)：222-226．

[19] MI．精準變量施肥復合機獲科技部成果轉化批準[EB/OL]．[2015-08-13].http://mi.sjtu.edu.cn/Shownews.asp?id=59.

[20] 張傳斌，牛長根．TX-12型煙草定量穴灌追肥機的設計[J]．農機化研究，2011，33(1)：149-152．

[21] 王金星，高麗娟，劉雙喜，等．智能煙草定量穴施追肥機[J]．農業機械學報，2013，44(4)：71-76．

[22] 崔歡虎，王娟玲，王裕智，等．作物苗期中耕保墑追肥機的研制與應用[J]．農機化研究，2008(11)：91-94．

[23] 張書慧，馬成林，吳才聰，等．一種精確農業自動變量施肥技術及其實施[J].農業工程學報 2003(1)：129-131.

[24] 王熙，汪春，莊衛東，等．大豆播種機變量施肥控制裝置研究與設計[C]//中國農業工程學會學術年會, 2011.

[25] 申屠留芳，張洪宇，楊剛，等．溫室大棚電動自走式撒肥機的設計[J]．農機化研究，2013，35(9)：145-147，155.

[26] 陳書法，張石平，孫星釗，等．水田高地隙自走式變量撒肥機設計與試驗[J]．農業工程學報，2012，28(11)：16-21.

[27] 張李嫻，呂新民．擺管式撒肥機的研究設計[J]．西北農業學報，2009，18(4)：372-374．

[28] 程亨曼，孫文峰，陳寶昌．多功能液態深施機的設計[J]．農機化研究，2005(1)：173-174．

[29] 王金峰，王金武，何劍南．深施型液態施肥裝置施肥過程高速攝像分析[J]．農業機械學報，2012，43(4)：55-59．

[30] 郗曉煥，王金武，郎春玲，等．液態施肥機橢圓齒輪扎穴機構優化設計與仿真[J]．農業機械學報，2011，42(2)：80-83．

[31] 楊志杰． 圓盤式變量施肥機的發展及其關鍵技術介紹[J]．農業機械 2007(5)：67.

[32] 段潔利，李君，盧玉華．變量施肥機械研究現狀與發展對策[J]．農機化研究2011，33(5)：245-248.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0251-EA

Present Situation and Problem Analysis of the Technology of Fertilizer Mechanization in China

Fu Yuchao, Yuan Wensheng, Zhang Wenyi, Ji Yao

(Nanjing Research Institute for Agriculture Mechanization， Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Fertilizer is an important agricultural production data,Fertilize is an indispensable condition for increase production of the crops. With labor shortages in the future of crop planting process, the mechanism of fertilization is essential. To understand the development status of fertilizer application in China and forecast future development direction of the Fertilizer mechanization is important to study the technology and equipment of fertilizer application.This paper discusses the development and current situation of Chinese and foreign fertilizer mechanization, and then analyze the domestic related technology and equipment research results.On the basis of this, the problems of different fertilization methods in China are analyzed,and pointed out the difficulties and bottlenecks encountered in the development of fertilization mechanization in China,and it is pointed out that some suggestions are put forward.

fertilization mechanization； fertilization； research status； direction of development

2015-12-16

江蘇省自然科學基金項目(SBK201221161)；公益性行業(農業)科研專項(201503130)；江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX(15)1004)

付宇超(1990-)，男，山東平度人，碩士研究生，(E-mail)296524683@qq.com。

袁文勝(1978-)，男，山東曹縣人，副研究員，碩士，(E-mail)ywensheng@sohu.com。

S233.3

A

1003-188X(2017)01-0251-05