我國玉米穴施肥裝置研究現狀及展望

劉正道 何進 王慶杰 鄭侃

摘要：玉米穴施肥技術可在很大程度提高化肥利用效率，減少玉米生產成本，對提高我國玉米在國際市場的競爭力具有重要意義。因此，介紹了穴施肥技術概況，根據施肥階段的不同，分別分析和闡述了種肥、苗期追肥和中后期追肥階段玉米穴施肥裝置的主要結構、工作原理和特點。在此基礎上，指出了現有國內玉米穴施肥裝置存在的一些問題，并對該領域未來的研究重點和發展方向進行展望，以期為我國玉米穴施肥技術的研究提供參考依據。

關鍵詞：玉米;穴施肥;裝置;結構;工作原理;現存問題;研究展望

中圖分類號： S224.2?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0005-04

我國玉米種植面積居世界首位，2016年我國玉米總產量2.19億t，玉米播種面積3 675.9萬hm2，單產5.97 t/hm2[1]。但我國玉米生產成本高，效益低，其主要原因是勞動力成本高、物化投入比重大，其中單位面積勞動力成本為美國的 1.58倍[2]，肥料費平均比美國高55.75元/t[3]。在玉米生產物化投入中肥料投入比重最大，但由于施肥方式不當等原因造成我國化肥的過量施用，玉米過量施肥程度平均達到 50.74%[4]。化學肥料的過量施用不僅造成肥料的浪費，還會造成一系列的環境問題，如地下水和地表水質量下降，表層土壤硝態氮的大量盈余和累積導致土壤酸化，土壤有機質存量下降，土壤磷素面源污染，溫室氣體排放增加等[4-7]。

為了降低玉米生產成本，提高我國玉米在國際市場的競爭力，近年來玉米精量施肥領域成為研究的重點，與緩釋肥技術相結合的化肥深施[8-9]、化肥分層施用[10-13]以及穴施肥等技術相繼出現，可很大程度提高肥料利用率。其中化肥深施和分層施肥技術仍條施化肥，相鄰玉米植株間化肥利用率仍然較低;而穴施肥技術避免了因化肥分散分布、沒有針對特定種子而造成的化肥浪費現象[14]。因此，了解和掌握玉米穴施肥技術及其相關裝備的主要類型和特點，探討其存在的主要問題，對于推廣玉米穴施肥技術，提高化肥利用效率具有重要意義。

1?玉米穴施肥技術

玉米穴施肥技術是指在玉米生產的不同階段，根據玉米需肥規律，將化肥呈穴狀施入土壤，化肥處于玉米種子或植株的側下方或正下方，并且和種子或植株保持一定的距離。穴施肥效果圖如圖1所示。

與傳統化肥條施或撒施相比，玉米穴施肥技術既可避免傳統施肥方式的燒種（苗）現象，也可以避免因化肥分散分布、沒有針對特定種子而造成的的化肥浪費現象[14]。玉米穴施肥技術參數主要包括肥料的空間位置和每穴施肥量。

每穴施肥量的確定：確定適宜的玉米施肥量，既要滿足玉米的養分需要，又要避免肥料浪費，實現高產高效。由于品種特性、土壤條件、產量水平以及栽培方式不同，在確定具體施肥量時，要綜合分析考慮多種因素[15]，理論計算玉米施肥量[16-17]的方法如下：

施肥位置的確定：施肥過程為防止燒種、燒苗現象，必須保證肥料和種子（植株）具有一定的距離，穴施種肥時要使肥料和種子距離不小于5 cm[18]，肥料和種子通過土壤層隔開，并且需要追肥，防止玉米后期脫肥早衰;玉米追肥時應保證化肥和植株水平間距在10～15 cm;追肥深度為8～10 cm[19-21]。

2?玉米穴施肥裝置主要類型

按施肥階段不同，玉米穴施肥裝置可分為種肥穴施、苗期穴施和中后期穴施等類型。

2.1?種肥穴施機械

目前，種肥穴施技術通常和玉米穴播技術同時應用，在實現玉米單粒精量播種的同時，通過一定的種肥協同機構，在種側（下）穴施化肥，并保證一定的種肥間距。

2.1.1?埯播施肥鎬

我國玉米種植區域跨度廣、涉及地形條件復雜，在山地、丘陵等區域玉米生產仍以小型機械或人工農具為主。近年來市場上也出現了一些穴播穴施肥農具，如遼寧省云帆機械制造有限公司研制的埯播施肥鎬，其結構如圖2所示。該埯播施肥鎬主要包括播種器、施肥器、擺錘、鎬把、肥料袋、導肥管等組成，播種器和施肥器相鄰并排安裝，間距5 cm，玉米種子裝在鎬把內，肥料裝在肥料袋內。

其工作原理：作業時，將埯播施肥鎬抬至一定高度后向下刨，播種器和排肥器從接觸土壤到達到播種施肥深度過程中由最大速度快速變為0，而擺錘在慣性的作用下繼續向下擺動，驅動播種器和施肥器工作，完成刨埯、播種、穴施肥作業;然后抬起點播鎬，種、肥被自然回落的土壤覆蓋，完成覆土作業;操作者在刨下一埯、向前邁步的同時，踩實落土，完成鎮壓作業[22-23]。該類型的埯播施肥鎬1個男性勞動者可播種0.33～0.67 hm2/d，適合我國東北、西北山區等復雜地形條件下玉米播種，適用性強。

2.1.2?穴播穴施肥裝置

玉米穴播穴施肥裝置多以玉米精量播種技術為基礎，通過直接或間接定位，將連續的肥料流由不定量的大群體轉化為定量的均勻連續肥料集群。

2.1.2.1?直接定位法

直接定位法是利用曲柄連桿機構直接從肥箱中取出一定量的肥料送入土壤，機構主要由曲柄、排肥連桿、排肥活塞、進肥管、回位扭簧、量肥筒和開閉活門等組成，原理如圖3所示[15]。

其工作原理：機構動力由地輪提供，作業過程中地輪傳遞的動力經傳動系統驅動曲柄轉動，經連桿帶動排肥活塞在量肥筒內上下運動;當排肥活塞向上運動時，肥料經進肥管進入量肥筒，儲存在開閉活門和排肥活塞中間，當排肥活塞向下運動時，推動肥料打開開閉活門，將肥料送入土壤，實現肥料穴施。該種方法無需排肥器，結構簡單，但機構須近地安裝，安裝空間較大，對開溝器開溝寬度要求較高。

2.1.2.2?間接定位法

傳統播種施肥機具無法實現肥料穴施的原因是在肥料由肥箱經肥管送入土壤過程中，受機具振動和部件無序撞擊作用。間接定位法是在肥料進入土壤前，將肥料重新定位。該定位法排肥量的穩定性由最后一步定位決定。機構主要由護肥板、電磁鐵、連桿、肥料定位板、復位彈簧等組成，原理如圖4所示[15]。

其工作原理：由排肥器送出的肥料在送入土壤前首先到達間接定位機構，在護肥板和定位板間不斷積累，機具到達指定位置后，控制系統控制電磁鐵吸合，打開定位板，將積累到一定量的肥料送入土壤，完成肥料穴施。相對于直接定位機構，該機構通過電磁鐵控制，結構得到簡化，且能實現快速穩定的穴施肥。

張勛綜合分析了直接成穴法和間接成穴法的特點，利用間接成穴法設計了玉米穴播穴施肥裝置，并以8051單片機作為控制芯片完成控制系統軟件和硬件的設計[15]。

2.2?苗期穴施肥裝置

充足的健苗、壯苗是實現玉米高產的最主要的因素，苗期追肥是玉米生產過程中重要的環節。苗期穴施肥技術是通過識別技術對玉米幼苗進行識別和定位，進而確定施肥位置，再通過扎穴機構將一定量的肥料送至指定位置。相對于種肥穴施而言，玉米苗期追肥不需要考慮種肥協同作業的問題，其關鍵部件包括扎穴機構和觸碰識別機構。

2.2.1?扎穴機構

2.2.1.1?行星輪系扎穴機構

行星輪系結構主要通過各種齒輪的組合，使工作部件按照設計的運動軌跡運動，可實現高速往復運動，被廣泛應用于農業機械，如水稻插秧機、缽苗移栽機等。在穴施肥領域，主要由太陽輪、行星架、中間輪、行星輪、搖臂和噴肥針組成，可分為橢圓齒輪行星輪系、全橢圓齒輪行星輪系、非規則齒輪行星輪系等，結構如圖5所示[24]。

行星輪系扎穴機構工作原理：工作時，太陽輪與機架固定安裝，行星架在傳動機構的帶動下做回轉運動，中間輪一般由2個形狀不同的的齒輪組成，一個與太陽輪嚙合，一個與行星輪嚙合，在轉動過程中傳動比不斷變化，從而導致行星輪往復擺動。噴肥針和搖臂固結并安裝在行星輪上，使其在隨行星架做圓周運動的同時做相對于行星架的逆向轉動，2種運動的合成構成噴肥針的往復扎穴運動。該機構一般用于液態型肥料的施用，噴肥針與輸肥軟管相連，在扎穴的同時噴施液態肥，可實現高速作業。

王金武等設計了基于三次拉格朗日曲線擬合軌跡的斜置式扎穴機構并進行優化設計，得出當行星架轉速75.0 r/min、前進速度0.48 m/s、斜置角度23.3°時，作物損傷率為 0.33%[25-26];王金峰等設計了橢圓齒輪行星輪系扎穴機構，并建立數學模型，以穴距200 mm和入土深度120～150 mm為尋優目標得到行星輪系的參數范圍，高速攝影試驗結果表明施肥損失率遠小于3.5%[27-28];馮金龍等設計了變形橢圓齒輪扎穴機構并進行了優化設計，當行星架轉速64.4 r/min、前進速度0.61 m/s時，機構動力學性能最優[29-30];劉亞華等設計非圓齒輪扎穴施肥裝置，優化得出試驗裝置的最佳工作參數為行星架轉速72 r/min，試驗臺車前進速度為 0.49 m/s[31-32]。

2.2.1.2?曲柄搖桿扎穴機構

曲柄搖桿扎穴機構主要利用曲柄搖桿機構原理，將回轉運動轉化為扎穴機構的往復運動，實現穴施肥功能。曲柄搖桿扎穴機構主要由機架、凸輪、搖桿、壓縮彈簧和入土部件組成，搖桿一端連接入土機構，一端與凸輪接觸，其結構原理如圖6所示[33]。

其工作原理：在施肥間隙，搖桿和凸輪的遠休止段接觸，凸輪轉動過程中，入土部件始終處于最高點;當運動到施肥位置時，搖桿與凸輪缺口接觸，入土部件在壓縮彈簧作用下迅速下降至最低點，完成入土;凸輪繼續轉動，入土部件抬升至休止位置。該機構結構簡單，但入土部件入土力由壓縮彈簧決定，彈簧彈性系數越大，入土力越大，但在排肥間隙回位阻力越大，功耗越大，且機具受地面沖擊較大，機具振動嚴重。

錢梵梵依據該原理設計了玉米穴施肥機，并進行了靜態試驗和田間試驗，室內靜態試驗施肥量變異系數為 2.73%，田間試驗施肥深度的均值為8.633 2，方差為 0.335[34]。為減少機具振動，整機振動頻率與單缸汽油機工作時的振動頻率錯開，減少共振。

2.2.2?識別裝置

識別裝置主要用于對玉米幼苗進行識別、定位和啟動扎穴機構運動，目前穴施肥技術中主要通過機械觸碰裝置實現識別，主要由觸碰轉針、三角轉盤、滾輪、位移驅動擺桿與可恢復式微力放大裝置組成。

機械觸碰識別裝置的工作原理：當機具運動至植株旁邊時，觸碰轉針接觸玉米莖稈，推動觸碰轉針帶動三角轉盤轉動，進而驅動拔動滾輪和位移驅動擺桿，位移驅動擺桿打開微力放大裝置，微力放大裝置內彈簧推動滑移齒輪側向滑動，使其與施肥齒輪嚙合并帶動2個施肥凸輪盤工作，從而帶動邊側施肥機構開始扎穴。

李沐桐等對靠苗裝置、微力放大器、施肥裝置和脫離裝置進行試驗研究和參數優化，結果表明在臺車前進速度為 1.25 m/s，動力輸出軸轉速為16.5 r/min，觸碰轉針高度在 5 mm 的條件下，穴株擬合度可達到0.796，傷苗率接近10%[35-36]。

2.3?中后期穴施肥裝置

玉米生長至中后期，特別是喇叭口期，對肥料的需求量較大，但玉米屬高桿作物，與苗期追肥不同的是在大喇叭口期株高可達1.5 m左右，我國現有動力機械無法進地作業，胡紅等在觸碰識別機構和扎穴機構研究的基礎上，開發了自走式玉米中后期穴施肥機，主要由轉向機構、動力輸出機構、動力傳動系統、追肥裝置和覆土裝置組成[20-21]，其中追肥裝置主要由植株位置探測機構、水平位移補償機構、豎直扎穴機構、入土部件和棘輪離合器組成，結構如圖7所示。

其工作原理：動力傳動系統驅動棘輪離合器轉動，在排肥間隙，離合器的棘輪和棘爪分離;當機具運動至玉米植株旁邊時，位置探測機構觸碰玉米莖稈發生轉動，使棘輪離合器的棘輪和棘爪嚙合，帶動豎直和水平機構運動;水平位移補償機構相對于機具向后運動速度和機具前進速度相等，避免在豎直扎穴機構帶動入土部件扎入土壤時發生拖動，實現零速投肥。自走式玉米中后期穴施肥機在解決玉米生長中后期現有動力機械無法進地作業的同時，引入水平速度補償裝置，實現零速（水平方向）投肥，提高肥料成穴性能。

胡紅等對該裝置進行田間試驗表明，在排肥軸含肥腔長度為20 mm時的穴追肥排肥量穩定性變異系數為3.2%，平均追肥深度和平均追肥距離分別為91.3、127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距離合格率分別為88.3%和96.7%，漏追率為2.7%[20]。

3?現存問題及展望

3.1?現存問題

總體而言，我國玉米穴施肥技術的研究仍處于起步階段，相關機具研發也處于樣機的試制階段，均未達到實際生產和應用階段，現存問題主要包括：（1）種肥穴施機具。種肥施用為玉米施肥最關鍵的部分，種肥穴施技術及相關機具的研究較少。人工穴施肥農具適用于山區、丘陵等復雜地形區域，但存在勞動強度大、效率低等問題。（2）苗期穴施肥機具。該類機具的研發主要以扎穴機構的研究為主，觸碰識別機構的研究較少，實際作業過程中對靶性能差，且苗肥間距不穩定;多用于液態肥施用，而目前我國玉米追肥所使用的大多為顆粒肥料;曲柄搖桿機構存在作業速度慢、運行平穩性差、傳動效率低等問題，而行星輪系雖然作業速度快，但在免耕地條件下力學性能較差。（3）中期穴施肥機具。玉米中后期根系較多且土壤硬度大，現有扎穴機構入土性能不能滿足要求;植株高度大，大型動力機械無法進地作業，而小型動力機械質量輕，作業過程在土壤反作用下機具彈跳嚴重。

3.2?展望

3.2.1?加大關鍵部件理論研究

當前，我國穴施肥裝置的研究雖然取得了一定的成果，但其排肥量穩定性、種（苗）肥間距穩定性、入土性能等均未達到實際作業要求。因此，須加強間歇取肥、運肥和投肥關鍵技術的研究，加強關鍵部件加工工藝，實現精量取肥、精準投肥;運用現代設計和分析手段，分析機械部件和土壤的相互作用，優化運動軌跡，探索新工藝，使用新材料，實現高速、平穩精準施肥。

3.2.2?提高識別和控制部分自動化和智能化水平

由于穴施肥技術的實現需要復雜的機械結構，要想進一步提高玉米穴施肥機具作業速度和精度，自動化和智能化是其發展的必然方向。自動監測、實時控制、自動補償等技術的應用，可以很大程度提升施肥的精度，自動導航技術的應用可以降低勞動強度，改善勞動環境，特別是在玉米中后期階段。

3.2.3?加強模式試驗與機具開發的結合

我國玉米種植區域廣、品種多，不同玉米品種不同生長階段對肥料的需求均存在差異，為最大程度提高化肥利用效率，減少化肥的投入，在機具研發的同時，應研究不同穴施肥模式對玉米生長和產量的影響，為玉米穴施肥機具的研發提供理論依據。

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