國內外液體肥料施肥機械發展概況及需求分析

張魯云 何義川 楊懷君

摘要：液體肥料具有易于被作物根系吸收、對環境污染較小、配方靈活、施用方便等諸多優點，是中國近年來發展較快的新型肥料。分析了國內外液體肥料施肥機械的研發現狀;總結了幾種主要液體肥料施肥機的結構及工作原理;探討了中國液體肥料施肥機的應用現狀，提出了相應的對策與建議，以促進資源節約型和環境友好型農業產業的快速發展。

關鍵詞：液體肥料;施肥機械;智能化農業

中圖分類號：S224.22 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）15-0012-04

Abstract： Liquid fertilizer has many advantages， such as easy to be absorbed by crop roots， less pollution to the environment， flexible formulation and convenient application. It is a new type of fertilizer developed rapidly in China in recent years. The development status of liquid fertilization machinery at home and abroad was analyzed. The structure and working principle of several main liquid fertilizer applicators were summarized. The application status of liquid fertilizer applicators in China was discussed. The corresponding countermeasures and suggestions were put forward to promote the rapid development of resource-saving and environment-friendly agricultural industry.

Key words： liquid fertilizer; fertilizer applicate machinery; intelligent agriculture

施肥是農業生產中重要的環節之一，全世界每年投入農業生產的各種化肥大約1.6億t，而有機肥料的數量更是多得無法統計[1]。目前，中國在農業生產中大多采用固體肥料。固體肥料有著生產、儲存、運輸、使用方便等諸多優點，但是也存在肥料利用率較低、增產效果不顯著、粉塵污染等許多弊端。液體肥料在農業發達國家如美國、英國、德國、加拿大、澳大利亞等國家很早就得到了廣泛使用，在這些國家的農業生產中，液體肥料在肥料使用總量中占有相當大的比重[2]。以美國為例，液體肥料占其肥料總用量的35%左右。相對于固體肥料，液體肥料的優點是：在運輸、施肥過程中沒有粉塵、煙霧等污染物質;配方簡便靈活，可以根據實際需要將各種養料成分在液體中充分混合，適用于作物的基肥和追肥;肥料成分因為是液體微小顆粒而易被作物根系吸收，可以減少施肥次數和對土壤的污染，降低了農業生產的物資消耗和勞動成本。

中國因為液體肥料使用較晚，相應配套設施還很不完善。液體肥料施用主要依靠半機械人工完成，勞動強度大、作業效率低、肥料浪費嚴重。因此，對液體肥料相關配套機械設備進行開發研制，對中國農業的可持續發展具有重要意義。

1 國內外液體肥料施用機械研發現狀

1.1 國外研發現狀

國外對液體肥料的研究開始于20世紀30年代[3]，液體肥料及其使用機械首先在美國的農業生產中得到應用。美國很早就開始使用液氨及相應的液肥施用機械設備，該機械主要由液氨罐、排肥分配器、施肥開溝器和操控裝置組成。目前，發達國家已經大規模普及液體肥，液體肥料施用機械品種繁多，功能齊全，完全實現了機械化作業。從功能上區分，液體肥施用機械主要分為以下3種。

1.1.1 葉面噴施肥機械 美國凱斯（CASE CORP）公司生產的愛國者3310型自走式噴藥施肥機械，一機兩用，既可進行噴藥作業，又能完成施肥作業，大大提高了機具的使用效率。行走速度18 km/h，超大型肥箱（容量3 785 L）提高了工作效率，作業幅寬27.4 m，可以根據不同的作業環境和種植模式調整噴桿高度和輪距。巴西杰克托公司（JACTO）生產的UNIPORT 2000型自走式噴藥施肥機，作業幅寬21 m，作業效率300 hm2/d。

1.1.2 液體肥料滴灌機械 以色列位于中東沙漠地區，屬于世界上嚴重干旱的國家，農業用水十分困難，因此在農業生產中采用的是最節水的滴灌技術。全套設備主要由壓差溶（儲）肥罐、排肥器、電動注肥泵、電控裝置等組成，近年來隨著電子技術的大量應用，向著精量化、智能化的方向發展，代表機型為以色列Neafim公司生產的系列產品。相應的滴灌施肥則是將液態肥加入灌溉水中，通過安裝在滴灌帶上的滴孔，均勻緩慢地滴入作物根系附近區域。滴灌施肥方式的優點是施肥量少、肥料利用率高且對環境污染較小，缺點是要配備相應的滴灌設備，初期投入資金較多，不適合于大面積條田裝備。目前中國只在降雨稀少的新疆地區得到了快速發展，許多農機生產廠家推出了水肥一體化機械設備，并且取得了良好的經濟效益。

1.1.3 液體肥料深施機械 液體肥料深施技術是將一定量的液態肥通過施肥機械均勻地施入土表下方60～100 cm處，確保農作物地下根系密集區域充分吸收養料，減少了液體肥的揮發和流失，并將對環境的污染降至最低。液態肥深施技術可以用在棉花、玉米等農作物種植上，這些農作物在生長過程中可以隨時施肥，不會對作物根部造成破壞，還能提高作物產量。液體肥深施機械設備是把液體肥料深施在土壤深層，接近作物的根系部分，對機械設備要求較高，但提高了肥料的利用效率，基本對環境無污染，施用方便，有著很好的發展前景。代表機型有美國約翰迪爾公司（John Deere）生產的2510 L型液體肥料施肥機，該型機作業幅寬20.1 m，肥箱容積 ? ? ? ?9 085 L，施肥深度508 mm，各項性能指標均處于世界前列。

1.2 國內研發現狀

中國液體肥料相對于國外使用時間較晚[4]，相應的施肥機械發展歷程較短。20世紀50年代初期開始使用手動噴霧施肥器;60年代中期逐漸開始使用動力機械;70年代中后期在引進國外先進農業機械的同時，開始研制國產機械，各種國產液態肥料施用機械相繼研制成功，促進了液態肥在農業領域的使用發展。

目前中國液體肥料施肥機械主要從國外進口，國產機型種類較少。新疆石河子原農業局研制出2FY-16型懸掛式液體肥料施肥機，第一師一團研制出2FYA-4.2-2型液氨施肥機，黑龍江省農業機械科學院研制出FY-400型多功能液態施肥機，東北農業大學研制出1YJ-140型深施型液態施肥機。上述國產機型在實際使用中均存在做工粗糙、排肥不穩定、工作效率不高、肥料浪費嚴重等諸多問題，和國外同類機型相比還有相當大的差距。

2 液體肥料施肥機械的結構及工作原理

2.1 中耕液體肥料施肥機

中耕液體肥料施肥機是集液態施肥、起壟、中耕除草、培土等功能為一體的施肥機，形成100～120 mm的開溝深度，通過調節節流閥的大小來保證液態肥料的均勻噴射，實現精量施肥。如圖1所示，中耕液體肥料施肥機由液肥供給裝置、中耕除草裝置和施肥裝置組成。其中，液肥供給裝置由液壓泵、肥箱、過濾器、節流閥、輸送管路、噴液控制閥等部件組成;中耕除草裝置主要由除草鏟和覆土裝置組成;施肥裝置由變速箱、傳動裝置、施肥機構等部件組成。工作時，由液肥分配器將液體肥料分配到各個施肥開溝器中，排肥管內的液肥壓力由調節閥控制，施肥開溝器的后部裝有輸肥管，輸肥管的下部有出肥孔，供液體肥料排出。

2.2 開溝液體肥料施肥機

深度開溝施肥機則可以完成開溝、施肥、覆土等一系列作業。該型機由圓盤旋轉式銑削開溝器沿機具前進方向旋轉銑削土壤，完成開溝作業，開溝深度為300～500 mm，達到深施肥的要求;同時，液壓限位裝置對開溝深度進行實時限定，保證溝深精度，整機結構如圖2所示。作業機具懸掛于拖拉機的后方，工作時由拖拉機動力輸出軸通過變速箱驅動圓形刀盤旋轉，刀盤兩側各裝6把切土彎刀，沿刀盤徑向均勻分布，對土壤進行銑削開溝作業，開溝的同時通過施肥裝置將液態肥料深施入溝底，最后通過覆土刮板進行覆土平整土壤。

2.3 圓盤式液體肥料穴播施肥機

圓盤式液體肥料穴播施肥機由葉片泵、高壓輸肥管、溢流閥和開穴施肥輪組成，如圖3所示。拖拉機動力驅動葉片泵，將液態肥料通過調壓閥輸入高壓輸肥管，輸肥管與開穴施肥輪的輪軸管連通，開穴施肥輪上安裝有多個導流開穴器呈等距徑向分布。安裝在軸管上的端面凸輪控制導流開穴器的閉合，當開穴器插入土壤之后，端面凸輪打開，液態肥沿導流開穴器注入土壤;當達到施肥量時，開穴器離開土壤，端面凸輪關閉，停止施肥。隨著開穴施肥輪轉動，下一個導流開穴器插入土壤，開始新一輪施肥作業。通過調節凸輪彈簧壓力和施肥開關初始位置控制施肥深度和施肥量大小，將液態肥料直接施入作物根系附近，實現精量施肥、提高工作效率、增收節支和減少土壤污染的效果。

上述幾種液態肥施肥機在使用過程中各有優缺點。中耕液體肥料施肥機可以通過調節節流閥控制施肥量的大小，施肥時不易發生堵塞，保證施肥質量;但其施肥深度只能達到100～120 mm，無法滿足深施肥的要求，并且施肥效率較低。開溝液體肥料施肥機由于擁有開溝機構，因此施肥深度可以達到300～500 mm，使作物根系對肥料的吸收率大大增加;但其機具配套功率較大，在土壤條件不好以及地表雜草、殘茬較多的情況下開溝碎土能力差，易發生纏繞堵塞現象，施肥作業質量得不到保證。圓盤式液態肥穴播施肥機實現了液體肥料精量控制和機具作業速度制約問題，減少了施肥量，提高了工作效率，但對機具加工精度和耕作土壤要求較高，故障率較高。

3 液體肥料施肥機械的發展需求分析

液體肥料施肥機是農業生產過程中重要的生產工具，也是大面積條田中被廣泛使用的農業機械。液體肥料施肥機整機重量分配較均勻，相對于固態肥料施肥機，對土地的壓實度和破壞程度較小，其液體噴施裝置能夠保證對作物葉面和根系進行均衡噴施[5]。液體肥料施肥機功率大，施肥效率高，單位面積作業油耗低，因而施肥過程成本較低。液體肥料箱容積較大，避免了施肥工作中因為肥箱容量不足而導致的頻繁加肥現象，尤其適合于對大范圍的田地進行施肥作業，提高了工作效率，對現代化的農業生產具有重要意義。

3.1 整體機具大型化

從國際市場施肥機械的發展趨勢看，大型施肥機械一直占據著市場的主體，這主要是為了適應現代農業高效率機械化作業的需求。目前，無論是固體還是液體肥料施肥機，作業幅寬均要達到15 m以上，配套功率均在150 kW以上，都在向大型化方向發展。雖然也有少量小型和無人機施肥機械，但均作為山區、丘陵、果園和家庭園林綠化的輔助設備，所占市場份額較小。

3.2 作業機具人工智能化

地理信息系統（GIS）、北斗衛星導航系統（BDS）和遙感技術（RS）的快速發展對農業機械也產生巨大影響，現代施肥機械也逐步向著精量化、自動化、人工智能化的方向發展。目前國外在田間移動式施肥機械中大部分都采用了精準變量施肥技術。而在滴灌施肥系統中，人工智能化程度則進一步提高，正向著無人操作執守的方向發展。

4 中國液體肥料施肥機械的應用現狀

由于中國地域遼闊，農業種植區域高度分散[6-8]，機械化作業程度整體偏低，基本上沒有液體肥料施肥機的專門生產廠家，目前市場上的施肥機械大部分是噴藥機的兼用機型，僅限于玉米、小麥、棉花的葉面噴施。分析中國液體肥料施肥機的發展現狀，總結主要有以下幾個特點。

4.1 科研成果的市場轉化率低

中國從20世紀50年代開始液體肥料施肥機的研制生產使用，樣機試制研究很多，但市場轉化率很低，截至目前也沒有形成大規模市場化生產。分析原因：①生產企業不愿承擔市場風險，沒有對液體肥料施肥機械進行推廣使用;②科研成果還沒有達到熟化使用階段，從科研成果到市場產品還有一定的距離;③中國液體肥料的產銷、使用、售后服務等各項環節還不完善，農戶對液體肥料的認可程度不高，也制約了液體肥料的進一步發展。

4.2 液體肥料施肥機應用難度較大

中國地域緯度跨度較大，南北氣候截然不同，農業自然生態環境各不相同，各地作物種植模式不一、品種繁多，也給統一使用農業機械帶來了相當大的困難。加之近年來，隨著根基施肥、近根施肥、精量施肥等農業技術要求的提出，施肥機械的應用難度進一步加大。而科研院所、農機生產企業等并沒有組織起足夠的科研團隊，不能夠開展與新的施肥技術要求相應的液體肥料施肥機械研發工作。因此液體肥料施肥機應用難度較大。

4.3 肥料深施機械市場需求大

為了能讓作物根系快速吸收養分，避免肥料浪費，現在肥料基本上都要求深施，特別是液體肥料，如果浮于地表，就會造成大量的氣體揮發，不僅降低了肥料的利用率，同時還污染大氣環境。近年來，隨著保護性耕作面積的增加，土壤不再每年都進行翻耕，在對土壤表層擾動較小的情況下，把液體肥料施入200 mm以下的土層中有一定難度，需要有相應的機械設備。隨著保護性耕作技術的推廣，液體肥料深施機械需求也會越來越大。

4.4 變（精）量施肥機械是未來方向

變（精）量施肥作業在國外已經是比較成熟的技術。中國近年來也進口了許多變（精）量施肥機械，但是其說明書、軟件大部分是英文界面，機手很難掌握。引進的變（精）量機具大多被用成了恒量機具，機械性能沒有被充分開發利用，造成了資源浪費。隨著中國精準農業的發展，研制開發國產的變（精）量施肥機械和必要的技術支持軟件，對中國農業技術水平的改進與提高有著重大意義。

5 結論與建議

5.1 結論

當前，在農業領域，肥料正在向復合化、高濃度、液態化、緩釋化的方向發展。由于液體肥料具有生產費用低、養分含量高、易于被農作物吸收、便于改變成分配比和機械化作業等諸多優點，越來越受到重視。世界上發達國家的農業集約化和產業化程度較高，具有機械化施肥的良好條件，因此，液態肥料得到了快速發展。中國肥料消費量一直穩居世界首位，但目前仍以化肥和廄肥為主，液態肥料所占比例很小，與農業發達國家相比還存在相當大的差距。因此液態肥料在中國具有廣闊的發展前景。

發展資源節約型和環境保護型農業具有重大意義，也是中國農業未來的發展趨勢。液體肥料的發展水平在一定程度上與國家的自然和地理條件、農業發展水平、肥料生產企業現狀以及農戶對液體肥料的認可度有很大關系。國內外現有成熟實用的施肥機型主要是液體肥葉片噴灑機具和固體肥料施用機械，而對肥料利用率較高、環境污染較少的液體肥料深施機械的相關研究很少。液體肥料深施機械目前在中國仍處于初始階段，具有較大的市場發展潛力。

5.2 建議

5.2.1 國家應加大對液體肥料施肥機的支持力度 自2004年中國實行農機購置補貼政策以來，國家農業部門在農戶購買農機具時提供了大量的優惠政策和相應補貼。這些措施的宣傳與推廣，極大地激發了廣大農戶購買農機具的熱情，有效提高了中國農業機械裝備的更新換代速度[9]。因此，在現階段農業生產發展過程中，國家政策應繼續加大力度支持液體肥料及配套農機具的推廣與應用。

5.2.2 應將國外技術與自主研發相結合 為了加快液體肥料施肥機械的研發制造與推廣使用進程，中國農機生產廠家應引進、消化、吸收國外農機具企業成熟的產品和先進的制造技術，生產出符合中國現有工藝條件和農業生態環境的液體肥料施肥機[10，11]。研發液體肥料施肥機械的肥料箱、施肥器和液壓設備等關鍵部件，從國外進口零部件逐漸過渡到國內廠家生產。通過研發生產科技含量較高的產品，掌握核心制造技術，最終形成液體施肥機械自主生產能力。

5.2.3 促進農藝和農業機械相輔相成 先進、高效的農業機械進行的大田作業必須符合種植農藝的規范，而種植農藝也必須適應機械化作業的要求，二者相輔相成。農機和農藝的有效結合才能使液體肥料的使用達到最佳效果，取得最好的費效比。

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