液體施肥機械發展現狀與現代農業關系分析*

張魯云，何義川，楊懷君，湯智輝，鄭炫，孟祥金

(1. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 塔里木大學機械電器工程學院，新疆阿拉爾，843300)

通訊作者：楊懷君，男，1983年生，吉林德惠人，碩士，副研究員，碩導；研究方向為農業機具理論與設計。E-mail： 258203931@qq.com

0 引言

我國是世界上水資源短缺的國家之一，而且全國降雨分布極不均衡，農業生產是高耗水產業，因此，發展節水農業是關系到糧食生產安全、國計民生的重大課題。隨著近年來農田節水技術、水肥一體化、膜下滴灌等技術模式的推廣應用，液體肥料的使用取得了較好的效果。近幾年我國農業生產中噴(滴)灌面積迅速擴大，全國已達247萬hm2，既節省了寶貴的水資源，提高了水肥的利用率[1]，又滿足了農業可持續發展的要求。

農業生產實踐表明：水肥一體化技術的應用是目前解決我國干旱、荒漠、丘陵、山區缺水、灌溉和施肥困難的最有效的途徑和形式之一。各地可以根據自然環境實際情況選擇相應的技術模式，不僅可以取得較好的經濟效益，而且充分利用邊緣、廢棄土地，建設資源節約型和環境友好型社會。近年來，我國已經把液體有機肥的施用列為重點發展規劃[2]，農業部也已經將液態肥料的使用列為我國農業領域重點推廣項目。在我國農業領域大力推廣水肥一體化技術的今天，與之相配套的液體肥料和相關機械設備的研發與應用也逐步開展。

以免耕、少耕播種和秸稈還田為主體的保護性耕作技術，近年來在國際上被視為現代農業的一次技術革命，已經被越來越多的國家所接受認可。經過十多年的生產實踐和大力推廣，適合于我國農業特點的保護性耕作技術已經逐步建立發展起來。但是從整個保護性耕作技術體系角度上分析，仍然有許多不足之處，需要進一步改進和完善。其中經多年保護性耕作之后，病蟲草害的綜合性防治是最為薄弱的環節之一。液體施肥—打藥噴霧一體機，一機兩用，既提高了機具的利用率，又為保護性耕作技術的推廣實施提供了有力的保障。

本文系統闡述了液體施肥機械的發展歷程，分析了其與現代農業的密切關系，國家應制定相應的優惠政策，盡快掌握核心技術，農業產業結構優化完善，農機和農藝的有效結合，發展高效、低碳的綠色農業。

1 國內外液體肥料施用機械發展現狀

1.1 國外發展現狀

國外對液體肥料的研究最早開始于20世紀30年代，在農業生產中使用液體肥料首先在美國得到應用。美國農業很早就開始使用液氨等液體肥料，及相應的液肥施用機械設備。主要由液體肥料罐、排肥分配器、施肥開溝器和覆土裝置等組成。目前，農業發達國家都已經大規模普及液體肥料，液體肥施用機械品種繁多，功能齊全，完全實現了機械化作業。

如圖1所示為3320型自走式液體施肥機[3]，發動機額定功率162 kW，功率大、燃油消耗低、性價比較高。配有更大的油箱和肥(藥)箱，肥箱容積可達3 028 L，比同類機型大20%左右，減少了作業中加肥(裝藥)次數，顯著提高了田間實際工作效率。整機采用駕駛室+肥箱+發動機科學合理的布局，重量分配均衡，防陷性能好，對土壤壓實度小，機具在惡劣工作環境條件下通過性更高。底盤距離地面132 cm，實行高地隙作業，進行施肥噴藥時不影響作物生長。噴肥(藥)控制采用凱斯專利技術，噴霧作業的防漂移和防后滴效果更好。變速箱采用全負載變速系統，無級變速驅動，最高時速可達48 km/h，四輪驅動和先進的飛機地輪式減震系統確保整機高效作業，是當今世界上比較有代表性的先進液體施肥(藥)機。該型機比較符合我國的農業生產實際情況，是實行機械化作業的大(中)型農牧團場和農機合作社的理想機具。

圖1 3320型液體施肥機Fig. 1 3320 liquid fertilizer applicator

1.2 國內發展現狀

我國液體肥料使用相對于國外時間較晚，相應的液體肥施用機械發展歷程較短[4]。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，開始研發國產機械，各種國產液體肥料施用機械相繼研制成功，促進了液體肥料在農業領域的使用發展。目前我國液體肥施用機械主要從國外進口，國產機型種類較少。國產機型在實際使用當中均存在著做工粗糙、排肥不穩定、缺少電子監控裝置、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是有著相當大的差距。

2 液體施肥機械與畜牧業發展關系分析

2.1 國外液體施肥機械與畜牧業發展現狀

歐美國家的農業和畜牧業都非常發達，和我國的散戶耕種和游牧方式不同，農業采用大農場耕種方式[5]，而畜牧業則采用固定牧場方式。農業和畜牧業全部都已經實現了機械化生產，并且已經形成了完整的配套產業。將畜牧業產生的糞污運送到化糞池統一進行處理，施肥時，先用攪拌機械將化糞池里的水分、糞污、沉淀物均勻攪拌，然后用抽吸裝置將液體肥料吸到儲肥罐內，如圖2所示，再將液體肥料運送到農田由液體施肥機械進行撒播，如圖3所示。而化糞池底部的固體肥料經過沉淀、固化、粉碎之后收集到肥料撒播車上，由固體肥料撒播車進行運輸和撒施，對畜牧業所產生糞污全部進行無公害處理。

圖2 吸肥作業Fig. 2 Fertilizer absorption operation

圖3 履帶式液體撒肥機Fig. 3 Crawler type liquid fertilizer spreader

2.2 我國液體施肥機械與畜牧業發展現狀

隨著近年來我國經濟的快速發展，國民經濟消費水平也持續上升，人們對肉、蛋、奶等動物蛋白質的需求逐漸增加,截止2019年底，豬、牛、羊等大型牲畜約為9.63億頭[6]。但在我國畜牧業快速發展、農牧民增收的同時，也伴隨著每年大約38億t的禽畜糞污產生，其中有40%左右的糞污沒有經過處理就直接排放到自然界，畜牧養殖污染現狀已位居農業污染源首位。禽畜業所產生的大量未經處理的糞污對大氣、土壤和地下水等生態環境造成嚴重污染，成為江河、湖泊、水源地營養富華的主要原因[7]，同時也對人類健康和禽畜業本身造成巨大危害。統計數據表明：禽畜糞便排放量已達到工業固體廢棄物排放量的2.4倍，成為造成環境污染的主要因素之一。

習總書記在2016年12月21日主持召開的中央財經領導小組第14次會議強調要“加快推進禽畜養殖廢棄物處理和資源化”，十九大報告中也提出“要推進資源節約和循環化利用”“像對待生命一樣對待生態環境”。公務員辦公廳印發了相關《意見》，共13條，分為總體要求、建立健全禽畜養殖廢棄物資源化利用制度[8]、保障措施三部分。這是我國畜牧業發展史上第一個專門針對畜禽養殖廢棄物，處理和利用出臺的指導性文件。到2020年建立起科學規范、權責明確、約束有力的禽畜養殖廢棄物資源化利用制度，全國禽畜糞污綜合利用率和規模化養殖場糞污處理裝備配套率分別達到75%和95%以上，這表明養殖業糞污的無害化處理已經成為亟待解決的重大問題。

將養殖業中產生的禽畜糞污通過化糞池轉化成液體肥料，再將液態有機肥料撒施到農田里，不但能夠提高土壤的生物活性、改善土壤結構、提高作物產量，還對養殖業產生的廢棄物進行了資源再利用，有效的保護了生態環境。我國近年來已經把液態有機肥的使用列為重點發展規劃，農業部也已經把液態肥料的生產使用列為我國農業領域“十四五”計劃重點推廣項目。如圖4所示為9YPE-10型液態肥撒播機[9]，該型機由拖拉機進行牽引行走，采用真空泵作為動力來源，完全實現了液態肥的自動吸取和機械化撒施作業，是目前國內比較先進的液體施肥機型。

圖4 液體施肥機Fig. 4 Liquid fertilizer applicator

3 液體施肥機械與林果業發展關系分析

3.1 國外液體施肥機械與林果業發展現狀

歐美蘇等農業發達國家從上世紀四五十年代就開始大力發展林果業液體施肥機械技術裝備，經過半個多世紀的發展，農機與農藝相互結合較好，果園的標準化種植程度較高，現在果園機械化液體施肥的技術已經十分成熟[10]。目前國際上比較前沿的果園液體施肥技術包括變(精)量施肥、分層施肥、測土配方施肥等。變(精)量施肥技術是將土壤特性、病蟲害情況、天氣狀況等相關因素與作物的生長過程相結合，在增長、保質的情況下，做到精準施肥的新技術。分層施肥技術是根據植株根系的實際生長狀況，將液體肥料施加到不同的深度，更加有利于根系對養料的吸收。測土配方施肥技術是結合土壤養分特征和作物吸肥特性兩方面因素，將氮磷鉀等養料成分溶于液體根據實際情況按比例配比的新型施肥技術。

美國生產的果園液體施肥機配備計算機輔助控制系統，能夠根據實際作業情況，具有精準控制施肥量和下肥深度、自動調整開溝角度和深度、躲避障礙物等多項功能[11]。機具采用靜液壓驅動裝置，能夠適用于惡劣的作業環境，并且工作效率高。日本、韓國、意大利等以山區丘陵地形為主的國家，由于受到山區道路和地形起伏等自然環境因素的影響，多采用配套動力在2.2～5.5 kW的小型果園液體施肥機，功耗低、結構緊湊，能夠在山區丘陵和果園狹小低矮的環境中工作。近年來，歐美等發達國家在果園液體施肥機上安裝各種傳感器和智能處理系統，通過3S技術對果樹、土壤、大氣進行實時監測，計算出相應的液體施肥(藥)配方，從而完成對果樹的精準施肥(藥)。

3.2 我國液體施肥機械與林果業發展現狀

近年來，我國果園種植面積和規模不斷擴大，果園管理的機械化程度也在不斷提高，果園液體施肥機械也相應得到了快速發展。針對果園的種植、中耕、開溝、施肥、植保、采摘等一系列亟待解決的實際問題，國內高校和研究院(所)做了大量的工作，研制出多種樣機，其中有些機型已經投入實際生產，并取得了良好的經濟效益，如圖5所示為一種國產新型果園液體施肥機。

圖5 果園液體施肥機Fig. 5 Orchard liquid fertilizer applicator

金華市農業機械研究所的張加清等針對設施園藝的情況研制出1KF-20型開溝施肥機，該型機由柴油機提供動力，經變速箱將動力傳至開溝、施肥和行走機構，整機布局合理，操作便捷，可以同時實現開溝、覆土、施肥三道工序，具有作業效率高，省油省工省力的特點。西北農業科技大學的韓冰、劉雯等研制的果園挖坑施肥機。該型機采用后懸掛方式懸掛于拖拉機后方作業，由拖拉機后部動力輸出軸將動力傳至施肥機變速箱，再經錐形傳動齒輪分別將動力傳至挖坑和施肥裝置。工作時，螺旋鉆將土壤輸送至土壤收集器，收集器中的土壤與肥箱中的液體肥料充分混合，然后一起回填進鉆坑，實現了鉆坑、施肥、覆土一體化作業。在挖坑覆土的同時，實現了土壤和肥料的有效融合，大大提高了液體肥料的利用效率。

果園施肥作業是林果業生產中十分重要的環節，對提高果品質量和增加林果產量起著重要的作用。隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對果品的要求也從溫飽需求型向品質需求型轉變。高品質的水果要求更加科學合理精準的水肥管理方式，施肥不當將會嚴重影響水果品質。目前，我國果園施肥作業中還存在著工作效率不高、機械化程度較低、肥料配比不科學、施肥深度不合理等一系列問題，不僅造成了肥料的浪費和環境污染，還影響了果樹對營養物質的吸收，從而造成水果品質的下降。發展適合于我國特色林果業現狀的果園液體施肥機械可以減輕勞動強度、提高果品質量、增加經濟效益，對林果產業的健康可持續發展具有積極的推動作用。

3.3 液體施肥機械與林果業發展

林果業是我國農業的重要組成部分，長期以來，我國水果種植面積和產量均穩居世界前列。以水果生產種植大省新疆為例：2017年全疆各種特色林果種植面積為146.67萬hm2,總產量達到1 000多萬t，總產值達到700億元，在特色林果種植面積較大的地州、縣市，林果業收入已占農戶人均收入的45%以上，與此同時，全疆有530萬以上的從業人員從事特色林果業的生產經營銷售。由此可見，林果業已經逐漸成為我國農業經濟發展的支柱產業，在農民脫貧致富增收中占有十分重要的地位。

在果樹種植階段，合理施肥是提高果樹產量和品質的關鍵[12]。長期以來，我國在果園施肥中多以固態、化學肥料為主，在施用中一直存在著利用率低、肥效緩慢和水土污染等問題，特別是在氣候干旱、水資源短缺地區，果樹生長受到嚴重影響。果樹所需養料得不到滿足，品質和產量都達不到標準，不僅消耗了大量肥料，還容易造成燒根或者是枝葉徒長。究其根本原因，還是肥料配比不合理和施肥方式不科學。果樹在不同的生長階段所需的營養成分和用量都不盡相同，這就需要根據果樹的需肥量和根系分布等諸多因素，進行更加科學的水肥管理，提供充足的養料成分促進果樹的生長發育。

液體肥料可以方便快捷的掌握用量和成分配比，能夠隨時準確控制肥料用量，確保適時精準施肥。根據果樹不同的生長發育階段對養料的需求情況，設定合理的配比濃度、肥料成分和作業時間，使用液體施肥機械進行施肥作業。將液體肥料通過施肥機械直接施加到果樹根系部位，有利于植物對養料成分的吸收利用，實現集中有效供肥，充分發揮肥效。這不僅避免了撒施化肥、固體肥料所造成的養分流失、不易溶解、污染環境和土壤板結固化等問題，還減少了人工、水費和肥料的成本投入。

4 液體施肥機械與現代農業發展關系分析

4.1 液體施肥的技術優勢

從全球范圍來看，《2017年全球糧食危機》(Global Report on food crises 2017)報告中指出，糧食問題已經成為全球問題，各國都為解決這一嚴峻問題做出了積極的努力[13]。但是由于水資源日益匱乏且污染嚴重、肥料利用效率不高、勞動力短缺等因素，再加上全球人口逐年增長，糧食安全問題成了重中之重。以液體施肥為代表的新型水肥一體化技術，可以有效地保障全球糧食安全并推動農業的現代化發展。

與傳統的固體肥料相比，液體施肥技術具有節肥、省水、高效、環保的特點，具有以下技術優勢。

1) 水肥用量容易保持均衡：因液體肥料有易溶于水的特性，可以根據作物的生長特點和規律，液態肥料隨時供給作物各個階段所需營養成分，保持肥水用量均衡。

2) 節水、省肥，節約成本：液體施肥技術可以從作物根部直接進行營養供給，相對于固體廢料，有效減少水肥的浪費。研究結果表明，液體施肥量僅相當于傳統固體施肥用量的一半，而且用水量減少三分之一左右。

3) 省工、省時，提高工效[14-15]：液體施肥技術將澆水、施肥一同進行管理，達到了節省工序的效果。南方丘陵果園地區采用水肥一體化技術之后，節省人工95%以上，澆水時同步完成施肥作業，十分有利于果樹的生長發育和果品產量。

4) 改善土壤物理結構：相對于固體肥料，液體肥料容易使土壤中微生物保持活性，濕度維持穩定，有利于肥料養分發酵分解轉化，便于植物吸收利用。

5) 有利于保護自然生態環境：液體施肥技術的使用，減少了肥料的使用量，提高了肥料的利用率，減輕了施肥時對土壤、大氣和水源的污染。

6) 減輕病蟲草害的發生：可以通過往液體肥料中添加藥物，降低作物病蟲草害的發生。

7) 提高農作物產量和品質：以施加液體肥料為代表的水肥一體化技術，可以有效節省各種農資投入成本，對農業產業全程實現精準種植管理，最大限度的發揮農作物的生長潛力，提高作物產量，保證產品收益，達到低投入高收益的最終目標。

4.2 液體施肥技術分析對比

液體肥料施肥方式可以分為地表和地下撒施。地表撒施液體肥一般是通過配備液體噴頭的撒播機械進行作業，或是通過施肥機尾部的施肥管進行地表施肥，或是通過在尾管前端加裝分撥器的移動靴進行施肥作業。地下撒施液體肥料常見的的有開溝靴鏟噴灑方式，蝶形開槽噴灑方式，曝氣開槽噴灑方式和鑿鏟式開槽噴灑方式。不同的應用領域和影響因素，使用不同的施肥技術。這些影響因素包括：土壤類型、土壤條件(施肥深度、砂石含量、濕度和硬度)、地理條件(坡度、地塊大小和土地平整度)，以及液體肥料的類型和成分。具體情況對比分析如表1所示。

表1 常見施肥技術對比分析Tab. 1 Comparative analysis of common fertilization techniques

4.3 液體肥料對土壤改良效果明顯

受到光蝕、水蝕、風蝕等自然因素和過度種植、過度放牧等各種人為因素的影響[16]，導致的土地退化已經成為我國乃至世界農業可持續發展所面臨的主要問題，而相應因素所導致的土壤鹽堿化和次生鹽堿化則是土壤退化的主要原因。我國新疆、東北以及華北地區擁有的大面積鹽堿化土地，因無法耕種而變成了荒地，對當地的經濟、糧食作物的生產造成了極其嚴重的影響。

鹽堿化嚴重的土地，土壤中的鹽分離子會形成較低的土壤溶液滲透勢能，使根系吸收不到水分，造成作物生理干旱。另一方面，土壤中過多的鈉離子會對作物產生離子脅迫[17-18]，改變細胞蛋白質和ATP酶活性，影響細胞膜的通透性和新陳代謝。其次，土壤過高的PH值在很大程度上會影響養分的有效吸收性。這些諸多因素都會顯著影響作物的生長發育，從而使鹽堿化嚴重的土地成為無法耕種的荒地。

多年田間實地測試研究表明，有機質能夠有效降低鹽堿地PH值，提高土壤養分利用率，同時促進脫鹽，抑制返鹽，保證作物正常生長。液體復合肥是近年來發展較快的一種新型肥料，相對于固體肥料，液體肥料易溶于水和被作物根系吸收。還可根據土壤性質調整養分配比和酸堿度，同時亦可添加氨基酸、黃腐殖酸等活性有機物質，從而起到改善鹽堿土地物理性質、釋放土壤養分活性、促進作物生長的作用。

4.4 液體施肥機械的發展趨勢

肥料作為“糧食的糧食”，是農業生產的重要物資投入[19]，是農作物增產的主要物質基礎，其合理使用和利用效率直接影響著作物的產出、農民的收益、生態環境的質量和農業的可持續發展。但是傳統的固態肥撒播施肥方式，不僅易使肥料養分揮發和流失，產生資源浪費，而且流失和多余的肥料成分使得土壤板結、水體氧華、大氣污染。液體肥是含有多種作物所需營養元素的新型肥料，使用液體肥深施技術，讓液體營養元素直達作物的根系部位，促進了根系發育，增強了作物的吸收水分、養分和抗旱能力。

變量施肥技術是精準農業作業體系中的重要組成部分，實現按需變量全面平衡施肥，減少了肥料的用量和浪費，提高了肥料的利用效率，減輕了施肥時對環境的不良影響，經濟、社會和生態效益非常顯著。變量施肥作業在國外已經是比較成熟的技術，我國近年來也進口了許多變量施肥機械。但是，其中的說明書、軟件大部分是英文界面，我國機手很難掌握。引進的變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。隨著我國精準農業的發展，研制開發國產的變量液體施肥機械和必要的技術支持軟件，對我國農業技術水平的改進與提高有著重大意義。

5 發展液體施肥機械的建議措施

5.1 國家加大對液體施肥機的支持力度

自2004年我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[20-21]，都極大地激發了廣大農戶購買農機具的熱情，有效提高了我國農業機械裝備的更新換代速度。因此，在現階段農業生產發展過程中，國家農機貼補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 國外技術和自主研發相結合

為了加快液體施肥機械的研發制造與推廣使用進程，我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，生產出符合我國現有工藝條件和農業生態環境的液體施肥機。研發液體施肥機械的肥料箱、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，最后形成液體施肥機械自主生產能力。

5.3 農業產業結構的優化亟需液體肥及其相配套設備

隨著我國農村城鎮化建設的發展，農民外出打工，農村勞動力短缺，土地集中規模化耕作，保護性耕種技術的實行，智能精準農業的發展等農業產業結構的調整和升級，都離不開液體肥料與其相配套的各類農機具。

5.4 加強完善農藝和農業機械之間的相互結合

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、相互依存。但是我國農業種植品種各異，生態環境差異很大，種植模式大多不符合機械化作業。因此，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，取得最高的費效比。

6 結論

當前，在農業領域肥料正在向復合化、高濃度、液態化、緩釋化的方向上發展。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，越來越受到廣泛使用普及。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。我國自古以來都是傳統意義上的農耕國家，肥料消費量一直穩居世界首位。但在每年肥料的消費中，多以化肥和廄肥為主，液態肥料所占比例很小，與農業發達國家相比還存在著相當大的差距。因此，我國液態肥料具有廣闊的發展前景。

發展資源節約型和環境保護性農業機具有重大意義，也是我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相關研究很少。液體肥料深施機械目前在我國仍處于初始階段，具有較好的市場發展潛力。