蔬菜施肥機械裝備現狀與發展趨勢

杜錚 郭翔 涂建東 劉海 李旭 張唐娟

導讀：蔬菜產業成為我國農業生產中的第二大產業。蔬菜種植面積廣，復種指數高，經濟價值好，但蔬菜種植機械化程度低，勞動強度大、成本高、效率低，嚴重制約蔬菜產業的發展，特別是在蔬菜肥料的撒施環節，機具少，且需求迫切。因此，結合我國蔬菜產業的發展現狀，介紹了蔬菜肥料撒施裝備的現狀，并分析了蔬菜肥料撒施裝備及施肥技術的發展趨勢。

產業化升級、規模化經營是當前蔬菜產業發展的必經之路，因此實現蔬菜產業機械化迫在眉睫。我國蔬菜機械化程度整體不高，綜合機械化程度不足30%，遠遠低于主糧作物的機械化水平。雖然部分機械如灌溉、旋耕、起壟機械等有成熟的機型，但施肥、播種、育苗、移栽、植保等關鍵環節的機械化程度仍有待提高，新機型的開發和推廣還需加強。其中，蔬菜施肥，特別是固態有機肥主要還是依靠人工操作，機械化程度很低。蔬菜生長需肥量較大，人工撒施工作效率低、勞動強度大、用工成本高，降低了蔬菜生產的效益。同時，人工撒肥均勻性差、難以控制、肥料利用不高，容易造成肥害等問題。本文對蔬菜肥料撒施裝備的現狀進行介紹，并對發展趨勢進行了充分分析，旨在為我國蔬菜產業實現全程機械化提供技術參考。

1 蔬菜產業發展現狀

近些年來，蔬菜產業已成為農業生產中的重要組成部分，是農業增效、農民增收和穩定農村經濟的第二大產業支柱。蔬菜生產是農業轉軌、農村產業結構調整和鄉村振興的首選項目之一。以筆者所在的湖北省為例，蔬菜產業規模位列湖北省四大千億級農字頭產業之一。2020年新冠肺炎疫情過后，湖北省蔬菜產業得到較快的恢復與增長，蔬菜和食用菌播種面積達到1 954萬畝（130.27萬hm2），產量4 119.37萬t，產值1 525億元。湖北省內現有蔬菜種植、加工企業、專業合作社等新型經營主體5 836家，其中省級龍頭企業120余家，蔬菜產業綜合能力在全國處于第一方陣，綜合產能除保障本省供應外，年調出量900萬t以上。特別是具有優勢的高山蔬菜，其產值約70億元，具有明顯的外向性，能有效地帶動武陵山區、秦巴山區等貧困地區農戶脫貧致富。

蔬菜產業種植品種繁多，農藝五花八門，機械化水平良莠不齊，生產標準化程度普遍不高，產業結構優化有待提升。從全國數據來看，設施蔬菜的面積占全國設施園藝面積的95%以上，但設施園藝機械化本身水平仍比較低，約在35%，遠遠低于主要糧食作物綜合機械化水平的60%。究其原因，蔬菜產業機械化發展面臨“三難”：①蔬菜種植品種多，農藝復雜，農機研制難；②蔬菜種植不集中連片，規模小，農機作業難；③裝備關注度不夠，現有技術儲備少，用戶選購難[1]。

2 蔬菜施肥機械的現狀及存在問題

2.1 蔬菜施肥機械的現狀

施肥機械主要發展開始于20世紀60年代，始用于北方大面積耕作過程中，將施肥與犁、耙、旋耕、播種等工序聯合起來，形成復式作業的機具；到20世紀80年代，由于生產力的發展，家庭聯產承包責任制的推行，出現了一些小型施肥專用機械，操作靈活，適合大田露天作業；近年來，隨著農村勞動力轉移到城鎮，適齡勞動人口越來越少，農業機械化水平亟待提高。在此契機下，施肥機械得到重視，不少廠家推出了相關的產品，比如上海世爾達生產的2F系列施肥機，極大地縮減了勞動力和施肥時間，但該機械只能用于撒施結晶狀化肥和粒狀化肥，具有一定的局限性，另外，施肥播種復式作業一體機也得到了極大發展（圖1）。目前，湖北省農作物（主要包含大豆、玉米、小麥、油菜等）播種多采用復式作業一體化完成，即在一次田間工作完成幾個環節的聯合作業。另外，我國很多設施灌溉建設公司早期通過引進國外先進設備，而后開展自研、生產水肥一體化相關裝備，推動了蔬菜種植環節中水肥一體化技術的普及[2]。特別是在蔬菜種植過程中，通過水肥一體化技術進行補肥效率高且易于控制（圖2）。因此，在蔬菜產業中施肥機械的研制和生產，主要集中在基肥的撒施環節。

圖1 蔬菜施肥播種機

圖2 設施水肥灌溉系統

目前，化肥撒施機械主要有撒肥機和犁底施肥機2種，主要用于基肥的撒施。撒肥機依據工作原理分為：離心圓盤式、氣力式和鏈指式3種，優點是撒施范圍廣、工作效率高。主要是在整地過程中，將肥料撒施到地面，再經過旋耕機進行旋耕，由高速旋耕刀片將肥料混入耕作層的土壤中（圖3）。這種施肥機械的特點：肥料與土壤混合效果好，但無法控制肥料的分布和施肥深度，達不到均勻施肥、深施肥的目的。此外，由于肥料隨機堆積，會對種子形成肥害。過量撒施肥料，還會造成肥料浪費，增加機具作業成本。為提高肥料使用效率，通常采用犁底施肥機進行肥料土壤深層施放。犁底施肥機由鏵式犁、肥箱、排肥器、導肥管、傳動裝置以及控制裝置等組成。工作過程中，排肥器將顆粒肥料根據設定量排出，通過漏斗和導肥管引導，肥料落入犁溝內，然后由犁鏵翻動土層，合墑器將肥料嚴密地覆蓋住，完成耕翻的同時進行基肥深施[3]。

圖3 離心式撒肥機

2.2 目前蔬菜施肥機械存在的問題

目前，市場上蔬菜施肥機械機型數量少，生產廠家有限，供給與需求并不匹配。究其原因，主要是施肥機械存在以下特點：第一，蔬菜種植過程中，農藝難以統一，蔬菜機械化工作剛剛起步，因此相應的機械少，機械化程度不高。第二，很多目前市場上流行的機型，多是將大田種植過程中使用的通用施肥機械縮小，并將其利用到蔬菜種植中（圖4）。第三，我國長期以來都有化肥生產適應施肥機械的現狀。雖然在農作物生長過程中，粉末狀肥料比顆粒狀肥料易于分解和吸收，但是由于缺乏成熟的粉狀肥料施肥機械，化肥生產廠家多生產顆粒狀化肥。第四，隨著生活水平的提升，人們對蔬菜的品質要求越來越高，有機肥取代化肥逐漸成為趨勢，特別是禽畜糞便、沼液沼渣等有機肥施肥機械的需求嶄露頭角。第五，隨著我國農業現代化的發展，蔬菜產業降低勞動強度，采用機械化種植將會逐步實現。采用智能自動化技術，施肥機能提高肥料的利用率，減少肥料對周圍環境的為害。

圖4 自走式撒肥機

3 蔬菜施肥機械的發展趨勢

通過前期資料的整理，國內學術領域對施肥機械的原理創新和樣機設計主要集中在以下幾個方面。

①對肥料復式撒施技術的研究，如實現耕整、施肥聯合作業技術研究。

②對變量施肥技術的研究，如王秀等[4]設計了一種懸掛式變量旋耕施肥機等。

③對秸稈還田后深施底肥的研究，如楊文勇[5]提出一種施肥機與旋耕機配合使用的旋耕施肥機，解決秸稈還田后底肥深施的問題。

④精量施肥技術的研究，如鄧春巖等[6]、梁文甲等[7]對比不同施肥機結構、精量施肥工作原理等關鍵技術，設計了一種從控制施肥量入手精量施肥機。

⑤多功能施肥機的研究，吳波等[8]提出一種能對壟進行中耕培土，并進行補肥的復式作業施肥機，并對整機結構及其關鍵部件的設計進行了研究。劉海等[9]針對類球型小粒徑種子的蔬菜生產用工量大，生產管理工序復雜、機具更替多等問題，設計了一種蔬菜聯合播種機。該機可實現施肥、旋耕、起壟、開溝、播種、覆土聯合播種作業，適用于旱地大田精量播種作業，有助于提高農業生產效率，降低勞動成本。

3.1 精準變量按需施肥技術

該技術相比普通施肥技術能實現即時按需變量施肥。該技術結合智能控制技術和環境監控定位技術，可以提高肥料的使用效率，減少肥料使用量，還可以促進農作物同步生長，達到減肥增效的作用。精準變量按需施肥技術在國外逐步趨于成熟，國內引進使用的精量施肥機不但成本高，還面臨缺乏相應的技術支撐的窘境。因此，開發和研制國產精量施肥技術裝備，對我國施肥技術的改進與升級很有必要。

3.2 有機肥均勻撒施技術

土壤中大量存在的有機質能顯著改善土壤的理化性狀，使土壤耕性變好，滲水能力增強，提高土壤蓄水、保肥、供肥和抗旱防澇能力，增加產量。增加土壤有機質的方法主要是增施有機肥，在土壤環境保護和改良中也起著舉足輕重的作用。同時，用有機肥種出的農產品口感佳，還能有效保持蔬菜等農產品自身特有的營養和味道。目前，在種植前施放基肥階段，提倡采用有機肥代替化肥，有機肥施用量在15 t/hm2左右。現有的有機肥撒施機自動化程度低，基本屬于粗放式撒施，肥料堆積容易導致農作物生長均勻性較差，甚至影響產量和商品性。因此需要研究有機肥均勻撒施技術，提高有機肥撒施的均勻性是設計和生產有機肥撒施裝備的基本要求。

3.3 小型電動遙控通用底盤技術

研究小型電動遙控通用底盤技術，一方面可以提高機械在設施蔬菜大棚里的通過性；另一方面，電動機械可避免燃油尾氣造成的棚內空氣污染，有利于改善大棚設施內作業的環境。將有機肥撒施裝備安裝在電動遙控通用底盤上，通過技術的融合，增大肥箱容積，使現有撒肥機結構更加緊湊，能在動力大小相同的前提下提高作業效率。

3.4 智能化控制技術

該技術根據實時的農田環境數據、農作物生長情況，借助于測土配方技術、專家系統、GPS定位技術、圖像處理技術、無人駕駛技術、人工智能等技術應用，自動控制農田設備，調節農田環境參數，進一步提高有機肥撒施的高效性、精準性，控制農作物生長情況。

4 小結

綜上所述，我國施肥機械的研制還處于起步階段，蔬菜有機肥施肥機械的探索更是缺少。近年來，我國蔬菜生產倡導以有機肥替代化肥，實施化肥減施，達到“提質增效”保護耕地目標的重要途徑。大力發展綠色農業、生態農業，推進化肥、農藥“雙減”，實現“機器換人”是蔬菜產業的趨勢。在農村勞動力越來越緊缺的條件下，如何高效地發展蔬菜產業成為難題[10]；因此，加強施肥機械的研制，根據不同作物的生長需求提高機械撒施肥料的利用率，具有重要的現實意義。施肥機械的推廣應用，是蔬菜全程機械化邁出的重要一步，帶動了蔬菜產業機械化、現代化、標準化的發展，為我國農業發展做出了巨大貢獻。