我國大田作物有機肥撒施裝備研究現狀及發展趨勢*

許斌星，陳永生，陳明江，馬標，高琪珉，吳愛兵

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國主要的大田作物有小麥、水稻、玉米等，它們是我國糧食安全的保障、人民的生命線，實現產業升級和推動農業現代化的主要途徑，同時已成為農村經濟增長的重要支柱[1]。隨著我國農業逐漸發展壯大，并在國家政策大力支持下，大田作物種植正朝著規模化、集約化發展[2]。現階段，我國主要的大田作物主要還是依靠化肥投入，以達到增產的目的，年復一年的大田農作物種植，化肥的過度使用，破壞了土壤的結構，消耗了土壤中大量的有機物質，同時消耗的有機物質得不到及時地補充，導致土壤逐漸貧瘠，需要對土壤進行休耕改良。有機肥作為基肥進行土壤改良是一有效途徑，但有機肥還田存在人工強度大、效率低、用工多、成本高等問題，針對不同形狀的有機肥與不同的大田工作環境，需要配套相應的大田有機肥撒施裝備[3-4]。基于我國的基本國情，本文介紹和分析了我國現有的大田作物有機肥撒施裝備的研究現狀與發展趨勢。

1 大田作物產業發展現狀

我國耕地面積排世界第三，僅次于美國與印度，其中農作物總播種面積每年基本維持在165 000 khm2左右。伴隨產業結構的調整，主要農作物(糧食作物)播種面積每年基本穩定在115 000 khm2左右[5]，占總的播種面積約70%，地塊面積較大、較為集中，機器換人勢在必行，以主要農作物為代表，目前基本實現了產前、產中、產后全程機械化作業，部分環節機械化程度較低。

其中在施肥環節，目前國內主要使用的是化肥，國內的化肥產量已居世界首位，化肥消耗量也是世界首位，化肥施用不合理問題與我國糧食增產壓力大、耕地基礎地力低、耕地利用強度高、農戶生產規模小等相關，也與肥料生產經營脫離農業需求、肥料品種結構不合理、施肥技術落后、肥料管理制度不健全等相關。過量施肥、盲目施肥不僅增加農業生產成本、浪費資源，也造成耕地板結、土壤酸化[6]。經濟的發展與社會的進步使得廣大群眾逐漸提升生活水準要求，更青睞于有機食品。相比于普通類型的食品，使用有機肥料的食品更為綠色健康。實施化肥使用量零增長行動，是推進農業“轉方式、調結構”的重大措施，也是促進節本增效、節能減排的現實需要，對保障國家糧食安全、農產品質量安全和農業生態安全具有十分重要的意義，為此，國家出臺了一系列的土壤保護政策，提出以有機肥代替化肥行動，所以研究固體有機肥高效還田機器在大田中的應用具有重要意義。

2 大田作物撒肥機研究現狀

根據撒肥機構結構分類，主要包括錘片式撒肥機、輥式撒肥機、圓盤撒肥機三大類，其中錘片式包括單側與雙側拋撒兩種；輥式包括立輥與臥輥兩種，其中輥的個數有單個、雙個；圓盤式包括單元盤與雙圓盤兩種，這三大類撒肥機均有履帶自走、拖拉機牽引兩種動力驅動。

大田有機肥撒肥機目前市場所見大部分為拖拉機牽引，以立輥式、臥輥式、錘片式等為代表機型，主要包括箱體、輸肥部件、喂肥部件及撒肥部件等，主要工作原理：拖拉機動力輸出，料箱內的肥料隨著輸肥部件整體輸送肥料，通過喂肥部件進行肥料調節按需喂肥，最后通過撒肥部件拋撒還田[7-10]。

2.1 國外大田有機肥撒肥機現狀

由于有機肥撒施作業勞動量大，環境條件惡劣，歐美等發達國家在有機肥施用機械方面研究起步較早，在實現農業機械化的早期，就有了簡易的畜拉式堆肥撒布機。到20世紀30年代，施肥機械的研發制造就已經初具規模，70年代已經研發生產了一定數量的用于有機肥與化肥儲存、裝卸、運輸及田間撒施作業的各類機具，基本實現了有機肥施肥全過程機械化。在歐美發達國家有機肥一般為廄肥，其施用方式一般為撒施。目前，國外廄肥撒施機械已經達到較高的技術水平，并向大型化發展，肥料箱的裝肥量可以達到29 m3以上，撒幅寬度可達到24 m以上。其結構主要由肥料箱、輸肥裝置、動力傳遞裝置、拋撒裝置等組成。其中動力主要以大功率拖拉機為主，輸肥通過液壓整體推送或者鏈條整體向前輸送，喂肥通過液壓開合板調節肥量，最后撒肥部件撒肥。

2.1.1 立輥式撒肥機

立輥式撒肥機一般有雙立輥式與四立輥式兩種，其葉片有仿爪型和帶刀螺旋式兩種，通常撒肥圓盤固接于立輥底部并同步轉動，可對底部肥料進行寬幅撒施。由鏈條整體輸送肥料，根據地塊肥量需求調整開合板，最后通過帶有一定傾斜角的立輥將肥量拋撒出。整體體積較大，適合于大地塊平原作業，一般用于撒施粉狀肥、廄肥等。

此類機型主要優點裝載量大、撒肥機撒施幅寬較大，適合于規模化農牧場投入使用，撒施效率高，破碎效果好；撒施均勻性不夠，需要配到大功率拖拉機及大型上料裝載機[11-12]。法國某公司生產的固體有機肥撒播車(M20)，該系列拋撒機有12種型號，肥料箱體積8～24 m3，最低施肥幅寬6 m，最大工作幅寬20 m，部分型號配有液壓控制的側導流板，通過調整導流板的開合程度以調整撒肥幅寬，調整導流板的升降高度以調整撒肥量或調整高度至只留出立輥圓盤式拋撒裝置的圓盤部分，用以拋撒輕質有機肥料，如灰、家禽糞渣和較低含水率的堆肥[4]。德國某公司的推卸式廄肥拋肥機，其輸肥機構采用液壓推進機構，無需裙板鏈條，減少了運動零部件，輸肥平穩、快速，使用壽命長。

2.1.2 臥輥式撒肥機

臥輥式撒肥機整體結構與立輥式撒肥機類似，主要區別在撒肥部件橫置安裝，由液壓整體推送肥料，根據地塊肥量需求調整開合板，最后通過帶有一定傾斜角的立輥將肥量拋撒出。其中根據橫輥的個數分為單輥、雙輥及3輥，其中3輥應用較少。此類機型主要優點是整機整體高度較低，便于裝卸物料，液壓推送實現強制排肥，無論肥料特性如何，皆可排出，從本質上解決了肥料架空與堵塞等問題。但存在液壓部件成本與維護費用較高問題，針對大型農場工作效率顯低[13]。445臥式槳葉式農家肥施肥機，它采用液壓背推式輸肥機構輸肥，臥式槳葉拋撒機構切削拋撒肥料。優點是作業寬幅大，車身低矮，便于裝卸物料，相對于立式消耗功率較小[8]；如MS240撒肥機，采用鏈板輸肥機構，結構復雜、對輸肥機構磨損較大。

2.1.3 錘片式撒肥機

錘片式撒肥機一般是大型的側拋式撒肥機，箱體呈V型，通過絞龍進行輸肥，輸送至沿絞龍垂直方向，當物料被送至卸料口時，錘片高速旋轉，對物料進行撕裂、破碎，最后沿卸料口甩出[14]。適用的肥料為塊狀廄肥、墊床物料等，特別是當物料含水率較高時，相對其他拋撒機構效果較佳。此類機型主要的優點是拋撒距離遠，沿地塊周邊行走，減少了機器在田間的行走次數，從而減輕對土壤的壓實作用，然而在拋灑過程中，物料是呈弧線拋出，當物料的含水率過低時，易受外界環境例如風等的影響，從而影響其拋撒的均勻性。典型機型有ProTwin8150側式撒肥機，其拋撒幅寬可以通過幅寬調整板自由地改變拋撒寬度，拋撒寬度一般為0.9～15 m，料箱容量為19 m3，最大載重為22 680 kg，攪籠直徑為61 cm，錘片數為18片，所需拖拉機功率要大于16.5 kW[15]。

2.2 國內大田有機肥撒肥機現狀

2.2.1 立輥式撒肥機

東北農業大學呂金慶等[16]研究設計了一種帶撒肥葉片的立式有機肥螺旋撒肥裝置，以撒肥均勻度和撒肥幅寬為試驗指標，以螺旋軸轉速、撒肥圓盤傾斜角度、螺旋葉片螺距為試驗因素，得到當螺旋軸轉速為385 r/min，撒肥圓盤傾斜角度為16°，螺旋葉片螺距為360 mm時，撒肥均勻度橫向變異系數為14%，撒肥幅寬為8.1 m；北京市農業機械試驗鑒定推廣站禹振軍等圍繞影響雙螺旋式有機肥撒施機撒施糞肥效果的作業參數進行研究，以ADS120型有機肥撒施機作為樣機，分別利用仿真建模分析與試驗驗證的方法，對有機肥撒施機在不同作業速度、推板速度、螺旋轉速條件下的撒肥量、作業效率及撒肥均勻性進行分析。三因素正交試驗結果表明：作業速度是影響撒肥量和施肥效率的主要因素，螺旋轉速是影響撒肥寬度的主要指標。

不同滲漏強度下水稻株高變化顯示(見圖2)：分蘗期-拔節孕穗期，各處理生育前期株高增長迅速，且處理間非常接近；進入抽穗開花期，株高增長速率變緩直至趨于平穩，此時株高呈D3>D2>D1；乳熟期后水稻株高變化較小并趨于平穩，最終水稻株高呈D3>D2>D1。不同處理之間水稻株高差異極小。

2.2.2 臥輥式撒肥機

我國大田撒肥機發展較為落后，主要以引進與仿制為主，目前國內科研院所也有了相應的研究成果，東北農業大學崔亮[8]設計了一種采用地輪驅動輸肥的農家肥拋撒機，對地輪驅動、剛性輪行駛阻力進行闡述，對地輪驅動輸肥過程中的地面參數和機具的結構參數間相互影響進行了仿真計算。剛性輪運動阻力模型的仿真在數值呈線性變化的垂直載荷條件下，運動阻力隨著垂直載荷的增長而成指數增長。農業農村部南京農業機械化研究所馬標等根據有機肥撒施機整機設計目標，對撥料輥進行了設計，并計算優化了撥爪式撥料輥撥爪的折彎角、排列間距及排列方式，得到最佳設計參數。上海某公司引進日本技術生產的TMS10700型廄肥施肥機，其最大裝卸重量為8 600 kg、撒布寬度為4 m、工作速度為3～7 km/h、撒布量為17 910～99 507 kg/hm2、適應拖拉機功率為59～92 kW，驅動轉速為540 r/min。北京市農機鑒定推廣站研制的2F-5000 型鏈耙刮板式大肥量有機肥撒施機，拖拉機動力通過動力輸出軸傳遞給蝸輪蝸桿減速機(減速換向)，再通過半軸鏈輪(減速)帶動棘爪撥動鏈耙刮板主動軸棘輪轉動，實現車廂內有機肥料整體前移[17]。前移的肥料通過出料口上方的2根旋轉刮料輥剃刮下撒到農田中，實現有機肥料大量均勻撒施；2F-5000型施肥機在裝肥方式、防肥料架空性、防止施肥過程中的揚塵等方面有一定優勢。東北農業大學王慶慶[4]分析了新型農家肥拋撒機的工作機理，并進行拋撒性能試驗研究，得到了對于均勻度變異系數及撒肥幅寬，因素的影響主次順序為拋撒轉速、拋撒機行走速度、刮板間距。

2.2.3 錘片式撒肥機

東北農業大學劉宏新等[18]為解決現有錘片式有機肥側向撒肥機關鍵部件可靠性較低等問題，設計以傾斜對置圓盤為關鍵部件的有機肥側拋機，通過臺架試驗修正參數，當圓盤安裝角度為73°，刮肥板安裝角度為4°，圓盤轉速為570～600 r/min，該撒肥機可達到與錘片式撒肥機相同作業效果；吉林農業大學施繼紅等[19]以螺旋式撒肥器為研究對象，采用試驗優化設計的方法，研究了撒肥器的轉速、螺旋的螺距和肥料的輸送速度對拋撒性能的影響。結果表明：轉速為375～400 r/min、螺距為340 mm、輸送速度為12 mm/s能使有效幅寬滿足設計要求，不均勻度較小。

2.2.4 其他撒肥機

山東省農業機械科學研究院褚斌等[7]設計了一種適用于高含水率畜禽糞便堆漚有機肥的側向撒肥機，通過多因素水平正交試驗，設定拋撒轉速、施肥機行走速度、拋撒角度為試驗因素，分別以均勻度變異系數、撒肥幅寬為試驗指標。方差和響應面分析結果表明，對于均勻度變異系數和撒肥幅寬兩試驗指標，影響因素主次順序為拋撒轉速、拋撒角度、行走速度；最優參數組合為拋撒轉速305 r/min、行走速度4 km/h、拋撒角度20°。湖南農業大學李潔[20]通過對施肥機構關鍵零部件肥料箱、輸送轉軸、機架、拋撒轉軸和傳動系統進行了結構設計，在制作好的施肥機構上分別對粒狀與粉狀有機肥進行了多因素二次回歸正交旋轉試驗，通過回歸正交旋轉試驗并借助軟件得出了各因素與施肥均勻性變異系數的數學模型，運用檢驗得出各因素對施肥均勻性的影響程度分別是排料口大小對排肥性能的影響大于輸送轉軸轉速對排肥性能的影響；拋撒轉軸位置對撒肥性能的影響大于拋撒轉軸轉速對撒肥性能的影響。

2.3 國內外大田有機肥撒肥機對比

歐美等發達國家推廣應用的有機肥撒施裝備以大馬力拖拉機配套撒施廄肥為主，性能先進，效率較高，但價格昂貴。我國南方丘陵地區與設施園區地塊面積小，不適宜大型裝備作業。我國在自主研發的同時，攻克了多功能施肥技術、定量喂肥技術、均勻撒施技術以及智能監控技術、基于北斗衛星的導航技術等，結合大田作物種植的基本國情，研發了部分相關機型，具體對比如表1所示。我國自主研發的撒肥機與人工施肥相比，施肥效率是人工施肥的30～80倍；與傳統人工有機肥撒施作業方式相比，作業成本可降低448～597元/hm2；我國現有裝備與國外機型成本相比，平均每臺可降低50%左右。

表1 不同撒肥機對比

3 存在問題

2) 在撒肥環節，有機肥撒肥所消耗的時間僅占15%，而裝肥與運肥的時間則占85%，需要配套上肥設備，增加了工作環節，同時增加了投入成本，一定程度上降低了工作效率。

3) 現有機器主要還是機械粗獷操作，缺少智能控制方面的調控，隨著農業的逐步發展，大田作物農藝的逐步提高，定量按需施肥將成為必要。

4) 雖然國外機器發展整體成熟，但是存在進口設備成本高、在我國使用環境受限等問題，我國迫切需要研發自主產權、適應我國基本國情的機型，為我國大田作物更好地發展做出貢獻。

4 發展趨勢

首先，針對上述存在的問題：需要對拋灑機構中的結構參數與工作參數進行優化改進，最終實現固體有機肥的均勻撒施；可結合本文提出的在種養結合模式下利用田頭輕簡化堆肥，以增加撒肥時間為目標，研發具有翻拋、自上料功能一體的撒肥機，避免上肥環節，更省時省力；針對輸肥過程、拋灑過程進行智能調控，同時可增加故障報警等環節，進一步完善機器。

其次，我國是農業大國，每年產生的廢棄物較多，其中代表性的畜禽糞污年產可達40億噸左右，秸稈量超10億噸，但其整體利用率較低，目前主要存在一些商品的顆粒狀、粉狀有機肥用于設施農業，大田使用較少，隨著有機肥制作工藝及設備的逐漸完善，結合我國土壤現階段的基本情況，如何高效地進行有機肥還田已成為迫切需要解決的問題。有機肥還田目前主要以基肥還田為主要方向，大田作物有機肥還田從成本與拋灑效率等因素考慮，建議在種養結合模式下利用田頭輕簡化堆肥，對發酵后的廄肥直接還田[15, 21-22]。

根據我國的地理環境條件，北方地塊具有分布集中、面積大等特點，南方地區主要小地塊、丘陵地帶等形貌特征存在，國外撒肥機基本只能滿足我國北方需求，但是其成本過高，所以需要我國自主研發適用于我國土地基本國情的相關設備。針對南方地區，我國現有的設備體積略顯過大，在田間作業行走困難，存在肥料拋撒出地塊面積范圍外問題，同時，造成了施肥不均等現象，為了減少配套上料設備的投入，因此，需要研制一款體積小、行走靈活、成本較低的自上料自走式撒肥機，主要是針對田間地頭堆嘔后的廄肥；針對北方地區，可在現有機器的基礎上進一步擴大體積，然后考慮到我國北方的氣候環境等問題，存在一定的凍肥，在增加拋撒效率的同時，需要對拋撒部件面對特殊的凍廄肥進行破碎及均勻撒施。

我國提出耕地紅線、糧食安全、雙減等一系列政策。有機肥的高效還田皆是相關政策實現全程機械化的關鍵環節，也是相對比較薄弱的環節。所以，需要加大對有機肥撒施裝備的研究力度與投入，不斷優化改進關鍵零部件，強弱項，補短板，為我國大田作業綠色種植與全程機械化提供技術支撐。另外，開展固體有機肥機械化撒施技術及裝備研究，以機械撒施代替人工撒施，降低勞動成本，提高施肥效率，促進有機肥替代化肥政策的實施；通過系列化有機肥撒施機的示范、推廣，提高農民使用有機肥的興趣，擴大有機肥銷售市場，為固體有機肥生產企業可持續發展，農業固體廢棄物肥料化利用提供裝備支撐。

5 結語

隨著農業的快速發展，農業廢棄物產量呈上升趨勢，如果不及時有效地進行處理，將對環境造成二次污染，我們需要把這些放錯地方的有機資源充分再次利用。農作物的頻繁種植以及農藥化肥的大量使用，嚴重破壞了土壤結構，造成土壤貧瘠，就我國東北的黑土地來說，黑土地的厚度在逐年降低，為了還原我們的黑土地，為了使土壤長期保持肥力，需要提高有機肥的使用力度。目前，我國出臺了大量的相關政策大力扶持農業的機械化、農業廢棄物的資源化，這不僅是農業機械化發展的機遇，也是時代的需要與選擇，因此，研究適宜的先進的大田作物撒肥機具有重要意義。