果園施肥機關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

李同璽，張猛強，牛 浩，何義川，蘭海鵬

（塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

開溝施肥是果園施肥的主要形式和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分析開溝施肥機械開溝、變量施肥、覆土等關(guān)鍵技術(shù)的特點和現(xiàn)狀，圍繞施肥關(guān)鍵技術(shù)存在的問題探索并提出合理化的建議有利于農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展和提高林果業(yè)生產(chǎn)管理質(zhì)量。吉林大學(xué)孫會彬設(shè)計的開溝機械雖然實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，但由于在設(shè)計過程中偏置導(dǎo)致的力矩增加等問題，整機的工作效率仍有待提高[1]。白秋薇等研究的精準變量系統(tǒng)技術(shù)能夠覆蓋作物成長的不同階段，但施肥量的誤差和變異系數(shù)仍需進一步優(yōu)化[2]。劉德江等人研制的復(fù)式作業(yè)機結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)試方便，但是不能適應(yīng)不同土壤環(huán)境，土壤含水量高會導(dǎo)致鎮(zhèn)壓器壓土量不足和粘土等問題[3]。因此，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，提高機具的工作效率及穩(wěn)定性和適用性是當前研究的重點。

1 施肥機開溝技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外施肥機開溝技術(shù)研究現(xiàn)狀

開溝技術(shù)在林果業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[4]。歐美發(fā)達國家對果園開溝施肥機的研究相對較早[5]，其技術(shù)也相對成熟。自上世紀中葉以來，已逐漸實現(xiàn)了從人工果園經(jīng)營向機械化果園經(jīng)營的轉(zhuǎn)變。歐美開溝機械按照功率不同主要分為大型開溝機和小型開溝機[6]。國外應(yīng)用于林果業(yè)的開溝機普遍采用75kW 以下的小型開溝機。美國凱斯公司生產(chǎn)的CASE860型鏈式開溝機[7]為了滿足開溝的深度要求，在上一代機型的基礎(chǔ)上將速度和扭矩進行最優(yōu)化配比，采用低速大扭矩的方式，在提高整機生產(chǎn)力的同時確保了刀具壽命。此類開溝機結(jié)構(gòu)簡單，整機的穩(wěn)定性和作業(yè)效率得到提升。俄羅斯生產(chǎn)的aTy-161型開溝機[8]在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中得到了認可和應(yīng)用，該機具可以提供充足的作業(yè)動力，開溝深度達1600mm、寬度達200～400mm。

1.2 國內(nèi)施肥機開溝技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)開溝技術(shù)在林果業(yè)上的運用起步較晚[9]，目前圓盤式開溝機在林果業(yè)生產(chǎn)中使用較多。阿布里孜·巴斯提等[10]研制的1FK-40 型偏置式果園開溝施肥機初步實現(xiàn)了一體化作業(yè)，可同步完成開溝和施肥作業(yè)，施肥調(diào)節(jié)閥門可根據(jù)施肥需求量的多少進行調(diào)節(jié)與控制，但在大規(guī)模作業(yè)中效率不高。何義川等[11]研制了2FK-40 型果園開溝施肥機械，該機采用偏置開溝裝置，在工作過程中能夠保持開溝深度達到30～40 cm，使植物根部得到保護，該機可以適應(yīng)果園的開溝施肥作業(yè)要求，但機具未能進入實際生產(chǎn)。王鐵新等[12]研制的MX1500 雙圓盤開溝機適用于大規(guī)模作業(yè)，作業(yè)效率高，但機具便捷靈活度不足，機具功率損耗較高。

國內(nèi)果園開溝施肥機具的適應(yīng)性有待提升，主要原因是當前我國現(xiàn)有機械和開溝機具受地理條件制約很難保證路線不出偏差，機具功率損耗較高。

2 變量施肥技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，傳統(tǒng)的施肥方式已經(jīng)不能滿足大型林果業(yè)種植需求，變量施肥技術(shù)作為精準農(nóng)業(yè)的核心打破了固有傳統(tǒng)，可綜合土壤肥力和作物需求進行系統(tǒng)地定時、定位、按需施肥。

2.1 國外變量施肥技術(shù)研究現(xiàn)狀

當前國外變量施肥機能夠綜合變量施肥、分層施肥等多種功能并結(jié)合土壤特性和病蟲害情況進行精準施肥。美國的John Deere 公司的Green Star 系統(tǒng)能夠充分利用傳感器等儀器控制施肥量[13]。日本的TABATA 公司設(shè)計的變量施肥機以外槽輪作為排肥機構(gòu)，通過行進速度和外槽輪轉(zhuǎn)速控制變量，施肥準確率達95%。Rawson 研發(fā)的ACCU-RATE 控制系統(tǒng)可以控制液態(tài)或者固態(tài)化的變量施肥。美國CASE 公司設(shè)計的輸送式施肥播種機利用自主設(shè)計的AFS 系統(tǒng)控制變量施肥。AgGPS170 田間計算機[14-15]綜合田間信息管理解決方案，與AgGPS接收機、導(dǎo)航系統(tǒng)及Autopilot 相結(jié)合，能在控制變量的同時實現(xiàn)導(dǎo)航和土壤取樣等多種功能，此項研究使變量施肥技術(shù)研究更加系統(tǒng)化。

2.2 國內(nèi)變量施肥技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在上世紀末開始研究變量施肥，目前發(fā)展迅速。萬偉紅等[16]研制的新式專用施肥機采用雙攪龍葉片，實現(xiàn)了排肥量的精準控制，肥料和土壤的混合效果更好，肥料利用率更高。陳桂芬等[17]研制的2BAF-6 型播種機在原有的施肥機中加入了“3S”技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專家系統(tǒng)，可更加精準地進行變量施肥。白秋薇研制的設(shè)施果園自動對靶精準變量施肥控制系統(tǒng)能滿足不同大小果樹對不同需肥量的精準變量自動施肥要求。崔長遠等針對枸杞樹設(shè)計了精量排肥機，實現(xiàn)了200 g 的變量穴施肥。張琦等研制的棗園施肥機利用單片機和傳感器及步進電機通過檢測外槽輪的轉(zhuǎn)動速度和棗樹株距來進行施肥，大大提高了施肥效率。國外對變量施肥研究已久，技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)的多領(lǐng)域，國內(nèi)現(xiàn)有變量施肥機械主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，因此應(yīng)加強對“3S”技術(shù)和傳感器的運用，充分考慮不同植株、不同區(qū)域及不同施肥層對施肥量的影響，研發(fā)研制集分層、自適應(yīng)、系統(tǒng)智能化語音于一體且肥斗容量可調(diào)的施肥機。

3 施肥機覆土技術(shù)研究現(xiàn)狀

覆土作為施肥關(guān)鍵技術(shù)在近幾年得到了更多的研究[18-20]。目前常用的覆土器主要有六種：彈齒、鏈環(huán)、爪盤、刮板、圓盤和雙圓盤。

3.1 國外施肥機覆土技術(shù)研究現(xiàn)狀

自上世紀40 年代以來，國外學(xué)者將能否實現(xiàn)不同作物播種所采取的條播等方式的覆土要求作為研究重點，對覆土器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究不深；A.Ozmerzi 等人加強了對精密播種機器的研究，進行了播種深度、土壤壓實度和土壤覆蓋等試驗研究，為覆土裝置的設(shè)計提供了新的參考；美國生產(chǎn)的免耕播種機[21]采用擠壓式覆土器，集覆土與鎮(zhèn)壓功能于一體，配合開溝器，覆土和鎮(zhèn)壓效果較好。

3.2 國內(nèi)施肥機覆土技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對覆土裝置的研究主要依托于施肥機的整體設(shè)計，具體研究起步較晚。夏俊芳[22]等研制的新型覆土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)置了限位桿和調(diào)壓彈簧，確保了覆土的深度以及鎮(zhèn)壓的力度，減輕了對種子的損傷。劉德江等[23]研制的復(fù)式覆膜裝置屬于一體機，實現(xiàn)了多種作業(yè)功能，可根據(jù)不同的作業(yè)要求調(diào)整覆土盤的覆土角度。梁方優(yōu)化了草地切根施肥補播復(fù)試改良機械[24]，將寬型單體鎮(zhèn)壓輪改為V 型鎮(zhèn)壓輪覆土器，采用分層交錯式開溝器，解決了覆土器堵塞的問題。

從諸多文獻中發(fā)現(xiàn)，在果園施肥機研制中覆土往往是被忽視的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外研制覆土機構(gòu)主要為整機服務(wù)，通過改進覆土機構(gòu)增強協(xié)同機具作業(yè)能力，進而提升整機作業(yè)效率。目前施肥機覆土裝置借鑒了國內(nèi)外的先進技術(shù)，但仍存在易堵塞及土壤壓實率不高的問題。覆土效果直接影響施肥質(zhì)量和土壤成分的變化，應(yīng)設(shè)計便捷可調(diào)覆土、鎮(zhèn)壓效果良好的機構(gòu)，探索使用新材料解決堵塞問題，不斷優(yōu)化覆土效果，確保施肥作業(yè)效率和質(zhì)量。

4 施肥機關(guān)鍵技術(shù)的討論與展望

4.1 多行可調(diào)節(jié)機械在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

未來林果產(chǎn)業(yè)的規(guī)模越來越大，果園種植越來越規(guī)范，大量實踐表明多行開溝施肥機穩(wěn)定性更好，在大規(guī)模施肥作業(yè)中使用多行分層的開溝裝置有利于提高作業(yè)效率。大規(guī)模施肥要選用合適的動力源，設(shè)計便捷可調(diào)的刀具機構(gòu)，提高穩(wěn)定性和適用性。總之，多行可調(diào)節(jié)機械在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將得到更多應(yīng)用。

4.2 精準化、智能化技術(shù)在變量施肥中的應(yīng)用

目前部分發(fā)達國家在林果業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用精準化、智能化技術(shù)，且在我國部分高端果園已經(jīng)得到應(yīng)用，隨著我國定位系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)和田間作業(yè)專家系統(tǒng)的實踐應(yīng)用，大量機械會得到優(yōu)化完善和應(yīng)用。在大數(shù)據(jù)的研究背景下，變量施肥技術(shù)要充分考慮果園土壤環(huán)境的差異，同一地域的不同植株、不同的區(qū)域、不同施肥層所需的肥量均不同，精準、智能化變量施肥更加有利于農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，今后應(yīng)探索研制集成分層、自適應(yīng)和肥斗容量可調(diào)的果園施肥機。

4.3 新材料在覆土裝置的應(yīng)用

我國覆土器的使用比較粗放，受土壤、雜草影響經(jīng)常導(dǎo)致施肥不均。目前對集開溝、施肥、覆土為一體且能自適應(yīng)多種規(guī)模、多種地形的施肥機研究越來越深入，覆土裝置應(yīng)具有更強的通用性和適用性，新材料可降低土壤對機具的影響，粘土現(xiàn)象可得到一定緩解。因此未來應(yīng)探索發(fā)掘新材料應(yīng)用于覆土裝置零部件。