馬鈴薯中耕施肥機械研究現狀與發展趨勢

陳立暢　李佩妮　楊振杰　張艷誠　張佳進

摘要：中耕施肥作為馬鈴薯種植的必要管理環節，對促進馬鈴薯植株生長發育、提高馬鈴薯產量和品質具有重大的現實意義。中耕施肥機械是實現馬鈴薯生產全程機械化的重要組成部分，目前馬鈴薯中耕施肥存在機械化率低，農機與農藝融合程度較低，勞動時間長、強度大，作業效率低等問題，丘陵山區馬鈴薯生產機械化存在明顯的短板。本文介紹了馬鈴薯種植模式及中耕施肥農藝要求，重點闡述了國內外馬鈴薯中耕施肥機械的研究現狀，代表機型的技術參數和結構特點，并結合我國農業機械化水平區域發展不平衡的特點，對未來馬鈴薯中耕施肥機械的研究與發展趨勢作出展望，以期為我國馬鈴薯中耕施肥機械和馬鈴薯生產全程機械化發展提供參考與借鑒。

關鍵詞：馬鈴薯；中耕施肥；機械裝備；發展趨勢

中圖分類號：S224.21文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2023）17-0001-08

馬鈴薯，別稱洋芋、土豆等，是全球第四大糧食作物［1-4］。我國是馬鈴薯種植和生產大國，種植面積和總產量均位居世界第一。2020年，我國馬鈴薯種植面積約為465.6萬hm2，總產量為1 798.3萬t，種植面積和總產量約占全球的1/4［5-7］。但我國馬鈴薯單位面積產量水平還遠低于世界平均水平［8-10］，機械化程度低、區域發展不協調等都是制約我國馬鈴薯產業發展的關鍵問題。為了促進馬鈴薯產業的發展，2016年初農業農村部出臺了《關于推進馬鈴薯產業開發的指導意見》［11］，將馬鈴薯主糧化戰略和馬鈴薯生產全程機械化提升到國家高度［12-13］。

中耕施肥作業是馬鈴薯生產的重要環節，對促進馬鈴薯植株生長發育和提高馬鈴薯產量具有很大的現實意義，中耕施肥機械也是實現馬鈴薯生產全程機械化的重要組成部分。近年來我國加大了中耕施肥機械方面的研究，涌現出了一大批優秀的科技成果，農業機械化水平逐步提升。但目前馬鈴薯中耕施肥機械化率低，農機與農藝融合程度較低，勞動時間長、強度大，作業效率低等問題依然存在，并且丘陵山區馬鈴薯生產機械化存在明顯的短板。因此，本文重點闡述了我國和世界發達國家馬鈴薯中耕施肥機械的研究現狀、代表機型的技術參數和結構特點，并結合我國農業機械化水平區域發展不平衡的特點，對我國馬鈴薯中耕施肥機械研制和發展趨勢作出展望。

1 馬鈴薯種植模式及農藝要求

平作和壟作是馬鈴薯最常見的種植模式，其中壟作又分為單壟單行和單壟雙行［14-15］，單壟單行相對于單壟雙行來說，是在保證壟高的前提下減少壟寬的栽植模式，其栽植密度小，單株結薯多、薯塊大，更加便于機械化作業。根據中華人民共和國農業行業標準NY/T 3483—2019《馬鈴薯全程機械化生產技術規范》中的要求，馬鈴薯單壟雙行種植模式：2行植株交錯呈三角形分布，馬鈴薯種薯距壟邊10～15 cm，壟上行距S為17～36 cm，壟高h為 15～30 cm，株距d為15～35 cm，壟間距L為100～130 cm（圖1）；馬鈴薯單壟單行種植模式：馬鈴薯種薯沿壟的中心線分布，種植株距d為16～30 cm，壟間距L為60～90 cm，壟高h為20～25 cm（圖2）。

2 國內外馬鈴薯中耕施肥機研究現狀

2.1 國外馬鈴薯中耕施肥機研究現狀

西方發達國家早在20世紀初便開始研究和開發中耕施肥機械，有著深厚的技術積累，目前的研究向通用化、智能化、精準化等方面進一步發展［16-20］。

以美國和歐洲為代表的西方發達國家和地區，由于工業化完成較早，農業機械化發展進程較快，農業裝備和機械化水平處于全球領先地位［21-22］。但國外馬鈴薯中耕施肥機械主要由企業研發，并注重專利權保護，因此可供參考的外文文獻相對有限。

美國代表性機型為約翰迪爾施肥機（圖3）、凱斯的IH4600中耕施肥機（圖4）［23］以及阿里斯-查莫斯的6000、8000系列中耕機，主要以構建大型聯合作業機械和復式聯合作業機械為主，大幅提高農機作業效率，追求更高的經濟收益［24］。約翰迪爾施肥機由液壓系統驅動控制，機架具有仿形功能，采取撓性設計，配備深度測量和控制裝置，能根據田間地表的情況實時調節機器工作狀態［25］。凱斯的IH4600型中耕施肥機采用三點懸掛式與輪式拖拉機連接，由液壓控制中耕機上端的折疊部分散開，從而進入工作狀態，作業效率高，作業范圍也更大。

德國代表性機型為Amazone公司ZA-M系列的新型施肥機（圖5）。該系列施肥機均設計安裝Safety-Set新型安全機構，極大提高施肥作業的安全性，另外還裝用SBS型軟彈道系統，保證施肥精確度，設置有稱量系統，可以對作業寬度和流量進行調整，使施肥機作業達到最佳效率［26］。德國BASELIER公司的馬鈴薯中耕機（圖6），設有液壓松土機構，可根據現場實際情況調整犁鏵的入土角度及深度，該機具作業穩定、適應性較強［27］。德國GRIMME公司的GH系列馬鈴薯中耕機（圖7），適用于不同的土壤條件，能根據土壤條件，靈活方便地安裝配置不同的松土彈齒和培土犁鏵進行碎土、培土作業［28］，可調節向下的壓力和角度，以便筑起不同形狀的壟脊。

英國代表性機型為STANDE公司Baselier GKB系列馬鈴薯中耕機（圖8）［29］。該系列有3種型號，其適應行距分別為75、80、90 cm，可以通過拆卸形塑造板來改變作業行數和壟型，還能根據不同的土壤條件靈活方便地更換耕作部件。該機具成本較低，適應性強，作業效率高，1次作業行數為4行，且速度可達10 km/h［30］。

比利時代表性機型為DEWULF公司的SC300馬鈴薯中耕機（圖9）［31］。該中耕機械適應范圍極廣，可與各種型號拖拉機配套使用，其轉子直徑為65 cm，動力傳動系統額定功率為180 kW，作業效率高，在作業中能調節培土寬度和深度來保證壟型，適用于各種黏重土壤。該機具綜合性能好，工作效率高，結構相對緊湊。

2.2 國內馬鈴薯中耕施肥機研究現狀

國內馬鈴薯中耕施肥機械的研究相對于西方發達國家起步較晚，但近幾十年來經過國內各大高校、企業和科研院所的不斷探索和研發，相關技術裝備得到了較為迅速的發展，出現了種類繁多的各類中耕施肥機械。從地域劃分來看，主要為大中型拖拉機及其配套的各種中耕施肥機具和小型丘陵山地中耕施肥機2種，具體裝備分別闡述如下。

2.2.1 大中型中耕施肥機械

北方平原由于地勢平坦，種植面積廣闊，中耕施肥機械主要以大中型為主。這類機械多采用大中型農業拖拉機牽引懸掛各種中耕施肥機具進行作業，按照工作部件的形式可分為驅動式中耕機械和被動式中耕機械。這類機具總體結構尺寸較大，作業幅寬大，一般作業行數在4行及以上，配套功率在40 kW以上，機具作業效率高，操作方便，購置成本高，適合北方平原地域或農場規?；?、集約化使用。

2.2.1.1 被動式中耕施肥機械

田斌等設計研制的2LZF-2型壟作馬鈴薯中耕施肥機［32］（圖10），仿形地輪行走系統能適應馬鈴薯行距的變化，也能適應不同壟臺高度和耕深的變化，對機架和深松鏟部件進行了有限元仿真分析，進一步驗證了機械結構的強度和剛度，整機外形尺寸為2 230 mm×2 250 mm×1 200 mm（長×寬×高），作業行數為3行，配套最低動力為40 kW，適應壟距為75～90 cm，采用三點懸掛方式與拖拉機連接。該機具能一次性和單獨完成深松、鋤草、追肥、培土等不同作業。

車剛等研制的3ZFC-7型復式中耕機（圖11）［33］，整機外形尺寸為5 200 mm×2 160 mm×1 810 mm（長×寬×高），質量為1 863 kg，配套最低動力為59.2 kW，作業行數為7行，適應壟距為60～70 cm，施肥量為 70～100 kg/hm2，與拖拉機懸掛連接，利用平行四桿仿形原理巧妙設計了液控可變地隙機架，能自動調節所需要的深松和施肥深度，此外還設計應用了智能計量系統，在作業過程中節省了5%的肥料。該機具結構簡單緊湊，通用性強，作業效果好，能一次性完成深松、施肥和修復壟臺等作業，適合農場規?；鳂I。

李洋等研制的1304馬鈴薯中耕機（圖12）［34］，是目前國內綜合性能比較優越的中耕機具， 其整機外形尺寸為1 900 mm×3 800 mm×1 100 mm（長×寬×高），整機質量930 kg，作業行數為4行，適應行距為90 cm，配套最低動力為74 kW，與拖拉機掛接。該機具結構簡單，設計新穎，“S”形彈齒和培土犁鏵更換維修方便，松土深度和壟薯高度可調整，松土、培土的一致性好，適用性強，作業效率高。

3ZM-4型馬鈴薯中耕機（圖13）［35］，整機外形尺寸為2 500 mm×3 950 mm×1 510 mm（長×寬×高），整機質量為1 060 kg，作業行數為4行，配套最低動力為66 kW，與拖拉機懸掛連接。該機具結構新穎，工作可靠性高，作業性能強，能一次性實現松土、起壟、整形、施肥等功能，起壟的壟型整齊規律，尤其適合于在松土地表上作業。

曹海峰研制的3ZQ-10型中耕追肥起壟機（圖14）［36］，整機外形尺寸為2 570 mm×6 580 mm×3 000 mm（長×寬×高），作業行數為9行，配套最低動力為90 kW，起壟高度為14～16 cm，以拖拉機相連接。該機具利用地輪，通過傳動機構來帶動排肥器工作，仿形機構的精妙設計保持了施肥和深松的一致性，可一次完成深松、施肥、碎土、起壟、鎮壓多項作業，并已驗證機具符合中耕農藝要求。該機具通用性較廣、適用性較強。

趙旭志研制的3Z-1.6型壟作馬鈴薯中耕機（圖15）［37］，整機外形尺寸為1 830 mm×1 790 mm×1 200 mm（長×寬×高），作業行數為2行，適應行距為80 cm，配套最低動力為40.4 kW，與拖拉機懸掛掛接，對仿形機構進行巧妙合理的設計，其仿形機構可使整形鎮壓部件隨地表變化而始終保持深度的一致性，能自動適應起伏不定的地表變化。該機具結構簡單可靠、操縱方便、作業性能穩定、適應性強。

呂金慶等研制的1ZL5型馬鈴薯中耕機（圖16）［38］，整機外形尺寸為3 600 mm×1 400 mm×1 630 mm（長×寬×高），整機質量為1 150 kg，作業行數為5行，適應行距為75～90 cm，配套最低動力為50 kW，采用三點懸掛方式與拖拉機連接，該機具通過橡膠地輪帶動排肥裝置工作，可一次性實現除草、松土、施肥、筑壟等多項作業。對覆土鏵進行了設計和受力分析，確定了其機械結構參數，并進行了該中耕機的田間試驗，驗證了機具的作業性能。該機具結構簡單，作業效率高，適應性較強且施肥效果好， 并能通過V型卡子調節兩犁鏵之間的距離去適應不同行距的作業要求。

程鵬飛等改進設計了3ZMP-360型馬鈴薯中耕起壟施肥機（圖17）［39］，在原有基礎上增加了棘輪驅動的工作方式，很好地解決了輪子在濕、凹地面因抓地力不足發生空轉的現象，增強了對環境適應能力；另外增加了肥料調節裝置，解決了肥箱體積肥、堵塞的現象，改善了施肥效果，實現了變量施肥。

衣淑娟等研制了圓盤式馬鈴薯中耕機（圖18）［40］，整機外形尺寸為2 100 mm×3 400 mm×1 200 mm（長×寬×高），整機質量為422 kg，作業行數為2～4行，適應壟距為80～90 cm，配套最低動力為44.1 kW，采用三點懸掛方式與拖拉機連接。設計采用了圓盤式培土裝置，對培土圓盤進行了運動分析和培土作業過程分析，很好地解決了中耕前期作業易傷苗的問題，并且能夠通過調節圓盤的角度去調整培土量。

4.2.1.2 驅動式中耕施肥機械

呂金慶等對馬鈴薯中耕施肥機的關鍵部件進行了設計（圖19）［41］，碎土刀設計采用了鑿形直刀，方式為兩側刀盤對稱布置，并對碎土刀進行了切削應力分析，對旋轉部件進行了運動分析，使中耕施肥機得到了更好的碎土率。呂金慶等對碎土刀、深松鏟和培土器等關鍵部件進行了設計分析，確定了整機性能及結構參數，并通過田間試驗驗證了機具各項指標均滿足中耕農藝要求［42］。

王莉等研制的驅動式馬鈴薯中耕機（圖20），其整機外形尺寸為2 500 mm×2 300 mm×1 800 mm（長×寬×高），整機質量為800 kg，作業行數為4行，適應壟距為80～90 cm，配套最低動力為65 kW，采用三點懸掛方式與輪式拖拉機連接［43］。對重要部件培土器進行了受力分析并調整其結構參數，使中耕機各項性能指標均有所提高，機具尤其適合黏重土壤的東北地區。

彭曼曼等設計的驅動式馬鈴薯中耕機（圖21）［44］，整機外形尺寸為1 650 mm×2 550 mm×1 650 mm（長×寬×高），整體質量1 300 kg，作業行數為4行，適應壟距為70～90 cm，配套最低動力為50 kW，采用三點懸掛方式與輪式拖拉機連接，設計采用了有角度的鑿形直刀，兩側刀盤作對稱布置，并對其旋轉單體進行了運動軌跡分析和運動仿真分析，確定了旋轉體的合理性和可靠性。該機具可以一次性完成壟間松土、碎土、除草、培土等作業，適合我國北方等黏重土壤地區的中耕作業。

2.2.2 小型中耕施肥機械

南方地區主要是丘陵山地，由于地塊小、地勢陡峭等各種自然因素的限制，采用的是小型中耕施肥機械。這類機械多采用小型汽油機或者柴油機為作為機具的動力來源，大多需要作業人員推動行走，一次作業寬幅較小，作業行數一般為1行；作業中利用地輪，通過傳動機構帶動排肥器進行作業，能夠實現開溝、施肥、覆土等作業，相關性能指標滿足中耕農藝要求。相對于大中型機械而言，小型中耕施肥機械效率較低，但其靈活、小巧且操作方便，適用云南、貴州等丘陵地區。云南農業大學機電工程學院的孫鵬等研制的丘陵山地馬鈴薯中耕施肥機［45-47］（圖22），機具結構簡單緊湊，性能優良，能一次性完成松土、施肥、覆土等作業，相關指標滿足當地中耕農藝要求；但機具施肥的一致性和均勻性較差，肥料利用率較低。沈鵬等對山地馬鈴薯中耕施肥機的排肥器進行了仿真優化，利用EDEM仿真軟件，對排肥器在不同坡度下4種工作狀態的排肥效果進行了模擬，并對機械結構進行優化，從而保證了排肥器在最佳狀態下進行施肥作業［48］。沈東華等基于自激振動減阻原理對施肥機的培土器進行了分析研究，主要對培土曲面進行了設計，確定了培土器結構參數，并通過有限元仿真和土槽試驗分別驗證了培土器的鏟柄強度和培土器的減阻效果，結果表明培土器的鏟柄強度滿足要求，培土器作業時的減阻效果好［49］?？尊┑妊兄屏艘豢铖R鈴薯中耕追肥機（圖23），將驅動行走輪設計成履帶式結構，防止機具在作業過程中因路面濕滑和凹陷產生打滑和滑移現象，提高了機具適應不同作業環境的能力，因此機具施肥的一致性和均勻性較好［50］。肥料箱兩側出口處設置有排肥軟管，降低了肥料出口與施肥位置之間的高度，一定程度上保證了肥料的施放位置。

3 發展分析與展望

我國馬鈴薯種植面積和產量均位居世界第一，種植區域分布廣泛，種植模式及農藝要求多樣，地域顯著性差異較大。國外先進的大型中耕施肥機械不適合我國馬鈴薯種植特點，國內對相關的技術裝備研究起步較晚，我國馬鈴薯生產機械化水平較低。但近幾年來，在國家政策不斷支持和扶持的背景下，經各大高校、企業、科研院所的不懈鉆研，我國中耕施肥機械得到了快速發展，逐步配套適合我國的馬鈴薯種植特點和區域性的中耕機械，逐步向著馬鈴薯全程機械化的進程邁進。針對馬鈴薯中耕施肥技術及裝備，將在以下幾方面取得突破性進展。

3.1 大型集成化和高效化

為了提高機械作業的生產效率，中耕施肥機械的研發正在向增加作業幅寬、提升機械功率和作業速度且一次性能實現行間中耕、噴霧、噴灑除草劑等功能的大型聯合作業機械方向發展。我國馬鈴薯種植正在向產業化、規?；?、集約化方向發展，將更有利于實現農作物全程機械化管理，從而進一步提升我國農業機械化水平。

3.2 精準化和精量化

在傳統農業中，施肥技術比較粗獷，無法做到因地制宜，易引起肥料不合理施用，造成浪費、作物長勢不一致等情況，從而導致作物產量下降、環境污染和肥料利用率較低等問題。目前，隨著3S技術（遙感技術、地理信息系統、全球定位系統）在機械化施肥技術領域中的應用，現代農業正在向精準農業發展。精準農業施肥技術正在不斷提升肥料施放位置和施放量的準確性，在作業前檢測土壤肥力，按作物生長對不同養分的需求規律進行按需定量施肥，并根據作物長勢的不同情況，調節肥料量的供給，提高肥料利用率。

3.3 自動化和智能化

隨著自動化技術及人工智能產業的快速發展，智能控制、圖像識別處理、人工智能等技術被應用于施肥機械中，為相關機具實現行間自動調行、自動調節作業參數、自動避讓、自動控制施肥等功能打下了基礎。因此，中耕施肥機具自動化、智能化的程度不斷提高，有效降低了勞動強度，提高了生產效率，實現低損傷、高效和安全可靠的機械化作業，向著智慧農機進行全面突破。自動化和智能化將是馬鈴薯全程機械裝備發展的必然趨勢。

3.4 地域化

我國馬鈴薯種植區域分布廣泛，北方多為平原，南方多為丘陵山地，地域條件差異顯著，中耕施肥機械具有區域發展不平衡的特點。由于馬鈴薯種植模式及農藝要求多樣，種植區域廣泛且復雜，中耕施肥機械難以實現通用化和標準化。我國馬鈴薯中耕機械未來主要以高效、低損傷、智能化的大型中耕施肥機具為核心，為了適應地域差異及提高丘陵地區機械化水平的需求，應加大投入研究力量及科研經費，進一步加強丘陵山地馬鈴薯中耕施肥技術及裝備的研究，開展研發及推廣應用具有高原特色的小型馬鈴薯中耕施肥機械。

3.5 無人化

隨著新一代信息技術（物聯網、大數據、云計算、5G、人工智能等技術）的迅猛發展，以美國、日本為代表的發達國家紛紛開始構建無人農場。但目前為止，無人農場仍處在探索階段。作為未來農業的一種全新模式，無人農場將成為未來全球農業領域不同國家競爭的主賽道。無人農機裝備是未來能否實現無人農場的關鍵一步，無人農機化裝備的研發與應用是未來馬鈴薯產業發展的重要方向。

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收稿日期：2022-11-21

基金項目：云南省重大科技專項計劃（編號：2018ZC001-303）；云南農業大學科技創新創業行動基金項目（編號：2022XGKX005）。

作者簡介：陳立暢（1979—），女，湖南邵陽人，碩士，副教授，主要從事農業機械研究。E-mail：147791610@qq.com。

通信作者：張佳進，碩士，副教授，主要從事農業信息化研究。E-mail：zjjclc@ynau.edu.cn。