液体施肥机械发展现状与现代农业关系分析*

张鲁云，何义川，杨怀君，汤智辉，郑炫，孟祥金

(1. 新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆石河子，832000； 2. 塔里木大学机械电器工程学院，新疆阿拉尔，843300)

通讯作者：杨怀君，男，1983年生，吉林德惠人，硕士，副研究员，硕导；研究方向为农业机具理论与设计。E-mail： 258203931@qq.com

0 引言

我国是世界上水资源短缺的国家之一，而且全国降雨分布极不均衡，农业生产是高耗水产业，因此，发展节水农业是关系到粮食生产安全、国计民生的重大课题。随着近年来农田节水技术、水肥一体化、膜下滴灌等技术模式的推广应用，液体肥料的使用取得了较好的效果。近几年我国农业生产中喷(滴)灌面积迅速扩大，全国已达247万hm2，既节省了宝贵的水资源，提高了水肥的利用率[1]，又满足了农业可持续发展的要求。

农业生产实践表明：水肥一体化技术的应用是目前解决我国干旱、荒漠、丘陵、山区缺水、灌溉和施肥困难的最有效的途径和形式之一。各地可以根据自然环境实际情况选择相应的技术模式，不仅可以取得较好的经济效益，而且充分利用边缘、废弃土地，建设资源节约型和环境友好型社会。近年来，我国已经把液体有机肥的施用列为重点发展规划[2]，农业部也已经将液态肥料的使用列为我国农业领域重点推广项目。在我国农业领域大力推广水肥一体化技术的今天，与之相配套的液体肥料和相关机械设备的研发与应用也逐步开展。

以免耕、少耕播种和秸秆还田为主体的保护性耕作技术，近年来在国际上被视为现代农业的一次技术革命，已经被越来越多的国家所接受认可。经过十多年的生产实践和大力推广，适合于我国农业特点的保护性耕作技术已经逐步建立发展起来。但是从整个保护性耕作技术体系角度上分析，仍然有许多不足之处，需要进一步改进和完善。其中经多年保护性耕作之后，病虫草害的综合性防治是最为薄弱的环节之一。液体施肥—打药喷雾一体机，一机两用，既提高了机具的利用率，又为保护性耕作技术的推广实施提供了有力的保障。

本文系统阐述了液体施肥机械的发展历程，分析了其与现代农业的密切关系，国家应制定相应的优惠政策，尽快掌握核心技术，农业产业结构优化完善，农机和农艺的有效结合，发展高效、低碳的绿色农业。

1 国内外液体肥料施用机械发展现状

1.1 国外发展现状

国外对液体肥料的研究最早开始于20世纪30年代，在农业生产中使用液体肥料首先在美国得到应用。美国农业很早就开始使用液氨等液体肥料，及相应的液肥施用机械设备。主要由液体肥料罐、排肥分配器、施肥开沟器和覆土装置等组成。目前，农业发达国家都已经大规模普及液体肥料，液体肥施用机械品种繁多，功能齐全，完全实现了机械化作业。

如图1所示为3320型自走式液体施肥机[3]，发动机额定功率162 kW，功率大、燃油消耗低、性价比较高。配有更大的油箱和肥(药)箱，肥箱容积可达3 028 L，比同类机型大20%左右，减少了作业中加肥(装药)次数，显著提高了田间实际工作效率。整机采用驾驶室+肥箱+发动机科学合理的布局，重量分配均衡，防陷性能好，对土壤压实度小，机具在恶劣工作环境条件下通过性更高。底盘距离地面132 cm，实行高地隙作业，进行施肥喷药时不影响作物生长。喷肥(药)控制采用凯斯专利技术，喷雾作业的防漂移和防后滴效果更好。变速箱采用全负载变速系统，无级变速驱动，最高时速可达48 km/h，四轮驱动和先进的飞机地轮式减震系统确保整机高效作业，是当今世界上比较有代表性的先进液体施肥(药)机。该型机比较符合我国的农业生产实际情况，是实行机械化作业的大(中)型农牧团场和农机合作社的理想机具。

图1 3320型液体施肥机Fig. 1 3320 liquid fertilizer applicator

1.2 国内发展现状

我国液体肥料使用相对于国外时间较晚，相应的液体肥施用机械发展历程较短[4]。20世纪50年代初期开始使用手动喷雾施肥器，60年代中期逐渐开始使用动力机械，70年代中后期在引进国外先进农业机械的同时，开始研发国产机械，各种国产液体肥料施用机械相继研制成功，促进了液体肥料在农业领域的使用发展。目前我国液体肥施用机械主要从国外进口，国产机型种类较少。国产机型在实际使用当中均存在着做工粗糙、排肥不稳定、缺少电子监控装置、工作效率不高、肥料浪费严重等诸多问题，和国外同类机型相比还是有着相当大的差距。

2 液体施肥机械与畜牧业发展关系分析

2.1 国外液体施肥机械与畜牧业发展现状

欧美国家的农业和畜牧业都非常发达，和我国的散户耕种和游牧方式不同，农业采用大农场耕种方式[5]，而畜牧业则采用固定牧场方式。农业和畜牧业全部都已经实现了机械化生产，并且已经形成了完整的配套产业。将畜牧业产生的粪污运送到化粪池统一进行处理，施肥时，先用搅拌机械将化粪池里的水分、粪污、沉淀物均匀搅拌，然后用抽吸装置将液体肥料吸到储肥罐内，如图2所示，再将液体肥料运送到农田由液体施肥机械进行撒播，如图3所示。而化粪池底部的固体肥料经过沉淀、固化、粉碎之后收集到肥料撒播车上，由固体肥料撒播车进行运输和撒施，对畜牧业所产生粪污全部进行无公害处理。

图2 吸肥作业Fig. 2 Fertilizer absorption operation

图3 履带式液体撒肥机Fig. 3 Crawler type liquid fertilizer spreader

2.2 我国液体施肥机械与畜牧业发展现状

随着近年来我国经济的快速发展，国民经济消费水平也持续上升，人们对肉、蛋、奶等动物蛋白质的需求逐渐增加,截止2019年底，猪、牛、羊等大型牲畜约为9.63亿头[6]。但在我国畜牧业快速发展、农牧民增收的同时，也伴随着每年大约38亿t的禽畜粪污产生，其中有40%左右的粪污没有经过处理就直接排放到自然界，畜牧养殖污染现状已位居农业污染源首位。禽畜业所产生的大量未经处理的粪污对大气、土壤和地下水等生态环境造成严重污染，成为江河、湖泊、水源地营养富华的主要原因[7]，同时也对人类健康和禽畜业本身造成巨大危害。统计数据表明：禽畜粪便排放量已达到工业固体废弃物排放量的2.4倍，成为造成环境污染的主要因素之一。

习总书记在2016年12月21日主持召开的中央财经领导小组第14次会议强调要“加快推进禽畜养殖废弃物处理和资源化”，十九大报告中也提出“要推进资源节约和循环化利用”“像对待生命一样对待生态环境”。公务员办公厅印发了相关《意见》，共13条，分为总体要求、建立健全禽畜养殖废弃物资源化利用制度[8]、保障措施三部分。这是我国畜牧业发展史上第一个专门针对畜禽养殖废弃物，处理和利用出台的指导性文件。到2020年建立起科学规范、权责明确、约束有力的禽畜养殖废弃物资源化利用制度，全国禽畜粪污综合利用率和规模化养殖场粪污处理装备配套率分别达到75%和95%以上，这表明养殖业粪污的无害化处理已经成为亟待解决的重大问题。

将养殖业中产生的禽畜粪污通过化粪池转化成液体肥料，再将液态有机肥料撒施到农田里，不但能够提高土壤的生物活性、改善土壤结构、提高作物产量，还对养殖业产生的废弃物进行了资源再利用，有效的保护了生态环境。我国近年来已经把液态有机肥的使用列为重点发展规划，农业部也已经把液态肥料的生产使用列为我国农业领域“十四五”计划重点推广项目。如图4所示为9YPE-10型液态肥撒播机[9]，该型机由拖拉机进行牵引行走，采用真空泵作为动力来源，完全实现了液态肥的自动吸取和机械化撒施作业，是目前国内比较先进的液体施肥机型。

图4 液体施肥机Fig. 4 Liquid fertilizer applicator

3 液体施肥机械与林果业发展关系分析

3.1 国外液体施肥机械与林果业发展现状

欧美苏等农业发达国家从上世纪四五十年代就开始大力发展林果业液体施肥机械技术装备，经过半个多世纪的发展，农机与农艺相互结合较好，果园的标准化种植程度较高，现在果园机械化液体施肥的技术已经十分成熟[10]。目前国际上比较前沿的果园液体施肥技术包括变(精)量施肥、分层施肥、测土配方施肥等。变(精)量施肥技术是将土壤特性、病虫害情况、天气状况等相关因素与作物的生长过程相结合，在增长、保质的情况下，做到精准施肥的新技术。分层施肥技术是根据植株根系的实际生长状况，将液体肥料施加到不同的深度，更加有利于根系对养料的吸收。测土配方施肥技术是结合土壤养分特征和作物吸肥特性两方面因素，将氮磷钾等养料成分溶于液体根据实际情况按比例配比的新型施肥技术。

美国生产的果园液体施肥机配备计算机辅助控制系统，能够根据实际作业情况，具有精准控制施肥量和下肥深度、自动调整开沟角度和深度、躲避障碍物等多项功能[11]。机具采用静液压驱动装置，能够适用于恶劣的作业环境，并且工作效率高。日本、韩国、意大利等以山区丘陵地形为主的国家，由于受到山区道路和地形起伏等自然环境因素的影响，多采用配套动力在2.2～5.5 kW的小型果园液体施肥机，功耗低、结构紧凑，能够在山区丘陵和果园狭小低矮的环境中工作。近年来，欧美等发达国家在果园液体施肥机上安装各种传感器和智能处理系统，通过3S技术对果树、土壤、大气进行实时监测，计算出相应的液体施肥(药)配方，从而完成对果树的精准施肥(药)。

3.2 我国液体施肥机械与林果业发展现状

近年来，我国果园种植面积和规模不断扩大，果园管理的机械化程度也在不断提高，果园液体施肥机械也相应得到了快速发展。针对果园的种植、中耕、开沟、施肥、植保、采摘等一系列亟待解决的实际问题，国内高校和研究院(所)做了大量的工作，研制出多种样机，其中有些机型已经投入实际生产，并取得了良好的经济效益，如图5所示为一种国产新型果园液体施肥机。

图5 果园液体施肥机Fig. 5 Orchard liquid fertilizer applicator

金华市农业机械研究所的张加清等针对设施园艺的情况研制出1KF-20型开沟施肥机，该型机由柴油机提供动力，经变速箱将动力传至开沟、施肥和行走机构，整机布局合理，操作便捷，可以同时实现开沟、覆土、施肥三道工序，具有作业效率高，省油省工省力的特点。西北农业科技大学的韩冰、刘雯等研制的果园挖坑施肥机。该型机采用后悬挂方式悬挂于拖拉机后方作业，由拖拉机后部动力输出轴将动力传至施肥机变速箱，再经锥形传动齿轮分别将动力传至挖坑和施肥装置。工作时，螺旋钻将土壤输送至土壤收集器，收集器中的土壤与肥箱中的液体肥料充分混合，然后一起回填进钻坑，实现了钻坑、施肥、覆土一体化作业。在挖坑覆土的同时，实现了土壤和肥料的有效融合，大大提高了液体肥料的利用效率。

果园施肥作业是林果业生产中十分重要的环节，对提高果品质量和增加林果产量起着重要的作用。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对果品的要求也从温饱需求型向品质需求型转变。高品质的水果要求更加科学合理精准的水肥管理方式，施肥不当将会严重影响水果品质。目前，我国果园施肥作业中还存在着工作效率不高、机械化程度较低、肥料配比不科学、施肥深度不合理等一系列问题，不仅造成了肥料的浪费和环境污染，还影响了果树对营养物质的吸收，从而造成水果品质的下降。发展适合于我国特色林果业现状的果园液体施肥机械可以减轻劳动强度、提高果品质量、增加经济效益，对林果产业的健康可持续发展具有积极的推动作用。

3.3 液体施肥机械与林果业发展

林果业是我国农业的重要组成部分，长期以来，我国水果种植面积和产量均稳居世界前列。以水果生产种植大省新疆为例：2017年全疆各种特色林果种植面积为146.67万hm2,总产量达到1 000多万t，总产值达到700亿元，在特色林果种植面积较大的地州、县市，林果业收入已占农户人均收入的45%以上，与此同时，全疆有530万以上的从业人员从事特色林果业的生产经营销售。由此可见，林果业已经逐渐成为我国农业经济发展的支柱产业，在农民脱贫致富增收中占有十分重要的地位。

在果树种植阶段，合理施肥是提高果树产量和品质的关键[12]。长期以来，我国在果园施肥中多以固态、化学肥料为主，在施用中一直存在着利用率低、肥效缓慢和水土污染等问题，特别是在气候干旱、水资源短缺地区，果树生长受到严重影响。果树所需养料得不到满足，品质和产量都达不到标准，不仅消耗了大量肥料，还容易造成烧根或者是枝叶徒长。究其根本原因，还是肥料配比不合理和施肥方式不科学。果树在不同的生长阶段所需的营养成分和用量都不尽相同，这就需要根据果树的需肥量和根系分布等诸多因素，进行更加科学的水肥管理，提供充足的养料成分促进果树的生长发育。

液体肥料可以方便快捷的掌握用量和成分配比，能够随时准确控制肥料用量，确保适时精准施肥。根据果树不同的生长发育阶段对养料的需求情况，设定合理的配比浓度、肥料成分和作业时间，使用液体施肥机械进行施肥作业。将液体肥料通过施肥机械直接施加到果树根系部位，有利于植物对养料成分的吸收利用，实现集中有效供肥，充分发挥肥效。这不仅避免了撒施化肥、固体肥料所造成的养分流失、不易溶解、污染环境和土壤板结固化等问题，还减少了人工、水费和肥料的成本投入。

4 液体施肥机械与现代农业发展关系分析

4.1 液体施肥的技术优势

从全球范围来看，《2017年全球粮食危机》(Global Report on food crises 2017)报告中指出，粮食问题已经成为全球问题，各国都为解决这一严峻问题做出了积极的努力[13]。但是由于水资源日益匮乏且污染严重、肥料利用效率不高、劳动力短缺等因素，再加上全球人口逐年增长，粮食安全问题成了重中之重。以液体施肥为代表的新型水肥一体化技术，可以有效地保障全球粮食安全并推动农业的现代化发展。

与传统的固体肥料相比，液体施肥技术具有节肥、省水、高效、环保的特点，具有以下技术优势。

1) 水肥用量容易保持均衡：因液体肥料有易溶于水的特性，可以根据作物的生长特点和规律，液态肥料随时供给作物各个阶段所需营养成分，保持肥水用量均衡。

2) 节水、省肥，节约成本：液体施肥技术可以从作物根部直接进行营养供给，相对于固体废料，有效减少水肥的浪费。研究结果表明，液体施肥量仅相当于传统固体施肥用量的一半，而且用水量减少三分之一左右。

3) 省工、省时，提高工效[14-15]：液体施肥技术将浇水、施肥一同进行管理，达到了节省工序的效果。南方丘陵果园地区采用水肥一体化技术之后，节省人工95%以上，浇水时同步完成施肥作业，十分有利于果树的生长发育和果品产量。

4) 改善土壤物理结构：相对于固体肥料，液体肥料容易使土壤中微生物保持活性，湿度维持稳定，有利于肥料养分发酵分解转化，便于植物吸收利用。

5) 有利于保护自然生态环境：液体施肥技术的使用，减少了肥料的使用量，提高了肥料的利用率，减轻了施肥时对土壤、大气和水源的污染。

6) 减轻病虫草害的发生：可以通过往液体肥料中添加药物，降低作物病虫草害的发生。

7) 提高农作物产量和品质：以施加液体肥料为代表的水肥一体化技术，可以有效节省各种农资投入成本，对农业产业全程实现精准种植管理，最大限度的发挥农作物的生长潜力，提高作物产量，保证产品收益，达到低投入高收益的最终目标。

4.2 液体施肥技术分析对比

液体肥料施肥方式可以分为地表和地下撒施。地表撒施液体肥一般是通过配备液体喷头的撒播机械进行作业，或是通过施肥机尾部的施肥管进行地表施肥，或是通过在尾管前端加装分拨器的移动靴进行施肥作业。地下撒施液体肥料常见的的有开沟靴铲喷洒方式，蝶形开槽喷洒方式，曝气开槽喷洒方式和凿铲式开槽喷洒方式。不同的应用领域和影响因素，使用不同的施肥技术。这些影响因素包括：土壤类型、土壤条件(施肥深度、砂石含量、湿度和硬度)、地理条件(坡度、地块大小和土地平整度)，以及液体肥料的类型和成分。具体情况对比分析如表1所示。

表1 常见施肥技术对比分析Tab. 1 Comparative analysis of common fertilization techniques

4.3 液体肥料对土壤改良效果明显

受到光蚀、水蚀、风蚀等自然因素和过度种植、过度放牧等各种人为因素的影响[16]，导致的土地退化已经成为我国乃至世界农业可持续发展所面临的主要问题，而相应因素所导致的土壤盐碱化和次生盐碱化则是土壤退化的主要原因。我国新疆、东北以及华北地区拥有的大面积盐碱化土地，因无法耕种而变成了荒地，对当地的经济、粮食作物的生产造成了极其严重的影响。

盐碱化严重的土地，土壤中的盐分离子会形成较低的土壤溶液渗透势能，使根系吸收不到水分，造成作物生理干旱。另一方面，土壤中过多的钠离子会对作物产生离子胁迫[17-18]，改变细胞蛋白质和ATP酶活性，影响细胞膜的通透性和新陈代谢。其次，土壤过高的PH值在很大程度上会影响养分的有效吸收性。这些诸多因素都会显著影响作物的生长发育，从而使盐碱化严重的土地成为无法耕种的荒地。

多年田间实地测试研究表明，有机质能够有效降低盐碱地PH值，提高土壤养分利用率，同时促进脱盐，抑制返盐，保证作物正常生长。液体复合肥是近年来发展较快的一种新型肥料，相对于固体肥料，液体肥料易溶于水和被作物根系吸收。还可根据土壤性质调整养分配比和酸碱度，同时亦可添加氨基酸、黄腐殖酸等活性有机物质，从而起到改善盐碱土地物理性质、释放土壤养分活性、促进作物生长的作用。

4.4 液体施肥机械的发展趋势

肥料作为“粮食的粮食”，是农业生产的重要物资投入[19]，是农作物增产的主要物质基础，其合理使用和利用效率直接影响着作物的产出、农民的收益、生态环境的质量和农业的可持续发展。但是传统的固态肥撒播施肥方式，不仅易使肥料养分挥发和流失，产生资源浪费，而且流失和多余的肥料成分使得土壤板结、水体氧华、大气污染。液体肥是含有多种作物所需营养元素的新型肥料，使用液体肥深施技术，让液体营养元素直达作物的根系部位，促进了根系发育，增强了作物的吸收水分、养分和抗旱能力。

变量施肥技术是精准农业作业体系中的重要组成部分，实现按需变量全面平衡施肥，减少了肥料的用量和浪费，提高了肥料的利用效率，减轻了施肥时对环境的不良影响，经济、社会和生态效益非常显著。变量施肥作业在国外已经是比较成熟的技术，我国近年来也进口了许多变量施肥机械。但是，其中的说明书、软件大部分是英文界面，我国机手很难掌握。引进的变量机具大多被用成了恒量机具，机械性能没有被充分开发利用，造成了资源浪费。随着我国精准农业的发展，研制开发国产的变量液体施肥机械和必要的技术支持软件，对我国农业技术水平的改进与提高有着重大意义。

5 发展液体施肥机械的建议措施

5.1 国家加大对液体施肥机的支持力度

自2004年我国实行农机购置补贴政策以来，国家农业部门在农户购买农机具时提供了大量的优惠政策和相应补贴。这些措施的宣传与推广[20-21]，都极大地激发了广大农户购买农机具的热情，有效提高了我国农业机械装备的更新换代速度。因此，在现阶段农业生产发展过程中，国家农机贴补政策应继续加大力度支持液体肥料及配套农机具的推广与应用。

5.2 国外技术和自主研发相结合

为了加快液体施肥机械的研发制造与推广使用进程，我国农机生产厂家应引进、消化、吸收国外农机具企业成熟的产品和先进的制造技术，生产出符合我国现有工艺条件和农业生态环境的液体施肥机。研发液体施肥机械的肥料箱、施肥器和液压设备等关键部件，从国外进口零部件逐渐过渡到国内厂家生产。通过研发生产科技含量较高的产品，掌握核心制造技术，最后形成液体施肥机械自主生产能力。

5.3 农业产业结构的优化亟需液体肥及其相配套设备

随着我国农村城镇化建设的发展，农民外出打工，农村劳动力短缺，土地集中规模化耕作，保护性耕种技术的实行，智能精准农业的发展等农业产业结构的调整和升级，都离不开液体肥料与其相配套的各类农机具。

5.4 加强完善农艺和农业机械之间的相互结合

先进、高效的农业机械进行的大田作业必须符合种植农艺的规范，而种植农艺也必须适应机械化作业的要求，二者相辅相成、相互依存。但是我国农业种植品种各异，生态环境差异很大，种植模式大多不符合机械化作业。因此，农机和农艺的有效结合才能使液体肥料的使用达到最佳效果，取得最高的费效比。

6 结论

当前，在农业领域肥料正在向复合化、高浓度、液态化、缓释化的方向上发展。由于液体肥料具有生产费用低、养分含量高、易于被农作物吸收、便于改变成分配比和机械化作业等诸多优点，越来越受到广泛使用普及。世界上发达国家的农业集约化和产业化程度较高，具有机械化施肥的良好条件，因此，液态肥料得到了快速发展。我国自古以来都是传统意义上的农耕国家，肥料消费量一直稳居世界首位。但在每年肥料的消费中，多以化肥和厩肥为主，液态肥料所占比例很小，与农业发达国家相比还存在着相当大的差距。因此，我国液态肥料具有广阔的发展前景。

发展资源节约型和环境保护性农业机具有重大意义，也是我国农业未来的发展趋势。液体肥料的发展水平在一定程度上与国家的自然和地理条件、农业发展水平、肥料生产企业现状以及农户对液体肥料的认可度有很大关系。国内外现有成熟实用施肥机型主要是液体肥叶片喷洒机具和固体肥料施用机械，而对肥料利用率较高、环境污染较少的液体肥料深施机械相关研究很少。液体肥料深施机械目前在我国仍处于初始阶段，具有较好的市场发展潜力。