甘薯施肥施药机械研究现状及展望*

王佳，严伟，纪要，祁兵，胡双燕，张文毅

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

甘薯，又名红薯，俗称山芋、地瓜、红苕等，因其高产、抗逆性强、用途广等特点，种植区域遍及113个国家[1]。我国是世界上最大的甘薯生产国[2-3]，种植面积和总产量在全球居首位。据联合国粮食及农业组织统计，2018年中国甘薯种植面积2 370 khm2[4]，约占世界甘薯种植面积的30%[5]，其总产量(鲜薯)53 000 kt，约占世界总产的58%[6]。我国甘薯种植地区主要有四川、河南、山东、重庆和广东等[7]。甘薯在中国主要粮食作物中产量位列第四，是重要的经济作物以及国家粮食安全的底线作物[8]。

随着国内人均生活水平的不断提高，营养摄入多元化逐渐被人重视，甘薯的营养和保健作用也得到广泛认同[9-11]，鲜食甘薯的市场规模不断扩大。此外，甘薯的工业经济附加值较高，其藤蔓和薯叶可加工为畜牧饲料[12]，其块茎可深加工为淀粉、粉丝和酒精等食品或工业产品[13-18]。同时，甘薯具有耐贫瘠、适应性强、种植技术难度低等生产优势[19]。国家甘薯产业技术体系产业经济固定观察点2019年调查数据显示，2019年中国甘薯种植平均总生产成本20 727.45元/hm2，净利润8 922.45元/hm2[20]。因此甘薯产业的发展,有利于提高我国农民的种植收入和物质生活水平。

甘薯作为垄作作物，其施肥施药作业对于地下害虫防治和肥料的合理利用有重要作用，以保证鲜食甘薯的商品性要求。目前甘薯生产过程中采用的施肥施药方式较为粗放，肥药施用量大、利用率低，不符合我国可持续化发展的理念。且我国甘薯机械化水平较低，只达到24.8%，加之人工成本较高。因此，我国甘薯机械化市场广阔，加快推进甘薯种植机械化对于甘薯产业具有重要意义。目前国内已有多款甘薯生产过程相关机械，但甘薯专用的施肥施药机械仍属于相对空白的领域。甘薯生产用工量大，而劳动力成本也在不断增加，甘薯生产机械化迫在眉睫[21]。

本研究对国内外甘薯施肥施药机械的研究现状进行梳理和总结，根据不同农艺的施肥施药作业位置，将甘薯施肥施药机械划分为垄面浅层施肥、垄内混合施肥、垄芯分层施肥三类，分析不同施肥施药机械作业方式并进行分类和比较，归纳不同农艺方式下各自适用的机具，提出甘薯施肥施药机械化存在的问题，并对其发展提出了展望和建议。

1 甘薯施肥施药方式及作业农艺

甘薯在生长过程中需要大量营养，以促进块茎生长膨大，而化肥的施用不仅可以提高甘薯的产量，且可以改善甘薯的营养品质，满足甘薯商品性的要求[22]。

在甘薯生长过程中虫害不容小觑，害虫啃食甘薯叶、茎以及薯块，危害甘薯生长，严重影响甘薯的产量、品质和商品性。甘薯叶面或地表的害虫可以通过物理、生物防治得到控制，也可使用折叠式喷杆喷雾植保机、植保无人飞机或人工背负式、担架式植保机喷洒农药解决；也可通过滴灌带滴灌的方式进行施药。但以上方法所施用的药物仅残留在植株或垄体土壤表面，无法渗入垄土下部，不能满足地下害虫的防护需求，因此地下害虫的防治仍需有更好的方法去解决。

1.1 甘薯垄面浅表层施肥施药

甘薯垄面施肥一般采用人工撒施或撒肥机撒施的方法。粗放的施肥方式难以精确控制施肥量，肥量低则无法实现增产，肥量高会导致作物烧苗，且化肥浅施肥效易挥发，因此传统撒肥方式的氮肥利用率只有30%左右[23]，撒肥机撒施的肥料通过耕翻后掩埋，但只能完成浅表层施肥，难以达到所需的深度，且易分布不均。

水肥药一体化技术可提高水、肥、药的利用效率，提升作物的产量及品质，降低劳动力成本，还可减轻农作物病虫害。但水肥药一体化前期一次性投入较大；肥料的选择、日常维护要求高[24]；并且长期应用会导致土层上部区域盐分累积过多[25]，影响甘薯的生长；且肥、药不能渗入土壤深层，无法形成全方位完整防护。

1.2 甘薯垄内混合施肥施药

甘薯的增产得益于有机肥的大量施用和无机肥的结合应用，有机肥的施用不仅可以改善土质，提高产量[26]，还可提高甘薯鲜食的品质，因此可在旋耕前施撒有机肥，通过后续旋耕进行混合以作为甘薯基肥使用。目前甘薯生产机械多在旋耕的同时将肥药施入垄内，随着旋耕刀片的高速转动，肥药与土壤混拌，完成施肥施药，但肥药混合后易导致肥效、药效失效。

1.3 甘薯垄芯分层施肥施药

为防治地下害虫以及节肥、节药，农艺上提出甘薯垄芯分层施肥施药的方法，如图1、图2所示。该作业方式要求药物撒在上方，肥料间隔一定距离撒在下方，并且在垄芯内形成连续且均匀的弧形区域[27]，甘薯施肥的合理耕层为25～30 cm处，将肥料均匀施放在垄芯下方，可以使甘薯块茎均匀的吸收土壤中的肥料，提高结薯均匀性；肥药的分层施用，可以有效避免肥、药混合而造成肥效、药效失效；垄芯弧形施药的方法，可以在结薯位置形成包裹层，有效防治地下害虫，提升甘薯品质及商品性。

图1 施肥施药规范示意图

图2 施肥施药剖视图

机械深施肥比人工深施省工省力，且施肥均匀，可保证充分吸收，比人工撒施肥效提高20%～30%，又可减少对环境的污染，起到节肥增效的作用[28]。一次性施肥技术可提高机器利用率，降低作业成本，是未来施肥发展的趋势，适用于诸多垄作作物，如花生、大蒜、甜菜和烟草等。

根据甘薯施肥施药模式的不同，可根据施肥位置简单分为三种(表1)，综合对比各种方式在不同方面的优缺点，可以得知垄芯施肥优势明显，需进一步发展垄芯施肥施药机械。

表1 甘薯施肥施药模式(按农艺划分)Tab. 1 Fertilization and application mode of sweet potato (by agronomy)

2 国内外甘薯施肥施药机械研究进展

2.1 国外甘薯施肥施药机械研究现状

美日韩等发达国家对甘薯生产机械化装备的研究起步较早，甘薯生产机械化的普及让其田间工作的劳动强度大大降低。据统计，日本生产红薯在近年来的田间累计工时最低为46.5 h/hm2，其作业效率是传统人工的数十倍。美国作为目前欧美国家中甘薯种植面积最大的国家，主要是以土质松软的沙壤土为主，适宜机械化生产。为了适应大型农场机械化的需求，发达国家的甘薯生产机械都偏大型化，作业幅宽15 m以上，动力150 kW以上。随着精准农业技术的发展，传统施肥技术与信息技术相结合，智能化程度越来越高，大部分甘薯田间施肥机械都采用了基于处方图的精准变量施肥技术和基于传感器技术的变量施肥机。目前国外业内较为主流的施肥施药机械主要分为以下几类：气力式宽幅施肥机、离心圆盘式撒肥机、大型旋耕起垄施肥一体机、小型化起垄施肥施药一体机和航空施药植保机等。

在大农场发展背景下，气力式宽幅施肥机得到大量的应用，如图3所示，德国的GRIMME气力宽幅施肥机是其中的典型代表。该机械利用高速旋转的风机作为输肥动力，配以机械式喷头和排肥器实现施肥作业，宽幅设计使作业单机作业面积大、工作效率高，适应大农场的工作环境。其缺点肥料只能施于作物和土壤表面，导致肥料易挥发、利用率低。

图3 气力宽幅施肥机

目前欧美甘薯施肥使用较多的为离心圆盘式撒肥机，代表机型为法国离心圆盘撒肥机[29-30]，如图4所示，颗粒肥料经重力从肥料箱下落到高速旋转的圆盘上，利用撒肥机产生的离心力，将肥料呈左右两个扇形抛洒至田间。但是由于没有强制送料装置，其只适用于流动性较好的颗粒肥料，且在单行作业时需要通过重叠作业改善其沿横向和纵向抛洒不均匀的问题。

图4 离心圆盘撒肥机

还有一部分机械在旋耕起垄的同时进行甘薯施肥作业，如图5所示，德国的GRIMME旋耕起垄施肥机可一次性完成旋耕、起垄、施肥等多项作业，机器在旋耕的同时将肥料撒入土中，通过旋耕刀将肥料与土壤混拌，完成施肥作业，但一般不能实现精量定位操作。

图5 旋耕施肥机

日本和韩国的甘薯生产机具为适应本国山地多、成片耕地少的地理特点，机具设计都倾向小型化，鉴于我国甘薯生产机械化现状，日本的小型化机械对我国甘薯机械的研发极具参考意义。日本非常重视农机与农艺融合，如图6所示，日本研发了起垄施肥施药机器[31]，可以在起垄的同时将肥料和药物混施于垄内，形成包心肥，如图7所示。该方法可以有效地降低肥、药的使用量，减少肥药挥发，但是肥药混施会影响肥效、药效，需要进一步的改进。

图6 日本甘薯施肥施药机

图7 肥药混施区

除了以上几种施肥施药方式以外，目前使用较广泛的还有无人机喷洒施药的方式。发达国家的精准农业航空施药技术比较成熟且应用较广，其中美国的航空施药占全国的40%，施药设备上配有GPS自动导航、自动控制施药系统等技术。日本由于地块面积小，多采用微小型航空植保机施药，相比于大型航空植保机械具有飘移量小的优点。

2.2 国内甘薯施肥施药机械研究现状

2.2.1 国内甘薯施肥施药机械概况

我国施肥机械发展始于20世纪60年代，出现了一些与播种机联合使用的施肥机械，主要有圆盘式小麦播种施肥机、玉米播种施肥机等。目前我国甘薯的施肥施药作业，主要靠三种方式：一是人工或机器撒施肥、药后进行旋耕作业；二是起垄作业时将肥、药条施于垄体中；三是通过滴灌带施肥施药。但人工或机器撒施肥后，肥料施于地表，易生成大量氨气挥发，不仅会影响肥料利用率，还会影响大气环境；通过滴灌带施肥施药，如图8所示，容易产生堵塞的情况，其次是肥药仅残留在表面，长期还会造成局部土壤盐分过大，不利于作物生长。

图8 甘薯水肥一体化作业示意图

近年来，随着农业机械化水平的提高，我国施肥施药机械得到了很大发展。国内甘薯生产常借用其他作物的施肥播种一体机进行施肥作业，如1GVF-240型烟草旋耕起垄施肥机、2BFX-240型旋耕施肥播种机等，二者通过开沟器开沟实现侧位深施肥、正位深施肥、侧位分施肥三种施肥方式。除此之外，随着节水灌溉技术的发展，还研制出了水肥药一体化的施肥施药机械。

我国甘薯生产主要使用的施药机有手动背负式喷雾机、担架式机动喷雾机、拖拉机悬挂或牵引的喷雾式及风送式喷雾机、航空喷雾机等，如图9所示[32]。

图9 小型航空植保机

2.2.2 国内甘薯复式施肥施药机械

目前国内部分厂家研制的甘薯复式旋耕起垄机械，带有施肥功能[33]，如SGFQ-180旋耕起垄施肥机、甘薯扶垄犁等，配套动力小，可同时完成起垄、施肥工作，但其只适用于我国平原地区[34-35]，且工作效率低。此外还有多款旋耕起垄覆膜机械，如图10所示，由旋耕机起垄，旋耕起垄时具有自动施肥功能，但也只适用于平原地区的小田块，且无法完成垄芯分层施药工作。

图10 甘薯旋耕起垄覆膜机械

甘薯产业体系机械化研究室甘薯种植团队根据甘薯种植施肥农艺研发的1GQF-1型甘薯旋耕起垄施肥机，如图11所示，可起垄高为30 cm，垄顶宽30 cm，垄底底宽80 cm[36]，在旋耕后，肥料通过排肥管施于垄底，形成包心肥，随后通过垄形成型器成型，镇压辊整型作业。施肥原理类似于日本甘薯施肥施药机械，肥药混施，易造成肥效、药效失效。

图11 1GQF-1型甘薯旋耕施肥机

基于以上甘薯施肥施药机械存在的问题，新研发的旋耕起垄施肥施药作业机[37-38]，如图12所示。

图12 垄芯弧形施肥施药装备

该机作业幅宽为180 cm，旋耕深度为17～23 cm，配套动力为66～88 kW，适用于沙壤土以及轻质黏土，可一次性实现甘薯种植前的旋耕、施肥、施药、起垄、镇压等工序，实现一机多用，有效减少下地次数；电动施肥施药，且精准可调；肥、药通过气力风送，防堵塞，通过性好；可在垄芯形成两条间隔一定距离的弧状区域，符合农艺要求的分层均匀施肥施药作业[39]，有利于保证甘薯高产以及对商品性的要求。

综合对比国内外甘薯施肥施药装备(表2)，可以分析得知，针对当前甘薯垄芯施肥施药农艺要求，旋耕前施肥施药不能满足该农艺要求，旋耕时施肥不能完成肥药分层；相比于大型施肥施药机器，小型施肥施药复式机械更满足我国当前甘薯生产现状；垄芯分层施肥施药模式更符合当前甘薯机械化发展趋势。

表2 甘薯施肥施药机械对比分析Tab. 2 Comparison analysis of sweet potato fertilizer and pesticide application machinery

3 甘薯施肥施药机械存在问题

我国虽是甘薯生产大国，但甘薯生产存在一系列问题，如农艺标准不统一，不同品种间差异性大，种植垄距各异，农机与农艺融合度低，生产管理方式粗放，耕种收机械化水平低，新技术推广困难，拖拉机配套难，机械作业环境复杂等问题。

3.1 机械化总体水平低

我国甘薯机械化水平相较于其他农作物机械化水平低[40]，甘薯施肥施药机械化水平略低于甘薯起垄以及收获机械化水平，同时丘陵山区总体机械化水平低于平原地区[41-42]，目前甘薯施肥施药专用机械不多，且从事甘薯施肥施药机械化研发的科研院所及高校人员较少，研发力度不够，从而导致市面上真正能投入生产使用的甘薯专用施肥施药机械较少。

3.2 化肥施用量大且不精准，且缓释肥、药研发力度不足

我国是化肥施用大国，使用量大，利用率低，超量使用化肥，造成生产成本上升，土壤理化性质恶化，导致作物产量下降，品质无法得到保障，从而导致效益下跌。肥料的施用量并不是越多越好，合理适当的施肥不仅可以节约成本，提高肥料利用率，还可以保证作物的产量和质量。变量精准施肥技术具有合理精准施肥、提高作物产量、减少化肥使用量的优势，虽然该技术所需的成本高，但从长远发展来看，未来变量精准施肥技术将是施肥施药机械研制的主流方向。其中值得一提的是缓释肥药技术的研发，要想通过一次施肥施药解决问题，缓释肥药的应用必不可少，目前我国缓释肥药的研发与应用都处于低水平，要加大研发力度，缓释肥药的施用可以大大节约劳动力，提高机械化效率。

3.3 甘薯全程机械化机具匹配问题

甘薯垄芯施肥施药工作易受前面旋耕起垄的影响，若起垄后，存在旋耕不彻底、耕层浅、垄体高度不够、垄体成型后紧实度差等问题，都将影响后续垄芯施肥施药工作的进行，影响肥药施放的位置，严重影响后续甘薯移栽、薯块生长等。目前我国甘薯施肥施药机械化相配套的专业型机具还十分稀缺，机具在田间作业时，由于没有固定的行业规范，存在配套拖拉机动力轮距与垄距不匹配的情况，作业时存在压垄、伤垄的情况，后续机具研发需要进一步考虑动力、轮距和种植垄距进行合理配套，否则将会严重影响作业质量，导致全程机械化配套作业难以实现[43]。此外还存在机具可靠性低、结构强度差，作业效率不高等问题。

3.4 作业环境复杂多样

我国甘薯区域分布和种植规模差异较大，且不同地区用户对机器的要求差异性大，国内甘薯种植土壤环境千差万别，气候不同，种植制度、生产规程复杂多样，田块以小而分散居多，地形复杂，使得机械化生产成本大大增加，严重制约了机械化的推广。甘薯施肥施药技术在不同区域要求不同，机具的适应性问题难以解决。我国甘薯施肥施药机械各地发展不均衡，尤其是丘陵山区，道路崎岖，田块细碎，种植环境相当复杂，机具难以适应多种环境作业，导致施肥施药机械化程度低。由于甘薯生产工序多，国内甘薯生产机械普遍存在生产效率低，辅助人员多，现有机具难以一次性完成多项作业过程，且劳动强度大，作业效率低，作业质量差，不满足甘薯种植农艺要求，故推广使用的综合效益不突出。

4 甘薯施肥施药机械展望

4.1 发展趋势

国内目前使用的甘薯施肥施药机械多为兼用型机械，存在专用机具少、可靠性差、作业效率和作业质量低等问题，且对农机和农艺融合问题研究不足，农艺与农机脱节，发展不协调，尚未根据甘薯生产特点研发先进的设备，且存在功率消耗大、利用率低的问题，生产制造水平较低，质量稳定性差，对减损降耗等相关研究不足。可以将液力、气力理论应用到纯机械施肥施药机械，提高自动化程度，既快又好的完成甘薯施肥施药作业。但目前甘薯种植农艺繁杂造成甘薯作业机具与动力的配套难，联合作业机具制造困难。应加快甘薯生产联合机具的研发，同时加大研发甘薯专用缓释肥药的力度，两者结合起来，将有效节约生产力，提高品质及产量。

4.2 技术展望

长期以来，我国甘薯生产机械化的发展和研发一直缺少理论上的论述，不利于机械化的中长期发展，为此，我们可以借鉴发达国家的经验，首先研究我国甘薯的生产特点、机械化现状以及存在的问题，针对这些问题，有的放矢的解决机械化的问题。

1) 加深农机农艺融合。整体机械化水平的提高，首先需育种工作的支持，但我国适宜机械化的甘薯育种工作仍是一片空白[44]。全程机械化生产，首先是保障机械化生产与农艺相结合，宜机化育种，统一种植模式，规范作业方式，不能盲目发展。

2) 加快研发轻简型机具。多项生产作业过程一次性完成，不仅可以提高作业质量和作业效率，还可以实现减阻降耗和整机优化。研发轻简型机具，提高机具的通过性、适应性、经济性。对于有特殊农艺种植要求的甘薯做出选择性调整。解决甘薯种植工序多、作业过程复杂的问题，实现多项作业工序一次性完成，联合作业机集成度高，综合效益好，作业效率高，利于减轻劳动强度，抢农时，省心省力省时，联合作业机是未来甘薯全程机械化的趋势，以期能为中国甘薯施肥施药机械的发展提供必要的借鉴。

3) 加强机械化推广工作。加强科研成果推广，加强全程机械化的推广应用[45]，不仅可以解决生产劳动强度大、用工费用高的问题，还可以有效节约时间，提高生产效率，数据表明，全程机械化效率是人工的四倍。通过举办现场会的方式，对甘薯全程化机械进行展示以及田间演示，以便更好的对机械进行展示以及推广。

4.3 具体改进措施

以我国甘薯施肥施药机械化现状的分析为基础，结合当前甘薯产业发展的现状，对我国甘薯施肥施药机械化提出以下几点拙见。

1) 分清轻重缓急。随着我国土地流转和农村劳动力转移，劳动力短缺，成本升高已成为必须面对的问题，提高机械化水平刻不容缓。可以优先提高宜机化地区的机械化水平，如平原沙壤土大户种植区域，适宜机械化的使用，迫切需求机械化生产。其次才是地形复杂的丘陵地区，以及不适宜机械化生产的黏土区。由于我国甘薯种植地域辽阔，土壤类型，种植要求也不尽相同，很难有通用的甘薯生产机械，因此可以集中精力针对机械化需求强烈的地域先进行研究、生产符合当地生产的甘薯专用机具。

2) 加深农机与农艺的融合。农机为农艺服务，农艺为农机改良，首先是缓释肥药的研发，制造出适宜甘薯生长周期所需缓释肥药，农机可以就农艺上提出的，如分层弧形施肥施药这一设想进行研究，研发出符合农艺要求的机械装备。高效的农业机械进行大田作业必须符合种植农艺规范，而种植农艺也需适应机械化作业的要求，农机与农艺相辅相成，为我国甘薯高产栽培创造优良的条件。

3) 加快机具研发。改进现有机具，提升现有机具的作业质量，加快复式作业机具的研发，以便减少机具下田次数，方便后续步骤的进行，提高机械作业效率，降低机具作业时出现的压垄、伤垄的概率。针对不同地区，不同种植情况，因地制宜，研发出适和当地甘薯机械化生产的机具，加强联合作业机械的研发，虽然其机构复杂，设备成本高，且要求种植农艺规范，但其是甘薯全程机械化必经之路，保证甘薯产业更快更好的发展。

4) 加速智能化与农机结合。将先进的施肥技术与高效的施肥机械结合起来，将智能化控制系统应用于变量施肥上，在已开展的精准施肥技术方面，加强对基于GIS处方图的精准施肥技术的研究，科学合理的施肥，减少肥料使用量，从而提高化肥的利用率，减少生产成本，减少化肥对环境造成的污染。