蔬菜施肥机械装备现状与发展趋势

杜铮 郭翔 涂建东 刘海 李旭 张唐娟

导读：蔬菜产业成为我国农业生产中的第二大产业。蔬菜种植面积广，复种指数高，经济价值好，但蔬菜种植机械化程度低，劳动强度大、成本高、效率低，严重制约蔬菜产业的发展，特别是在蔬菜肥料的撒施环节，机具少，且需求迫切。因此，结合我国蔬菜产业的发展现状，介绍了蔬菜肥料撒施装备的现状，并分析了蔬菜肥料撒施装备及施肥技术的发展趋势。

产业化升级、规模化经营是当前蔬菜产业发展的必经之路，因此实现蔬菜产业机械化迫在眉睫。我国蔬菜机械化程度整体不高，综合机械化程度不足30%，远远低于主粮作物的机械化水平。虽然部分机械如灌溉、旋耕、起垄机械等有成熟的机型，但施肥、播种、育苗、移栽、植保等关键环节的机械化程度仍有待提高，新机型的开发和推广还需加强。其中，蔬菜施肥，特别是固态有机肥主要还是依靠人工操作，机械化程度很低。蔬菜生长需肥量较大，人工撒施工作效率低、劳动强度大、用工成本高，降低了蔬菜生产的效益。同时，人工撒肥均匀性差、难以控制、肥料利用不高，容易造成肥害等问题。本文对蔬菜肥料撒施装备的现状进行介绍，并对发展趋势进行了充分分析，旨在为我国蔬菜产业实现全程机械化提供技术参考。

1 蔬菜产业发展现状

近些年来，蔬菜产业已成为农业生产中的重要组成部分，是农业增效、农民增收和稳定农村经济的第二大产业支柱。蔬菜生产是农业转轨、农村产业结构调整和乡村振兴的首选项目之一。以笔者所在的湖北省为例，蔬菜产业规模位列湖北省四大千亿级农字头产业之一。2020年新冠肺炎疫情过后，湖北省蔬菜产业得到较快的恢复与增长，蔬菜和食用菌播种面积达到1 954万亩（130.27万hm2），产量4 119.37万t，产值1 525亿元。湖北省内现有蔬菜种植、加工企业、专业合作社等新型经营主体5 836家，其中省级龙头企业120余家，蔬菜产业综合能力在全国处于第一方阵，综合产能除保障本省供应外，年调出量900万t以上。特别是具有优势的高山蔬菜，其产值约70亿元，具有明显的外向性，能有效地带动武陵山区、秦巴山区等贫困地区农户脱贫致富。

蔬菜产业种植品种繁多，农艺五花八门，机械化水平良莠不齐，生产标准化程度普遍不高，产业结构优化有待提升。从全国数据来看，设施蔬菜的面积占全国设施园艺面积的95%以上，但设施园艺机械化本身水平仍比较低，约在35%，远远低于主要粮食作物综合机械化水平的60%。究其原因，蔬菜产业机械化发展面临“三难”：①蔬菜种植品种多，农艺复杂，农机研制难；②蔬菜种植不集中连片，规模小，农机作业难；③装备关注度不够，现有技术储备少，用户选购难[1]。

2 蔬菜施肥机械的现状及存在问题

2.1 蔬菜施肥机械的现状

施肥机械主要发展开始于20世纪60年代，始用于北方大面积耕作过程中，将施肥与犁、耙、旋耕、播种等工序联合起来，形成复式作业的机具；到20世纪80年代，由于生产力的发展，家庭联产承包责任制的推行，出现了一些小型施肥专用机械，操作灵活，适合大田露天作业；近年来，随着农村劳动力转移到城镇，适龄劳动人口越来越少，农业机械化水平亟待提高。在此契机下，施肥机械得到重视，不少厂家推出了相关的产品，比如上海世尔达生产的2F系列施肥机，极大地缩减了劳动力和施肥时间，但该机械只能用于撒施结晶状化肥和粒状化肥，具有一定的局限性，另外，施肥播种复式作业一体机也得到了极大发展（图1）。目前，湖北省农作物（主要包含大豆、玉米、小麦、油菜等）播种多采用复式作业一体化完成，即在一次田间工作完成几个环节的联合作业。另外，我国很多设施灌溉建设公司早期通过引进国外先进设备，而后开展自研、生产水肥一体化相关装备，推动了蔬菜种植环节中水肥一体化技术的普及[2]。特别是在蔬菜种植过程中，通过水肥一体化技术进行补肥效率高且易于控制（图2）。因此，在蔬菜产业中施肥机械的研制和生产，主要集中在基肥的撒施环节。

图1 蔬菜施肥播种机

图2 设施水肥灌溉系统

目前，化肥撒施机械主要有撒肥机和犁底施肥机2种，主要用于基肥的撒施。撒肥机依据工作原理分为：离心圆盘式、气力式和链指式3种，优点是撒施范围广、工作效率高。主要是在整地过程中，将肥料撒施到地面，再经过旋耕机进行旋耕，由高速旋耕刀片将肥料混入耕作层的土壤中（图3）。这种施肥机械的特点：肥料与土壤混合效果好，但无法控制肥料的分布和施肥深度，达不到均匀施肥、深施肥的目的。此外，由于肥料随机堆积，会对种子形成肥害。过量撒施肥料，还会造成肥料浪费，增加机具作业成本。为提高肥料使用效率，通常采用犁底施肥机进行肥料土壤深层施放。犁底施肥机由铧式犁、肥箱、排肥器、导肥管、传动装置以及控制装置等组成。工作过程中，排肥器将颗粒肥料根据设定量排出，通过漏斗和导肥管引导，肥料落入犁沟内，然后由犁铧翻动土层，合墒器将肥料严密地覆盖住，完成耕翻的同时进行基肥深施[3]。

图3 离心式撒肥机

2.2 目前蔬菜施肥机械存在的问题

目前，市场上蔬菜施肥机械机型数量少，生产厂家有限，供给与需求并不匹配。究其原因，主要是施肥机械存在以下特点：第一，蔬菜种植过程中，农艺难以统一，蔬菜机械化工作刚刚起步，因此相应的机械少，机械化程度不高。第二，很多目前市场上流行的机型，多是将大田种植过程中使用的通用施肥机械缩小，并将其利用到蔬菜种植中（图4）。第三，我国长期以来都有化肥生产适应施肥机械的现状。虽然在农作物生长过程中，粉末状肥料比颗粒状肥料易于分解和吸收，但是由于缺乏成熟的粉状肥料施肥机械，化肥生产厂家多生产颗粒状化肥。第四，随着生活水平的提升，人们对蔬菜的品质要求越来越高，有机肥取代化肥逐渐成为趋势，特别是禽畜粪便、沼液沼渣等有机肥施肥机械的需求崭露头角。第五，随着我国农业现代化的发展，蔬菜产业降低劳动强度，采用机械化种植将会逐步实现。采用智能自动化技术，施肥机能提高肥料的利用率，减少肥料对周围环境的为害。

图4 自走式撒肥机

3 蔬菜施肥机械的发展趋势

通过前期资料的整理，国内学术领域对施肥机械的原理创新和样机设计主要集中在以下几个方面。

①对肥料复式撒施技术的研究，如实现耕整、施肥联合作业技术研究。

②对变量施肥技术的研究，如王秀等[4]设计了一种悬挂式变量旋耕施肥机等。

③对秸秆还田后深施底肥的研究，如杨文勇[5]提出一种施肥机与旋耕机配合使用的旋耕施肥机，解决秸秆还田后底肥深施的问题。

④精量施肥技术的研究，如邓春岩等[6]、梁文甲等[7]对比不同施肥机结构、精量施肥工作原理等关键技术，设计了一种从控制施肥量入手精量施肥机。

⑤多功能施肥机的研究，吴波等[8]提出一种能对垄进行中耕培土，并进行补肥的复式作业施肥机，并对整机结构及其关键部件的设计进行了研究。刘海等[9]针对类球型小粒径种子的蔬菜生产用工量大，生产管理工序复杂、机具更替多等问题，设计了一种蔬菜联合播种机。该机可实现施肥、旋耕、起垄、开沟、播种、覆土联合播种作业，适用于旱地大田精量播种作业，有助于提高农业生产效率，降低劳动成本。

3.1 精准变量按需施肥技术

该技术相比普通施肥技术能实现即时按需变量施肥。该技术结合智能控制技术和环境监控定位技术，可以提高肥料的使用效率，减少肥料使用量，还可以促进农作物同步生长，达到减肥增效的作用。精准变量按需施肥技术在国外逐步趋于成熟，国内引进使用的精量施肥机不但成本高，还面临缺乏相应的技术支撑的窘境。因此，开发和研制国产精量施肥技术装备，对我国施肥技术的改进与升级很有必要。

3.2 有机肥均匀撒施技术

土壤中大量存在的有机质能显著改善土壤的理化性状，使土壤耕性变好，渗水能力增强，提高土壤蓄水、保肥、供肥和抗旱防涝能力，增加产量。增加土壤有机质的方法主要是增施有机肥，在土壤环境保护和改良中也起着举足轻重的作用。同时，用有机肥种出的农产品口感佳，还能有效保持蔬菜等农产品自身特有的营养和味道。目前，在种植前施放基肥阶段，提倡采用有机肥代替化肥，有机肥施用量在15 t/hm2左右。现有的有机肥撒施机自动化程度低，基本属于粗放式撒施，肥料堆积容易导致农作物生长均匀性较差，甚至影响产量和商品性。因此需要研究有机肥均匀撒施技术，提高有机肥撒施的均匀性是设计和生产有机肥撒施装备的基本要求。

3.3 小型电动遥控通用底盘技术

研究小型电动遥控通用底盘技术，一方面可以提高机械在设施蔬菜大棚里的通过性；另一方面，电动机械可避免燃油尾气造成的棚内空气污染，有利于改善大棚设施内作业的环境。将有机肥撒施装备安装在电动遥控通用底盘上，通过技术的融合，增大肥箱容积，使现有撒肥机结构更加紧凑，能在动力大小相同的前提下提高作业效率。

3.4 智能化控制技术

该技术根据实时的农田环境数据、农作物生长情况，借助于测土配方技术、专家系统、GPS定位技术、图像处理技术、无人驾驶技术、人工智能等技术应用，自动控制农田设备，调节农田环境参数，进一步提高有机肥撒施的高效性、精准性，控制农作物生长情况。

4 小结

综上所述，我国施肥机械的研制还处于起步阶段，蔬菜有机肥施肥机械的探索更是缺少。近年来，我国蔬菜生产倡导以有机肥替代化肥，实施化肥减施，达到“提质增效”保护耕地目标的重要途径。大力发展绿色农业、生态农业，推进化肥、农药“双减”，实现“机器换人”是蔬菜产业的趋势。在农村劳动力越来越紧缺的条件下，如何高效地发展蔬菜产业成为难题[10]；因此，加强施肥机械的研制，根据不同作物的生长需求提高机械撒施肥料的利用率，具有重要的现实意义。施肥机械的推广应用，是蔬菜全程机械化迈出的重要一步，带动了蔬菜产业机械化、现代化、标准化的发展，为我国农业发展做出了巨大贡献。