浅谈撒肥机的研究进展*

杨 柳 ，杨璎珞 ，杨 莎

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163000）

据统计，在其他生产因素一定的情况下，如果提高化肥的使用量能够有效地让农作物增加35%～55%的产量。我国农业生产者在施用化肥时过度追求提高产量，大量甚至过量撒肥，不但浪费了资源，而且大大提高了农业生产成本，进而降低了农产品的产量和质量。一部分未被农作物吸收的肥料还会进入到土壤、水和大气中，对环境造成一定程度的危害，有些化肥成分不易被分解，会破坏土壤结构，影响水源健康，对环境产生比较严重的破坏和污染。因此，专门用于农作物撒肥作业的机械就显得尤其重要，同时为了解决过量撒肥引起的环境问题，在撒肥机械上增加自动控制与变量调节装置是精准农业与精量施肥的必备环节。

1 撒肥机的国外研究进展

在19世纪中期以后，有很多科学工作者将精力投入到撒肥作业的研究中，他们在撒肥量、撒肥品种、撒肥方法以及撒肥时期等各个方面开展了大量的考察和钻研任务。在20世纪50年代早期，美国的一位科学家就在他们农场的收割机上安装了GPS定位装置，尽管这只是一个小小的定位装置，然而这个装置却代表着人类从此在农业技术上进入了农业智能化和精准化的时代。在20世纪90年代，精准的农业技术已经在欧洲和美洲的一些发达国家得到了应用，并且得到了飞速的发展，已经具备了相对完整的规模。

日本的农业机械化程度很高，而且日本在农用机械方面所花费的时间和资金的投入量也很大。日本政府专门成立学术研讨会，完善精准农业和精量施肥实施方案，由农业专家牵头，普及超量施肥的缺点及对环境的影响，为农户提供免费的技术支持，将精准农业传播开来[1]。

法国所应用的肥料播撒机械相较于其他国家来讲，其自动化程度较高。法国生产出了“女骑士”（AMA-SAT）离心式变量撒肥机，拖拉机驾驶员将人工或者按预设参数自动控制撒肥装置进行撒肥，整机与GPS/GIS系统相结合，这种撒肥机的肥料播撒变量系统已经普遍应用在各类离心式撒肥机上。这种变量系统在法国国内使用非常广泛，在法国出口的撒肥机械中，也大量应用到这种变量系统[2]。

俄罗斯农机科研团队所自行研制并实现了在农田里作业的自动变量撒肥机，主要是在撒肥口安装一个电磁铁共振片，经过对电磁频率的调节，让共振片产生振动，达到开启和闭合的目的，从而自动调节撒肥口的开口大小，实现对撒肥量的控制。

德国一家有名的公司研制了一款变量撒肥机，这种撒肥机主要适用于小麦、大麦和燕麦等麦类作物，是一种春季追肥的实时变量撒肥机。它能在保证不伤苗的状态下，完成撒施肥料的工作，它的原理是基于处方图传递信息，借由液压马达来实现变量撒肥[3]。

美国有一些科学家为了研究肥料颗粒与农用机械的交互作用，采用了离散元的方法进行探索，进行了理论上的研究，并建立了数学模型，进行了计算分析。美国著名科学家Hall J利用离散元的方法模拟仿真出了影响撒肥均匀性的主要因素，利用田间试验与理论模拟结果的对比，分析得到了化肥颗粒固有的物理参数（摩擦系数、休止角、含水率、颗粒大小和形状）影响施肥均匀性的结果。美国科学著名科学家Cools R发现了风的流动会对肥料的播撒造成一定的影响，并利用风对化肥肥料播撒轨迹的影响进行了仿真实验，通过实验得出了风对密度相对比较小、大小和形状不规则的化肥肥料造成的影响会更大。Grift E等为了能够提高撒肥的均匀性，采用了控制出料口开口大小的方法，从而发现了离心式撒肥机的撒肥圆盘的角速度变化和撒肥半径有一定的关系，而且撒肥半径和撒肥的范围都会受到出料口的位置的影响[4]。美国的一家CASE公司生产了一种变量撒肥机，可以根据地块信息及光感原件的测量进行肥料分施，利用无线传输技术存储和上传数据，可达到远程控制的目的。

2 撒肥机的国内研究进展

我国撒施化肥开始于19世纪，19世纪初期，我国台湾从日本进口了氮肥，从那之后我国就开始了农业人工撒施化肥的时代。化肥的使用给我国的粮食产出率带来了十分大的益处，然而随着我国农业生产对化肥用量的大量增加，人们的关注的焦点变为撒肥的措施，传统的撒肥措施大多是人工撒肥，这需要大量的劳动力。人工撒肥的方式不仅不能够高效地开展实施撒肥和追肥工作，而且会导致肥料的利用率大幅降低。此外，人工过量撒肥导致了大量的肥料不能被农作物吸收，这样就削弱了撒肥效果。这种情况下，为了提高农作物对化肥的吸收程度，人们会采取增加肥料浓度的方法，但是这样是有弊端的，即会导致化肥的大量损失和环境污染。所以用怎样的高效方法提高化肥的利用率，研发怎样的机械减轻人们的劳作压力，成为了全国关注的农业机械设备需求的焦点问题。

上海开启了第一步的计划。在20世纪80年代初，上海在专家经过运算后进行了测土撒肥机的改进试验。自此，我国开始关注精准农业，国内大量学者根据我国国情开始进行精准农业的试验与改革，并且很快取得一定的研究成果，同时改变了撒肥的传统模式，实现了撒肥作业进一步的机械化、自动化。

为了解决撒肥机中撒肥装置对肥料形态特征具要较高要求的问题并且在一定程度上提高撒肥效果，陈雄飞等研究出了一款双机螺旋撒肥机，经过田间试验，该撒肥机的化肥播撒稳定性较好，并且试验的结果与建立的数学模型测算出的结论具有一致性[5]。

郭铁山改进了一款2BM-5型气吸式免耕播种机，并且对改进后的机械实施撒肥性能的测试，通过改变外槽轮式排肥器的槽轮工作长度，对改进后的机械实施了两种不同肥料颗粒的氮肥播撒试验，结果表明，在同种影响因素的条件下，不同肥料颗粒的撒肥性能会在一定程度上受到撒肥机构的工作长度的影响[6]。

为了能够更加清晰地分析出撒肥机的工作过程和影响因素，我国的研究人员应用离散元的方法进行了仿真实验。张家华采用这种方法模拟测试了在不同摩擦系数、撒肥盘半径和撒肥盘转速等参数下撒肥机的撒肥幅宽的受影响程度。实验证明，随着摩擦因数的增加，撒肥幅宽呈现出逐渐减少的趋势；撒肥圆盘半径在一定范围内时，撒肥机的撒肥幅宽变化基本不会受到影响；当撒肥圆盘半径过大时，撒肥机的工作幅宽增加，但撒肥均匀性降低；当撒肥圆盘半径过小时，撒肥幅宽会显著下降[7]。

闫银发、王秀等研制出的撒肥机可以与国产拖拉机完美配合，他们利用离散元的方法进行理论分析，得到肥料颗粒的运动规律和分布情况，分析得出撒肥盘转速的变化对实验结果稳定性的影响，最终设计出的撒肥机可按照地块信息进行自动变量撒肥，通过调节撒肥盘的转速达到变量施肥的效果[8-9]。

刘阳春设计了一款可以进行氮、磷、钾肥分施的变量撒肥机械，该机器可独立存储氮、磷、钾三种肥料，亦可撒施其他有机肥。在撒肥时，通过控制不同肥轴的转速改变施肥配比，根据不同撒肥需求改变肥轴转速，达到变量施肥的效果。经田间试验证明该撒肥机平均误差低，达到要求，而且降低了变异系数，撒肥性能良好[10]。

翟长远等设计了一款果园精量撒肥装置，该装置通过间歇旋转来完成定量撒肥，利用高速摄影技术得到在不同出料口处的肥料颗粒下落时的位置，进而计算出下落的时间。为了确定树干的位置，采用光电传感器感应的方式，从而确定肥料播撒的位置。实验表明，撒肥装置在开口调节挡位不同时实际播撒量与理论播撒量存在一定误差，最大变异系数为4%左右，可以达到撒肥的农艺要求[11]。

陈书法等设计出了一种水稻自走式变量撒肥机，这种撒肥机主要是利用GPS系统获取机车前进速度，然后反馈给撒肥机构，可以根据农田环境来调节撒肥量，通过控制电动机转速来调节出料口的开口大小，从而实现变量撒肥的目的[12]。

张睿等为了解决我国变量撒肥机撒肥幅宽小的缺陷，设计了一种链条输送式的变量撒肥机，利用撒肥机的变量撒肥达到提高肥料利用率的目的。该变量式撒肥机撒肥幅宽较大，一般应用在农场等面积较大的农田中进行播撒工作，能够有效地提高工作效率[13]。

从我国对于农业机械的钻研程度来看，我国相对于那些比较发达的国家来说起步比较晚，目前仍然和发达国家有较大的差距，这些差距主要是因为我国在农业作业技术、农机具的先进程度和信息技术方面较为落后，而且缺少全面、规范的农业信息和资源信息的获取途径。同时农业机械装备的研发成本较高，而农民大多收入水平极低，难以承受农机的价格，所以在国内要将撒肥机械在农户中广泛推广是有非常大的难度的。建议对我国各个地域的农业发展情况做调研，商讨各个地区的发展情况，并借鉴国外的一些成功经验，采取科学合理的措施达到提高和扩大我国农业机械化作业水平和范围的目的，并且应该研发一些省时、省力、省工、构造简单、实用性好、能够长时间使用并且方便维护的肥料播撒机械，为我国农民在农田里高效作业研制出更好的农业机械[14]。随着社会科技水平的提高和经济的飞速发展，人们对农作物撒肥机的功能性要求也越来越高，是否能够高效率撒肥，撒肥效果是否能够达到要求，这些问题农民们也越来越重视。因此，研制出一款适合我国国情、面向农户的撒肥机显得尤为重要。可以通过新机具向农户提供新的撒肥理念和撒肥技术，减轻农业从业人员的工作负担，提高农业生产效率[15-16]。

3 结论

我国针对撒肥机械和精量施肥技术的研究虽然起步较晚，但近年来发展迅速，研究成果应用效果较好，但仍有很大改进空间。为了节省农业劳动力，减轻农民劳动负担，同时为了适应我国农业生产现状，有必要研制出更适用于中小马力拖拉机应用的撒肥机械，生产出价钱较低、操作简单、检修维护方便的撒肥机，从而有利于撒肥机的普及应用。

随着社会的进步和经济的发展，人们对农作物施肥机械的要求也越来越高，能否根据农艺要求均匀施肥，施肥效果及效率是否较高等问题也越来越受农业工作者重视。那么施肥机械的设计与开发就成为眼下的重要任务，其可为农业施肥提供新的施肥理念和新的施肥技术，减轻农业人员的工作负担，减少肥料的浪费，提高农业生产效率，最终实现农作物产量提高的目的。