果园施肥机关键技术研究现状与展望

李同玺，张猛强，牛 浩，何义川，兰海鹏

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

0 引言

开沟施肥是果园施肥的主要形式和关键环节，分析开沟施肥机械开沟、变量施肥、覆土等关键技术的特点和现状，围绕施肥关键技术存在的问题探索并提出合理化的建议有利于农业机械的发展和提高林果业生产管理质量。吉林大学孙会彬设计的开沟机械虽然实现了结构的创新，但由于在设计过程中偏置导致的力矩增加等问题，整机的工作效率仍有待提高[1]。白秋薇等研究的精准变量系统技术能够覆盖作物成长的不同阶段，但施肥量的误差和变异系数仍需进一步优化[2]。刘德江等人研制的复式作业机结构紧凑、调试方便，但是不能适应不同土壤环境，土壤含水量高会导致镇压器压土量不足和粘土等问题[3]。因此，优化作业参数，提高机具的工作效率及稳定性和适用性是当前研究的重点。

1 施肥机开沟技术研究现状

1.1 国外施肥机开沟技术研究现状

开沟技术在林果业生产中被广泛应用[4]。欧美发达国家对果园开沟施肥机的研究相对较早[5]，其技术也相对成熟。自上世纪中叶以来，已逐渐实现了从人工果园经营向机械化果园经营的转变。欧美开沟机械按照功率不同主要分为大型开沟机和小型开沟机[6]。国外应用于林果业的开沟机普遍采用75kW 以下的小型开沟机。美国凯斯公司生产的CASE860型链式开沟机[7]为了满足开沟的深度要求，在上一代机型的基础上将速度和扭矩进行最优化配比，采用低速大扭矩的方式，在提高整机生产力的同时确保了刀具寿命。此类开沟机结构简单，整机的稳定性和作业效率得到提升。俄罗斯生产的aTy-161型开沟机[8]在农业生产作业中得到了认可和应用，该机具可以提供充足的作业动力，开沟深度达1600mm、宽度达200～400mm。

1.2 国内施肥机开沟技术研究现状

国内开沟技术在林果业上的运用起步较晚[9]，目前圆盘式开沟机在林果业生产中使用较多。阿布里孜·巴斯提等[10]研制的1FK-40 型偏置式果园开沟施肥机初步实现了一体化作业，可同步完成开沟和施肥作业，施肥调节阀门可根据施肥需求量的多少进行调节与控制，但在大规模作业中效率不高。何义川等[11]研制了2FK-40 型果园开沟施肥机械，该机采用偏置开沟装置，在工作过程中能够保持开沟深度达到30～40 cm，使植物根部得到保护，该机可以适应果园的开沟施肥作业要求，但机具未能进入实际生产。王铁新等[12]研制的MX1500 双圆盘开沟机适用于大规模作业，作业效率高，但机具便捷灵活度不足，机具功率损耗较高。

国内果园开沟施肥机具的适应性有待提升，主要原因是当前我国现有机械和开沟机具受地理条件制约很难保证路线不出偏差，机具功率损耗较高。

2 变量施肥技术研究现状

目前，传统的施肥方式已经不能满足大型林果业种植需求，变量施肥技术作为精准农业的核心打破了固有传统，可综合土壤肥力和作物需求进行系统地定时、定位、按需施肥。

2.1 国外变量施肥技术研究现状

当前国外变量施肥机能够综合变量施肥、分层施肥等多种功能并结合土壤特性和病虫害情况进行精准施肥。美国的John Deere 公司的Green Star 系统能够充分利用传感器等仪器控制施肥量[13]。日本的TABATA 公司设计的变量施肥机以外槽轮作为排肥机构，通过行进速度和外槽轮转速控制变量，施肥准确率达95%。Rawson 研发的ACCU-RATE 控制系统可以控制液态或者固态化的变量施肥。美国CASE 公司设计的输送式施肥播种机利用自主设计的AFS 系统控制变量施肥。AgGPS170 田间计算机[14-15]综合田间信息管理解决方案，与AgGPS接收机、导航系统及Autopilot 相结合，能在控制变量的同时实现导航和土壤取样等多种功能，此项研究使变量施肥技术研究更加系统化。

2.2 国内变量施肥技术研究现状

国内在上世纪末开始研究变量施肥，目前发展迅速。万伟红等[16]研制的新式专用施肥机采用双搅龙叶片，实现了排肥量的精准控制，肥料和土壤的混合效果更好，肥料利用率更高。陈桂芬等[17]研制的2BAF-6 型播种机在原有的施肥机中加入了“3S”技术和农业生产专家系统，可更加精准地进行变量施肥。白秋薇研制的设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统能满足不同大小果树对不同需肥量的精准变量自动施肥要求。崔长远等针对枸杞树设计了精量排肥机，实现了200 g 的变量穴施肥。张琦等研制的枣园施肥机利用单片机和传感器及步进电机通过检测外槽轮的转动速度和枣树株距来进行施肥，大大提高了施肥效率。国外对变量施肥研究已久，技术应用于农业和林业的多领域，国内现有变量施肥机械主要应用于农业，因此应加强对“3S”技术和传感器的运用，充分考虑不同植株、不同区域及不同施肥层对施肥量的影响，研发研制集分层、自适应、系统智能化语音于一体且肥斗容量可调的施肥机。

3 施肥机覆土技术研究现状

覆土作为施肥关键技术在近几年得到了更多的研究[18-20]。目前常用的覆土器主要有六种：弹齿、链环、爪盘、刮板、圆盘和双圆盘。

3.1 国外施肥机覆土技术研究现状

自上世纪40 年代以来，国外学者将能否实现不同作物播种所采取的条播等方式的覆土要求作为研究重点，对覆土器本身的结构参数研究不深；A.Ozmerzi 等人加强了对精密播种机器的研究，进行了播种深度、土壤压实度和土壤覆盖等试验研究，为覆土装置的设计提供了新的参考；美国生产的免耕播种机[21]采用挤压式覆土器，集覆土与镇压功能于一体，配合开沟器，覆土和镇压效果较好。

3.2 国内施肥机覆土技术研究现状

国内对覆土装置的研究主要依托于施肥机的整体设计，具体研究起步较晚。夏俊芳[22]等研制的新型覆土镇压装置设置了限位杆和调压弹簧，确保了覆土的深度以及镇压的力度，减轻了对种子的损伤。刘德江等[23]研制的复式覆膜装置属于一体机，实现了多种作业功能，可根据不同的作业要求调整覆土盘的覆土角度。梁方优化了草地切根施肥补播复试改良机械[24]，将宽型单体镇压轮改为V 型镇压轮覆土器，采用分层交错式开沟器，解决了覆土器堵塞的问题。

从诸多文献中发现，在果园施肥机研制中覆土往往是被忽视的关键技术，国内外研制覆土机构主要为整机服务，通过改进覆土机构增强协同机具作业能力，进而提升整机作业效率。目前施肥机覆土装置借鉴了国内外的先进技术，但仍存在易堵塞及土壤压实率不高的问题。覆土效果直接影响施肥质量和土壤成分的变化，应设计便捷可调覆土、镇压效果良好的机构，探索使用新材料解决堵塞问题，不断优化覆土效果，确保施肥作业效率和质量。

4 施肥机关键技术的讨论与展望

4.1 多行可调节机械在大规模农业生产中的应用

未来林果产业的规模越来越大，果园种植越来越规范，大量实践表明多行开沟施肥机稳定性更好，在大规模施肥作业中使用多行分层的开沟装置有利于提高作业效率。大规模施肥要选用合适的动力源，设计便捷可调的刀具机构，提高稳定性和适用性。总之，多行可调节机械在大规模农业生产中将得到更多应用。

4.2 精准化、智能化技术在变量施肥中的应用

目前部分发达国家在林果业生产中已经广泛应用精准化、智能化技术，且在我国部分高端果园已经得到应用，随着我国定位系统、导航系统、遥感系统和田间作业专家系统的实践应用，大量机械会得到优化完善和应用。在大数据的研究背景下，变量施肥技术要充分考虑果园土壤环境的差异，同一地域的不同植株、不同的区域、不同施肥层所需的肥量均不同，精准、智能化变量施肥更加有利于农业机械化的发展，今后应探索研制集成分层、自适应和肥斗容量可调的果园施肥机。

4.3 新材料在覆土装置的应用

我国覆土器的使用比较粗放，受土壤、杂草影响经常导致施肥不均。目前对集开沟、施肥、覆土为一体且能自适应多种规模、多种地形的施肥机研究越来越深入，覆土装置应具有更强的通用性和适用性，新材料可降低土壤对机具的影响，粘土现象可得到一定缓解。因此未来应探索发掘新材料应用于覆土装置零部件。