果園肥料深施機研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

袁全春，徐麗明，邢潔潔，段壯壯，馬 帥，于暢暢

(中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083)

0 引言

目前，我國水果種植面積和產(chǎn)量均已位于世界前列[1]。水果產(chǎn)量和品質(zhì)的一個重要影響因素就是果園的施肥技術，要想提高水果的產(chǎn)量和品質(zhì)，就要提高對果園施肥環(huán)節(jié)的要求，尤其是秋季的深施肥。我國大部分果園的秋季深施肥作業(yè)都由人工完成，先人工挖溝，再把肥料施到溝中，最后將土填回溝里[2-3]。人工施肥勞動強度大、效率低、費時費力[4]，且不容易控制施肥量，造成肥料的浪費，已不適應現(xiàn)代果園施肥管理環(huán)節(jié)的要求[5]。果園對果樹機械化深施肥技術的要求也越來越高，為了提高我國果樹肥料深施的機械化水平，研究適合我國果園施肥模式的果園肥料深施機械迫在眉睫[2]。本文闡述了國內(nèi)外果園肥料深施機的主要類型、作業(yè)原理及特點，介紹了果園肥料深施機的發(fā)展現(xiàn)狀，并指出了現(xiàn)有機型存在的問題，展望了果園肥料深施機的發(fā)展趨勢。

1 國外果園肥料深施機的研究現(xiàn)狀

國外果園施肥機械主要有液態(tài)施肥機、圓盤撒肥機和肥料深施機。液態(tài)施肥機是通過噴頭直接將液態(tài)肥料施于土壤表面或通過注射頭將液態(tài)肥料注入土壤中，如圖1(a)所示。圓盤撒肥機是通過旋轉(zhuǎn)的圓盤將固體顆粒肥料均勻地拋撒在土壤表面的機械，如圖1(b)所示。肥料深施機能將肥料施入植株根系以下，圖1(c)為意大利Maggio公司設計的一種CF3-M耕作機，主要用于葡萄園各個階段的施肥作業(yè)，專門用于地下和局部施肥，不僅適用于不同土壤質(zhì)地，而且可以調(diào)節(jié)施肥間距。該機有3個固定的施肥鏟，開溝深度范圍為0.1～0.5m；肥箱由肥料計量系統(tǒng)組成，具有打開和關閉出口，通過機械結構自動啟閉；纏繞式攪拌器系統(tǒng)通過液壓實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)混合肥料的攪拌，使施肥均勻；帶刻度尺的調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)施肥量[6]。近年來，歐美發(fā)達國家的果園肥料深施機械向智能化、自動化方向發(fā)展，有的施肥機利用傳感器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等技術進行對靶精準施肥[7]；有的利用施肥量可變技術實現(xiàn)了精量排肥[8]；有的則安裝各種傳感器和智能處理系統(tǒng)，通過3S技術對果樹、土壤進行實時檢測，計算出施肥配方，從而完成對果樹的精準施肥[9]。

2 國內(nèi)果園肥料深施機的研究現(xiàn)狀

近幾年，我國對果園肥料深施機的研究有了較大的發(fā)展，目前現(xiàn)有的果園肥料深施機種類繁多，基本分為挖坑施肥機、圓盤開溝施肥機、鏈式開溝施肥機、立式破土施肥機和振動深施機等5類機型，各有各的特點和不足。

2.1 挖坑施肥機研究現(xiàn)狀

2010年，山東農(nóng)業(yè)大學的韓大勇等設計的自走式新型果樹施肥機，如圖2所示[10]。整機作業(yè)以液壓為動力，鉆頭一邊旋轉(zhuǎn)一邊豎直向下移動進行鉆孔作業(yè)，同時挖出的土壤順著鉆頭被提升進入土壤收集器，然后排肥器向土壤收集器中施入定量的肥料；鉆頭反方向旋轉(zhuǎn)，土壤收集器中的土壤和肥料流入坑中，完成挖坑施肥作業(yè)。該機鉆孔最大深度250mm，鉆孔直徑100～200mm，單穴最大施肥量1kg，肥箱容積50L。該機能夠?qū)崿F(xiàn)繞果樹環(huán)狀鉆孔定量施肥，減輕了果農(nóng)勞動強度，但作業(yè)效率較低。

圖1 國外果園施肥機械

1.土壤收集器 2.車架 3.油箱 4.液壓泵 5.肥料箱 6.發(fā)動機 7.蓄電池 8.行走輪 9.步進電機 10.排肥器 11.鉆頭 12.液壓馬達 13.液壓缸

2013年，新疆農(nóng)業(yè)大學的張洪設計的密植果園挖穴施肥機，主要由挖穴裝置、施肥裝置和行走裝置等組成，如圖3所示[11]。工作原理為：機具行走到作業(yè)地點，啟動機器，挖穴鉆頭在旋轉(zhuǎn)的同時慢慢靠近地面，將挖出的土壤拋到周圍；當達到設定的深度時，將挖穴鉆頭提起；肥料順著排肥斗流入穴中，機具前行，覆土板將土壤填回穴中，作業(yè)過程結束。該機挖穴時間最長為16s，最短為8s，挖穴深度為0.4～0.6m，挖穴直徑為0.3～0.31m，排肥量為0.4kg。該機可以減輕果農(nóng)作業(yè)強度，但提升電機采用碟剎的安全穩(wěn)定性較差，且以電為動力續(xù)航能力差。

1.油管 2.碟剎下油泵 3.繞線輪 4.繞線軸 5.升降電機 6.支撐架 7.鋼絲繩 8.挖坑電機 9.電機底板 10.平型四桿機構 11.肥料箱 12.挖穴鉆頭 13.排肥斗 14.V形覆土板 15.主動輪 16.挖穴電機 17.聯(lián)軸器 18.蝸桿蝸輪減速器 19.機架 20.蓄電池箱 21.從動輪22.碟剎上油泵 23.控制臺

2014年，西北農(nóng)林科技大學的韓冰等設計的一種果園挖坑施肥機，如圖4所示[12]。

1.排肥箱 2.機架 3.鏈條 4.大鏈輪 5.齒輪箱總成 6.傳動軸總成 7.上懸掛板 8.左右下懸掛板 9.土壤收集器 10.挖穴鉆頭 11.排肥管 12.小鏈輪 13.排肥器總成

該機通過三點懸掛裝置與拖拉機連接，拖拉機動力輸出軸經(jīng)過齒輪箱的作用帶動鉆孔裝置和排肥裝置旋轉(zhuǎn)，分別實現(xiàn)鉆孔和肥料的填加。工作過程中，螺旋鉆鉆孔的同時，通過螺旋鉆的提升作用，將土壤輸送到收集器中與施肥裝置排下的肥料混合；螺旋鉆提升后，土壤收集器中的土壤和肥料流入孔中，完成挖坑施肥作業(yè)。該機最大鉆孔深度350mm，最大鉆孔直徑280mm，排肥量5～90kg，肥箱容積42L。該機機械化水平進一步提升，結構簡單，土壤和肥料混合充分，但是不適于連續(xù)作業(yè)。

2016年，西北農(nóng)林科技大學的魏子凱設計的山地果園挖坑施肥覆土機，如圖5所示[13]。作業(yè)時，滑塊在挖坑覆土液壓缸作用下沿導軌向下運動，挖坑鏟隨之向下運動，同時收攏，挖坑鏟進入土壤，完成挖坑作業(yè)。挖坑覆土液壓缸使挖坑鏟連同挖掘出的土壤向上提升，施肥液壓缸推動聯(lián)動式舌板運動，使量筒與肥料箱斷開，與施肥管連通，肥料流入挖好的坑中；然后，挖坑鏟分開，土壤落回坑中，完成覆土。該機最大挖坑深度0.4m，最大挖坑直徑0.4m，施肥量0.8kg，肥箱容積95L。該機能夠?qū)崿F(xiàn)山地果園的深施肥作業(yè)，但液壓系統(tǒng)采用手動控制，自動化程度較低。

1.挖坑鏟 2.支座 3.滑塊 4.導軌 5.連桿 6.挖坑覆土液壓缸 7.升降臺 8.機架 9.升降液壓缸 10.肥料箱 11.拉桿 12.量筒 13.聯(lián)動式舌板 14.施肥管

2.2 圓盤開溝施肥機研究現(xiàn)狀

2011年，金華市農(nóng)業(yè)機械研究所的張加清等設計的1KF-20型大棚果園開溝施肥機，主要由開溝刀盤、肥箱、排肥管和覆土器等組成，如圖6所示[14]。作業(yè)時，由手扶拖拉機驅(qū)動開溝刀盤開溝，肥料在排肥器的作用下落入溝底，最后由覆土器覆土，完成開溝、施肥、覆土作業(yè)。該機最大開溝深度0.2m，最大開溝寬度0.15m，肥箱容積58L，最大施肥量75kg/h，作業(yè)速度0.6～0.8km/h，能完成大棚果園化肥的施用，但不適用于有機肥的施肥作業(yè)。

1.溝底 2.覆土器 3.排肥器 4.排肥管 5.肥料箱 6.刀盤軸 7.仿生開溝刀盤 8.變速箱 9.溝頂 10.動力底盤 11.動力

2012年，中國農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所與高密益豐機械有限公司研制的開溝施肥攪拌回填機，如圖7所示[15]。其主要用于果園開溝施肥，具有土肥混合功能。該機肥箱由有機肥箱和化肥箱組成，有機肥箱用螺旋攪龍單向輸肥，化肥箱使用外槽輪排肥器。作業(yè)時，先由圓盤開溝器開溝，然后攪拌器將土壤和肥料攪拌均勻，最后攪龍將溝上土壤回填。該機提高了肥料利用率，但結構復雜、肥箱利用率低，不能靠近樹根開溝，不能定向施肥。

1.攪龍架 2.回填攪龍 3.攪龍架連接器 4.攪拌傳動箱 5.攪拌器 6.開溝齒 7.開溝輪 8.開溝器傳動箱 9.擋土板 10.中間傳動箱 11.有機肥箱 12.化肥箱 13.化肥排肥器 14.有機肥排肥器 15.導向槽

2014年，新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所的阿布力孜·巴斯提研制的1FK-40型偏置式果園開溝施肥機，主要由機架、刀盤總成、肥箱、施肥鏟等組成，如圖8所示[16]。作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸驅(qū)動刀盤進行開溝作業(yè)，并通過鏈傳動帶動撥肥輪轉(zhuǎn)動，肥料經(jīng)施肥鏟落入溝中，完成開溝施肥作業(yè)。該機開溝深度0.3～0.5m，開溝寬度0.3～0.5m，肥箱容積900L，作業(yè)速度0.8～1.5km/h。該機肥箱容積大，延長了單次作業(yè)時間，且整機穩(wěn)定性較好，但沒有覆土裝置，作業(yè)后地面平整度低。

1.機架 2.齒輪箱總成 3.偏重式肥箱 4.刀盤總成 5.地輪

2014年，新疆農(nóng)墾科學院的何義川等研制2FK-40型果園開溝施肥機，主要由機架、圓盤開溝裝置、施肥裝置、埋溝覆土裝置、傳動系統(tǒng)和限深裝置等組成，如圖9所示[17]。作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸提供動力，開溝裝置進行開溝作業(yè)。限深輪的轉(zhuǎn)動經(jīng)鏈傳動帶動排肥攪龍轉(zhuǎn)動，將肥箱中的肥料輸送到排肥器中完成施肥作業(yè)；覆土裝置將土壤回填到溝里，實現(xiàn)覆土作業(yè)。該機開溝深度0.2～0.4m，開溝寬度0.1～0.15m，作業(yè)速度1.6km/h，肥箱容積500L，排肥均勻性變異系數(shù)為2.96%。該機作業(yè)部件偏置安裝，可以靠近植株根系施肥，提高了肥料利用率，但排肥攪龍由地輪帶動，容易因地輪打滑導致不排肥。

1.肥料箱 2.傳動箱 3.機架 4.機架支腿 5.開溝裝置 6.施肥裝置 7.埋溝覆土裝置 8.傳動系統(tǒng) 9.限深裝置

2015年，新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司的郭新剛等研制的2FPG-40型葡萄開溝施肥機，如圖10所示[18]。該機動力由拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱傳動到開溝刀盤，驅(qū)動其向前旋轉(zhuǎn)開溝； 又經(jīng)鏈傳動驅(qū)動排肥攪龍轉(zhuǎn)動，將肥箱中的肥料輸送到排肥口處，使肥料不斷地經(jīng)施肥鏟落入溝底；最后，覆土擋板將溝上的土壤回填到溝中，完成開溝施肥覆土作業(yè)。該機可以調(diào)整施肥深度和施肥量，開溝最大深度0.42m，開溝寬度0.15m，肥箱容積400L，作業(yè)速度小于30m/min。該機施肥部件偏置，靠近植株，提高了肥料利用率，但有機肥施肥量大時排肥口容易積肥。

1.開溝刀盤 2.施肥鏟 3.覆土擋板 4.驅(qū)動調(diào)位滾筒 5.調(diào)位拉桿 6.肥箱 7.刀盤護罩 8.機架 9.擋板 10.傳動齒輪箱 11.傳動螺旋

2017年，中國農(nóng)業(yè)大學的史麗娜設計的葡萄園有機肥變量深施機，如圖11所示[19]。由拖拉機動力輸出軸提供動力，經(jīng)由變速箱驅(qū)動開溝盤順時針旋轉(zhuǎn)開溝，經(jīng)過鏈傳動驅(qū)動肥箱內(nèi)輸肥攪龍旋轉(zhuǎn)，使有機肥不斷地從排肥口落入輸肥管，經(jīng)施肥鏟施入溝底，然后覆土裝置覆土，完成開溝、施肥、覆土作業(yè)。該機有施肥控制系統(tǒng)根據(jù)設定的單位面積施肥量和機具的前進速度來調(diào)節(jié)排肥口大小，保證施肥的均勻性；最大開溝深度0.3m，開溝寬度0.14m，肥箱容積400L。該機采用偏置圓盤進行開溝，施肥位置靠近葡萄植株根系，提高了有機肥利用率；同時，采用施肥控制系統(tǒng)，保證了施肥的均勻性；但同樣具有單螺旋攪龍輸肥所存在的不足，施肥量較大時，排肥口容易積肥。

圖11 葡萄園有機肥變量深施機

2.3 鏈式開溝施肥機研究現(xiàn)狀

2015年，新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司的郭新剛等研制的2F-2.0型液壓翻轉(zhuǎn)葡萄施肥機，如圖12所示[20]。作業(yè)時，鏈式開溝器先開溝，然后肥箱中的攪龍旋轉(zhuǎn)推動肥料通過肥箱一側的出肥槽進入溝底，隨后覆土。該機肥箱下安裝有翻轉(zhuǎn)油缸，可以使肥箱傾斜，避免肥料堵塞、架空等現(xiàn)象。該機施肥深度0.37m，排肥量10kg/m，生產(chǎn)效率0.6hm2/h，肥箱容積1 500L，缺點是功耗較大。

1.行走地輪 2.翻轉(zhuǎn)油缸 3.肥箱 4.攪龍 5.開溝鏟齒 6.傳動軸 7.齒輪箱 8.鏈式開溝器

2016年，山東農(nóng)業(yè)大學的張平平設計的果樹土肥攪拌精量控制施肥機，主要由開溝裝置、土肥攪拌混合裝置、覆土裝置和排肥系統(tǒng)等組成，如圖13所示[21]。作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸提供動力。其中，一部分動力帶動開溝鏈快速旋轉(zhuǎn)，進行連續(xù)的切削挖土作業(yè)，一部分帶動土肥攪拌筒中的攪拌攪龍轉(zhuǎn)動，進行土肥攪拌作業(yè)。工作過程中，開溝鏈切削下的土壤在開溝刀的帶動下落入土壤滑槽，并滑入土壤收集器，控制系統(tǒng)精確控制排肥量；被排出的肥料經(jīng)排肥管落入土壤收集器，與土壤攪拌均勻，并排入溝中，然后覆土板覆平。開溝深度0.4m，開溝寬度0.3m，作業(yè)速度0.15km/h。該機能夠控制施肥量，并實現(xiàn)了土肥混合，提高了肥料利用率；缺點是能耗較高，且不適用于農(nóng)家肥的施肥作業(yè)。

1.機架 2.變速箱 3.土壤滑槽 4.控制系統(tǒng) 5.肥箱托架 6.肥箱 7.開溝鏈 8.開溝刀 9.支撐主梁 10.地輪 11.覆土板 12.連接架 13.土肥攪拌筒 14.土壤收集器

2.4 立式破土施肥機研究現(xiàn)狀

2017年，西南大學的王攀設計的丘陵山區(qū)果園立式單軸開溝施肥機，主要由傳動裝置、旋轉(zhuǎn)刀具、清溝犁、擋土導流裝置和施肥裝置等組成，如圖14所示[22]。作業(yè)時，動力由手扶拖拉機的動力輸出軸經(jīng)傳動裝置帶動立軸旋轉(zhuǎn)，進而帶動安裝有刀片的刀座旋轉(zhuǎn)作業(yè)，進行開溝作業(yè)。開溝過程中拋出的土壤經(jīng)擋土導流板的阻擋落在溝的右側，清溝犁對開溝過程中落入溝中的浮土進行清理，完成施肥前的開溝作業(yè)。電機帶動施肥軸旋轉(zhuǎn)，肥料經(jīng)導肥管落入清溝犁后端的溝中，完成施肥過程。開溝深度約為0.3m，開溝寬度約為0.5m，機具生產(chǎn)率約為1 462m/h。該機能夠滿足丘陵山區(qū)果園開溝施肥的農(nóng)藝要求，但開溝深度較淺，沒有覆土裝置，肥箱容積較小，難以滿足果園大肥量深施作業(yè)。

1.動力機械輸出軸 2.支架 3.施肥裝置 4.清溝犁 5.旋轉(zhuǎn)刀具 6.傳動裝置 7.擋土導流裝置

2017年，西北農(nóng)林科技大學的趙明輝設計的立式旋耕果園施肥機，如圖15所示[23]。

圖15 立式旋耕果園施肥機結構示意圖

開溝器選用立式旋耕開溝方式，作業(yè)時立式旋耕刀轉(zhuǎn)動將土壤切碎，在開溝器后方安裝有施肥鏟和肥管以完成施肥作業(yè)。整個過程一次性完成，省去了傳統(tǒng)開溝施肥機開溝后拋土、施肥后覆土工序。開溝寬度0.3m，開溝深度0.3m，作業(yè)速度0.5～1km/h。該機利用液壓缸、伸縮臂和十字可伸縮萬向節(jié)實現(xiàn)曲線開溝運動，對靶施肥，提高了肥料利用率；同時，可以兼施化肥和商品有機肥，但無法施用自制有機肥。

2016年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所的肖宏儒等研制的1KS60-35X型果園雙螺旋開溝施肥機，主要由機架、變速箱、肥箱、破土刀軸和攪土刀軸組成，如圖16所示[24]。作業(yè)時，拖拉機動力輸出軸經(jīng)變速箱驅(qū)動破土刀軸和攪土刀軸旋轉(zhuǎn)，破土刀軸先松土，攪土刀軸中空，并開有排肥孔，肥料在離心力的作用下從排肥孔排出，并在螺旋攪龍作用下與土壤混合，完成施肥作業(yè)。該機開溝深度0.47～0.51m，開溝寬度0.3m，開溝深度穩(wěn)定系數(shù)98.2%，開溝寬度一致性99.2%，工作速度0.235km/h。該機實現(xiàn)了施肥與混土一體化作業(yè)，提高了肥料利用率和作業(yè)效率，但難以實現(xiàn)大顆粒農(nóng)家肥的深施作業(yè)。

1.未耕作土壤 2.破土刀軸 3.攪土刀軸 4.顆粒肥 5.耕后土壤 6.出肥孔 7.機架 8.減速器 9.錐齒輪組合 10.肥箱總成 11.齒輪組合 12.箱體總成

2.5 振動深施機研究現(xiàn)狀

2012年，山東農(nóng)業(yè)大學的姜建輝設計的3ZF-1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機，如圖17所示[25]。由拖拉機動力輸出軸提供動力，經(jīng)變速箱帶動偏心裝置旋轉(zhuǎn)，偏心裝置經(jīng)連桿帶動振動臂擺動。工作時，安裝在振動臂上的開溝器隨振動臂一起振動，隨著機具的前進完成振動開溝作業(yè)；同時，地輪通過鏈輪鏈條帶動排肥器轉(zhuǎn)動，將肥料排出肥箱，肥料沿輸肥管落入溝底。該機在前進速度1.5～3.0km/h的條件下，雙行開溝施肥最大深度為0.35m，單行開溝施肥最大深度為0.5m。該機能夠一次完成開溝、施肥、覆土工作，但是施肥量較小，只能施用化肥。

高密益豐機械有限公司與山東農(nóng)業(yè)大學聯(lián)合研制的2SF-120B型振動施肥機，如圖18所示。由拖拉機動力輸出軸提供動力，偏心連桿機構帶動開溝施肥鏟振動，實現(xiàn)開溝施肥，并采用螺旋攪龍強制排肥。該機能夠完成有機肥深施作業(yè)，作業(yè)效率高，但不能使土壤和有機肥混合。

1.變速箱 2.偏心輪 3.搖桿 4.機架 5.支點軸 6.地輪機構 7.開溝器 8.振動臂 9.輸肥管 10.排肥機構 11.肥料箱

圖18 3SF-120B型振動施肥機

3 果園肥料深施機存在的問題

目前，隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，研究出的果園肥料深施機械在一定程度上減輕了果農(nóng)的勞動強度，提高了作業(yè)效率，但仍然有很多方面需要進一步研究：①機具作業(yè)能耗較高、效率較低；②作業(yè)部件易磨損；③肥箱容積較小，易腐蝕；④自動化、智能化程度較低；⑤土壤和肥料混合不均勻，肥料利用率低；⑥排肥器不能滿足農(nóng)家肥施肥要求，排肥口容易堵塞；⑦機具通用性不強。

4 發(fā)展趨勢

隨著我國果園種植面積不斷擴大，對適用的果園肥料深施機械的需求越來越迫切。針對目前果園肥料深施機存在的問題，果園肥料深施機的發(fā)展趨勢包括以下幾點：①機具結構簡單、通用性強、能耗低、效率高；②具備土壤和肥料混合裝置；③具備自動上肥裝置；④作業(yè)部件耐磨耐腐蝕；⑤高度自動化、智能化，能夠根據(jù)土壤肥力變量施肥。