我國玉米穴施肥裝置研究現(xiàn)狀及展望

劉正道 何進(jìn) 王慶杰 鄭侃

摘要：玉米穴施肥技術(shù)可在很大程度提高化肥利用效率，減少玉米生產(chǎn)成本，對提高我國玉米在國際市場的競爭力具有重要意義。因此，介紹了穴施肥技術(shù)概況，根據(jù)施肥階段的不同，分別分析和闡述了種肥、苗期追肥和中后期追肥階段玉米穴施肥裝置的主要結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，指出了現(xiàn)有國內(nèi)玉米穴施肥裝置存在的一些問題，并對該領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向進(jìn)行展望，以期為我國玉米穴施肥技術(shù)的研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米;穴施肥;裝置;結(jié)構(gòu);工作原理;現(xiàn)存問題;研究展望

中圖分類號： S224.2?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0005-04

我國玉米種植面積居世界首位，2016年我國玉米總產(chǎn)量2.19億t，玉米播種面積3 675.9萬hm2，單產(chǎn)5.97 t/hm2[1]。但我國玉米生產(chǎn)成本高，效益低，其主要原因是勞動力成本高、物化投入比重大，其中單位面積勞動力成本為美國的 1.58倍[2]，肥料費(fèi)平均比美國高55.75元/t[3]。在玉米生產(chǎn)物化投入中肥料投入比重最大，但由于施肥方式不當(dāng)?shù)仍蛟斐晌覈实倪^量施用，玉米過量施肥程度平均達(dá)到 50.74%[4]?；瘜W(xué)肥料的過量施用不僅造成肥料的浪費(fèi)，還會造成一系列的環(huán)境問題，如地下水和地表水質(zhì)量下降，表層土壤硝態(tài)氮的大量盈余和累積導(dǎo)致土壤酸化，土壤有機(jī)質(zhì)存量下降，土壤磷素面源污染，溫室氣體排放增加等[4-7]。

為了降低玉米生產(chǎn)成本，提高我國玉米在國際市場的競爭力，近年來玉米精量施肥領(lǐng)域成為研究的重點(diǎn)，與緩釋肥技術(shù)相結(jié)合的化肥深施[8-9]、化肥分層施用[10-13]以及穴施肥等技術(shù)相繼出現(xiàn)，可很大程度提高肥料利用率。其中化肥深施和分層施肥技術(shù)仍條施化肥，相鄰玉米植株間化肥利用率仍然較低;而穴施肥技術(shù)避免了因化肥分散分布、沒有針對特定種子而造成的化肥浪費(fèi)現(xiàn)象[14]。因此，了解和掌握玉米穴施肥技術(shù)及其相關(guān)裝備的主要類型和特點(diǎn)，探討其存在的主要問題，對于推廣玉米穴施肥技術(shù)，提高化肥利用效率具有重要意義。

1?玉米穴施肥技術(shù)

玉米穴施肥技術(shù)是指在玉米生產(chǎn)的不同階段，根據(jù)玉米需肥規(guī)律，將化肥呈穴狀施入土壤，化肥處于玉米種子或植株的側(cè)下方或正下方，并且和種子或植株保持一定的距離。穴施肥效果圖如圖1所示。

與傳統(tǒng)化肥條施或撒施相比，玉米穴施肥技術(shù)既可避免傳統(tǒng)施肥方式的燒種（苗）現(xiàn)象，也可以避免因化肥分散分布、沒有針對特定種子而造成的的化肥浪費(fèi)現(xiàn)象[14]。玉米穴施肥技術(shù)參數(shù)主要包括肥料的空間位置和每穴施肥量。

每穴施肥量的確定：確定適宜的玉米施肥量，既要滿足玉米的養(yǎng)分需要，又要避免肥料浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。由于品種特性、土壤條件、產(chǎn)量水平以及栽培方式不同，在確定具體施肥量時，要綜合分析考慮多種因素[15]，理論計算玉米施肥量[16-17]的方法如下：

施肥位置的確定：施肥過程為防止燒種、燒苗現(xiàn)象，必須保證肥料和種子（植株）具有一定的距離，穴施種肥時要使肥料和種子距離不小于5 cm[18]，肥料和種子通過土壤層隔開，并且需要追肥，防止玉米后期脫肥早衰;玉米追肥時應(yīng)保證化肥和植株水平間距在10～15 cm;追肥深度為8～10 cm[19-21]。

2?玉米穴施肥裝置主要類型

按施肥階段不同，玉米穴施肥裝置可分為種肥穴施、苗期穴施和中后期穴施等類型。

2.1?種肥穴施機(jī)械

目前，種肥穴施技術(shù)通常和玉米穴播技術(shù)同時應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)玉米單粒精量播種的同時，通過一定的種肥協(xié)同機(jī)構(gòu)，在種側(cè)（下）穴施化肥，并保證一定的種肥間距。

2.1.1?埯播施肥鎬

我國玉米種植區(qū)域跨度廣、涉及地形條件復(fù)雜，在山地、丘陵等區(qū)域玉米生產(chǎn)仍以小型機(jī)械或人工農(nóng)具為主。近年來市場上也出現(xiàn)了一些穴播穴施肥農(nóng)具，如遼寧省云帆機(jī)械制造有限公司研制的埯播施肥鎬，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該埯播施肥鎬主要包括播種器、施肥器、擺錘、鎬把、肥料袋、導(dǎo)肥管等組成，播種器和施肥器相鄰并排安裝，間距5 cm，玉米種子裝在鎬把內(nèi)，肥料裝在肥料袋內(nèi)。

其工作原理：作業(yè)時，將埯播施肥鎬抬至一定高度后向下刨，播種器和排肥器從接觸土壤到達(dá)到播種施肥深度過程中由最大速度快速變?yōu)?，而擺錘在慣性的作用下繼續(xù)向下擺動，驅(qū)動播種器和施肥器工作，完成刨埯、播種、穴施肥作業(yè);然后抬起點(diǎn)播鎬，種、肥被自然回落的土壤覆蓋，完成覆土作業(yè);操作者在刨下一埯、向前邁步的同時，踩實(shí)落土，完成鎮(zhèn)壓作業(yè)[22-23]。該類型的埯播施肥鎬1個男性勞動者可播種0.33～0.67 hm2/d，適合我國東北、西北山區(qū)等復(fù)雜地形條件下玉米播種，適用性強(qiáng)。

2.1.2?穴播穴施肥裝置

玉米穴播穴施肥裝置多以玉米精量播種技術(shù)為基礎(chǔ)，通過直接或間接定位，將連續(xù)的肥料流由不定量的大群體轉(zhuǎn)化為定量的均勻連續(xù)肥料集群。

2.1.2.1?直接定位法

直接定位法是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接從肥箱中取出一定量的肥料送入土壤，機(jī)構(gòu)主要由曲柄、排肥連桿、排肥活塞、進(jìn)肥管、回位扭簧、量肥筒和開閉活門等組成，原理如圖3所示[15]。

其工作原理：機(jī)構(gòu)動力由地輪提供，作業(yè)過程中地輪傳遞的動力經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，經(jīng)連桿帶動排肥活塞在量肥筒內(nèi)上下運(yùn)動;當(dāng)排肥活塞向上運(yùn)動時，肥料經(jīng)進(jìn)肥管進(jìn)入量肥筒，儲存在開閉活門和排肥活塞中間，當(dāng)排肥活塞向下運(yùn)動時，推動肥料打開開閉活門，將肥料送入土壤，實(shí)現(xiàn)肥料穴施。該種方法無需排肥器，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)構(gòu)須近地安裝，安裝空間較大，對開溝器開溝寬度要求較高。

2.1.2.2?間接定位法

傳統(tǒng)播種施肥機(jī)具無法實(shí)現(xiàn)肥料穴施的原因是在肥料由肥箱經(jīng)肥管送入土壤過程中，受機(jī)具振動和部件無序撞擊作用。間接定位法是在肥料進(jìn)入土壤前，將肥料重新定位。該定位法排肥量的穩(wěn)定性由最后一步定位決定。機(jī)構(gòu)主要由護(hù)肥板、電磁鐵、連桿、肥料定位板、復(fù)位彈簧等組成，原理如圖4所示[15]。

其工作原理：由排肥器送出的肥料在送入土壤前首先到達(dá)間接定位機(jī)構(gòu)，在護(hù)肥板和定位板間不斷積累，機(jī)具到達(dá)指定位置后，控制系統(tǒng)控制電磁鐵吸合，打開定位板，將積累到一定量的肥料送入土壤，完成肥料穴施。相對于直接定位機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過電磁鐵控制，結(jié)構(gòu)得到簡化，且能實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的穴施肥。

張勛綜合分析了直接成穴法和間接成穴法的特點(diǎn)，利用間接成穴法設(shè)計了玉米穴播穴施肥裝置，并以8051單片機(jī)作為控制芯片完成控制系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計[15]。

2.2?苗期穴施肥裝置

充足的健苗、壯苗是實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)的最主要的因素，苗期追肥是玉米生產(chǎn)過程中重要的環(huán)節(jié)。苗期穴施肥技術(shù)是通過識別技術(shù)對玉米幼苗進(jìn)行識別和定位，進(jìn)而確定施肥位置，再通過扎穴機(jī)構(gòu)將一定量的肥料送至指定位置。相對于種肥穴施而言，玉米苗期追肥不需要考慮種肥協(xié)同作業(yè)的問題，其關(guān)鍵部件包括扎穴機(jī)構(gòu)和觸碰識別機(jī)構(gòu)。

2.2.1?扎穴機(jī)構(gòu)

2.2.1.1?行星輪系扎穴機(jī)構(gòu)

行星輪系結(jié)構(gòu)主要通過各種齒輪的組合，使工作部件按照設(shè)計的運(yùn)動軌跡運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)運(yùn)動，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，如水稻插秧機(jī)、缽苗移栽機(jī)等。在穴施肥領(lǐng)域，主要由太陽輪、行星架、中間輪、行星輪、搖臂和噴肥針組成，可分為橢圓齒輪行星輪系、全橢圓齒輪行星輪系、非規(guī)則齒輪行星輪系等，結(jié)構(gòu)如圖5所示[24]。

行星輪系扎穴機(jī)構(gòu)工作原理：工作時，太陽輪與機(jī)架固定安裝，行星架在傳動機(jī)構(gòu)的帶動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，中間輪一般由2個形狀不同的的齒輪組成，一個與太陽輪嚙合，一個與行星輪嚙合，在轉(zhuǎn)動過程中傳動比不斷變化，從而導(dǎo)致行星輪往復(fù)擺動。噴肥針和搖臂固結(jié)并安裝在行星輪上，使其在隨行星架做圓周運(yùn)動的同時做相對于行星架的逆向轉(zhuǎn)動，2種運(yùn)動的合成構(gòu)成噴肥針的往復(fù)扎穴運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)一般用于液態(tài)型肥料的施用，噴肥針與輸肥軟管相連，在扎穴的同時噴施液態(tài)肥，可實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)。

王金武等設(shè)計了基于三次拉格朗日曲線擬合軌跡的斜置式扎穴機(jī)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出當(dāng)行星架轉(zhuǎn)速75.0 r/min、前進(jìn)速度0.48 m/s、斜置角度23.3°時，作物損傷率為 0.33%[25-26];王金峰等設(shè)計了橢圓齒輪行星輪系扎穴機(jī)構(gòu)，并建立數(shù)學(xué)模型，以穴距200 mm和入土深度120～150 mm為尋優(yōu)目標(biāo)得到行星輪系的參數(shù)范圍，高速攝影試驗(yàn)結(jié)果表明施肥損失率遠(yuǎn)小于3.5%[27-28];馮金龍等設(shè)計了變形橢圓齒輪扎穴機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)行星架轉(zhuǎn)速64.4 r/min、前進(jìn)速度0.61 m/s時，機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能最優(yōu)[29-30];劉亞華等設(shè)計非圓齒輪扎穴施肥裝置，優(yōu)化得出試驗(yàn)裝置的最佳工作參數(shù)為行星架轉(zhuǎn)速72 r/min，試驗(yàn)臺車前進(jìn)速度為 0.49 m/s[31-32]。

2.2.1.2?曲柄搖桿扎穴機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿扎穴機(jī)構(gòu)主要利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)原理，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為扎穴機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)穴施肥功能。曲柄搖桿扎穴機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、凸輪、搖桿、壓縮彈簧和入土部件組成，搖桿一端連接入土機(jī)構(gòu)，一端與凸輪接觸，其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示[33]。

其工作原理：在施肥間隙，搖桿和凸輪的遠(yuǎn)休止段接觸，凸輪轉(zhuǎn)動過程中，入土部件始終處于最高點(diǎn);當(dāng)運(yùn)動到施肥位置時，搖桿與凸輪缺口接觸，入土部件在壓縮彈簧作用下迅速下降至最低點(diǎn)，完成入土;凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，入土部件抬升至休止位置。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但入土部件入土力由壓縮彈簧決定，彈簧彈性系數(shù)越大，入土力越大，但在排肥間隙回位阻力越大，功耗越大，且機(jī)具受地面沖擊較大，機(jī)具振動嚴(yán)重。

錢梵梵依據(jù)該原理設(shè)計了玉米穴施肥機(jī)，并進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)施肥量變異系數(shù)為 2.73%，田間試驗(yàn)施肥深度的均值為8.633 2，方差為 0.335[34]。為減少機(jī)具振動，整機(jī)振動頻率與單缸汽油機(jī)工作時的振動頻率錯開，減少共振。

2.2.2?識別裝置

識別裝置主要用于對玉米幼苗進(jìn)行識別、定位和啟動扎穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動，目前穴施肥技術(shù)中主要通過機(jī)械觸碰裝置實(shí)現(xiàn)識別，主要由觸碰轉(zhuǎn)針、三角轉(zhuǎn)盤、滾輪、位移驅(qū)動擺桿與可恢復(fù)式微力放大裝置組成。

機(jī)械觸碰識別裝置的工作原理：當(dāng)機(jī)具運(yùn)動至植株旁邊時，觸碰轉(zhuǎn)針接觸玉米莖稈，推動觸碰轉(zhuǎn)針帶動三角轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動拔動滾輪和位移驅(qū)動擺桿，位移驅(qū)動擺桿打開微力放大裝置，微力放大裝置內(nèi)彈簧推動滑移齒輪側(cè)向滑動，使其與施肥齒輪嚙合并帶動2個施肥凸輪盤工作，從而帶動邊側(cè)施肥機(jī)構(gòu)開始扎穴。

李沐桐等對靠苗裝置、微力放大器、施肥裝置和脫離裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究和參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明在臺車前進(jìn)速度為 1.25 m/s，動力輸出軸轉(zhuǎn)速為16.5 r/min，觸碰轉(zhuǎn)針高度在 5 mm 的條件下，穴株擬合度可達(dá)到0.796，傷苗率接近10%[35-36]。

2.3?中后期穴施肥裝置

玉米生長至中后期，特別是喇叭口期，對肥料的需求量較大，但玉米屬高桿作物，與苗期追肥不同的是在大喇叭口期株高可達(dá)1.5 m左右，我國現(xiàn)有動力機(jī)械無法進(jìn)地作業(yè)，胡紅等在觸碰識別機(jī)構(gòu)和扎穴機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了自走式玉米中后期穴施肥機(jī)，主要由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、動力輸出機(jī)構(gòu)、動力傳動系統(tǒng)、追肥裝置和覆土裝置組成[20-21]，其中追肥裝置主要由植株位置探測機(jī)構(gòu)、水平位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、豎直扎穴機(jī)構(gòu)、入土部件和棘輪離合器組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

其工作原理：動力傳動系統(tǒng)驅(qū)動棘輪離合器轉(zhuǎn)動，在排肥間隙，離合器的棘輪和棘爪分離;當(dāng)機(jī)具運(yùn)動至玉米植株旁邊時，位置探測機(jī)構(gòu)觸碰玉米莖稈發(fā)生轉(zhuǎn)動，使棘輪離合器的棘輪和棘爪嚙合，帶動豎直和水平機(jī)構(gòu)運(yùn)動;水平位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)相對于機(jī)具向后運(yùn)動速度和機(jī)具前進(jìn)速度相等，避免在豎直扎穴機(jī)構(gòu)帶動入土部件扎入土壤時發(fā)生拖動，實(shí)現(xiàn)零速投肥。自走式玉米中后期穴施肥機(jī)在解決玉米生長中后期現(xiàn)有動力機(jī)械無法進(jìn)地作業(yè)的同時，引入水平速度補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)零速（水平方向）投肥，提高肥料成穴性能。

胡紅等對該裝置進(jìn)行田間試驗(yàn)表明，在排肥軸含肥腔長度為20 mm時的穴追肥排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為3.2%，平均追肥深度和平均追肥距離分別為91.3、127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距離合格率分別為88.3%和96.7%，漏追率為2.7%[20]。

3?現(xiàn)存問題及展望

3.1?現(xiàn)存問題

總體而言，我國玉米穴施肥技術(shù)的研究仍處于起步階段，相關(guān)機(jī)具研發(fā)也處于樣機(jī)的試制階段，均未達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用階段，現(xiàn)存問題主要包括：（1）種肥穴施機(jī)具。種肥施用為玉米施肥最關(guān)鍵的部分，種肥穴施技術(shù)及相關(guān)機(jī)具的研究較少。人工穴施肥農(nóng)具適用于山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形區(qū)域，但存在勞動強(qiáng)度大、效率低等問題。（2）苗期穴施肥機(jī)具。該類機(jī)具的研發(fā)主要以扎穴機(jī)構(gòu)的研究為主，觸碰識別機(jī)構(gòu)的研究較少，實(shí)際作業(yè)過程中對靶性能差，且苗肥間距不穩(wěn)定;多用于液態(tài)肥施用，而目前我國玉米追肥所使用的大多為顆粒肥料;曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在作業(yè)速度慢、運(yùn)行平穩(wěn)性差、傳動效率低等問題，而行星輪系雖然作業(yè)速度快，但在免耕地條件下力學(xué)性能較差。（3）中期穴施肥機(jī)具。玉米中后期根系較多且土壤硬度大，現(xiàn)有扎穴機(jī)構(gòu)入土性能不能滿足要求;植株高度大，大型動力機(jī)械無法進(jìn)地作業(yè)，而小型動力機(jī)械質(zhì)量輕，作業(yè)過程在土壤反作用下機(jī)具彈跳嚴(yán)重。

3.2?展望

3.2.1?加大關(guān)鍵部件理論研究

當(dāng)前，我國穴施肥裝置的研究雖然取得了一定的成果，但其排肥量穩(wěn)定性、種（苗）肥間距穩(wěn)定性、入土性能等均未達(dá)到實(shí)際作業(yè)要求。因此，須加強(qiáng)間歇取肥、運(yùn)肥和投肥關(guān)鍵技術(shù)的研究，加強(qiáng)關(guān)鍵部件加工工藝，實(shí)現(xiàn)精量取肥、精準(zhǔn)投肥;運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計和分析手段，分析機(jī)械部件和土壤的相互作用，優(yōu)化運(yùn)動軌跡，探索新工藝，使用新材料，實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)精準(zhǔn)施肥。

3.2.2?提高識別和控制部分自動化和智能化水平

由于穴施肥技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，要想進(jìn)一步提高玉米穴施肥機(jī)具作業(yè)速度和精度，自動化和智能化是其發(fā)展的必然方向。自動監(jiān)測、實(shí)時控制、自動補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的應(yīng)用，可以很大程度提升施肥的精度，自動導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用可以降低勞動強(qiáng)度，改善勞動環(huán)境，特別是在玉米中后期階段。

3.2.3?加強(qiáng)模式試驗(yàn)與機(jī)具開發(fā)的結(jié)合

我國玉米種植區(qū)域廣、品種多，不同玉米品種不同生長階段對肥料的需求均存在差異，為最大程度提高化肥利用效率，減少化肥的投入，在機(jī)具研發(fā)的同時，應(yīng)研究不同穴施肥模式對玉米生長和產(chǎn)量的影響，為玉米穴施肥機(jī)具的研發(fā)提供理論依據(jù)。

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