果園綠肥粉碎翻壓裝備研究現(xiàn)狀分析

楊 旺 ，趙勁飛 ，陳云生 ，張 宏 ，廖結(jié)安 ※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

我國(guó)水果種植面積自1978 年以來(lái)迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)階段果園種植面積和水果產(chǎn)量均居世界首位。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2017 年我國(guó)果園種植面積達(dá)到11 135.92 khm2，占農(nóng)業(yè)總面積的49.12%，2018 年果園種植面積增加至11 874.93 khm2，同比增長(zhǎng)6.64%[1]。隨著國(guó)家推進(jìn)“質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)”戰(zhàn)略，種植果園綠肥成為一種現(xiàn)代化綠色果園土壤管理模式[2-3]。綠肥指通過(guò)對(duì)綠色植物體直接翻壓還田、異地施用或集中發(fā)酵用作生物肥料的綠色植物體。綠肥的幼嫩莖葉等在土壤微生物的作用下腐解后，能提高土壤中大量元素及許多中微量元素的含量，同時(shí)，種植綠肥具有改變土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)作用[4-6]。

由于果園綠肥種類較多，傳統(tǒng)翻壓機(jī)械針對(duì)莖稈較高的綠肥作物，淺翻會(huì)影響綠肥的翻壓效果，而深翻又可能會(huì)損傷果樹(shù)的地表根系。因此，采用果園綠肥粉碎翻壓裝備先將綠肥進(jìn)行粉碎后再翻壓，既可提升果園綠肥利用率，又可降低果樹(shù)地表根系的損傷率。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)割草機(jī)用于綠肥粉碎

目前通常使用滾刀式、圓盤式及甩刀式割草機(jī)進(jìn)行果園綠肥的粉碎處理，然后在中耕時(shí)進(jìn)行翻壓，雖然也可以完成綠肥作物的粉碎翻壓工作，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低。粉碎后綠肥作物的莖稈枝葉未及時(shí)翻壓處理，會(huì)導(dǎo)致其處于晾曬狀態(tài)，水分易流失，肥效降低，腐解速度減緩。而且復(fù)播綠肥作物時(shí)，易將種子播撒到表層土壤的莖稈枝葉上，出現(xiàn)晾種現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)弱苗，缺苗現(xiàn)象[7]。

圖1 常見(jiàn)割草機(jī)類型

1.2 綠肥粉碎翻壓機(jī)

目前，綠肥相關(guān)專用機(jī)械的研發(fā)剛起步，但是發(fā)展速度相對(duì)較快[8]。如沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)王偉等研制出9GB-1.6 型果園避障綠肥粉碎機(jī)（圖2），配置了位置傳感器和液壓裝置控制的副割草機(jī)，可實(shí)現(xiàn)果樹(shù)根部，果樹(shù)株間綠肥的粉碎，提升了作業(yè)機(jī)的作業(yè)范圍與效果；4JY-100 型側(cè)輸式綠肥莖稈切碎還田機(jī)（圖3），可將粉碎后的綠肥莖稈從一側(cè)輸出，將其綠肥堆積到果樹(shù)主根上方，提高保墑效果。二者均能較好的完成基本的果園行間綠肥的粉碎還田。南京農(nóng)機(jī)化研究所的吳惠昌等人還研制出GFY-200 型綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)（圖4），該機(jī)械先采用預(yù)切粉碎，后進(jìn)行旋耕翻壓，優(yōu)點(diǎn)在于可減小翻耕深度，并且提高翻壓效果，能夠?qū)崿F(xiàn)粉碎翻壓一次性作業(yè)，高效節(jié)能，可滿足果園綠肥發(fā)展的要求。

圖 2 9GB-1.6 型避障綠肥粉碎機(jī)

圖3 4JY-100 型側(cè)輸式綠肥粉碎機(jī)

1.3 相關(guān)機(jī)械

2020 年游兆延、張沖等人設(shè)計(jì)研制了紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)（圖5）。該機(jī)工作時(shí)，埋切部件由拖拉機(jī)推行而向前移動(dòng)，隨著輥筒組件前移，輥筒組件上的壓切刀旋轉(zhuǎn)，紫云英綠肥被推倒并切成一段段短小莖稈，后置翻壓部件僅需較小耕深，即可將壓切后的紫云英莖稈翻壓到土中[9]。該機(jī)轉(zhuǎn)向半徑較大，適用于大田作業(yè)，且其耕深達(dá)到220 mm，容易損傷果樹(shù)地表根系，不建議用于果園作業(yè)。

圖4 GFY-200 型綠肥粉碎翻壓復(fù)式作業(yè)機(jī)

圖5 紫云英綠肥盛花期埋切翻壓組合作業(yè)機(jī)

楊慶璐等人設(shè)計(jì)研發(fā)的伸縮指桿式玉米秸稈旋耕掩埋機(jī)（圖6），由于偏心軸固定，伸縮指桿組沿著孔做伸縮運(yùn)動(dòng)，且先于旋耕刀片接觸未耕地表，由于地表的反作用力，扭簧發(fā)生變形，沿地表向后滑動(dòng)繼而將秸稈推送至上一把刀切開(kāi)的土壤中，下一把刀把切碎的土壤覆蓋到伸縮指桿推送的秸稈上，完成一次覆蓋。同時(shí)，上一把刀將土和部分秸稈拋至后上方，在柵欄作用下，大部分秸稈落回地表，土壤繼續(xù)穿過(guò)柵欄向后上方運(yùn)動(dòng)，撞擊到擋土板時(shí)，土壤落下至秸稈上方二次覆蓋，隨后壓稈齒在鎮(zhèn)壓輪作用下將地表殘余秸稈壓入土壤，完成三次覆蓋[7]。該機(jī)利用伸縮指桿與偏心軸配合，能將粉碎后的玉米秸稈進(jìn)行高效翻壓，達(dá)到“桿下土上”的目的。

張文良等人設(shè)計(jì)的秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖7），其原理為：由拖拉機(jī)牽引犁旋聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)，防纏草切刀安裝于犁體前方，先切草入土，將秸稈切斷并壓入土壤以防止纏繞，然后中間犁體進(jìn)行耕翻作業(yè)，側(cè)邊犁體進(jìn)行開(kāi)溝，犁耕深度由限深輪來(lái)控制。旋埋刀輥帶動(dòng)彎刀、橫刀進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，進(jìn)一步將秸稈打碎深埋，破碎土壤，最后在平土拖板作用下平整地表[10]。

另外，近幾年在水稻、棉花、玉米秸稈的粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)原理、翻壓技術(shù)、防纏繞技術(shù)等各方面也取得了一定的成果[11-13]。為果園綠肥粉碎翻壓機(jī)械的研制創(chuàng)新提供了良好的技術(shù)支持。

圖7 秸稈犁旋還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，綠肥被稱作“覆蓋作物”，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。國(guó)外綠肥翻壓作業(yè)和作物播種作業(yè)同時(shí)進(jìn)行[8,14]，如加拿大Flexi-coil 公司研制的5000 型免耕播種施肥機(jī)（圖8a），可高效的實(shí)現(xiàn)免耕播種。其采用多梁結(jié)構(gòu)的鏟式開(kāi)溝器，防堵塞功能較強(qiáng)，作業(yè)幅寬最大可達(dá)到36.6 m，工作效率高，機(jī)械化程度高。美國(guó)的JohnDeere公司研制生產(chǎn)的1590 型免耕條播機(jī)（圖8b），破茬能力較強(qiáng)，地面仿形能力優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)秸稈還田和精量播種。荷蘭Van Wamel B.V.公司的一款綠肥翻青機(jī)（圖8c），可進(jìn)行綠肥作物在前端裝置下粉碎，后端機(jī)構(gòu)下翻壓聯(lián)合作業(yè)。美國(guó)研究了一種綠肥免耕機(jī)械作業(yè)新模式，即在綠肥壓青機(jī)碾壓后，在碾壓后的綠肥作物莖稈等上復(fù)播，為防止由于出現(xiàn)架種、晾種等問(wèn)題，而影響出苗率，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)切刀及壓輪組配式播區(qū)整理裝置（圖8d），旋轉(zhuǎn)切刀將播種區(qū)綠肥莖稈等進(jìn)行清理，壓輪壓住綠肥莖稈等以防其進(jìn)入播種槽影響播種質(zhì)量。

圖8 國(guó)外綠肥翻壓機(jī)械

由于國(guó)外綠肥粉碎翻壓機(jī)械大多以大中型為主，價(jià)格高昂、與國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)動(dòng)力匹配度較差，而且考慮到我國(guó)果園作業(yè)條件、綠肥種植規(guī)模以及農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)水平等各方面因素，國(guó)外綠肥粉碎翻壓機(jī)械在國(guó)內(nèi)果園綠肥的推廣應(yīng)用方面存在很大的局限性。

3 我國(guó)果園綠肥粉碎翻壓裝備存在的問(wèn)題

3.1 研發(fā)力度不足

現(xiàn)階段我國(guó)綠肥研究主要集中于水稻、烤煙、小麥、玉米以及果茶樹(shù)等研究領(lǐng)域[15]，在研制果園綠肥粉碎翻壓機(jī)械方資金面投入相對(duì)匱乏，研究團(tuán)隊(duì)少。研究手段大多以仿制為主，研制的機(jī)械功能單一，專用性、適用性方面都存在問(wèn)題，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合程度不高。再者，目前對(duì)綠肥作物的生長(zhǎng)特性、力學(xué)特性等研究不足，從而致使研發(fā)的粉碎翻壓裝備種類較少，通用性雖強(qiáng)，但易造成能源浪費(fèi)，降低了果農(nóng)收益。

3.2 綠肥供肥機(jī)制不夠完善

綠肥—土壤—果樹(shù)養(yǎng)分循環(huán)特征與調(diào)控機(jī)制[16]有待完善。土壤生物、土壤化學(xué)，物理性狀、綠肥粉碎程度、翻壓深度對(duì)綠肥腐解的作用以及果樹(shù)對(duì)腐解后綠肥的吸收利用情況等的指標(biāo)體系構(gòu)建不夠完善，未建立科學(xué)的綠肥效應(yīng)預(yù)測(cè)模型。

3.3 推廣適用性不強(qiáng)

果農(nóng)對(duì)種植綠肥作物的重視程度不夠，種植規(guī)模較小，導(dǎo)致對(duì)果園專用的綠肥機(jī)械需求不大，從而沒(méi)有系統(tǒng)地生產(chǎn)相關(guān)機(jī)械，目前依舊停留在研發(fā)設(shè)計(jì)階段。另外，對(duì)購(gòu)置綠肥粉碎翻壓機(jī)械的補(bǔ)貼力度小。

4 對(duì)策與建議

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，對(duì)目前果園綠肥粉碎翻壓機(jī)械的研發(fā)推廣提出以下對(duì)策與及建議：（1）應(yīng)加大對(duì)果園綠肥機(jī)械研發(fā)的投資力度，加大綠肥機(jī)械的購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，借鑒同類相關(guān)機(jī)械的研發(fā)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，形成綠肥體系獨(dú)特的技術(shù)、政策和方法；（2）發(fā)展模式上，要因地制宜，研發(fā)適用于當(dāng)?shù)氐匦?、土壤、作物的機(jī)型。優(yōu)先發(fā)展結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的中小型綠肥粉碎或翻壓機(jī)械，爭(zhēng)取短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械化單項(xiàng)作業(yè)，然后研發(fā)多功能粉碎翻壓一體機(jī)械裝備，繼而向著智能化技術(shù)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)果園綠肥還田的機(jī)械化。（3）加強(qiáng)對(duì)果農(nóng)的引導(dǎo)，使其深刻了解種植果園綠肥果農(nóng)的意義，加強(qiáng)對(duì)種植果園綠肥的宣傳力度，調(diào)動(dòng)果農(nóng)的積極性，擴(kuò)增種植面積，形成規(guī)模化的果園綠肥種植體系。（4）堅(jiān)持農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合，即工作機(jī)制的融合、技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制的融合、加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的融合、推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的融合等，構(gòu)建果園綠肥效應(yīng)的指標(biāo)體系及預(yù)測(cè)模型等。