蔬菜施肥機(jī)械裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

杜錚 郭翔 涂建東 劉海 李旭 張?zhí)凭?/p>

導(dǎo)讀：蔬菜產(chǎn)業(yè)成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的第二大產(chǎn)業(yè)。蔬菜種植面積廣，復(fù)種指數(shù)高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值好，但蔬菜種植機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低，嚴(yán)重制約蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是在蔬菜肥料的撒施環(huán)節(jié)，機(jī)具少，且需求迫切。因此，結(jié)合我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了蔬菜肥料撒施裝備的現(xiàn)狀，并分析了蔬菜肥料撒施裝備及施肥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

產(chǎn)業(yè)化升級(jí)、規(guī)模化經(jīng)營是當(dāng)前蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，因此實(shí)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化迫在眉睫。我國蔬菜機(jī)械化程度整體不高，綜合機(jī)械化程度不足30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主糧作物的機(jī)械化水平。雖然部分機(jī)械如灌溉、旋耕、起壟機(jī)械等有成熟的機(jī)型，但施肥、播種、育苗、移栽、植保等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度仍有待提高，新機(jī)型的開發(fā)和推廣還需加強(qiáng)。其中，蔬菜施肥，特別是固態(tài)有機(jī)肥主要還是依靠人工操作，機(jī)械化程度很低。蔬菜生長需肥量較大，人工撒施工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、用工成本高，降低了蔬菜生產(chǎn)的效益。同時(shí)，人工撒肥均勻性差、難以控制、肥料利用不高，容易造成肥害等問題。本文對(duì)蔬菜肥料撒施裝備的現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了充分分析，旨在為我國蔬菜產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化提供技術(shù)參考。

1 蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來，蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收和穩(wěn)定農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的第二大產(chǎn)業(yè)支柱。蔬菜生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)軌、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和鄉(xiāng)村振興的首選項(xiàng)目之一。以筆者所在的湖北省為例，蔬菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模位列湖北省四大千億級(jí)農(nóng)字頭產(chǎn)業(yè)之一。2020年新冠肺炎疫情過后，湖北省蔬菜產(chǎn)業(yè)得到較快的恢復(fù)與增長，蔬菜和食用菌播種面積達(dá)到1 954萬畝（130.27萬hm2），產(chǎn)量4 119.37萬t，產(chǎn)值1 525億元。湖北省內(nèi)現(xiàn)有蔬菜種植、加工企業(yè)、專業(yè)合作社等新型經(jīng)營主體5 836家，其中省級(jí)龍頭企業(yè)120余家，蔬菜產(chǎn)業(yè)綜合能力在全國處于第一方陣，綜合產(chǎn)能除保障本省供應(yīng)外，年調(diào)出量900萬t以上。特別是具有優(yōu)勢(shì)的高山蔬菜，其產(chǎn)值約70億元，具有明顯的外向性，能有效地帶動(dòng)武陵山區(qū)、秦巴山區(qū)等貧困地區(qū)農(nóng)戶脫貧致富。

蔬菜產(chǎn)業(yè)種植品種繁多，農(nóng)藝五花八門，機(jī)械化水平良莠不齊，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度普遍不高，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化有待提升。從全國數(shù)據(jù)來看，設(shè)施蔬菜的面積占全國設(shè)施園藝面積的95%以上，但設(shè)施園藝機(jī)械化本身水平仍比較低，約在35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主要糧食作物綜合機(jī)械化水平的60%。究其原因，蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化發(fā)展面臨“三難”：①蔬菜種植品種多，農(nóng)藝復(fù)雜，農(nóng)機(jī)研制難；②蔬菜種植不集中連片，規(guī)模小，農(nóng)機(jī)作業(yè)難；③裝備關(guān)注度不夠，現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備少，用戶選購難[1]。

2 蔬菜施肥機(jī)械的現(xiàn)狀及存在問題

2.1 蔬菜施肥機(jī)械的現(xiàn)狀

施肥機(jī)械主要發(fā)展開始于20世紀(jì)60年代，始用于北方大面積耕作過程中，將施肥與犁、耙、旋耕、播種等工序聯(lián)合起來，形成復(fù)式作業(yè)的機(jī)具；到20世紀(jì)80年代，由于生產(chǎn)力的發(fā)展，家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的推行，出現(xiàn)了一些小型施肥專用機(jī)械，操作靈活，適合大田露天作業(yè)；近年來，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)，適齡勞動(dòng)人口越來越少，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平亟待提高。在此契機(jī)下，施肥機(jī)械得到重視，不少廠家推出了相關(guān)的產(chǎn)品，比如上海世爾達(dá)生產(chǎn)的2F系列施肥機(jī)，極大地縮減了勞動(dòng)力和施肥時(shí)間，但該機(jī)械只能用于撒施結(jié)晶狀化肥和粒狀化肥，具有一定的局限性，另外，施肥播種復(fù)式作業(yè)一體機(jī)也得到了極大發(fā)展（圖1）。目前，湖北省農(nóng)作物（主要包含大豆、玉米、小麥、油菜等）播種多采用復(fù)式作業(yè)一體化完成，即在一次田間工作完成幾個(gè)環(huán)節(jié)的聯(lián)合作業(yè)。另外，我國很多設(shè)施灌溉建設(shè)公司早期通過引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，而后開展自研、生產(chǎn)水肥一體化相關(guān)裝備，推動(dòng)了蔬菜種植環(huán)節(jié)中水肥一體化技術(shù)的普及[2]。特別是在蔬菜種植過程中，通過水肥一體化技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)肥效率高且易于控制（圖2）。因此，在蔬菜產(chǎn)業(yè)中施肥機(jī)械的研制和生產(chǎn)，主要集中在基肥的撒施環(huán)節(jié)。

圖1 蔬菜施肥播種機(jī)

圖2 設(shè)施水肥灌溉系統(tǒng)

目前，化肥撒施機(jī)械主要有撒肥機(jī)和犁底施肥機(jī)2種，主要用于基肥的撒施。撒肥機(jī)依據(jù)工作原理分為：離心圓盤式、氣力式和鏈指式3種，優(yōu)點(diǎn)是撒施范圍廣、工作效率高。主要是在整地過程中，將肥料撒施到地面，再經(jīng)過旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕，由高速旋耕刀片將肥料混入耕作層的土壤中（圖3）。這種施肥機(jī)械的特點(diǎn)：肥料與土壤混合效果好，但無法控制肥料的分布和施肥深度，達(dá)不到均勻施肥、深施肥的目的。此外，由于肥料隨機(jī)堆積，會(huì)對(duì)種子形成肥害。過量撒施肥料，還會(huì)造成肥料浪費(fèi)，增加機(jī)具作業(yè)成本。為提高肥料使用效率，通常采用犁底施肥機(jī)進(jìn)行肥料土壤深層施放。犁底施肥機(jī)由鏵式犁、肥箱、排肥器、導(dǎo)肥管、傳動(dòng)裝置以及控制裝置等組成。工作過程中，排肥器將顆粒肥料根據(jù)設(shè)定量排出，通過漏斗和導(dǎo)肥管引導(dǎo)，肥料落入犁溝內(nèi)，然后由犁鏵翻動(dòng)土層，合墑器將肥料嚴(yán)密地覆蓋住，完成耕翻的同時(shí)進(jìn)行基肥深施[3]。

圖3 離心式撒肥機(jī)

2.2 目前蔬菜施肥機(jī)械存在的問題

目前，市場(chǎng)上蔬菜施肥機(jī)械機(jī)型數(shù)量少，生產(chǎn)廠家有限，供給與需求并不匹配。究其原因，主要是施肥機(jī)械存在以下特點(diǎn)：第一，蔬菜種植過程中，農(nóng)藝難以統(tǒng)一，蔬菜機(jī)械化工作剛剛起步，因此相應(yīng)的機(jī)械少，機(jī)械化程度不高。第二，很多目前市場(chǎng)上流行的機(jī)型，多是將大田種植過程中使用的通用施肥機(jī)械縮小，并將其利用到蔬菜種植中（圖4）。第三，我國長期以來都有化肥生產(chǎn)適應(yīng)施肥機(jī)械的現(xiàn)狀。雖然在農(nóng)作物生長過程中，粉末狀肥料比顆粒狀肥料易于分解和吸收，但是由于缺乏成熟的粉狀肥料施肥機(jī)械，化肥生產(chǎn)廠家多生產(chǎn)顆粒狀化肥。第四，隨著生活水平的提升，人們對(duì)蔬菜的品質(zhì)要求越來越高，有機(jī)肥取代化肥逐漸成為趨勢(shì)，特別是禽畜糞便、沼液沼渣等有機(jī)肥施肥機(jī)械的需求嶄露頭角。第五，隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，蔬菜產(chǎn)業(yè)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，采用機(jī)械化種植將會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)。采用智能自動(dòng)化技術(shù)，施肥機(jī)能提高肥料的利用率，減少肥料對(duì)周圍環(huán)境的為害。

圖4 自走式撒肥機(jī)

3 蔬菜施肥機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)

通過前期資料的整理，國內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)κ┓蕶C(jī)械的原理創(chuàng)新和樣機(jī)設(shè)計(jì)主要集中在以下幾個(gè)方面。

①對(duì)肥料復(fù)式撒施技術(shù)的研究，如實(shí)現(xiàn)耕整、施肥聯(lián)合作業(yè)技術(shù)研究。

②對(duì)變量施肥技術(shù)的研究，如王秀等[4]設(shè)計(jì)了一種懸掛式變量旋耕施肥機(jī)等。

③對(duì)秸稈還田后深施底肥的研究，如楊文勇[5]提出一種施肥機(jī)與旋耕機(jī)配合使用的旋耕施肥機(jī)，解決秸稈還田后底肥深施的問題。

④精量施肥技術(shù)的研究，如鄧春巖等[6]、梁文甲等[7]對(duì)比不同施肥機(jī)結(jié)構(gòu)、精量施肥工作原理等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種從控制施肥量入手精量施肥機(jī)。

⑤多功能施肥機(jī)的研究，吳波等[8]提出一種能對(duì)壟進(jìn)行中耕培土，并進(jìn)行補(bǔ)肥的復(fù)式作業(yè)施肥機(jī)，并對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。劉海等[9]針對(duì)類球型小粒徑種子的蔬菜生產(chǎn)用工量大，生產(chǎn)管理工序復(fù)雜、機(jī)具更替多等問題，設(shè)計(jì)了一種蔬菜聯(lián)合播種機(jī)。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)施肥、旋耕、起壟、開溝、播種、覆土聯(lián)合播種作業(yè)，適用于旱地大田精量播種作業(yè)，有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本。

3.1 精準(zhǔn)變量按需施肥技術(shù)

該技術(shù)相比普通施肥技術(shù)能實(shí)現(xiàn)即時(shí)按需變量施肥。該技術(shù)結(jié)合智能控制技術(shù)和環(huán)境監(jiān)控定位技術(shù)，可以提高肥料的使用效率，減少肥料使用量，還可以促進(jìn)農(nóng)作物同步生長，達(dá)到減肥增效的作用。精準(zhǔn)變量按需施肥技術(shù)在國外逐步趨于成熟，國內(nèi)引進(jìn)使用的精量施肥機(jī)不但成本高，還面臨缺乏相應(yīng)的技術(shù)支撐的窘境。因此，開發(fā)和研制國產(chǎn)精量施肥技術(shù)裝備，對(duì)我國施肥技術(shù)的改進(jìn)與升級(jí)很有必要。

3.2 有機(jī)肥均勻撒施技術(shù)

土壤中大量存在的有機(jī)質(zhì)能顯著改善土壤的理化性狀，使土壤耕性變好，滲水能力增強(qiáng)，提高土壤蓄水、保肥、供肥和抗旱防澇能力，增加產(chǎn)量。增加土壤有機(jī)質(zhì)的方法主要是增施有機(jī)肥，在土壤環(huán)境保護(hù)和改良中也起著舉足輕重的作用。同時(shí)，用有機(jī)肥種出的農(nóng)產(chǎn)品口感佳，還能有效保持蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品自身特有的營養(yǎng)和味道。目前，在種植前施放基肥階段，提倡采用有機(jī)肥代替化肥，有機(jī)肥施用量在15 t/hm2左右?，F(xiàn)有的有機(jī)肥撒施機(jī)自動(dòng)化程度低，基本屬于粗放式撒施，肥料堆積容易導(dǎo)致農(nóng)作物生長均勻性較差，甚至影響產(chǎn)量和商品性。因此需要研究有機(jī)肥均勻撒施技術(shù)，提高有機(jī)肥撒施的均勻性是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有機(jī)肥撒施裝備的基本要求。

3.3 小型電動(dòng)遙控通用底盤技術(shù)

研究小型電動(dòng)遙控通用底盤技術(shù)，一方面可以提高機(jī)械在設(shè)施蔬菜大棚里的通過性；另一方面，電動(dòng)機(jī)械可避免燃油尾氣造成的棚內(nèi)空氣污染，有利于改善大棚設(shè)施內(nèi)作業(yè)的環(huán)境。將有機(jī)肥撒施裝備安裝在電動(dòng)遙控通用底盤上，通過技術(shù)的融合，增大肥箱容積，使現(xiàn)有撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，能在動(dòng)力大小相同的前提下提高作業(yè)效率。

3.4 智能化控制技術(shù)

該技術(shù)根據(jù)實(shí)時(shí)的農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)、農(nóng)作物生長情況，借助于測(cè)土配方技術(shù)、專家系統(tǒng)、GPS定位技術(shù)、圖像處理技術(shù)、無人駕駛技術(shù)、人工智能等技術(shù)應(yīng)用，自動(dòng)控制農(nóng)田設(shè)備，調(diào)節(jié)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，進(jìn)一步提高有機(jī)肥撒施的高效性、精準(zhǔn)性，控制農(nóng)作物生長情況。

4 小結(jié)

綜上所述，我國施肥機(jī)械的研制還處于起步階段，蔬菜有機(jī)肥施肥機(jī)械的探索更是缺少。近年來，我國蔬菜生產(chǎn)倡導(dǎo)以有機(jī)肥替代化肥，實(shí)施化肥減施，達(dá)到“提質(zhì)增效”保護(hù)耕地目標(biāo)的重要途徑。大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)化肥、農(nóng)藥“雙減”，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”是蔬菜產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)。在農(nóng)村勞動(dòng)力越來越緊缺的條件下，如何高效地發(fā)展蔬菜產(chǎn)業(yè)成為難題[10]；因此，加強(qiáng)施肥機(jī)械的研制，根據(jù)不同作物的生長需求提高機(jī)械撒施肥料的利用率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。施肥機(jī)械的推廣應(yīng)用，是蔬菜全程機(jī)械化邁出的重要一步，帶動(dòng)了蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。