水稻側(cè)深施肥技術(shù)與裝置

趙 晉，黃 赟，陳長卿，翁曉星，朱建錫，白治峰，夏琪瑋，王孔儉

(1.金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江 金華 321000； 2.浙江星萊和農(nóng)業(yè)裝備有限公司，浙江 金華 321300)

0 引言

中國統(tǒng)計年鑒顯示，在糧食作物播種面積中，2019年水稻播種面積占比約為25.6%，為2 969.4萬hm2，產(chǎn)量持續(xù)超過2億t，占據(jù)糧食總產(chǎn)量的31.6%，屬于重要的糧食作物。在水稻的種植過程中，施用化肥是其中的重要環(huán)節(jié)，能夠促進水稻產(chǎn)量的提高[1]。中國統(tǒng)計年鑒顯示，我國化肥需求量大，2019年農(nóng)用化肥施用已達5 403.6萬t，是重要的農(nóng)業(yè)投入品。

水稻對于肥料養(yǎng)分的需求因生長階段的不同而變化，按照其需肥規(guī)律施用，可分為基肥、返青肥、分蘗肥、穗肥和粒肥，肥料施用環(huán)節(jié)多、工作量大[2]。一直以來，人工拋灑或機器噴灑是施肥作業(yè)中最常見的方式，這種方式往往需要大量的肥料，肥料撒落于土層表面，尤其是人工方式時常造成分布不均勻，各區(qū)域內(nèi)的秧苗或種子吸收的肥量不盡相同，導(dǎo)致水稻植株在莖稈高矮、分蘗數(shù)量、結(jié)穗大小方面存在差異，從而對產(chǎn)量產(chǎn)生影響[3]。此外，溶解在水中的肥料會隨著生產(chǎn)過程排水流入周邊水系，進而對生產(chǎn)和生活用水造成污染。因此，有效、精準(zhǔn)地使用肥料，在提倡生態(tài)環(huán)境保護、綠色可持續(xù)發(fā)展的今天，顯得尤為重要。

隨著肥料高效利用技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，以及施肥模式的不斷探索更新，依托機械裝備可以實現(xiàn)對肥料的精確、定位施用，以此最大限度發(fā)揮肥料效能，改善化肥過量使用的現(xiàn)狀，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素利用率，減少生產(chǎn)投入，提升生產(chǎn)效益。

1 側(cè)深施肥技術(shù)

水稻側(cè)深施肥技術(shù)融合了農(nóng)機、農(nóng)藝，是指在水稻機械插秧或直播的同時，將肥料定位、定量、同步施于秧苗或種子側(cè)下方泥土中，施肥深度30～50 mm，肥料與秧苗或種子間距40～50 mm[4-5]。由于肥料埋于土層中，可延緩其分解速度，而且肥料與水稻根系距離較近，可促進根系吸收肥料養(yǎng)分，水稻前期生長所需的基肥、返青肥、分蘗肥只需一次作業(yè)即可完成，減少了勞動強度，對比傳統(tǒng)撒播模式，應(yīng)用側(cè)深施肥技術(shù)可節(jié)約20%的肥量，有效提高了肥料利用率和有效分蘗數(shù)，產(chǎn)量可增加7%～8%，特別是在低溫年、冷水田、土地排水不良等情況下，增產(chǎn)效果顯著[6]。此外，側(cè)深施肥技術(shù)對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境可帶來積極作用。以往，水稻種植普遍采用整地-上水-施肥-泡田-排水-插秧的步驟，傳統(tǒng)施肥方式使得肥料更多地位于田塊表層，由此造成大量的肥料因排水而流失，也對周邊水系造成污染[7]。采用機插秧同步側(cè)深施肥技術(shù)后，可以減少排水這一步驟，極大程度避免了肥料的浪費，同時雜草生長又因為田塊表層沒有肥料而受阻，促使除草劑使用減少，進一步減少化學(xué)藥劑對土壤、水體的污染，在2018年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公布的10項重大引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)中，該技術(shù)位列其中，近幾年在我國各地得到重點推廣。

2 研究現(xiàn)狀

水稻種植主要集中在亞洲，育苗移栽應(yīng)用廣泛，對于側(cè)深施肥技術(shù)和配套裝置的研究更為深入。日本自20世紀(jì)70年代起開始了相關(guān)的研究工作，如今已形成了較為成熟的應(yīng)用體系，久保田、井關(guān)、洋馬等農(nóng)機企業(yè)均針對各自生產(chǎn)的插秧機開發(fā)了系列產(chǎn)品，并應(yīng)用在乘坐式插秧機上。據(jù)統(tǒng)計，2010年已有40%以上的高速插秧機具備側(cè)深施肥功能，其中8行插秧機中應(yīng)用比例最高，4行插秧機中應(yīng)用比例最低，6行插秧機居中，占比分別為70%、30%和55%[8]。國內(nèi)對于側(cè)深施肥技術(shù)的研究雖然較日本更早，但受限于當(dāng)時的研發(fā)生產(chǎn)能力，相關(guān)技術(shù)模式并不成熟，深施肥效果無法保證，因而未能將該項技術(shù)推廣開來，進展極為緩慢。20世紀(jì)末期，國內(nèi)科研機構(gòu)加大了研究力度，富來威、久富、星萊和等農(nóng)機企業(yè)相繼推出帶側(cè)深施肥裝置的高速插秧機。

排肥器作為施肥裝置的關(guān)鍵部件，對肥料排放的穩(wěn)定性、均勻性起著重要作用，結(jié)構(gòu)形式多樣，適用于固體肥料，形態(tài)有所不同(表1)，但當(dāng)肥料含水率過大時均存在黏堵現(xiàn)象，易出現(xiàn)斷條，影響施肥作業(yè)效果[9-10]。而在側(cè)深施肥裝置中多以外槽輪式、螺旋式為主，為減少肥料堵塞，通常選用顆粒狀肥料，粒徑為2～5 mm，具有不易捏碎、吸濕少、不黏、不結(jié)塊的特點[11]。依據(jù)施肥動力方式，可分為氣吹式和螺旋推進式。

表1 國內(nèi)常用排肥器對比Tab.1 Comparison of commonly used fertilizer apparatus

2.1 氣吹式側(cè)深施肥裝置

氣吹式側(cè)深施肥裝置或稱風(fēng)送式側(cè)深施肥裝置，多采用槽輪式排肥器，利用風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)壓為肥料輸送提供空氣動力，作業(yè)時，排肥器在機械傳動驅(qū)動下，將肥箱中的肥料輸送至排肥管中，在氣流和自身重力的雙重作用下，肥料顆粒沿著排肥管均勻下落至指定位置，深施肥作業(yè)進而完成。采用這種排肥方式所施的肥料呈連續(xù)性條狀，目前應(yīng)用最為廣泛，然而其未能滿足變量施肥的要求，且當(dāng)插秧機停止前進或轉(zhuǎn)彎時仍會繼持續(xù)排肥，存在局部肥料過多的情況，對施肥精準(zhǔn)性方面有一定影響[4]。

由于使用環(huán)境的影響，空氣濕度較大，肥料極易發(fā)生潮解，潮解后的肥料流動性差，容易黏附在排肥管路上，甚至造成堵塞，不僅影響施肥均勻性，而且嚴(yán)重影響作業(yè)效率。根據(jù)走訪發(fā)現(xiàn)，發(fā)生擁堵現(xiàn)象主要有兩處位置：一處是在排肥管口，因其貼近于水田表面，易倒灌入泥水溶解肥料而受堵；另一處在肥箱下肥口，排肥器與肥箱間存在一定的縫隙，肥料顆粒在下落過程中受到碾壓而粉碎，遇到水汽易結(jié)塊而堵肥。另外，施肥完成后若未將肥料溝及時覆土刮平槽，容易使肥料裸露或浮于水面，無法充分發(fā)揮深施肥效果。

左興建[4]設(shè)計的水稻側(cè)深精準(zhǔn)施肥裝置，利用施肥控制器和車載控制終端，將施肥量與插秧機前進速度進行匹配，以此實現(xiàn)施肥量的實時調(diào)整。王金峰等[12]設(shè)計的水田側(cè)深施肥裝置，施肥量的控制依靠調(diào)整肥槽有效工作長度完成，利用毛刷刮除肥槽內(nèi)多余的肥料，利用圓盤頂出式結(jié)構(gòu)將肥槽內(nèi)的肥料強制頂出，以此解決肥料潮解黏堵排肥器的情況。雷小龍等[13]設(shè)計了螺旋組合式供肥裝置，排肥輪采用傾斜螺旋狀型孔結(jié)構(gòu)，數(shù)量根據(jù)排肥量在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，肥料適應(yīng)性強。

2.2 螺旋推進式側(cè)深施肥裝置

螺旋推進式側(cè)深施肥裝置采用螺旋式排肥器，利用電機驅(qū)動螺桿完成肥料的縱向輸送。該結(jié)構(gòu)可以防止肥料堆積架空，提高肥料流動性，緩解了排肥口易堵肥、泥水易倒灌的問題，但是部分粉化受潮的肥料仍會粘附在螺旋葉片上，一定程度上影響肥料的順利排放，部件可靠性也有待提高。

陳長海[14]研制的水稻側(cè)深施肥機，將插秧機發(fā)動機作為螺旋攪龍式排肥器的動力源，實現(xiàn)插秧、施肥聯(lián)動，排肥量由螺旋轉(zhuǎn)速控制，排肥穩(wěn)定性有待提高。楊欣倫[15]設(shè)計的側(cè)深施肥裝置，利用橫向、縱向螺旋鋼絲完成肥料輸送，采用多葉片組合的肥量調(diào)節(jié)裝置，操作簡單、排肥穩(wěn)定。陳雄飛等[16]設(shè)計了由輸送螺旋和排肥螺旋組成的兩級螺旋排肥裝置，排肥效果較好，對肥料形態(tài)要求不高，適應(yīng)性較強。

3 展望

當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，對肥料施用的精準(zhǔn)程度提出更高要求。相較于傳統(tǒng)施肥方式，側(cè)深施肥技術(shù)雖能一定程度上減少化肥施用量，但不同區(qū)域內(nèi)的土壤肥力存在差異，條狀施肥仍存在一定浪費，因此，通過結(jié)合空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，依據(jù)實際土壤肥力變量施用化肥，可進一步提高實現(xiàn)肥料利用率，配套的變量側(cè)深施肥裝置及其控制系統(tǒng)將是今后研究的主要方向。

水稻生產(chǎn)具有很強的緊迫性，同時作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為保障作業(yè)有序高效進行，應(yīng)加強排肥器、齒輪、傳動軸、傳感器等關(guān)鍵部件的工作可靠性，優(yōu)化其強度、耐磨損程度，降低平均故障時間，以提升側(cè)深施肥裝置整體的可靠性，進一步保證排肥量穩(wěn)定性、均勻性，以及各行肥量一致性。同時結(jié)合輕量化設(shè)計理念，減輕作業(yè)時插秧機下陷程度，提升整機通過性能。進一步優(yōu)化排肥器、肥箱、輸肥管等的結(jié)構(gòu)，加強防潮解、緩釋技術(shù)等化肥生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新，以避免肥料堵塞，也將促進側(cè)深施肥技術(shù)的應(yīng)用普及。

4 結(jié)束語

在水稻生產(chǎn)管理中，采用帶有側(cè)深施肥裝置的水稻插秧機不僅可以提高工作效率、節(jié)約用肥成本，還能保護生態(tài)環(huán)境、促進增產(chǎn)豐收，對于提高水稻生產(chǎn)機械化水平起到積極的推動作用。當(dāng)前各地正全面開展“化肥減量增效”行動，在現(xiàn)有水稻側(cè)深施肥技術(shù)的示范推廣基礎(chǔ)上，進一步加大該技術(shù)裝置的應(yīng)用推廣力度，可以更好地促進農(nóng)業(yè)朝著綠色可持續(xù)方向發(fā)展。