有機肥施肥機研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路

吳 建， 耿 胤， 周彥君， 林川堯， 鄧 佳,2， 王 攀,2

（1. 四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，四川 成都 610066； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610066）

0 引言

近年來，有機肥以能夠有效改善土質(zhì)，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，且對環(huán)境友好等優(yōu)勢逐漸受到政府、企業(yè)、農(nóng)民等的重視[1-3]。隨著綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國陸續(xù)出臺了《關(guān)于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》等鼓勵和促進有機肥施用的相關(guān)政策，有機肥的施用正逐漸成為農(nóng)作物生產(chǎn)過程中提質(zhì)增效的有效途徑[4]。

相較于復(fù)合肥等無機肥料，有機肥用量大，其施用通常采用拋撒等較為粗放的作業(yè)方式或采用有機肥施肥機進行作業(yè)，但是由于有機肥的含水率一般為8%～40%，在堆放和施用過程中易結(jié)塊，因此有機肥的施用對作業(yè)機具的排肥穩(wěn)定性和施肥均勻性要求更高，目前大部分有機肥施肥機都不能滿足要求[5-6]。

一方面，隨著有機肥用量的不斷增大，有機肥施肥機受到了相關(guān)企業(yè)、科研院所前所未有的關(guān)注；另一方面，隨著精細農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有機肥高效、高質(zhì)的機械化施用作業(yè)已成為必然趨勢。

1 有機肥施用機械化作業(yè)現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

發(fā)達國家對有機肥的利用較早，農(nóng)機與農(nóng)藝的結(jié)合較為緊密，目前其有機肥的施用基本實現(xiàn)了機械化作業(yè)，且其自動化、智能化程度較高。得益于完善的田間管理系統(tǒng)，發(fā)達國家的有機肥施肥機大多帶有全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）、遙感監(jiān)測系統(tǒng)（remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），在作業(yè)過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測采集作物信息，并對作物所需營養(yǎng)進行分析，配合變量施肥技術(shù)實時調(diào)整施肥量，完成高效、高質(zhì)施肥。法國的“女騎士”離心式撒肥機采用GPS 和GIS，配合變量施肥技術(shù)，能夠隨時控制撒肥量，使肥效利用率達到60%以上[7]。德國的ZA-XPerfect 撒肥機采用具備快定位的撒肥盤，可適時調(diào)整撒肥葉片的位置，實現(xiàn)有機肥的自動化輸送，且肥箱配備自動攪拌裝置，能夠有效避免因有機肥板結(jié)而發(fā)生的堵塞現(xiàn)象[8]。意大利的PRIMO 系列撒肥機采用了可根據(jù)作業(yè)速度自動調(diào)節(jié)撒肥量的電子調(diào)節(jié)模式及肥料持續(xù)稱量系統(tǒng)，能同時控制左右8 個撒肥區(qū)域，并實現(xiàn)變量撒肥。

發(fā)達國家有機肥施肥機主要以大型機具為主，不適用于我國當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，且機具使用成本較高，難以適應(yīng)當前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國有機肥施用機械化作業(yè)發(fā)展較晚，當前僅在北方的平原等優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)具備較高的機械化作業(yè)水平，且仍以大中型撒施機為主，作業(yè)方式較為粗獷，綜合肥效利用率處于較低水平，而在一些非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，如在淺山丘陵地區(qū)仍采用人工作業(yè)或人工輔助機械作業(yè)的方式進行有機肥的施用?？傮w來說，我國有機肥施用機械化水平較低，可用機具較少，尤其是缺乏高效、高質(zhì)的有機肥專用施肥機具。

2 我國有機肥施肥機研制現(xiàn)狀

為提高我國有機肥施用的機械化水平，針對有機肥施用過程中排肥器易堵塞，排肥均勻性、穩(wěn)定性差等問題，相關(guān)企業(yè)、科研單位等圍繞有機肥的施用方式、排肥器類型、輔助排肥裝置等方面做了相關(guān)研究。

2.1 離心式有機肥施肥機

離心式有機肥施肥機（圖1）主要以撒肥機為主。離心式有機肥施肥機的研究主要集中在增大有機肥拋撒距離和拋撒均勻性上，多采用強制破碎裝置對結(jié)塊有機肥進行破碎以提高拋撒均勻性。

圖1 離心式有機肥施肥機Fig. 1 Centrifugal organic fertilizer applicator

呂金慶等[9]研制了一種有機肥立式撒肥裝置，通過建立有機肥在空氣中的運動學(xué)模型，對螺旋片的螺距、高度、拋撒軸轉(zhuǎn)速及撒肥盤傾斜角度等進行了正交試驗，并對該撒肥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，使得該機作業(yè)后有機肥破碎料達到91.8%，播撒幅寬達到9.2 m，有效提高了有機肥的拋撒質(zhì)量和效率，為撒肥機的優(yōu)化設(shè)計提供了思路。針對撒肥機均勻性差的問題，胡東彬等[10]設(shè)計了一種基于雙圓盤的離心式液控變量撒肥機，建立了撒肥機作業(yè)過程的EDEM 仿真模型，模擬其作業(yè)狀態(tài)；將撒肥葉片設(shè)計成外側(cè)開度大、內(nèi)側(cè)開度小的凹槽，增大肥料的拋射角，增大拋射距離；通過液控調(diào)節(jié)施肥量，實現(xiàn)變量施肥。該機基本能夠滿足有機肥拋撒作業(yè)要求。褚斌等[11]研制了一種畜禽糞便堆漚有機肥撒肥機，該機采用浮動式拋撒機構(gòu)和環(huán)鏈鞭打破碎機構(gòu)，能夠有效破碎和拋撒有機肥，解決了畜禽糞便堆漚有機肥結(jié)塊嚴重、拋撒均勻性差等問題。劉曉東等[12-13]設(shè)計了一種螺旋錐體離心式排肥器，該排肥器采用螺旋擾動杯結(jié)構(gòu)，增加排肥過程肥料流動速度以避免肥料結(jié)拱堵塞。試驗表明，其排肥穩(wěn)定性系數(shù)＞96%，變異系數(shù)＜5.57%，為螺旋式排肥器的設(shè)計提供了思路。

離心式撒肥機是當前我國技術(shù)較為成熟、使用較多的有機肥施肥機械，其作業(yè)性能較為穩(wěn)定，適用于大田作物有機肥的播撒，但是作業(yè)方式較為粗獷，難以滿足精細農(nóng)業(yè)的作業(yè)要求。

2.2 螺旋式有機肥施肥機

在無機肥施肥機的基礎(chǔ)上，螺旋式有機肥施肥機（圖2）進一步優(yōu)化改進以解決有機肥因含水率高而易堵塞輸肥管道的問題，大多配有開溝裝置，可進行開溝施肥作業(yè)。

圖2 螺旋式有機肥施肥機Fig. 2 Screw type organic fertilizer applicator

陳雄飛等[14]設(shè)計了一種兩級螺旋排肥裝置，建立排肥螺旋?排肥量數(shù)學(xué)模型，得出排肥量與兩級螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，且整體決定系數(shù)超過0.998。該機可以有效改進排肥效果，且對肥料的形態(tài)有廣泛的適應(yīng)性，為有機肥施肥機的改進優(yōu)化提供了思路。位國建等[15]設(shè)計了一種機械式強制排肥裝置，該機采用電動外槽輪排肥器將肥料排入落肥管，在排肥末端用豎直螺旋式結(jié)構(gòu)將肥料強制排出，解決了施肥機作業(yè)過程中排肥端口易堵塞的問題。在螺旋排肥器作業(yè)過程中，排肥螺旋連續(xù)轉(zhuǎn)動可導(dǎo)致在排肥口處形成的螺旋與螺旋套管之間的開口呈周期性變化，該變化進而引發(fā)螺旋排肥器排肥均勻性差的問題。針對這一問題，楊文武等[16]研究了螺旋排肥器排肥口參數(shù)與排肥性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)排肥口角度和長度對排肥的穩(wěn)定和均勻性有較大的影響，排肥口角度為135°、長度為60 mm 時，排肥效果較好，該研究為改善螺旋排肥器的排肥均勻性提供了思路。汪洋等[17]設(shè)計了一種垂直螺旋式定量施肥機，根據(jù)行走速度，該機可自動調(diào)節(jié)螺旋排肥器轉(zhuǎn)速，排肥量誤差＜4%，均勻性變異系數(shù)≤3%，適用于定量施肥作業(yè)。

螺旋式有機肥施肥機具備強制排肥效果，排肥均勻性基本能夠得到保證，但由于此類機具的施肥方式要將肥料施入土中，落肥管與土壤直接接觸，易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2.3 槽輪式有機肥施肥機

槽輪式有機肥施肥機（圖3）主要用于復(fù)合肥等顆粒肥的施肥作業(yè)，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，目前一些研究人員對其加以改進，以適應(yīng)有機肥的施用要求。

圖3 槽輪式有機肥施肥機Fig. 3 Trough wheel organic fertilizer applicator

針對傳統(tǒng)外槽輪排肥器排肥均勻性差等問題，頓國強等[18-19]研制了一種圓弧齒輪排肥器，并建立了該排肥器作業(yè)過程的仿真模型，對影響排肥穩(wěn)定性的排肥槽轉(zhuǎn)速和排肥槽長度等因素進行對比研究，發(fā)現(xiàn)兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長對排肥量的穩(wěn)定性變異系數(shù)影響最為顯著，當圓弧半徑為8.54 mm，最小槽長為5.22 mm 時，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.28，試驗表明該排肥器較傳統(tǒng)外槽輪排肥器排肥流量變異性系數(shù)平均減少30.14%，排肥均勻性有了較大提高，為外槽輪排肥器的改進提供了思路。徐勇等[20]設(shè)計了一種刮板輸送式有機肥排肥裝置，并對影響排肥穩(wěn)定性的排肥器開度和排肥軸轉(zhuǎn)速進行了研究，當排肥器開度為30.42 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為51.5 r/min 時，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)僅為1.84%，較傳統(tǒng)外槽輪排肥器降低70%左右，大大提高了外槽輪排肥器有機肥的排肥穩(wěn)定性。

3 我國有機肥施肥機發(fā)展思路

3.1 有機肥精量化施肥技術(shù)

當前我國有機肥的施用較為粗放，往往以量取勝，肥效利用率遠低于國外發(fā)達國家。隨著綠色農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對有機肥的利用也必將朝向精量化方向發(fā)展。相應(yīng)地，有機肥施肥機也將要求具備精量化作業(yè)功能。由于有機肥含水率高、易粘結(jié)，要求有機肥施肥機不僅能夠?qū)Π褰Y(jié)有機肥進行破碎處理，還要避免與有機肥發(fā)生粘連導(dǎo)致堵塞，因此需要有新材料、新結(jié)構(gòu)來解決現(xiàn)有施肥機存在的問題。

3.2 自動化、智能化技術(shù)

隨著我國農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)朝向自動化、智能化方向發(fā)展。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有機肥施用關(guān)乎農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，未來有機肥施肥機應(yīng)具備北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)、遙感監(jiān)測系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、變量施肥技術(shù)、自主決策系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測作物的生產(chǎn)狀況，分析其所需的營養(yǎng)成分，并以變量施肥技術(shù)完成施肥作業(yè)，實現(xiàn)有機肥的智能化高效、高質(zhì)施用，最大程度地節(jié)本增效。

4 結(jié)束語

當前我國對有機肥的使用仍較為粗放，缺乏適用的精細化有機肥施肥機，完善和發(fā)展適用的有機肥施肥裝置，對降低我國化肥使用量，進一步提高有機肥的利用效率具有重要意義。