淺談撒肥機的研究進展*

楊 柳 ，楊瓔珞 ，楊 莎

（黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163000）

據(jù)統(tǒng)計，在其他生產(chǎn)因素一定的情況下，如果提高化肥的使用量能夠有效地讓農(nóng)作物增加35%～55%的產(chǎn)量。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在施用化肥時過度追求提高產(chǎn)量，大量甚至過量撒肥，不但浪費了資源，而且大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，進而降低了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。一部分未被農(nóng)作物吸收的肥料還會進入到土壤、水和大氣中，對環(huán)境造成一定程度的危害，有些化肥成分不易被分解，會破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響水源健康，對環(huán)境產(chǎn)生比較嚴重的破壞和污染。因此，專門用于農(nóng)作物撒肥作業(yè)的機械就顯得尤其重要，同時為了解決過量撒肥引起的環(huán)境問題，在撒肥機械上增加自動控制與變量調(diào)節(jié)裝置是精準農(nóng)業(yè)與精量施肥的必備環(huán)節(jié)。

1 撒肥機的國外研究進展

在19世紀中期以后，有很多科學工作者將精力投入到撒肥作業(yè)的研究中，他們在撒肥量、撒肥品種、撒肥方法以及撒肥時期等各個方面開展了大量的考察和鉆研任務(wù)。在20世紀50年代早期，美國的一位科學家就在他們農(nóng)場的收割機上安裝了GPS定位裝置，盡管這只是一個小小的定位裝置，然而這個裝置卻代表著人類從此在農(nóng)業(yè)技術(shù)上進入了農(nóng)業(yè)智能化和精準化的時代。在20世紀90年代，精準的農(nóng)業(yè)技術(shù)已經(jīng)在歐洲和美洲的一些發(fā)達國家得到了應(yīng)用，并且得到了飛速的發(fā)展，已經(jīng)具備了相對完整的規(guī)模。

日本的農(nóng)業(yè)機械化程度很高，而且日本在農(nóng)用機械方面所花費的時間和資金的投入量也很大。日本政府專門成立學術(shù)研討會，完善精準農(nóng)業(yè)和精量施肥實施方案，由農(nóng)業(yè)專家牽頭，普及超量施肥的缺點及對環(huán)境的影響，為農(nóng)戶提供免費的技術(shù)支持，將精準農(nóng)業(yè)傳播開來[1]。

法國所應(yīng)用的肥料播撒機械相較于其他國家來講，其自動化程度較高。法國生產(chǎn)出了“女騎士”（AMA-SAT）離心式變量撒肥機，拖拉機駕駛員將人工或者按預(yù)設(shè)參數(shù)自動控制撒肥裝置進行撒肥，整機與GPS/GIS系統(tǒng)相結(jié)合，這種撒肥機的肥料播撒變量系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用在各類離心式撒肥機上。這種變量系統(tǒng)在法國國內(nèi)使用非常廣泛，在法國出口的撒肥機械中，也大量應(yīng)用到這種變量系統(tǒng)[2]。

俄羅斯農(nóng)機科研團隊所自行研制并實現(xiàn)了在農(nóng)田里作業(yè)的自動變量撒肥機，主要是在撒肥口安裝一個電磁鐵共振片，經(jīng)過對電磁頻率的調(diào)節(jié)，讓共振片產(chǎn)生振動，達到開啟和閉合的目的，從而自動調(diào)節(jié)撒肥口的開口大小，實現(xiàn)對撒肥量的控制。

德國一家有名的公司研制了一款變量撒肥機，這種撒肥機主要適用于小麥、大麥和燕麥等麥類作物，是一種春季追肥的實時變量撒肥機。它能在保證不傷苗的狀態(tài)下，完成撒施肥料的工作，它的原理是基于處方圖傳遞信息，借由液壓馬達來實現(xiàn)變量撒肥[3]。

美國有一些科學家為了研究肥料顆粒與農(nóng)用機械的交互作用，采用了離散元的方法進行探索，進行了理論上的研究，并建立了數(shù)學模型，進行了計算分析。美國著名科學家Hall J利用離散元的方法模擬仿真出了影響撒肥均勻性的主要因素，利用田間試驗與理論模擬結(jié)果的對比，分析得到了化肥顆粒固有的物理參數(shù)（摩擦系數(shù)、休止角、含水率、顆粒大小和形狀）影響施肥均勻性的結(jié)果。美國科學著名科學家Cools R發(fā)現(xiàn)了風的流動會對肥料的播撒造成一定的影響，并利用風對化肥肥料播撒軌跡的影響進行了仿真實驗，通過實驗得出了風對密度相對比較小、大小和形狀不規(guī)則的化肥肥料造成的影響會更大。Grift E等為了能夠提高撒肥的均勻性，采用了控制出料口開口大小的方法，從而發(fā)現(xiàn)了離心式撒肥機的撒肥圓盤的角速度變化和撒肥半徑有一定的關(guān)系，而且撒肥半徑和撒肥的范圍都會受到出料口的位置的影響[4]。美國的一家CASE公司生產(chǎn)了一種變量撒肥機，可以根據(jù)地塊信息及光感原件的測量進行肥料分施，利用無線傳輸技術(shù)存儲和上傳數(shù)據(jù)，可達到遠程控制的目的。

2 撒肥機的國內(nèi)研究進展

我國撒施化肥開始于19世紀，19世紀初期，我國臺灣從日本進口了氮肥，從那之后我國就開始了農(nóng)業(yè)人工撒施化肥的時代。化肥的使用給我國的糧食產(chǎn)出率帶來了十分大的益處，然而隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥用量的大量增加，人們的關(guān)注的焦點變?yōu)槿龇实拇胧?，傳統(tǒng)的撒肥措施大多是人工撒肥，這需要大量的勞動力。人工撒肥的方式不僅不能夠高效地開展實施撒肥和追肥工作，而且會導(dǎo)致肥料的利用率大幅降低。此外，人工過量撒肥導(dǎo)致了大量的肥料不能被農(nóng)作物吸收，這樣就削弱了撒肥效果。這種情況下，為了提高農(nóng)作物對化肥的吸收程度，人們會采取增加肥料濃度的方法，但是這樣是有弊端的，即會導(dǎo)致化肥的大量損失和環(huán)境污染。所以用怎樣的高效方法提高化肥的利用率，研發(fā)怎樣的機械減輕人們的勞作壓力，成為了全國關(guān)注的農(nóng)業(yè)機械設(shè)備需求的焦點問題。

上海開啟了第一步的計劃。在20世紀80年代初，上海在專家經(jīng)過運算后進行了測土撒肥機的改進試驗。自此，我國開始關(guān)注精準農(nóng)業(yè)，國內(nèi)大量學者根據(jù)我國國情開始進行精準農(nóng)業(yè)的試驗與改革，并且很快取得一定的研究成果，同時改變了撒肥的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)了撒肥作業(yè)進一步的機械化、自動化。

為了解決撒肥機中撒肥裝置對肥料形態(tài)特征具要較高要求的問題并且在一定程度上提高撒肥效果，陳雄飛等研究出了一款雙機螺旋撒肥機，經(jīng)過田間試驗，該撒肥機的化肥播撒穩(wěn)定性較好，并且試驗的結(jié)果與建立的數(shù)學模型測算出的結(jié)論具有一致性[5]。

郭鐵山改進了一款2BM-5型氣吸式免耕播種機，并且對改進后的機械實施撒肥性能的測試，通過改變外槽輪式排肥器的槽輪工作長度，對改進后的機械實施了兩種不同肥料顆粒的氮肥播撒試驗，結(jié)果表明，在同種影響因素的條件下，不同肥料顆粒的撒肥性能會在一定程度上受到撒肥機構(gòu)的工作長度的影響[6]。

為了能夠更加清晰地分析出撒肥機的工作過程和影響因素，我國的研究人員應(yīng)用離散元的方法進行了仿真實驗。張家華采用這種方法模擬測試了在不同摩擦系數(shù)、撒肥盤半徑和撒肥盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)下撒肥機的撒肥幅寬的受影響程度。實驗證明，隨著摩擦因數(shù)的增加，撒肥幅寬呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢；撒肥圓盤半徑在一定范圍內(nèi)時，撒肥機的撒肥幅寬變化基本不會受到影響；當撒肥圓盤半徑過大時，撒肥機的工作幅寬增加，但撒肥均勻性降低；當撒肥圓盤半徑過小時，撒肥幅寬會顯著下降[7]。

閆銀發(fā)、王秀等研制出的撒肥機可以與國產(chǎn)拖拉機完美配合，他們利用離散元的方法進行理論分析，得到肥料顆粒的運動規(guī)律和分布情況，分析得出撒肥盤轉(zhuǎn)速的變化對實驗結(jié)果穩(wěn)定性的影響，最終設(shè)計出的撒肥機可按照地塊信息進行自動變量撒肥，通過調(diào)節(jié)撒肥盤的轉(zhuǎn)速達到變量施肥的效果[8-9]。

劉陽春設(shè)計了一款可以進行氮、磷、鉀肥分施的變量撒肥機械，該機器可獨立存儲氮、磷、鉀三種肥料，亦可撒施其他有機肥。在撒肥時，通過控制不同肥軸的轉(zhuǎn)速改變施肥配比，根據(jù)不同撒肥需求改變肥軸轉(zhuǎn)速，達到變量施肥的效果。經(jīng)田間試驗證明該撒肥機平均誤差低，達到要求，而且降低了變異系數(shù)，撒肥性能良好[10]。

翟長遠等設(shè)計了一款果園精量撒肥裝置，該裝置通過間歇旋轉(zhuǎn)來完成定量撒肥，利用高速攝影技術(shù)得到在不同出料口處的肥料顆粒下落時的位置，進而計算出下落的時間。為了確定樹干的位置，采用光電傳感器感應(yīng)的方式，從而確定肥料播撒的位置。實驗表明，撒肥裝置在開口調(diào)節(jié)擋位不同時實際播撒量與理論播撒量存在一定誤差，最大變異系數(shù)為4%左右，可以達到撒肥的農(nóng)藝要求[11]。

陳書法等設(shè)計出了一種水稻自走式變量撒肥機，這種撒肥機主要是利用GPS系統(tǒng)獲取機車前進速度，然后反饋給撒肥機構(gòu)，可以根據(jù)農(nóng)田環(huán)境來調(diào)節(jié)撒肥量，通過控制電動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)出料口的開口大小，從而實現(xiàn)變量撒肥的目的[12]。

張睿等為了解決我國變量撒肥機撒肥幅寬小的缺陷，設(shè)計了一種鏈條輸送式的變量撒肥機，利用撒肥機的變量撒肥達到提高肥料利用率的目的。該變量式撒肥機撒肥幅寬較大，一般應(yīng)用在農(nóng)場等面積較大的農(nóng)田中進行播撒工作，能夠有效地提高工作效率[13]。

從我國對于農(nóng)業(yè)機械的鉆研程度來看，我國相對于那些比較發(fā)達的國家來說起步比較晚，目前仍然和發(fā)達國家有較大的差距，這些差距主要是因為我國在農(nóng)業(yè)作業(yè)技術(shù)、農(nóng)機具的先進程度和信息技術(shù)方面較為落后，而且缺少全面、規(guī)范的農(nóng)業(yè)信息和資源信息的獲取途徑。同時農(nóng)業(yè)機械裝備的研發(fā)成本較高，而農(nóng)民大多收入水平極低，難以承受農(nóng)機的價格，所以在國內(nèi)要將撒肥機械在農(nóng)戶中廣泛推廣是有非常大的難度的。建議對我國各個地域的農(nóng)業(yè)發(fā)展情況做調(diào)研，商討各個地區(qū)的發(fā)展情況，并借鑒國外的一些成功經(jīng)驗，采取科學合理的措施達到提高和擴大我國農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)水平和范圍的目的，并且應(yīng)該研發(fā)一些省時、省力、省工、構(gòu)造簡單、實用性好、能夠長時間使用并且方便維護的肥料播撒機械，為我國農(nóng)民在農(nóng)田里高效作業(yè)研制出更好的農(nóng)業(yè)機械[14]。隨著社會科技水平的提高和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對農(nóng)作物撒肥機的功能性要求也越來越高，是否能夠高效率撒肥，撒肥效果是否能夠達到要求，這些問題農(nóng)民們也越來越重視。因此，研制出一款適合我國國情、面向農(nóng)戶的撒肥機顯得尤為重要?？梢酝ㄟ^新機具向農(nóng)戶提供新的撒肥理念和撒肥技術(shù)，減輕農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的工作負擔，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[15-16]。

3 結(jié)論

我國針對撒肥機械和精量施肥技術(shù)的研究雖然起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，研究成果應(yīng)用效果較好，但仍有很大改進空間。為了節(jié)省農(nóng)業(yè)勞動力，減輕農(nóng)民勞動負擔，同時為了適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，有必要研制出更適用于中小馬力拖拉機應(yīng)用的撒肥機械，生產(chǎn)出價錢較低、操作簡單、檢修維護方便的撒肥機，從而有利于撒肥機的普及應(yīng)用。

隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對農(nóng)作物施肥機械的要求也越來越高，能否根據(jù)農(nóng)藝要求均勻施肥，施肥效果及效率是否較高等問題也越來越受農(nóng)業(yè)工作者重視。那么施肥機械的設(shè)計與開發(fā)就成為眼下的重要任務(wù)，其可為農(nóng)業(yè)施肥提供新的施肥理念和新的施肥技術(shù)，減輕農(nóng)業(yè)人員的工作負擔，減少肥料的浪費，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，最終實現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量提高的目的。