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(jī)械研究設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066）

0 引言

近年來(lái)，有機(jī)肥以能夠有效改善土質(zhì)，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，且對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)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(guó)陸續(xù)出臺(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》等鼓勵(lì)和促進(jìn)有機(jī)肥施用的相關(guān)政策，有機(jī)肥的施用正逐漸成為農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中提質(zhì)增效的有效途徑[4]。

相較于復(fù)合肥等無(wú)機(jī)肥料，有機(jī)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(jī)肥施肥機(jī)進(jìn)行作業(yè)，但是由于有機(jī)肥的含水率一般為8%～40%，在堆放和施用過(guò)程中易結(jié)塊，因此有機(jī)肥的施用對(duì)作業(yè)機(jī)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(jī)肥施肥機(jī)都不能滿足要求[5-6]。

一方面，隨著有機(jī)肥用量的不斷增大，有機(jī)肥施肥機(jī)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(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，有機(jī)肥高效、高質(zhì)的機(jī)械化施用作業(yè)已成為必然趨勢(shì)。

1 有機(jī)肥施用機(jī)械化作業(yè)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)有機(jī)肥的利用較早，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的結(jié)合較為緊密，目前其有機(jī)肥的施用基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，且其自動(dòng)化、智能化程度較高。得益于完善的田間管理系統(tǒng)，發(fā)達(dá)國(guó)家的有機(jī)肥施肥機(jī)大多帶有全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）、遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），在作業(yè)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)采集作物信息，并對(duì)作物所需營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行分析，配合變量施肥技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整施肥量，完成高效、高質(zhì)施肥。法國(guó)的“女騎士”離心式撒肥機(jī)采用GPS 和GIS，配合變量施肥技術(shù)，能夠隨時(shí)控制撒肥量，使肥效利用率達(dá)到60%以上[7]。德國(guó)的ZA-XPerfect 撒肥機(jī)采用具備快定位的撒肥盤，可適時(shí)調(diào)整撒肥葉片的位置，實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥的自動(dòng)化輸送，且肥箱配備自動(dòng)攪拌裝置，能夠有效避免因有機(jī)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(jī)采用了可根據(jù)作業(yè)速度自動(dòng)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(shí)控制左右8 個(gè)撒肥區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)變量撒肥。

發(fā)達(dá)國(guó)家有機(jī)肥施肥機(jī)主要以大型機(jī)具為主，不適用于我國(guó)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，且機(jī)具使用成本較高，難以適應(yīng)當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)有機(jī)肥施用機(jī)械化作業(yè)發(fā)展較晚，當(dāng)前僅在北方的平原等優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)具備較高的機(jī)械化作業(yè)水平，且仍以大中型撒施機(jī)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(shì)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(jī)械作業(yè)的方式進(jìn)行有機(jī)肥的施用?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)有機(jī)肥施用機(jī)械化水平較低，可用機(jī)具較少，尤其是缺乏高效、高質(zhì)的有機(jī)肥專用施肥機(jī)具。

2 我國(guó)有機(jī)肥施肥機(jī)研制現(xiàn)狀

為提高我國(guó)有機(jī)肥施用的機(jī)械化水平，針對(duì)有機(jī)肥施用過(guò)程中排肥器易堵塞，排肥均勻性、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，相關(guān)企業(yè)、科研單位等圍繞有機(jī)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(jī)肥施肥機(jī)

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

圖1 離心式有機(jī)肥施肥機(jī)Fig. 1 Centrifugal organic fertilizer applicator

呂金慶等[9]研制了一種有機(jī)肥立式撒肥裝置，通過(guò)建立有機(jī)肥在空氣中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)螺旋片的螺距、高度、拋撒軸轉(zhuǎn)速及撒肥盤傾斜角度等進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并對(duì)該撒肥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該機(jī)作業(yè)后有機(jī)肥破碎料達(dá)到91.8%，播撒幅寬達(dá)到9.2 m，有效提高了有機(jī)肥的拋撒質(zhì)量和效率，為撒肥機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。針對(duì)撒肥機(jī)均勻性差的問(wèn)題，胡東彬等[10]設(shè)計(jì)了一種基于雙圓盤的離心式液控變量撒肥機(jī)，建立了撒肥機(jī)作業(yè)過(guò)程的EDEM 仿真模型，模擬其作業(yè)狀態(tài)；將撒肥葉片設(shè)計(jì)成外側(cè)開(kāi)度大、內(nèi)側(cè)開(kāi)度小的凹槽，增大肥料的拋射角，增大拋射距離；通過(guò)液控調(diào)節(jié)施肥量，實(shí)現(xiàn)變量施肥。該機(jī)基本能夠滿足有機(jī)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(jī)肥撒肥機(jī)，該機(jī)采用浮動(dòng)式拋撒機(jī)構(gòu)和環(huán)鏈鞭打破碎機(jī)構(gòu)，能夠有效破碎和拋撒有機(jī)肥，解決了畜禽糞便堆漚有機(jī)肥結(jié)塊嚴(yán)重、拋撒均勻性差等問(wèn)題。劉曉東等[12-13]設(shè)計(jì)了一種螺旋錐體離心式排肥器，該排肥器采用螺旋擾動(dòng)杯結(jié)構(gòu)，增加排肥過(guò)程肥料流動(dòng)速度以避免肥料結(jié)拱堵塞。試驗(yàn)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(jì)提供了思路。

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

2.2 螺旋式有機(jī)肥施肥機(jī)

在無(wú)機(jī)肥施肥機(jī)的基礎(chǔ)上，螺旋式有機(jī)肥施肥機(jī)（圖2）進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)以解決有機(jī)肥因含水率高而易堵塞輸肥管道的問(wèn)題，大多配有開(kāi)溝裝置，可進(jìn)行開(kāi)溝施肥作業(yè)。

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

陳雄飛等[14]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)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(jí)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(guò)0.998。該機(jī)可以有效改進(jìn)排肥效果，且對(duì)肥料的形態(tài)有廣泛的適應(yīng)性，為有機(jī)肥施肥機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化提供了思路。位國(guó)建等[15]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式強(qiáng)制排肥裝置，該機(jī)采用電動(dòng)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(qiáng)制排出，解決了施肥機(jī)作業(yè)過(guò)程中排肥端口易堵塞的問(wèn)題。在螺旋排肥器作業(yè)過(guò)程中，排肥螺旋連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)可導(dǎo)致在排肥口處形成的螺旋與螺旋套管之間的開(kāi)口呈周期性變化，該變化進(jìn)而引發(fā)螺旋排肥器排肥均勻性差的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)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(zhǎng)度對(duì)排肥的穩(wěn)定和均勻性有較大的影響，排肥口角度為135°、長(zhǎng)度為60 mm 時(shí)，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(jì)了一種垂直螺旋式定量施肥機(jī)，根據(jù)行走速度，該機(jī)可自動(dòng)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(jī)肥施肥機(jī)具備強(qiáng)制排肥效果，排肥均勻性基本能夠得到保證，但由于此類機(jī)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(jī)肥施肥機(jī)

槽輪式有機(jī)肥施肥機(jī)（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(jiǎn)單、性能可靠，目前一些研究人員對(duì)其加以改進(jìn)，以適應(yīng)有機(jī)肥的施用要求。

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

針對(duì)傳統(tǒng)外槽輪排肥器排肥均勻性差等問(wèn)題，頓國(guó)強(qiáng)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(guò)程的仿真模型，對(duì)影響排肥穩(wěn)定性的排肥槽轉(zhuǎn)速和排肥槽長(zhǎng)度等因素進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)兩圓弧排肥齒輪之間的最小槽長(zhǎng)對(duì)排肥量的穩(wěn)定性變異系數(shù)影響最為顯著，當(dāng)圓弧半徑為8.54 mm，最小槽長(zhǎng)為5.22 mm 時(shí)，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.28，試驗(yàn)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(jìn)提供了思路。徐勇等[20]設(shè)計(jì)了一種刮板輸送式有機(jī)肥排肥裝置，并對(duì)影響排肥穩(wěn)定性的排肥器開(kāi)度和排肥軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究，當(dāng)排肥器開(kāi)度為30.42 mm，排肥軸轉(zhuǎn)速為51.5 r/min 時(shí)，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(jī)肥的排肥穩(wěn)定性。

3 我國(guó)有機(jī)肥施肥機(jī)發(fā)展思路

3.1 有機(jī)肥精量化施肥技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)有機(jī)肥的施用較為粗放，往往以量取勝，肥效利用率遠(yuǎn)低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著綠色農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)有機(jī)肥的利用也必將朝向精量化方向發(fā)展。相應(yīng)地，有機(jī)肥施肥機(jī)也將要求具備精量化作業(yè)功能。由于有機(jī)肥含水率高、易粘結(jié)，要求有機(jī)肥施肥機(jī)不僅能夠?qū)Π褰Y(jié)有機(jī)肥進(jìn)行破碎處理，還要避免與有機(jī)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(lái)解決現(xiàn)有施肥機(jī)存在的問(wèn)題。

3.2 自動(dòng)化、智能化技術(shù)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)朝向自動(dòng)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(jī)肥施用關(guān)乎農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，未來(lái)有機(jī)肥施肥機(jī)應(yīng)具備北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)、遙感監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)作物的生產(chǎn)狀況，分析其所需的營(yíng)養(yǎng)成分，并以變量施肥技術(shù)完成施肥作業(yè)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)對(duì)有機(jī)肥的使用仍較為粗放，缺乏適用的精細(xì)化有機(jī)肥施肥機(jī)，完善和發(fā)展適用的有機(jī)肥施肥裝置，對(duì)降低我國(guó)化肥使用量，進(jìn)一步提高有機(jī)肥的利用效率具有重要意義。