我国玉米穴施肥装置研究现状及展望

刘正道 何进 王庆杰 郑侃

摘要：玉米穴施肥技术可在很大程度提高化肥利用效率，减少玉米生产成本，对提高我国玉米在国际市场的竞争力具有重要意义。因此，介绍了穴施肥技术概况，根据施肥阶段的不同，分别分析和阐述了种肥、苗期追肥和中后期追肥阶段玉米穴施肥装置的主要结构、工作原理和特点。在此基础上，指出了现有国内玉米穴施肥装置存在的一些问题，并对该领域未来的研究重点和发展方向进行展望，以期为我国玉米穴施肥技术的研究提供参考依据。

关键词：玉米;穴施肥;装置;结构;工作原理;现存问题;研究展望

中图分类号： S224.2 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0005-04

我国玉米种植面积居世界首位，2016年我國玉米总产量2.19亿t，玉米播种面积3 675.9万hm2，单产5.97 t/hm2[1]。但我国玉米生产成本高，效益低，其主要原因是劳动力成本高、物化投入比重大，其中单位面积劳动力成本为美国的 1.58倍[2]，肥料费平均比美国高55.75元/t[3]。在玉米生产物化投入中肥料投入比重最大，但由于施肥方式不当等原因造成我国化肥的过量施用，玉米过量施肥程度平均达到 50.74%[4]。化学肥料的过量施用不仅造成肥料的浪费，还会造成一系列的环境问题，如地下水和地表水质量下降，表层土壤硝态氮的大量盈余和累积导致土壤酸化，土壤有机质存量下降，土壤磷素面源污染，温室气体排放增加等[4-7]。

为了降低玉米生产成本，提高我国玉米在国际市场的竞争力，近年来玉米精量施肥领域成为研究的重点，与缓释肥技术相结合的化肥深施[8-9]、化肥分层施用[10-13]以及穴施肥等技术相继出现，可很大程度提高肥料利用率。其中化肥深施和分层施肥技术仍条施化肥，相邻玉米植株间化肥利用率仍然较低;而穴施肥技术避免了因化肥分散分布、没有针对特定种子而造成的化肥浪费现象[14]。因此，了解和掌握玉米穴施肥技术及其相关装备的主要类型和特点，探讨其存在的主要问题，对于推广玉米穴施肥技术，提高化肥利用效率具有重要意义。

1 玉米穴施肥技术

玉米穴施肥技术是指在玉米生产的不同阶段，根据玉米需肥规律，将化肥呈穴状施入土壤，化肥处于玉米种子或植株的侧下方或正下方，并且和种子或植株保持一定的距离。穴施肥效果图如图1所示。

与传统化肥条施或撒施相比，玉米穴施肥技术既可避免传统施肥方式的烧种（苗）现象，也可以避免因化肥分散分布、没有针对特定种子而造成的的化肥浪费现象[14]。玉米穴施肥技术参数主要包括肥料的空间位置和每穴施肥量。

每穴施肥量的确定：确定适宜的玉米施肥量，既要满足玉米的养分需要，又要避免肥料浪费，实现高产高效。由于品种特性、土壤条件、产量水平以及栽培方式不同，在确定具体施肥量时，要综合分析考虑多种因素[15]，理论计算玉米施肥量[16-17]的方法如下：

施肥位置的确定：施肥过程为防止烧种、烧苗现象，必须保证肥料和种子（植株）具有一定的距离，穴施种肥时要使肥料和种子距离不小于5 cm[18]，肥料和种子通过土壤层隔开，并且需要追肥，防止玉米后期脱肥早衰;玉米追肥时应保证化肥和植株水平间距在10～15 cm;追肥深度为8～10 cm[19-21]。

2 玉米穴施肥装置主要类型

按施肥阶段不同，玉米穴施肥装置可分为种肥穴施、苗期穴施和中后期穴施等类型。

2.1 种肥穴施机械

目前，种肥穴施技术通常和玉米穴播技术同时应用，在实现玉米单粒精量播种的同时，通过一定的种肥协同机构，在种侧（下）穴施化肥，并保证一定的种肥间距。

2.1.1 埯播施肥镐

我国玉米种植区域跨度广、涉及地形条件复杂，在山地、丘陵等区域玉米生产仍以小型机械或人工农具为主。近年来市场上也出现了一些穴播穴施肥农具，如辽宁省云帆机械制造有限公司研制的埯播施肥镐，其结构如图2所示。该埯播施肥镐主要包括播种器、施肥器、摆锤、镐把、肥料袋、导肥管等组成，播种器和施肥器相邻并排安装，间距5 cm，玉米种子装在镐把内，肥料装在肥料袋内。

其工作原理：作业时，将埯播施肥镐抬至一定高度后向下刨，播种器和排肥器从接触土壤到达到播种施肥深度过程中由最大速度快速变为0，而摆锤在惯性的作用下继续向下摆动，驱动播种器和施肥器工作，完成刨埯、播种、穴施肥作业;然后抬起点播镐，种、肥被自然回落的土壤覆盖，完成覆土作业;操作者在刨下一埯、向前迈步的同时，踩实落土，完成镇压作业[22-23]。该类型的埯播施肥镐1个男性劳动者可播种0.33～0.67 hm2/d，适合我国东北、西北山区等复杂地形条件下玉米播种，适用性强。

2.1.2 穴播穴施肥装置

玉米穴播穴施肥装置多以玉米精量播种技术为基础，通过直接或间接定位，将连续的肥料流由不定量的大群体转化为定量的均匀连续肥料集群。

2.1.2.1 直接定位法

直接定位法是利用曲柄连杆机构直接从肥箱中取出一定量的肥料送入土壤，机构主要由曲柄、排肥连杆、排肥活塞、进肥管、回位扭簧、量肥筒和开闭活门等组成，原理如图3所示[15]。

其工作原理：机构动力由地轮提供，作业过程中地轮传递的动力经传动系统驱动曲柄转动，经连杆带动排肥活塞在量肥筒内上下运动;当排肥活塞向上运动时，肥料经进肥管进入量肥筒，储存在开闭活门和排肥活塞中间，当排肥活塞向下运动时，推动肥料打开开闭活门，将肥料送入土壤，实现肥料穴施。该种方法无需排肥器，结构简单，但机构须近地安装，安装空间较大，对开沟器开沟宽度要求较高。

2.1.2.2 间接定位法

传统播种施肥机具无法实现肥料穴施的原因是在肥料由肥箱经肥管送入土壤过程中，受机具振动和部件无序撞击作用。间接定位法是在肥料进入土壤前，将肥料重新定位。该定位法排肥量的稳定性由最后一步定位决定。机构主要由护肥板、电磁铁、连杆、肥料定位板、复位弹簧等组成，原理如图4所示[15]。

其工作原理：由排肥器送出的肥料在送入土壤前首先到达间接定位机构，在护肥板和定位板间不断积累，机具到达指定位置后，控制系统控制电磁铁吸合，打开定位板，将积累到一定量的肥料送入土壤，完成肥料穴施。相对于直接定位机构，该机构通过电磁铁控制，结构得到简化，且能实现快速稳定的穴施肥。

张勋综合分析了直接成穴法和间接成穴法的特点，利用间接成穴法设计了玉米穴播穴施肥装置，并以8051单片机作为控制芯片完成控制系统软件和硬件的设计[15]。

2.2 苗期穴施肥装置

充足的健苗、壮苗是实现玉米高产的最主要的因素，苗期追肥是玉米生产过程中重要的环节。苗期穴施肥技术是通过识别技术对玉米幼苗进行识别和定位，进而确定施肥位置，再通过扎穴机构将一定量的肥料送至指定位置。相对于种肥穴施而言，玉米苗期追肥不需要考虑种肥协同作业的问题，其关键部件包括扎穴机构和触碰识别机构。

2.2.1 扎穴机构

2.2.1.1 行星轮系扎穴机构

行星轮系结构主要通过各种齿轮的组合，使工作部件按照设计的运动轨迹运动，可实现高速往复运动，被广泛应用于农业机械，如水稻插秧机、钵苗移栽机等。在穴施肥领域，主要由太阳轮、行星架、中间轮、行星轮、摇臂和喷肥针组成，可分为椭圆齿轮行星轮系、全椭圆齿轮行星轮系、非规则齿轮行星轮系等，结构如图5所示[24]。

行星轮系扎穴机构工作原理：工作时，太阳轮与机架固定安装，行星架在传动机构的带动下做回转运动，中间轮一般由2个形状不同的的齿轮组成，一个与太阳轮啮合，一个与行星轮啮合，在转动过程中传动比不断变化，从而导致行星轮往复摆动。喷肥针和摇臂固结并安装在行星轮上，使其在随行星架做圆周运动的同时做相对于行星架的逆向转动，2种运动的合成构成喷肥针的往复扎穴运动。该机构一般用于液态型肥料的施用，喷肥针与输肥软管相连，在扎穴的同时喷施液态肥，可实现高速作业。

王金武等设计了基于三次拉格朗日曲线拟合轨迹的斜置式扎穴机构并进行优化设计，得出当行星架转速75.0 r/min、前进速度0.48 m/s、斜置角度23.3°时，作物损伤率为 0.33%[25-26];王金峰等设计了椭圆齿轮行星轮系扎穴机构，并建立数学模型，以穴距200 mm和入土深度120～150 mm为寻优目标得到行星轮系的参数范围，高速摄影试验结果表明施肥损失率远小于3.5%[27-28];冯金龙等设计了变形椭圆齿轮扎穴机构并进行了优化设计，当行星架转速64.4 r/min、前进速度0.61 m/s时，机构动力学性能最优[29-30];刘亚华等设计非圆齿轮扎穴施肥装置，优化得出试验装置的最佳工作参数为行星架转速72 r/min，试验台车前进速度为 0.49 m/s[31-32]。

2.2.1.2 曲柄摇杆扎穴机构

曲柄摇杆扎穴机构主要利用曲柄摇杆机构原理，将回转运动转化为扎穴机构的往复运动，实现穴施肥功能。曲柄摇杆扎穴机构主要由机架、凸轮、摇杆、压缩弹簧和入土部件组成，摇杆一端连接入土机构，一端与凸轮接触，其结构原理如图6所示[33]。

其工作原理：在施肥间隙，摇杆和凸轮的远休止段接触，凸轮转动过程中，入土部件始终处于最高点;当运动到施肥位置时，摇杆与凸轮缺口接触，入土部件在压缩弹簧作用下迅速下降至最低点，完成入土;凸轮继续转动，入土部件抬升至休止位置。该机构结构简单，但入土部件入土力由压缩弹簧决定，弹簧弹性系数越大，入土力越大，但在排肥间隙回位阻力越大，功耗越大，且机具受地面冲击较大，机具振动严重。

钱梵梵依据该原理设计了玉米穴施肥机，并进行了静态试验和田间试验，室内静态试验施肥量变异系数为 2.73%，田间试验施肥深度的均值为8.633 2，方差为 0.335[34]。为减少机具振动，整机振动频率与单缸汽油机工作时的振动频率错开，减少共振。

2.2.2 识别装置

识别装置主要用于对玉米幼苗进行识别、定位和启动扎穴机构运动，目前穴施肥技术中主要通过机械触碰装置实现识别，主要由触碰转针、三角转盘、滚轮、位移驱动摆杆与可恢复式微力放大装置组成。

机械触碰识别装置的工作原理：当机具运动至植株旁边时，触碰转针接触玉米茎秆，推动触碰转针带动三角转盘转动，进而驱动拔动滚轮和位移驱动摆杆，位移驱动摆杆打开微力放大装置，微力放大装置内弹簧推动滑移齿轮侧向滑动，使其与施肥齿轮啮合并带动2个施肥凸轮盘工作，从而带动边侧施肥机构开始扎穴。

李沐桐等对靠苗装置、微力放大器、施肥裝置和脱离装置进行试验研究和参数优化，结果表明在台车前进速度为 1.25 m/s，动力输出轴转速为16.5 r/min，触碰转针高度在 5 mm 的条件下，穴株拟合度可达到0.796，伤苗率接近10%[35-36]。

2.3 中后期穴施肥装置

玉米生长至中后期，特别是喇叭口期，对肥料的需求量较大，但玉米属高杆作物，与苗期追肥不同的是在大喇叭口期株高可达1.5 m左右，我国现有动力机械无法进地作业，胡红等在触碰识别机构和扎穴机构研究的基础上，开发了自走式玉米中后期穴施肥机，主要由转向机构、动力输出机构、动力传动系统、追肥装置和覆土装置组成[20-21]，其中追肥装置主要由植株位置探测机构、水平位移补偿机构、竖直扎穴机构、入土部件和棘轮离合器组成，结构如图7所示。

其工作原理：动力传动系统驱动棘轮离合器转动，在排肥间隙，离合器的棘轮和棘爪分离;当机具运动至玉米植株旁边时，位置探测机构触碰玉米茎秆发生转动，使棘轮离合器的棘轮和棘爪啮合，带动竖直和水平机构运动;水平位移补偿机构相对于机具向后运动速度和机具前进速度相等，避免在竖直扎穴机构带动入土部件扎入土壤时发生拖动，实现零速投肥。自走式玉米中后期穴施肥机在解决玉米生长中后期现有动力机械无法进地作业的同时，引入水平速度补偿装置，实现零速（水平方向）投肥，提高肥料成穴性能。

胡红等对该装置进行田间试验表明，在排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥排肥量稳定性变异系数为3.2%，平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3、127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%，漏追率为2.7%[20]。

3 现存问题及展望

3.1 现存问题

总体而言，我国玉米穴施肥技术的研究仍处于起步阶段，相关机具研发也处于样机的试制阶段，均未达到实际生产和应用阶段，现存问题主要包括：（1）种肥穴施机具。种肥施用为玉米施肥最关键的部分，种肥穴施技术及相关机具的研究较少。人工穴施肥农具适用于山区、丘陵等复杂地形区域，但存在劳动强度大、效率低等问题。（2）苗期穴施肥机具。该类机具的研发主要以扎穴机构的研究为主，触碰识别机构的研究较少，实际作业过程中对靶性能差，且苗肥间距不稳定;多用于液态肥施用，而目前我国玉米追肥所使用的大多为颗粒肥料;曲柄摇杆机构存在作业速度慢、运行平稳性差、传动效率低等问题，而行星轮系虽然作业速度快，但在免耕地条件下力学性能较差。（3）中期穴施肥机具。玉米中后期根系较多且土壤硬度大，现有扎穴机构入土性能不能满足要求;植株高度大，大型动力机械无法进地作业，而小型动力机械质量轻，作业过程在土壤反作用下机具弹跳严重。

3.2 展望

3.2.1 加大关键部件理论研究

当前，我国穴施肥装置的研究虽然取得了一定的成果，但其排肥量稳定性、种（苗）肥间距稳定性、入土性能等均未达到实际作业要求。因此，须加强间歇取肥、运肥和投肥关键技术的研究，加强关键部件加工工艺，实现精量取肥、精准投肥;运用现代设计和分析手段，分析机械部件和土壤的相互作用，优化运动轨迹，探索新工艺，使用新材料，实现高速、平稳精准施肥。

3.2.2 提高识别和控制部分自动化和智能化水平

由于穴施肥技术的实现需要复杂的机械结构，要想进一步提高玉米穴施肥机具作业速度和精度，自动化和智能化是其发展的必然方向。自动监测、实时控制、自动补偿等技术的应用，可以很大程度提升施肥的精度，自动导航技术的应用可以降低劳动强度，改善劳动环境，特别是在玉米中后期阶段。

3.2.3 加强模式试验与机具开发的结合

我国玉米种植区域广、品种多，不同玉米品种不同生长阶段对肥料的需求均存在差异，为最大程度提高化肥利用效率，减少化肥的投入，在机具研发的同时，应研究不同穴施肥模式对玉米生长和产量的影响，为玉米穴施肥机具的研发提供理论依据。

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