一种多功能水肥一体化机械设备及其应用

荣延军，刘洪岺，张建凯，张 波，甘久霖，徐福胜

（滨海新区大港林果种苗站，天津 300270）

农业现代化核心支撑是农业机械化。水肥则是影响林果产业质量的重要因素。水肥一体化技术是水与肥料融合同步的一项农业新技术新方法[1]，具有节水、节肥、节药；省工、省力、省心；增量、增收、增效[1]等功效。目前，我国水肥一体化技术发展已经由过去当地应用示范到现在的大规模应用[1]。其模式特征均属于固定式的设施管网滴灌体系，主要有水源工程、首部系统、输配管道系统和灌水肥器等硬件系统组成[2]。该系统庞大复杂，其技术含量、建设投资、运行成本、对水源肥料质量要求高，但其稳定性、功能性、通用性、实用性、灵活性差，且易老化、易损坏、易出故障、易堵易漏、易致次生盐碱累积、易影响林果园土壤耕作和树体管理作业，而此类需要额外消耗电能，且价格较高[3]，其缺陷多、问题大、推广困难，一般多应用于设施农业或小规模高附加值蔬菜栽培。我国目前还没有一套能够集水肥一体化技术管理各种优势、克服其所有缺陷的多功能机械设备以支撑和推动我国规模化大田现代农业及林果产业转型升级和提质增效。我们项目组则通过发明一种果园水肥一体化多功能机械专利设备及其配套技术（专利号201920552315.5），致力于解决我国规模化大田现代农业和林果产业水肥一体机械化多功能管理问题。

1 该专利设备系统特征

该专利发明一种果园水肥一体化多功能机械专利设备系统特征主要有Ⅰ配套主动力系统、Ⅱ发明主体设备系统和Ⅲ配套辅动力及储罐系统配套集成，其系统结构特征如图1所示。

说明：Ⅰ代表配套主动力系统结构，包括：1'.拖拉机；10'.动力升降杆。Ⅱ代表发明主体设备系统结构，包括：2'.可拆卸空心犁头；3'.主体方形刚架构；4'.深度控制轮；11'.锋钢刀片；12'.M分头胶管支撑杆；13'.高压泵；14'.覆土器。Ⅲ代表配套辅动力及储罐系统结构，包括：5'.储水罐；6'.出水管；7'.高压泵柴油机；8'.吸水管；9'.储水罐牵引杆。Ⅰ和Ⅲ配套设备是一般大型果园用于耕作和病虫害防治喷药都先行必备的动力和基础设备。该专利发明主体设备Ⅱ属于模块化集成应用。

1.1 该专利设备结构功能

该专利发明设备主体是由方形钢管焊接成的长方形钢架构3'，用于承载各种功能器具；3' 可调控深度5～45 cm，可伸缩长度2.5～4.5 m，以达到最佳作业幅度；3' 后边两端对称分布两个深度控制轮4'，用于平衡和辅助控制犁头深入土壤作业深度；3' 主架两侧对称分布空心犁头2～8 个（一般林果园株行距（2～3 m）×（4～6 m）情况下使用2～4 个空心犁头即可），以将水肥药菌灌注地下；2' 呈18°宽燕尾翅三角形状，用于开沟；2' 从犁尖到犁脖中间垂直焊接30 cm 长、2 cm 宽单刃长形锋钢刀片11'，刀刃朝上斜前，用于切割草团根系、大型土块，并通过控制犁头深度实现根系修剪；5' 是一般果园喷药用储水罐，在该专利发明应用中同时用于储存配置好的肥药微生物菌等；3' 设置于1' 后边、5' 前边，直接和10' 连接；5' 设置于3' 后边，直接连接拖拉机牵引钩，7 固定在5' 后边的车架上，以合理形成配套和顺畅作业；3'、5'、13' 由6'、8' 连通、再由12' 支撑分头胶管管节，以保证水肥药菌的吸入和输出；13' 提供吸取、输送和灌注的动力；14' 实现给犁沟覆土保墒功能，以完成水肥一体机械化多功能作业。

1.2 该专利设备使用技术

（1）将该专利发明果园水肥一体化多功能机械配套设备40 拖拉机、和主体设备、储水罐、各种胶管全部挂钩连贯，根据作物及林果株行距调试好主体设备钢架构宽度，配置好空心犁数量。

（2） 根据使用说明，配制好300 倍稀释配方水溶肥和20%呋虫胺7 000 倍液配置到储水罐中。

（3）进园后，将空心犁头深入地下15 cm 深度，然后开动高压泵柴油机，设置供水压力3 个，计量水量1 t，40 拖拉机低速三档位顺行牵引。这样，该专利设备及其配套新技术应用可以实现1.5 人、15 min 完成0.27 hm2的（200 棵冬枣树）水肥药菌一体化多功能作业。

1.3 该专利设备配套产品及其使用技术

该专利设备配套北京环科益农生物科技有限公司配方水溶肥新产品包括稀土配方高钾型、平衡性水溶肥和微生物菌配方有机质水溶肥，在本项目示范中均应用300 倍液。

2 应用的方式方法

2.1 应用示范园概况

本项目应用示范园位于天津市滨海新区太平镇东升村，当地属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温13.2℃，≥10℃积温4 323℃年，平均日照2 733 h，累年总辐射量121.1 kcal/cm2（5 354.6 兆焦耳/m2），生理辐射总量61.544 kcal/cm2，无霜期238 d，年均降水量416.8 mm，年蒸发量1 989 mm。降水主要集中7 月—8 月，降水量占全年的74.4%，土质黏重，主要由盐化潮土和海积盐土构成，平均含盐4.73 %，平均有机质含量0.4%。

2.2 应用方法

本项目应用示范以天津市滨海新区太平镇东升村鑫盛冬枣种植专业合作社的20 hm2冬枣园做应用示范园，以该园20 年生盛果期生长发育状况基本一致的冬枣树为试材，以该园10 hm2冬枣树应用T1：水肥一体化多功能机械专利设备及其配套新技术管理模式；以该园10 hm2冬枣树应用T2：水肥常规化人工挖穴埋肥树带起畦灌水施肥管理模式作对照。T1 和T2 均在冬枣树萌芽期、花期、幼果膨大期和果实成熟前期，通用T1 配套的北京环科益农生物科技公司300 倍配方水溶肥，分别实施4 次常用的人工肥水管理作业和4 次新模式水肥一体化作业。T1 第一次作业同时应用20%护瑞7 000 倍用于地下施药防治冬枣两大主要害虫绿盲蝽象和枣瘿蚊危害。

3 获得的效果和突破

3.1 关于T1 和T2 两种示范模式各种成本、质量、效益指标

见表1 和表2。

3.2 关于T1 和T2 两种示范管理模式应用效益分析

从表1 和表2 可以看出，两种管理模式T1 和T2 经过4次作业的用水量和用肥量，T2 是T1 的400 倍和4 倍，分别实现专技节水率99.8%和节肥率75%。因此，该发明设备节水效果尤其显著；如果不计用水价值，T2 模式水、肥、油、电、工费用是79 800 元，T1 模式则是15 180 元，实现降低综合费用成本64 620 元，综合节本率达81.0%。T1 模式节本效果更是突出。

从T1 和T2 两种管理模式表现出的质量和效益指标看，T1 模式全面超越T2 模式。主要原因由于水分和养分（肥料）是作物生长的最基础条件，是人为调控频繁、影响最大的生长环境因子[4]，水肥一体化技术最大化地发挥水肥耦合效应，实现水分和养分时空上同步，大幅度地提高水肥利用效率，使养分利用率可高达90%[5]，在节水的基础上促进了冬枣树生殖生长，在节肥的基础上显著地提高产量达23%。在节水和节肥的双基础上提高品质指标含糖量34.0%、维生素C 含量21.9%。分析原因水肥一体化技术施用钾肥有效性较高，钾利用率可超过90%[6]。因为钾元素既能增产，还能改善果实品质，如可溶性固形物和抗坏血酸浓度增加、改善果实颜色、延长保鲜期等[7]。T2 则因为大水大肥导致冬枣树势营养生长过旺，坐果率、含糖量和单果重分别降低70.8%、34.0%和27.9%，产量下降，品质降低，成熟期也随之延后1 个月，综合因素导致T1 模式冬枣果实价格高于T2 达65.7%，这与吴海兰等对红枣的研究中发现水肥一体化固体肥、液体肥、滴灌、NPK 处理均不同程度提高了沙地红枣含水量、总糖、还原糖、总黄酮、维生素C 等品质指标的含量，同时也有效降低了枣果酸度，其中水肥一体化液体肥处理提升枣果品质最佳[8]和王新元等研究表明的灌水量较高时会降低蔬菜品质，使果实内可溶性糖、有机酸、可溶性固形物、可溶性蛋白和维生素C 含量降低[9]的研究结果相一致。

表1 T1 与T2 不同示范管理模式成本各项构成及相关技术指标Tab.1 Cost components and related technical indicators of different demonstration management modes of T1 and T2

表2 T1 与T2 不同示范管理模式质量、效益及各项多功能技术指标Tab.2 T1 and T2 different demonstration management modes quality, efficiency and various multi-functional technical indicators

4 结语

中国是果树产业第一大国，林果产业对我国农民增收和脱贫致富具有重要作用，随着我国土地流转政策发展，实现规模化大田林果园水肥一体机械化管理意义重大。该发明设备实用、耐用、成本低、集成度好、配套性强，使用灵活、机动简易，农民乐于接受，易于推广，适应性强，是我国实现农业产业现代化、机械化、规模化、集约化和标准化的利器。