设施大棚深耕松土施肥机研究试验

郭玉林，王 帅，冯 磊，李 琳，刘志良，梁学强

（天津市农业发展服务中心，天津 300061）

设施农业生产方式灵活，集约化、标准化、规模化程度高，在农业和农村经济发展、乡村振兴中发挥着越来越重要的作用。近年来，天津市设施农业实现了快速发展，但由于设施农业独特的生产环境，大型农机具无法进入，机械化作业程度普遍偏低，种植环节大多依赖人工作业，劳动强度大，工作效率低。同时，连年浅耕导致土壤耕层只有12～15 cm左右，土壤板结退化严重，厚硬的犁底层阻碍了土壤上下水气的贯通，土壤毛细管被破坏，土壤养分输送能力降低，影响植株对水、肥、气、热的吸利利用。目前，现有的大田作业深松机不适宜在设施内进行耕整作业，微耕机也不能满足设施内深耕作业的要求，而土壤深松作业可以破除犁底层，疏松土壤，抑制土传病害的发生，有效提高土壤的透水、透气性能。

天津市设施农业以种植反季节果蔬为主，经济附加值较高，一般都需要施用大量有机肥，以改善土壤的理化性质和生物活性，促进作物根系生长发育。2020年天津市实施了商品有机肥补助工作，促进有机肥资源化利用，推进有机肥产业和种养业协调发展，提升耕地质量，保护生态环境。因此，急需研制与设施农业生产配套的深耕松土施肥机，解决设施农业长期耕层浅、土壤板结、施肥效率低与利用率低等问题。

1 天津市设施农业发展现状

截至2018年末，天津市常住人口达到1 557万人，随着居民消费水平的提升，对设施农产品的需求不断增加，促使天津市设施农业产业迅速发展。目前，天津市设施农业总面积35 388.23万m2，其中连栋温室1 316.11万m2，日光温室18 759.5万m2，塑料大棚15 312.63万m2（农业部农业机械化管理司2016年统计数据）。

2 设计思路

按照天津市温室大棚的结构特点，研究试制深耕松土施肥机，实现设施内的深耕、松土、施肥联合作业，减少拖拉机进地次数，提高作业效率。设计思路是在深耕机的基础上增加排肥、施肥装置，完善结构布置，机具总体结构包括深耕部分和施肥构造2个部分（图1和图2）。

图1 撒肥机俯视图

图2 撒肥机侧视图

2.1 深耕部分

在深耕机的基础上，将圆梁形式改为框架形式，使之能与施肥构造部分配合；将原来的深耕机刀轴刀库数量改变，增加深耕刀数量，使深耕机在运转过程中更加平稳。该深耕刀为非标准件，在设计时借鉴犁“撕裂”土壤的原理，改进设计深耕刀，刀轴回转半径305 mm。具有3个特点：（1）刀体加宽加厚，材料选择锰钢，表面进行沾油淬火处理，增加刀本身的刚性和韧性，刀头选择箭形铲状，使土壤能够受到切削、弯曲等多重作用。（2）深耕刀保持一定的曲线和切土角，以便减少作业过程中缠连草和作物根茬。（3）刀座加长并且在刀座口增加加强圈，防止刀座因受力过大而损毁。

为使深耕机在作业时避免漏耕和堵塞，同时还要达到一定的耕深，合理安排深耕刀数量与排列方式。深耕刀在刀轴上的配置有2个特点：（1）在一个回转平面内只安装一把刀，以便减小作业阻力所带来的功率损失；（2）深耕刀在刀轴上按照螺旋状单头排列安装的形式，每把深耕刀之间都存在一定的相位角，刀轴每转过一个相等的角度，都有相应的深耕刀入土，保证深耕机在工作时的稳定性和刀轴的负荷均匀。

2.2 施肥构造部分

分为驱动、肥箱、控制3个部分。（1）驱动部分，为避免消耗拖拉机动力，将施肥构造部分驱动与深耕机驱动分开，用拖拉机电瓶电源带动电机驱动肥箱肥盒转动；（2）肥箱部分，肥箱侧板采用4 mm厚不锈钢板，主体、出肥口采用2 mm厚不锈钢板，避免肥箱被肥料腐蚀。出肥口设置在深耕机前梁部分，在深耕之前施肥，使有机肥与土壤均匀深层次混合；（3）控制部分，采用行程开关控制，将行程开关安放在托板支架部位，在深耕机运转下地之后，托板上扬，托板支杆转动，行程开关闭合形成回路完整，电机转动，肥箱施肥；深耕机停止运转抬起，托板下落，托板支杆转动，行程开关断开，回路断开，电机停止运行，肥箱停止施肥。此设计将肥箱和深耕机控制结合，由深耕机控制肥箱，无需人工控制肥箱，避免肥料浪费或施肥不到位。

3 作业试验

样机试制后，开展了机具作业速度、施肥量、作业深度、施肥均匀性的生产性能测试。

由表1可以看出，研制的机具在作业I档带动施肥机具作业时，作业速度稳定，符合深耕及施肥的要求。

表1 实际作业速度测定

由表2可以看出，深耕松土施肥机在其排肥装置最大间隙工作时，符合并且超过其最大排肥量300 kg·h-1的要求，使用者可以根据排肥量的不同，来调节排肥装置的间隙。

表2 深耕松土施肥机施肥量测定

由表3可以看出，深耕机可以达到28 cm的耕深，打破厚实的犁底层，真正达到了物理方式改良土壤结构的效果，土壤碎土率和耕后平整度也达到了旋耕作业标准。

表3 深耕松土施肥机作业深度测试

图3 机具作业现场

由于在实际作业中肥料会与土壤混合，无法观察均匀度，所以选择在路面测试并且旋耕刀停止工作，选择的是含水率为30%的粉状微生物菌肥。通过测试可以看出该机具排肥均匀，如图4所示。

图4 排肥均匀度

4 设备定型参数

4.1 定型参数

经生产验证后，研制的大棚深耕松土施肥机具参数见表4。即配套动力需要40～55马力拖拉机，重要300 kg，施肥宽度140 cm，肥料箱容量450 L，深耕深度≥28 cm，作业速度2.2～2.4 km·h-1。

表4 机具性能参数

5 结论与讨论

通过试验，研制开发的深耕松土施肥机能一次性完成施肥、深耕、整地复式作业，连续作业性能稳定，各项指标参数达到设计要求。该机具的使用对提高设施农业机械化作业效率、防止肥料流失，降低作业成本，节本增效具有积极的促进作用。根据土壤情况，作业时科学考虑拖拉机性能和深耕松土施肥机作业效率，尽量选用工作I档位。科学合理匹配人工填料，以达到效率最大化。