水稻侧深施肥技术与装置

赵 晋，黄 赟，陈长卿，翁晓星，朱建锡，白治峰，夏琪玮，王孔俭

(1.金华市农业科学研究院，浙江 金华 321000； 2.浙江星莱和农业装备有限公司，浙江 金华 321300)

0 引言

中国统计年鉴显示，在粮食作物播种面积中，2019年水稻播种面积占比约为25.6%，为2 969.4万hm2，产量持续超过2亿t，占据粮食总产量的31.6%，属于重要的粮食作物。在水稻的种植过程中，施用化肥是其中的重要环节，能够促进水稻产量的提高[1]。中国统计年鉴显示，我国化肥需求量大，2019年农用化肥施用已达5 403.6万t，是重要的农业投入品。

水稻对于肥料养分的需求因生长阶段的不同而变化，按照其需肥规律施用，可分为基肥、返青肥、分蘖肥、穗肥和粒肥，肥料施用环节多、工作量大[2]。一直以来，人工抛洒或机器喷洒是施肥作业中最常见的方式，这种方式往往需要大量的肥料，肥料撒落于土层表面，尤其是人工方式时常造成分布不均匀，各区域内的秧苗或种子吸收的肥量不尽相同，导致水稻植株在茎秆高矮、分蘖数量、结穗大小方面存在差异，从而对产量产生影响[3]。此外，溶解在水中的肥料会随着生产过程排水流入周边水系，进而对生产和生活用水造成污染。因此，有效、精准地使用肥料，在提倡生态环境保护、绿色可持续发展的今天，显得尤为重要。

随着肥料高效利用技术和自动化技术的发展，以及施肥模式的不断探索更新，依托机械装备可以实现对肥料的精确、定位施用，以此最大限度发挥肥料效能，改善化肥过量使用的现状，提高农业生产要素利用率，减少生产投入，提升生产效益。

1 侧深施肥技术

水稻侧深施肥技术融合了农机、农艺，是指在水稻机械插秧或直播的同时，将肥料定位、定量、同步施于秧苗或种子侧下方泥土中，施肥深度30～50 mm，肥料与秧苗或种子间距40～50 mm[4-5]。由于肥料埋于土层中，可延缓其分解速度，而且肥料与水稻根系距离较近，可促进根系吸收肥料养分，水稻前期生长所需的基肥、返青肥、分蘖肥只需一次作业即可完成，减少了劳动强度，对比传统撒播模式，应用侧深施肥技术可节约20%的肥量，有效提高了肥料利用率和有效分蘖数，产量可增加7%～8%，特别是在低温年、冷水田、土地排水不良等情况下，增产效果显著[6]。此外，侧深施肥技术对农田生态环境可带来积极作用。以往，水稻种植普遍采用整地-上水-施肥-泡田-排水-插秧的步骤，传统施肥方式使得肥料更多地位于田块表层，由此造成大量的肥料因排水而流失，也对周边水系造成污染[7]。采用机插秧同步侧深施肥技术后，可以减少排水这一步骤，极大程度避免了肥料的浪费，同时杂草生长又因为田块表层没有肥料而受阻，促使除草剂使用减少，进一步减少化学药剂对土壤、水体的污染，在2018年农业农村部公布的10项重大引领性农业技术中，该技术位列其中，近几年在我国各地得到重点推广。

2 研究现状

水稻种植主要集中在亚洲，育苗移栽应用广泛，对于侧深施肥技术和配套装置的研究更为深入。日本自20世纪70年代起开始了相关的研究工作，如今已形成了较为成熟的应用体系，久保田、井关、洋马等农机企业均针对各自生产的插秧机开发了系列产品，并应用在乘坐式插秧机上。据统计，2010年已有40%以上的高速插秧机具备侧深施肥功能，其中8行插秧机中应用比例最高，4行插秧机中应用比例最低，6行插秧机居中，占比分别为70%、30%和55%[8]。国内对于侧深施肥技术的研究虽然较日本更早，但受限于当时的研发生产能力，相关技术模式并不成熟，深施肥效果无法保证，因而未能将该项技术推广开来，进展极为缓慢。20世纪末期，国内科研机构加大了研究力度，富来威、久富、星莱和等农机企业相继推出带侧深施肥装置的高速插秧机。

排肥器作为施肥装置的关键部件，对肥料排放的稳定性、均匀性起着重要作用，结构形式多样，适用于固体肥料，形态有所不同(表1)，但当肥料含水率过大时均存在黏堵现象，易出现断条，影响施肥作业效果[9-10]。而在侧深施肥装置中多以外槽轮式、螺旋式为主，为减少肥料堵塞，通常选用颗粒状肥料，粒径为2～5 mm，具有不易捏碎、吸湿少、不黏、不结块的特点[11]。依据施肥动力方式，可分为气吹式和螺旋推进式。

表1 国内常用排肥器对比Tab.1 Comparison of commonly used fertilizer apparatus

2.1 气吹式侧深施肥装置

气吹式侧深施肥装置或称风送式侧深施肥装置，多采用槽轮式排肥器，利用风机产生的风压为肥料输送提供空气动力，作业时，排肥器在机械传动驱动下，将肥箱中的肥料输送至排肥管中，在气流和自身重力的双重作用下，肥料颗粒沿着排肥管均匀下落至指定位置，深施肥作业进而完成。采用这种排肥方式所施的肥料呈连续性条状，目前应用最为广泛，然而其未能满足变量施肥的要求，且当插秧机停止前进或转弯时仍会继持续排肥，存在局部肥料过多的情况，对施肥精准性方面有一定影响[4]。

由于使用环境的影响，空气湿度较大，肥料极易发生潮解，潮解后的肥料流动性差，容易黏附在排肥管路上，甚至造成堵塞，不仅影响施肥均匀性，而且严重影响作业效率。根据走访发现，发生拥堵现象主要有两处位置：一处是在排肥管口，因其贴近于水田表面，易倒灌入泥水溶解肥料而受堵；另一处在肥箱下肥口，排肥器与肥箱间存在一定的缝隙，肥料颗粒在下落过程中受到碾压而粉碎，遇到水汽易结块而堵肥。另外，施肥完成后若未将肥料沟及时覆土刮平槽，容易使肥料裸露或浮于水面，无法充分发挥深施肥效果。

左兴建[4]设计的水稻侧深精准施肥装置，利用施肥控制器和车载控制终端，将施肥量与插秧机前进速度进行匹配，以此实现施肥量的实时调整。王金峰等[12]设计的水田侧深施肥装置，施肥量的控制依靠调整肥槽有效工作长度完成，利用毛刷刮除肥槽内多余的肥料，利用圆盘顶出式结构将肥槽内的肥料强制顶出，以此解决肥料潮解黏堵排肥器的情况。雷小龙等[13]设计了螺旋组合式供肥装置，排肥轮采用倾斜螺旋状型孔结构，数量根据排肥量在一定范围内可调节，肥料适应性强。

2.2 螺旋推进式侧深施肥装置

螺旋推进式侧深施肥装置采用螺旋式排肥器，利用电机驱动螺杆完成肥料的纵向输送。该结构可以防止肥料堆积架空，提高肥料流动性，缓解了排肥口易堵肥、泥水易倒灌的问题，但是部分粉化受潮的肥料仍会粘附在螺旋叶片上，一定程度上影响肥料的顺利排放，部件可靠性也有待提高。

陈长海[14]研制的水稻侧深施肥机，将插秧机发动机作为螺旋搅龙式排肥器的动力源，实现插秧、施肥联动，排肥量由螺旋转速控制，排肥稳定性有待提高。杨欣伦[15]设计的侧深施肥装置，利用横向、纵向螺旋钢丝完成肥料输送，采用多叶片组合的肥量调节装置，操作简单、排肥稳定。陈雄飞等[16]设计了由输送螺旋和排肥螺旋组成的两级螺旋排肥装置，排肥效果较好，对肥料形态要求不高，适应性较强。

3 展望

当前精准农业发展迅速，对肥料施用的精准程度提出更高要求。相较于传统施肥方式，侧深施肥技术虽能一定程度上减少化肥施用量，但不同区域内的土壤肥力存在差异，条状施肥仍存在一定浪费，因此，通过结合空间技术、传感器技术、定位技术等现代信息技术，依据实际土壤肥力变量施用化肥，可进一步提高实现肥料利用率，配套的变量侧深施肥装置及其控制系统将是今后研究的主要方向。

水稻生产具有很强的紧迫性，同时作业环境复杂，为保障作业有序高效进行，应加强排肥器、齿轮、传动轴、传感器等关键部件的工作可靠性，优化其强度、耐磨损程度，降低平均故障时间，以提升侧深施肥装置整体的可靠性，进一步保证排肥量稳定性、均匀性，以及各行肥量一致性。同时结合轻量化设计理念，减轻作业时插秧机下陷程度，提升整机通过性能。进一步优化排肥器、肥箱、输肥管等的结构，加强防潮解、缓释技术等化肥生产工艺的创新，以避免肥料堵塞，也将促进侧深施肥技术的应用普及。

4 结束语

在水稻生产管理中，采用带有侧深施肥装置的水稻插秧机不仅可以提高工作效率、节约用肥成本，还能保护生态环境、促进增产丰收，对于提高水稻生产机械化水平起到积极的推动作用。当前各地正全面开展“化肥减量增效”行动，在现有水稻侧深施肥技术的示范推广基础上，进一步加大该技术装置的应用推广力度，可以更好地促进农业朝着绿色可持续方向发展。