有机肥施肥机研究现状与发展思路

2022-07-07周彦君林川尧

农业工程 2022年4期

吴建，耿胤，周彦君，林川尧，邓佳,2，王攀,2

（1. 四川省农业机械研究设计院，四川成都 610066； 2. 农业农村部丘陵山地农业装备技术重点实验室，四川成都 610066）

0 引言

近年来，有机肥以能够有效改善土质，提高作物产量和质量，且对环境友好等优势逐渐受到政府、企业、农民等的重视[1-3]。随着绿色农业的发展，我国陆续出台了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》等鼓励和促进有机肥施用的相关政策，有机肥的施用正逐渐成为农作物生产过程中提质增效的有效途径[4]。

相较于复合肥等无机肥料，有机肥用量大，其施用通常采用抛撒等较为粗放的作业方式或采用有机肥施肥机进行作业，但是由于有机肥的含水率一般为8%～40%，在堆放和施用过程中易结块，因此有机肥的施用对作业机具的排肥稳定性和施肥均匀性要求更高，目前大部分有机肥施肥机都不能满足要求[5-6]。

一方面，随着有机肥用量的不断增大，有机肥施肥机受到了相关企业、科研院所前所未有的关注；另一方面，随着精细农业的发展，有机肥高效、高质的机械化施用作业已成为必然趋势。

1 有机肥施用机械化作业现状

1.1 国外现状

发达国家对有机肥的利用较早，农机与农艺的结合较为紧密，目前其有机肥的施用基本实现了机械化作业，且其自动化、智能化程度较高。得益于完善的田间管理系统，发达国家的有机肥施肥机大多带有全球定位系统（global position system，GPS）、遥感监测系统（remote sensing，RS）和地理信息系统（geographic information system，GIS），在作业过程中能够实时监测采集作物信息，并对作物所需营养进行分析，配合变量施肥技术实时调整施肥量，完成高效、高质施肥。法国的“女骑士”离心式撒肥机采用GPS 和GIS，配合变量施肥技术，能够随时控制撒肥量，使肥效利用率达到60%以上[7]。德国的ZA-XPerfect 撒肥机采用具备快定位的撒肥盘，可适时调整撒肥叶片的位置，实现有机肥的自动化输送，且肥箱配备自动搅拌装置，能够有效避免因有机肥板结而发生的堵塞现象[8]。意大利的PRIMO 系列撒肥机采用了可根据作业速度自动调节撒肥量的电子调节模式及肥料持续称量系统，能同时控制左右8 个撒肥区域，并实现变量撒肥。

发达国家有机肥施肥机主要以大型机具为主，不适用于我国当前的农业生产模式，且机具使用成本较高，难以适应当前我国农业生产的要求。

1.2 国内现状

我国有机肥施用机械化作业发展较晚，当前仅在北方的平原等优势产区具备较高的机械化作业水平，且仍以大中型撒施机为主，作业方式较为粗犷，综合肥效利用率处于较低水平，而在一些非优势产区，如在浅山丘陵地区仍采用人工作业或人工辅助机械作业的方式进行有机肥的施用。总体来说，我国有机肥施用机械化水平较低，可用机具较少，尤其是缺乏高效、高质的有机肥专用施肥机具。

2 我国有机肥施肥机研制现状

为提高我国有机肥施用的机械化水平，针对有机肥施用过程中排肥器易堵塞，排肥均匀性、稳定性差等问题，相关企业、科研单位等围绕有机肥的施用方式、排肥器类型、辅助排肥装置等方面做了相关研究。

2.1 离心式有机肥施肥机

离心式有机肥施肥机（图1）主要以撒肥机为主。离心式有机肥施肥机的研究主要集中在增大有机肥抛撒距离和抛撒均匀性上，多采用强制破碎装置对结块有机肥进行破碎以提高抛撒均匀性。

图1 离心式有机肥施肥机Fig. 1 Centrifugal organic fertilizer applicator

吕金庆等[9]研制了一种有机肥立式撒肥装置，通过建立有机肥在空气中的运动学模型，对螺旋片的螺距、高度、抛撒轴转速及撒肥盘倾斜角度等进行了正交试验，并对该撒肥装置的结构参数和运动参数进行了优化设计，使得该机作业后有机肥破碎料达到91.8%，播撒幅宽达到9.2 m，有效提高了有机肥的抛撒质量和效率，为撒肥机的优化设计提供了思路。针对撒肥机均匀性差的问题，胡东彬等[10]设计了一种基于双圆盘的离心式液控变量撒肥机，建立了撒肥机作业过程的EDEM 仿真模型，模拟其作业状态；将撒肥叶片设计成外侧开度大、内侧开度小的凹槽，增大肥料的抛射角，增大抛射距离；通过液控调节施肥量，实现变量施肥。该机基本能够满足有机肥抛撒作业要求。褚斌等[11]研制了一种畜禽粪便堆沤有机肥撒肥机，该机采用浮动式抛撒机构和环链鞭打破碎机构，能够有效破碎和抛撒有机肥，解决了畜禽粪便堆沤有机肥结块严重、抛撒均匀性差等问题。刘晓东等[12-13]设计了一种螺旋锥体离心式排肥器，该排肥器采用螺旋扰动杯结构，增加排肥过程肥料流动速度以避免肥料结拱堵塞。试验表明，其排肥稳定性系数＞96%，变异系数＜5.57%，为螺旋式排肥器的设计提供了思路。

离心式撒肥机是当前我国技术较为成熟、使用较多的有机肥施肥机械，其作业性能较为稳定，适用于大田作物有机肥的播撒，但是作业方式较为粗犷，难以满足精细农业的作业要求。

2.2 螺旋式有机肥施肥机

在无机肥施肥机的基础上，螺旋式有机肥施肥机（图2）进一步优化改进以解决有机肥因含水率高而易堵塞输肥管道的问题，大多配有开沟装置，可进行开沟施肥作业。

图2 螺旋式有机肥施肥机Fig. 2 Screw type organic fertilizer applicator

陈雄飞等[14]设计了一种两级螺旋排肥装置，建立排肥螺旋−排肥量数学模型，得出排肥量与两级螺旋排肥器的转速呈线性关系，且整体决定系数超过0.998。该机可以有效改进排肥效果，且对肥料的形态有广泛的适应性，为有机肥施肥机的改进优化提供了思路。位国建等[15]设计了一种机械式强制排肥装置，该机采用电动外槽轮排肥器将肥料排入落肥管，在排肥末端用竖直螺旋式结构将肥料强制排出，解决了施肥机作业过程中排肥端口易堵塞的问题。在螺旋排肥器作业过程中，排肥螺旋连续转动可导致在排肥口处形成的螺旋与螺旋套管之间的开口呈周期性变化，该变化进而引发螺旋排肥器排肥均匀性差的问题。针对这一问题，杨文武等[16]研究了螺旋排肥器排肥口参数与排肥性能之间的关系，发现排肥口角度和长度对排肥的稳定和均匀性有较大的影响，排肥口角度为135°、长度为60 mm 时，排肥效果较好，该研究为改善螺旋排肥器的排肥均匀性提供了思路。汪洋等[17]设计了一种垂直螺旋式定量施肥机，根据行走速度，该机可自动调节螺旋排肥器转速，排肥量误差＜4%，均匀性变异系数≤3%，适用于定量施肥作业。

螺旋式有机肥施肥机具备强制排肥效果，排肥均匀性基本能够得到保证，但由于此类机具的施肥方式要将肥料施入土中，落肥管与土壤直接接触，易发生堵塞现象。

2.3 槽轮式有机肥施肥机

槽轮式有机肥施肥机（图3）主要用于复合肥等颗粒肥的施肥作业，其结构简单、性能可靠，目前一些研究人员对其加以改进，以适应有机肥的施用要求。

图3 槽轮式有机肥施肥机Fig. 3 Trough wheel organic fertilizer applicator

针对传统外槽轮排肥器排肥均匀性差等问题，顿国强等[18-19]研制了一种圆弧齿轮排肥器，并建立了该排肥器作业过程的仿真模型，对影响排肥稳定性的排肥槽转速和排肥槽长度等因素进行对比研究，发现两圆弧排肥齿轮之间的最小槽长对排肥量的稳定性变异系数影响最为显著，当圆弧半径为8.54 mm，最小槽长为5.22 mm 时，排肥稳定性变异系数为0.28，试验表明该排肥器较传统外槽轮排肥器排肥流量变异性系数平均减少30.14%，排肥均匀性有了较大提高，为外槽轮排肥器的改进提供了思路。徐勇等[20]设计了一种刮板输送式有机肥排肥装置，并对影响排肥稳定性的排肥器开度和排肥轴转速进行了研究，当排肥器开度为30.42 mm，排肥轴转速为51.5 r/min 时，排肥稳定性变异系数仅为1.84%，较传统外槽轮排肥器降低70%左右，大大提高了外槽轮排肥器有机肥的排肥稳定性。

3 我国有机肥施肥机发展思路

3.1 有机肥精量化施肥技术

当前我国有机肥的施用较为粗放，往往以量取胜，肥效利用率远低于国外发达国家。随着绿色农业、设施农业的发展，对有机肥的利用也必将朝向精量化方向发展。相应地，有机肥施肥机也将要求具备精量化作业功能。由于有机肥含水率高、易粘结，要求有机肥施肥机不仅能够对板结有机肥进行破碎处理，还要避免与有机肥发生粘连导致堵塞，因此需要有新材料、新结构来解决现有施肥机存在的问题。

3.2 自动化、智能化技术

随着我国农业机械化的发展，农业机械已经朝向自动化、智能化方向发展。作为农业生产中的关键环节，有机肥施用关乎农业生产的质量和产量，未来有机肥施肥机应具备北斗导航定位系统、遥感监测系统、地理信息系统、变量施肥技术、自主决策系统，能够实时监测作物的生产状况，分析其所需的营养成分，并以变量施肥技术完成施肥作业，实现有机肥的智能化高效、高质施用，最大程度地节本增效。