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果园施肥机械国内外发展现状与问题

时间:2020-01-14 来源:新疆农机化 作者:郭振华,陈换美,伊海涛 本文字数:6952字

  摘    要: 林果业是我国农业的重要组成部分,产量长期位居世界前列。果园的施肥方法和施肥效率直接关系到林果的产量和质量。提高果园施肥效率是增加林果产量和质量的重要途径。目前,我国许多地区果园施肥采用人工的方法,施肥机械的发展远远满足不了果园技术要求,果园施肥技术亟待提高。文章对当前国内外存在的果园开沟施肥机技术进行分析比较,总结现有开沟施肥机具的特点。通过分析,对开沟施肥机未来发展趋势进行展望,未来施肥技术将逐渐向智能化、精准化方向转变,在追求效益最大化的同时,会更加注重对环境的保护和资源的节约。

  关键词: 果园; 开沟施肥; 存在问题; 展望;

  Abstract: The fruit industry is an important part of China's agriculture, and its output has been in the forefront of the world for a long time. The fertilization method and fertilization efficiency of the orchard are directly related to the yield and quality of the fruit.Increasing fertilization efficiency in orchards is an important way to increase the yield and quality of forest fruit. At present, the artificial fertilization method in orchards in many areas of China, the development of fertilizing machinery can not meet the technical requirements of orchard, and the fertilization technology of orchard needs to be improved. This paper analyzes and compares the existing orchard dredging machine technology at home and abroad, and summarizes the characteristics of existing ditching and fertilizing equipment. Through analysis, the future development trend of the trenching fertilizer machine is forecasted. It is believed that the fertilization technology will gradually change towards the direction of intelligence and precision. While pursuing the maximum benefit, it will pay more attention to environmental protection and resource conservation.

  Keyword: Orchard; Trenching and fertilization; Problems; Prospect;

  0 、引言

  林果业是我国农业的重要组成部分,产量长期位居世界前列。当前,我国许多地区果园开沟、施肥等工作还采用人工作业的方式,人工作业方式不仅效率低,还很难根据果树个体把控施肥量,造成了肥料的浪费和环境的污染。随着人力成本的上升和农村劳动力的转移,果园作业中的用工矛盾逐渐显露,对我国林果业的长期健康发展产生一定的影响。发展高效的果园施肥机械够有效缓解劳动力紧张、降低生产成本、提高生产效率,对林果产业的健康发展具有积极推动作用。

  1、 果园合理施肥的必要性

  果园施肥是林果生产中非常重要的作业环节,对提高林果质量和增加林果产量起着重要作用。当前,果园施肥作业方式存在一些不科学的问题,如连年浅施有机肥、有机肥施入过深和化肥撒施等问题。在水果的生长过程当中,其养分来源除了空气中的C、H、O外,还包括土壤中的N、P、K等众多元素[1],不科学的施肥方式会影响果树对营养的吸收,进而造成水果品质的下降。
 

果园施肥机械国内外发展现状与问题
 

  随着人民生活水平的提高,人们对水果已经从温饱需求逐渐向品质需求转变。高品质的水果要求合理科学的施肥方式,不当施肥会严重影响水果品质。例如,适量氮肥可提高果实含糖量,但过多的氮肥会造成水果中硝酸盐含量过高;适量磷肥可以提高林果产量,提高其品质,但磷肥过量会造成果实中糖及维生素C含量的降低[1]。当前,我国果农的施肥方式主要还是人工施肥,施肥过程中习惯于将肥料撒于果树根部,然后浅翻。这种方式施肥浅,长期作业,容易造成根系上浮,有损根系发育,还会造成肥料流失,降低了肥料的使用效率。另外,在施肥过程中,果农使用的肥料品种不合理,也容易造成土壤性质退化,影响水果品质。

  因此,果园的合理施肥对提高林果产量、提升水果品质显得非常重要。研究高效的果园施肥机械是解决果园施肥效率低、施肥不合理的有效途径之一。

  2、 国外发展现状

  欧美等发达国家对果园开沟施肥机研究起步较早,以美苏为代表从上世纪四五十年代起就开始大力发展农业机械化,经过半个多世纪的发展,现在技术较为成熟,农机与农艺结合较好,再加上果园的标准化程度高,现阶段其果园开沟施肥作业现代化水平很高[2]。为保证农业机械化的发展,欧美等发达国家出台了一系列相关政策和法规,如美国的《农业法》,德国的《土地整理法》,日本的《农业机械化促进法》等,并在不同阶段经过多次修订,以保证其适应性。上述措施的实施都极大的促进了这些国家的农业机械化水平的发展。国外的果园开沟施肥机取得了很好的发展。

  国外对施肥技术的研究起步较早,当前比较前沿的施肥技术包括变量施肥、分层施肥、测土配方施肥等。变量施肥技术是将土壤特性、病虫害、天气状况等因素与作物的生长过程相结合,在增产、保质的情况下,做到环保施肥的新施肥技术。测土配方施肥技术是结合作物生长地土壤营养特性和作物生长吸肥特性两方面因素,在科学技术支持下,将氮磷钾等肥料成分按比例配合的施肥技术。该技术在欧美国家已得到广泛推广,美国85%的作物已经采用该技术施肥,日本和英法等国也制定了较规范的管理机制。

  开沟机的选用主要根据果园面积、种植地形、所处区域来综合确定。对于种植面积较大,地势平坦的果园,为了保证作业效率及质量,一般选用大型开沟机作业。如威猛公司研制的RT450,最大作业深度150cm,作业宽度15~30cm[3]。苏联生产的a Ty-161系列,最大作业深度160cm,宽度20-40cm之间[4]。对于位于山地丘陵的果园,由于其地形条件限制,大型开沟机械无法进行作业,因此需要一些小型开沟机械。如日本生产的C-15作业机,机型结构紧凑,作业所需功率13kW,作业深度120cm,该机能够适应山地丘陵等地形条件恶略的果园[2]。

  美国DIRCHWITCH生产的开沟机有徒步式小型开沟机、紧凑式载人开沟机、重型开沟机等,各种类开沟机又由多种型号组成。其开沟机开发有沟深自动监测系统,能够实现对沟深的精准控制[5]。美国Vermeer公司生产的开沟机已形成一定规模,其产品遍及全球60多个国家,产品主要分为中间安装式、大型履带式和偏置式三大系列。应用比较好的主要是RT450和RT650,前者匹配的功率是37.3kW,开沟深为1.5 m,沟宽为0.1~0.3 m;后者匹配的功率是56.7kW,开沟深为1.5 m,沟宽为0.4 m。两者均采用静液压驱动,能够适用于恶劣的工作环境,并且工作效率高。世界知名的农业机械生产商VERMEER公司生产的开沟机形式多样,功耗从几千瓦到几百千瓦,如RT130链式开沟机,作业功耗9.7kW,最大开沟深度可达914mm,采用液压驱动系统,不仅能够有效延长机具寿命,还可以提高作业效率。有些开沟机还配备计算机辅助控制系统,如RTX750开沟机[6],能够自动根据作业状况改变进刀量、调整开沟角度、躲避障碍物等。

  意大利、日本、韩国等以丘陵山区为主的国家受丘陵山区道路条件的限制以及果园地形起伏较大等原因,其果园开沟多采用小型开沟机,配套动力多在2。2-5。1k W之间。日本在开沟机的研究上取得了一定的成绩,主要机型有LT-800、C-15和F-75型,开沟深度可达80 cm,沟宽在15~40cm之间。日本在小型开沟机上发展较为成熟,且多采用先进技术,如安装有能够在果园低矮环境中自动避让树干等干扰的装置等。其生产的LT系列、C系列和F系列开沟机均较为先进,其中LT-800链式开沟机,其配备动力3。8k W,整机结构紧凑,能够在丘陵山区果园低矮狭窄的环境中作业,开沟深度最大可达80cm,宽度27cm[6]。由于追求结构小巧、低功耗等,日本果园开沟机多采用单工序作业,即一次作业完成一道工艺过程,果园开沟施肥需要不同的农业机械来完成。

  近年来,欧美等发达国家的果园开沟在实现机械化作业的基础上,正在向智能化、现代化方向发展。例如有些公司研制的果园开沟施肥机可利用传感器、人工神经网络等技术进行对靶精准施肥,且其开沟机上安装有避让装置,可以实现自动避障功能。还有些公司利用施肥量可变技术实现了精量排肥。在开沟机上安装各种传感器和智能处理系统,通过3S技术对果树、土壤进行实时检测,计算出施肥配方,从而完成对果树的精准施肥。

  从国外开沟机的研究情况来看,国外开沟机具有专业化、系列化、标准化、多样化等特点,但国外开沟机的通用性不强,只具有开沟单项功能,而且开沟机型比较庞大,不适用于我国的果园作业。

  3、 国内发展现状

  近年来,我国农业机械在产业升级和农村劳动力大规模向城市转移的大背景下也取得了长足的发展。针对果园开沟施肥等亟待解决的实际问题,国内高校、研究单位投入大量工作,研制出多种机型,其中一些机型已经应用于农业生产,取得了一定效益。

  金华市农业机械研究所的张加清[7]等针对大棚果园的情况研制出1KF-20型开沟深施肥机(图1)。该机主要由底盘、变速箱、开沟刀盘、肥料箱、排肥机构、覆土器等部分组成,整机动力由柴油机提供,经变速箱传递至行走机构和开沟刀盘。工作原理:动力传递至行走机构,行走机构牵引整机前行;动力的一部分经变速箱传递至刀盘机构,刀盘机构在机架后方负责开沟工作,同时通过链传动带动施肥机构将肥料经施肥管排至沟底,最后由覆土刮板将沟填埋,整个作业过程实现开沟、施肥、覆土联合作业。该机整体布局合理,结构紧凑,同时实现开沟、施肥、覆土三项作业,具有效率高、省工省力的特点。

  图1 1KF-20型开沟深施肥机结构示意
图1 1KF-20型开沟深施肥机结构示意

  1.土壤2.覆土刮板3.排肥器4.排肥管5.肥料箱6.刀盘轴7.开沟盘8.变速箱9.土壤10.动力底盘11.动力

  江西省农业机械研究所万伟红、黎子明等[8]研制成功油茶专用施肥机(图2)。该机的工作原理:采用旋转开沟的方式,利用旋耕刀顺铣的方式对土壤进行切削,同时利用刀盘的旋转速度将土块抛起进行二次破碎,以达到破土碎土的目的;开沟的同时,施肥装置对所开沟槽进行施肥作业,施肥装置采用地轮带动槽轮转动的方式进行排肥。为保证施肥量,该机采用左旋与右旋相结合的双搅龙叶片装置,可以实现对排肥量的有效控制,最后由覆土铲对施肥后的沟槽进行覆土作业。这种机型可以一次完成开沟、施肥、覆土三项作业,具有工作可靠,仿形性好,在南方的油茶林有较高的推广价值和应用前景。

  西北农林科技大学的韩冰、刘斐等[9]设计一种果园挖坑施肥机(图3)。该机采用后悬挂方式悬挂于拖拉机后方作业,由拖拉机后动力输出轴经传动轴将动力传至施肥机变速箱,再经齿轮传动分别将动力传至钻孔装置和排肥装置。工作时,螺旋钻旋转将土壤由地下提升至土壤收集器,收集器中的土壤与施肥装置中的肥料混合,一起回填入钻孔中,实现钻孔、施肥、覆土一体化作业。该机在挖坑的同时实现了肥料与土壤的有效混合,提高了肥料利用率。

  图2 油茶开沟施肥机结构示意
图2 油茶开沟施肥机结构示意

  1。开沟刀盘2。传动机构3。悬挂机构4。肥箱5。搅龙装置6。镇压轮7。地轮8。铲刀

  图3 果园挖坑施肥机示意
图3 果园挖坑施肥机示意

  1.排肥箱2.机架3.链条4.大链轮5.齿轮箱6.传动轴7.上悬挂板8.下悬挂板9.土壤收集器10.挖穴钻头11.排肥管12.小链轮13.排肥器总成

  山东农业大学的刘中正等[10]针对温室的独特环境设计出一种自走式施肥播种覆膜一体机(图4)。工作原理:作业时,由可巡航定速器设定好前进速度,蓄电池提供动力,带动行走轮转动前进;开沟器破土开沟,行走轮转动通过链传动机构带动施肥装置中的自动排肥器和播种装置中的自动排种器转动,将肥料和种子落进肥沟和种沟当中,完成施肥排种;后面的覆土器对入沟的肥料和种子进行填土覆盖,镇压轮对覆盖后的肥料和种子进行松土镇压,覆膜机构对镇压后的肥料和种子进行覆膜,全部作业完成。该机主要应用于温室大棚作业,具有转弯半径小、操作灵活、工作平稳等特点,可实现一次完成开沟、施肥、覆土等多项作业,具有工作效率高,劳动强度低等特点,具有一定的推广价值。

  浙江机电职业技术学院祝勇仁[11]设计的果园开沟深施肥机(图5)由大中型柴油机提供动力,可以完成开沟、施肥、覆土等多项作业。动力由柴油机输出至变速箱,经变速箱分配至行走轮、开沟装置和施肥装置。工作原理:施肥机前端开沟装置入土开沟,实现开沟碎土功能,施肥装置设有入料破碎器和下料粉碎器,能有效粉碎受潮化肥,使下料更均匀。覆土铲在机器行走过程中实现覆土功能,通过调节地轮拉杆可以调整开沟深度。该机具有沟型规范、抛土均匀、回土平整、开沟深浅可调等众多优点,在降低劳动强度的同时大大提升了生产效率。

  图4 温室自走式施肥播种覆膜一体机结构示意
图4 温室自走式施肥播种覆膜一体机结构示意

  1.机架2.开沟器3.覆土器4.镇压轮5.覆膜机构6.可巡航定速器7.播种装置8.施肥装置9.蓄电池10.行走轮11.链传动机构

  图5 果园开沟深施肥机结构示意
图5 果园开沟深施肥机结构示意

  1。机架2。动力3。变速箱4。固定架5。施肥箱6。扶手7。曲柄螺栓8。拉杆9。地轮10。覆土铲11。挡板12。开沟盘13。破土铲14。行走轮

  图6 果园有机肥开沟施肥覆土一体机结构示意
图6 果园有机肥开沟施肥覆土一体机结构示意

  1.机架2.行走轮3.输肥马达4.减速器5.开沟幅宽调节装置6.开沟深度调节装置7.开沟器8.施肥挡板9.覆土轮10.施肥带11.肥箱支撑装置12.施肥机构13.肥箱14.施肥马达15.肥箱开度调节机构16.下肥口17.肥箱18.肥箱支架19.输肥链条

  石河子大学毕新胜等[12]针对新疆果园矮化密植的种植模式,开发出集开沟、施肥、覆土多功能于一体的有机肥开沟施肥覆土机(图6),该机主要由机架、肥料箱、施肥机构、开沟覆土机沟、液压控制机构等部分组成。工作原理:该机工作时采用拖拉机牵引的方式前进,整个机组动力由拖拉机输出轴经万向联轴器传递至齿轮箱,再由传动机构传递至施肥机构、开沟机构等执行机构;作业前根据果园种植模式调整好开沟装置间距离和开沟深度等参数,作业过程中可根据实际情况通过调整施肥马达转速的方式实现施肥量的调控,施肥马达带动施肥带将肥料送至开好的沟内;最后,由覆土装置将土填回沟内实现覆土作业。

  4、 当前果园施肥机械存在的问题

  随着果园施肥机的不断研发,出现了许多应用于不同环境的机型,满足了不同地形果园的施肥要求。果园施肥机的出现也极大地降低了果农的劳动强度,提高了果园施肥效率,缓解了果园劳动力日益短缺的问题。但是,当前的果园施肥机械仍然存在一些问题:

  (1)肥料与土壤不能均匀混合,肥料利用率低。现在的果园施肥机械,不论是开沟施肥还是挖穴施肥机,对果实所施加的肥料都位于所开沟槽或所挖坑的底部,肥料不能分布在所开沟槽或所挖坑的整个空间中。研究表明:全层混施的施肥方式要比底层施肥有着更小的损失率,因此现在的果园施肥机械所采用的施肥方法仍然存在肥料利用率较低的问题。

  (2)果园挖穴施肥机虽然可以在果树周围挖穴施肥,但目前国内使用的挖穴施肥机仅能完成机械钻孔,施肥过程仍是由人工完成的,并且无法控制施肥量的多少,整个作业过程成本较高、生产效率低、劳动强度大。虽然有一小部分可以实现果树定量施肥,但推广性不强,适用范围小,且不能采用机械化的方法施加像厩肥一样的有机肥。

  (3)果园开沟施肥机基本上都是针对特定果树施肥生产的,通用性不强;功耗和油耗较大,不够经济环保。虽然有些果园开沟施肥机构被设计成偏置机构的形式,但并没有完全解决偏置式开沟机的自动偏摆问题。

  (4)果园施肥机大多采用外槽轮式排肥装置,只适合施颗粒肥,不能满足有机肥的施肥要求,且外槽轮易堵塞,不容易清洗,有些施肥机械达不到果园对施肥深度的要求。

  5、 展望

  我国果园种植规模不断扩大,果园的机械化程度也在不断提高,果园施肥机械得到了快速的发展。随着科学技术及人们生产观念的转变,施肥技术逐渐在向智能化、精准化方向转变,人们在追求效益最大化的同时,也更加注重对环境的保护和资源的节约。果园施肥机械将朝着自动化、智能化的方向发展。全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和传感器技术的综合应用将使施肥机械能够将果树的大小、树冠形状等信息传至可变速率技术(VRT)系统,通过决策软件对果树生长状况进行判断从而能够根据果树个体状况施肥,最终达到降低成本、提高效益、避免环境污染的目的。

  参考文献

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  [8]万伟红,黎子明.油茶专用施肥机研制与试验[J].农业工程,2014,4(2):71-74.
  [9]韩冰,刘斐,慕军营,等.一种果园挖坑施肥机结构设计[J].农机化研究,2015(3):123-125.
  [10]刘中正,玄冠涛,邵园园,等.温室自走式施肥播种覆膜一体机的设计与试验[J].农机化研究,2016,38(8).
  [11]祝勇仁.果园开沟深施肥机结构设计[J].农机化研究,2017,39(12):102-106.
  [12]王向阳,毕新胜,王剑.果园有机肥开沟施肥覆土机的设计与试验[J].新疆农机化,2018,190(04):7-9.

    郭振华,陈换美,伊海涛,李东振.果园施肥机械研究现状与展望[J].新疆农机化,2019(06):22-25+31.
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