果园肥料深施机研究现状与发展趋势

袁全春，徐丽明，邢洁洁，段壮壮，马 帅，于畅畅

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

目前，我国水果种植面积和产量均已位于世界前列[1]。水果产量和品质的一个重要影响因素就是果园的施肥技术，要想提高水果的产量和品质，就要提高对果园施肥环节的要求，尤其是秋季的深施肥。我国大部分果园的秋季深施肥作业都由人工完成，先人工挖沟，再把肥料施到沟中，最后将土填回沟里[2-3]。人工施肥劳动强度大、效率低、费时费力[4]，且不容易控制施肥量，造成肥料的浪费，已不适应现代果园施肥管理环节的要求[5]。果园对果树机械化深施肥技术的要求也越来越高，为了提高我国果树肥料深施的机械化水平，研究适合我国果园施肥模式的果园肥料深施机械迫在眉睫[2]。本文阐述了国内外果园肥料深施机的主要类型、作业原理及特点，介绍了果园肥料深施机的发展现状，并指出了现有机型存在的问题，展望了果园肥料深施机的发展趋势。

1 国外果园肥料深施机的研究现状

国外果园施肥机械主要有液态施肥机、圆盘撒肥机和肥料深施机。液态施肥机是通过喷头直接将液态肥料施于土壤表面或通过注射头将液态肥料注入土壤中，如图1(a)所示。圆盘撒肥机是通过旋转的圆盘将固体颗粒肥料均匀地抛撒在土壤表面的机械，如图1(b)所示。肥料深施机能将肥料施入植株根系以下，图1(c)为意大利Maggio公司设计的一种CF3-M耕作机，主要用于葡萄园各个阶段的施肥作业，专门用于地下和局部施肥，不仅适用于不同土壤质地，而且可以调节施肥间距。该机有3个固定的施肥铲，开沟深度范围为0.1～0.5m；肥箱由肥料计量系统组成，具有打开和关闭出口，通过机械结构自动启闭；缠绕式搅拌器系统通过液压实现不同转速的调节，进而实现混合肥料的搅拌，使施肥均匀；带刻度尺的调节器用来调节施肥量[6]。近年来，欧美发达国家的果园肥料深施机械向智能化、自动化方向发展，有的施肥机利用传感器、人工神经网络等技术进行对靶精准施肥[7]；有的利用施肥量可变技术实现了精量排肥[8]；有的则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[9]。

2 国内果园肥料深施机的研究现状

近几年，我国对果园肥料深施机的研究有了较大的发展，目前现有的果园肥料深施机种类繁多，基本分为挖坑施肥机、圆盘开沟施肥机、链式开沟施肥机、立式破土施肥机和振动深施机等5类机型，各有各的特点和不足。

2.1 挖坑施肥机研究现状

2010年，山东农业大学的韩大勇等设计的自走式新型果树施肥机，如图2所示[10]。整机作业以液压为动力，钻头一边旋转一边竖直向下移动进行钻孔作业，同时挖出的土壤顺着钻头被提升进入土壤收集器，然后排肥器向土壤收集器中施入定量的肥料；钻头反方向旋转，土壤收集器中的土壤和肥料流入坑中，完成挖坑施肥作业。该机钻孔最大深度250mm，钻孔直径100～200mm，单穴最大施肥量1kg，肥箱容积50L。该机能够实现绕果树环状钻孔定量施肥，减轻了果农劳动强度，但作业效率较低。

图1 国外果园施肥机械

1.土壤收集器 2.车架 3.油箱 4.液压泵 5.肥料箱 6.发动机 7.蓄电池 8.行走轮 9.步进电机 10.排肥器 11.钻头 12.液压马达 13.液压缸

2013年，新疆农业大学的张洪设计的密植果园挖穴施肥机，主要由挖穴装置、施肥装置和行走装置等组成，如图3所示[11]。工作原理为：机具行走到作业地点，启动机器，挖穴钻头在旋转的同时慢慢靠近地面，将挖出的土壤抛到周围；当达到设定的深度时，将挖穴钻头提起；肥料顺着排肥斗流入穴中，机具前行，覆土板将土壤填回穴中，作业过程结束。该机挖穴时间最长为16s，最短为8s，挖穴深度为0.4～0.6m，挖穴直径为0.3～0.31m，排肥量为0.4kg。该机可以减轻果农作业强度，但提升电机采用碟刹的安全稳定性较差，且以电为动力续航能力差。

1.油管 2.碟刹下油泵 3.绕线轮 4.绕线轴 5.升降电机 6.支撑架 7.钢丝绳 8.挖坑电机 9.电机底板 10.平型四杆机构 11.肥料箱 12.挖穴钻头 13.排肥斗 14.V形覆土板 15.主动轮 16.挖穴电机 17.联轴器 18.蜗杆蜗轮减速器 19.机架 20.蓄电池箱 21.从动轮22.碟刹上油泵 23.控制台

2014年，西北农林科技大学的韩冰等设计的一种果园挖坑施肥机，如图4所示[12]。

1.排肥箱 2.机架 3.链条 4.大链轮 5.齿轮箱总成 6.传动轴总成 7.上悬挂板 8.左右下悬挂板 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

该机通过三点悬挂装置与拖拉机连接，拖拉机动力输出轴经过齿轮箱的作用带动钻孔装置和排肥装置旋转，分别实现钻孔和肥料的填加。工作过程中，螺旋钻钻孔的同时，通过螺旋钻的提升作用，将土壤输送到收集器中与施肥装置排下的肥料混合；螺旋钻提升后，土壤收集器中的土壤和肥料流入孔中，完成挖坑施肥作业。该机最大钻孔深度350mm，最大钻孔直径280mm，排肥量5～90kg，肥箱容积42L。该机机械化水平进一步提升，结构简单，土壤和肥料混合充分，但是不适于连续作业。

2016年，西北农林科技大学的魏子凯设计的山地果园挖坑施肥覆土机，如图5所示[13]。作业时，滑块在挖坑覆土液压缸作用下沿导轨向下运动，挖坑铲随之向下运动，同时收拢，挖坑铲进入土壤，完成挖坑作业。挖坑覆土液压缸使挖坑铲连同挖掘出的土壤向上提升，施肥液压缸推动联动式舌板运动，使量筒与肥料箱断开，与施肥管连通，肥料流入挖好的坑中；然后，挖坑铲分开，土壤落回坑中，完成覆土。该机最大挖坑深度0.4m，最大挖坑直径0.4m，施肥量0.8kg，肥箱容积95L。该机能够实现山地果园的深施肥作业，但液压系统采用手动控制，自动化程度较低。

1.挖坑铲 2.支座 3.滑块 4.导轨 5.连杆 6.挖坑覆土液压缸 7.升降台 8.机架 9.升降液压缸 10.肥料箱 11.拉杆 12.量筒 13.联动式舌板 14.施肥管

2.2 圆盘开沟施肥机研究现状

2011年，金华市农业机械研究所的张加清等设计的1KF-20型大棚果园开沟施肥机，主要由开沟刀盘、肥箱、排肥管和覆土器等组成，如图6所示[14]。作业时，由手扶拖拉机驱动开沟刀盘开沟，肥料在排肥器的作用下落入沟底，最后由覆土器覆土，完成开沟、施肥、覆土作业。该机最大开沟深度0.2m，最大开沟宽度0.15m，肥箱容积58L，最大施肥量75kg/h，作业速度0.6～0.8km/h，能完成大棚果园化肥的施用，但不适用于有机肥的施肥作业。

1.沟底 2.覆土器 3.排肥器 4.排肥管 5.肥料箱 6.刀盘轴 7.仿生开沟刀盘 8.变速箱 9.沟顶 10.动力底盘 11.动力

2012年，中国农业科学院果树研究所与高密益丰机械有限公司研制的开沟施肥搅拌回填机，如图7所示[15]。其主要用于果园开沟施肥，具有土肥混合功能。该机肥箱由有机肥箱和化肥箱组成，有机肥箱用螺旋搅龙单向输肥，化肥箱使用外槽轮排肥器。作业时，先由圆盘开沟器开沟，然后搅拌器将土壤和肥料搅拌均匀，最后搅龙将沟上土壤回填。该机提高了肥料利用率，但结构复杂、肥箱利用率低，不能靠近树根开沟，不能定向施肥。

1.搅龙架 2.回填搅龙 3.搅龙架连接器 4.搅拌传动箱 5.搅拌器 6.开沟齿 7.开沟轮 8.开沟器传动箱 9.挡土板 10.中间传动箱 11.有机肥箱 12.化肥箱 13.化肥排肥器 14.有机肥排肥器 15.导向槽

2014年，新疆农业科学院农业机械化研究所的阿布力孜·巴斯提研制的1FK-40型偏置式果园开沟施肥机，主要由机架、刀盘总成、肥箱、施肥铲等组成，如图8所示[16]。作业时，由拖拉机动力输出轴驱动刀盘进行开沟作业，并通过链传动带动拨肥轮转动，肥料经施肥铲落入沟中，完成开沟施肥作业。该机开沟深度0.3～0.5m，开沟宽度0.3～0.5m，肥箱容积900L，作业速度0.8～1.5km/h。该机肥箱容积大，延长了单次作业时间，且整机稳定性较好，但没有覆土装置，作业后地面平整度低。

1.机架 2.齿轮箱总成 3.偏重式肥箱 4.刀盘总成 5.地轮

2014年，新疆农垦科学院的何义川等研制2FK-40型果园开沟施肥机，主要由机架、圆盘开沟装置、施肥装置、埋沟覆土装置、传动系统和限深装置等组成，如图9所示[17]。作业时，由拖拉机动力输出轴提供动力，开沟装置进行开沟作业。限深轮的转动经链传动带动排肥搅龙转动，将肥箱中的肥料输送到排肥器中完成施肥作业；覆土装置将土壤回填到沟里，实现覆土作业。该机开沟深度0.2～0.4m，开沟宽度0.1～0.15m，作业速度1.6km/h，肥箱容积500L，排肥均匀性变异系数为2.96%。该机作业部件偏置安装，可以靠近植株根系施肥，提高了肥料利用率，但排肥搅龙由地轮带动，容易因地轮打滑导致不排肥。

1.肥料箱 2.传动箱 3.机架 4.机架支腿 5.开沟装置 6.施肥装置 7.埋沟覆土装置 8.传动系统 9.限深装置

2015年，新疆科神农业装备科技开发股份有限公司的郭新刚等研制的2FPG-40型葡萄开沟施肥机，如图10所示[18]。该机动力由拖拉机动力输出轴经变速箱传动到开沟刀盘，驱动其向前旋转开沟； 又经链传动驱动排肥搅龙转动，将肥箱中的肥料输送到排肥口处，使肥料不断地经施肥铲落入沟底；最后，覆土挡板将沟上的土壤回填到沟中，完成开沟施肥覆土作业。该机可以调整施肥深度和施肥量，开沟最大深度0.42m，开沟宽度0.15m，肥箱容积400L，作业速度小于30m/min。该机施肥部件偏置，靠近植株，提高了肥料利用率，但有机肥施肥量大时排肥口容易积肥。

1.开沟刀盘 2.施肥铲 3.覆土挡板 4.驱动调位滚筒 5.调位拉杆 6.肥箱 7.刀盘护罩 8.机架 9.挡板 10.传动齿轮箱 11.传动螺旋

2017年，中国农业大学的史丽娜设计的葡萄园有机肥变量深施机，如图11所示[19]。由拖拉机动力输出轴提供动力，经由变速箱驱动开沟盘顺时针旋转开沟，经过链传动驱动肥箱内输肥搅龙旋转，使有机肥不断地从排肥口落入输肥管，经施肥铲施入沟底，然后覆土装置覆土，完成开沟、施肥、覆土作业。该机有施肥控制系统根据设定的单位面积施肥量和机具的前进速度来调节排肥口大小，保证施肥的均匀性；最大开沟深度0.3m，开沟宽度0.14m，肥箱容积400L。该机采用偏置圆盘进行开沟，施肥位置靠近葡萄植株根系，提高了有机肥利用率；同时，采用施肥控制系统，保证了施肥的均匀性；但同样具有单螺旋搅龙输肥所存在的不足，施肥量较大时，排肥口容易积肥。

图11 葡萄园有机肥变量深施机

2.3 链式开沟施肥机研究现状

2015年，新疆科神农业装备科技开发股份有限公司的郭新刚等研制的2F-2.0型液压翻转葡萄施肥机，如图12所示[20]。作业时，链式开沟器先开沟，然后肥箱中的搅龙旋转推动肥料通过肥箱一侧的出肥槽进入沟底，随后覆土。该机肥箱下安装有翻转油缸，可以使肥箱倾斜，避免肥料堵塞、架空等现象。该机施肥深度0.37m，排肥量10kg/m，生产效率0.6hm2/h，肥箱容积1 500L，缺点是功耗较大。

1.行走地轮 2.翻转油缸 3.肥箱 4.搅龙 5.开沟铲齿 6.传动轴 7.齿轮箱 8.链式开沟器

2016年，山东农业大学的张平平设计的果树土肥搅拌精量控制施肥机，主要由开沟装置、土肥搅拌混合装置、覆土装置和排肥系统等组成，如图13所示[21]。作业时，由拖拉机动力输出轴提供动力。其中，一部分动力带动开沟链快速旋转，进行连续的切削挖土作业，一部分带动土肥搅拌筒中的搅拌搅龙转动，进行土肥搅拌作业。工作过程中，开沟链切削下的土壤在开沟刀的带动下落入土壤滑槽，并滑入土壤收集器，控制系统精确控制排肥量；被排出的肥料经排肥管落入土壤收集器，与土壤搅拌均匀，并排入沟中，然后覆土板覆平。开沟深度0.4m，开沟宽度0.3m，作业速度0.15km/h。该机能够控制施肥量，并实现了土肥混合，提高了肥料利用率；缺点是能耗较高，且不适用于农家肥的施肥作业。

1.机架 2.变速箱 3.土壤滑槽 4.控制系统 5.肥箱托架 6.肥箱 7.开沟链 8.开沟刀 9.支撑主梁 10.地轮 11.覆土板 12.连接架 13.土肥搅拌筒 14.土壤收集器

2.4 立式破土施肥机研究现状

2017年，西南大学的王攀设计的丘陵山区果园立式单轴开沟施肥机，主要由传动装置、旋转刀具、清沟犁、挡土导流装置和施肥装置等组成，如图14所示[22]。作业时，动力由手扶拖拉机的动力输出轴经传动装置带动立轴旋转，进而带动安装有刀片的刀座旋转作业，进行开沟作业。开沟过程中抛出的土壤经挡土导流板的阻挡落在沟的右侧，清沟犁对开沟过程中落入沟中的浮土进行清理，完成施肥前的开沟作业。电机带动施肥轴旋转，肥料经导肥管落入清沟犁后端的沟中，完成施肥过程。开沟深度约为0.3m，开沟宽度约为0.5m，机具生产率约为1 462m/h。该机能够满足丘陵山区果园开沟施肥的农艺要求，但开沟深度较浅，没有覆土装置，肥箱容积较小，难以满足果园大肥量深施作业。

1.动力机械输出轴 2.支架 3.施肥装置 4.清沟犁 5.旋转刀具 6.传动装置 7.挡土导流装置

2017年，西北农林科技大学的赵明辉设计的立式旋耕果园施肥机，如图15所示[23]。

图15 立式旋耕果园施肥机结构示意图

开沟器选用立式旋耕开沟方式，作业时立式旋耕刀转动将土壤切碎，在开沟器后方安装有施肥铲和肥管以完成施肥作业。整个过程一次性完成，省去了传统开沟施肥机开沟后抛土、施肥后覆土工序。开沟宽度0.3m，开沟深度0.3m，作业速度0.5～1km/h。该机利用液压缸、伸缩臂和十字可伸缩万向节实现曲线开沟运动，对靶施肥，提高了肥料利用率；同时，可以兼施化肥和商品有机肥，但无法施用自制有机肥。

2016年，农业部南京农业机械化研究所的肖宏儒等研制的1KS60-35X型果园双螺旋开沟施肥机，主要由机架、变速箱、肥箱、破土刀轴和搅土刀轴组成，如图16所示[24]。作业时，拖拉机动力输出轴经变速箱驱动破土刀轴和搅土刀轴旋转，破土刀轴先松土，搅土刀轴中空，并开有排肥孔，肥料在离心力的作用下从排肥孔排出，并在螺旋搅龙作用下与土壤混合，完成施肥作业。该机开沟深度0.47～0.51m，开沟宽度0.3m，开沟深度稳定系数98.2%，开沟宽度一致性99.2%，工作速度0.235km/h。该机实现了施肥与混土一体化作业，提高了肥料利用率和作业效率，但难以实现大颗粒农家肥的深施作业。

1.未耕作土壤 2.破土刀轴 3.搅土刀轴 4.颗粒肥 5.耕后土壤 6.出肥孔 7.机架 8.减速器 9.锥齿轮组合 10.肥箱总成 11.齿轮组合 12.箱体总成

2.5 振动深施机研究现状

2012年，山东农业大学的姜建辉设计的3ZF-1.2型可调式葡萄振动深施机，如图17所示[25]。由拖拉机动力输出轴提供动力，经变速箱带动偏心装置旋转，偏心装置经连杆带动振动臂摆动。工作时，安装在振动臂上的开沟器随振动臂一起振动，随着机具的前进完成振动开沟作业；同时，地轮通过链轮链条带动排肥器转动，将肥料排出肥箱，肥料沿输肥管落入沟底。该机在前进速度1.5～3.0km/h的条件下，双行开沟施肥最大深度为0.35m，单行开沟施肥最大深度为0.5m。该机能够一次完成开沟、施肥、覆土工作，但是施肥量较小，只能施用化肥。

高密益丰机械有限公司与山东农业大学联合研制的2SF-120B型振动施肥机，如图18所示。由拖拉机动力输出轴提供动力，偏心连杆机构带动开沟施肥铲振动，实现开沟施肥，并采用螺旋搅龙强制排肥。该机能够完成有机肥深施作业，作业效率高，但不能使土壤和有机肥混合。

1.变速箱 2.偏心轮 3.摇杆 4.机架 5.支点轴 6.地轮机构 7.开沟器 8.振动臂 9.输肥管 10.排肥机构 11.肥料箱

图18 3SF-120B型振动施肥机

3 果园肥料深施机存在的问题

目前，随着农业机械化的发展，研究出的果园肥料深施机械在一定程度上减轻了果农的劳动强度，提高了作业效率，但仍然有很多方面需要进一步研究：①机具作业能耗较高、效率较低；②作业部件易磨损；③肥箱容积较小，易腐蚀；④自动化、智能化程度较低；⑤土壤和肥料混合不均匀，肥料利用率低；⑥排肥器不能满足农家肥施肥要求，排肥口容易堵塞；⑦机具通用性不强。

4 发展趋势

随着我国果园种植面积不断扩大，对适用的果园肥料深施机械的需求越来越迫切。针对目前果园肥料深施机存在的问题，果园肥料深施机的发展趋势包括以下几点：①机具结构简单、通用性强、能耗低、效率高；②具备土壤和肥料混合装置；③具备自动上肥装置；④作业部件耐磨耐腐蚀；⑤高度自动化、智能化，能够根据土壤肥力变量施肥。