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摘要：果园液体肥深施机械是果园生产机械化的重要内容之一。概述我国果园生产和施肥机械研究现状，介绍施肥机械的类型、结构及工作原理，总结国内外液体肥深施机械研究成果，探讨施用液体肥的必要性，提出对果园开沟设计的研究需求，指出液体肥深施机械的发展方向，以期为提高果园生产效率、实现果业快速发展提供参考。
关键词：施肥机械；果园；液体肥；深施；研究
中图分类号：S224.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）01-0064-04
随着国家可持续发展战略的调整，我国农业产业发展也有相应的变化。林果业作为农业的重要组成部分之一，具有较大的经济、生态效益和深远的产业开发前景，成为农村建设发展和农民致富的重要支柱性产业。同时，随着人们对水果有益健康认识的日益深入，水果的消费量大大高于从前，掀起了新时期果园生产的热潮。
1 我国果园生产现状
我国果园种植面积从1996年起处于稳步提升状态；1996—2012年，种植面积由855.3万hm2增至
1 214.0万hm2，年均增速2.6%，总产量由8 210万t增长到2.41亿t，年均增长速度为12.3%；预计在未来的10 a内，水果的销售量将继续上升。但是，我国果树的种植过程仍处于相对落后的阶段。一方面，由于我国地域南北跨度大，果园种植地域存在多样化，多以平原、丘陵、梯田、山坡等地形为主种植，导致果园难以实现机械化作业，影响了果园产业的开发与进一步发展。另一方面，我国果树种植通常以组为基本单位，每组为3棵、6棵、9棵、12棵、15棵等以3的倍数为组合划分，且多采用低矮密植型种植模式，行距4.0～5.0 m，株距3.0～4.0 m，树高3.0～3.5 m，两行果树枝叶几乎交接，造成果园密闭，因此对果园机械产品尺寸等参数有较大的限制。
施肥是果园生产中的重要环节之一。在林果业实际生产中，大多采用固体肥料，其弊端在于化肥利用率不高、施肥效果不显著、存在风尘污染等。液体肥料在一些发达国家如英国、美国、荷兰、比利时、德国、澳大利亚、加拿大等很早就得到了广泛应用，在这些国家的农业种植过程中，液体肥料占所使用化肥总量的很大比重。尤其在美国，液体肥料施用量占全部化肥施用量的35%。液体肥料的优点是：在运输、施肥过程中无粉尘、烟雾等对环境有害的污染物；配方灵便，可将各种营养元素和养分均匀混合，适用于作基肥、追肥；施用方便且易被农作物和果树吸收，可以减少施肥次数，从而降低劳动力成本和物力耗费。目前我国果园的液体肥料施用主要由人工作业完成，作业量大、劳动强度大、施肥难度大，并且液体肥的挥发性可能导致施肥效率低。因此，对果园液体肥料机械进行研究，对于果园产业快速发展具有重要意义。
2 液体肥施肥机械的研究现状
随着液体肥料的发展与使用，液体肥料机械逐渐被研制出并得到应用。当前，国际上的液体肥料机械主要有3类：叶面喷施液肥机械、液体肥料滴灌机械及液体肥料深施机械。液体肥料机械按照牵引型可分为悬挂式、牵引式及组装式，其中悬挂式的整体结构简单、易拆装、工作性能稳定，在我国应用最多。
2.1 国外研究情况
国外对液体肥的研究始于20世纪30年代，液体肥施肥技术首先在美国得到应用。目前发达国家已经大规模普及液体肥施肥机械，且机具种类很多，机械化水平较高。
2.1.1 叶面喷施液肥机械 凯斯公司生产的爱国者3310自走式液态施肥喷药机械，既可以完成施肥作业，又可以完成喷药作业。作业速度18 km/h，肥箱容量
3 785 L（超大肥箱提高了工作效率），作业宽度27.4 m，可以根据不同的作业环境来调整喷杆高度和轮距。十方公司生产的大平原喷洒及施肥机械，具有精确的电子控喷系统，喷施架有自动锁定系统，当一侧喷施架向上抬时，另一侧喷施架不会因此而摆动，对地面的仿形极好。Jacto公司生产的UNIPORT 2000自走式喷药施肥机，作业幅宽21.0 m，作业效率300 hm2/d。
2.1.2 液体肥滴灌机械 以色列属于严重缺水的国家，因此其在农业发展方面采用的是节水灌溉施肥技术。滴灌施肥是通过安装在毛管上的滴头、孔口或滴灌带等灌水器将液态肥一滴一滴、均匀而又缓慢地滴入作物根区附近土壤中的一种施肥方式。国外许多缺水的国家均使用这种灌溉施肥方式，其施肥量小、肥料利用率高且对环境污染小，但施肥成本高，不适合大田作业，所以滴灌施肥无法在我国大面积推广。
2.1.3 液体肥料深施机械 化肥深施技术是将一定量的化肥均匀施入土表下方60～100 cm处，从而保证作物的地下根系密集部位充分吸收肥料，还可以减少肥料挥发及流失，并减少对环境的污染。液体肥料深施机械设备（穴施机械）是把液体肥料深施在土壤中靠近农作物根部的机械，其技术含量很高，对液体肥料的有效利用率高，基本无污染，操作方便，在未来会有很好的发展前景。A.R.Womac等人设计的曲柄摇杆型液体肥料设备，将施肥针插入土壤中，通过高压将液态肥喷出射入土壤中来实现深施的目的。
2.2 国内研究情况
我国果园生产机械化发展历程较短，20世纪50年代才开始推广使用手动喷雾施肥器，60年代中期开始发展动力喷雾机，1970年后在引进国外机械的同时，陆续研制成功果园中耕除草机、施肥机械、液压剪枝升降平台、果园风送弥雾机以及果品收获机、果品分级清选机等，促进了果园机械化的发展。
我国液体肥施用机械种类不多，主要从国外进口先进的液态施肥机械设备。目前我国一些高校和科研机构着手研发设计相关施肥机械设备，例如：新疆石河子农业局研制出2FY-16型悬挂式施肥机，北京朝阳区农机研究所研制出2FY-5型施肥机，农一师一团液氨办研制出2FYA-4.2-2液氨施肥机，黑龙江省农业机械科学工程研究院研制出FY-400型多功能液态深施施肥机等。上述机具均存在肥料浪费严重的缺点。东北农业大学研制的1YJ-140深施型液態施肥机械，是我国第一台施肥设备，该机的扎穴机构运用曲柄摇杆原理，将连杆和施肥针固定在一起，根据连杆的运动完成施肥，但作业时摇杆的运动不稳、效率不高；在此基础上研发设计了第二代施肥机，使用椭圆的齿轮机构代替曲柄摇杆机构，工作时平稳、高效。 液體肥料深施机械可以使用在棉花、玉米等农作物上。这些农作物在生长过程中可随时施肥，不会对农作物造成破坏。深施的肥料距离根部150～200 mm，在此范围内施肥效果较好。现阶段我国大多使用手动的施肥机械和液体肥喷洒机械设备。
3 典型液体肥施肥机械的结构及工作原理
3.1 中耕穴施液态施肥机
王金武等人针对作物中耕穴施液肥、起垄、中耕除草、培土等功能要求设计一种液态施肥机，可以完成10～12 cm开沟深度，在喷射液态肥料时可通过调节节流阀的开度大小来保证均匀化喷射，防止喷射针堵塞。该机主要由药液供给装置、中耕除草装置和施药装置组成。药液供给装置由液泵、液箱、过滤器、节流阀、输液管路、喷液自控阀等部件组成；中耕除草装置主要由除草铲和培土铲组成；施药装置由传动及变速部件、扎穴施肥机构、喷肥针等部件组成（如图1所示）。作业时，由排液分配器将液氨分配并排送至各个施肥开沟器，排液分配器内的液氨压力由调节阀控制，施肥开沟器的后部装有1根直径10.3 mm的输液管，管的下部有2个出液孔。
3.2 果园深度开沟施肥机
孙茂森等人设计的果园深度开沟施肥机可以完成开沟、施肥、覆土一系列作业。该机利用创新研发的圆盘旋转铣削开沟器向前进方向旋转铣削，完成深度开沟作业，同时设置液压装置对开沟深度进行实时调整，保证沟深稳定性。开沟深度为300～500 mm，达到果园施肥深度要求。该机结构如图2所示。机具悬挂于四轮拖拉机的后方，作业时拖拉机动力输出轴通过变速箱驱动圆形刀盘旋转，刀盘上两侧各装6把弯刀，主要靠这12把弯刀对土壤进行铣削开沟，并在开沟的同时通过施肥机构进行施肥作业，施肥后通过覆土刮板进行覆土整平。
3.3 轮盘式液态肥穴播深施机
杨自栋等人设计一种轮盘式液态肥穴播深施机（如图3所示）。该机施肥系统由叶片泵、高压肥管、溢流阀及开穴施肥轮组成。叶片泵由拖拉机动力驱动并将液态肥压入安装有调压阀的高压轴管，高压轴管与开穴施肥轮的轮轴管连通，开穴施肥轮上等距径向分布着多个导流开穴器。导流开穴器起开穴和液体肥导流作用，导流开穴器的打开与关闭由安装在轴管上的端面凸轮控制，当导流开穴器插入土壤后，端面凸轮控制活塞运动，打开开关使高压液态肥迅速沿导流开穴器射入土壤，当施肥量所对应的施肥时间到达后，由端面凸轮控制高压液态肥停止射入土壤，一次施肥过程结束。随着开穴施肥轮转动，当下一个导流开穴器接触土壤时，重复上述过程，从而实现等距、膜下、变量深施液肥。通过调节弹簧压力和施肥开关初始位置即可调节施肥深度和施肥量，并能将液态肥直接施入作物根系附近。在调整好拖拉机行进速度后，开穴器在地膜上开出的是与液肥导流管横截圆面积接近的椭圆形膜孔，其面积不超过15 cm2，对覆膜损伤小，且能适应秸秆还田的作业条件。上述作业可达到提高作业效率、增加肥效、增产增收及减少土壤污染的综合效果。
综上所述，各类施肥机各有优缺点。中耕穴施液态施肥机能够调节节流阀开度的大小，施肥时不发生堵塞，施肥质量较高；但其施肥深度只能达到10～12 cm，无法满足60～100 cm的深度要求，并且扎穴式施肥机作业效率低。果园深度开沟施肥机开沟深度能够达到30～50 cm，使果树根部对肥料的吸收率大大增加，并且配套功率不大，作业宽度120～140 mm；但其作业效率低，作业质量不稳定，在地表杂草和根茬少或粉碎的情况下，作业情况良好，在土壤湿度过高或过低以及地表杂草、根茬较多、较高的情况下碎土能力差，易发生缠草现象，作业质量难以满足农艺需求。轮盘式液态肥穴播深施机完成了轮盘式开穴施肥轮、导流开穴器等关键部件设计及整机参数优化，设计出结构合理的液态肥穴播深施装置，解决了水肥定向控制及机具作业速度制约问题，并研制了数显测试装置，可对机具作业参数进行数据采集，体现其特有的设计优势。
4 果园液体肥深施机械的发展趋势
目前，国际肥料正在向高浓度、复合化、液态化、缓释化的方向发展。由于液体肥料具有生产费用低、养分含量高、易于复合、能直接被农作物吸收、便于配方施肥和机械化施肥等诸多优点，越来越受到各国的普遍关注。世界上发达国家的农业集约化和产业化水平很高，为农业机械化耕作和机械化施肥创造了良好条件，因此，液体肥料得到了广泛应用。我国是农业大国，肥料消费量居世界首位。在大量的肥料消费中，液体肥料的消费量所占比例很少，与发达国家相比存在相当大的差距。液体肥料的发展水平在一定程度上与国家的农业发展水平、地理和气象条件、肥料生产企业的农化服务意识以及农民对液体肥的生产和施用有相当大的关系。因此，我国液体肥料的发展具有广阔的空间。
资源节约和环境保护对于农业发展具有重大意义。果园液体肥深施机械的研制符合未来农业发展趋势，也符合中国现阶段的国情。国内外现有研究成果主要是关于液体肥叶片喷洒机具和固态化肥深施机具的，而对肥料利用率很高、不会污染环境的果园液体肥深施作业机械研究很少，仅有的研究也是局部的、个案的。目前液体肥深施机械仍处于起步阶段，具有较大的发展潜力。
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关键词：施肥机械；果园；液体肥；深施；研究
中图分类号：S224.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）01-0064-04
随着国家可持续发展战略的调整，我国农业产业发展也有相应的变化。林果业作为农业的重要组成部分之一，具有较大的经济、生态效益和深远的产业开发前景，成为农村建设发展和农民致富的重要支柱性产业。同时，随着人们对水果有益健康认识的日益深入，水果的消费量大大高于从前，掀起了新时期果园生产的热潮。
1 我国果园生产现状
我国果园种植面积从1996年起处于稳步提升状态；1996—2012年，种植面积由855.3万hm2增至
1 214.0万hm2，年均增速2.6%，总产量由8 210万t增长到2.41亿t，年均增长速度为12.3%；预计在未来的10 a内，水果的销售量将继续上升。但是，我国果树的种植过程仍处于相对落后的阶段。一方面，由于我国地域南北跨度大，果园种植地域存在多样化，多以平原、丘陵、梯田、山坡等地形为主种植，导致果园难以实现机械化作业，影响了果园产业的开发与进一步发展。另一方面，我国果树种植通常以组为基本单位，每组为3棵、6棵、9棵、12棵、15棵等以3的倍数为组合划分，且多采用低矮密植型种植模式，行距4.0～5.0 m，株距3.0～4.0 m，树高3.0～3.5 m，两行果树枝叶几乎交接，造成果园密闭，因此对果园机械产品尺寸等参数有较大的限制。
施肥是果园生产中的重要环节之一。在林果业实际生产中，大多采用固体肥料，其弊端在于化肥利用率不高、施肥效果不显著、存在风尘污染等。液体肥料在一些发达国家如英国、美国、荷兰、比利时、德国、澳大利亚、加拿大等很早就得到了广泛应用，在这些国家的农业种植过程中，液体肥料占所使用化肥总量的很大比重。尤其在美国，液体肥料施用量占全部化肥施用量的35%。液体肥料的优点是：在运输、施肥过程中无粉尘、烟雾等对环境有害的污染物；配方灵便，可将各种营养元素和养分均匀混合，适用于作基肥、追肥；施用方便且易被农作物和果树吸收，可以减少施肥次数，从而降低劳动力成本和物力耗费。目前我国果园的液体肥料施用主要由人工作业完成，作业量大、劳动强度大、施肥难度大，并且液体肥的挥发性可能导致施肥效率低。因此，对果园液体肥料机械进行研究，对于果园产业快速发展具有重要意义。
2 液体肥施肥机械的研究现状
随着液体肥料的发展与使用，液体肥料机械逐渐被研制出并得到应用。当前，国际上的液体肥料机械主要有3类：叶面喷施液肥机械、液体肥料滴灌机械及液体肥料深施机械。液体肥料机械按照牵引型可分为悬挂式、牵引式及组装式，其中悬挂式的整体结构简单、易拆装、工作性能稳定，在我国应用最多。
2.1 国外研究情况
国外对液体肥的研究始于20世纪30年代，液体肥施肥技术首先在美国得到应用。目前发达国家已经大规模普及液体肥施肥机械，且机具种类很多，机械化水平较高。
2.1.1 叶面喷施液肥机械 凯斯公司生产的爱国者3310自走式液态施肥喷药机械，既可以完成施肥作业，又可以完成喷药作业。作业速度18 km/h，肥箱容量
3 785 L（超大肥箱提高了工作效率），作业宽度27.4 m，可以根据不同的作业环境来调整喷杆高度和轮距。十方公司生产的大平原喷洒及施肥机械，具有精确的电子控喷系统，喷施架有自动锁定系统，当一侧喷施架向上抬时，另一侧喷施架不会因此而摆动，对地面的仿形极好。Jacto公司生产的UNIPORT 2000自走式喷药施肥机，作业幅宽21.0 m，作业效率300 hm2/d。
2.1.2 液体肥滴灌机械 以色列属于严重缺水的国家，因此其在农业发展方面采用的是节水灌溉施肥技术。滴灌施肥是通过安装在毛管上的滴头、孔口或滴灌带等灌水器将液态肥一滴一滴、均匀而又缓慢地滴入作物根区附近土壤中的一种施肥方式。国外许多缺水的国家均使用这种灌溉施肥方式，其施肥量小、肥料利用率高且对环境污染小，但施肥成本高，不适合大田作业，所以滴灌施肥无法在我国大面积推广。
2.1.3 液体肥料深施机械 化肥深施技术是将一定量的化肥均匀施入土表下方60～100 cm处，从而保证作物的地下根系密集部位充分吸收肥料，还可以减少肥料挥发及流失，并减少对环境的污染。液体肥料深施机械设备（穴施机械）是把液体肥料深施在土壤中靠近农作物根部的机械，其技术含量很高，对液体肥料的有效利用率高，基本无污染，操作方便，在未来会有很好的发展前景。A.R.Womac等人设计的曲柄摇杆型液体肥料设备，将施肥针插入土壤中，通过高压将液态肥喷出射入土壤中来实现深施的目的。
2.2 国内研究情况
我国果园生产机械化发展历程较短，20世纪50年代才开始推广使用手动喷雾施肥器，60年代中期开始发展动力喷雾机，1970年后在引进国外机械的同时，陆续研制成功果园中耕除草机、施肥机械、液压剪枝升降平台、果园风送弥雾机以及果品收获机、果品分级清选机等，促进了果园机械化的发展。
我国液体肥施用机械种类不多，主要从国外进口先进的液态施肥机械设备。目前我国一些高校和科研机构着手研发设计相关施肥机械设备，例如：新疆石河子农业局研制出2FY-16型悬挂式施肥机，北京朝阳区农机研究所研制出2FY-5型施肥机，农一师一团液氨办研制出2FYA-4.2-2液氨施肥机，黑龙江省农业机械科学工程研究院研制出FY-400型多功能液态深施施肥机等。上述机具均存在肥料浪费严重的缺点。东北农业大学研制的1YJ-140深施型液態施肥机械，是我国第一台施肥设备，该机的扎穴机构运用曲柄摇杆原理，将连杆和施肥针固定在一起，根据连杆的运动完成施肥，但作业时摇杆的运动不稳、效率不高；在此基础上研发设计了第二代施肥机，使用椭圆的齿轮机构代替曲柄摇杆机构，工作时平稳、高效。 液體肥料深施机械可以使用在棉花、玉米等农作物上。这些农作物在生长过程中可随时施肥，不会对农作物造成破坏。深施的肥料距离根部150～200 mm，在此范围内施肥效果较好。现阶段我国大多使用手动的施肥机械和液体肥喷洒机械设备。
3 典型液体肥施肥机械的结构及工作原理
3.1 中耕穴施液态施肥机
王金武等人针对作物中耕穴施液肥、起垄、中耕除草、培土等功能要求设计一种液态施肥机，可以完成10～12 cm开沟深度，在喷射液态肥料时可通过调节节流阀的开度大小来保证均匀化喷射，防止喷射针堵塞。该机主要由药液供给装置、中耕除草装置和施药装置组成。药液供给装置由液泵、液箱、过滤器、节流阀、输液管路、喷液自控阀等部件组成；中耕除草装置主要由除草铲和培土铲组成；施药装置由传动及变速部件、扎穴施肥机构、喷肥针等部件组成（如图1所示）。作业时，由排液分配器将液氨分配并排送至各个施肥开沟器，排液分配器内的液氨压力由调节阀控制，施肥开沟器的后部装有1根直径10.3 mm的输液管，管的下部有2个出液孔。
3.2 果园深度开沟施肥机
孙茂森等人设计的果园深度开沟施肥机可以完成开沟、施肥、覆土一系列作业。该机利用创新研发的圆盘旋转铣削开沟器向前进方向旋转铣削，完成深度开沟作业，同时设置液压装置对开沟深度进行实时调整，保证沟深稳定性。开沟深度为300～500 mm，达到果园施肥深度要求。该机结构如图2所示。机具悬挂于四轮拖拉机的后方，作业时拖拉机动力输出轴通过变速箱驱动圆形刀盘旋转，刀盘上两侧各装6把弯刀，主要靠这12把弯刀对土壤进行铣削开沟，并在开沟的同时通过施肥机构进行施肥作业，施肥后通过覆土刮板进行覆土整平。
3.3 轮盘式液态肥穴播深施机
杨自栋等人设计一种轮盘式液态肥穴播深施机（如图3所示）。该机施肥系统由叶片泵、高压肥管、溢流阀及开穴施肥轮组成。叶片泵由拖拉机动力驱动并将液态肥压入安装有调压阀的高压轴管，高压轴管与开穴施肥轮的轮轴管连通，开穴施肥轮上等距径向分布着多个导流开穴器。导流开穴器起开穴和液体肥导流作用，导流开穴器的打开与关闭由安装在轴管上的端面凸轮控制，当导流开穴器插入土壤后，端面凸轮控制活塞运动，打开开关使高压液态肥迅速沿导流开穴器射入土壤，当施肥量所对应的施肥时间到达后，由端面凸轮控制高压液态肥停止射入土壤，一次施肥过程结束。随着开穴施肥轮转动，当下一个导流开穴器接触土壤时，重复上述过程，从而实现等距、膜下、变量深施液肥。通过调节弹簧压力和施肥开关初始位置即可调节施肥深度和施肥量，并能将液态肥直接施入作物根系附近。在调整好拖拉机行进速度后，开穴器在地膜上开出的是与液肥导流管横截圆面积接近的椭圆形膜孔，其面积不超过15 cm2，对覆膜损伤小，且能适应秸秆还田的作业条件。上述作业可达到提高作业效率、增加肥效、增产增收及减少土壤污染的综合效果。
综上所述，各类施肥机各有优缺点。中耕穴施液态施肥机能够调节节流阀开度的大小，施肥时不发生堵塞，施肥质量较高；但其施肥深度只能达到10～12 cm，无法满足60～100 cm的深度要求，并且扎穴式施肥机作业效率低。果园深度开沟施肥机开沟深度能够达到30～50 cm，使果树根部对肥料的吸收率大大增加，并且配套功率不大，作业宽度120～140 mm；但其作业效率低，作业质量不稳定，在地表杂草和根茬少或粉碎的情况下，作业情况良好，在土壤湿度过高或过低以及地表杂草、根茬较多、较高的情况下碎土能力差，易发生缠草现象，作业质量难以满足农艺需求。轮盘式液态肥穴播深施机完成了轮盘式开穴施肥轮、导流开穴器等关键部件设计及整机参数优化，设计出结构合理的液态肥穴播深施装置，解决了水肥定向控制及机具作业速度制约问题，并研制了数显测试装置，可对机具作业参数进行数据采集，体现其特有的设计优势。
4 果园液体肥深施机械的发展趋势
目前，国际肥料正在向高浓度、复合化、液态化、缓释化的方向发展。由于液体肥料具有生产费用低、养分含量高、易于复合、能直接被农作物吸收、便于配方施肥和机械化施肥等诸多优点，越来越受到各国的普遍关注。世界上发达国家的农业集约化和产业化水平很高，为农业机械化耕作和机械化施肥创造了良好条件，因此，液体肥料得到了广泛应用。我国是农业大国，肥料消费量居世界首位。在大量的肥料消费中，液体肥料的消费量所占比例很少，与发达国家相比存在相当大的差距。液体肥料的发展水平在一定程度上与国家的农业发展水平、地理和气象条件、肥料生产企业的农化服务意识以及农民对液体肥的生产和施用有相当大的关系。因此，我国液体肥料的发展具有广阔的空间。
资源节约和环境保护对于农业发展具有重大意义。果园液体肥深施机械的研制符合未来农业发展趋势，也符合中国现阶段的国情。国内外现有研究成果主要是关于液体肥叶片喷洒机具和固态化肥深施机具的，而对肥料利用率很高、不会污染环境的果园液体肥深施作业机械研究很少，仅有的研究也是局部的、个案的。目前液体肥深施机械仍处于起步阶段，具有较大的发展潜力。
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