国内外液体肥料施肥机械发展概况及需求分析

张鲁云 何义川 杨怀君

摘要：液体肥料具有易于被作物根系吸收、对环境污染较小、配方灵活、施用方便等诸多优点，是中国近年来发展较快的新型肥料。分析了国内外液体肥料施肥机械的研发现状;总结了几种主要液体肥料施肥机的结构及工作原理;探讨了中国液体肥料施肥机的应用现状，提出了相应的对策与建议，以促进资源节约型和环境友好型农业产业的快速发展。

关鍵词：液体肥料;施肥机械;智能化农业

中图分类号：S224.22         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）15-0012-04

Abstract： Liquid fertilizer has many advantages， such as easy to be absorbed by crop roots， less pollution to the environment， flexible formulation and convenient application. It is a new type of fertilizer developed rapidly in China in recent years. The development status of liquid fertilization machinery at home and abroad was analyzed. The structure and working principle of several main liquid fertilizer applicators were summarized. The application status of liquid fertilizer applicators in China was discussed. The corresponding countermeasures and suggestions were put forward to promote the rapid development of resource-saving and environment-friendly agricultural industry.

Key words： liquid fertilizer; fertilizer applicate machinery; intelligent agriculture

施肥是农业生产中重要的环节之一，全世界每年投入农业生产的各种化肥大约1.6亿t，而有机肥料的数量更是多得无法统计[1]。目前，中国在农业生产中大多采用固体肥料。固体肥料有着生产、储存、运输、使用方便等诸多优点，但是也存在肥料利用率较低、增产效果不显著、粉尘污染等许多弊端。液体肥料在农业发达国家如美国、英国、德国、加拿大、澳大利亚等国家很早就得到了广泛使用，在这些国家的农业生产中，液体肥料在肥料使用总量中占有相当大的比重[2]。以美国为例，液体肥料占其肥料总用量的35%左右。相对于固体肥料，液体肥料的优点是：在运输、施肥过程中没有粉尘、烟雾等污染物质;配方简便灵活，可以根据实际需要将各种养料成分在液体中充分混合，适用于作物的基肥和追肥;肥料成分因为是液体微小颗粒而易被作物根系吸收，可以减少施肥次数和对土壤的污染，降低了农业生产的物资消耗和劳动成本。

中国因为液体肥料使用较晚，相应配套设施还很不完善。液体肥料施用主要依靠半机械人工完成，劳动强度大、作业效率低、肥料浪费严重。因此，对液体肥料相关配套机械设备进行开发研制，对中国农业的可持续发展具有重要意义。

1 国内外液体肥料施用机械研发现状

1.1 国外研发现状

国外对液体肥料的研究开始于20世纪30年代[3]，液体肥料及其使用机械首先在美国的农业生产中得到应用。美国很早就开始使用液氨及相应的液肥施用机械设备，该机械主要由液氨罐、排肥分配器、施肥开沟器和操控装置组成。目前，发达国家已经大规模普及液体肥，液体肥料施用机械品种繁多，功能齐全，完全实现了机械化作业。从功能上区分，液体肥施用机械主要分为以下3种。

1.1.1 叶面喷施肥机械 美国凯斯（CASE CORP）公司生产的爱国者3310型自走式喷药施肥机械，一机两用，既可进行喷药作业，又能完成施肥作业，大大提高了机具的使用效率。行走速度18 km/h，超大型肥箱（容量3 785 L）提高了工作效率，作业幅宽27.4 m，可以根据不同的作业环境和种植模式调整喷杆高度和轮距。巴西杰克托公司（JACTO）生产的UNIPORT 2000型自走式喷药施肥机，作业幅宽21 m，作业效率300 hm2/d。

1.1.2 液体肥料滴灌机械 以色列位于中东沙漠地区，属于世界上严重干旱的国家，农业用水十分困难，因此在农业生产中采用的是最节水的滴灌技术。全套设备主要由压差溶（储）肥罐、排肥器、电动注肥泵、电控装置等组成，近年来随着电子技术的大量应用，向着精量化、智能化的方向发展，代表机型为以色列Neafim公司生产的系列产品。相应的滴灌施肥则是将液态肥加入灌溉水中，通过安装在滴灌带上的滴孔，均匀缓慢地滴入作物根系附近区域。滴灌施肥方式的优点是施肥量少、肥料利用率高且对环境污染较小，缺点是要配备相应的滴灌设备，初期投入资金较多，不适合于大面积条田装备。目前中国只在降雨稀少的新疆地区得到了快速发展，许多农机生产厂家推出了水肥一体化机械设备，并且取得了良好的经济效益。

1.1.3 液体肥料深施机械 液体肥料深施技术是将一定量的液态肥通过施肥机械均匀地施入土表下方60～100 cm处，确保农作物地下根系密集区域充分吸收养料，减少了液体肥的挥发和流失，并将对环境的污染降至最低。液态肥深施技术可以用在棉花、玉米等农作物种植上，这些农作物在生长过程中可以随时施肥，不会对作物根部造成破坏，还能提高作物产量。液体肥深施机械设备是把液体肥料深施在土壤深层，接近作物的根系部分，对机械设备要求较高，但提高了肥料的利用效率，基本对环境无污染，施用方便，有着很好的发展前景。代表机型有美国约翰迪尔公司（John Deere）生产的2510 L型液体肥料施肥机，该型机作业幅宽20.1 m，肥箱容积        9 085 L，施肥深度508 mm，各项性能指标均处于世界前列。

1.2 国内研发现状

中国液体肥料相对于国外使用时间较晚[4]，相应的施肥机械发展历程较短。20世纪50年代初期开始使用手动喷雾施肥器;60年代中期逐渐开始使用动力机械;70年代中后期在引进国外先进农业机械的同时，开始研制国产机械，各种国产液态肥料施用机械相继研制成功，促进了液态肥在农业领域的使用发展。

目前中国液体肥料施肥机械主要从国外进口，国产机型种类较少。新疆石河子原农业局研制出2FY-16型悬挂式液体肥料施肥机，第一师一团研制出2FYA-4.2-2型液氨施肥机，黑龙江省农业机械科学院研制出FY-400型多功能液态施肥机，东北农业大学研制出1YJ-140型深施型液态施肥机。上述国产机型在实际使用中均存在做工粗糙、排肥不稳定、工作效率不高、肥料浪费严重等诸多问题，和国外同类机型相比还有相当大的差距。

2 液体肥料施肥机械的结构及工作原理

2.1 中耕液体肥料施肥机

中耕液体肥料施肥机是集液态施肥、起垄、中耕除草、培土等功能为一体的施肥机，形成100～120 mm的开沟深度，通过调节节流阀的大小来保证液态肥料的均匀喷射，实现精量施肥。如图1所示，中耕液体肥料施肥机由液肥供给装置、中耕除草装置和施肥装置组成。其中，液肥供给装置由液压泵、肥箱、过滤器、节流阀、输送管路、喷液控制阀等部件组成;中耕除草装置主要由除草铲和覆土装置组成;施肥装置由变速箱、传动装置、施肥机构等部件组成。工作时，由液肥分配器将液体肥料分配到各个施肥开沟器中，排肥管内的液肥压力由调节阀控制，施肥开沟器的后部装有输肥管，输肥管的下部有出肥孔，供液体肥料排出。

2.2 开沟液体肥料施肥机

深度开沟施肥机则可以完成开沟、施肥、覆土等一系列作业。该型机由圆盘旋转式铣削开沟器沿机具前进方向旋转铣削土壤，完成开沟作业，开沟深度为300～500 mm，达到深施肥的要求;同时，液压限位装置对开沟深度进行实时限定，保证沟深精度，整机结构如图2所示。作业机具悬挂于拖拉机的后方，工作时由拖拉机动力输出轴通过变速箱驱动圆形刀盘旋转，刀盘两侧各装6把切土弯刀，沿刀盘径向均匀分布，对土壤进行铣削开沟作业，开沟的同时通过施肥装置将液态肥料深施入沟底，最后通过覆土刮板进行覆土平整土壤。

2.3 圆盘式液体肥料穴播施肥机

圆盘式液体肥料穴播施肥机由叶片泵、高压输肥管、溢流阀和开穴施肥轮组成，如图3所示。拖拉机动力驱动叶片泵，将液态肥料通过调压阀输入高压输肥管，输肥管与开穴施肥轮的轮轴管连通，开穴施肥轮上安装有多个导流开穴器呈等距徑向分布。安装在轴管上的端面凸轮控制导流开穴器的闭合，当开穴器插入土壤之后，端面凸轮打开，液态肥沿导流开穴器注入土壤;当达到施肥量时，开穴器离开土壤，端面凸轮关闭，停止施肥。随着开穴施肥轮转动，下一个导流开穴器插入土壤，开始新一轮施肥作业。通过调节凸轮弹簧压力和施肥开关初始位置控制施肥深度和施肥量大小，将液态肥料直接施入作物根系附近，实现精量施肥、提高工作效率、增收节支和减少土壤污染的效果。

上述几种液态肥施肥机在使用过程中各有优缺点。中耕液体肥料施肥机可以通过调节节流阀控制施肥量的大小，施肥时不易发生堵塞，保证施肥质量;但其施肥深度只能达到100～120 mm，无法满足深施肥的要求，并且施肥效率较低。开沟液体肥料施肥机由于拥有开沟机构，因此施肥深度可以达到300～500 mm，使作物根系对肥料的吸收率大大增加;但其机具配套功率较大，在土壤条件不好以及地表杂草、残茬较多的情况下开沟碎土能力差，易发生缠绕堵塞现象，施肥作业质量得不到保证。圆盘式液态肥穴播施肥机实现了液体肥料精量控制和机具作业速度制约问题，减少了施肥量，提高了工作效率，但对机具加工精度和耕作土壤要求较高，故障率较高。

3 液体肥料施肥机械的发展需求分析

液体肥料施肥机是农业生产过程中重要的生产工具，也是大面积条田中被广泛使用的农业机械。液体肥料施肥机整机重量分配较均匀，相对于固态肥料施肥机，对土地的压实度和破坏程度较小，其液体喷施装置能够保证对作物叶面和根系进行均衡喷施[5]。液体肥料施肥机功率大，施肥效率高，单位面积作业油耗低，因而施肥过程成本较低。液体肥料箱容积较大，避免了施肥工作中因为肥箱容量不足而导致的频繁加肥现象，尤其适合于对大范围的田地进行施肥作业，提高了工作效率，对现代化的农业生产具有重要意义。

3.1 整体机具大型化

从国际市场施肥机械的发展趋势看，大型施肥机械一直占据着市场的主体，这主要是为了适应现代农业高效率机械化作业的需求。目前，无论是固体还是液体肥料施肥机，作业幅宽均要达到15 m以上，配套功率均在150 kW以上，都在向大型化方向发展。虽然也有少量小型和无人机施肥机械，但均作为山区、丘陵、果园和家庭园林绿化的辅助设备，所占市场份额较小。

3.2 作业机具人工智能化

地理信息系统（GIS）、北斗卫星导航系统（BDS）和遥感技术（RS）的快速发展对农业机械也产生巨大影响，现代施肥机械也逐步向着精量化、自动化、人工智能化的方向发展。目前国外在田间移动式施肥机械中大部分都采用了精准变量施肥技术。而在滴灌施肥系统中，人工智能化程度则进一步提高，正向着无人操作执守的方向发展。

4 中国液体肥料施肥机械的应用现状

由于中国地域辽阔，农业种植区域高度分散[6-8]，机械化作业程度整体偏低，基本上没有液体肥料施肥机的专门生产厂家，目前市场上的施肥机械大部分是喷药机的兼用机型，仅限于玉米、小麦、棉花的叶面喷施。分析中国液体肥料施肥机的发展现状，总结主要有以下几个特点。

4.1 科研成果的市场转化率低

中国从20世纪50年代开始液体肥料施肥机的研制生产使用，样机试制研究很多，但市场转化率很低，截至目前也没有形成大规模市场化生产。分析原因：①生产企业不愿承担市场风险，没有对液体肥料施肥机械进行推广使用;②科研成果还没有达到熟化使用阶段，从科研成果到市场产品还有一定的距离;③中国液体肥料的产销、使用、售后服务等各项环节还不完善，农户对液体肥料的认可程度不高，也制约了液体肥料的进一步发展。

4.2 液体肥料施肥机应用难度较大

中国地域纬度跨度较大，南北气候截然不同，农业自然生态环境各不相同，各地作物种植模式不一、品种繁多，也给统一使用农业机械带来了相当大的困难。加之近年来，随着根基施肥、近根施肥、精量施肥等农业技术要求的提出，施肥机械的应用难度进一步加大。而科研院所、农机生产企业等并没有组织起足够的科研团队，不能够开展与新的施肥技术要求相应的液体肥料施肥机械研发工作。因此液体肥料施肥机应用难度较大。

4.3 肥料深施机械市场需求大

为了能让作物根系快速吸收养分，避免肥料浪费，现在肥料基本上都要求深施，特别是液体肥料，如果浮于地表，就会造成大量的气体挥发，不仅降低了肥料的利用率，同时还污染大气环境。近年来，随着保护性耕作面积的增加，土壤不再每年都进行翻耕，在对土壤表层扰动较小的情况下，把液体肥料施入200 mm以下的土层中有一定难度，需要有相应的机械设备。随着保护性耕作技术的推广，液体肥料深施机械需求也会越来越大。

4.4 变（精）量施肥机械是未来方向

变（精）量施肥作业在国外已经是比较成熟的技术。中国近年来也进口了许多变（精）量施肥机械，但是其说明书、软件大部分是英文界面，机手很难掌握。引进的变（精）量机具大多被用成了恒量机具，机械性能没有被充分开发利用，造成了资源浪费。随着中国精准农业的发展，研制开发国产的变（精）量施肥机械和必要的技术支持软件，对中国农业技术水平的改进与提高有着重大意义。

5 结论与建议

5.1 结论

当前，在农业领域，肥料正在向复合化、高浓度、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、易于被农作物吸收、便于改变成分配比和机械化作业等诸多优点，越来越受到重视。世界上发达国家的农业集约化和产业化程度较高，具有机械化施肥的良好条件，因此，液态肥料得到了快速发展。中国肥料消费量一直稳居世界首位，但目前仍以化肥和厩肥为主，液态肥料所占比例很小，与农业发达国家相比还存在相当大的差距。因此液态肥料在中国具有广阔的发展前景。

发展资源节约型和环境保护型农业具有重大意义，也是中国农业未来的发展趋势。液体肥料的发展水平在一定程度上与国家的自然和地理条件、农业发展水平、肥料生产企业现状以及农户对液体肥料的認可度有很大关系。国内外现有成熟实用的施肥机型主要是液体肥叶片喷洒机具和固体肥料施用机械，而对肥料利用率较高、环境污染较少的液体肥料深施机械的相关研究很少。液体肥料深施机械目前在中国仍处于初始阶段，具有较大的市场发展潜力。

5.2 建议

5.2.1 国家应加大对液体肥料施肥机的支持力度 自2004年中国实行农机购置补贴政策以来，国家农业部门在农户购买农机具时提供了大量的优惠政策和相应补贴。这些措施的宣传与推广，极大地激发了广大农户购买农机具的热情，有效提高了中国农业机械装备的更新换代速度[9]。因此，在现阶段农业生产发展过程中，国家政策应继续加大力度支持液体肥料及配套农机具的推广与应用。

5.2.2 应将国外技术与自主研发相结合 为了加快液体肥料施肥机械的研发制造与推广使用进程，中国农机生产厂家应引进、消化、吸收国外农机具企业成熟的产品和先进的制造技术，生产出符合中国现有工艺条件和农业生态环境的液体肥料施肥机[10，11]。研发液体肥料施肥机械的肥料箱、施肥器和液压设备等关键部件，从国外进口零部件逐渐过渡到国内厂家生产。通过研发生产科技含量较高的产品，掌握核心制造技术，最终形成液体施肥机械自主生产能力。

5.2.3 促进农艺和农业机械相辅相成 先进、高效的农业机械进行的大田作业必须符合种植农艺的规范，而种植农艺也必须适应机械化作业的要求，二者相辅相成。农机和农艺的有效结合才能使液体肥料的使用达到最佳效果，取得最好的费效比。

参考文献：

[1] 白由路. 国内外施肥机械的发展概况及需求分析[J]. 中国土壤与肥料，2016（3）：1-4.

[2] 杨 莹，马少腾，白圣贺. 果园液体肥深施机械研究进展[J]. 农业科技与装备，2019（1）：64-67.

[3] 王金武，潘振伟，周文琪，等. SYJ-2型液肥变量施肥机设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46（7）：53-58.

[4] 左光琨. 液态肥变量注肥控制设计与试验[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学，2018.

[5] 刘显军. 蠕动泵的结构原理及其应用[J]. 流体机械，1998（14）：271-272.

[6] 杨 军，田 敏，陈 剑，等. 基于PLC的精准变量施肥自动控制系统研究[J]. 无线互联科技，2016，7（14）：50-53.

[7] 陈 金，赵 斌，衣淑娟，等. 我国变量施肥技术研究现状与发展对策[J]. 农机化研究，2017，39（10）：1-6.

[8] 樊 羿. 有机肥资源利用现状调查与施用有机肥对土壤环境的影响研究[D]. 郑州：河南农业大学，2006.

[9] 杨建文. 从发展趋势看大马力拖拉机需求[J]. 农机使用与维修，2015（5）：62.

[10] 赵义涛，姜佰文，梁云江. 土壤肥料学[M]. 北京：化学工业出版社，2014.

[11] 李 勇，赵 军，谢叶伟，等. 针对农户地块的施肥决策支持系统的设计与实现[J]. 农业工程学报，2010，26（13）：192-196.