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施肥机械的研究现状、现存问题及解决措施

时间:2014-11-27 来源:未知 作者:小韩 本文字数:7629字
论文摘要

  引言

  施用化肥是实现农业高产、高效与粮食安全的重要保证,而化肥配制、施肥技术与施肥机械是施肥的三大支柱。化肥配制在政府的大力支持下已经达到较为先进的水平,相比之下施肥技术与施肥机械的发展较发达国家落后。技术与机械的落后不仅导致了施肥过程中的作物对化肥的吸收及利用效果差,而且会使得化肥不能被植物充分利用而造成土壤板结、水体富营养化等各种环境污染。已有研究表明,受污染的水中超标氮与磷的大多数都来自于农业污染,其程度远远超过工业污染。为了跟上国外农业的先进水平,使农业资源得以高效利用,加速我国农业的现代化进程,就必须改变施肥技术与施肥机械落后的现状,积极研发先进的施肥技术与高效的施肥机械并推广应用于我国现代农业,从而提高化肥的利用率,减少化肥所造成的农业污染。

  1 施肥技术的研究现状与存在的问题

  施肥技术可使肥料按照一定的比例聚集在种子、农作物根系与叶面附近而被高效率吸收。合理的施肥技术可使作物所需营养元素高效吸收,还可减少化肥的不当使用对农业生态环境造成的农业污染,更适应可持续发展的要求。施肥技术分为很多种类,其中测土配方施肥技术、缓控释肥技术、变量施肥技术与灌溉施肥技术的应用研究较为普遍。

  1. 1 测土配方施肥技术的研究现状及存在的问题

  该技术是由测、配与供 3 个环节顺序构成。由于其综合效果好、可执行性强,需肥、施肥与供肥三者的矛盾可被协调并解决,故得以广泛应用与研究。为了解决不同耕地需肥差异性以达到精确配方,唐秀美等提出将 GIS 技术应用于施肥分区并通过与相应试验相联合可得出所需最优化肥配方比例,为配方比例的管理与决策提供了宝贵的理论依据与经验。

  由于该技术具有强大的数据获取与处理、结果信息显示与分析功能,唐秀美等又对 GIS 技术得到的营养元素含量分布图栅格划分,通过模拟分析计算可得到每个栅格的施肥量。该方法精度高、适用性强且效益显着,为以后研究提供了较好的引导作用。对比农村习惯且落后的施肥方式,王坤等通过对马铃薯的测土配方施肥技术的大量试验得知:该技术的应用可显着提高肥料利用率与产量,可达到增产、增收与用肥少的目的。为了确定土壤施肥的比例差异与营养元素的吸收率的关系,姜娟等人对玉米进行了田间的实验,得出了施肥的比例全面性紧密联系着作物的氮肥吸收率,并且通过施用氮、磷、钾化肥得出各种营养元素的矫正系数。

  测验、配量与供应环节顺序构成了测土配方技术,每个环节都尤其重要,但是测验方法的落后导致了施肥作业的时效性差与应用面积小,对供应环节的忽视导致了环节之间相互配合与连接较为困难,使该技术将难以发挥最大功效。日趋先进的技术与专业技术人员缺乏的差距也使得技术难以推广应用。

  该技术使用的有机与无机肥料的不均衡,将严重影响土壤质量与加速水体的富营养化。技术运用所使用的取样点、技术的准确性与成本效益的精确性控制较为困难。农民在施肥使用测土配方技术时,忽视了部分重要的微量元素(如硼、锌等元素),都将直接或间接地影响产量。

  1. 2 缓控释肥技术的研究现状与存在的问题

  缓控释肥即为控制且缓慢释放肥料于土壤,只需在农作物整个生长阶段初期施一次底肥,即可满足施肥要求。一些科研人员已经致力于该技术的研究,肖剑等人确定了土壤水分含量为 1 /3、土壤水势为0. 42MPa 时可使包膜型控释肥料营养元素的释放速率达到最优,偏离这个数值都将或多或少地影响化肥释放速率。为了保证控释材料高效率前提下材料使用的低成本,孙克君等使用由膨润土和木素按照一定比例混合制成复合材料,该材料具有质薄、隙少且致密的优点,故而可降低释放速率。同时,通过试验表明:该控释材料的使用可达到提高产量与化肥的高利用率双重效果。再依拉等通过对比实验得出:该技术可使玉米的各种生长、产量指标都可达到更优。

  邢尚军指出:该技术还可以提高园艺作物的化肥利用率,并对其生长发育有着显着的促进作用。为了确定缓控释肥对杂交水稻的各种性能指标的影响,彭玉等人分别研究了 F 优 498 杂交水稻的根与穗受4 种氮肥的影响程度。根系分布直接影响着水稻的产量,试验表明:缓控释肥将显着提高根系的各种性能指标而间接影响水稻产量,而采用树脂包膜材料为实验的最优选择。

  肥料从膜中释放出来被作物吸收时,存在着研究者较少考虑两者的同步问题与只注重缓释效果未考虑使用的膜材料的回收处理程度而造成的环境污染问题。农民对技术掌握程度低会还将会导致施肥技术的不正确使用,如肥料离根系太近会造成烧苗现象。该技术对水分的依赖性强而难以应用于干旱地区,干旱地区的缺水将直接影响其养分的释放速率,使技术推广范围受到限制。该技术使用成本相对昂贵且难以为广大农民所接受,现主要应用于园艺、娱乐场合等,在农作物上的普遍推广应用亟待解决。

  1. 3 变量施肥技术的研究现状与存在的问题

  作为精准农业重要组成部分之一的变量施肥技术,具有合理精确施肥、提高作物产量与减少化肥对农业生态环境污染的优点。为了解决如何对施肥过程中肥料量进行观察和控制调节的问题,刘阳春等设计了一闭环变量施肥控制系统。该系统的核心为单片机,采用压力传感器检测肥料料量,而后将料量负反馈给上位机,并通过台架试验证明了系统可行性与精确性。梁春英等仿真研究了该技术的控制系统,得出了系统的 PID 策略可显着提高控制系统的稳定性、快速性与准确性的结论。由于 PID 控制策略存在着各种优点,将为国内各种施肥技术应用研究打下基础。由于变量施肥大多针对固体肥料,郎春玲等设计了以单片机为核心处理器的可深施液体肥料的变量施肥控制系统,可根据所需肥料的预定值进行施肥,其施肥误差减少到 0. 5mL/次,误差仅为 5% 。

  为了完成变量控制作业与联合施肥、喷药与灌溉 3 类作业,陈宏等人解决了如何将 GPS 自控、推算自控与手控 3 种的控制方式综合应用于变量机具的问题。

  该机具可分别完成 4. 2、6. 5m 幅宽施肥、施药及灌溉作业,大大降低了农机的成本,提高了作业效率,且可达到“一机多用”的效果。

  李世成等在肯定变量施肥技术的环保性、高效性与综合性等优点的同时,指出存在着技术所需成本高的缺点。例如,土壤数据采集仪器与大面积取样化验所需的费用较高,遥感信息与作物的实际需求信息难以精确对应。该技术还存在着如何使 DGPS 与 GIS的数据库结合起来、完成将 GPS - RS - GIS 向一体化方向发展的问题。该技术在使用时,由于环境与仪器的灵敏性等原因( 如土壤含水率等) ,将影响其运行精度。

  1. 4 灌溉施肥技术的研究现状与存在的问题

  为了应对我国严重缺水的现状,灌溉施肥技术逐渐被重视与推广应用,膜下滴灌施肥技术的使用较为普遍。20 世纪 70 年代开始,施肥技术经历了由引进与购买发达国家技术与仪器到自主开发获得自己的知识产权,并且由以前偏重于土壤水分含量对作物的影响到现今水肥对作物的综合影响效果进行研究,由以前只注重灌溉技术的推广应用的单一性到现在的灌溉与施肥技术相结合且应用的过程。

  为了同时达到节水与施肥的目的,一种将滴灌技术与覆膜技术相结合的膜下滴灌技术得以推广应用。

  陈光等人将西瓜大田中的运用水肥一体化的滴灌技术与普通的沟灌技术进行对比试验,得出该技术可显着提高西瓜的各种营养指标与明显节约水资源与化肥使用量,且可减弱化肥对土壤污染的结论。杨忠国等人设计了膜下滴灌的系统,确定了提高产量与节水省肥所需系统的最佳管道参数与水泵的型号。

  为了开发利用盐碱地,给盐碱地中的作物根系营造一个最优的水盐环境,王全九等人将滴灌覆膜与施肥技术加以综合并推广应用于盐碱地,并提出盐碱地中膜下滴灌的压盐时间、水量等等技术参数,为之后膜下滴灌研究提供了重要的理论数据基础。

  虽然膜下滴灌施肥技术已经取得了一定的研究成果并得到了广泛应用,但是存在的问题也不容忽视。由于该技术使用的滴头一般较小,容易被土壤中的泥土堵塞而不通畅;夏季高温时,使用的黑色管道会由于吸热而升温,从而会影响覆膜的性能。与缓控释肥存在着相同的问题—使用的覆膜由于回收较为困难会造成环境污染问题。

  2 施肥机械的研究现状及存在的问题

  施肥机械是使用工具将固态或液态化肥施入土壤。随着施肥机械的普及、发展与科研队伍的不断加强、扩大,经过基础理论、技术与机具研究、设计开发等研究工作,施肥机械的研制已取得了大量成果。施肥机械可分为很多类型:按照施肥方式可分为撒肥机、种肥施肥机与追肥施肥机,且应用都较为普遍;按照化肥状态可分为施液态化肥与固态化肥两种,其中液态化肥的研究较为落后与狭窄。较为先进的变量施肥机械也已经取得了大量研究成果。

  2. 1 变量施肥机械的研究现状与存在的问题

  由于变量施肥机械具有综合评价效果显着、可按需施肥并可调节及施肥准确度高等优点,已经成为施肥机械的主要研究方向之一。马旭等研究了便捷、稳定的手控与自控变量施肥机械,可与播种机配套使用,成为“3S 技术”的基础。针对我国国情,王秀等人研制了不仅可以配套国产拖拉机,还可以在GPS 协助下按照系统网格划分所得的处方图实现变量施肥的机械,并试验了不同齿槽转速所对应的精确排肥量,以确定最优转速。为了解决施肥机械受到拖拉机行驶速度及排肥轴转速等对排肥量的影响,陈广大等设计了以 ARM 微处理器为核心、通过 PID 自动调节排肥量的控制系统,可达到排肥稳定、均匀与精度高的效果。针对不同规格大小农田的网格划分并确定位置的高难度问题,于英杰等人确定了一种自动识别算法。该算法使用 ARM 控制器采集传感器信号,能适应农田形状的变化,精度高,稳定性较好。

  我国的变量施肥机具相对于发达国家起步较晚,变量施肥机械使用的传感器等设备未国产化而导致了仪器昂贵。我国大多数农民的经济基础薄弱,尤其是中西部山区,难以接受机械的使用成本。我国处于概念阶段的变量施肥机械,其一幅宽较小,其二采用的差分 GPS 系统的精确度较低,可能会导致以周围较近区域的处方量为依据施肥,将偏离施肥目的。

  机具大多只能实现总量的变量配比,而多元素的精确变量配比却难以实现。专家在决策分析时容易脱离实际,由于其研究系统过于复杂,结果也与最终实际相差较大,有的时候甚至远远低于普通的决策。由于变量施肥机大多悬挂于拖拉机,将会受到土壤环境的限制,不适宜大幅度转弯或翻梗,稳定性将会直接受到影响。

  2. 2 种肥施肥机的研究现状与存在的问题

  种肥施肥机是将肥料伴随着种子进入土壤为种子生长发芽提供肥料的机械,现今以条施方式为主的播种施肥机占据了大量的市场,其中外槽轮式的排肥器应用较为普遍。为了解决水稻直播由于未准确控制而导致的断芽、断条、未直立生长等问题,夏俊芳等设计了 2BFS - 8 型水稻芽种播种施肥机。该施肥机可一次性完成各种土壤耕作、播种与施肥作业工序,生产率高、断芽率低,性能均可达标。为了解决播种施肥机在丘陵山地等非平整地区作业时的作业质量差与效率低的问题,王晓东与王玉华等分别设计了自走式的 2BF -1 型播种施肥机与可调式免耕播种施肥机,都可以达到调节方便可靠,机具简单轻便的效果。同样,为了解决种肥的利用率低、“高入低出”等问题,苑严伟等将变量施肥技术应用到了种肥机上,通过自动控制系统并将处方图与定位信息二者结合起来进行施种肥,可达到变量施肥与精密施肥的目的。

  对于种子与化肥的比例,大多种肥施肥机没有精确的控制系统,比例偏大或偏小都将不利于种子发芽;气力与液力的研究应用相对于纯机械式机具的应用研究远远滞后,不利于参数的自动控制。虽然种肥施肥机械的研究达到一定的水平,但是其推广范围较狭窄,使得大多农民施种肥时掩埋深度不够造成污染。种肥机在使用时对机械作业人员技术要求较高:如对开沟器的下降快慢程度控制,如果过快将严重导致开沟器不通畅;如果是在潮湿的土壤或者水田作业时,还容易土壤大量粘附于开沟器上,同样造成管道堵塞而不通畅的现象。

  2. 3 追肥施肥机的研究现状及问题

  追肥施肥机械是在作物生长发育的同时施用化肥的机械,现今追肥机的研究达到了一定水平。张传斌研制的 TX - 12 型烟草定量穴灌追肥机不仅可定量追肥、灌溉,还可在田间轻便移动,工作效率高,尤其适用于干旱地区;王金星等研制了一种通过高准确率传感器将信号传给单片机以达到自动控制的智能烟草定量穴施追肥机,可实现自动化与烟草的低损伤率。为了解决干旱地区作物苗期中耕、追肥作业的高成本、复杂与低效率问题,崔欢虎等人研制出了以节约水资源为基础的中耕保墒追肥机。经过多年试验,其机具所需动力小、效率高且轻便灵活,可为广大农民接受。

  农民大量使用的追肥机大都采用简单的四杆机构,运动副容易产生磨损,维修较为困难,必将影响作业效果。输肥管在施肥机下降上升过程的往复运动过程中容易造成变形而形成缝隙,就可能会使肥料在缝隙中漏掉。我国大多农民容易在作物的非最佳追肥期施用追肥,且采用的封垄蹚地后追肥的方式对时间把握不准确也将引起倒伏,且也容易造成对植物根系损害而导致减产。由于农村劳动力减少,农民为了节省时间与精力,将追肥与种肥同时施入土壤,必然会出现烧种烧苗的现象。农民在追肥时,同样容易出现忽视有机肥与部分微量元素的重要性的问题。

  2. 4 液态施肥机的研究现状与存在的问题

  液肥主要分为有机肥与无机肥。其中,无机肥以液氨为主,为了避免肥料的挥发所导致的化肥损失与环境污染,大多的液肥都需要深施。我国的液肥深施技术的研究已经取得了一定的成果,为了解决固态施肥时的各种问题,程亨曼等将重点转向了施用液态化肥,设计了可与播种机配套且可适用于各种中耕作物的 FY400 多功能液态深施肥机,其节肥、增产效果显着,使用的成本在农民经济承受范围内。由于存在喷肥针扎穴与喷肥过程存在着仿真困难、观测研究及统计测量较难实现的问题,王金峰等人利用高速摄像对过程拍摄并对所得的图像进行分析处理,得到了喷肥时间误差、精确度与扎穴运动曲线。扎穴机构如果速度过快,容易出现土壤被机构回带的现象。为了解决这一问题,郗晓焕等人优化设计了扎穴机构,使用弧形扎穴机构代替了广泛使用的曲柄滑块、摇杆机构,用 VB 软件编程仿真确定了最优化参数,并通过了验证,使得机构入穴与返程轨迹一致性得到满足。

  虽然液态化肥具有许多的优点,但是农民在使用过程由于技术普及与运用不当仍会造成一些问题。

  比如,深施液肥时由于需要开沟器开沟而后机械覆肥,对机械的依赖性较强,而大多先进的机械超过了农民的经济承受力,故而先进的机械、效益高的液肥与农民低购买力的矛盾使得机械的应用范围不广。

  液氨具有腐蚀性与刺激性,会对农民的身体造成一定的危害,还会腐蚀施肥机械。对于将变量技术应用于液态施肥机的较为先进的机械,由于国内对液肥生产应用较少,其应用前景受到了限制。

  2. 5 撒肥机的研究现状与存在的问题

  撒肥机是将化肥直接播撒在地面,通过土壤耕作将化肥埋于耕作层下。为了解决大棚作业人工的高强度、低效率的问题,申屠留芳等人设计了电动自走式撒肥机,由于其结构简单、轻巧、灵活且成本较低而被大棚种植户接受,从而提高了大棚作业的效率、降低了作业人员的强度。针对我国水田作业时化肥人工撒播难以满足均匀一致性、耗时耗力且效率低的问题,陈书法等人将精准农业应用于撒肥机上,设计了 水 田 高 地 隙 自 走 式 变 量 撒 肥 机,其 核 心 为AT89C5l 单片机。同时,还对撒肥机的各种参数进行了大量的试验,并将不同的施肥环境条件考虑在内,其结果是撒肥机可受控制地在田间行走且达到了变量施肥的目的。由于现今大多使用的撒肥机都存在着输肥管不通畅、撒肥易不均匀等问题,张李娴等设计了可实现化肥防堵塞、均匀的摆管式撒肥机,可解决大多撒肥机存在的问题,为以后的理论研究提供了依据。

  即使现今撒肥机效率较高,但也存在着不容忽视的问题。例如,一般要求化肥掩埋深度较深,但是撒肥机的肥料只能通过耕翻后掩埋,难以达到所需要的深度,不仅导致化肥的低利用率,也会因雨水的冲刷造成化肥的农业污染。如果农民在使用之时急于求成,也势必会造成烧种现象。农民在使用撒肥机时,由于对技术的掌握程度低,或者购买价格低廉劣质的撒肥机,极易造成管道堵塞;农民对机具的维修能力不高,也会对机具性能产生影响。

  3 解决问题的对策与措施

  1)加强施肥机械与施肥技术的研究,将农机与农艺结合起来。国家应该同时加强施肥机械与施肥技术的投入,重视机具与技术的基础理论与应用的研究,如播种施肥机种子与化肥比例的精确数据研究。

  研究符合农业现代化机具与技术的同时,还应把由中小企业生产的机具,且适应于中小型农场的施肥机具考虑在内。

  加强不同施肥机械的研制,尤其是针对地域差异、气候差异与植物在生长周期差异时所对应的机具研究,以达到“联合作业、一机多用”,且可施有机肥。

  将液力、气力理论应用到纯机械式施肥机具上以提高机具的自动化程度,使效率高、污染小与精确度高的机具替代落后装备。机具的研究应具有针对性,尤其是针对出现问题概率较高的部件进行优化设计,如肥料输送管道易堵塞及部件强度不够而容易产生的疲劳损失的问题。

  现代施肥技术综合性强,技术、机具与制肥三者缺一不可,应增强其技术与工作人员的交流与合作,探索出三者相互配套且有机结合的一系列应用理论。

  2)加强科研成果的推广,开展技术与机具应用培训。改变我国施肥机械与施肥技术落后现状的最好办法是加强科研部门与农业推广部门的紧密联合,以达到事半功倍的效果。应该鼓励施肥技术与机具研制人员对农民进行技术与机械的应用培训,既可以使科研人员不脱离农村实际,又可以增强农民的技术与机械的应用水平,纠正农民的错误施肥方式,学会保养与维修施肥机械,从而减少因为方式错误而导致的环境问题。

  国内施肥机械大都来自中小企业的生产,应该在农村展开调查,择优选择效率高的机具进行再开发与研究后向农民推广应用。同时,应利用各大农业高校与农业科研部门的科研项目,将项目的研究理论以及实验机加以改造为应用机,再投向于农村,实现科研价值的最大化。

  3) 淘汰落后机具,加大机具的补贴力度。结合国家对环境友好型施肥机具的补贴政策,强制报废农村低效率、化肥高污染的施肥机具,并予以相应的补贴。

  对于技术或机具使用的材料,尤其是污染大的材料,应该被环保材料取缔;淘汰落后机具,实现先进高效率机械的应用推广,推进农业现代化的进程。

  为了实现高精度机械与技术的推广应用,一是应尽量减少机具与技术的制造与应用成本,尤其是针对精准农业所使用的成本;二是加大政府对先进机具与技术的补贴力度,除了补贴农民购买机具或仪器时所需的成本外,还需要加大农民对技术与机具培训所需经费的补贴。

  参考文献:

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