玉米施肥技术与施肥机械的研究现状及趋势

玉米施肥技术与施肥机械的研究现状及趋势作者：天天论文网日期：2016-7-410:21:40点击：0引言玉米适应性广，是我国第二大粮食作物。其营养价值及附加价值高，在我国的粮食生产与粮食安全中占主导地位。农业部在2012年的粮食增产模式试点启动仪式上曾经提出到2020年，我国粮食增产500亿kg以上的目标。这一目标的实现很大一部分需要依靠玉米。因此，在我国耕地面积不断减少、人口老龄化不断加剧的情况下，如何提高玉米产量对粮食生产和粮食安全等方面具有十分重要的意义。影响玉米产量的因素比较多，如玉米的品种、施用肥料、种植方式、田间管理和机械化作业水平等［1］。由于玉米植株高大、光合效率高，对养分的需求相对较高［2－3］，因而施用化肥是提高玉米产量的重要保证。化肥配制、施肥技术与施肥机械是施肥的三大组成部分［4］。在我国政府的扶持下，化肥研制已取得较大成就，而玉米的施肥技术与施肥机械和发达国家相比差距较大。两者的落后不仅导致了化肥利用效率低、损失大，随着时间的推移，进而导致土壤生产力下降、水体污染及农产品品质下降等各种问题［5］。因此，改变我国玉米施肥技术与施肥机械落后的现状，积极研发先进、高效的施肥技术及机械，对加速我国农业的现代化进程、提高化肥的利用率及减少化肥污染具有重要的意义。1玉米施肥技术及现状分析玉米施肥技术可以使所施肥料按一定比例聚集在种子、玉米根系附近，在不伤害种子、根系的条件下被其吸收利用。合理的施肥一方面可以满足玉米生长过程中所需的养分，另一方面可以解决因化肥使用不当而对环境造成的农业污染问题，以满足可持续发展的要求。玉米施肥技术有多种，以种肥施用技术、一次性施肥技术、测土配方施肥技术与穴施肥技术的应用较为广泛。1．1玉米施肥技术1．1．1种肥施用技术玉米种肥可为玉米生产初期种子的萌发提供相应的养分。玉米机械施肥时，我国常用的方法是在玉米播种机上另加一施肥装置，一边播种一边播施肥料。按肥料与玉米种子的位置关系，现有的玉米种肥施用技术主要有以下3种［6］:1)种肥混施技术。即施肥后，肥料和种子混合在一起，处于同一沟底中。由于种肥混施技术会使玉米种子与肥料直接相接触，容易腐蚀伤害种子，产生缺苗现象，因而该技术已经被逐步淘汰。2)种肥侧位分施技术。即施肥后，化肥处于玉米种子一侧的偏下位置，种子与肥料不相互直接接触，溶解于土壤中的肥料养分再被玉米幼苗根系吸收利用。由于所施肥料主要集中在种子一侧，根系两侧的肥效不均，所以幼苗根系容易向一侧生长。玉米种肥侧位分施时，种肥不同沟，可以为种子发芽提供良好的条件，但需要两个开沟器完成开沟工作，增加了对地表的破坏;同时，由于开沟器间的间隙较小，开沟器之间可能会堵塞田间作物秸秆。3)种肥正位分施技术。即施肥后，化肥处于玉米种子的正下方位置，种子与肥料之间间隔有一定厚度的土层，溶解于土壤中的肥料养分再被玉米幼苗根系吸收利用。由于所施肥料主要集中种子正下方的土壤，这将引导玉米幼苗根系向下生长，从而减少倒伏现象的发生。玉米种肥正位分施时，种子和肥料同沟，提高了机具在前期作物秸秆覆盖地上的通过性;但由于种子和肥料之间隔有3～5cm的土壤，这就要求种肥正位分施时开沟深度一般在10cm左右，对牵引机具的功率要求相对较大。1．1．2玉米一次性施肥技术玉米一次性施肥技术，是指在玉米的整个生长发育过程中，只施用一次肥料。该技术施用肥料时，是与播种同时进行，但由于肥料的特殊性，肥料可以为玉米生长的前、中、后期持续提供营养，不需要另外的后期追肥。该技术的出现简化了施肥工作，不仅可以保证玉米苗期用肥，而且减少了施肥量、节约了化肥生产原料(煤、电、天然气)、提高了肥料利用率、减少了生态环境污染。但是，玉米一次性施肥技术对肥料的要求比较高，所用肥料品种大多为高氮复混肥或是缓/控释肥，肥料价格比普通肥料偏高。1．1．3测土配方施肥技术测土配方施肥技术由土壤肥料检测、施用肥料配制和进行施肥3个环节顺序构成，各个环节紧密结合，缺一不可。测土配方施肥技术虽然可以提高化肥利用率、降低农业生产成本，但由于测土方法的落后降低了施肥作业的时效性且应用面积小，同时同一地块需要配置不同肥料进行施用，导致环节之间的连接较为困难。尤为突出的是，现阶段该技术与机械生产加工水平相脱节，我国还不能生产出与该技术相适应的机具进行玉米田间生产管理作业。1．1．4玉米穴施肥技术玉米穴施肥技术通常与玉米穴播技术同时应用。玉米穴播是指按一定行距和穴距，将种子成穴播种，每穴可播1粒或者数粒种子;而玉米穴施肥技术是将化肥呈穴状施入土壤，并且化肥处于穴播种子的侧下方或正下方位置，两者之间有一定的间距。穴播穴施肥效果如图1所示［7］。玉米穴播穴施肥技术，既可避免传统的种肥混施时烧种、烂种现象，又可以避免种肥侧位、正位分施时化肥没有针对特定种子而导致肥料浪费、利用率不高的现象，同时它的实现比测土配方施肥技术的实现更为容易。穴施肥时，肥料集中施用，有针对性地在每穴种子旁边施用一定量肥料。穴播穴施肥技术，不仅提高肥料利用率、减少化肥的使用量，也缓解了因化肥施用不当而引起农业污染问题。但是，当前我国穴播穴施肥机械中的某些关键技术水平不够高，尤其是穴施肥排肥技术，目前比较成熟的玉米穴播穴施肥机具比较少，导致该技术不能在全国大面积推广应用。1．2我国玉米施肥现状分析随着农业生产的发展，施肥成为玉米稳产、增产的必要保障措施之一。近年来，我国的玉米施肥现状如下。1．2．1我国玉米生产中肥料用量持续增加2008年，我国玉米氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥的用量分别为207、100、65kg/hm2，单位面积化肥总用量为372kg/hm2。近年来，虽然测土配方施肥技术和穴播穴施肥技术等节肥技术的不断推广应用，但玉米的单位面积化肥总用量仍呈递增趋势，玉米单产的增加速度却显著低于肥料用量的增长［8］。1．2．2区域间、农户间施肥量变异巨大我国幅员辽阔、地势复杂，不同区域间的地形地貌、土壤等环境差异较大，导致在农业生产上产生较大差异。就玉米生产而言，东北地区的玉米产量普遍偏高，相对应的该地区玉米施肥量在全国居高不下;不同农户对玉米施肥的认识不同，导致一些农民玉米施肥不足，一些农民玉米施肥过量。总之而言，我国的农业生产国情是产生这一现象的主要原因之一。1．2．3化肥损失多，环境污染大由于我国玉米的施肥量持续增长，而化肥的利用率却得不到有效提高，甚至有些地区的农民仍按传统经验进行玉米施肥，施肥结构不合理，致使化肥施用量增加，产量却不增加，造成大量的浪费。这些在玉米生产中所施用的养分，特别是氮肥向大气和水体的流失也在增加，造成农业污染。2我国玉米施肥机械的研究现状及分析2．1玉米施肥机械排肥器的类型及应用现状排肥器作为播种施肥机上的重要组成部件，对施肥机具的工作质量、化肥的利用率及施用效率有直接影响，甚至将影响到玉米产量。排肥器的合理利用对于提高农业经济效益，改善农民生活水平都具有重要意义，因此有必要对排肥器进行研究。现阶段，国内大部分玉米播种施肥机采用条施的方式进行施肥［9］，其排肥器的发展已经获得了较大的成效，研制成功并得到生产应用的排肥器有十几种产品，其形式主要有外槽轮式、刮刀转盘式、离心式、螺旋输送式、星轮式、搅刀拨轮式、摆抖式、滚轮式和振动式等［10－12］，均为条施排肥器。其中，由于外槽轮式排肥器(见图2)具有结构简单、施肥均匀性好等特点，基本上能满足我国不同地区农业对化肥深施机具产品的要求，因而该排肥器的应用比较广泛。外槽轮式排肥器的研究和在农业生产上的实际应用比较早，较为突出的是在1993年，四平市农业机械化研究所苏守礼等人［13］研制出由塑料加工制成的外槽轮式排肥器，该排肥器适用于施排流动性较好的颗粒肥，肥量调节简单、直观、准确，抗腐蚀和坚固耐用，随之该类型的排肥器得到批量生产并大面积推广应用。同年，胡英俊等人［14］对单体外槽轮排肥器进行了改进，使其解决了排肥断条和不排肥现象。此后，外槽轮式排肥器不断得到改进和应用。近年来，在精准农业技术的飞速发展下，玉米施肥技术也向着高效、节能方向发展，随之产生了玉米穴施肥技术。当前，我国穴施肥排肥器的研究处于初级阶段，落后于发达国家的技术水平［15］。在众多企业、科研单位和个人不断努力下，也研制出一些穴施肥排肥器和穴施肥机具。1994年，肖云清［16］设计了一种同步穴深施肥播种机，采用窝眼轮式排肥器，通过调节窝眼深度实现肥料成穴作业。2001年，韩光义与刘善臣［17］设计了一种穴施肥精密排肥器，先将肥料集中在管中，当孔与管对齐时，堵肥板瞬间打开，肥料成穴落地。2002年，苏博兴［18］研制的条穴兼用排肥器既有条施肥功能，又可进行穴施肥作业;李文波［19］设计了一种窝眼式排肥器，利用带有窝眼的排肥辊实现肥料成穴;周云峰［20］设计了一种弹射活塞式穴施肥器，利用活塞机构的间歇运动实现肥料成穴。2003年，李文波［21］又研制出双圆盘开沟穴施肥排肥器，具有结构简单、成本低廉、开沟穴施肥质量好及作业可靠的特点，可满足穴播作物的穴施肥要求。2006年，黑龙江省饶河县饶河农场小佳河林场的高忠军等人研制出穴肥可调式排种排肥器，实现了化肥穴施。2009年，黑龙江农业职业技术学院［22］也利用外槽轮式排肥器，研发出2BJ－2型精密播种穴施肥机，通过不断开闭排肥阀门来实现肥料成穴。以上排肥器及机具，存在肥料成穴性能差及工作效率低等问题，没能得到大范围推广应用。2．2玉米施肥机械装备发展现状玉米施肥机的分类有很多种，按照玉米施肥时间来分类，玉米施肥机械主要分为种肥施肥机械和中耕追肥机械两大类［23］。其中，种肥施肥机械的应用更为普遍。玉米机械化种肥施肥多是与播种同时进行，由复式作业机一次完成玉米的播种和化肥的深施作业。现阶段，国内玉米播种施肥复式作业机已经比较成熟，许多以条施为主的机型在玉米生产中大范围应用。常见的机型有河北农哈哈机械集团有限公司生产的2BYSF－N勺轮式玉米精量播种施肥机、五台县城园丰农机制造有限公司生产的2MBF－1/2型玉米铺膜施肥精量播种机、石家庄保东农业机械有限公司生产的2BYF－2手扶带玉米精量播种施肥机、山东曲阜圣鲁机械厂生产的小型多功能播种施肥机、山东天盛机械制造有限公司生产的2BYF系列玉米施肥播种机和郑州市勇丰农林工具有限公司生产的适应于丘陵山地SB－13B2型背负式施肥播种机等等。这些机具日趋成熟，机械化施肥性能好，大大降低了农民的劳动强度，提升了玉米机械化生产水平。精密播种技术在玉米播种方面也不断得到应用，相应地出现了玉米穴施肥技术，大大提高了化肥的利用效率。人们逐渐认识到这一问题，许多科研人员和单位也开始研制玉米穴施肥技术及装备。黑龙江省农业机械维修研究所的张亚萍［24］研制出2BT－6X型玉米催芽穴喷水穴施肥精播机，在播种的同时，进行肥料穴施、水穴喷，达到了良好效果。黑龙江农业职业技术学院的辛莉等人研制出2BJ－2型精密播种穴施肥机，实现了按穴排肥，并且穴距可调整。镇江市农业机械技术推广站的郭伟等人研制了一种间歇式穴施肥机构，采用槽轮间歇机构来实现间歇排肥。同时，随着精准农业技术和装备的快速发展，变量施肥技术和装备也发展迅速，国内很多科研单位研制出变量施肥机［25］。吉林大学自行研制的基于IC卡的手动/自动变量施肥机2SF－2和2BFJ－6，通过单片机控制施肥量，实现了实时变量施肥。吉林农业大学研制的2BFJ－6型变量施肥精量播种机，由田间计算机控制液压马达的转速实现变量施肥。上海交通大学刘成良教授主持研制的基于全球定位系统GPS的智能变量播种、施肥、旋耕复合机，实现了一机多用。这些技术及装备的应用，虽然可以达到节肥和提高肥料利用率的目的，但由于机具性能不稳定、作业效率不高等问题，尤其是变量施肥机的适应性比较差、精度低［26］，目前大多处于试验样机水平，不适应生产需要和批量生产。2．3我国玉米施肥机械存在的问题2．3．1种子与肥料的施用量不明当前，由于技术水平的限制，国内大多数玉米种肥施肥机没有精确的控制系统来控制种子与化肥的施用比例，只能通过人为经验控制种肥量，不能保证种子或肥料的最佳施