果園精準施肥技術裝備研究進展

袁全春 曾錦 雷嘵暉 徐陶 李雪 呂曉蘭

摘要：精準施肥技術裝備是實現精準施肥、提高肥料利用率的重要載體。列舉國內外學者在果園精準施肥技術裝備開展的研究，從排肥量精準控制和施肥位置精準控制兩個方面，總結歸納現有技術實現精準施肥的方案。指出現有技術裝備無法根據單棵果樹的養分需求現場配制個性化肥料、定點施肥技術裝備應用較少、基于果樹生長規律的施肥決策模型缺乏等問題。提出要加強政策支持、深入研究高質量定點施肥技術和智能決策模型等對策建議。

關鍵詞：果園；精準施肥；農業機械；排肥量控制；施肥位置控制

中圖分類號：S224.2? 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0058-09

Research progress on precision fertilization technology and equipment in orchards

Yuan Quanchun1， 2， 3， Zeng Jin1， 2， 3， Lei Xiaohui1， 2， 3， Xu Tao1， 2， 3， Li Xue1， 2， 3， Lü Xiaolan1， 2， 3

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing，210014， China; 2. Key Laboratory of Modern Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and RuralAffairs， Nanjing， 210014， China; 3. Southern Orchard （Peach， Pear） Fully Mechanized Research Base，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

Precision fertilization technology and equipment is an important carrier to realize precision fertilization and improve fertilizer utilization. The research conducted by scholars at home and abroad on precision fertilization technology and equipment in orchards is listed， and the scheme of existing technology to realize precision fertilization is summarized from two aspects： precise control of the amount of fertilizer discharged and precise control of the fertilization position. Pointed out that the existing technology and equipment can not be based on the nutrient needs of a single fruit tree on-site preparation of personalized fertilizers， the application of point fertilization technology and equipment is relatively small， based on the growth of fruit trees， the lack of fertilizer decision-making model and other issues. It puts forward countermeasure suggestions such as strengthening policy support， in-depth research on high-quality fixed-point fertilization technology and intelligent decision-making models.

Keywords：orchard; precision fertilization; agricultural machinery; fertilizer discharge control; fertilization position control

0 引言

不合理施肥一直是我國農業生產存在的問題，果園施肥量超過發達國家的2倍［1］，造成肥料浪費和環境污染，對經濟效益和生態效益產生不利影響。近年來，國家持續推進肥料減施行動，不合理施肥得到一定改善，但肥料利用率仍有提升空間。精準施肥是提高肥料利用率的重要途徑，精準施肥技術裝備是載體。

果園施肥主要分為春夏季的化學肥料追肥和秋冬季的有機肥深施，深施有機肥主要為了改善根系周圍土壤環境，對精準度沒有太高要求。精準施肥主要應用于追肥階段，此階段需要快速供給果樹生長所需養分。而且，由于果樹個體生長和土壤養分狀況差異，其所需的氮磷鉀等養分也存在差異。過多施用污染環境，過少施用不利于果樹生長，需要精準施肥，在需要的位置施入需要的肥量。目前果園主要基于傳統的經驗模型，指導精準施肥量和施肥位置，在現有施肥方式和技術裝備的基礎上，開展精準施肥技術裝備研究。

國內外學者對果園精準施肥技術裝備開展了廣泛的研究，取得了重要的成果。本文通過查閱文獻，總結歸納國內外果園精準施肥技術裝備的研究進展，洞悉發展趨勢，旨在發現尚未解決的問題，尋找進一步提高肥料利用率的突破點，提升果園養分精細化管理水平。

1 國內外研究現狀

果園施用的肥料主要有液態肥和固體肥，針對這2種類型的肥料，國內外學者從排肥量精準控制和施肥位置精準控制方面開展了廣泛而深入的研究，并開發研制了相應的控制系統和施肥裝備。

1.1 排肥量精準控制

精準控制排肥量是精準施肥的關鍵，主要涉及液態肥精準排肥、固體肥精準排肥、排肥量檢測和排肥故障監測。

1.1.1 液態肥精準控制

液態肥是果園常用的肥料之一，現有精準排肥控制主要分為被動供肥和主動供肥。被動供肥以文丘里管吸肥為代表，通過調節電磁閥開關頻率實現排肥量控制；主動供肥采用泵排肥，通過控制泵的轉速、工作時間或系統壓力控制排肥量。氮磷鉀等養分的單獨供給，在線配肥也是精準施肥的重要措施，在現有研究中也有體現。

朱德蘭等［2］基于物聯網技術，開發了遠程水肥灌溉控制系統，見圖1（a）。該系統將自整定模糊PID算法加入遠程服務終端，通過算法控制本地端注肥泵頻率，實現肥液電導率控制。試驗表明，目標電導率越大，控制約精準。當目標電導率為2.5 mS/cm時，穩態時間為120 s，超調量為20.8%。左志宇等設計了一種多通道移動式果園灌溉施肥機，可按需精準控制施肥濃度、處方和灌溉量，見圖1（b）。具有6路基于文丘里管的吸肥通道，可根據EC傳感器等反饋的測量值，同時精準控制多種肥料供給。灌溉量相對誤差≤0.54%，EC值絕對誤差≤0.07 mS/cm，配肥相對誤差≤2.00%。Yamin等［3］設計了一種基于土壤氮磷鉀狀態實時探測的液態肥變量施肥機，可以變量施用氮磷鉀養分，見圖1（c）。采用基于比色法的數字土壤測試套件測定土壤肥力，采用3路泵分別控制氮磷鉀液態肥的供給，通過3個水平噴嘴在樹的一側施肥，通過3個安裝在45°懸架上的噴嘴在樹上施肥。當探測到樹體時，結合行進速度，控制相應量的氮磷鉀噴出。

1.1.2 固體肥精準控制

固態肥精準排肥的研究主要集中在排肥器結構優化設計和控制系統開發，排肥器以螺旋排肥器為主，控制上主要通過控制排肥器轉速和排肥口開度調節排肥量。多養分肥料配比摻混方面也有相關研究。

袁全春等［4］開發了一種果園有機肥變量排肥控制系統，見圖2（a）。結構上，采用排肥口兩側旋向相反且相位角180°的螺旋進行排肥，改善螺旋排肥的排肥量波動?？刂粕?，根據理論排肥量和作業速度，實時計算液壓馬達目標轉速，采集液壓馬達實際轉速。開發PID算法控制比例流量閥開度，調節液壓馬達轉速，實現排肥量精準控制。試驗結果表明，排肥量相對誤差≤6.20%、變異系數≤8.69%，準確性和均勻性較好。楊文武等［5］針對螺旋排肥器物料流量隨時間波動變化造排肥不均勻的問題，研究了排肥口長度和排肥口角度對螺旋排肥器排肥均勻性的影響。試驗結果表明，排肥口長度為60 m、排肥口角度為135°時，排肥效果最佳，排肥均勻性變異系數為5.41%。頓國強等［6］采用傾斜排肥口方案提升螺旋排肥器排肥均勻性。通過仿真分析得到，當斜口長度為105 m、斜口角度為30°～44°、開口寬度為40.05～55.00 m時，排肥均勻性較佳，變異系數小于15%，優于傳統螺旋排肥器。同時，基于排肥轉速流量曲線，設計了排肥控制器，可實現精準施肥。頓國強等［7］對采用錯位疊加單螺旋原理的弧槽雙螺旋式排肥器進行分析優化，見圖2（b）。通過試驗得到，螺距35 m、弧槽半徑17.5 m、中心距35 m時，排肥均勻性和準確性最佳。排肥精度為3.35%，排肥均勻性變異系數較優化前雙螺旋排肥器和單螺旋排肥器分別降低7.26%～15.48%。

楊欣倫等［8］設計了疊片式排肥量調節裝置，通過改變疊片相互搭接所形成的開口大小，實現排肥量調節，見圖3。通過試驗確定了最佳結構參數，折彎線相對中軸線偏轉角4.63°、向內折彎角14.4°、向外折彎角10.57°、起點與中軸線距離4.27 mm。田間試驗表明，排肥一致性變異系數為0.81%，穩定性變異系數為0.42%，均勻性變異系數為1.85%。劉彩玲等［9］設計了一種水平渦輪葉片式精量排肥器，可通過控制排肥渦輪轉速調節排肥量。通過試驗得到，當渦輪葉片數量為8個、排肥口開度為40°時，對磷酸二胺的排肥均勻性系數接近97%、穩定性變異系數小于2%，均有較好的排肥均勻性和穩定性。白秋薇等［10］研制了一種排肥輪槽口體積可變的排肥器及控制系統。根據目標施肥量和冠層直徑調節排肥輪槽口體積，同時根據作業速度調節排肥輪轉速，實現排肥量精準控制。構建了單棵果樹目標施肥量與排肥輪轉速、作業速度、槽口體積、冠層直徑的關系及控制規則。試驗結果表明，排肥量相對誤差小于4.83%、變異系數小于6.96%。劉莫塵［11］、閆銀發［12］等設計了一種均有摻混功能的變比配肥定向撒肥機，見圖4。通過仿真分析，排肥槽輪轉速在20～80 r/min時，摻混均勻性較好，配肥偏離度標準差小于0.4。通過試驗優化撒肥盤結構參數和工作參數，當撒肥板長度為450 mm、高度為80 mm、折彎角為100°、轉速為290.1 r/min、摻混腔收料口與撒肥盤中心距為88.2 mm時，撒肥均勻性較好，肥料分布變異系數小于40%。

1.1.3 排肥量檢測

閉環控制是實現精準排肥的有效途徑，液態肥常用流量傳感器來檢測排肥量作為反饋，而固態肥排肥量檢測相對困難?，F有學者基于電容法、靜電感應、微波法、激光雷達探測等開展了相關研究，并開發了傳感器。

周利明等［13］利用肥料與空氣介電特性差異，設計了基于電容法的施肥量在線檢測系統，見圖5（a）。構建了考慮溫度變化影響的氮磷鉀肥料質量流量與電容輸出的關系模型。試驗結果表明，系統能夠準確對肥料質量流量進行在線檢測，相對誤差為3.75%；同時能夠識別堵塞故障，準確率達100%。賈洪雷等［14］基于靜電感應原理，設計了顆粒肥料質量流量傳感器。設計了環形電極檢測肥料摩擦、碰撞產生的電荷強度，通過放大后輸出感應電流。標定了肥料流量與感應電流的關系，以根據感應電流得到肥料流量。試驗結果表明，大顆粒尿素、過磷酸鈣、氯化鉀的檢測誤差分別為3.9%、5.1%、5.9%，肥料粒徑越小，誤差越大。楊立偉等［15， 16］開發了基于微波法的顆粒肥料質量流量測量系統，提出了肥料質量流量測量模型和方法。通過最小二乘法構建了2種復合肥的流量與傳感器輸出值的映射關系，決定系數均大于0.985 8。撒可富的測量范圍為1 119.8～2 065.9 g/min，相對誤差為6.35%；史丹利的測量范圍為1 071.9～1 877.9 g/min，相對誤差為4.85%。

Yin等［17］提出了一種利用近紅外光電傳感器測量顆粒堆積厚度的方法。根據光強在不連續介質中的衰減特性，建立了輸出電壓與顆粒堆積厚度之間的高斯回歸模型。將3個傳感器平行布置成陣列，測量顆粒堆積厚度的變化過程。提出了一種以輸出電壓時間序列為輸入的反向傳播（BP）神經網絡來預測顆粒質量。經實驗數據訓練后，在0～600 g的顆粒質量范圍內，BP神經網絡的測量誤差和平均誤差分別小于±18.2 g和7.6 g。姜萌等［18］提出了基于光量阻擋原理的顆粒肥流量檢測方法，構建了以肥料流量與傳感器響應電壓相關性為基礎的模型。試驗驗證了肥料流量與傳感器累計響應電壓存在較強的相關性，決定系數高于0.992?；诩铀俳M建立的模型誤差最低，對尿素和復合肥的平均絕對百分比誤差分別為5.18%和4.07%。通過試驗得到檢測元件密度越大，檢測誤差越低。Zhao等［19］基于激光雷達開發了一種將肥料點云數據轉化為肥料體積的高效算法，見圖5（b）。該算法采用escape值濾波、離群值去除、有序點云集構建、點云平滑等方法對點云數據進行降噪，并采用動態區域提取顯著減少計算量，通過改進Delaunay三角剖分將點云數據高效轉化為體積，進而計算出肥料排放質量。試驗結果表明，施肥速度在20～70 r/min范圍內，氮磷鉀的檢測誤差分別為2.34%～4.66%、2.14%～4.25%和1.87%～4.59%，具有較高的精度。

1.1.4 排肥故障監測

故障監測是排肥量精準控制的重要組成部分，及時發現并排除故障是精準排肥的保障?？梢越柚欧柿總鞲衅鬟M行監測，也可以結合其他控制參數的狀態作判斷，現有研究較少。

翟長遠等［20］針對果園變量施肥機，提出扇葉旋轉落肥感應方法，研制故障監測裝置，單次排肥最少感知落肥通斷信號2次，監測準確率達到100%，見圖6（a）。陳遠玲等［21］針對甘蔗施肥機肥料易結塊堵塞問題，開發基于粒子群—前反饋神經網絡預測的施肥監控系統，見圖6（b）。通過前反饋算法構建輸入（馬達壓力、轉速、肥箱中肥量）與輸出（施肥機構工作空載狀態、正常狀態、重載狀態、堵塞狀態）的映射關系，利用粒子群算法優化。結果表明：工作狀態識別準確率為89%，重載狀態控制馬達正反轉消除堵塞概率為87.5%。

1.2 施肥位置精準控制

在需要的位置施肥也是提高肥料利用率的重要措施，國內外學者在施肥位置精準控制方面開展了深入的研究，包括開溝施肥、對靶施肥、穴施肥和定點施肥。

1.2.1 開溝施肥

開溝施肥是施肥裝備最常采用的方式，主要從土肥混合、曲線開溝、深度控制、分層施肥等方面開展研究，實現施肥位置精準控制，在根系的需肥位置施肥。

肖宏儒等［22］研制了果園雙螺旋開溝施肥機，采用前軸破土，后軸施肥攪拌的方案，見圖7（a）。后螺旋軸中空，并開有排肥孔，在土壤中旋轉時將肥料拋出，并和土壤混合均勻。該方案能夠實現0～400 mm全層混施，使各層根系均能得到養分供給。朱新華等［23］提出密植蘋果園有機肥機械化環溝施肥方法，在果樹單側以連續曲線開溝，包圍根系，同時施肥、混土，見圖7（b）。研制的施肥機借助檢測到的果樹定位信號，控制開溝混肥器橫向運動，配合行進作業完成曲線開溝。試驗結果表明，改裝備能夠準確識別果樹，進行連續環溝施肥，且全層土肥混合，施肥寬度210 mm±6.3 mm、深度300 mm±19.5 mm，平均功耗5.84 kW。張宏建等［24］研制了一種果園雙行開溝施肥機，能夠自動調節開溝深度，保證施肥位置一致。根據角度傳感器反饋的開溝部件角度，實時計算開溝深度，通過電磁閥控制液壓缸伸縮，調節開溝深度，使其保持在目標值。試驗表明，開溝深度穩定系數≥94.76%，開溝深度一致性較好。袁全春等［25， 26］研究了一種果園有機肥深施機，通過前、中、后混合回填部件將土壤和肥箱排出的有機肥混合后，依次回填至溝中，實現分層施肥，見圖7（c）。通過試驗得到，混合回填部件中攪拌槳葉側向角為90°、俯仰角為60°、轉速為200 r/min、分布長度≥400 mm時，土肥混合均勻度最高；當前、中、后卸料口導流板傾斜角度分別為70°、65°和50°時，各層土肥可以在施肥溝整個寬度范圍內均勻分布。

1.2.2 對靶施肥

對靶施肥是只在有果樹的位置施肥，在株間位置不施肥，能夠有效減少施肥量。主要研究涉及果樹探測識別和間歇性排肥控制。

Yamin等［3］設計了一種變量施肥機，當探測到樹體時才開始施肥，只在油棕樹周圍最有效根系的5 m×5 m（25 m2）面積上噴施液態肥料，見圖8（a）。白秋薇等［10］研制了一種基于激光雷達傳感器實時探測果樹冠層位置的柑橘果園自動對靶施肥裝置。試驗結果表明，落肥起點和終點偏離冠層邊緣最大距離分別為-0.15 m和-0.09 m，均在果樹冠層范圍內。Yang等［27］提出一種枸杞樹雙模型檢測方法，包括樹干檢測模型和樹冠檢測模型，可適用于不同時期的枸杞果園，見圖8（b）。同時設計了一種基于光電傳感器的果園定向變量施肥系統，以實現只在有果樹的位置施肥。試驗結果表明，檢測樹干、連續冠層和不連續冠層時的平均中心偏移距離分別為4.1 cm、9.1 cm和13.1 cm，能夠滿足枸杞對靶施肥要求。楊洲［28］、宋帥帥［29］等分析了香蕉根系與分布規律，劃分了主次施肥區，確定了施肥決策。幼苗期、營養體生長期和生殖體發育期的施肥長度分別為≤0.22 m、≤0.42 m、≤0.84 m，主次施肥區施肥量比例分別為8∶5、2∶1、11∶5，施肥長度比例分別為2∶1、5∶1、3∶1。研制了基于紅外光電傳感器探測果樹位置的施肥裝備，能夠只在施肥區變量施肥。仝敏［30］設計了一種基于雙目視覺識別蘋果樹位置的對靶精準施肥控制系統。系統采用四次多項式擬合視覺測量誤差，測量精度為99.3%，測量誤差為6.6 mm。Chang等［31］基于顏色共現矩陣的紋理分析與C++算法，開發了傳感和控制系統軟件，以區分藍莓與雜草，只在藍莓位置施肥。

1.2.3 穴施肥

穴施肥與對靶施肥類似，也屬于間歇施肥，但更加靈活，可以通過控制挖坑的位置，在需肥的位置進行施肥，穴施肥裝備結構相對簡單，新的研究內容較少。

苑進等［32］設計了一種原位混肥挖坑栽植機，采用螺旋鉆頭，底部用于挖坑升土、上部用于摻混土壤和菌肥，如圖9所示。到達目標深度后進行一定時間的混肥作業，然后提升螺旋，待放下樹苗后回填土肥。根據土肥混合均勻度確定摻混作業參數為轉速250 r/min、時間14 s。田間試驗表明，單次作業時間小于3 min，土肥混合均勻都變異系數小于16%，作業深度0～400 mm，挖坑直徑500 mm。巴利珍［33］設計了一種果園施肥挖坑機，穴坑直徑150～300 mm、最大深度800 mm，能夠調節施肥深度，能夠為深施肥提供技術支撐。

1.2.4 定點施肥

定點施肥是穴施肥的進一步發展，可以控制注肥裝置到達根系周圍的任一點，實現肥料的精準投放?，F有研究多采用高壓氣體疏松土壤，再使液態肥或固體肥擴散到土壤裂隙中［35］。

奚小波等［35］研制了一種氣爆松土注肥機，通過鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升4個步驟，實現定點施肥，見圖10（a）。優化了鉆頭參數，錐角為60°、鉆桿半徑為12.5 mm。試驗結果表明，300 mm深度、0.8 MPa氣爆壓力下，土壤最大裂隙寬為3～4 mm、裂隙擾動半徑約為400 mm，液肥均勻擴散到這些裂隙中。陳相安等［36］設計了一款以高壓氣流松土引導肥液擴散的果園注肥機，注肥裝置設計為氣、肥通道嵌套形式，一次下壓入土，完成氣爆松土、注肥兩個過程，互不干涉，見圖10（b）。通過試驗確定了通氣壓力0.8 MPa，注肥壓力1.5 MPa為最佳參數。液肥縱向、橫向擴散范圍分別為264～320 mm、250～270 mm，作業效率為0.10～0.12 hm2/h。Sliva等［37］開發了一種液體肥料定點注射系統，將鉆孔與注肥相結合，能夠連續定點定量注入液體肥料。沈從舉等［38］研制了履帶式果園氣爆深松施肥機，能夠完成果樹根部土壤定點打穴、氣爆松土和固體肥定量施肥等施肥工序，見圖10（c）。試驗結果表明，當打穴深度600 mm、施肥桿內徑30 mm、氣爆壓力0.6 MPa時，單次作業時間為22.1 s，肥料擴散半徑為413.6 mm，作業效果最佳。楊濤等［39］基于TRIZ理論設計了包括多連桿打穴破土機構、氣爆發生裝置和精量施肥裝置的深松施肥機，見圖10（d）。試驗表明，在常見果園中作業氣爆壓力大于0.6 MPa，便能夠得到較好的松土效果，同時保證顆粒肥料有效擴散。

2 存在問題

1） 果園精準施肥在排肥量控制方面，現有技術裝備已經非常成熟，能夠準確供給所需肥量。但多數只能施用單一種類的肥料，僅有少數能夠同時獨立控制氮磷鉀等養分肥料供給，難以滿足果樹對多種養分的差異化需求，無法針對單棵果樹實現個性化按需配肥施用。

2） 在施肥位置精準控制方面，由大面積粗放施肥向定點精準施肥發展，只在需肥位置施用。但定點施肥多處于研究階段，實際應用較少，且作業參數多不能智能調節。無法適應復雜多樣的土壤環境，容易造成肥料在土壤中分布不均勻。根據果樹根系分布實現肥料精準分布也難以實現。

3） 目前的精準施肥多依據經驗模型，缺少科學的、基于果樹生長規律的施肥處方決策模型，導致施肥量和施肥位置不合理，肥效無法充分發揮。

3 發展趨勢

1） 果園精準施肥在排肥量控制方面，一是向研發排肥均勻性、肥料種類適應性更好的排肥器方向發展，二是向基于排肥監測、故障報警、故障自動排除等的智能控制方向發展，另外也在由控制氮磷鉀復合肥總量向控制單一養分肥料方向發展。

2） 在施肥位置精準控制方面，由開溝施肥向易于控制施肥位置的定點施肥方向發展，由大面積粗放式施肥向基于果樹根系分布的精準施肥方向發展。

4 對策建議

1） 在政策層面應該加強精準施肥裝備補貼力度，使果農用得起；在應用層面應該根據不同區域的果園特點，推廣適用的精準施肥裝備，并擴大宣傳、培訓力度，使果農信得過、用得會。

2） 在技術層面一要降低裝備成本，提高作業效率；二要突破基于根系分布的定點施肥技術，提高精準施肥裝備性能；三要加大智能施肥決策模型的研究，讓果園精準施肥有策可依，從源頭提高肥料利用率。

參 考 文 獻

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基金項目：國家重點研發計劃（2022YFD2001400）；國家梨產業技術體系（CARS—28—21）；江蘇省農業自主創新資金項目（CX（23）3037）

第一作者：袁全春，男，1993年生，山東臨沂人，博士，助理研究員；研究方向為果園養分智能診斷與精準施肥裝備。E-mail： yuanquanchun@jaas.ac.cn

通訊作者：呂曉蘭，女，1980年生，山東濰坊人，博士，研究員；研究方向為果園植保機械與施藥技術。E-mail： lanny@126.com