一種多功能水肥一體化機械設備及其應用

榮延軍，劉洪岺，張建凱，張 波，甘久霖，徐福勝

（濱海新區大港林果種苗站，天津 300270）

農業現代化核心支撐是農業機械化。水肥則是影響林果產業質量的重要因素。水肥一體化技術是水與肥料融合同步的一項農業新技術新方法[1]，具有節水、節肥、節藥；省工、省力、省心；增量、增收、增效[1]等功效。目前，我國水肥一體化技術發展已經由過去當地應用示范到現在的大規模應用[1]。其模式特征均屬于固定式的設施管網滴灌體系，主要有水源工程、首部系統、輸配管道系統和灌水肥器等硬件系統組成[2]。該系統龐大復雜，其技術含量、建設投資、運行成本、對水源肥料質量要求高，但其穩定性、功能性、通用性、實用性、靈活性差，且易老化、易損壞、易出故障、易堵易漏、易致次生鹽堿累積、易影響林果園土壤耕作和樹體管理作業，而此類需要額外消耗電能，且價格較高[3]，其缺陷多、問題大、推廣困難，一般多應用于設施農業或小規模高附加值蔬菜栽培。我國目前還沒有一套能夠集水肥一體化技術管理各種優勢、克服其所有缺陷的多功能機械設備以支撐和推動我國規?；筇铿F代農業及林果產業轉型升級和提質增效。我們項目組則通過發明一種果園水肥一體化多功能機械專利設備及其配套技術（專利號201920552315.5），致力于解決我國規?；筇铿F代農業和林果產業水肥一體機械化多功能管理問題。

1 該專利設備系統特征

該專利發明一種果園水肥一體化多功能機械專利設備系統特征主要有Ⅰ配套主動力系統、Ⅱ發明主體設備系統和Ⅲ配套輔動力及儲罐系統配套集成，其系統結構特征如圖1所示。

說明：Ⅰ代表配套主動力系統結構，包括：1'.拖拉機；10'.動力升降桿。Ⅱ代表發明主體設備系統結構，包括：2'.可拆卸空心犁頭；3'.主體方形剛架構；4'.深度控制輪；11'.鋒鋼刀片；12'.M分頭膠管支撐桿；13'.高壓泵；14'.覆土器。Ⅲ代表配套輔動力及儲罐系統結構，包括：5'.儲水罐；6'.出水管；7'.高壓泵柴油機；8'.吸水管；9'.儲水罐牽引桿。Ⅰ和Ⅲ配套設備是一般大型果園用于耕作和病蟲害防治噴藥都先行必備的動力和基礎設備。該專利發明主體設備Ⅱ屬于模塊化集成應用。

1.1 該專利設備結構功能

該專利發明設備主體是由方形鋼管焊接成的長方形鋼架構3'，用于承載各種功能器具；3' 可調控深度5～45 cm，可伸縮長度2.5～4.5 m，以達到最佳作業幅度；3' 后邊兩端對稱分布兩個深度控制輪4'，用于平衡和輔助控制犁頭深入土壤作業深度；3' 主架兩側對稱分布空心犁頭2～8 個（一般林果園株行距（2～3 m）×（4～6 m）情況下使用2～4 個空心犁頭即可），以將水肥藥菌灌注地下；2' 呈18°寬燕尾翅三角形狀，用于開溝；2' 從犁尖到犁脖中間垂直焊接30 cm 長、2 cm 寬單刃長形鋒鋼刀片11'，刀刃朝上斜前，用于切割草團根系、大型土塊，并通過控制犁頭深度實現根系修剪；5' 是一般果園噴藥用儲水罐，在該專利發明應用中同時用于儲存配置好的肥藥微生物菌等；3' 設置于1' 后邊、5' 前邊，直接和10' 連接；5' 設置于3' 后邊，直接連接拖拉機牽引鉤，7 固定在5' 后邊的車架上，以合理形成配套和順暢作業；3'、5'、13' 由6'、8' 連通、再由12' 支撐分頭膠管管節，以保證水肥藥菌的吸入和輸出；13' 提供吸取、輸送和灌注的動力；14' 實現給犁溝覆土保墑功能，以完成水肥一體機械化多功能作業。

1.2 該專利設備使用技術

（1）將該專利發明果園水肥一體化多功能機械配套設備40 拖拉機、和主體設備、儲水罐、各種膠管全部掛鉤連貫，根據作物及林果株行距調試好主體設備鋼架構寬度，配置好空心犁數量。

（2） 根據使用說明，配制好300 倍稀釋配方水溶肥和20%呋蟲胺7 000 倍液配置到儲水罐中。

（3）進園后，將空心犁頭深入地下15 cm 深度，然后開動高壓泵柴油機，設置供水壓力3 個，計量水量1 t，40 拖拉機低速三檔位順行牽引。這樣，該專利設備及其配套新技術應用可以實現1.5 人、15 min 完成0.27 hm2的（200 棵冬棗樹）水肥藥菌一體化多功能作業。

1.3 該專利設備配套產品及其使用技術

該專利設備配套北京環科益農生物科技有限公司配方水溶肥新產品包括稀土配方高鉀型、平衡性水溶肥和微生物菌配方有機質水溶肥，在本項目示范中均應用300 倍液。

2 應用的方式方法

2.1 應用示范園概況

本項目應用示范園位于天津市濱海新區太平鎮東升村，當地屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫13.2℃，≥10℃積溫4 323℃年，平均日照2 733 h，累年總輻射量121.1 kcal/cm2（5 354.6 兆焦耳/m2），生理輻射總量61.544 kcal/cm2，無霜期238 d，年均降水量416.8 mm，年蒸發量1 989 mm。降水主要集中7 月—8 月，降水量占全年的74.4%，土質黏重，主要由鹽化潮土和海積鹽土構成，平均含鹽4.73 %，平均有機質含量0.4%。

2.2 應用方法

本項目應用示范以天津市濱海新區太平鎮東升村鑫盛冬棗種植專業合作社的20 hm2冬棗園做應用示范園，以該園20 年生盛果期生長發育狀況基本一致的冬棗樹為試材，以該園10 hm2冬棗樹應用T1：水肥一體化多功能機械專利設備及其配套新技術管理模式；以該園10 hm2冬棗樹應用T2：水肥常規化人工挖穴埋肥樹帶起畦灌水施肥管理模式作對照。T1 和T2 均在冬棗樹萌芽期、花期、幼果膨大期和果實成熟前期，通用T1 配套的北京環科益農生物科技公司300 倍配方水溶肥，分別實施4 次常用的人工肥水管理作業和4 次新模式水肥一體化作業。T1 第一次作業同時應用20%護瑞7 000 倍用于地下施藥防治冬棗兩大主要害蟲綠盲蝽象和棗癭蚊危害。

3 獲得的效果和突破

3.1 關于T1 和T2 兩種示范模式各種成本、質量、效益指標

見表1 和表2。

3.2 關于T1 和T2 兩種示范管理模式應用效益分析

從表1 和表2 可以看出，兩種管理模式T1 和T2 經過4次作業的用水量和用肥量，T2 是T1 的400 倍和4 倍，分別實現專技節水率99.8%和節肥率75%。因此，該發明設備節水效果尤其顯著；如果不計用水價值，T2 模式水、肥、油、電、工費用是79 800 元，T1 模式則是15 180 元，實現降低綜合費用成本64 620 元，綜合節本率達81.0%。T1 模式節本效果更是突出。

從T1 和T2 兩種管理模式表現出的質量和效益指標看，T1 模式全面超越T2 模式。主要原因由于水分和養分（肥料）是作物生長的最基礎條件，是人為調控頻繁、影響最大的生長環境因子[4]，水肥一體化技術最大化地發揮水肥耦合效應，實現水分和養分時空上同步，大幅度地提高水肥利用效率，使養分利用率可高達90%[5]，在節水的基礎上促進了冬棗樹生殖生長，在節肥的基礎上顯著地提高產量達23%。在節水和節肥的雙基礎上提高品質指標含糖量34.0%、維生素C 含量21.9%。分析原因水肥一體化技術施用鉀肥有效性較高，鉀利用率可超過90%[6]。因為鉀元素既能增產，還能改善果實品質，如可溶性固形物和抗壞血酸濃度增加、改善果實顏色、延長保鮮期等[7]。T2 則因為大水大肥導致冬棗樹勢營養生長過旺，坐果率、含糖量和單果重分別降低70.8%、34.0%和27.9%，產量下降，品質降低，成熟期也隨之延后1 個月，綜合因素導致T1 模式冬棗果實價格高于T2 達65.7%，這與吳海蘭等對紅棗的研究中發現水肥一體化固體肥、液體肥、滴灌、NPK 處理均不同程度提高了沙地紅棗含水量、總糖、還原糖、總黃酮、維生素C 等品質指標的含量，同時也有效降低了棗果酸度，其中水肥一體化液體肥處理提升棗果品質最佳[8]和王新元等研究表明的灌水量較高時會降低蔬菜品質，使果實內可溶性糖、有機酸、可溶性固形物、可溶性蛋白和維生素C 含量降低[9]的研究結果相一致。

表1 T1 與T2 不同示范管理模式成本各項構成及相關技術指標Tab.1 Cost components and related technical indicators of different demonstration management modes of T1 and T2

表2 T1 與T2 不同示范管理模式質量、效益及各項多功能技術指標Tab.2 T1 and T2 different demonstration management modes quality, efficiency and various multi-functional technical indicators

4 結語

中國是果樹產業第一大國，林果產業對我國農民增收和脫貧致富具有重要作用，隨著我國土地流轉政策發展，實現規?；筇锪止麍@水肥一體機械化管理意義重大。該發明設備實用、耐用、成本低、集成度好、配套性強，使用靈活、機動簡易，農民樂于接受，易于推廣，適應性強，是我國實現農業產業現代化、機械化、規?；?、集約化和標準化的利器。