张建路，王鹏飞，李昕昊

（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000）

0 引言

果树种植属于劳动密集型产业，传统的果树栽培技术和管理技术相对落后，先进的种植模式——果树行间种草[1]相较于以往果树行间的闲置或旋耕，不但可补充土壤养分，还可保持土壤水分、改变果园环境、提高果实产量[2]。传统的闲置或旋耕使得地表裸露、水土流失，果树行间种草不仅避免了这些问题，还能促进果树根系的生长，提高土壤有机质及氮、磷、钾、钙的含量[3]。果园的果树单一生长，容易诱发多种病虫害，造成管理的困难，种草可以使得果园的生态达到一种微妙的平衡，阻止某些细菌不再无节制的爆发导致果树生病[4,5]。

本文分析了果园生草农艺及喷播机的发展现状，对已有喷播机构提出了相应的改进方案。

1 果园生草

果园生草主要有3 种方式：一是自然生草；二是人工种草；三是在自然生草的基础上人工种草[6]。

1.1 果园生草的意义

国内果园生草技术应用不多，且大多数还在使用清耕制，这种方式使得果园生产成本大，生态退化严重[7-9]，产品质量不佳。此外，还有果农认为草会影响果树的生长，和果树抢养分，甚至是招来害虫[10,11]，但最近一些学者的研究表明，在果园种草一定程度上可以提高果树的抗逆能力，例如提高果园中的微生物数量，土壤温差变小、害虫的天敌增多等[12,13]。只要管理妥当，不会出现草树争抢养分的情况，根据王珊等人的研究，当草的生长缺少水或者阳光时，果树的茂密程度及果实的质量大小会有明显变化[14]。

1.2 果园生草的主要类型

果园的生草类型有一年生和多年生两种。一年生需要每年为果园种草，陈学森等人提出长柔毛野豌豆在自然生草的状态下，可以生长良好，该品种适应能力强且分布广泛[15]。多年生草种需要有良好的越冬率，杨露等人通过对美国常用的21 种果园常用生草的品种进行筛选，挑出了8 种具有良好越冬率的品种[16]。草生长5～7 年后，其覆盖性能会降低，此时可以休闲1～2 年，重新种草[17]。多年生的杂草也可以重新利用，主要方式有3 种：直接做绿肥、刈后覆盖或做草饲料[18]。

1.3 草种的选择

草种的选择应具备以下条件[19]。

1）年降水量在600 mm 以上的果园可以种草，较干旱地区可以种多年生黑麦草。酸性土壤可以种植白三叶草、鼠毛草等。

2）草种经过搅拌和泵送后不会对其生长发芽造成影响或影响较小。液力喷播机对草种的影响最小，客土喷播在搅拌中可能会因为摩擦太大，使得种皮脱落。

3）种草之前，应该确定草的品种具有耐践踏、引诱天敌且固氮能力较强等特性。

2 果园生草用机械的发展现状

果园生草机械化主要是通过喷播机作业实现，喷播机械主要分为气力喷播机和液力喷播机两大类。早期的气力喷播机主要应用于播种后的覆盖，后来经过改进，可以在覆盖的物料中混入草种，直接进行播种。液力喷播机应用较为广泛，我国于20世纪90年代引入液力喷播技术，用来恢复高速公路、机场等大型基础设施建设后的地表植被，同时也在植树造林、防风固沙等方面起了重要作用[20]。

液力喷播机主要由混料罐、搅拌器、泵站、喷枪和机架5 部分组成。客土喷播机主要设备由喷播机、空压机、柴油发电机、自落式混凝土搅拌机、碎土机、抽水泵、自卸汽车组成[21]。气力喷播机主要由主风道系统、排种输送系统、喷筒系统、传动系统组成[22]。

国外有许多国家诸如美国、日本等都有设计喷播机械，种类繁多，容量在150～12 000 L不等，匹配动力在3～60 kW。常见的品牌有“芬尼”“波威”“土宝”“安逸”“莱克”等[23]。

2.1 喷播种草技术条件

喷播种草技术代替了人力，种草更为方便快捷。喷播种草主要分3 种方式，气力喷播、液力喷播和客土喷播。喷播前应具备以下几个条件[24]。

1）地表应比较干净且无其它杂物。客土喷播中加入了壤土作为介质，是对无法清理干净的表面进行的一种作业方式。

2）地表无水且不能积水。液力喷播是在以水为载体的情况下进行的喷播作业，由于机器的限制和人力的干预，喷播后的表面并非处处都有相同的厚度，有的地方过薄可能无法长草，有的地方过厚可能也无法长草，雨后水直接覆盖草浆表面等均是喷播前需要处理的问题，喷播表面排水性好。

3）地形要平整。平整后的地形更有利于排水，也不会造成草浆无法覆盖或覆盖过多的问题，地形平整也有利于机器的前进，方便作业后的管理且比较美观。

4）表土改造。不同的草种适用于不同的地面，表土有砂质土、黏质土和壤土之分，有酸碱之分，土壤元素种类有多有少，在播种前应把土壤改造成适于草种生长的环境。

5）去除杂草。杂草不仅和新播种的草种争夺养分，同时也不利于喷播作业。喷播前应使用五氯酚钠覆盖地面以杀死杂草与其种子，在暴晒的情况下仍会有一些草种随风飘到喷播地面，此时药效仍可把随风飘来的草种杀死。一般施药一周后药效失效，则可以进行喷播作业。草种萌发多在春秋，此时喷洒农药效果明显。

6）施足有机底肥。在混料中有一些种子萌发剂，种子萌发后为了快速成长，可以施一些有机肥，保证喷播后能有效成长。有机肥一般为沤肥，同时与地表土混拌均匀，量不宜过多，以免肥量过多造成烧苗。在喷播前首先应检查土壤微量元素，缺少某种元素，就用无机肥进行补充；如果地表较为贫瘠可以施复合肥，使地表的微量元素平衡或达到草种的生长需求。

2.2 主要喷播机类型

2.2.1 气力喷播机

我国最初并未引进气力喷播机，因为它只作播种后的覆盖工作，但是气力喷播机体积小，易操作，国内便着手进行自主研究。

内蒙古林学院研制的4BQD-40 气力喷播机，供料均匀可靠，不堵塞、不漏播，可用于远距离喷射作业[25]。内蒙古农业大学的王安亭对其排种系统进行了研究并加入了自动控制，使机械能在作业过程中进行检测和控制，及时发现故障，达到精确控制排种[26]。内蒙古农业大学陈燕更加精确地从多个方面对排种进行了控制[27]。该气力喷播机的播种性能得到了很好的提升，但是远距离的喷播作业对天气有一定要求，气力喷播机的种子多为干纤维和草茎，沿途可能会留下草屑。喷播作业时种子没有埋于地下，多与其一起喷播出的草茎同时覆盖于土质表层，不利于种子发芽，且发芽后的小苗也容易受到雨水的冲刷和风力的摧残。为解决上述问题，液力喷播机应运而生。

2.2.2 液力喷播机

液力喷播机主要由混料罐、搅拌器、泵站、喷枪和机架5 部分组成。混料罐的大小是喷播效率的主要指标，芬尼喷播机的最大容积达12 500 L，作业的范围更广。

刘晔、王晓东等人研制的CBJ-3.5 草种喷播机以内燃机为动力，同时为搅拌和喷射泵提供动力（如图1 所示），不仅可以喷播草种也可作为水枪浇水，甚至可以更换喷头进行喷雾作业。每立方米混合液的喷播覆盖面积大约为300 m2，每装一罐喷播面积可达1 000 m2左右，喷播时间约为20 min，搅拌时间约为30 min，比人工效率高10～15 倍[28]。该喷播机优势明显，在加入保水剂和粘合剂后不会造成堵塞且具备其他功能。但与很多液力喷播机类似，该设备没有单独设计溢流口，当喷播作业需要暂停时，只能通过关闭离心泵来停止作业；如果喷播机已经完成作业且罐中仍有剩余混料时，混料无法取出。同时该设备还必须在每次搅拌混料前计算好材料比例，如果水多，后期种子的覆盖效果将大大降低；如果水少，搅拌系统的压力和泵的压力将会大大增加，达不到扬程，喷播效果不好。

图1 CBJ-3.5型草种喷播机的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of CBJ-3.5 grass seed sprayer

2.2.3 客土喷播机

喷播机在使用过程中首先应考虑的是种子能否快速萌芽生长，然后才是作业能力。客土喷播机在液力喷播机的基础上，实现了在混料中加入土壤成分，土壤的加入能更好地覆盖地表，国内对此类机型的研究还比较少。

青山绿水机械厂研发的ZKP 大功率客土喷播机为液压型喷播机（如图2），在混料中加入了土壤后有利于草种的发芽成长，但是喷播作业完成后需盖无纺布，否则会被雨水冲刷。另外，此液压喷播机比平常液力喷播机多了一道筛土工序，而液力喷播机为搅拌喷播一体机，暂无筛土机构，因此该机器运行时必须有筛土机配合，若直接加入土壤进行搅拌不仅影响喷播效率，而且会因为个别土壤搅拌不充分，误工误时。

图2 客土喷播机作业图Fig.2 Operation diagram of guest soil sprayer

3 果园生草机械及其构成

下文将介绍的果园生草机械方案采用液力喷播方式，与普通液力喷播机不同的是，不采用喷枪进行远距离作业，而是仅覆盖在牵引机械的后方位置，即果树行间。

3.1 搅拌系统的选择

表1 为5 种常见的搅拌系统[29]。档变速机械搅拌系统和无极变速机械搅拌系统都可以搅拌不同浓度的浆液，档变速机械搅拌传动链结构复杂，故障率和不稳定因素高；定速搅拌系统也可以搅拌浓度不是很高的草浆。如果条件允许可以选择液压无级变速搅拌，虽造价昂贵，但是它优化了传动链，操作空间紧凑，搅拌力度、搅拌方向等均可调整，操作简单。定速机械搅拌可以直接使用拖拉机作为动力源直接传送动力，简单方便。

表1 喷播机搅拌系统Tab.1 Mixing system of spray seeder

3.2 泵送系统的选择

表2 是可以作为泥浆泵的几种类型[29]，上文所提到的液力种草机，所用的是离心泵，离心泵流量大、扬程大、输送效率高，不仅可以输送混合浆液，还可以直接作为潜水泵使用。

在果园种草机械中，由于不需要大扬程的远距离作业，因此可以选择轴流泵，扬程不大、流量大，可以快速地在果树间进行种草作业。种草后一般不会二次行走于种植地带，因此导流栅板一定要足够长从而实现果树行间的全覆盖。

表2 喷播机泵送系统Tab.2 Spray seeder pumping system

综上所述，提出以下设计方案（如图3 所示）。

拖拉机作为动力源可同时为搅拌机提供动力，搅拌机在搅拌均匀后为防止沉淀，在喷射泵工作过程中，搅拌机也须协同间歇性工作。

图3 果园生草机械方案Fig.3 Scheme of orchard grass growing machinery

输送机构应有溢流阀和调压阀，种草时可调节流量，拐弯时也可以关闭输送，有余料剩余时溢流装置可以将余料倾出。

4 结语

本文设计的果园种草机械是以液力喷播机为原型经过改进后进行种草作业的机械，具有以下特点。

1）泵送系统不再使用离心泵，转而使用流量更大的轴流泵。

2）取消了喷枪，改用喷嘴和导流栅板，使种草更加均匀。

3）搅拌系统选择无级变速，可以快速调节搅拌速度；同时加入回流系统，不会因为流量过大造成浪费。

4）本装置只需一人操作一台机械就可以完成加料、搅拌及种草作业，实现了果园种草的机械化。