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2026 1 - 21

DOI: https://doi.org/10.12133/j.smartag.SA202604028

Research Progress on Key Technologies and Intelligent Development Trends of Orchard Trenching and Fertilization Equipment

  • WEI Daochu , 1, 2 ,
  • WANG Zhichong 1 ,
  • LI Xuecheng 1 ,
  • WANG Jingwei 1 ,
  • ZHOU Mengchuang 1 ,
  • ZHAI Changyuan , 1, 2 ,
  • ZOU Wei , 1
Expand
  • 1. Intelligent Equipment Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
  • 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
ZHAI Changyuan, E-mail: ;
ZOU Wei, E-mail:

Received date: 2026-04-18

  Online published: 2026-07-07

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2022YFD2001402)

China Agriculture Research System of the Ministry of Finance and the Ministry of Agriculture and Rural Affairs(CARS-30-4-01)

Platform Construction and Capacity Enhancement of the Peach Industry Technology Research Institute(CYJS202601)

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copyright©2026 by the authors
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Abstract

[Significance] Orchard fertilization is an important field management practice affecting nutrient supply, yield formation, and quality improvement of fruit trees. Ditching and fertilization can place fertilizer in the main root distribution zone and is more conducive to improving nutrient use efficiency than surface broadcasting. However, its operational performance is jointly constrained by orchard inter-row space, tree structure, terrain conditions, root distribution, and fertilizer properties. With the development of orchard production toward high-density planting, standardized tree forms, mechanization in hilly and mountainous areas, and intelligent management, the limitations of conventional ditching and fertilization equipment have become increasingly prominent in terms of furrow-depth stability, fertilizer placement consistency, fertilizer discharge uniformity, adaptability to complex terrain, and intelligent control capability. The aim is to systematically summarize the research progress of orchard ditching and fertilization equipment from four aspects: agronomic requirements, key components, whole-machine equipment, and intelligent technologies, with the objective of identifying the existing technical bottlenecks and development directions and providing a reference for the optimized design and intelligent upgrading of precision orchard fertilization equipment. [Progress] First, the main fertilization methods, including ring-furrow fertilization, strip-furrow fertilization, radial-furrow fertilization, hole fertilization, fertigation, and surface broadcasting, are summarized, and their differences in fertilizer use efficiency, root injury risk, and adaptability to mechanized operation are analyzed. Combined with typical orchard patterns, including dwarf high-density orchards, traditional large-canopy orchards, hilly orchards, and standardized orchards, the requirements of inter-row space, root distribution, and terrain conditions for furrow depth, fertilizer placement, fertilizer application rate, and equipment configuration are discussed. Second, the structural characteristics and application scopes of ditching mechanisms, including disc-type, auger-type, chain-type, and rotary-blade-type mechanisms, are summarized. Disc-type mechanisms are suitable for shallow-to-medium furrows and narrow-row operations. Auger-type and chain-type mechanisms have stronger deep-ditching capability, but require higher power consumption and maintenance. Rotary-blade-type mechanisms have good soil crushing and mixing performance, but soil disturbance and root injury risks should be controlled. In terms of fertilizer metering and conveying mechanisms, star-wheel, screw, centrifugal, scraper-conveyor, and combined fertilizer discharge systems show differentiated adaptability to different fertilizer forms. Granular fertilizers require higher metering stability, whereas high-moisture organic fertilizers and organic-inorganic mixed fertilizers rely more on anti-blocking, anti-bridging, and forced-conveying capacity. Third, at the whole-machine level, orchard ditching and fertilization machinery has gradually developed from conventional trailed and mounted implements to crawler self-propelled machines, remote-controlled machines, multifunctional combined-operation machines, and variable-rate fertilization equipment. Among them, trailed and mounted equipment is suitable for orchards with flat terrain and wide row spacing; crawler self-propelled and remote-controlled equipment is more suitable for hilly, mountainous, and complex field plots; and multifunctional combined-operation and variable-rate fertilization equipment can help improve operational integration and fertilization accuracy. Finally, in terms of intelligent technologies, existing studies have gradually introduced information acquisition methods, such as mechanical displacement measurement, attitude sensors, ultrasonic sensing, laser ranging, light detection and ranging (LiDAR). When combined with hydraulic or electric actuators, these methods have been used for furrow-depth adjustment, fertilizer-rate control, and operation-state monitoring, promoting the transformation of equipment from simple mechanical execution to closed-loop control involving sensing, decision-making, actuation, and feedback. [Conclusions and Prospects] Overall, orchard ditching and fertilization equipment still faces several challenges, including difficulty in controlling furrow depth under complex terrain conditions, difficulty in determining fertilizer placement due to hidden root distribution, strong coupling among parameters such as furrow depth and fertilizer application rate, and pronounced trade-offs between the cost and reliability of intelligent systems. Future research should focus on multi-source information fusion-based perception, coordinated multi-parameter control, modular and standardized design, and green and efficient operation technologies. These developments will promote the upgrading of orchard ditching and fertilization equipment from single mechanical operation equipment to a precision and intelligent equipment system oriented toward smart orchards.

Key words： orchard trenching and fertilization machinery; fertilizer discharge mechanism; trenching depth control; intelligent control; variable-rate fertilization

Cite this article

WEI Daochu , WANG Zhichong , LI Xuecheng , WANG Jingwei , ZHOU Mengchuang , ZHAI Changyuan , ZOU Wei . Research Progress on Key Technologies and Intelligent Development Trends of Orchard Trenching and Fertilization Equipment[J]. Smart Agriculture, 2026 : 1 -21 . DOI: 10.12133/j.smartag.SA202604028

0 引 言

果园作为典型的高经济价值园艺生产体系，在全球优质农产品供给中占据重要地位［1］。近年来，现代果园持续向高密度、树形标准化和行列规整化方向发展［2］。该发展趋势在提高土地利用率和果品质量的同时，也对果园田间管理装备的通行性、机动性、作业精度和农机农艺适配性提出了更高要求［3， 4］。此外，施肥、修剪、喷药及采收等关键生产环节仍高度依赖人工，劳动力短缺和用工成本上升进一步推动果园田间管理装备向小型化、精准化和智能化方向发展［4-6］。
果园施肥方式直接影响养分利用效率、根系养分分布，以及果实产量与品质［7， 8］。受地形条件、栽培模式和树体结构差异影响，部分丘陵山地果园、老龄乔化果园、小地块果园及非标准化果园仍存在作业通道不规整、树下空间复杂和机具转运受限等问题［9， 10］。为解决上述问题，对开沟施肥装备的通过性、机动性和作业稳定性提出了较高要求。受机具体型、动力配置和环境适应性等因素限制，现有开沟施肥机械在此类场景下仍存在作业受限问题［11］。在机械适应性不足的条件下，部分果园施肥作业仍依赖人工完成，不仅劳动成本较高，而且难以保证开沟深度、施肥位置和施肥量的一致性［12］。
机械化开沟施肥相对于传统人工作业不仅可大幅度提高作业效率、降低劳动强度、降低生产成本，还能通过精准控制开沟深度、施肥量和位置有效提高肥料利用率，减少环境污染，促进果树根系健康发育，从而提升果品品质与产量［13］。现有商业化开沟施肥机在山地果园、小地块果园以及高密度栽培场景中仍存在环境适应性不足的问题，部分机型在动力配置、通过能力和智能化水平等方面仍有待提升［14］。
本文总结了国内外果园开沟施肥机械的研究进展，通过现有技术及装备特点，分析其适应性与局限性。针对当前存在的问题与未来发展方向，提出果园开沟施肥机械研发的重点方向与创新路径。

1 果园施肥工艺与装备需求分析

果园机械化施肥的核心目标是在不破坏果树根系结构和土壤生态环境的前提下，将肥料按照果树生育期需求精准、均匀、高效地施入有效根区，并同步完成开沟、施肥和覆土等作业环节［15， 16］。与大田作物施肥作业相比，果园作业对象的空间结构更为复杂，作业环境具有明显的非结构化特征，且根系分布具有较强隐蔽性，因此对施肥装备的作业方式、结构设计和控制策略提出了更高要求［17］。
果园类型多样，涵盖丘陵山地果园、平原果园和设施果园。受树龄、种植间距、冠层结构及土壤条件差异的影响，不同果园对施肥作业提出了不同的要求。施肥作业既要满足农艺层面对施肥深度、位置和施肥量的要求，又要保证机具具有良好的通过性能和作业精度［18］。因此，果园施肥机械的研发应坚持农艺与农机相结合，构建施肥工艺参数与装备结构参数之间的匹配关系，才能适应复杂果园环境下的机械化施肥需求。

1.1　果园施肥方式的农艺特性及其适用条件

依据肥料在土壤中的空间分布形式及其与果树根系的相对位置关系，可将果园施肥划分为环状沟施［17， 19］、条沟施［20］、放射沟施［21］、穴施［22］、滴灌施肥（水肥一体化）［23］和地表撒施［21］等。不同施肥方式在肥料利用效率、根区覆盖范围及机械化适应性等方面存在明显差异，表1对各类施肥方式的优缺点及应用场景进行了归纳。图1以环沟施肥为例，展示了典型果园沟施作业的肥料布置方式及机械化作业轨迹。
表1 各类施肥方式的优缺点及应用场景

Table 1 Advantages， disadvantages， and application scenarios of different fertilization methods

施肥方式 主要优点 主要缺点 应用场景
环状沟施［17，19］ 与根系分布匹配度高、施肥均匀、适合根系外围促生新根 沟位规划与回转空间要求较高；行间狭窄时机动性受限 成年果树基肥和追肥
条沟施［20］ 通过性好、作业效率高、路径规划简单 对单株定点性较弱，易受行间障碍影响 密植果园、规模化基地快速追肥
放射沟施［21］ 兼顾不同根向，保护主根系 对转弯半径与沟间距要求高；不利于超密植 树体间距较大、行间较宽的果园
穴施［22］ 定量与深度可精确控制，便于幼树定向供肥 劳动强度大、效率低，小机具效率受限 幼树或定植初期、补救性施肥
滴灌施肥（水肥一体化）［23］ 水肥同步、利用率高、便于传感与自动控制联动 初期投资与维护成本高，维护要求高 设施园、矮化密植、旱区节水
地表撒施［21］ 作业效率极高、成本低 肥效易受蒸发径流与反硝化影响，利用率偏低 平地、低成本大面积快速追施
图1 环沟肥料施用方法及其机械化作业轨迹示意图［19］

Fig. 1 Schematic diagram of the ring-furrow fertilizer application method and its mechanized operation trajectory

环状沟施与放射沟施能够在果树根系分布带内形成相对均匀的施肥区域，有利于养分在根际土壤中的扩散与吸收，因而在中大龄果园中应用较为广泛。然而，该类施肥方式对作业位置精度要求较高，尤其是在树体密度较高、株距较小或根区施肥位置要求较精确的果园中，沟距和沟深的控制难度较大，对施肥机的定位与稳定性提出了更高要求。条沟施结构相对简单，适合行距较大的果园，但在根系分布不均或行距变化较大的情况下，施肥均匀性易受到影响。
穴施方式施肥集中度高、肥料利用率较好，适用于幼龄果树或局部追肥作业，但作业效率相对较低，且对人工或专用设备依赖程度较高。滴灌施肥通过灌溉系统实现水肥同步输送，具有养分利用率高、环境友好等优势，是现代果园精准施肥的重要发展方向，但其系统建设成本较高，对水源条件与管理水平要求较为严格。地表撒施作业方式简单，但肥料易受径流和挥发影响，养分损失较大，在当前绿色农业背景下逐步受到限制。
综合来看，不同施肥方式在农艺效果与机械化可行性之间存在明显权衡关系，这决定了果园施肥装备在结构形式和作业模式上的多样化发展需求［24］。

1.2　不同果园类型与行间作业条件下开沟施肥参数与装备需求分析

不同果园类型的空间布局和行间作业条件呈现出明显的多样化特征，主要表现为丘陵山地果园占比高、果树类型多、行距变化大，以及矮化密植模式快速普及等特点。不同果园类型与行间作业条件示意图如图2所示［25］。不同果园类型在树体结构、根系分布范围和作业空间条件方面差异显著，对施肥机械的作业能力和结构设计提出了差异化要求。
图2 不同果园类型与行间作业条件示意图

Fig. 2 Schematic diagram of different orchard types and inter-row working conditions

在传统乔化果园中，树冠和根系分布范围较大，部分果园行距相对宽裕，施肥作业通常对开沟深度、施肥量和作业效率提出较高要求。但由于树冠下垂、枝下空间复杂、地表起伏及行间道路不规整等因素影响，树下通行条件严峻，装备外廓尺寸、转弯半径和通过性是机具选型与结构设计中需要重点考虑的因素。相比之下，矮化密植果园通常为规整树形和标准化行列配置，株距相对减小，单位面积栽植密度提高，为满足机械化作业需求，行间通常需预留较稳定的机械通道。丘陵山地果园地形起伏较大、土壤条件复杂，施肥装备需具备良好的通过性、坡地稳定性和作业连续性。
不同果园类型下的开沟施肥参数应与树体结构、根系分布、行间作业空间和地形条件相匹配。对于传统乔化果园，施肥沟位通常更强调与树冠投影边缘或根系外围吸收区的对应关系，开沟深度和施肥量可适当提高，以满足成年果树根系分布范围广、养分需求量大的特点；对于矮化密植果园，应重点关注行间稳定通行和近根区施肥位置精度，避免因沟位偏差、开沟尺度过大或滴灌管线等设施干涉而影响根区施肥效果和作业安全性；对于丘陵山地果园，应重点考虑坡地条件下的沟深稳定性、机具姿态变化和作业连续性。因此，果园开沟施肥装备的设计不宜仅依据单一通用参数确定，而应根据不同果园类型建立开沟深度、开沟宽度、施肥位置、施肥量和装备结构形式之间的匹配关系。
施肥机械不仅需要满足基本的开沟和施肥功能，还应在作业过程中实现对沟深、施肥量和作业位置的稳定控制，以保证肥料施入根区的准确性和一致性［26］。表2总结了不同果园类型下的施肥机械在结构形式、作业参数和功能配置方面的主要要求，为后续果园开沟施肥机械的结构设计与技术选型提供了依据。
表2 不同果园类型下开沟施肥参数与装备配置需求

Table 2 Requirements for trenching and fertilization parameters and equipment configuration in different orchard types

果园类型 空间特征 适宜施肥方式 开沟施肥参数要求 适宜装备形式 关键控制要求
矮化密植果园［26］ 株距相对较小，树形规整，行列标准化程度较高，根系分布较集中 行侧条沟施肥、近根区定向施肥、滴灌施肥 宜采用中浅沟、窄沟作业；施肥位置应靠近有效根区并避开主根及设施管线 小型自走式、窄体履带式、电动或液压驱动机型 行间稳定通行、沟位精确控制、施肥位置精准控制
乔化稀植/成年果园［10］ 树冠大，根系分布范围广，行间空间相对宽裕 环状沟施肥、放射沟施肥、行侧条沟施肥 可采用中深沟作业；更强调开沟深度、施肥量和连续作业效率；施肥位置多布置在树冠投影边缘或根系外围吸收区 拖拉机配套式、悬挂式、偏置式开沟施肥机 沟深稳定、肥箱容量匹配、作业效率提升
丘陵山地/复杂地形果园［4］ 地形起伏大，坡度变化明显，附着条件差，行间道路不规则 局部定向施肥、有机肥深施 开沟深度需具备较宽调节范围；沟深和沟形易受坡度、滑移和机具姿态影响 履带自走式、遥控式、低重心开沟施肥机 坡地稳定、仿形控制、抗滑移、作业安全
设施果园/避雨棚果园［23］ 棚下通道受限、环境敏感 浅中沟施肥、滴灌施肥、小型定向施肥 开沟深度和宽度不宜过大；要求低扰动、低噪声和小型化 小型电动式、轻量化自走式、模块化施肥装备 小型化、低噪低排、低扰动作业
标准化/智慧果园［5］ 行株距规整，作业路径相对明确，便于传感器和控制系统布置 根区定向施肥、变量施肥、处方图施肥 开沟深度、施肥量和作业速度需协同匹配；施肥位置可依据树体位置、冠层信息或处方图动态调整 自动导航式、变量施肥式、多功能一体化装备 路径跟踪、变量调控、施肥量闭环控制
由表2可知，不同果园类型对开沟施肥机械的参数需求具有明显差异。矮化密植果园的装备适配因素主要来自树体密度提高、枝下空间、滴灌管线及近根区施肥位置精度要求，装备设计应重点考虑机具外廓尺寸适配、行间稳定通行、沟位精确控制；乔化稀植和成年果园具有较大的根系分布范围和较宽的行间空间，更适合采用作业效率较高、肥箱容量较大的拖拉机配套式或偏置式机具；丘陵山地果园的核心问题不是单纯开沟能力，而是坡地条件下沟深保持、机具稳定和连续作业能力；设施果园则更强调装备小型化、低扰动和低排放。因此，果园开沟施肥机械的发展应从单一机具结构优化转向面向果园类型的参数化设计和装备配置优化。

2 果园开沟施肥机械研究现状

果园开沟施肥机械是实现果园施肥作业机械化与精准化的关键装备，其核心功能在于在复杂果园环境中稳定完成开沟、施肥及覆土等作业过程，并且保证了沟型一致性和施肥均匀性。国内外果园开沟施肥机械经历了由牵引式、悬挂式向窄轨式履带自走式［4］；由单一工序向复杂联合作业；由人工经验调节向机电液到信息一体化的精准智能控制的演进［10］。早期机具多依靠拖拉机，配以犁铧、旋耕类开沟器与机械式排肥装置，普遍存在作业效率受限、劳动强度高、定深、定量、定位精度不足等问题。在果园规模化发展和矮化密植栽培不断推进的背景下，劳动力约束和生态环境约束进一步增强，精准农业及变量施肥技术持续发展，推动了果园施肥装备体系向结构适配化、平台化、精准化和智能化方向加快升级［27］。
总体来看，现有果园开沟施肥机械在机械结构层面已具备较为成熟的工程基础，但在作业稳定性、肥料计量精度及复杂工况适应性等方面仍存在一定局限性。尤其是在丘陵山地、小地块、老龄乔化及行间通道不规整等复杂果园场景下，传统机械结构难以同时兼顾通过性、作业精度与智能化控制需求，这在一定程度上制约了果园施肥装备向精准化和智能化方向的发展。

2.1　果园开沟施肥机关键作业部件研究进展

果园开沟施肥机的作业性能在很大程度上取决于关键作业部件的结构形式和工作原理，其中开沟机构和排肥机构是影响作业质量和施肥效果的核心部件。不同机构形式在适应土壤条件、作业稳定性和智能控制可行性方面存在明显差异。

2.1.1　果园开沟机构

开沟机构的主要功能是在土壤中形成满足农艺要求的施肥沟，其作业性能直接影响沟深稳定性、沟型一致性，以及对果树根系的扰动程度［28， 29］。针对果园作业环境复杂和土壤类型多样的特点，研究人员提出了多种开沟机构形式，主要包括链式开沟机构、圆盘式开沟机构、螺旋式开沟机构和犁式开沟机构等，不同开沟机构类型与结构示意图如图3所示。不同结构在功耗、沟形质量、通过性及适应性方面各有特点，不同类型开沟机构性能对比分析如表3所示。随着果园栽培模式向矮化密植和机械化方向发展，各类开沟机构的研究重点逐渐从能开沟转向低阻力、高质量、低扰动开沟［30］，并强调了与排肥、覆土等作业机构的复合与一体化集成。
图3 果园开沟机构类型与结构示意图［11， 31-33］

Fig. 3 Types and structural schematics of orchard trenching mechanisms

表3 不同类型果园开沟机构性能对比分析

Table 3 Comparative analysis of the performance of different types of orchard trenching mechanisms

类型 优点 缺点 应用场景
圆盘式开沟机构［4， 7］ 结构紧凑，刀盘受力均匀；抛土能力强，沟形较规整 开沟深度受刀盘直径和安装角度限制 平地或缓坡矮砧密植果园的基肥、追肥沟施作业；土壤中等硬度、有杂草或残膜覆盖的行间施肥
螺旋式开沟机构［31］ 连续切土、碎土和输土，沟壁整齐、沟底平整；深度稳定性好 结构相对复杂，加工成本高；功耗较大，对传动系统和动力储备要求高 坡地或起伏地形果园的深施作业；需要深窄沟、深松改土以及有机肥混拌施入的树盘、树行施肥
链式开沟机构［4］ 开沟效率高，能形成较深且宽度可控的窄沟；沟形整齐、不易回土 链条和刀齿磨损快，维护保养工作量大；高负荷下振动和噪声较大 树行深窄沟施肥、主干道两侧基础沟开沟等需要深窄沟的作业
旋耕/刀轴式开沟机构［29］ 切土、碎土能力强，可同时完成深松、碎土和部分混拌；对板结土层破碎效果好，有利于改善根系生长环境 功耗最高，对动力匹配和结构强度要求高；对土壤扰动大，易伤根、破坏土壤结构 土壤板结或有犁底层的果园基肥深施；老果园更新改造、深松配合有机肥深施；对碎土细度和混拌效果要求较高的施肥作业
由表3可知，不同类型开沟机构在沟形质量、作业阻力、开沟深度、土壤扰动和维护成本等方面存在明显差异。圆盘式开沟机构结构紧凑、通过性较好，适用于中浅沟和行距较窄的果园作业［28， 34， 35］；螺旋式和链式开沟机构具有较强的深沟作业能力，但功耗、磨损和维护要求相对较高［36-38］；旋耕或刀轴式开沟机构碎土和混拌能力较强，但对土壤扰动较大，需注意伤根风险［39］。综合比较不同的开沟机构形式可以看出，各类机构在适用土壤条件、作业深度范围和作业稳定性等方面各具优势，但单一结构形式难以适应果园作业环境的多样性，这也为后续多机构组合设计和智能调控提供了研究空间。

2.1.2　果园排肥机构

排肥机构是决定施肥量准确性和均匀性的关键部件，其性能直接关系到肥料利用效率和施肥作业质量。根据结构形式和工作原理的不同，果园施肥机常用的排肥机构主要包括气力式［40］、皮带式［41］、螺旋式［42］及星轮式［43］等类型，部分设备还采用刮板输送与螺旋排肥组合的形式［43］，以兼顾大流量输送和定量控制功能。不同排肥机构的适应肥料及优缺点见表4。
表4 果园开沟施肥机排肥机构类型及适用性比较

Table 4 Types and applicability comparison of fertilizer discharge mechanisms for orchard trenching and fertilization machines

类型 适用肥料 主要优点 主要缺点
星轮/沟轮式排肥器［40］ 颗粒肥、流动性较好的粉状肥 结构简单、成本低；体积计量较准确，排肥量稳定；易与小型施肥机配套 对粒径差异大或含水率高、易结块肥料易架桥、填充不满
螺旋式排肥器［42］ 颗粒肥、部分粉状肥及流动性较好的混配肥 输送距离较长，可兼顾输送与计量；排肥连续、脉动较小 对肥料流动性敏感，含水率高、黏性大的肥料易在螺旋间黏附或堵塞
离心式排肥器［6］ 流动性较好颗粒肥 改善肥料充填条件，减轻架桥；多腔等量排肥，计量精度高、均匀性好 结构相对复杂，加工精度要求高；对肥料粒径和流动性有一定要求
刮板输送式排肥装置［6］ 高含水率、大块有机肥 克服有机肥黏性和架桥性，能实现大流量、大剂量供料；与破碎辊、螺旋排肥器组合后排肥更稳定 结构相对庞大，对整机尺寸和重量影响较大；刮板与箱体磨损较快，维护工作量较大
组合式排肥系统（刮板+破碎辊+螺旋排肥）［43］ 高含水率有机肥及有机-无机混合肥 适应肥料种类多；与液压/电机驱动易于实现转速调节和变量施肥 结构复杂、成本较高，对动力匹配和整机布置要求高；维护点多，长期使用需定期清理与保养
由表4可知，螺旋式排肥器兼具输送和计量功能，适用范围较广，但在高含水率或黏性肥料条件下易出现粘附和堵塞。针对有机肥含水率波动大、容易离析等特点，研究者提出了多种复合输送与破拱方案，其典型结构如图4所示［44］；星轮式排肥机构结构简单、成本较低，适合流动性较好的颗粒肥；刮板输送式及组合式排肥系统对有机肥适应性较强，但结构复杂、体积和维护成本较高。随着果园精准施肥需求提高，排肥机构研究应由单纯结构优化进一步转向防堵、防架桥、排肥状态监测和施肥量闭环控制，以提高复杂肥料条件下的排肥稳定性和计量精度。
图4 一种典型组合式排肥与防架桥结构示意图

注：1. 螺旋输送机；2. 机架；3. 刮板链；4. 刮板。

Fig. 4 Schematic diagram of a typical combined fertilizer discharge and anti-bridging structure

近年来，随着精准施肥需求的提升，排肥机构研究逐渐由机械结构优化向计量可控与状态可感知方向发展。部分研究引入转速、扭矩、电流或重量传感器，实现排肥过程的实时监测，为变量施肥和闭环控制提供基础条件［45］。但在复杂果园环境中，排肥机构仍面临肥料物性差异大、工况变化频繁等挑战，稳定可靠的计量与反馈机制仍有待进一步完善。

2.1.3　其他关键作业机构

除开沟机构和排肥机构外，输肥机构和覆土回填机构同样是决定果园开沟施肥机作业质量的重要组成部分。输肥机构承担肥料由肥箱向施肥末端连续输送的任务，其性能直接影响了排肥稳定性、施肥均匀性及整机作业连续性。现有研究表明，果园施肥装备中的输肥装置已由单一输送形式向均匀输送和稳定输出相结合的方向发展。例如，WANG等［46］设计的果园螺旋定量施肥装置采用稳流螺旋与输送螺旋两级结构，以提升输肥均匀性和定量施肥能力，其果园螺旋定量施肥装置结构图如图5所示；HAN等［44］针对果园有机肥深施场景，提出刮板和螺旋组合施肥装置，通过刮板输送与螺旋强制推送协同工作，提高了有机肥输送稳定性和装置适应性。因此，针对不同肥料物理特性开展输肥机构的稳流、防堵与定量控制研究，已成为果园开沟施肥装备的重要发展方向。
图5 果园螺旋定量施肥装置结构图Fig. 5 Structural diagram of the orchard spiral quantitative fertilization device

注：1. 施肥箱；2. 恒流螺杆；3. 输送螺杆。

覆土回填机构是开沟施肥作业中关键的末端执行单元，其作用不仅在于完成简单的覆土，还直接关系到肥料埋施的质量、养分保持，以及沟形恢复效果。与大田施肥相比，果园场景更强调根区定向施肥后的土壤回填质量。LI等［11］设计的丘陵果园履带自走式开沟施肥覆土一体机中，覆土装置已作为整机核心部件之一进行集成设计。Niu等［47］则针对有机肥深施过程提出土肥碰撞混合覆土装置，分析了开沟、输肥、土肥混合与覆土协同完成的工作机理，表明覆土机构在肥料埋施和沟形恢复中具有重要作用，其结构示意图如图6所示。表明覆土机构研究已由简单的回土功能逐步转向对覆土均匀性和作业后土壤恢复效果的综合优化。
图6 土肥碰撞混合覆土过程示意图

注：1. 开沟装置；2. 导流板；3. 排土清理板；4. 分土板；5. 后抛肥料与土壤颗粒混合装置；6. 覆盖肥料的土壤颗粒后抛装置；7. 肥料颗粒；8. 螺旋器；9. 土壤肥料混合层。

Fig. 6 Schematic diagram of the soil–fertilizer collision mixing and soil-covering process

总体来看，输肥机构、覆土回填机构虽不直接承担开沟刀具切土或排肥器定量排肥的核心功能，但却对施肥连续性、覆土质量，以及整机作业质量具有显著影响。未来果园开沟施肥机的优化研究不应局限于开沟与排肥机构本身，而应更加重视多机构之间的协同设计与系统匹配，推动装备向整机智能化和精细化方向发展［48］。

2.2　果园开沟施肥机整机结构形式及发展特征

果园开沟施肥机整机通常由行走装置、开沟装置、排肥装置、覆土、镇压装置，以及控制系统等组成，其发展历程大体经历了牵引和悬挂式开沟施肥一体机、履带自走式开沟施肥机、复合作业与多功能式开沟施肥机、智能化自走式开沟施肥机等阶段［49-51］。表5总结了近年来典型果园开沟施肥机的结构形式与主要技术特征［52-54］。可见果园开沟施肥装备已从拖挂式单功能机具向履带自走式、模块化、多功能机组演进，呈现出小型化、履带化、深施化和智能化的发展趋势。
表5 2015—2025年典型果园开沟施肥机型与关键参数对比

Table 5 Comparison of typical orchard trenching and fertilization machine models and key parameters

整机机型 行走形式 主要开沟形式 排肥与供肥方式 作业稳定性与精度特征 适用场景
牵引/悬挂式一体机［21］ 拖拉机牵引/三点悬挂 圆盘式/链式/犁式 螺旋计量、星轮计量 沟深受地形影响较大；定深轮可改善一致性 平地或缓坡果园；行距较宽
自走轮式开沟施肥机［37］ 轮式自走底盘 圆盘式/螺旋式 螺旋+二级计量 作业稳定性较牵引式提升；路径一致性较好 地形较复杂果园
履带自走式开沟施肥机［11］ 履带底盘自走 螺旋式/链式 刮板输送+螺旋计量 坡地沟深与姿态稳定性高 丘陵山地；狭窄行距
遥控/平台化机型［49，51］ 履带底盘+无线遥控 螺旋式 组合式供肥 沟深与排肥稳定性可控 山地果园；安全要求高
多功能复合作业机［41］ 自走或牵引平台 螺旋式/犁式 多级计量/混合供肥 稳定性依赖动力匹配与结构协调 规模化果园
智能化发展型装备［17］ 自走电驱/电液平台 可调式开沟器 闭环计量系统 沟深/施肥量可闭环控制 智慧果园示范应用

2.2.1　牵引与悬挂式开沟施肥一体机

牵引式与悬挂式机型以通用拖拉机为动力源，通过三点悬挂或牵引装置实现机具提升与牵引，该结构成熟、成本相对可控，是平地与缓坡果园施肥作业中应用较广的整机形式。该类机型通常采用开沟施肥覆土的一体式工作方式，如图7所示，其研究重点主要集中在沟深稳定、施肥量调节精度以及不同栽培模式的适配等方面［55， 56］。已有研究通过开沟器和排肥器参数匹配与结构布局优化，证明牵引、悬挂式机具能显著降低人工劳动强度。但在地形起伏、土壤硬度变化或高比例有机肥施用条件下，仍存在作业一致性下降和排肥波动等问题，需要进一步通过仿形定深、排肥状态监测和控制策略来提升其适应性［57-59］。
图7 开沟施肥覆土机整体机构图［57］Fig. 7 Overall structure of the trenching， fertilization， and soil-covering machine

注：1. 肥料箱；2. 三点悬挂架；3. 机架；4. 人字形开沟器；5. 输肥管；6. 覆土装置；7. 地轮；8. 链传动机构。

2.2.2　履带自走式与遥控型开沟施肥机

面向丘陵山地果园中道路狭窄、坡度变化大、附着条件差等典型作业环境，自走式逐步成为提升作业通过性与稳定性的主流方向，典型自走式果园开沟施肥整机结构如图8所示［49］。履带底盘可降低接地比压并提升爬坡稳定性，同时为开沟、排肥、覆土等作业部件的一体化集成提供承载平台［60， 61］。针对丘陵果园安全性与劳动强度等问题，遥控型履带自走机具通过人机分离的方式降低作业风险。相关试验结果表明，沟深稳定性与排肥稳定性在工程上可满足果园追肥的作业需求。在自走平台基础上，双行同步作业、实时动态定位（real-time kinematic， RTK）导航与作业参数自动调节等功能的集成，使路径偏差与沟深一致性获得显著改善，为后续变量施肥与闭环控制提供了可实现的精度基础。
图8 自走式果园开沟施肥整机结构图［49］

Fig. 8 Structural diagram of the self-propelled orchard trenching and fertilization machine

2.2.3　多功能与复合作业开沟施肥装备

随着果园生产方式向机械化、连续化和智能化方向发展，果园装备结构逐渐由单一功能机具向多工序协同、平台化和智能化作业装备演进［62］。典型方案包括将开沟施肥与碎土、深松、挖穴、覆土回填等环节进行集成，通过平台化布置提升机具利用率与作业效率。相关研究表明，合理的部件布置与工艺参数匹配不仅可以实现多工序联合作业，还能在满足沟深要求的同时改善作业质量。该类机组的关键在于不同作业部件的功率需求与土壤扰动机制差异明显，需通过系统匹配与作业参数协调控制，避免功能叠加导致可靠性下降的作业风险。果园复合作业开沟-施肥-覆土装备作业原理示意如图9所示［11］。
图9 果园复合作业开沟-施肥-覆土装备作业原理示意图

Fig. 9 Schematic diagram of the operating principle of orchard compound trenching-fertilization-soil-covering equipment

2.2.4　有机肥与多肥种兼容开沟施肥装备

果园基肥施用正由单一化肥向有机肥占比提升及有机向无机配施方向发展，使整机设计需重点解决高含水率有机肥易架桥、易堵塞、供料波动大的问题。近年来多采用刮板输送和破碎螺旋计量的组合式供肥方案，用来兼顾大流量输送和相对稳定的计量控制；分层深施、土肥混合与分层回填等结构也常被用于改善肥料空间分布与根系环境。同时，离散元仿真与台架试验被用于优化输送与排肥过程，为多肥种兼容与工程可靠性设计提供了方法支撑。因此，该方向的核心评价指标应回归到连续供料稳定性、堵塞风险、计量一致性与结构适应性的综合平衡［63］。
针对上述问题，现有装备多采用刮板输送、破碎辊、螺旋输送、螺旋计量和强制排肥等组合式供肥方案，以提高肥料在肥箱、输送通道和排肥末端的流动稳定性。其中，刮板输送结构适合大流量有机肥输送，可降低肥料在肥箱底部滞留和堆积的风险；破碎辊和搅拌机构可对结块肥料进行破碎和松散，减轻架桥现象；螺旋输送与螺旋计量结构则可实现肥料的连续输送和相对稳定排出。部分装备还将开沟、施肥、覆土和土肥混合等工序集成布置，使肥料能够在开沟后及时进入根区土壤，并通过覆土回填减少肥料暴露和养分损失。
但从实际应用看，多肥种兼容装备仍面临结构复杂、动力消耗增加、维护点多和计量精度不足等问题。尤其是在高含水率有机肥或有机和无机混合肥条件下，肥料物性变化会显著影响输送阻力和排肥稳定性，单纯依靠机械结构改进难以完全解决堵塞和排量波动问题。后续研究应进一步结合肥料物性检测、排肥状态监测和执行机构调节，构建适用于不同肥料类型的供肥、排肥协同控制方法，提高复杂肥料条件下的连续供肥能力、排肥均匀性和整机的作业可靠性。

2.2.5　技术发展特征与趋势分析

近年来，果园开沟施肥装备的研究重点已由单一开沟机构和排肥机构优化，逐步转向面向复杂果园环境的整机平台化、复合作业化和智能控制化。传统牵引式或悬挂式机具虽然结构成熟、成本较低，但在丘陵山地、老龄乔化、小地块、非标准化果园，以及部分行间通道受限场景中仍存在通过性不足、沟深一致性差和施肥位置难以稳定控制等问题。因此，近年新型技术装备主要围绕履带自走、遥控作业、偏置根区定向施肥、多工序复合作业、有机肥与多肥种兼容、自动调深、变量施肥和导航自主作业等方向展开。表6对近年果园开沟施肥新型技术装备的发展方向、主要技术进展及现阶段局限进行了归纳。
表6 202—2025年果园开沟施肥新型技术装备进展

Table 6 Progress in emerging technologies and equipment for orchard trenching and fertilization in recent years

技术装备方向 代表装备形式 主要技术进展 解决的主要问题 现阶段局限
履带自走式开沟施肥装备［11］ 履带底盘、自走式开沟施肥一体机 采用低重心履带底盘，集成开沟、施肥、覆土等作业部件 提高丘陵山地、狭窄行距果园的通过性和稳定性 整机成本较高，维护要求高，作业效率受地形影响明显
遥控/半自主开沟施肥装备［51］ 遥控履带式开沟施肥机、山地果园遥控作业平台 通过无线遥控、电液控制降低人工近距离作业风险 改善坡地、复杂果园作业安全性 智能化程度有限，仍依赖人工判断和远程操控
偏置式根区定向施肥装备［48］ 偏置开沟施肥机、树冠投影边缘施肥机 开沟部件侧向布置，施肥位置可根据树冠或根区范围调整 提高施肥位置与果树有效根区的匹配度 偏置作业对整机稳定性、转弯空间和驾驶精度要求较高
多功能复合作业装备［32］ 开沟施肥覆土一体机，深松施肥混肥联合作业机 将开沟、输肥、排肥、覆土、镇压等多工序集成 减少重复进地，提高作业连续性和综合效率 部件耦合强，动力匹配和故障维护难度较大
有机肥与多肥种兼容装备［43， 44］ 刮板输送、破碎辊、螺旋排肥组合系统 增强对高含水率、大块状有机肥及混合肥的适应性 缓解有机肥架桥、堵塞和排肥不连续问题 结构复杂，占用空间大，计量精度仍需提高
自动调深与电液控制装备［28］ 液压调深开沟装置、自动仿形开沟装置 通过液压缸、位移传感器和控制系统调节开沟深度 提高沟深一致性和复杂地表适应性 土壤阻力突变和机具振动会影响控制稳定性
变量施肥与闭环排肥装备［56］ 电机驱动排肥器、称重反馈排肥系统、处方图施肥机 通过转速、电流、扭矩、称重或流量反馈调节施肥量 提高施肥量控制精度，支持精准施肥 对传感器可靠性、处方信息和控制算法依赖较强
导航与自主作业装备［3］ RTK导航开沟施肥机、视觉/激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）辅助行间导航装备 引入定位导航、路径跟踪和障碍识别技术 提升作业路径一致性和无人化作业能力 树冠遮挡、地形起伏和非结构化环境影响系统稳定性
由表6可知，近年果园开沟施肥装备的发展已经不再局限于开沟刀具或排肥器结构改进，而是更加重视整机平台、作业部件、感知控制和果园场景之间的系统匹配。履带自走式和遥控式装备主要解决复杂地形下的通过性与安全性问题；偏置式和根区定向施肥装备主要提高施肥位置与果树有效根区的匹配度；多功能复合作业装备通过一次进地完成开沟、施肥、覆土等工序，提高作业连续性；有机肥与多肥种兼容装备则针对有机肥架桥、堵塞和输送不稳定等问题进行改进。
总体来看，果园开沟施肥机整机结构正呈现三方面演进趋势：一是由牵引、悬挂式向自走平台化发展，以提升坡地与狭窄行距条件下的通过性与作业稳定性；二是由单一功能向开沟-施肥-覆土等多工序集成发展，以提高入园作业效率并降低重复碾压；三是由机械执行向自动化与智能化扩展发展，为开沟深度调节、变量施肥与作业质量在线监测提供系统集成空间。需要指出的是，整机平台仅提供硬件承载与接口条件，在复杂果园环境下，最终作业质量仍取决于感知信息获取、控制策略与执行机构的协同优化。未来整机设计应重点强化坡地工况适应能力、连续供肥可靠性，以及传感-控制-执行一体化接口预留，为闭环控制与智慧果园作业奠定装备基础。

2.3　果园开沟施肥装备产业化现状与商业化整机应用

随着现代果园向轻简化和集约化方向发展，开沟施肥装备已由单一作业部件研究逐步走向整机集成与商业化应用。农业农村部发布的《第二批特色经济作物适宜品种全程机械化生产模式与典型案例》已将开沟施肥覆土机纳入果园管理环节的配置机具，并明确提出配套动力35～80马力、开沟深度30～40 cm、开沟宽度20～30 cm、施肥箱≥0.4 m3且可施有机肥等配置要求。表明该类装备已进入示范推广与规范化配置阶段。与此同时，地方现代果园机械成果展示材料也表明，围绕矮砧密植和轻简化栽培需求，多功能开沟施肥机、作业平台和割草机等已逐步形成成套化装备体系，但整体上仍处于区域适配、机具优化和规模推广并行的发展阶段。典型商业化整机及其主要特点如表7所示。
表7 果园开沟施肥商业化整机代表机型及其主要特点

Table 7 Representative commercialized orchard trenching and fertilization machine models and their main characteristics

厂商 代表机型 适用场景 主要功能 结构特点
中颐农装 2～5方单侧开沟撒肥机 现代果园、有机肥和大化肥施用 可对有机肥固体物料进行开沟深施、单双侧抛撒和定向输送 集开沟、施肥、覆土、抛撒于一体，可选双侧开沟、底盘升降和视频监控
河北保东 偏置施肥机系列 不同行距果园、拖拉机配套作业 果园开沟施肥，可根据行距调整施肥位置 最大施肥深度约30 cm，开沟位置可偏离拖拉机中心40/60/80 cm，肥箱容量分别有0.3/0.4/0.6/2 m3可选
AgPro 160-D/160-DX2/190-DX3 applicator 果园、葡萄园及行作 物 支持地表与地下结合施肥，适于干肥定量施用 正地轮驱动计量，施肥量不受地速影响；工作部件可适配不同行距和滴灌布局
Haifa Applicator for MulticoteTM Agri in Orchards 各类、各树龄果园 近树根区定向施肥 可调节施肥沟与树行距离、施肥深度和排量，并借助sonar识别树干，实现按树近根施肥
Rinieri IC fertilizer burying spreader 果园、葡萄园行间作业 颗粒矿质肥或有机肥埋施 可配置单侧或双侧埋施犁，适合行间埋肥和土壤混拌
KUHN MDS.2/.2W Fertilizer Spreader 果园、葡萄园近根区条带施肥 双条带定向施肥 条带施肥附件可在两行内变量宽度施肥，行距100%可调，能够实现近根区施肥
从国内商业化产品看，现有果园开沟施肥整机以拖拉机配套和偏置作业结构为主，强调对狭窄行间、树盘附近和丘陵果园的通过性适应。以威海中颐现代农装科技有限公司为例，其官网在售2～4方单侧开沟撒肥机、底盘升降撒肥机等机型，可实现开沟深施、单双侧抛撒和定向输送等作业；河北保东农业机械有限公司则提供多种偏置的开沟施肥机及牵引施肥机，最大施肥深度约30 cm，开沟位置可根据行距进行调整。上述产品说明，国内商业化整机已经形成以开沟、施肥、覆土一体化、拖拉机配套和多规格定制为主要特征的产品路线。
从国际市场代表性产品看，果园和葡萄园施肥装备更加重视根区定向施肥、变量控制和控制系统集成。AgPro的orchard、vineyard applicator系列包括160-D、160-DX2和190-DX3等机型，可实现地表与地下结合施肥，并根据行距和滴灌布局调整工作部件；Haifa推出的MulticoteTM Agri果园专用施肥机（Applicator for MulticoteTM Agri in Orchards）可调节施肥沟与树行距离、施肥深度和排量，并借助sonar识别树干实现按树近根施肥；Rinieri的IC fertilizer burying spreader可配置单侧或双侧埋施犁，用于果园和葡萄园颗粒肥埋施；KUHN的MDS.2/MDS.2 W系列悬挂式双圆盘撒肥机配套双行条带施肥附件（Two Row Banding Attachment）则强调双条带近根区施肥和施肥位置可调。综合来看，国际商业化产品更强调定量计量、根区定向施肥和控制系统集成，而国内产品则更突出复杂地形适应性、多功能集成和成本可接受性。

2.4　果园开沟施肥装备实际应用特征与制约因素分析

从现有研究样机、商业化产品和果园机械化推广应用情况来分析，果园开沟施肥装备的实际应用与果园类型、行间空间、地形条件、肥料种类及经营规模密切相关。当前平缓果园仍以拖拉机配套式和偏置式开沟施肥机为主，该类装备结构成熟、成本相对较低，适合行距较宽、地面条件较好的规模化果园作业；丘陵山地果园、小地块果园及部分行间通道不规整果园更倾向于采用履带自走式或遥控式开沟施肥机，以提高复杂地形条件下的通过性、坡地稳定性和作业安全性；在标准化程度较高的果园和葡萄园中，根区定向施肥和变量施肥装备逐渐受到关注，其优势在于能够根据树体位置、根区范围或处方信息调节施肥位置和施肥量，但对传感器和控制系统的依赖程度较高。
从作业参数分析，现有果园开沟施肥装备的开沟深度多集中在30～40 cm，开沟宽度多集中在20～30 cm，能够基本满足果园基肥深施、有机肥沟施和行侧追肥等作业需求。对于成年果园，装备设计更强调施肥深度、肥箱容量和连续作业能力；对于矮化密植果园，行间稳定通行、机具外廓尺寸适配、近根区施肥位置精度以及与支架、滴灌管线等设施的避让能力，是影响装备应用效果的关键因素；对于丘陵山地果园，底盘通过性、坡地稳定性和开沟深度保持能力是影响作业效果的主要因素。由此可见，果园开沟施肥装备的实际应用已经由单纯满足开沟和施肥功能，逐渐转向根据不同果园类型进行机具选型和参数匹配。果园开沟施肥装备实际应用类型与技术特点对比如表8所示。
表8 果园开沟施肥装备实际应用类型与技术特点对比

Table 8 Comparison of practical application types and technical characteristics of orchard trenching and fertilization equipment

装备类型 主要应用场景 常见作业参数 作业效率与成本特征 应用技术特点 主要限制
拖拉机配套式开沟施肥机［28，57］ 平地、缓坡、行距较宽果园 开沟深度多为30～40 cm，开沟宽度多为20～30 cm 作业效率较高，购置和维护成本相对较低 结构成熟，配套方便，适合规模化果园 对拖拉机依赖强，狭窄行间和坡地适应性不足
履带自走式开沟施肥机［11］ 丘陵山地、狭窄行距果园 开沟深度和施肥量可调，适合中低速稳定作业 成本较高，维护要求较高 通过性好，坡地稳定性强，转弯半径小 结构复杂，推广受购置成本和维护能力高的限制
遥控/半自主开沟施肥机［51］ 坡地果园、危险作业环境 可实现远距离操控和作业参数调节 成本较高，作业效率受控制距离和地形影响 降低人工风险，适合复杂地形 智能化程度有限，仍依赖人工判断
根区定向/变量施肥装备［14， 17］ 标准化果园、葡萄园、智慧果园 可调节施肥位置、深度和排量 成本高，对传感器和控制系统依赖强 施肥精度高，便于与处方图和传感系统结合 处方信息获取困难，系统可靠性和经济性仍需验证
由表8可知，不同类型果园开沟施肥装备在实际应用中具有明显的适用边界。拖拉机配套式和偏置式机具更适合平地、缓坡及行距较宽的果园，其优势在于结构成熟、成本较低和作业效率较高，但在丘陵山地果园中的通过性与机动性不足。履带自走式和遥控式装备能够提高复杂地形下的通过性和安全性，但购置成本、维护难度和系统可靠性仍制约其大规模推广。根区定向施肥和变量施肥装备代表了果园施肥装备精准化发展的方向，但目前仍主要应用于标准化程度较高或示范性果园。因此，果园开沟施肥装备的工程化应用需要在作业效率、施肥精度、地形适应性和使用成本之间取得平衡。
由于不同厂商、配置水平和应用区域下果园开沟施肥装备的市场价格及作业效率差异较大，且公开资料中缺乏统一工况下的量化对比数据，本文从工程应用角度对不同类型装备的购置成本、维护成本、作业效率和适用规模进行相对比较，以反映其实际推广应用中的成本和效率特征。不同类型果园开沟施肥装备成本与作业效率对比分析如表9所示。
表9 不同类型果园开沟施肥装备成本与作业效率对比分析

Table 9 Comparative analysis of costs and operating efficiency of different types of orchard trenching and fertilization equipment

装备类型 购置成本 维护成本 作业效率 适用经营规模 综合应用效益 推广限制
拖拉机配套式开沟施肥机［28］ 低/中 低 较高 中大规模、行距较宽果园 依托已有拖拉机动力，单机作业效率较高，综合使用成本较低 对拖拉机和行间空间依赖较强，丘陵山地和窄行果园适应性不足
偏置式开沟施肥机［17， 19］ 中 中 较高 成年果园、标准化果园 可实现行侧或树冠边缘施肥，兼顾作业效率和根区定向 偏置作业对机具稳定性和驾驶操作要求较高
履带自走式开沟施肥机［48］ 中/高 中/高 中等 丘陵山地果园 通过性和坡地稳定性较好，但购置与维护成本高 结构复杂，零部件维护要求较高
遥控/半自主开沟施肥机［51， 60］ 高 高 中等 坡地、危险或复杂作业环境 可降低人工风险，提高复杂地形作业安全性 智能化系统成本高，作业效率受人工远程控制和地形条件影响
根区定向/变量施肥装备［56］ 高 高 中等/较高 标准化果园、智慧果园、示范园区 可提高施肥精度和肥料利用效率 前期投入大，对处方信息、传感器和控制系统依赖强
多功能复合作业机［54］ 中/高 中/高 较高 规模化果园、有机肥深施场景 一次进地完成开沟、施肥、覆土等多道工序，可减少重复作业 功能集成度高，动力匹配和故障维护难度较大
由表9可知，不同类型果园开沟施肥装备在购置成本、维护成本和作业效率方面存在明显差异。拖拉机配套式机具结构成熟、成本较低、作业效率较高，适用于行距较宽、地势平缓的中大规模果园，但在丘陵山地和狭窄行距果园中的通过性受限。履带自走式和遥控式装备具有较好的坡地通过性和作业安全性，但结构复杂、维护要求高，购置和使用成本相对较高。根区定向施肥和变量施肥装备可提高施肥精度，具有节肥增效潜力，但对传感器、处方信息和控制系统依赖较强，目前更适用于标准化果园或智慧果园示范应用。多功能复合作业机可提高综合作业效率，但对动力匹配和整机可靠性要求较高。因此，果园开沟施肥装备选型应综合考虑果园规模、地形条件、作业频次、经济承受能力和施肥精度需求。

3 果园开沟施肥作业智能化与自动化技术研究进展

随着精准农业和智慧果园的发展，果园开沟施肥作业已由单纯的机械执行过程，逐步演变为融合信息感知、智能决策与精准控制的复杂系统工程。与传统定量、定深施肥方式相比，智能化与自动化技术在果园开沟施肥装备中的应用，主要体现在作业环境与机具状态感知、施肥参数智能决策、执行机构自动调节，以及作业过程在线监测和闭环控制等方面［64-66］。
从系统角度看，果园开沟施肥作业的智能化主要体现在对开沟深度与施肥量等关键作业参数的感知与控制能力上，并通过传感、控制与执行单元的协同，实现作业过程的动态调节与闭环控制。相关研究围绕深度控制技术、变量施肥技术和智能控制系统集成开展了大量探索，为果园施肥装备的智能化升级奠定了基础［67］。

3.1　果园开沟深度的感知与自动控制技术

开沟深度是影响肥料施入位置和根区覆盖效果的关键参数，其稳定性直接关系到施肥效果和果树生长安全。在果园作业过程中，土壤起伏、坡度变化及机具姿态波动等因素均会导致开沟深度产生偏差，因此实现对开沟深度的实时感知与自动调节是果园施肥机械智能化的重要内容［39］。
现有研究在开沟深度感知方面主要采用机械位移传感器、超声波传感器、激光测距传感器，以及姿态传感器等方式获取机具与地面的相对位置信息。机械式传感器结构简单、成本较低，但易受振动和磨损影响；非接触式传感器［68］在测量精度和响应速度方面具有优势，但在果园复杂环境下易受到土壤飞溅、光照变化等因素干扰。部分研究通过多传感器融合方式，提高了深度感知的稳定性和可靠性。ZHOU等［69］针对果园开沟作业中传统单点测深方法难以全面反映沟形质量的问题，提出了一种基于低成本LiDAR的果园沟形三维重建方法，并实现了沟深、沟宽等关键参数的提取。研究结果表明，该方法可有效削减无效点云与环境噪声干扰，为果园开沟质量监测和开沟深度实时评估提供了新的感知手段。近年来，基于仿形机构的作业深度在线检测逐渐由单一传感器测量转向多源信息融合，角度传感器、压力传感器、激光传感器和超声波传感器等被用于表征开沟器、限深轮与地表之间的相对位置及接触状态，为复杂土壤条件下作业深度的测量提供了新思路［70］。
在控制策略方面，果园开沟深度控制多采用基于液压或电机执行机构的自动调节方式，控制算法以比例-积分-微分（proportional–integral–derivative， PID）控制为主，并结合模糊控制或自适应控制策略，以提高系统在复杂工况下的鲁棒性。然而，果园作业过程中土壤性质和地形条件变化频繁，传统控制方法在参数整定和响应速度方面仍存在一定的局限性。
总体来看，现有研究已初步实现了果园开沟深度的自动调节，但在复杂地形条件下，如何提高深度控制的实时性、稳定性和抗干扰能力，仍是制约开沟施肥装备智能化水平提升的关键问题［71］。

3.2　果园变量施肥与施肥量控制技术

施肥量的精准控制是提高肥料利用效率、减少养分损失的重要手段，也是智慧果园施肥系统的核心功能之一。与传统恒量施肥方式相比，变量施肥能够根据果树生长需求和空间分布差异实现施肥量的动态调整，从而提高养分利用效率并降低环境风险。为提升复杂果园环境下的作业一致性，需要构建面向关键参数的在线感知与闭环调控体系，其总体框架如图10所示［72］。
图10 果园开沟施肥作业在线监测-决策-执行闭环控制框架图

Fig. 10 Framework of the online monitoring–decision-making–execution closed-loop control system for orchard trenching and fertilization operations

变量施肥并非单纯改变排肥机构转速，其前提是明确施肥量调整所依据的信息来源。果园变量信息通常包括土壤养分、树体长势、冠层结构、历史产量、作业状态和排肥反馈等内容，分别服务于施肥处方制定、根区定位、地速补偿和排肥闭环控制。为进一步说明不同信息来源在变量施肥中的作用，表10对果园变量施肥信息来源、获取方式及应用环节进行了归纳。
表10 果园变量施肥信息来源及其作用

Table 10 Information sources for orchard variable-rate fertilization and their functions

变量信息来源 主要获取方式 反映内容 在变量施肥中的作用
土壤养分信息［14］ 土壤采样、土壤传感器、养分空间插值 土壤氮、磷、钾、有机质等肥力差异 构建分区施肥处方图，确定基础施肥量
树体生长信息［2， 3］ 图像识别、多光谱、LiDAR、人工调查 树势强弱、冠层体积、叶面积、枝叶密度 根据树体生长需求调整单株或分区施肥量
冠层与根区空间信息［19］ LiDAR、机器视觉、树冠滴水线检测 冠层边界、树体位置、潜在根系分布范围 辅助确定施肥位置和沟位，支持根区定向施肥
历史产量与管理信息 产量记录、果园档案、历年施肥记录 不同区域产量水平和养分投入响应 修正施肥处方，提高长期管理适应性
作业状态信息［40］ 全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）、车速传感器、编码器、排肥轴转速传感器 机具位置、作业速度、排肥机构运行状态 实现地速补偿和排肥量动态调节
排肥反馈信息［46］ 称重传感器、流量传感器、电流或扭矩监测 实际排肥量、堵塞风险、肥料流动状态 支持施肥量闭环控制和异常状态诊断
在明确变量信息来源的基础上，果园变量施肥的实现路径主要包括基于经验规则、处方图和实时反馈的控制方式。经验规则法依据果树生长阶段和施肥经验设定施肥量，结构简单但灵活性有限；处方图法通过预先获取的果园空间信息实现分区变量施肥，对信息获取和数据处理能力要求较高；实时反馈控制法则通过传感器对排肥状态进行监测，实现施肥量的动态调节，是当前精准施肥研究的重要方向。SONG等［73］提出了一种基于处方图的变量施肥控制系统，该系统通过实时获取作业坐标并调节槽轮排肥机构转速，实现了按处方图自动变率施肥。通过台架与田间试验验证了地图驱动变量施肥技术的可行性。后有GAO等［74］设计了具有排肥轴转速自校准功能的无人变量施肥控制系统，通过构建排肥轴转速-排肥量模型并引入自校准控制策略，提高了不同作业速度下的控制稳定性。通过试验说明了自校准与闭环调控能够有效提升变量施肥系统的响应性能与施肥精度。
在施肥量感知方面，常用方法包括排肥轴转速监测、电机电流检测和称重传感等。其中转速和电流信号能够间接反映排肥状态，具有结构简单、响应速度快等优点，但在肥料物性变化较大时计量精度有限；称重式监测能够直接获取施肥量信息，计量精度较高，但系统结构复杂，对环境适应性要求较高。余洪锋等［75］设计了施肥机施肥性能检测装置，通过称重与转速传感器构建排肥性能试验平台，对不同肥料物性和开度下的排肥特性进行系统测定，为建立高精度排肥数学模型提供了依据。在此基础上，高文杰等［76］提出了基于寻迹传感器的智能排肥试验台，通过模拟机具运行速度变化和实时采集排肥量，实现排肥流量的动态标定及控制算法验证，为变量施肥机械的实验评价提供了通用平台。万仕军等［77］则针对“换肥必重标”的问题，提出具有自适应标定功能的施肥控制系统，通过在线估计肥料堆积密度和流动特性，自动修正控制参数，使系统在更换肥料、工况波动时仍能保持较高的流量控制精度。
现有研究可以表明，将施肥量感知与自动控制相结合，可有效提高施肥均匀性和计量精度［78］。但在果园复杂工况下，肥料流动不稳定、排肥机构易堵塞等问题仍然存在，制约了变量施肥技术在实际生产中的推广应用。

3.3　果园开沟施肥装备地形适应性与自主作业技术

果园开沟施肥装备的智能化不仅体现在开沟深度和施肥量的自动调节上，还体现在复杂作业环境下对机具姿态、行驶路径和作业对象的实时感知与响应上。对于丘陵山地、小地块、老龄乔化及行间障碍较多的果园，仅依靠预设参数难以保证连续稳定作业，装备需要根据坡度变化、车体姿态、地高度差，以及树体位置等信息，对行驶速度、开沟深度和施肥位置进行动态修正。
在地形适应性方面，相关技术主要包括履带或低重心底盘结构、坡度与姿态检测、地表仿形和沟深补偿等。惯性测量单元、倾角传感器、RTK-GNSS、轮速传感器和LiDAR等信息可用于判断机具姿态和地表变化，为坡地条件下的行驶稳定控制和开沟深度补偿提供依据。其核心目标是在起伏地表和坡地工况下保持沟深、沟形和施肥位置的一致性。
在自主作业方面，果园开沟施肥装备主要依赖作业路径规划、行间导航、树体定位、障碍物识别和执行机构联动控制等技术。RTK-GNSS适用于标准化程度较高、遮挡较少的果园；机器视觉和LiDAR可用于识别果树行、树干、行间边界及障碍物，并为路径修正、避障和施肥位置调整提供信息。对于根区定向施肥或环沟施肥作业，控制系统还需根据树体位置、株距变化和冠层边界实时调整开沟轨迹和排肥参数。为进一步归纳地形适应性与自主作业技术的构成，表11对相关技术方向、主要感知或控制对象、功能作用及当前问题进行了总结。
表11 果园开沟施肥装备地形适应性与自主作业关键技术

Table 11 Key technologies for terrain adaptability and autonomous operation of orchard trenching and fertilization equipment

技术方向 主要感知或控制对象 作用 当前主要问题
地形与坡度感知［9］ 坡度、地表起伏、机具姿态 为沟深补偿、速度调节和安全控制提供依据 坡地振动和滑移会影响测量稳定性
底盘通过性与稳定控制［9， 11］ 履带底盘、轮速、侧倾状态 提高丘陵山地和狭窄行距果园通行能力 结构复杂，成本和维护要求较高
开沟深度自适应调节［17］ 沟深、开沟器位置、地表高度 保持复杂地形下开沟深度一致性 土壤阻力突变时控制响应易滞后
自主导航与路径跟踪［49］ 作业路径、果树行、行间边界 实现机具自动行驶和路径保持 树冠遮挡和非结构化环境影响定位精度
树体与障碍物识别［3］ 树干、支架、石块、滴灌管等 支持避障、作业位置修正 复杂背景下识别可靠性仍不足
作业参数联动控制［67，74］ 行驶速度、开沟深度、施肥量 实现地形变化下的稳定施肥 多参数耦合强，控制模型仍不完善
由表11可知，果园开沟施肥装备的地形适应性与自主作业能力涉及环境感知、底盘稳定、沟深调节、路径跟踪、障碍识别和作业参数联动控制等多个方面。当前相关研究在导航定位、姿态感知、路径规划和自动调深等方面已取得一定进展。但在复杂果园环境下仍面临传感器抗干扰能力不足、坡地滑移补偿困难、树冠遮挡影响定位精度、障碍物识别可靠性不足，以及多执行机构协同控制不稳定等问题。未来应加强多源感知融合、坡地姿态补偿、自主导航与作业参数联动控制研究，推动果园开沟施肥装备由局部自动控制向自主作业方向发展。

3.4　果园开沟施肥作业的智能控制系统集成趋势

在系统集成层面，果园开沟施肥作业的智能化发展趋势表现为由单一参数控制向多参数协同控制转变。开沟深度控制与施肥量控制在作业过程中相互耦合，其控制效果共同决定了施肥作业质量。近年来，部分研究开始关注将深度感知、施肥计量和机具姿态信息进行综合处理，构建作业过程的闭环控制系统。
在智能控制系统架构上，果园施肥装备逐渐引入模块化设计理念，将感知层、决策层和执行层进行功能划分，并通过通信总线实现信息交互，为后续多源信息融合和智能决策算法的引入提供基础条件。随着嵌入式控制技术和农业传感器的发展，果园施肥装备在信息获取和处理能力方面不断提升，为实现更加精细化的作业控制创造了条件［79］。
总体而言，果园开沟施肥作业的智能化仍处于发展阶段，现有研究多集中于单一功能或局部优化，系统层面的协同控制和作业质量评价机制尚不完善。这一现状也为后续面向智慧果园的施肥装备研究指明了重要方向。

4 果园开沟施肥装备存在的主要问题与发展趋势

尽管果园开沟施肥机械在结构设计和作业功能方面已取得一定研究进展，但受果园作业环境复杂性和作业对象隐蔽性的影响，现有装备在作业精度、系统稳定性和智能化水平等方面仍存在诸多不足。系统梳理果园开沟施肥装备面临的关键问题，并在此基础上分析其发展趋势，对于推动果园施肥装备向精准化、智能化和绿色化方向发展具有重要意义。

4.1　果园开沟施肥装备面临的主要技术瓶颈

4.1.1　作业环境复杂导致控制难度大

果园作业环境具有地形起伏大、土壤类型复杂、障碍物分布不规则等特点，作业条件明显区别于标准化农田。从现有装备看，一类是通过液压或电控实现开沟深度调节，并以地面仿形或传感采集作为反馈。在果园双行开沟施肥机研究中，有工作构建了基于控制器的自动调深系统，台架与田间试验表明深度稳定性可以达到较高水平，但其效果依赖于相对可控的地表条件与稳定的机具姿态；当进入坡地或土壤阻力突变区域，深度波动仍会显著增加［28］。另一类工作在控制系统层面，集成多传感器采集与执行器调节，通过控制油缸与排肥门实现深度或施肥量联动调节，但田间试验中仍可观察到深度稳定性不足的问题，说明复杂地表与土壤变异对控制系统提出了更高的鲁棒性要求［80］。
综上，该问题的关键技术瓶颈主要体现在面向非结构化地表的高鲁棒深度测量与地表建模能力的不足；机具姿态波动与滑移对沟深的补偿机制不足；控制策略多依赖经验或单回路弱闭环，难以在坡地、硬软突变等工作环境下长期保持沟深与沟形一致性。

4.1.2　根系分布隐蔽性影响施肥位置与深度确定

果树根系分布于土壤内部，其空间分布受树龄、品种和土壤条件等多因素影响，呈现出较强的不确定性。果园农艺通常要求肥料尽量进入有效吸收根区并兼顾避免伤根，同时在矮砧密植、树盘尺度较小的果园中，沟位偏差会明显降低肥效并增加根损风险。
为解决施肥位置精准的问题，已有研究提出可围绕树干实现连续环沟施肥的作业方式，并研制能够识别树干、完成环沟轨迹的施肥装备［81］。相关田间试验给出了环沟宽度、施肥深度等指标范围，证明该路线在定点、定域施肥方面具有优势［10］，但易受环境变化的影响。此外，在根系难以直接观测的条件下，工程上常采用树冠滴水线（树冠垂直投影外缘）作为根系吸收带的近似空间参照，用以辅助确定施肥沟的位置。魏道初等［82］提出基于多传感器融合的滴水线路径检测方法，可在果园环境下自动提取滴水线空间边界，为装备在行进过程中提供几何依据。
综上，该问题的关键技术瓶颈主要体现在果树根区空间参照与真实吸收根区之间缺乏可标定、可迁移的对应模型；树干等关键目标在遮挡、光照等条件下的识别稳定性不足；沟位规划与执行过程缺少面向伤根风险与肥效的在线评价与闭环修正机制，导致不同果园类型间难以实现稳定泛化。

4.1.3　关键作业参数强耦合导致协同控制不足

果园开沟施肥作业过程中，开沟深度、施肥量与作业速度等参数相互耦合，其综合作用决定了最终施肥效果。现有研究多集中于单一参数的优化控制，缺乏对多参数协同调控机制的系统研究，难以在动态作业条件下实现作业质量的整体优化。从现有研究看，一类工作采用深度油缸控制与排肥门开度调节的联动策略来实现基本协同控制，但在复杂工况下深度稳定性与施肥量一致性难以同时提升［80］。另一类针对排肥环节提出更精细的控制策略，通过双参量协同控制提升有机肥排肥一致性，试验表明能改善排肥稳定性与控制精度，但仍普遍依赖离线标定与固定参数，在肥料物性快速变化时，缺乏可靠的在线监测与堵塞诊断机制［83］。
综上，该问题的关键技术瓶颈主要体现在缺少低成本、可工程化的施肥流量与堵塞状态的在线检测模型；控制参数高度依赖离线标定，难以适应肥料物性与工况快速变化；缺乏以作业质量指标为目标的多变量协调控制框架与统一评价方法，导致深度稳定性与施肥一致性难以同步提升。

4.1.4　装备智能化成本与可靠性之间的矛盾突出

随着传感器、控制器和执行机构在果园施肥装备中的应用不断增加，系统复杂度和成本同步上升。在实际生产条件下，果园作业粉尘大、振动冲击强、泥水与肥料腐蚀性高，传感器、线束与执行器的可靠性面临巨大考验。同时果园经营主体多样，小农户对购置成本和维护难度强烈抵制，使得高配置智能系统在工程化推广中往往面临阻力［84］。
尽管已有研究面向无人化与平台化提出了自走式、双行作业、混施与作业过程建模评价等方案，展示了更高的作业效率与智能潜力［11］。但其系统通常包含多执行器、多传感器与复杂控制逻辑，对电液系统、定位导航、故障诊断与维护体系提出了更高的要求。近期针对丘陵果园的履带自走式一体化方案也强调降低能耗与提升混施均匀性，但同样需要在结构可靠性与成本之间取得平衡［85］。
综上，该问题的关键技术瓶颈主要体现在：传感器、线束与执行器在复杂工作环境下的防护与耐久体系不足；故障诊断、冗余保护与失效安全机制不完善，停机维护成本较高；模块化接口与标准化测试评价体系缺失，导致科研样机难以转化为成熟的产品。

4.2　果园开沟施肥装备的发展趋势与研究方向

（1）多源信息融合感知是提升果园施肥装备环境适应性与作业精度的基础。未来装备将集成地形、土壤、冠层及机具姿态等多维传感信息，构建实时、鲁棒的环境感知体系。通过融合LiDAR、机器视觉、惯性测量单元等多源数据，实现对作业区域地表起伏、土壤质地差异、根系分布以及障碍物的同步识别与建模。上述感知能力是实现开沟深度自适应调节、施肥位置精准定位，以及作业路径智能规划的前提，可为决策与控制模块提供稳定可靠的状态输入，从而显著提升复杂果园工况下的作业质量与稳定性。
（2）多参数协同闭环控制是保障施肥作业质量稳定的关键。未来研究需重点突破开沟深度、施肥量与行进速度等关键作业参数强耦合条件下的协同控制技术，构建沟深、肥量、速度等多变量为调控对象，以施肥均匀性、根系安全，以及肥料利用效率等综合质量指标为优化目标的闭环控制框架。可结合模型预测控制、自适应控制等先进方法，实现系统在坡地起伏、土壤非均质与载荷扰动等动态工况下的快速响应与鲁棒调节，从根本上解决单一参数控制导致作业质量差的问题。
（3）模块化与标准化设计是推动装备智能化升级与工程化应用的重要路径。模块化设计理念的引入将有助于降低果园施肥装备的系统复杂度，增强装备的适应性和可扩展性。未来的果园开沟施肥装备将更加注重功能模块的标准化与接口的统一，这为控制和执行模块的集成提供了便利条件，也加速了装备智能化升级的进程。通过模块化设计，设备可根据不同果园的作业需求灵活配置，实现精准、灵活的作业调度，从而提升装备的作业效率和成本效益。
（4）绿色高效与生态友好将成为果园开沟施肥装备技术演进与性能评价的核心导向。在绿色农业与生态农业日益受到重视的背景下，果园施肥装备的发展应更加关注肥料利用效率及作业过程对土壤生态环境的影响。未来研究将通过提高施肥精度、减少养分流失、降低能耗等手段，实现施肥作业的绿色化与可持续发展。采用更精确的施肥技术不仅能提高肥料利用率，减少环境污染，还能降低生产成本，为实现农业生态系统的可持续发展提供技术支持。
综合上述表明，现有果园开沟施肥装备在机械结构和基本作业功能方面已取得较为成熟的研究成果，但在复杂果园环境适应性、作业参数稳定控制及智能化水平等方面仍存在明显提升空间［86］。未来研究应围绕果园作业环境感知、多参数协同控制、模块化系统集成及绿色高效作业等方向开展深入探索，以推动果园开沟施肥装备向高精度、智能化和可持续方向发展。

本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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