基于GPS的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥系統(tǒng)及研究進(jìn)展

[摘 要] 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是一套基于空間信息管理和變異分析的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)操作系統(tǒng)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心思想就是根據(jù)土壤性狀和作物生長(zhǎng)狀況的空間差異，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，即一方面對(duì)耕地和作物進(jìn)行定量的實(shí)時(shí)診斷，充分了解大田生產(chǎn)能力的空間差異；另一方面則以平衡地力提高產(chǎn)量為前提，實(shí)施定位、定量的精確田間管理，從而實(shí)現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和改善環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞] 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)發(fā)展；變量施肥

1、變量施肥系統(tǒng)的組成及作用

變量施肥系統(tǒng)由全球定位系統(tǒng)（GPS）、機(jī)器控制系統(tǒng)、變量施肥專家系統(tǒng)、以GIS為核心的農(nóng)田信息管理系統(tǒng)、拖拉機(jī)——播種機(jī)施肥機(jī)等組成。當(dāng)拖拉機(jī)在田間行駛時(shí)，通過(guò)GPS獲取準(zhǔn)確位置信息，進(jìn)行操作單元的識(shí)別，以操作單元名稱訪問(wèn)施肥數(shù)據(jù)卡，讀取當(dāng)前操作單元施肥量，通過(guò)控制系統(tǒng)控制施肥量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變量施肥。

1.1全球定位系統(tǒng)（GPS）

全球定位系統(tǒng)（GPS）在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中能夠?qū)嵤┦┓蕶C(jī)械作業(yè)的動(dòng)態(tài)定位，即根據(jù)管理信息系統(tǒng)發(fā)出的指令，實(shí)施田間的精確定位。按照參考點(diǎn)的不同，GPS接收方式可分為單點(diǎn)定位和差分定位。動(dòng)態(tài)差分定位過(guò)程中，采用測(cè)碼偽距觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位，衛(wèi)星軌道偏差、衛(wèi)星鐘差、大氣折射等誤差有效減弱，加上載波相位平滑技術(shù)可以達(dá)到分米級(jí)的定位精度，因此可作為農(nóng)業(yè)應(yīng)用的首選方案。在差分定位中需要設(shè)定基站的基準(zhǔn)點(diǎn)，該基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)使用已知定位點(diǎn)的大地坐標(biāo)，也可以利用基站GPS經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的定位數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)處理后確定的基站地理坐標(biāo)作為參考點(diǎn)。

一般的GPS接收機(jī)都提供了向計(jì)算機(jī)串口發(fā)送NMEA格式數(shù)據(jù)的功能。Trimble公司的AgGPS132型GPS接收機(jī)發(fā)送的是NMEA-0183格式。這個(gè)版本的NMEA能提供18種不同的數(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)，就能獲得農(nóng)機(jī)作業(yè)所需的全部信息。

1.2地理信息系統(tǒng)（GIS）。GIS用于生成農(nóng)田電子地圖、采樣導(dǎo)航、施肥決策及管理土壤和產(chǎn)量信息。變量施肥系統(tǒng)是基于GIS的應(yīng)用型軟件。它是采用集成二次開(kāi)發(fā)，以通用編程軟件、面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ撸ㄈ鏥C、VB等）為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用GIS工具軟件實(shí)現(xiàn)GIS的基本功能。既可以充分利用可視化軟件開(kāi)發(fā)工具的高效方便的編程功能，實(shí)現(xiàn)各種專用的復(fù)雜的分析方法，又充分利用了GIS工具軟件完備的空間數(shù)據(jù)可視化分析處理功能，大大提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，現(xiàn)已成為應(yīng)用型GIS開(kāi)發(fā)的主流。

1.3變量施肥專家系統(tǒng)

變量施肥專家系統(tǒng)的建立，是對(duì)采樣、測(cè)土獲得的土壤有機(jī)質(zhì)、N、P、K等進(jìn)行施肥決策，獲得每個(gè)操作單元的施肥量；是從實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)變量施肥作業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，應(yīng)首先建立關(guān)于田間土壤信息、施肥情況、作物產(chǎn)量等地理信息圖層，然后進(jìn)行專題分析與施肥決策。變量施肥專家系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：數(shù)據(jù)的錄入功能、數(shù)據(jù)的維護(hù)和更新功能、數(shù)據(jù)的查詢和檢索功能及統(tǒng)計(jì)功能等。

2、國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展

2.1國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展。吉林大學(xué)的吳才聰?shù)韧瓿闪司珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)田塊網(wǎng)格的劃分，為自動(dòng)變量施肥的網(wǎng)格識(shí)別提供保證。北京農(nóng)業(yè)技術(shù)信息研究中心提出了基于多維空間變異分析的自適應(yīng)農(nóng)藝處方單元策略，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中自動(dòng)確定最佳農(nóng)藝處方單元大小提出了簡(jiǎn)便的解決方法；建立了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能決策支持平臺(tái)，可以為用戶播種、施肥等實(shí)現(xiàn)精確管理提供技術(shù)支持。浙江大學(xué)的何勇等建立了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究和開(kāi)發(fā)的信息處理系統(tǒng)。

2.2國(guó)外的研究進(jìn)展。近年來(lái)，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的示范研究。在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥技術(shù)研究方面，國(guó)外已取得部分研究成果。C.Yang，J.H.Everitt和J.M.Bradford對(duì)變量施用液態(tài)N肥和P肥做了研究，得出應(yīng)用變量施肥技術(shù)可以減少產(chǎn)量變化的差異，提高產(chǎn)量和增加回報(bào)。C.R.Camp和E.J.Sadler等研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)字控制計(jì)量裝置，用于水的灌溉和化學(xué)藥劑的噴灑作業(yè)。D.K.Morris和D.R.Ess等研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)裝備GPS的液態(tài)有機(jī)肥施用系統(tǒng)，該系統(tǒng)以開(kāi)/關(guān)的形式控制肥料的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)在水井、路障、河流等處控制不施肥，在耕作土地上控制施肥。

3、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的含義精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的含義是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，即一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，另一方面查清田塊內(nèi)部的生產(chǎn)力空間變異與土壤性狀，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的效益

玉米收獲后，通過(guò)對(duì)代表性網(wǎng)格的土壤0-90cm剖面無(wú)機(jī)氮?dú)埩袅康臏y(cè)定，評(píng)價(jià)精準(zhǔn)施肥的生態(tài)效應(yīng)。具體方法如下：

4.1土樣采集。用土鉆分層取土壤剖面0-90cm土樣，以30cm為一層，即0-30cm、30-60cm、60-90cm共三層，每網(wǎng)格取4到5點(diǎn)，同一層土樣混合，然后將采集的新鮮土樣儲(chǔ)藏在冰盒內(nèi)帶回，在實(shí)驗(yàn)室過(guò)4-5mm篩子混勻備用。

4.2將混勻后的土壤樣品稱取12.00g，加入100ml 0.01mol/L的CaCl2浸提液，振蕩30分鐘（180轉(zhuǎn)/分），過(guò)濾，冷凍，同時(shí)取15.00g的土樣測(cè)定土壤含水量。

4.3將濾液上流動(dòng)分析儀（TRAAS-2000）測(cè)定，土壤樣浸提的同時(shí)測(cè)土壤含水量。

目前，對(duì)具有代表性的50個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行土樣采集，同時(shí)對(duì)農(nóng)民習(xí)慣施肥的農(nóng)田進(jìn)行土樣采集，合計(jì)300多份土樣，數(shù)據(jù)正在測(cè)定當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳立平，趙春江等.精確農(nóng)業(yè)智能決策支持平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，（2）：145-148.

[2]何勇，方慧，馮雷.基于GPS和GIS的精細(xì)農(nóng)業(yè)信息處理系統(tǒng)研究，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，（1）：145-149.

作者簡(jiǎn)介：張井柱，長(zhǎng)春科技學(xué)院。