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    基于施肥處方的烤煙變量施肥機(jī)設(shè)計及應(yīng)用

    2014-04-08 09:19:14張云李志宏劉青麗梁永江張長華
    關(guān)鍵詞:施肥機(jī)烤煙養(yǎng)分

    張云 李志宏, 蔣 衛(wèi),李 強(qiáng), 王 剛, 劉青麗, 夏 昊, 梁永江, 丁 偉, 張長華

    (1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所, 北京 100081; 2 貴州省煙草公司遵義市公司, 遵義 563000;3 北京東方優(yōu)國途科技有限公司, 北京 100088; 4 中國煙葉公司, 北京 100055 )

    我國烤煙種植區(qū)域地塊零碎,不適合大型機(jī)具作業(yè),本研究選擇小型手扶拖拉機(jī)為施肥機(jī)載體,研制了一種具有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的變量施肥機(jī),包括硬件和軟件; 通過田間網(wǎng)格采樣、 土壤變異分析、 處方生成、 變量施肥機(jī)具自動實(shí)施、 效果評價等完整的變量施肥技術(shù)體系實(shí)施過程,討論變量施肥技術(shù)在我國實(shí)施的可能性。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)地概況

    1.2 土樣采集和測試

    圖1 試驗(yàn)地土壤網(wǎng)格樣點(diǎn)位和土地利用圖Fig.1 Grid soil samples and landuse map in experimental field

    1.3 養(yǎng)分推薦量計算依據(jù)

    表1 土壤養(yǎng)分分級及肥料用量推薦

    1.4 田間管理

    供試烤煙品種為南江3號,種植密度16500 plant/hm2。變量施肥和對照地塊施肥均采用當(dāng)?shù)乜緹煂S梅? 變量施肥養(yǎng)分總量根據(jù)土壤變異計算,磷肥全部作為基肥施用,氮和鉀基肥、 追肥比例為6 ∶4,基肥配方為9-11-24,于移栽前條施,由變量施肥機(jī)完成,變量施肥處方圖見圖8。追肥配方為15-0-30,鉀肥不足部分由硫酸鉀補(bǔ)充,于移栽后20天人工環(huán)施,變量施肥機(jī)施肥地塊和對照地塊見圖1b,變量施肥機(jī)實(shí)施面積2.43 hm2,對照面積1.20 hm2,對照為農(nóng)戶常規(guī)人工施肥。其他栽培管理措施和當(dāng)?shù)亓?xí)慣相同。

    1.5 數(shù)據(jù)處理

    試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理,使用SAS 6.12進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和正態(tài)分布檢驗(yàn),使用GS+9.0軟件進(jìn)行地統(tǒng)計分析,使用ArcGIS 9.3進(jìn)行養(yǎng)分插值和作圖。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 烤煙變量施肥機(jī)研制

    圖2 烤煙變量施肥概念模型Fig.2 The concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

    2.1.1 烤煙變量施肥機(jī)概念模型 基于處方的烤煙變量施肥機(jī)包含兩個執(zhí)行模塊,一是施肥處方生成模塊,一是施肥處方執(zhí)行模塊(圖2),二者通過USB進(jìn)行信息交換。施肥處方生成模塊是一套軟件系統(tǒng),依據(jù)土壤測試值、 施肥模型、 地塊邊界地圖自動生成烤煙施肥處方,以數(shù)據(jù)包方式通過優(yōu)盤復(fù)制給施肥處方執(zhí)行模塊。施肥處方執(zhí)行模塊包括硬件系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng),硬件系統(tǒng)的核心部件有控制器、 GPS芯片、 速度傳感器、 排肥器和肥料斗等機(jī)加工部件; 控制軟件系統(tǒng)主要用于各種硬件的驅(qū)動、 狀態(tài)監(jiān)聽、 個性參數(shù)調(diào)整、 施肥處方執(zhí)行。

    2.1.2 變量施肥處方生成模型 處方生成是變量施肥的關(guān)鍵環(huán)節(jié),根據(jù)土壤測試數(shù)據(jù)、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實(shí)施地塊任意位置的肥料投入量,以空間數(shù)據(jù)的方式供施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件調(diào)用。主要包括: 施肥模型管理模塊、 地圖操作模塊、 空間數(shù)據(jù)插值模塊、 空間數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換模塊、 文件管理模塊。處方生成軟件不包含任何施肥模型參數(shù)、 地圖文件和土壤測試數(shù)據(jù),施肥模型以參數(shù)文件方式存在,施肥模型、 數(shù)據(jù)(包括空間地圖和土壤測試數(shù)據(jù))、 軟件三者獨(dú)立。

    圖3 烤煙變量施肥機(jī)處方生產(chǎn)概念模型Fig.3 The prescription concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

    處方生成主要包括四個過程(圖3),一是由土壤測試數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息生產(chǎn)矢量地圖數(shù)據(jù)文件,并進(jìn)行Albert投影轉(zhuǎn)換將空間位置單位轉(zhuǎn)化為米; 二是檢查地塊邊界文件和土壤測試數(shù)據(jù)矢量地圖是否匹配,如果匹配失敗嘗試對地塊邊界文件進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,生成空間數(shù)據(jù)的插值邊界; 三是根據(jù)插值邊界和土壤測試數(shù)據(jù)的矢量地圖插值生成一定距離的網(wǎng)格數(shù)據(jù),每個網(wǎng)格格點(diǎn)生成一套土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù); 四是依據(jù)建立的施肥模型和格點(diǎn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)計算每個格點(diǎn)的肥料投入量。

    2.1.3 變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件概念模型 控制系統(tǒng)軟件(圖4)的主要功能是驅(qū)動GPS、 速度傳感器和步進(jìn)電機(jī)3個部件,監(jiān)聽上述3個部件的運(yùn)行狀態(tài),依據(jù)施肥處方和部件狀態(tài)實(shí)時調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度以實(shí)施變量肥料投入。實(shí)際運(yùn)行過程中,農(nóng)機(jī)的行進(jìn)速度和農(nóng)機(jī)檔位、 農(nóng)機(jī)手習(xí)慣相關(guān),測試表明同一個農(nóng)機(jī)手的行進(jìn)速度相對偏差小于5%,穩(wěn)定運(yùn)行2個小時以后記錄的行進(jìn)速度作為默認(rèn)速度對肥料投入的偏差小于5%,所以控制系統(tǒng)軟件在監(jiān)聽到速度傳感器為非正常狀態(tài)會及時報警,同時允許施肥機(jī)繼續(xù)工作。GPS芯片和天線出現(xiàn)故障的概率極低,但是,如地震等極端情況出現(xiàn)時,GPS信號不正常,此時,控制系統(tǒng)軟件會對部件狀態(tài)進(jìn)行報警,也允許施肥機(jī)繼續(xù)工作,此時肥料投入量為默認(rèn)的平均水平施肥量。

    圖4 烤煙變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件概念模型Fig.4 The control software concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

    圖5 烤煙變量施肥機(jī)排肥裝置示意圖Fig.5 Fertilizer discharge of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

    2.1.4 變量施肥機(jī)的核心部件和關(guān)鍵參數(shù)

    硬件環(huán)境

    中央處理單元(CPU): 飛思卡爾的i.MX51為主芯片,主頻1.2G;

    GPS芯片: 瑞士U-Blox公司生產(chǎn)的Ublox AG,位置誤差小于10米;

    速度傳感器: JL-0203NA-OC;

    步進(jìn)電機(jī): 深圳雷賽公司生產(chǎn)的110系列;

    排肥器: 排肥器作為施肥機(jī)的核心部件,要求不漏肥、 防堵、 防銹、 轉(zhuǎn)速和排肥量線性相關(guān)。市場供應(yīng)的化肥造粒不勻、 結(jié)塊, 導(dǎo)致星輪狀排肥裝置出現(xiàn)堵死現(xiàn)象,可用性差,本研究采用圖5結(jié)構(gòu)的排肥器。該排肥裝置的排肥精度如圖6,數(shù)據(jù)測試在田間實(shí)際施肥過程中完成,實(shí)際排肥量和模擬公式計算的理論排肥量相對誤差小于0.5%。

    圖6 排肥量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.6 Relation of fertilizer discharge and motor rotating speed

    圖6為實(shí)測的排肥量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線,用于獲取排肥器的特征參數(shù)a和b,排肥量用體積表示。肥料密度不同,相同轉(zhuǎn)速在單位時間內(nèi)排肥的體積相同,而排肥質(zhì)量(重量)不同。變量施肥機(jī)工作過程中,需要由處方施肥量確定電機(jī)轉(zhuǎn)速,不能由圖6推算,此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速和肥料用量、 農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度、 施肥行距、 肥料密度等因素相關(guān),可采用公式(1)計算。

    步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(v)與排肥量的關(guān)系:

    (1)

    其中:

    a、 b—排肥軸特征參數(shù),表征轉(zhuǎn)速和排肥量(體積)之間的關(guān)系;

    W—肥料用量,單位為kg/hm2;

    V—行進(jìn)速度,單位為m/s;

    h—行距,即兩條相鄰肥料壟之間的距離,單位為m;

    ρ—肥料密度,單位為g/cm3。

    軟件環(huán)境

    處方生成軟件開發(fā)環(huán)境: Microsoft Studio 2008 C#; 依賴環(huán)境DotNet Framework 3.5和Microsoft Office 2003或以上版本; GIS相關(guān)模塊使用C#自主開發(fā);

    控制系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境: 硬件驅(qū)動使用C語言開發(fā); 應(yīng)用層軟件使用Android 2.3.4操作系統(tǒng)下java開發(fā)。

    2.2 烤煙變量施肥機(jī)應(yīng)用

    表2 土壤養(yǎng)分含量和pH值描述性統(tǒng)計

    圖7 土壤養(yǎng)分和pH值半方差分析圖Fig.7 Semivariograms for soil nutrients and pH value

    圖8 土壤養(yǎng)分空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of soil nutrients

    變程反映土壤的結(jié)構(gòu)性,變程值內(nèi)的土壤性質(zhì)是空間相關(guān)的; 變程值范圍以外的土壤性質(zhì)是空間獨(dú)立的。根據(jù)半方差理論,球狀模型和線性有基臺模型的變程為模型參數(shù)A0,指數(shù)模型和高斯模型的變程為模型參數(shù)A0的3倍。土壤pH值和硝態(tài)氮是球狀模型,變程分別為174.3米和68.3米,硝態(tài)氮的變程最小; 有機(jī)質(zhì)、 有效磷、 速效鉀和無機(jī)氮是指數(shù)模型,變程分別為354.3米、 426.0米、 330.6米和1050.6米。其中,無機(jī)氮由銨態(tài)氮和硝態(tài)氮組成,移動性較強(qiáng),變化比較快,不太可能出現(xiàn)較大的變程,結(jié)構(gòu)分析表現(xiàn)為中度空間相關(guān), 但圖7中無機(jī)氮并不是典型的指數(shù)圖形,這可能和銨態(tài)氮結(jié)構(gòu)性不好相關(guān)。烤煙養(yǎng)分管理的重點(diǎn)是氮素管理,過量的氮素肥料投入會導(dǎo)致上部煙葉煙堿含量過高,煙葉質(zhì)量差,氮素投入不夠又會嚴(yán)重影響產(chǎn)量。氮素養(yǎng)分管理過程中,如果采用硝態(tài)氮(旱地)作為氮素養(yǎng)分管理的依據(jù),土壤樣品采集的網(wǎng)格密度不能小于70米; 采用無機(jī)氮作為氮素養(yǎng)分管理的依據(jù)時,雖然能夠增大網(wǎng)格采樣密度,其可靠性需要進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)。

    土壤有機(jī)質(zhì)、 無機(jī)氮、 有效磷和速效鉀的分布符合正態(tài)分布或經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布,達(dá)到中等強(qiáng)度以上的空間自相關(guān),可以進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插,圖8是土壤養(yǎng)分的空間分布圖。雖然pH值也滿足上述要求,沒有列出pH值的空間分布圖,一方面是pH值的變異系數(shù)非常小,另一方面pH值在烤煙生長的適宜范圍[10]。試驗(yàn)地在土壤采樣之前歸農(nóng)戶各家所有,種植作物主要是玉米,農(nóng)戶鉀肥投入少,土壤速效鉀含量(圖8d)處于極低水平[9-10],養(yǎng)分管理過程中,鉀素養(yǎng)分給予最高的推薦量。土壤有效磷含量(圖8c)和速效鉀含量近似,處于中等偏低水平[9-10],除試驗(yàn)地東南角部位含量稍高外,整體含量不高。土壤無機(jī)氮含量(圖8b)處于中等或中等偏低水平,西南和東北部位含量稍高,中部含量較低,有比較清晰的空間分布區(qū)域特征。土壤有機(jī)質(zhì)含量(圖8a)東部高西部適中,針對烤煙種植,有機(jī)質(zhì)含量過高和過低均不利于烤煙生產(chǎn)[9-10],有機(jī)質(zhì)含量超過30 g/kg,土壤氮素礦化量過高,煙葉氮來源于土壤礦化氮的比例過高,煙堿含量過高,煙葉品質(zhì)差[13]; 有機(jī)質(zhì)含量過低,土壤結(jié)構(gòu)差,保水保肥性差,也影響烤煙的產(chǎn)量和質(zhì)量; 試驗(yàn)地東部土壤有機(jī)質(zhì)偏高,對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)烤煙有影響。

    本研究設(shè)計的變量施肥機(jī)只能針對一種肥料進(jìn)行變量控制,實(shí)施過程中以氮素養(yǎng)分作為肥料推薦的依據(jù),一方面是試驗(yàn)地塊氮素養(yǎng)分的空間變異比磷、 鉀都大,且氮素對烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量的影響也最大; 另一方面根據(jù)圖8c中有效磷含量小于10 mg/kg 的面積占83.5%,圖8d中速效鉀含量均小于80 mg/kg,土壤磷和鉀養(yǎng)分含量低,均處于高量推薦水平。圖9是以土壤無機(jī)氮、 表1養(yǎng)分推薦指標(biāo)體系、 基肥配方9-11-24為依據(jù)制作的變量施肥處方圖。

    圖9 變量施肥處方圖Fig.9 Prescription map of variable fertilizer rates

    變量施肥機(jī)養(yǎng)分投入與推薦量比較,氮素養(yǎng)分相同,磷素和鉀素養(yǎng)分投入比推薦量分別少0.5 kg/hm2、 9.9 kg/hm2,變量施肥實(shí)際養(yǎng)分投入與推薦量基本相當(dāng)。變量施肥地塊最終養(yǎng)分投入與農(nóng)戶常規(guī)施肥比較節(jié)省肥料4.6%,試驗(yàn)地塊土壤養(yǎng)分含量低,肥料投入過低導(dǎo)致減產(chǎn)風(fēng)險較高。

    2.2.2 變量施肥的烤煙生育性狀 表3為變量施肥區(qū)和對照區(qū)分別均勻布置20個監(jiān)測點(diǎn)生育期性狀調(diào)查表,調(diào)查時間為烤煙圓頂期。

    表3 應(yīng)用變量施肥機(jī)的烤煙生育性狀表

    2.2.3 變量施肥的烤煙產(chǎn)量和質(zhì)量 變量施肥機(jī)實(shí)施地塊和對照地塊單獨(dú)烘烤、 分級、 計算產(chǎn)量,表4為試驗(yàn)產(chǎn)質(zhì)量表,其中,上、 中、 下等煙率是把烤煙煙葉分為42級后根據(jù)每級產(chǎn)量整理出來的。

    表4 應(yīng)用變量施肥機(jī)的烤煙產(chǎn)質(zhì)量表

    在相同株高的情況下,烤煙中部葉(最大葉)面積越大,植株光合作用的面積越大,光能利用率就越高; 在株高不同的情況下,中部葉面積和株高的比值越高,植株的光能利用率越高。根據(jù)表4,變量施肥處理和對照的中部葉面積(本文直接使用最大葉長和寬的乘積)和株高的比值分別為22.55和21.51,變量施肥處理有更高的光能利用率,這和變量施肥烤煙產(chǎn)量高于對照產(chǎn)量的數(shù)據(jù)一致。

    變量施肥烤煙長勢整齊,長勢最好的煙葉和長勢最差的煙葉比例同步減少,表4數(shù)據(jù)表明, 變量施肥處理烤煙中等煙率為52.2%,比對照中等煙率39.1%增加了13.1%; 同時,變量施肥處理的上等煙率和下等煙率均比對照低,這和變量施肥處理烤煙長勢整齊相關(guān),長勢較差的植株少,長勢好的植株光合作用的邊際效率少,上等煙的比率減少。中等煙率比例增加是烤煙煙葉單價提高的原因,也是變量施肥產(chǎn)值高于對照4286.45 yuan/hm2的重要原因。

    3 討論

    3.1 基于處方變量施肥機(jī)的效益

    本研究通過變量施肥機(jī)研制和應(yīng)用證實(shí)變量施肥可以提高烤煙的產(chǎn)量和均價,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。本研究設(shè)計的變量施肥機(jī)是在烤煙起壟機(jī)的基礎(chǔ)上附加變量施肥單元,能夠節(jié)省施肥的人工成本,常規(guī)人工施肥效率是0.2 hm2/d,人工施肥成本300 yuan/hm2,同時節(jié)省肥料4.6%,折合124.2 yuan/hm2。采用變量施肥技術(shù)需要增加土壤樣品測試成本,本研究采用50 m×50 m網(wǎng)格采樣,每項(xiàng)土壤樣品測試費(fèi)用為100 yuan,相當(dāng)于400 yuan/hm2。由于產(chǎn)量增加和品質(zhì)改善,產(chǎn)值增加4286.45 yuan/hm2,變量施肥機(jī)在烤煙上應(yīng)用增加的綜合效益為4310.65 yuan/hm2。變量施肥機(jī)工作效率14.25 h/hm2,一臺變量施肥機(jī)單個烤煙移栽季施肥面積7 hm2,單臺變量施肥機(jī)累積節(jié)本增效達(dá)到30174.55元,具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

    3.2 變量施肥機(jī)的發(fā)展趨勢

    根據(jù)變量施肥的實(shí)現(xiàn)方式,可以分為基于處方的變量施肥機(jī)和基于傳感器的變量施肥機(jī),目前,根據(jù)前期制作的處方自動控制施肥仍然是主流,限制傳感器實(shí)時獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行決策而后自動施肥的關(guān)鍵是傳感器技術(shù)本身,尚缺乏有效獲取土壤養(yǎng)分等信息的可靠傳感器,甚至有些光學(xué)傳感器也僅僅用于施肥處方生成,盡管如此,基于傳感器的變量施肥依然代表該技術(shù)發(fā)展的方向。

    從高新技術(shù)應(yīng)用的角度,變量施肥技術(shù)對GPS的應(yīng)用會更加深入。通常變量施肥的土壤網(wǎng)格采樣密度大于50 m×50 m,而普通GPS的精度在10 m以內(nèi),差分GPS的精度可提高到1 m以內(nèi),土壤采樣位置誤差遠(yuǎn)大于變量施肥機(jī)的施肥位置誤差。盡管如此,GPS的精度會進(jìn)一步提高,變量施肥機(jī)的自動導(dǎo)航不僅可節(jié)省油料消耗,提高變量施肥機(jī)的工作效率,也可以使肥料投放的位置更加準(zhǔn)確,有效提高肥料利用效率和耕地生產(chǎn)效率; 同時,農(nóng)機(jī)的測速問題始終是技術(shù)難題,傳統(tǒng)的五輪測速由于不同耕地條件滑移不同,很難獲取到農(nóng)機(jī)的真實(shí)速度,而雷達(dá)測速要求速度大于18 km/h,農(nóng)機(jī)工作速度在5 km/h以內(nèi),考慮農(nóng)機(jī)操作以直線運(yùn)動為主,高精度GPS可解決農(nóng)機(jī)測速問題。

    現(xiàn)階段限制變量施肥機(jī)應(yīng)用的一個重要原因是土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)獲取成本高,遙感數(shù)據(jù)、 作物長勢和產(chǎn)量數(shù)據(jù)、 土壤理化的歷史數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)獲取、 解譯、 管理并用于施肥處方生成,將有效降低變量施肥技術(shù)應(yīng)用的運(yùn)行成本[14]。同時,自主研發(fā)并擁有全部知識產(chǎn)權(quán)的變量施肥機(jī)在經(jīng)濟(jì)作物上應(yīng)用,通過節(jié)約肥料、 勞動力成本,增加農(nóng)產(chǎn)品效益來獲取收益,成本回收期可控制在2年以內(nèi),變量施肥機(jī)的購置成本不會成為該技術(shù)應(yīng)用的限制因子。

    4 結(jié)論

    變量施肥機(jī)以小型手扶拖拉機(jī)為載體,根據(jù)土壤測試數(shù)據(jù)、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實(shí)施的地塊任意位置的肥料投入量,以空間數(shù)據(jù)的方式供施肥機(jī)控制系統(tǒng)軟件在施肥實(shí)踐中是可行的。

    使用變量施肥機(jī)實(shí)施自動變量施肥,可節(jié)省肥料4.6%; 提高烤煙的整齊度; 上等煙率和下等煙率同步減少,中等煙率增加13.1%; 農(nóng)戶收益平均增加30174.55 yuan/hm2,具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

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