精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

趙文旻

摘 要：精準(zhǔn)變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的重要組成部分之一，主要對(duì)精準(zhǔn)變量施肥的概念及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，總結(jié)了變量施肥涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的所面臨的問題及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)變量施肥；多變量施肥；電子變量控制器；定位信息接收器

中圖分類號(hào)：S147.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.032

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，其基本涵義是根據(jù)作物的生長(zhǎng)特性及土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，最終的目的是以最少的投入獲得最高的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。變量施肥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，目前，國(guó)外已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化及規(guī)模化的水平，而我國(guó)的施肥技術(shù)大多還停留在經(jīng)驗(yàn)施肥的層面，存在肥料元素配比不合理及肥料利用率低的現(xiàn)象。這不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的損失，還造成了土壤酸化、水體富氧化等環(huán)境污染問題。實(shí)行科學(xué)的變量施肥是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要舉措。

1 精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的概念

精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)是將土地細(xì)化成網(wǎng)格單元，不同地塊單元的土壤特性、作物生長(zhǎng)狀況及田間環(huán)境等因素都有很大的不同，結(jié)合這些地塊單元因素以及歷年產(chǎn)量等相關(guān)信息，形成資料齊全的土壤養(yǎng)分信息化管理系統(tǒng)，并決策生成作物施肥作業(yè)的變量處方圖，利用裝有田間計(jì)算機(jī)、定位信息接收器、電子變量控制器的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，根據(jù)處方圖中的信息在田間有針對(duì)性的、定時(shí)定量地進(jìn)行精準(zhǔn)的施肥作業(yè)。

2國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外

20世紀(jì)90年代以來，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在歐美國(guó)家發(fā)展速度非?？?，已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，尤其是變量施肥技術(shù)在北美最為成熟，在加拿大、美國(guó)等已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

美國(guó)凱斯公司（Case）研制的空氣免耕系統(tǒng)播種機(jī)和空氣播種機(jī)可以隨時(shí)改變播種量及施肥量，能在一次作業(yè)中改變?nèi)N不同類型的種子或肥料的比例，滿足不同作物生長(zhǎng)特性及環(huán)境特性對(duì)肥料的需求。此外，還可以根據(jù)作物施肥的變量處方圖控制肥料元素的配備及施肥量。

美國(guó)約翰迪爾公司生產(chǎn)的1910氣吹式種肥車能保存施肥作業(yè)后的田間數(shù)據(jù)信息，且配有指令選配系統(tǒng)，能通過人機(jī)交互界面顯示農(nóng)機(jī)的位置、土壤需肥的情況、施肥變量處方圖等信息，可提前設(shè)置農(nóng)田區(qū)塊的播種量和施肥量，并通過使用指令選配系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)播種施肥作業(yè)。

美國(guó)Rawson公司生產(chǎn)的多功能變量控制器ACCU-RATE不僅適用于固態(tài)化肥的變量控制，還適用于液態(tài)化肥的變量控制，它通過2個(gè)RS-232接口輸入2種GIS決策信息。此外，在人工模式下還可以手動(dòng)輸入播種量或施肥量。

德國(guó)Amazone公司研發(fā)的變量施肥機(jī)具有安裝光傳感器，可實(shí)時(shí)獲取作物的反射光譜特征信息，從而計(jì)算每平方米的作物產(chǎn)量、肥料元素的投入量等，并通過控制安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)具上的變量施肥裝置直接進(jìn)行施肥作業(yè)。

俄羅斯全俄農(nóng)機(jī)化研究所針對(duì)顆粒狀化肥研制了變量施肥機(jī)，其利用了電磁鐵和共振片的原理，通過調(diào)整安裝在排肥口共振片的振動(dòng)頻率來控制施肥口的開啟和閉合，從而實(shí)現(xiàn)施肥量的自動(dòng)控制。

日本針對(duì)固體氮肥研制了適用于水稻田的施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧輕便，自帶GPS，駕駛室內(nèi)有監(jiān)視器，可以查詢作業(yè)處方圖，通過地輪檢測(cè)機(jī)具的前進(jìn)速度和GIS獲得農(nóng)業(yè)機(jī)具的位置信息，并能通過查詢儲(chǔ)存在地圖中相應(yīng)的處方來控制精準(zhǔn)出肥。

2.2 國(guó)內(nèi)

20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)行了引進(jìn)。在引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，研究和探討了適合中國(guó)國(guó)情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的思想已經(jīng)被科技界和社會(huì)廣為接受，并在實(shí)踐上有一定的應(yīng)用。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中心設(shè)計(jì)了2BJ-6W型變量施肥密種機(jī)，其將土壤肥力作為信息提取目標(biāo)，使用地學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，可在平原、丘陵、低洼地帶等不同地形結(jié)構(gòu)情況下生成土壤養(yǎng)分肥力分布圖，并根據(jù)此圖來實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地塊不同區(qū)域中施肥量及肥料配比的控制。

吉林大學(xué)的研究人員進(jìn)行了基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）、數(shù)字集成電路的變量施肥控制系統(tǒng)的研究。施肥區(qū)塊地理位置的經(jīng)緯度信息能夠通過GPS獲得，并將田地利用傾斜網(wǎng)格劃分為小的操作單元。通過GIS可以繪制出區(qū)塊的三維輪，施肥作業(yè)處方采用通過分析土壤養(yǎng)分組成的狀態(tài)及農(nóng)作物的理想產(chǎn)量現(xiàn)場(chǎng)即刻生成，通過采集施肥機(jī)的位置信息、速度信息，結(jié)合施肥作業(yè)處方信息產(chǎn)生控制信號(hào)，通過控制排肥軸轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地控制調(diào)節(jié)出肥量。

上海交通大學(xué)針對(duì)變量施肥作業(yè)缺乏數(shù)字處方圖的問題，建立了基于土壤養(yǎng)分圖、作物產(chǎn)量圖、土壤墑情圖及作物生長(zhǎng)規(guī)律信息的變量施肥作業(yè)處方模型，該模型可在復(fù)雜多元信息環(huán)境下生成施肥處方圖。

中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等單位在國(guó)家科技部“863”計(jì)劃的支持下， 研發(fā)了多種型號(hào)變量播種施肥機(jī)和變量配肥施肥機(jī)。中國(guó)科學(xué)院將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)列入知識(shí)創(chuàng)新工程計(jì)劃，在河北欒城、上海、新疆、吉林等地同時(shí)開展了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的相關(guān)試驗(yàn)研究和技術(shù)集成的示范工作。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在變量施肥的研究上起步較晚，差距明顯。目前，我國(guó)對(duì)變量施肥技術(shù)的主要側(cè)重于理論研究，距形成產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；€有一段距離。

3 精準(zhǔn)變量施肥的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 變量投入技術(shù)

變量投入技術(shù)（VRT，Variable Rate Technologyh）是指裝有計(jì)算機(jī)、DGPS等先進(jìn)設(shè)備的農(nóng)機(jī)具，根據(jù)其所處的耕地位置自動(dòng)調(diào)節(jié)物料箱里農(nóng)業(yè)物料投入速率的技術(shù)。變量投入控制主要有2種方式，即基于處方圖數(shù)據(jù)變量分類和基于傳感器數(shù)據(jù)變量分類。基于處方圖數(shù)據(jù)變量分類是將相關(guān)的地圖信息提前存儲(chǔ)到車載計(jì)算機(jī)上，通過GPS系統(tǒng)對(duì)施肥機(jī)具位置進(jìn)行定位后，調(diào)用并解析該區(qū)塊位置的地圖信息，包括地域作物的土壤養(yǎng)分分布信息、土壤墑情、土質(zhì)歷史產(chǎn)量分布等信息，再合專家系統(tǒng)模型生成變量施肥處方圖。變量施肥機(jī)在行進(jìn)過程中可實(shí)時(shí)進(jìn)行定位和速度檢測(cè)，根據(jù)處方圖可實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè)。變量施肥處方圖的主要依據(jù)為土壤的養(yǎng)分含量，目前，適用于變量施肥系統(tǒng)的處方圖主要有以下3種：①根據(jù)土壤中各類養(yǎng)分光譜反射特性不同的特點(diǎn)，尋找土壤各養(yǎng)分含量的光譜反射波段，建立土壤養(yǎng)分光譜分析模型。但是土壤中的磷和鉀難以用特定光譜波段的特征來描述，因此，光譜技術(shù)無法完全承擔(dān)處方圖的生成工作。②在遙感數(shù)據(jù)中提取有用的信息，主要是從土壤光譜及植被光譜中間接提取土壤養(yǎng)分含量特征，但土壤多被植被覆蓋，且遙感技術(shù)的應(yīng)用也易受到天氣的影響。③使用近紅外分光光度計(jì)可以高精度地測(cè)定土壤中的養(yǎng)分及土壤特性，但這種技術(shù)大多用于土壤樣品的測(cè)試分析。雖然測(cè)定時(shí)間較短，但是仍需要人工采樣測(cè)定，其采樣密度難以達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求。

基于傳感器數(shù)據(jù)變量分類是指將農(nóng)田的基本數(shù)據(jù)信息通過傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息將實(shí)時(shí)傳送至控制系統(tǒng)進(jìn)行解釋分析，進(jìn)而進(jìn)行變量實(shí)時(shí)作業(yè)。但目前傳感器只能實(shí)時(shí)檢測(cè)出少量的土壤養(yǎng)分含量。由此可見，目前雖然有多種土壤養(yǎng)分的檢測(cè)技術(shù)，但仍找不到一種比較成熟的處方圖的生成方法。因此，處方圖的生成是精準(zhǔn)變量施肥的瓶頸之一。

3.2 變量施肥控制系統(tǒng)

變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)變量施肥機(jī)的核心。施肥機(jī)在行進(jìn)過程中采用GPS定位，并實(shí)時(shí)測(cè)速，結(jié)合變量施肥的處方圖，由控制系統(tǒng)發(fā)布指令，驅(qū)動(dòng)變量施肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行施肥作業(yè)。對(duì)于固體肥料多采用液壓馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)施肥，主要通過上訴多種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速來控制排肥量。而液態(tài)肥多通過電磁比例閥來實(shí)現(xiàn)施肥操作。

3.3 變量施肥、排肥機(jī)構(gòu)

變量施肥、排肥機(jī)構(gòu)是主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，排肥器機(jī)構(gòu)常見的主要有外槽輪式、轉(zhuǎn)盤式、離心式、螺旋式等類型。由于國(guó)外的耕地面積大，因此，國(guó)外多采用離心式圓盤撒肥機(jī)。但其并不適合我國(guó)中小型的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式，因此，我國(guó)多采用外槽輪排肥機(jī)構(gòu)。

目前，國(guó)內(nèi)變量施肥機(jī)排肥機(jī)構(gòu)還沒有同時(shí)具備高精度、大寬幅、變異系數(shù)小、均勻性好和施肥排量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)裝置還處于研究階段。

4 展望

我國(guó)的精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)仍然處于起步階段，要想發(fā)展成熟，還需要攻克多個(gè)難關(guān)。目前，主要面臨的問題為：變量施肥處方圖的生成仍沒有成熟的方法；傳統(tǒng)的化學(xué)檢測(cè)雖然精準(zhǔn)，但是采樣點(diǎn)密度非常小，不適用于變量施肥的實(shí)施，且耗時(shí)耗力，效率低下；依據(jù)光譜反射特性及遙感技術(shù)雖然可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法中的問題，但是仍然存在難以推廣的問題；專家決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新慢，造成脫離農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，且不同地域的土壤特性差異很大，通用性較差。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)變量施肥機(jī)的研究大多集中于提高施肥的精度，對(duì)肥料的配比控制研究較少。為了滿足田間地塊對(duì)不同種類肥料不同量的需求，多變量施肥控制系統(tǒng)及多變量混合機(jī)構(gòu)的研究也將成為精準(zhǔn)變量施肥研究的方向之一。

參考文獻(xiàn)

[1]孫國(guó)祥，陳滿，汪小旵.變量施肥機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（02）.

[2]劉茂成，梁天航，陳奕穎.變量施肥自動(dòng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2015（23）.

[3]張俊寧.精準(zhǔn)施肥技術(shù)現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2015（07）.

[4]楚世哲，張立新，李振.雙變量施肥機(jī)施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2016（01）.

〔編輯：張思楠〕