基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的水稻施肥系統(tǒng)開發(fā)

楊亨東

(重慶商務(wù)職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

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基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的水稻施肥系統(tǒng)開發(fā)

楊亨東

(重慶商務(wù)職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

水稻是我國的第一大糧食作物，每年在水稻的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上需投入大量人力和物力。而肥料是水稻種植成本的重要組成部分，也是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保證，長期以來，我國水稻生產(chǎn)上過量施肥和盲目施肥情況普遍存在。為此，開發(fā)出一種基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的水稻施肥系統(tǒng)，可減少施肥量，提高水稻的產(chǎn)量，對于中產(chǎn)田能有特別明顯的節(jié)肥增產(chǎn)的效果，在我國有廣闊的應(yīng)用前景。

施肥系統(tǒng)；水稻；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

0 引言

水稻是我國的第一大糧食作物，每年在水稻的生產(chǎn)上需投入大量的人力和物力。其中，肥料是水稻種植成本的重要組成部分，也是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保證。長期以來，我國水稻的種植是以傳統(tǒng)的方式為主，農(nóng)業(yè)的自動化和智能化水平不高，過量施肥及不考慮養(yǎng)分比例的盲目施肥情況普遍存在，肥料的利用效率較低，增加了生產(chǎn)成本；而肥料隨著水土的流失還能引起嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。因此，根據(jù)水稻種植區(qū)域的土壤類型和養(yǎng)分含量情況，針對水稻各生長發(fā)育階段對各種礦物質(zhì)營養(yǎng)元素需求，開發(fā)定量的科學(xué)施肥技術(shù)，對于解決上述問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以全球定位、地理信息和遙感為主要技術(shù)支撐發(fā)展起來的一種全新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[2]，其將大田劃分為幾平方米的小區(qū)作為基本單元，利用地面監(jiān)測技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件處理技術(shù)等對各小區(qū)內(nèi)的環(huán)境和農(nóng)作物生長狀況進(jìn)行監(jiān)測，利于智能專家系統(tǒng)分析獲取的數(shù)據(jù)信息，并做出相應(yīng)的診斷決策，最終對各個小區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)播種、施肥、灌溉、防蟲以及收獲。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)引入了各種現(xiàn)代技術(shù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物資合理配置和高效利用，可以實(shí)現(xiàn)低投入和高產(chǎn)出，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未來的發(fā)展趨勢。

精準(zhǔn)施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的重要用途之一：首先利用全球定位系統(tǒng)對不同小區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)識別，通過地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)檢測土壤養(yǎng)分和農(nóng)作物的生長和狀況，特別是與農(nóng)作物必需營養(yǎng)元素相關(guān)的各種外觀上的生理指標(biāo)；最后，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)出指令，由執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)肥料的精確投入。我國水稻每年的種植面積達(dá)到0.3億hm2，僅次于印度，居世界第二;但我國幅員遼闊，各水稻種植區(qū)都有其獨(dú)特的土壤類型，肥力也參差不齊。同時，在我國商業(yè)化種植的水稻中秈粳亞種并存，相同亞種內(nèi)的品種繁多，而不同品種對肥料的需求存在差異。以上因素給實(shí)際生產(chǎn)中科學(xué)施肥增加了難度，也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)在水稻施肥中的應(yīng)用和推廣提供了契機(jī)。為了解決水稻生產(chǎn)過程中過量和盲目施肥的問題、提高肥料的利用效率，本文開發(fā)出一種基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的水稻施肥系統(tǒng)，能極大地節(jié)約肥料投入和提高產(chǎn)量，為農(nóng)民實(shí)現(xiàn)增收提供技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本水稻精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)是一系列集成化的智能化程序，以水稻專家數(shù)據(jù)庫提供的專業(yè)知識進(jìn)行模擬和推斷，對水稻的精準(zhǔn)施肥的問題進(jìn)行決策。該水稻科學(xué)施肥系統(tǒng)用包括采集氮、磷、鉀元素的種類、數(shù)量及其比例關(guān)系的信息及對試驗(yàn)區(qū)域的土壤肥力變量、肥料投放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，建立該自然條件下的水稻科學(xué)施肥模型。在確定了肥料施用量和目標(biāo)產(chǎn)量后，系統(tǒng)可設(shè)計(jì)出簡單易行的施肥方案。

1.2 總體設(shè)計(jì)

水稻施肥控制系統(tǒng)由NXP系列微處理器LPC2138、核心控制元件、移動硬盤、ZLG7289A鍵盤及240160液晶顯示屏等主要硬件組成。試驗(yàn)中的變量通過兩種模型進(jìn)行比較，設(shè)定允許的誤差范圍，用LPCA2138微處理器的輸出結(jié)果作為結(jié)論。模型的輸入端為土壤中的氮、磷、鉀含量，再設(shè)定目標(biāo)產(chǎn)量，輸出端為氮磷鉀肥施用量，充分利用了實(shí)際生產(chǎn)中這三者之間的非線性關(guān)系。本設(shè)計(jì)參考了梁春英的試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置的控制系統(tǒng)施肥區(qū)間為120～226kg/hm2，在0～100之間分為100級，變異系數(shù)為±28.9%，根據(jù)水稻種植地區(qū)的土壤類型、肥力及氣候條件，在Visual Basic 6.0和ARCGIS Engine10.3軟件上開發(fā)出水稻科學(xué)施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是把地圖信息與施肥方案進(jìn)行鏈接，操作者在電腦上可以看到任何一個地圖上田間單元地塊的土壤類型、有機(jī)質(zhì)含量及可供水稻吸收的氮磷鉀含量等土壤肥力信息。

2 系統(tǒng)組成

用于支撐精細(xì)農(nóng)業(yè)水稻施肥系統(tǒng)的技術(shù)：地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(shù)(RS)、產(chǎn)量分布圖生成系統(tǒng)(YMS)、變量施肥技術(shù)(VRT)、農(nóng)田信息采集技術(shù)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、智能化施肥機(jī)械(IFM)。

2.1 上位機(jī)

GIS首先獲取試驗(yàn)區(qū)的地理坐標(biāo)和地形地貌特征，將田塊劃分為基本的最小檢測單元，顯示在共同的坐標(biāo)中；然后根據(jù)決策繪制作業(yè)執(zhí)行圖，將各種參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，最后通過執(zhí)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)肥料投入、存儲和打印輸出。

2.2 下位機(jī)

RS的主要部件是高分辨率的廣譜傳感器，對水稻的整個生長期的廣譜信號進(jìn)行全面的觀察監(jiān)測；利用這些光譜信息，評判水稻的生長狀況，為精細(xì)確定水稻所需的肥料種類和數(shù)量提供依據(jù)。例如，根據(jù)水稻的近紅外輻射特征，可以確定其對氮素的需求狀況。

2.3 溫度監(jiān)測

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)在硬件上是串聯(lián)遙感系統(tǒng)和控制中心，在軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和后續(xù)處理。該系統(tǒng)采集和輸出的都是即時數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)量很大。由于數(shù)據(jù)在時間上的不確定性，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)的后續(xù)處理計(jì)算量也較大，因此須要利用Windows CE環(huán)境下的串口提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2.4 濕度監(jiān)測

YMS在成熟階段獲取水稻產(chǎn)量形成在時間和空間上的動態(tài)分布，用于和各小區(qū)單元內(nèi)的土壤肥力和施肥量數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行分析，反映水稻在肥力施用前后過程中產(chǎn)量的變化。通過水稻測產(chǎn)系統(tǒng)即時獲得產(chǎn)量信息后繪制產(chǎn)量圖，可以用于大田的分區(qū)管理，指導(dǎo)合理施用化肥；還可以根據(jù)預(yù)測的產(chǎn)量，執(zhí)行不同的施肥措施。

2.5 二氧化碳監(jiān)測

決策支持系統(tǒng)(DSS)以生產(chǎn)者和水稻專家的專業(yè)知識及在實(shí)踐中所獲得的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立肥料在不同時空的投入與水稻的產(chǎn)量關(guān)系的模型，依托已有的數(shù)據(jù)庫，對大田中各小區(qū)單元肥料投入的時機(jī)和數(shù)量做出決策。決策支持系統(tǒng)通過Visual Basic 6.0平臺與地理信息系統(tǒng)集成，其功能包括水稻信息輸入、統(tǒng)計(jì)分析、產(chǎn)量預(yù)測和施肥系統(tǒng)決策及結(jié)果輸出。

2.6 光照強(qiáng)度監(jiān)測

水稻的精準(zhǔn)施肥由裝載GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)的智能化施肥機(jī)械完成，機(jī)械接收系統(tǒng)的指令，獲得精準(zhǔn)的行走路線和方向。本研究的施肥機(jī)械采用性價比較高的OEM板和距差分方法組成GPS系統(tǒng)，定位精度為1m。同時，采用了一種施肥量動態(tài)調(diào)節(jié)裝置，保證機(jī)械在行進(jìn)中根據(jù)接收到的產(chǎn)量圖，依據(jù)指令實(shí)時進(jìn)行施肥量的調(diào)整功能，具有較高的可靠性和自動化水平。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和水稻材料

田間試驗(yàn)于2015年在位于江西省南昌市進(jìn)賢縣的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地中進(jìn)行。試驗(yàn)地位于雙季稻平原區(qū)，土壤類型為潴育水稻土，有機(jī)質(zhì)含量為27.7g/kg，有效氮含量為135mg/kg，速效磷含量為10.26mg/kg，速效鉀含量為147mg/kg。試驗(yàn)地區(qū)雨水充沛，年降水量達(dá)到1 700mm。

試驗(yàn)所用的水稻材料為五優(yōu)308，從江西省南昌市的農(nóng)作物種子市場購買。該水稻品種是秈型的三系雜交水稻，由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所培育，適合在長江中下游作為雙季晚稻種植。五優(yōu)308已通過國家審定，被作為南方稻區(qū)的區(qū)域試驗(yàn)對照品種，擁有較大的種植面積。該品種對肥料的需求中等偏上，適合用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的科學(xué)施肥試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻在6月底播種，7月底采用人工移栽。根據(jù)田塊的肥力劃分為高、中、低3種，每種有3個田塊，作為3次重復(fù)，按照隨機(jī)區(qū)組排布。單個田塊面積約600m2，包括傳統(tǒng)施肥和精準(zhǔn)施肥兩種處理的小區(qū)，每個處理的小區(qū)面積約300m2。小區(qū)之間設(shè)置田埂，并用薄膜覆蓋以防止肥料的滲漏。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測和作業(yè)的基本單元面積為10m2，每個處理小區(qū)包括30個單元；單元內(nèi)的水稻株距16.7cm，行距20cm，單元之間的水稻植株空1行。

水分管理和病蟲害防治采用傳統(tǒng)的方式進(jìn)行。肥料中的氮磷鉀質(zhì)量比例為N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，大致按照基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥來施用。水稻成熟后在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個單株調(diào)查有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，最后收獲測產(chǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析在系統(tǒng)上用SSPS17.0軟件進(jìn)行，用T測驗(yàn)來檢驗(yàn)兩種處理下的數(shù)據(jù)的差異顯著性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式在3種肥力的田塊中所投入的肥料較多，以氮肥為例，其在低產(chǎn)田中施用的純氮達(dá)到10 kg/hm2，在中高產(chǎn)田中的施肥量相對較少；但相比精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式的施肥量仍然高出至少7%，這無疑增加了生產(chǎn)的成本。另外，還可以看出，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式相比，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的施肥模式在中低產(chǎn)田中更能大幅地降低肥料施用量，如表1所示。

表1 兩種農(nóng)業(yè)模式下所施的氮肥水平

Table 1 Two agricultural model of the applied nitrogen level

田塊肥力傳統(tǒng)施肥/kg·hm-2精準(zhǔn)施肥/kg·hm-2低150138中135124高120112

與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式相比，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)施肥模式下的水稻單株有效穗數(shù)的差別不明顯，僅在低產(chǎn)田中顯著增加。精準(zhǔn)施肥模式下的水稻結(jié)實(shí)率普遍升高，在中高產(chǎn)田中都達(dá)到顯著的水平。3種性狀中，水稻產(chǎn)量所受施肥模式的影響最為明顯，精準(zhǔn)施肥模式下3種田塊中的產(chǎn)量都是顯著增加的，在中產(chǎn)田中達(dá)到了極顯著的水平，如表2所示。

表2 水稻在兩種農(nóng)業(yè)模式下的產(chǎn)量性狀

精準(zhǔn)施肥模式對水稻單個產(chǎn)量組成性狀的影響并不很明顯，但是能引起最終產(chǎn)量的大幅變化，說明其對水稻的影響是多方面的，可能包括生長發(fā)育、生理代謝和營養(yǎng)平衡等，這些效應(yīng)最終都反應(yīng)在了產(chǎn)量的增加上。

4 結(jié)論

以各種現(xiàn)代新技術(shù)為支撐，開發(fā)了一種基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的水稻科學(xué)施肥系統(tǒng)。田間的試驗(yàn)中，無論試驗(yàn)田塊肥力如何，都能在減少施肥量的同時，提高水稻的產(chǎn)量。也有研究表明，基于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)施肥系統(tǒng)在對其它作物的應(yīng)用中，并沒有導(dǎo)致增產(chǎn)，只是降低了施肥量。因此，這一系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用還須完善，各種變量和參數(shù)的設(shè)定也需要根據(jù)具體的環(huán)境條件和作物種類進(jìn)一步的優(yōu)化。該系統(tǒng)對于中產(chǎn)田能產(chǎn)生特別明顯的節(jié)肥增產(chǎn)的效果，在我國水稻種植區(qū)土壤肥料普遍不高的環(huán)境下，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

[1] 汪衛(wèi)紅．基于GIS的貴州水稻推薦施肥信息系統(tǒng)開發(fā)[D]．廈門: 廈門大學(xué)，2011．

[2] 陳沈斌，廖順寶，王卷樂，等.精準(zhǔn)水稻種植信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管理與應(yīng)用[J]．地球信息科學(xué)，2003(4):38-42．

[3] 靳雙珍，劉國順，閆新甫，等．我國發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要性與應(yīng)用前景[J]．浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012(2):414-416.Abstract ID:1003-188X(2017)07-0134-EA

Application of Computer Vision Technology in Tomato Picking under Natural Backgroud

Yang Hengdong

(Chongqing Vocational College of Business,Chongqing 401331,China)

Rice is the country's largest crop, every year a lot of manpower and material resources required to put on rice farming. Where fertilizer is an important part of the cost of rice cultivation, but also to ensure high and stable yields. For a long time, the production of rice and blind excessive fertilization fertilization circumstances prevailing against the status quo, this paper has developed a system based on precision agriculture rice fertilization design, in field trials to reduce the amount of fertilizer, while improving rice yield. For the middle of the field can have a particularly significant effect of fertilizer yield in China has broad prospects.

fertilization system; rice; precision agriculture

2016-06-06

重慶市市級教改項(xiàng)目(153301)

楊亨東(1983-)，男，重慶巫山人，講師，(E-mail)yanghengdong518@163.com。

S224.2

A

1003-188X(2017)07-0134-03