變量施肥機(jī)的研究意義

魏麗梅

（阿克蘇地區(qū)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，新疆 阿克蘇 843000）

目前我國的化肥投入突出問題是結(jié)構(gòu)不合理、利用率低?；释度胗绕涫橇追实耐度肫毡槠?，造成養(yǎng)分投入比例失調(diào)，增加了肥料的投入成本。我國肥料平均利用率較發(fā)達(dá)國家低10%以上，氮肥為30%～35%，磷肥為10%～25%，鉀肥為40%～50%。肥料利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且環(huán)境污染特別是水體富營養(yǎng)化的直接原因之一。眾所周知的太湖、滇池的富營養(yǎng)化，其中來自肥料面源污染負(fù)荷高達(dá)1/3～1/2。隨著人們環(huán)境意識的加強(qiáng)和農(nóng)產(chǎn)品由數(shù)量型向質(zhì)量型的轉(zhuǎn)變，精確施肥將是提高土壤環(huán)境質(zhì)量，減少水和土壤污染，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑。

而在當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的重要時期，以現(xiàn)代信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)已經(jīng)成為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要手段。精確農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture or Precision Farming）稱精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，有的還稱為數(shù)字農(nóng)業(yè)（Digital farming）、信息農(nóng)業(yè)、計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)（Computer aided farming）等。開始于20世紀(jì)80年代初期，并迅速發(fā)展成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的高技術(shù)前沿。所以精確施肥在中國非常有必要性。

1 變量施肥的研究意義

20世紀(jì)后半期世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術(shù)的進(jìn)步和耕地面積，灌溉面積的擴(kuò)大外，基本上是在化肥與農(nóng)藥等化學(xué)品和礦物能源的大量投入條件下獲得的。但由此引起的水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、水體營養(yǎng)化等問題，已經(jīng)引起了國際社會的廣泛關(guān)注，并推動了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精細(xì)農(nóng)業(yè)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。精細(xì)農(nóng)業(yè)的興起對合理施肥提出了新的理論和計(jì)數(shù)要求。從使用來看，化肥對糧食的產(chǎn)量和貢獻(xiàn)率占40%，即使化肥利用率高的國家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，鉀60%左右，磷肥的利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸鹽含量過高等環(huán)境問題。精準(zhǔn)施肥的理論和技術(shù)將是解決這一問題的有效途徑。

精準(zhǔn)施肥即測土平和配方施肥，是“肥料當(dāng)家”的高級形式，是以不同的空間單元的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與其它多層數(shù)據(jù)（土壤理化性質(zhì)、病蟲草害、氣候等信息）的疊合為依據(jù)，以作物生長模型，作物營養(yǎng)專家為支持，以高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，環(huán)保為目的的變量處方施肥理論和技術(shù)。變量施肥技術(shù)是信息技術(shù)、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)的優(yōu)化組合，是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分。按作物生長期可分為基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分為精施和撒施。按精施的時間性分為實(shí)時精施和時后精施，其要素投入的增產(chǎn)幅度約為8%～19.8%，且能提高肥效8.2%。它不但能保證作物所營養(yǎng)素N、P、K的最佳配合比例，還能根據(jù)作物的特點(diǎn)及其產(chǎn)量水平適應(yīng)度調(diào)整，甚至增施某些微量元素。

變量施肥技術(shù)由土壤數(shù)據(jù)和作物營養(yǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)的采集，決策分析系統(tǒng)，變量控制施肥機(jī)械設(shè)備及變量控制技術(shù)等組成。

2 變量施肥與傳統(tǒng)施肥方式的比較

（1）使用技術(shù)不同。變量施肥技術(shù)由土壤采樣、養(yǎng)分測試、施肥決策、變量投入機(jī)具和產(chǎn)量測試等一整套技術(shù)組成，使用了GPS、GIS和智能控制等現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)、屬于農(nóng)業(yè)高新技術(shù)范疇。即變量技術(shù)包含了傳統(tǒng)技術(shù)，前者是后者的改進(jìn)。變量施肥土壤采樣前，對農(nóng)田進(jìn)行網(wǎng)格（施肥單元）劃分，網(wǎng)格大小根據(jù)養(yǎng)分差異確定。在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，按網(wǎng)格采樣，然后使用變量施肥決策系統(tǒng)進(jìn)行施肥決策，并按網(wǎng)格施肥和測產(chǎn)。

（2）經(jīng)營方式不同。傳統(tǒng)施肥對一大塊甚至一個自然村的農(nóng)田進(jìn)行測土和施肥，是一種粗放式經(jīng)營。事實(shí)上，土壤養(yǎng)分在田間分布存在差異，這也是變量施肥的客觀基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的施肥方法在同一塊農(nóng)田內(nèi)均一施肥，必然會使土壤肥力低的地方施肥不足，肥力高的地方施肥過量，最終造成產(chǎn)量分布參差不齊和肥料過分浪費(fèi)。變量施肥則對大塊農(nóng)田進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按網(wǎng)格采樣和使用變量施肥機(jī)按施肥網(wǎng)格施肥，實(shí)現(xiàn)了按需變量投入，施肥網(wǎng)格更小，施肥更精確、更有針對性，適合集約式經(jīng)營。

（3）肥料養(yǎng)分投入比例可調(diào)。國外先進(jìn)的變量施肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了N、P、K分別調(diào)控，更有效避免了單項(xiàng)養(yǎng)份的過多使用。傳統(tǒng)的施肥機(jī)只有一根排肥軸，對肥箱中的肥料進(jìn)行施用量的調(diào)節(jié)，而不能夠調(diào)節(jié)肥料中不同養(yǎng)分的比例。因此，在傳統(tǒng)施肥中，人們經(jīng)常為了保證某單項(xiàng)養(yǎng)分（如P）的投入，而造成其它養(yǎng)分的過多使用（如K），這是肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染的主要根源之一。

3 變量施肥機(jī)的研究意義

農(nóng)機(jī)的可持續(xù)發(fā)展要求實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)。生態(tài)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的統(tǒng)一，在推進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)時才會更明顯。先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對農(nóng)業(yè)機(jī)械提出了更高的要求，農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展會促進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)層次的提高。實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)的途徑是發(fā)展智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械IAM首先必須利用DGPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位，必須根據(jù)田間處方圖生成的智能控制軟件，針對農(nóng)田小區(qū)存在的差異自動執(zhí)行分布式投入決策。各種智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的出現(xiàn)，使精細(xì)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

長期以來，農(nóng)民習(xí)慣在種植區(qū)大面積施用同樣的肥料，但不同小區(qū)土壤含肥情況不一樣，施用相同類型和劑量的肥料，會造成很大的浪費(fèi)，還會產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問題，因此應(yīng)根據(jù)不同小區(qū)、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要，采取變量施肥。

變量施肥機(jī)的主要任務(wù)是在GPS、GIS、RS等技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)精確定位與變量作業(yè)，首先通過GPS確定所處位置，在利用各類傳感器采集作物和環(huán)境信息，實(shí)時信息被輸入到預(yù)裝有農(nóng)藝、土壤、植株、管理等方面數(shù)據(jù)的機(jī)采決策系統(tǒng)，機(jī)載決策系統(tǒng)經(jīng)過處理做出決策，并傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對肥料的變量投入或操作調(diào)整。變量施肥機(jī)依靠客觀數(shù)據(jù)來做決策和動作，針對不同小區(qū)的作物，變量而非均一的投入農(nóng)資，有利于節(jié)本增效，減少環(huán)境污染。同時也避免了由于人的判斷能力和不同的操作水平而帶來的差異，也可減輕操作人員由于疲勞而帶來的判斷失誤。

變量施肥機(jī)是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的重要組成部分，它的研究和發(fā)展是精細(xì)農(nóng)業(yè)能否得到廣泛實(shí)踐的關(guān)鍵。變量施肥技術(shù)由土壤數(shù)據(jù)和作物營養(yǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、決策分析系統(tǒng)、變量控制施肥機(jī)械設(shè)備及變量控制技術(shù)等組成。

地下施肥機(jī)的作用是向田間施用肥料，以增加土壤肥力、補(bǔ)充作物養(yǎng)料，滿足作物在整個生育期內(nèi)對養(yǎng)分的需求。而作物在生育期間對養(yǎng)分有不同的需求，使施肥機(jī)施用肥料的品種和數(shù)量各有差異。為此，要設(shè)計(jì)研制精確農(nóng)業(yè)自動變量施肥機(jī)。

地下施肥機(jī)可以：①提高肥料利用率。通過測土配方施肥可以合理的確定施肥量和肥料中營養(yǎng)原素比例，提高肥料利用率；于可提高品質(zhì)、節(jié)約成本、增加效益。測土地配方施肥可確定投入量及各種肥料的比例，降低成本，增加收入；③經(jīng)濟(jì)效益明顯。測土地配方施肥可增產(chǎn)增收；④合理施肥可配肥土力，保護(hù)生態(tài)，協(xié)調(diào)養(yǎng)分，防治病蟲和有限資源的分配。

4 研究的現(xiàn)狀及分析

（1）國外精確農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀。目前，世界上精確農(nóng)業(yè)的實(shí)踐已涉及到變量施肥、精量播種、病蟲害防治、雜草清除和水分管理等有關(guān)領(lǐng)域，其中變量施肥已成為發(fā)達(dá)國家合理利用農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)達(dá)國家在紛紛投入大量人力物力從事產(chǎn)業(yè)開發(fā)的同時，還成立了專門的研究機(jī)構(gòu)并在大學(xué)設(shè)立相關(guān)的課程。美國是精確農(nóng)業(yè)發(fā)展最早的國家，目前，精確農(nóng)業(yè)技術(shù)在美國應(yīng)用廣泛，主要用于甜菜、小麥、玉米和大豆等作物的種植。法國是歐洲農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)出口大國，法國的精確農(nóng)業(yè)研究內(nèi)容廣泛，應(yīng)用水平也很高。尤其是聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量圖生成及質(zhì)量測定、施肥機(jī)械和電子化植保機(jī)械等利用GPS和GIS系統(tǒng)進(jìn)行變量施肥作業(yè)等成為現(xiàn)實(shí)，并開始投入使用。實(shí)踐表明，精確化生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品不僅產(chǎn)量高、質(zhì)量好，當(dāng)然變量施肥顯示著它不可忽略的作用。

（2）國內(nèi)精確農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀。中國改革開放20多年來，在政治、經(jīng)濟(jì)和科技上已取得了舉世矚目的成就，有力地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級。其中精確農(nóng)業(yè)，是為適應(yīng)集約化、規(guī)模化程度高的作物生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，由歐美國家率先提出的，自動變量施肥也是這樣。因此，目前在我國開展變量施肥技術(shù)有兩種可以嘗試的模式：一是和歐美國家最初提出發(fā)展變量施肥的思路一致，借助于自動變量施肥機(jī)械進(jìn)行的規(guī)?；?jīng)營模式。隨著我國農(nóng)村市場化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在墾區(qū)農(nóng)場和大面積作物生產(chǎn)原區(qū)，特別是我國的東北和西北地區(qū)可以建立“自動變量施肥”技術(shù)示范工程，或聯(lián)合一些高效益、規(guī)模大，能維持變量施肥技術(shù)的企業(yè)來帶動變量施肥在我國的發(fā)展，這種發(fā)展模式在我國已有開展且效益顯著。二是為適應(yīng)我國農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，實(shí)施廣域的變量施肥技術(shù)實(shí)踐尚需較長的發(fā)展過程而采取的另一種模式——分散模式。借助于精確農(nóng)業(yè)中土壤養(yǎng)分的精確管理是通過把大田塊劃分為若干個特性相對一致的小單元的思路來展開的。我國農(nóng)村雖然高度分散，但以家庭為管理單元這種管理思路甚為相似，農(nóng)戶間的地塊差異較大，農(nóng)戶內(nèi)相對一致，由于農(nóng)戶對自己的土地十分熟悉，所以變量施肥技術(shù)可以不使用變量控制設(shè)備，在一個分區(qū)（農(nóng)戶）內(nèi)，實(shí)施變量施肥，可采用人工和小機(jī)械操作。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在中國最早成立了“精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心”開展專題研究，作了許多探索性的基礎(chǔ)工作。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)最早開設(shè)了“精確農(nóng)業(yè)”課程。山東煙臺市和廣東新會市等地近年來成立了示范基地，也初步顯示出良好的發(fā)展前景。不過應(yīng)看到自動變量施肥技術(shù)在我國仍處于摸索階段，而由于我國農(nóng)業(yè)自身的特點(diǎn)——高度分散和高強(qiáng)度開發(fā)，國外基本沒有可以借鑒的例子，所以在我國開展變量施肥必須結(jié)合自己的國情和實(shí)際情況，在實(shí)踐中不斷探索總結(jié)。

（3）展望。精確農(nóng)業(yè)涉及信息技術(shù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)和工程技術(shù)等領(lǐng)域，還需要專家知識和輔助決策知識，需要多部門跨學(xué)科的聯(lián)合，以共同推動中國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。對農(nóng)業(yè)科技人員，尤其是對中青年農(nóng)民的培訓(xùn)，是積極推動精確農(nóng)業(yè)、迎接世紀(jì)新挑戰(zhàn)的重要措施，也是精確農(nóng)業(yè)能否被廣大農(nóng)民接受、掌握的重要問題。

從大趨勢看，精確農(nóng)業(yè)將向著完全的時間和空間變量管理和決策支持方向發(fā)展。隨著相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，精確農(nóng)業(yè)將很快從試驗(yàn)應(yīng)用走向推廣應(yīng)用。不難預(yù)計(jì)，2l世紀(jì)的農(nóng)業(yè)可以說是計(jì)算機(jī)輔助管理的精確農(nóng)業(yè)時代，也是變量施肥大有可為的時代。

［1］ 劉書運(yùn)，孟憲聰.我國土壤現(xiàn)狀及改良對策研究［J］.沿海企業(yè)與科技，2005，（9）：68-69.