液態(tài)肥精準(zhǔn)變量施用技術(shù)發(fā)展與分析①

王鵬宇 梁春英 于天齊 曲云霞

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院 黑龍江大慶 163319）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)涉及播種、施肥、噴藥、田間管理、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，尤其是在精準(zhǔn)變量施肥方面的技術(shù)研究與應(yīng)用。變量施肥技術(shù)是綜合考慮不同農(nóng)作物的實(shí)際生產(chǎn)需求、田地土壤對(duì)肥料的需求量等因素，進(jìn)行針對(duì)性的施肥，盡可能使土地自身的潛能發(fā)揮到極致。在滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的前提下，實(shí)施精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)，既可以有效減少肥料的施用量，也可以確保作物最大限度地吸收肥料中的養(yǎng)分，最終達(dá)到提高肥料利用率與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平、促進(jìn)作物增產(chǎn)，農(nóng)民增收、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的目的。隨著農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與農(nóng)產(chǎn)品種植結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整優(yōu)化，我國(guó)的農(nóng)作物種植與施肥方式向多樣化、智能化轉(zhuǎn)變。目前在糧食種植中，化學(xué)肥料施用量大，但是使用效率很低，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局調(diào)查顯示，1997 ～2016 年間，我國(guó)肥料折純量增長(zhǎng)約50%，相比之下糧食的產(chǎn)量增長(zhǎng)只有折純量的一半左右。傳統(tǒng)的肥料配比構(gòu)成與施肥模式都發(fā)生著變化，發(fā)展高產(chǎn)低耗、優(yōu)質(zhì)高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式促進(jìn)了對(duì)液體肥料的開(kāi)發(fā)研究。

液態(tài)肥是一種能在水溶液中將固態(tài)肥料溶解的新型化學(xué)產(chǎn)品，生產(chǎn)、使用和運(yùn)輸過(guò)程中無(wú)粉塵、無(wú)煙霧、對(duì)環(huán)境污染少，在施肥過(guò)程中混合均勻作物吸收好、肥料利用率高、使用便捷。而且液態(tài)肥的吸收率是固態(tài)肥的數(shù)倍，所以我國(guó)在未來(lái)的肥料使用總量中，液肥將逐步超越顆粒肥占據(jù)首位。液態(tài)肥變量施用技術(shù)的工作機(jī)理是直接將液肥施入土壤中，省去了傳統(tǒng)施肥方式中顆粒肥料先融化再吸收的過(guò)程，可以使肥料中的各種元素直接被作物吸收，進(jìn)而快速供給農(nóng)作物所需的養(yǎng)分。與定量施肥相比，液態(tài)肥的變量施肥可以根據(jù)作物的生長(zhǎng)情況按需供給肥料，極大地提高了化肥的施用效果，降低了農(nóng)民種地成本和對(duì)田地土壤環(huán)境的危害。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)液體肥料的開(kāi)發(fā)研究工作起步較早，根據(jù)不同的土壤與農(nóng)作物，以及農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)階段，研究出各種配比的液體肥料。液體肥料消費(fèi)量北美位居榜首，西歐位居第二，其它國(guó)家或地區(qū)，如墨西哥、澳大利亞等國(guó)也占有一定份額，一些發(fā)展中國(guó)家也在大力推廣液態(tài)肥料。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，肥料有效成分濃度每提高10%，可降低肥料包裝、貯存、運(yùn)輸和管理等方面費(fèi)用的20%。減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥投入成本、提高肥料濃度與大力推廣液體肥料是肥料的國(guó)際發(fā)展研究方向，世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都在設(shè)法提高肥料中有效成分的濃度。液體肥料符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展趨勢(shì)，可以與農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)與精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)很好的結(jié)合，達(dá)到省時(shí)省力、增肥增效的效果。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1.1 主要國(guó)家研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)液態(tài)肥施用技術(shù)的研究起步較早，相關(guān)的理論知識(shí)與技術(shù)體系己初步形成，施肥裝備與施肥控制系統(tǒng)都相對(duì)完善。有學(xué)者研究霧化器分布對(duì)分流各管路流量的影響，霧化器的規(guī)則分布可提高流量的均勻性。還有學(xué)者開(kāi)發(fā)了一種將機(jī)電反饋技術(shù)應(yīng)用到流量計(jì)中的方法，實(shí)現(xiàn)了流量的精準(zhǔn)控制

[1]。RAWSON 集團(tuán)研制了一種變量施肥控制器—ACCU-RATE，該控制器可以獨(dú)立編程控制播種參數(shù)以及施肥噴藥要求，對(duì)注射噴頭上的流量控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)控制。以色列生產(chǎn)的水肥一體化自動(dòng)灌溉施肥機(jī)，極大地提高了水肥結(jié)合能力與肥料利用率。有學(xué)者研發(fā)了一種移動(dòng)式變量噴藥系統(tǒng)。還開(kāi)發(fā)了嵌入式除草劑噴撒系統(tǒng)。將GPS技術(shù)應(yīng)用到液態(tài)施肥上，通過(guò)電磁閥開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定距施肥。有學(xué)者研制了一種適用于液氨施用的控制計(jì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用控制脈沖寬度的方式來(lái)調(diào)節(jié)控制流量[2]。歐洲的RDS 公司、Hrdro Agri 公司等，美洲的 Agtron 公司、Agleader 公司、Micro－Trak 公司等已經(jīng)研制出可以適應(yīng)液態(tài)肥、顆粒肥等多種作業(yè)的機(jī)械。由美國(guó)TRIMBLE 集團(tuán)研制的AGGPS-170 控制系統(tǒng)與GPS 技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)變量控制施肥噴藥、播種、導(dǎo)航等功能。德國(guó)AMAZONE 集團(tuán)基于Machine Vision 技術(shù)，研制了一臺(tái)根據(jù)葉綠素傳感器反饋的數(shù)據(jù)信息可得到作物所需氮肥量的液態(tài)肥變量施肥機(jī)械。

根據(jù)上述分析，國(guó)外對(duì)液肥施用技術(shù)的研究取得了一定的成果，其中北美地區(qū)以及澳大利亞、墨西哥等國(guó)的液態(tài)施肥機(jī)已經(jīng)很成熟，常見(jiàn)的液態(tài)肥施用機(jī)械有：①犁刀開(kāi)溝型施肥機(jī)，Strip Cat 公司開(kāi)發(fā)了一款采用犁刀開(kāi)溝的方式進(jìn)行施肥的機(jī)械，施肥管道前的犁刀和圓盤(pán)機(jī)構(gòu)可用于開(kāi)溝及破碎土壤，施肥后覆土器將耕起的土壤再推到溝內(nèi)，這樣操作可降低液態(tài)肥殘留到土壤表面的幾率，該機(jī)具使用方便、效率高。②圓盤(pán)開(kāi)溝型施肥機(jī)，美國(guó)的約翰迪爾公司的2510L 型液態(tài)施肥機(jī)，采用圓盤(pán)開(kāi)溝的方式注入液肥，最后由覆土輪推土將肥料掩埋。采用了AG-CHEM 公司的控制器系統(tǒng)作為其核心控制器，機(jī)身配套有GPS 系統(tǒng)，極大地提高了施肥的精確度，使用者可以便捷地在顯示屏上實(shí)時(shí)觀測(cè)施肥機(jī)施肥狀態(tài)，以及各種參數(shù)如實(shí)時(shí)作業(yè)面積、實(shí)時(shí)車速等。③輻輪型施肥機(jī)，當(dāng)前輻輪式施肥機(jī)，在美國(guó)以及一些歐洲國(guó)家應(yīng)用較多，該機(jī)械在施肥過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥。其有著良好的密閉性，可有效防止液肥的泄露與擴(kuò)散，提高了其施用肥效；還可根據(jù)實(shí)際需要作用于不同深度，直達(dá)作物所需養(yǎng)分部位，易于作物吸收[2]。

1.1.2 國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外液態(tài)肥發(fā)展趨勢(shì)傾向于大型化、智能化、自動(dòng)化，具有作業(yè)幅度廣、效率高和精確性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。很多國(guó)家已經(jīng)擁有一整套較為成熟的集液體肥料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施用于一體的的模式，對(duì)液態(tài)肥料的變量施肥機(jī)械、變量施肥控制系統(tǒng)以及具體施用方法的研究，已經(jīng)達(dá)到很高的水平。美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在作物生產(chǎn)的過(guò)程中將生長(zhǎng)、土壤、施肥決策信息等相關(guān)內(nèi)容通過(guò)智能設(shè)備反饋給計(jì)算機(jī)終端顯示，作業(yè)人員可通過(guò)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控施肥機(jī)作業(yè)過(guò)程，相關(guān)技術(shù)支持是利用3S 技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)[3]。施肥設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中按照系統(tǒng)決策信息進(jìn)行定點(diǎn)投入、變量作業(yè)，形成了一套完整的智能化、信息化作物種植模式。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于液態(tài)肥料的研究與開(kāi)發(fā)起步較晚，從20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始進(jìn)行液氮的施肥試驗(yàn)，但是由于相關(guān)機(jī)械配套不足以及液態(tài)氮肥供應(yīng)量等原因，這項(xiàng)技術(shù)研究沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)化肥公司及研究機(jī)構(gòu)敏銳地察覺(jué)到液肥的廣大發(fā)展前景，逐漸增強(qiáng)對(duì)液肥的開(kāi)發(fā)研究與生產(chǎn)力度，相繼研制出不同類別液肥的生產(chǎn)方法及工序。為提高液肥生產(chǎn)以及液肥利用率，我國(guó)農(nóng)業(yè)部已經(jīng)將液氮的施用技術(shù)列為可推廣試驗(yàn)項(xiàng)目，但基于我國(guó)的基本國(guó)情，缺乏合適的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體制及生產(chǎn)施用裝備，進(jìn)而限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣。近年，隨著發(fā)展集約、高效、安全、持續(xù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求的提出，液肥施用技術(shù)重新回歸大眾視野，并且發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。國(guó)內(nèi)的很多高等院校和農(nóng)業(yè)科研單位大量引入國(guó)外先進(jìn)的液態(tài)肥變量施用技術(shù)，對(duì)國(guó)外先進(jìn)的液態(tài)肥變量施用技術(shù)進(jìn)行消化吸收和本土化拓展，取得了豐碩的成果。梁春英等[4]以單片機(jī)為核心部件，借助GPS 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種液態(tài)肥變量施用控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前位置的施肥量，利用流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行采樣，將當(dāng)前機(jī)具速度與獲取的決策數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算，將施肥量由數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的流量輸出，構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，控制電動(dòng)執(zhí)行器的開(kāi)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量控制施肥量。有學(xué)者采用STC89C52RC 單片機(jī)作為核心處理器，以電磁比例調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行部件，設(shè)計(jì)了深施型液態(tài)變量施肥控制系統(tǒng)。設(shè)液態(tài)變量施肥控制系統(tǒng)分為控制部分與執(zhí)行部分，由GPS 接收機(jī)、上位機(jī)、變量施肥控制器和電磁比例調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成。該系統(tǒng)施肥誤差小，可實(shí)現(xiàn)深施型液態(tài)變量施肥，滿足液態(tài)變量施肥作業(yè)要求。王金武等[5]設(shè)計(jì)出一種以中耕穴施液氨肥料為主，能適應(yīng)旱田地不同環(huán)境下作業(yè)的要求液態(tài)施肥機(jī)，該機(jī)械作業(yè)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度的大小控制泵的壓力，再結(jié)合適當(dāng)?shù)膰娚渖疃群蜋C(jī)具作業(yè)速度，能達(dá)到作物中耕穴施液肥、起壟、中耕除草、培土等實(shí)際需求。還設(shè)計(jì)了一種與輪式拖拉機(jī)相配套使用，以單片機(jī)作為核心處理器，以電磁比例調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行部件的SYJ-2 型三點(diǎn)懸掛式液肥變量施肥機(jī)，該設(shè)備依據(jù)GIS 施肥處方圖，由控制系統(tǒng)控制電磁比例調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)管路中的液肥壓力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量施肥。耿向宇[6]基于GPS 技術(shù)和GIS 技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款變量施肥控制系統(tǒng)，控制器通過(guò)控制外槽輪的轉(zhuǎn)速以及槽輪的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)施肥量；根據(jù)獲得的反饋信息，利用 PID 算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，進(jìn)而達(dá)到控制施肥量的目的。王秀等[7]在借鑒國(guó)外的液態(tài)施肥機(jī)基礎(chǔ)上，研制出了適合我國(guó)小地塊國(guó)情使用的圓盤(pán)式施肥機(jī)，該機(jī)具配套有成熟的變量施肥控制系統(tǒng)，通過(guò)配套的顯示屏結(jié)合GPS信號(hào)以及機(jī)具行走速度、用戶設(shè)置好施肥的處方和各項(xiàng)參數(shù)，該系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)達(dá)到實(shí)時(shí)變量施肥的效果。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種灌溉施肥自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求設(shè)定液肥泵開(kāi)動(dòng)時(shí)間及開(kāi)動(dòng)周期，準(zhǔn)確地將液態(tài)肥灌入到埋于土壤中的管道中，這種方式極大地提高了水肥的耦合幾率；且液肥直接運(yùn)輸?shù)阶魑锔勘豢焖傥?，提高了液肥的利用率。但此種灌溉施肥方法前期需要提前鋪設(shè)管道，投入成本較高，適用于需精準(zhǔn)作業(yè)的缺水地區(qū)。

2 存在的問(wèn)題

首先，國(guó)外的液態(tài)施肥機(jī)械和與之相配套的變量施肥控制系統(tǒng)的研究相對(duì)成熟，我國(guó)液態(tài)肥變量施用的相關(guān)研究起步晚且發(fā)展緩慢，對(duì)于液態(tài)施肥機(jī)具的研制基本處于樣機(jī)的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)階段，尚未達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用層面。而且主要特點(diǎn)表現(xiàn)為機(jī)具自動(dòng)化和智能化程度低、控制技術(shù)有待優(yōu)化、機(jī)具作業(yè)幅寬小、技術(shù)大多靠引進(jìn)成本花費(fèi)較高和施肥作業(yè)效率低下等方面。其次，我國(guó)對(duì)液態(tài)肥施用宣傳、推廣普及力度不夠，導(dǎo)致液態(tài)肥精準(zhǔn)施用技術(shù)在各地區(qū)發(fā)展極不均衡，在國(guó)內(nèi)主要地區(qū)仍以傳統(tǒng)施肥方式為主，或顆粒肥與液態(tài)肥混合使用，而且農(nóng)業(yè)相關(guān)從業(yè)人員的素質(zhì)普遍不高，這種情況不利于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的集約化、可持續(xù)發(fā)展。

3 發(fā)展對(duì)策

我國(guó)地域遼闊，作物品類多樣，土地類型復(fù)雜且肥力差別很大，這就對(duì)液態(tài)肥的精準(zhǔn)變量施用提出了較高的要求。我國(guó)科研人員在對(duì)液態(tài)肥精準(zhǔn)施用技術(shù)進(jìn)行研究的同時(shí)，應(yīng)該引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，學(xué)習(xí)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，吸收總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有液態(tài)肥變量控制技術(shù)，依據(jù)土壤中各養(yǎng)分含量、作物不同時(shí)期實(shí)際生長(zhǎng)需求的需肥量等因素，并結(jié)合我國(guó)作物種植模式和田間作業(yè)的實(shí)際情況，研制出符合我國(guó)國(guó)情的液態(tài)施肥機(jī)。另外，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員提出了要求，必須具備扎實(shí)過(guò)硬的農(nóng)技本領(lǐng)，熟練操作計(jì)算機(jī)，學(xué)會(huì)分析農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障，提高解決問(wèn)題的能力。目前我國(guó)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員大部分不具備這樣的能力，因此，各級(jí)政府應(yīng)加大對(duì)新型機(jī)械的推廣力度，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)技人員的培訓(xùn)，提高他們的農(nóng)業(yè)科技素養(yǎng)，更好的為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)服務(wù)。