精準施肥技術研究現(xiàn)狀和展望①

李圳鵬 梁春英 李普 王鵬宇 鄒立雯 張榮丹

（1 黑龍江八一農墾大學工程學院 黑龍江 大慶 163319；2 黑龍江八一農墾大學信息與電氣工程學院 黑龍江 大慶 163319）

中國是世界上最重要的農業(yè)生產國之一，其中棉花產量居世界首位，水稻播種面積位于世界第二位，同時中國也是世界上水稻總產量最高的國家，水稻總產量約占全球的31%。作為一個農業(yè)大國，肥料在中國農業(yè)生產中占有非常重要的地位。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2013年中國化肥生產量為7 037萬t，農用化肥施用量為5 912萬t，約占世界化肥總用量的1/3，是世界上年化肥使用量最大的國家［1］。化肥的使用大大提高了農業(yè)生產效率，據(jù)聯(lián)合國糧農組織（FAO）調查數(shù)據(jù)顯示，化肥對農作物增產的貢獻達40%～60%，化肥對提高土壤生產率的貢獻達41.43%，對提高勞動生產率的貢獻達53.89%［2］。據(jù)測定，中國氮肥當季利用率為30%～35%，磷肥為15%～20%，鉀肥為35%～50%，利用率普遍低于一些發(fā)達國家15%～20%［3］。

本文通過查閱相關文獻闡述了中國變量施肥的技術應用和研究現(xiàn)狀，具體分析了國內外諸多企業(yè)和學者應用變量施肥技術的典型案例。最終總結了我國變量施肥技術目前仍存在的問題和不足，并針對存在的問題提出相應的建議。

1 國內外研究現(xiàn)狀

1.1 基于處方圖的變量施肥

基于處方圖的變量施肥是通過現(xiàn)代信息技術將大型農田劃分成若干個小網絡，然后在每個網絡中進行標點采樣，將采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送到施肥專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)決策分析生成處方圖，制定適宜的N、P、K和其他微量元素等肥料的施用數(shù)量，在合適的施肥時期用適合的施用方法。如果在農村小塊自然田，可以根據(jù)高精度的GPS測量儀將每戶自然田定位識別，依據(jù)每戶畝產潛力數(shù)據(jù)和變量施肥電子處方圖系統(tǒng)生成施肥處方圖［4］，將生成的處方圖提前嵌入施肥機，最后，施肥機依據(jù)處方圖調節(jié)排肥驅動器實現(xiàn)變量施肥。

美國的John Deere公司研制了一種基于處方圖的液態(tài)施肥機，此施肥機械以AG-CHEM控制系統(tǒng)作為核心控制器，機體配置GPS定位系統(tǒng)，能達到精確變量施肥的效果。法國的庫恩（Kuhn）公司研制了一款懸掛式變量撒肥機［5］，該機采用GPS系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)自動生成肥料撒施分布處方圖，可實時調節(jié)撒肥盤開度與角度，實現(xiàn)高效變量撒肥作業(yè)。加拿大Cheema等［6］研究了一種基于處方圖的小麥種植施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過DGPS進行標記地點，分別進行兩個采樣深度采集土壤和作物產量樣本，進行采樣點的養(yǎng)分管理生成電子處方圖，根據(jù)土壤和作物需求進行定點變量施肥，有效提高了經濟效益和環(huán)境效益。

Chiara Cilia等［7］提出了一種利用高光譜遙感圖像繪制玉米田變量施氮素狀況圖的方法，利用AISA Eagle高光譜傳感器對玉米種植試驗場進行了空中調查在4個重復中用兩種氮肥水平（0和100 kg N/hm2）生長。根據(jù)實際含氮量與最佳含氮量的差異，提出了一種基于像素的變量施肥圖的生成方法。

北京農業(yè)信息技術研究中心安曉飛等［8］設計了一套基于處方圖的玉米4要素變量施肥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電液比例控制四路排肥器，根據(jù)設置的目標施肥量，調節(jié)比例閥開度，實現(xiàn)N、P、K和微肥的同步控制。南京農業(yè)大學李銳等［9］設計了一種基于GPS和百度地圖API平臺的簡易處方圖生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Android系統(tǒng)生成電子處方圖，指導變量施肥作業(yè)。吉林農業(yè)大學郝云鵬［10］研究了基于GIS玉米變量施肥作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過GIS和GPS設備獲取田間地形邊界圖和采集標記點土壤養(yǎng)分含量信息，繪制變量施肥網格處方圖，進而實施變量施肥作業(yè)。浙江大學鄭啟帥［11］設計了一種基于多旋翼無人機的油菜變量追肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多光譜圖像和RGB預測油菜蕾薹期冠層氮素含量，利用算法生成作業(yè)處方圖實現(xiàn)氮肥的變量施用。

1.2 實時監(jiān)測自動變量施肥

實時監(jiān)測自動變量施肥控制技術是由實時傳感器測出土壤參數(shù)，分析土壤肥力，把信息輸入施肥決策系統(tǒng)，通過對采集到的數(shù)據(jù)建模，結合目標產量（參考歷年產量）和機具作業(yè)速度，由智能施肥專家系統(tǒng)定出施肥量，然后把信號輸送給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制排肥驅動器從而控制排肥軸的轉速，達到精準智能調控排肥的目的。實時監(jiān)測自動變量施肥控制技術原理：在中央處理芯片嵌入一套高精度的施肥決策系統(tǒng)接受決策數(shù)據(jù)，同時讀取轉速傳感器反饋的機具行進速度，將目前機具速度與獲取的決策數(shù)據(jù)綜合運算，計算出控制排肥軸轉速大小的控制脈沖。由施肥決策系統(tǒng)決策出的施肥量和速度傳感器測出的速度定出排肥軸的轉速，排肥量與排肥軸轉速的關系也可推導出來，進而控制不同肥料的不同配比。

德國阿瑪松（Amazone）公司研制的ZA-B系列牽引式變量撒肥機［12］，該機配備了多種農用傳感器，可實時采集農作物生長特征，快速計算單位區(qū)域內最適于農作物生長的施肥量，通過獨立液壓驅動裝置控制離心撒肥盤工作轉速及幅寬將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器，處理器經過計算控制液壓馬達的轉速，實現(xiàn)精準變量施肥作業(yè)。

JoséF R等［13］在春小麥試驗作物上實現(xiàn)了自動控制變量施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括微控制器、液晶顯示器、比例流量控制電磁閥、轉速傳感器和安裝在鉆機施肥機軸上的液壓馬達。Back S W等［14］研究了一種利用土壤傳感器、圖像處理技術和光譜探測技術實時獲取施肥決策的方法，實現(xiàn)控制變量施肥的目的。

南京農業(yè)大學陳滿等［15］基于近地光譜技術研制出冬小麥精準變量施肥機，該機采用STM32單片機作為核心控制器，通過對直流電機和伺服電機的控制，來實現(xiàn)對排肥器轉速和排肥器開度的實時調節(jié)，進而達到冬小麥施氮肥的實時在線變量控制。南京農業(yè)大學施印炎等［16］設計了一種基于傳感器的雙圓盤離心勻肥罩式水稻地表變量施肥機，該機采用STM32F103核心控制器的反饋系統(tǒng)，可實現(xiàn)區(qū)域性實時變量施肥。東北農業(yè)大學張繼成等［17］基于增量式PID算法設計了一種精確施控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制算法、測土配方技術和固體肥施肥控制系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)多種固體肥實時自動配比的目的。

2 精準施肥實踐問題

2.1 變量施肥宣傳推廣不足

我國大多數(shù)地區(qū)依舊采用傳統(tǒng)施肥方式，變量施肥技術宣傳不足，沒有從農戶需求視角出發(fā)構建變量施肥技術推廣服務機制，農民不了解變量施，也沒有意識到盲目、過度施肥的危害。

2.2 變量施肥作業(yè)模式對比

由于變量施肥機具的智能化進程慢，實時變量控制精度不足，部分變量施肥技術還處于實驗研究階段，目前，變量施肥技術和變量施肥機具無法適應多種地貌作業(yè)。兩種變量施肥作業(yè)模式對比分析如表1所示。

基于處方圖的變量施肥系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以依據(jù)處方圖調節(jié)施肥機的排肥驅動器，實現(xiàn)在目標田內均勻施肥，不同自然田變量施肥［18］；變量施肥系統(tǒng)功能更加完備，帶有變量施肥電子處方圖的播種機械，可在不同模式下實現(xiàn)精密播種和變量施肥［19］；變量施肥作業(yè)受天氣影響較小，不違農時，但基于處方圖的變量施肥需要提前生成施肥處方，準備工作量大，需要穩(wěn)定的3S信號支持，否則會影響變量施肥精度。

實時監(jiān)測自動變量施肥技術通過多種測土傳感器實時檢測田間土壤信息，根據(jù)土壤養(yǎng)分的需要，按需投入，不需要生成處方圖，直接進行肥料配比，施肥工作量相對較少。但實時監(jiān)測自動變量施肥技術對系統(tǒng)集成度和硬件性能要求較高，研究投入成本大，短期內達到生產實踐比較困難。由于受極端惡劣天氣的影響，尤其是降雨環(huán)境下，土壤墑值高、土壤間粘滯系數(shù)大，導致土壤粘附在傳感器表面，使系統(tǒng)的可靠性大幅降低。

3 精準施肥應用展望

提高農民對變量施肥技術的認知，加強培訓農民對農業(yè)技術生產的技能，為農民展示變量施肥機械的作業(yè)優(yōu)勢，讓廣大農戶接受變量施肥技術投入到自家農田生產中，避免因盲目施肥、過度施肥對農作物和農田環(huán)境造成不可恢復的危害。

盡管對變量施肥控制技術已經研究比較充分，但實時監(jiān)測和控制技術達不到低成本、高精度的目標。在接下來的研究階段中，重點突破實時監(jiān)測變量施肥控制技術的研究，開發(fā)出適合我國農藝要求的實時監(jiān)測變量施肥智能裝置；鑒于無人機技術近年來在我國的高速發(fā)展，且在其他農業(yè)智能化裝備發(fā)展中得到了廣泛地應用，故未來可利用無人機技術檢測植物長勢，實現(xiàn)實時精準變量施肥，變量施肥作業(yè)會朝著無人化方向發(fā)展。