精準變量施肥技術研究與應用

楊志杰

河北省農業機械化研究所有限公司 050051

1 引言

精準施肥技術是把地塊細化成操作單元，根據不同土壤類型、土壤中各種養分的盈虧狀況、不同肥料的增產效應、不同作物的施肥模式、歷年產量等相關信息輸入計算機，形成資料齊全的土壤養分信息化管理系統，生成作物生長的變量處方圖，這些信息輸入變量施肥機的控制單元，根據處方圖信息在田間不斷改變施肥量，完成施肥作業。從國內外的研究來看，按處方圖變量施肥地塊的產量比傳統平衡施肥的產量將提高30%左右，而且減少了化肥施用總量，經濟效益大大提高。要做到精準施肥，就要求有科學合理的施肥方式和具有自動控制的變量施肥機械。

1993-1994年，精準施肥技術首先在美國明尼蘇達州的兩個農場進行試驗，1995年美國明尼蘇達州、華盛頓州開發了變量施肥技術（VRT-Variable Rate Technology）應用設備，隨后變量施肥機械在歐美得到迅速發展，其中發展最快的就是圓盤式變量施肥機，美國的SWENSON及德國的AMAZON等公司都進行了大量的研究，中國近年來也開始著手研究，但是我國變量施肥機械研制還處于起步階段。

圖1 圓盤式變量施肥機

2 變量施肥關鍵技術

變量施肥機（如圖1）主要由行走系統、全球定位系統（GPS）、控制系統、圓盤式（或其它形式）撒肥裝置等組成。

2.1 圓盤式變量施肥機采用GPS（全球衛星定位系統）用于信息獲取和實施準確定位

變量施肥機需要GPS為其提供準確的定位信息，GPS接收機通過通信端口、通過傳輸協議向計算機控制系統傳輸定位、速度、時間等數據，控制系統進行分析后，使得到變量施肥機能夠按照處方圖的施肥計劃精確施肥，從而使得變量施肥得以實現。

DGPS（差分定位技術）是保證變量施肥機施肥精度的一項重要技術。美國政府為了控制和限制G P S用戶的使用，實施了安全管理（SA）政策，使衛星鐘差和星歷誤差顯著增加，定位精度有所下降。對于精確農業上的變量施肥機而言，15米以上的定位精度不可能接受的。DGPS是在一個已知點上設立基準站，跟蹤觀測GPS衛星，測定各衛星偽距觀測值的修正值；通過差分數據傳輸系統，實時發送給行走中的施肥機，經差分修正后，進行定位解析，使變量施肥機獲得亞米級，甚至更精確的定位信息。

2.2 GIS（地理信息系統）的技術支持

圖2 處方圖信息

GIS是構成農作物精確管理空間信息數據庫的有力工具，田間信息通過地理信息系統予以表達和處理，具體步驟為:從田間采集代表性土樣，最常見的取樣方式是柵格取樣法,地塊被分割成面積相等的柵格,從每一柵格中采集一個土樣，在實驗室進行土樣分析;利用分析結果,繪制土壤養分空間分布圖,即施肥處方圖（如圖2）;最后依據施肥處方作業圖,決定肥料的最佳施用量。施肥處方圖中既包含了每個田間柵格的施肥量信息，也包含了每個柵格的地理位置信息，這些信息經專業軟件處理后，可以輸入到變量施肥機控制器中，成為變量施肥機的施肥依據。

2.3 控制系統是變量施肥機核心

圖3 變量控制系統組成

變量施肥作業的另一重要組成部分是其控制系統（如圖3）,它集成了施肥處方圖信息、GPS信息和與不同輸入對應操作。在控制系統中,可集成許多功能模塊,如變量施肥模塊和變量噴藥模塊等。控制系統包括軟件系統和硬件兩大部分，軟件系統類似計算機的操作系統，是應用部分，它的一個很重要的功能是是對預輸入的施肥處方圖進行解析和執行，把接收到G P S定位信息與施肥處方圖的地塊位置信息進行核對后，準確完成施肥作業。同時它還可以創建和儲存地塊的邊界，標記機械行駛路上的特殊點如樹木等，并可以分析邊界計算土地的面積。并對變量施肥機上的各個執行部件進行監控和反饋，如拖拉機的行駛速度、鏈條馬達和施肥盤馬達的轉速，通過傳感器進行數據采集，通過控制節點，傳輸到控制中心，經分析后，再把控制信息反饋到施肥執行部件。

2.4 液壓系統和施肥裝置的可靠性

目前國內外的變量施肥機多采用液壓馬達作為撒肥盤的動力來源，由油箱、油泵、各種控制閥、管路、馬達組成的液壓系統，由控制系統實現對流量閥、壓力閥和方向閥的控制，來完成變量施肥作業。液壓系統比較復雜，各種控制閥屬于精密元件，如果制造工藝達不到要求，很難實現精確控制，同時也很難保證變量施肥作業的可靠性。

3 圓盤式變量施肥機理論分析與田間實驗評估

3.1 圓盤式施肥機理論分析

在設計圓盤式施肥機之前，建立實驗平臺，通過實驗對相關的機械參數和肥料特性做基礎試驗，對進料口位置、進料口大小、葉片傾角圓盤轉速、圓盤大小、肥料特性設計實驗方案，分析其對施肥效果的影響。對以上各因素進行分析和組合實驗，衡量施肥機施肥均勻性，并通過對單圓盤施肥數據的分析，做出圓盤施肥作業模型，實驗后的數據作為設計變量施肥機的依據。

3.2 變量施肥一致性實驗

由于圓盤式施肥機是靠離心力把肥料拋出去，這個固有的缺陷使其在田間肥料的分布成一個心形，中間多，而邊緣少（如圖4）。

圖4 肥料分布圖

因此施肥機的單次作業很難達到施肥均勻性要求。只有在變量施肥機各項參數校正后，經過往復施肥的疊加作業，才能提高其施肥一致性（如圖5）。

圖5 疊加肥料分布圖

3.3 變異系數

圓盤式變量施肥機單行作業中撒下的化肥沿縱向與橫向的分布是不均勻的,因此需要進行大量的田間實驗，借此評估施肥機的作業質量，改善肥料分布均勻性，其判定指標就是變異系數（coefficient of variation），簡稱 CV。

變異系數的計算公式如下：

其中，Xi為重疊施肥試驗的每一個收集點上積累的肥料重量；N為收集肥料的試驗點的數量。為施肥平均值，kg/ha；STD為橫向施肥幅寬方向的標準偏差；C V為變異系數。

若施肥機的變異系數越小，其橫向幅寬上施肥的一致性程度就越高；反之，變異系數越大，則其橫向幅寬上施肥的一致性程度就越差。由于田間施肥的地形的平坦性對CV有一定的影響，很容易使兩個施肥軌跡中有可能施肥量多的兩點相疊加，或是兩個施肥量低的點相疊加，這樣就會使CV發生很大的變化。因此不同的地形對于施肥機的要求也不相同。雖然圓盤式施肥機的CV要求在5%－10%之間，但對于一般的田間施肥，CV在15%－20%之間也是可行的。

3.4 田間實驗評估

表1 兩種幅寬下四種不同施肥量的性能參數表

在田間實驗中，施肥機在設計要求的15 m和20 m幅寬，通過重疊作業面積來改善其均勻性，采用四種常用的施肥量，在回轉式和往復式兩種施肥試下，試驗所得數據（表1）。不同施肥幅寬，不同的施肥量和不同的施肥方式，都會給圓盤式施肥機的變量作業帶來一定的影響，因此為了達到變量施肥的最終目的，應在施肥范圍內進行大量田間試驗，使其變異系數在變量施肥的要求范圍之內，提高施肥一致性，以保證施肥機的作業質量。

4 結論

實踐表明精準農業，特別是變量施肥技術的應用，真正實現了對土地的按需管理，節省了農業投入，促進了環保，實現了農業生產的可持續發展。變量施肥機不僅在規模種植的地區具有廣闊的應用前景，如果進一步開發適合小地塊作業、符合我國國情小型的變量施肥機將會實現種植業的另一次飛躍。

[1]汪懋華.“精細農業”發展與工程技術創新[J].農業工程學報，1999，15（1）：1-8.