基于施肥處方的烤煙變量施肥機設計及應用

張云 李志宏， 蔣 衛，李 強， 王 剛， 劉青麗， 夏 昊， 梁永江， 丁 偉， 張長華

(1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 北京 100081; 2 貴州省煙草公司遵義市公司， 遵義 563000;3 北京東方優國途科技有限公司， 北京 100088; 4 中國煙葉公司， 北京 100055 )

我國烤煙種植區域地塊零碎，不適合大型機具作業，本研究選擇小型手扶拖拉機為施肥機載體，研制了一種具有全部自主知識產權的變量施肥機，包括硬件和軟件; 通過田間網格采樣、 土壤變異分析、 處方生成、 變量施肥機具自動實施、 效果評價等完整的變量施肥技術體系實施過程，討論變量施肥技術在我國實施的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 土樣采集和測試

圖1 試驗地土壤網格樣點位和土地利用圖Fig.1 Grid soil samples and landuse map in experimental field

1.3 養分推薦量計算依據

表1 土壤養分分級及肥料用量推薦

1.4 田間管理

供試烤煙品種為南江3號，種植密度16500 plant/hm2。變量施肥和對照地塊施肥均采用當地烤煙專用肥; 變量施肥養分總量根據土壤變異計算，磷肥全部作為基肥施用，氮和鉀基肥、 追肥比例為6 ∶4，基肥配方為9-11-24，于移栽前條施，由變量施肥機完成，變量施肥處方圖見圖8。追肥配方為15-0-30，鉀肥不足部分由硫酸鉀補充，于移栽后20天人工環施，變量施肥機施肥地塊和對照地塊見圖1b，變量施肥機實施面積2.43 hm2，對照面積1.20 hm2，對照為農戶常規人工施肥。其他栽培管理措施和當地習慣相同。

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2010進行整理，使用SAS 6.12進行顯著性檢驗和正態分布檢驗，使用GS+9.0軟件進行地統計分析，使用ArcGIS 9.3進行養分插值和作圖。

2 結果與分析

2.1 烤煙變量施肥機研制

圖2 烤煙變量施肥概念模型Fig.2 The concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.1 烤煙變量施肥機概念模型 基于處方的烤煙變量施肥機包含兩個執行模塊，一是施肥處方生成模塊，一是施肥處方執行模塊(圖2)，二者通過USB進行信息交換。施肥處方生成模塊是一套軟件系統，依據土壤測試值、 施肥模型、 地塊邊界地圖自動生成烤煙施肥處方，以數據包方式通過優盤復制給施肥處方執行模塊。施肥處方執行模塊包括硬件系統和控制軟件系統，硬件系統的核心部件有控制器、 GPS芯片、 速度傳感器、 排肥器和肥料斗等機加工部件; 控制軟件系統主要用于各種硬件的驅動、 狀態監聽、 個性參數調整、 施肥處方執行。

2.1.2 變量施肥處方生成模型 處方生成是變量施肥的關鍵環節，根據土壤測試數據、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實施地塊任意位置的肥料投入量，以空間數據的方式供施肥機控制系統軟件調用。主要包括： 施肥模型管理模塊、 地圖操作模塊、 空間數據插值模塊、 空間數據投影轉換模塊、 文件管理模塊。處方生成軟件不包含任何施肥模型參數、 地圖文件和土壤測試數據，施肥模型以參數文件方式存在，施肥模型、 數據(包括空間地圖和土壤測試數據)、 軟件三者獨立。

圖3 烤煙變量施肥機處方生產概念模型Fig.3 The prescription concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

處方生成主要包括四個過程(圖3)，一是由土壤測試數據的經緯度信息生產矢量地圖數據文件，并進行Albert投影轉換將空間位置單位轉化為米; 二是檢查地塊邊界文件和土壤測試數據矢量地圖是否匹配，如果匹配失敗嘗試對地塊邊界文件進行投影轉換，生成空間數據的插值邊界; 三是根據插值邊界和土壤測試數據的矢量地圖插值生成一定距離的網格數據，每個網格格點生成一套土壤養分數據; 四是依據建立的施肥模型和格點土壤養分數據計算每個格點的肥料投入量。

2.1.3 變量施肥機控制系統軟件概念模型 控制系統軟件(圖4)的主要功能是驅動GPS、 速度傳感器和步進電機3個部件，監聽上述3個部件的運行狀態，依據施肥處方和部件狀態實時調整步進電機的速度以實施變量肥料投入。實際運行過程中，農機的行進速度和農機檔位、 農機手習慣相關，測試表明同一個農機手的行進速度相對偏差小于5%，穩定運行2個小時以后記錄的行進速度作為默認速度對肥料投入的偏差小于5%，所以控制系統軟件在監聽到速度傳感器為非正常狀態會及時報警，同時允許施肥機繼續工作。GPS芯片和天線出現故障的概率極低，但是，如地震等極端情況出現時，GPS信號不正常，此時，控制系統軟件會對部件狀態進行報警，也允許施肥機繼續工作，此時肥料投入量為默認的平均水平施肥量。

圖4 烤煙變量施肥機控制系統軟件概念模型Fig.4 The control software concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

圖5 烤煙變量施肥機排肥裝置示意圖Fig.5 Fertilizer discharge of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.4 變量施肥機的核心部件和關鍵參數

硬件環境

中央處理單元(CPU)： 飛思卡爾的i.MX51為主芯片，主頻1.2G;

GPS芯片： 瑞士U-Blox公司生產的Ublox AG，位置誤差小于10米;

速度傳感器： JL-0203NA-OC;

步進電機： 深圳雷賽公司生產的110系列;

排肥器： 排肥器作為施肥機的核心部件，要求不漏肥、 防堵、 防銹、 轉速和排肥量線性相關。市場供應的化肥造粒不勻、 結塊， 導致星輪狀排肥裝置出現堵死現象，可用性差，本研究采用圖5結構的排肥器。該排肥裝置的排肥精度如圖6，數據測試在田間實際施肥過程中完成，實際排肥量和模擬公式計算的理論排肥量相對誤差小于0.5%。

圖6 排肥量和電機轉速的關系Fig.6 Relation of fertilizer discharge and motor rotating speed

圖6為實測的排肥量和電機轉速的關系曲線，用于獲取排肥器的特征參數a和b，排肥量用體積表示。肥料密度不同，相同轉速在單位時間內排肥的體積相同，而排肥質量(重量)不同。變量施肥機工作過程中，需要由處方施肥量確定電機轉速，不能由圖6推算，此時電機的轉速和肥料用量、 農機行進速度、 施肥行距、 肥料密度等因素相關，可采用公式(1)計算。

步進電機轉速(v)與排肥量的關系：

(1)

其中：

a、 b—排肥軸特征參數，表征轉速和排肥量(體積)之間的關系;

W—肥料用量，單位為kg/hm2;

V—行進速度，單位為m/s;

h—行距，即兩條相鄰肥料壟之間的距離，單位為m;

ρ—肥料密度，單位為g/cm3。

軟件環境

處方生成軟件開發環境： Microsoft Studio 2008 C#; 依賴環境DotNet Framework 3.5和Microsoft Office 2003或以上版本; GIS相關模塊使用C#自主開發;

控制系統軟件開發環境： 硬件驅動使用C語言開發; 應用層軟件使用Android 2.3.4操作系統下java開發。

2.2 烤煙變量施肥機應用

表2 土壤養分含量和pH值描述性統計

圖7 土壤養分和pH值半方差分析圖Fig.7 Semivariograms for soil nutrients and pH value

圖8 土壤養分空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of soil nutrients

變程反映土壤的結構性，變程值內的土壤性質是空間相關的; 變程值范圍以外的土壤性質是空間獨立的。根據半方差理論，球狀模型和線性有基臺模型的變程為模型參數A0，指數模型和高斯模型的變程為模型參數A0的3倍。土壤pH值和硝態氮是球狀模型，變程分別為174.3米和68.3米，硝態氮的變程最小; 有機質、 有效磷、 速效鉀和無機氮是指數模型，變程分別為354.3米、 426.0米、 330.6米和1050.6米。其中，無機氮由銨態氮和硝態氮組成，移動性較強，變化比較快，不太可能出現較大的變程，結構分析表現為中度空間相關， 但圖7中無機氮并不是典型的指數圖形，這可能和銨態氮結構性不好相關。烤煙養分管理的重點是氮素管理，過量的氮素肥料投入會導致上部煙葉煙堿含量過高，煙葉質量差，氮素投入不夠又會嚴重影響產量。氮素養分管理過程中，如果采用硝態氮(旱地)作為氮素養分管理的依據，土壤樣品采集的網格密度不能小于70米; 采用無機氮作為氮素養分管理的依據時，雖然能夠增大網格采樣密度，其可靠性需要進一步試驗證實。

土壤有機質、 無機氮、 有效磷和速效鉀的分布符合正態分布或經過對數轉換后符合正態分布，達到中等強度以上的空間自相關，可以進行最優內插，圖8是土壤養分的空間分布圖。雖然pH值也滿足上述要求，沒有列出pH值的空間分布圖，一方面是pH值的變異系數非常小，另一方面pH值在烤煙生長的適宜范圍[10]。試驗地在土壤采樣之前歸農戶各家所有，種植作物主要是玉米，農戶鉀肥投入少，土壤速效鉀含量(圖8d)處于極低水平[9-10]，養分管理過程中，鉀素養分給予最高的推薦量。土壤有效磷含量(圖8c)和速效鉀含量近似，處于中等偏低水平[9-10]，除試驗地東南角部位含量稍高外，整體含量不高。土壤無機氮含量(圖8b)處于中等或中等偏低水平，西南和東北部位含量稍高，中部含量較低，有比較清晰的空間分布區域特征。土壤有機質含量(圖8a)東部高西部適中，針對烤煙種植，有機質含量過高和過低均不利于烤煙生產[9-10]，有機質含量超過30 g/kg，土壤氮素礦化量過高，煙葉氮來源于土壤礦化氮的比例過高，煙堿含量過高，煙葉品質差[13]; 有機質含量過低，土壤結構差，保水保肥性差，也影響烤煙的產量和質量; 試驗地東部土壤有機質偏高，對生產優質烤煙有影響。

本研究設計的變量施肥機只能針對一種肥料進行變量控制，實施過程中以氮素養分作為肥料推薦的依據，一方面是試驗地塊氮素養分的空間變異比磷、 鉀都大，且氮素對烤煙產量和質量的影響也最大; 另一方面根據圖8c中有效磷含量小于10 mg/kg 的面積占83.5%，圖8d中速效鉀含量均小于80 mg/kg，土壤磷和鉀養分含量低，均處于高量推薦水平。圖9是以土壤無機氮、 表1養分推薦指標體系、 基肥配方9-11-24為依據制作的變量施肥處方圖。

圖9 變量施肥處方圖Fig.9 Prescription map of variable fertilizer rates

變量施肥機養分投入與推薦量比較，氮素養分相同，磷素和鉀素養分投入比推薦量分別少0.5 kg/hm2、 9.9 kg/hm2，變量施肥實際養分投入與推薦量基本相當。變量施肥地塊最終養分投入與農戶常規施肥比較節省肥料4.6%，試驗地塊土壤養分含量低，肥料投入過低導致減產風險較高。

2.2.2 變量施肥的烤煙生育性狀 表3為變量施肥區和對照區分別均勻布置20個監測點生育期性狀調查表，調查時間為烤煙圓頂期。

表3 應用變量施肥機的烤煙生育性狀表

2.2.3 變量施肥的烤煙產量和質量 變量施肥機實施地塊和對照地塊單獨烘烤、 分級、 計算產量，表4為試驗產質量表，其中，上、 中、 下等煙率是把烤煙煙葉分為42級后根據每級產量整理出來的。

表4 應用變量施肥機的烤煙產質量表

在相同株高的情況下，烤煙中部葉(最大葉)面積越大，植株光合作用的面積越大，光能利用率就越高; 在株高不同的情況下，中部葉面積和株高的比值越高，植株的光能利用率越高。根據表4，變量施肥處理和對照的中部葉面積(本文直接使用最大葉長和寬的乘積)和株高的比值分別為22.55和21.51，變量施肥處理有更高的光能利用率，這和變量施肥烤煙產量高于對照產量的數據一致。

變量施肥烤煙長勢整齊，長勢最好的煙葉和長勢最差的煙葉比例同步減少，表4數據表明， 變量施肥處理烤煙中等煙率為52.2%，比對照中等煙率39.1%增加了13.1%; 同時，變量施肥處理的上等煙率和下等煙率均比對照低，這和變量施肥處理烤煙長勢整齊相關，長勢較差的植株少，長勢好的植株光合作用的邊際效率少，上等煙的比率減少。中等煙率比例增加是烤煙煙葉單價提高的原因，也是變量施肥產值高于對照4286.45 yuan/hm2的重要原因。

3 討論

3.1 基于處方變量施肥機的效益

本研究通過變量施肥機研制和應用證實變量施肥可以提高烤煙的產量和均價，產生良好的經濟效益。本研究設計的變量施肥機是在烤煙起壟機的基礎上附加變量施肥單元，能夠節省施肥的人工成本，常規人工施肥效率是0.2 hm2/d，人工施肥成本300 yuan/hm2，同時節省肥料4.6%，折合124.2 yuan/hm2。采用變量施肥技術需要增加土壤樣品測試成本，本研究采用50 m×50 m網格采樣，每項土壤樣品測試費用為100 yuan，相當于400 yuan/hm2。由于產量增加和品質改善，產值增加4286.45 yuan/hm2，變量施肥機在烤煙上應用增加的綜合效益為4310.65 yuan/hm2。變量施肥機工作效率14.25 h/hm2，一臺變量施肥機單個烤煙移栽季施肥面積7 hm2，單臺變量施肥機累積節本增效達到30174.55元，具有較強的推廣應用價值。

3.2 變量施肥機的發展趨勢

根據變量施肥的實現方式，可以分為基于處方的變量施肥機和基于傳感器的變量施肥機，目前，根據前期制作的處方自動控制施肥仍然是主流，限制傳感器實時獲取數據進行決策而后自動施肥的關鍵是傳感器技術本身，尚缺乏有效獲取土壤養分等信息的可靠傳感器，甚至有些光學傳感器也僅僅用于施肥處方生成，盡管如此，基于傳感器的變量施肥依然代表該技術發展的方向。

從高新技術應用的角度，變量施肥技術對GPS的應用會更加深入。通常變量施肥的土壤網格采樣密度大于50 m×50 m，而普通GPS的精度在10 m以內，差分GPS的精度可提高到1 m以內，土壤采樣位置誤差遠大于變量施肥機的施肥位置誤差。盡管如此，GPS的精度會進一步提高，變量施肥機的自動導航不僅可節省油料消耗，提高變量施肥機的工作效率，也可以使肥料投放的位置更加準確，有效提高肥料利用效率和耕地生產效率; 同時，農機的測速問題始終是技術難題，傳統的五輪測速由于不同耕地條件滑移不同，很難獲取到農機的真實速度，而雷達測速要求速度大于18 km/h，農機工作速度在5 km/h以內，考慮農機操作以直線運動為主，高精度GPS可解決農機測速問題。

現階段限制變量施肥機應用的一個重要原因是土壤養分數據獲取成本高，遙感數據、 作物長勢和產量數據、 土壤理化的歷史數據等多種數據獲取、 解譯、 管理并用于施肥處方生成，將有效降低變量施肥技術應用的運行成本[14]。同時，自主研發并擁有全部知識產權的變量施肥機在經濟作物上應用，通過節約肥料、 勞動力成本，增加農產品效益來獲取收益，成本回收期可控制在2年以內，變量施肥機的購置成本不會成為該技術應用的限制因子。

4 結論

變量施肥機以小型手扶拖拉機為載體，根據土壤測試數據、 邊界地圖、 施肥模型自動計算實施的地塊任意位置的肥料投入量，以空間數據的方式供施肥機控制系統軟件在施肥實踐中是可行的。

使用變量施肥機實施自動變量施肥，可節省肥料4.6%; 提高烤煙的整齊度; 上等煙率和下等煙率同步減少，中等煙率增加13.1%; 農戶收益平均增加30174.55 yuan/hm2，具有較強的推廣應用價值。

參考文獻:

[1] Hermann A. Precision farming—the environmental challenge[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2001, (30): 31-43.

[2] Wikipedia. Precision agriculture[EB/OL].http: //en.wikipedia.org/wiki/Precision_agriculture. 2013, 6.

[3] Ganesh C B, John F N and David C R . Energy savings by adopting precision agriculture in rural USA[J]. Energy, Sustainability and Society, 2012, (2): 22-26.

[4] Anon. Preface: Use of precision agriculture by the Australian grains industry[J]. Crop and Pasture Science, 2009, 60: 795-798.

[5] Robertson M J, Llewellyn R Setal. Adoption of variable rate fertiliser application in the Australian grains industry: status, issues and prospects[J]. Precision Agriculture, 2012, (13): 181-199.

[6] 北京農業信息技術研究中心. 變量施肥機[EB/OL].http: //www.nercita.org.cn/index/products/detail.aspx?productid=53.2014,5.

[7] 于合龍, 陳桂芬, 趙蘭坡等. 吉林省黑土區玉米精準施肥技術研究與應用[J]. 吉林農業大學學報, 2008, 30(5): 753-759, 768.

Yu H L, Chen G F, Zhao L Petal. Study and application of maize precision fertilization technology in black soil of Jilin province[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2008, 30(5): 753-759, 768.

[8] 鮑士旦.土壤農化分析(第三版)[M].北京: 中國農業出版社, 2000.

Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis(Third edition)[M].Beijing: China Agriculture Press, 2000.

[9] 陳江華, 劉建利, 李志宏. 中國植煙土壤及煙草養分綜合管理[M]. 北京: 科學出版社, 2008.

Cheng J H, Liu J L, Li Z H. China tobacco planting soil and tobacco integrated nutrient management[M]. Beijing: Science Press, 2008.

[10] 馮勇剛, 石俊雄. 貴州煙草平衡施肥研究[M]. 貴陽: 貴州科技出版社, 2008.

Feng Y G, Shi J X. Study on balanced fertilization of tobacco in Guizhou[M].Guiyang: Guizhou Science and Technology Press, 2008.

[11] 雷志棟, 楊詩秀, 許志榮， 等. 土壤特性空間變異性初步研究[J]. 水利學報, 1985, 9(9): 10-21.

Lei Z D, Yang S X, Xu Z Retal. Preliminary investigation of the spatial variability of soil properties[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1985, 9(9): 10-21.

[12] Cambardella C A, Moorman T B, Novak J Metal. Field-scale variability of soil properties in central lowa soils[J]. Soil Science Society of American Journal, 1994, 58: 1501-1511.

[13] 劉青麗, 石俊雄, 張云貴, 等. 應用15N示蹤研究不同有機物對烤煙氮素營養及品質的影響[J]. 中國農業科學, 2010, 43(22): 4642-4651.

Liu Q L, Shi J X, Zhang Y Getal. The effects of various organic matters on the nitrogen nutrition of flue-cured tobacco and its quality by15N[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(22): 4642-4651.

[14] Yeong S T, Mark B. Factors influencing the adoption of precision agricultural technologies: a review for policy implications[J]. Precision Agriculture, 2012(13): 713-730.