變量施肥機關鍵技術研究現狀分析

孫國祥 陳滿 汪小旵 丁為民 丁永前 李永博 邱威

摘要：綜述了變量施肥機測土配方圖生成系統、控制系統及排肥機構等領域的研究狀況。目前變量施肥機主要采用離線式變量施肥方式，根據土壤養分離散采樣，并進行空間插值，結合3S技術生成土壤養分分布圖，結合具體地域作物施肥標準生成變量施肥配方圖。變量施肥控制系統研究重點是定位準確性和控制系統的實時性、智能性，為實現精準變量施肥提供易操作的控制器。排肥機構集中研究排肥機構結構設計、排肥精度、排量、幅度、均勻性和變異系數。目前測土配方圖獲取是影響變量施肥機應用推廣的關鍵技術難題，今后應主要研究實時變量施肥機，加強對土壤養分實時間接檢測的技術研究和完善精準變量施肥體系，從而拓展變量施肥機的應用前景。

關鍵詞：變量施肥機；配方圖；土壤養分；3S技術；排肥機構

中圖分類號： S224.22文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0333-06

收稿日期：2013-06-18

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAD08B04-8）；江蘇省前瞻性研究項目（編號：SBY201220290）。

作者簡介：孫國祥（1985—），男，江蘇建湖人，博士研究生，主要從事農業智能化裝備方面的研究。E-mail：sguoxiang @foxmail.com。

通信作者：汪小旵，博士，教授。E-mail：wangxiaochan@njau.edu.cn。變量施肥技術是精準農業的重要組成部分，在國外已獲得了顯著的經濟和社會效益。變量施肥機在發達國家研究較為深入，其相關技術已日臻完善和商品化。美國早在20世紀90年代就進行了測土配方施肥技術的應用，英國、德國、加拿大、澳大利亞等國家也相繼開展了研究與應用，而我國在20世紀90年代后期才開始對精準施肥技術的關注和適當研究[1-3]。我國自20世紀70年代開始，化肥的消費量迅速增加，對提高農作物產量起到了很大的作用，但我國的化肥投入突出問題是結構不合理，利用率低。1978—2005年糧食產量僅增產50%，但化肥消費量卻增長了300%以上。目前我國施用化肥多停留在經驗施肥的水平上，化肥利用率僅為 30%～40%，化肥的增產效果并未得到充分發揮，造成了驚人的浪費，在一些地區已出現了水污染等問題。據統計，我國的化肥施用量已經達到了平均434.3 kg/hm2，遠遠超出發達國家為防止化肥對水體造成污染所設置的225 kg/hm2的安全上限，是國際標準的1.93倍。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成了經濟上的巨大損失，而且引起了嚴重的環境污染?；视绕涫堑室殉蔀橹饕沫h境污染源之一，實行科學的變量施肥是農業可持續發展的必要措施和亟待解決的問題[4-9]。

測土配方施肥技術是聯合國在全世界推行的先進農業技術，也是精準農業的一項重要技術。在實際執行過程中，一般建立在較大規模的土壤養分調查基礎上，土壤養分的檢測過程復雜而繁瑣，費時費力。由于農田肥力在較小空間分布上存在較大的差異，配方肥很難真正起到根據作物實際生長需要科學合理施肥的目的；同時，在化肥的撒施過程中自動化和機械化程度較低，很難做到化肥的均勻撒施和變量作業，使肥料的利用率大大降低。為此，國內外研究人員對變量施肥機關鍵技術進行大量研究。

1變量施肥測土配方圖生成系統

變量施肥機實施變量施肥作業主要分為兩種方式：在線式變量施肥作業和離線式變量施肥作業。在線式實時檢測土壤養分，并實施變量施肥，目前僅能實時檢測少量土壤養分含量；離線式變量施肥，根據具體地域作物的歷史產量分布信息、土壤養分分布信息、土壤墑情、土質等信息，進行數據插值分析處理，結合專家知識模型和地理信息生成變量施肥配方圖，將配方圖加載至變量施肥機控制器中，在變量施肥機行進過程中實時定位和速度檢測，根據配方圖實施變量施肥。測土配方圖生成系統是變量施肥機的關鍵技術之一，也是影響變量施肥機是否能夠得到廣泛應用的技術瓶頸。

1.1土壤養分檢測

目前土壤性質主要測定項目包括：pH值、有機質含量、無機氮、全氮、硝態氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、土壤電導率EC值、水分和土壤微量元素等。測量方法有化學分析方法、光電分色方法、土壤電導率間接測量方法及近紅外光譜分析方法等[10]。

化學分析方法測量精度高，但每次僅能夠分析單一元素的含量，并且分析過程繁瑣、耗時費工。這種測量方法僅適用于離線式變量施肥方式，但如果土壤樣本數量多或要檢測的成分類型多，將不適宜采用該方法測量土壤養分含量。

光電分色方法測量土壤養分是根據朗伯—比爾定律，其是吸光光度法、比色分析法和光電比色法的定量基礎，光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目。目前河南農業大學開發的YN-4001土壤養分速測儀，相對誤差為5%～10%，每個項目測試所需時間為40～50 min，比化學分析法測定速度提高了20倍。

土壤電導率傳感器能夠實時獲取土壤性質分布圖，具有響應快、成本低、耐久性好等特點，但電導率測量儀獲得的數據和多個土壤參數關聯，不能定量測量土壤成分含量。

變量施肥配方圖生成系統需進行大量土壤樣本養分檢測，以上幾種測量方法均不適合應用于變量施肥配方圖獲取領域。針對土壤養分快速實時檢測問題，目前國內外研究人員對采用近紅外光譜分析技術測量土壤養分含量進行了研究（表1）[11-23]。主要尋找土壤養分含量對各波段的光譜的響應關系，建立土壤養分光譜分析模型（主要包括線性回歸模型、多元回歸模型、人工神經網絡模型、偏最小二乘-支持向量機模型等）。但由于土壤的區域性特征差異明顯，針對不同類型的土壤性質研究結果差異較大。目前變量施肥機在實施變量施肥時，主要檢測的土壤養分參數為：有機質、氮、磷、鉀含量。土壤有機質和氮對特定光譜波段的響應顯著，但土壤中的磷、鉀很難用某個波段的特征來描述。

光譜技術進入土壤養分檢測領域，極大地提高了土壤動態監測的自動化水平和監測效率，提升了土壤養分動態評價的水平，降低了測試成本。盡管光譜技術還不能完全代替傳統的土壤化學分析工作，但是光譜技術已經在土壤主要養分監測中顯示了巨大的潛力。利用光譜技術獲取土壤養分信息具有低成本、高密度、高精度、實時性等優點，解決了精準變量施肥作業技術發展的“瓶頸”問題。

1.2空間插值算法

通過土壤采樣獲取的土壤養分信息是以點狀方式存在的，這不能滿足精準農業的需要，因此需要通過空間插值方法將點狀信息轉換為面狀信息?？臻g插值方法主要可以分為確定性方法和地統計方法兩種（圖1）。

目前空間插值技術用于土壤養分分布預測和空間變異性的研究主要集中在研究尺度、插值方法及模型內部參數的選擇、采樣點布局及數量等方面。針對土壤養分變量的空間插值技術的研究，主要集中于兩個方面：一是確定性插值和不確定性插值技術的比較；二是不同克里格插值方法的比較。

2000年王坷等研究土壤養分的空間變異性和空間插值方法，采用克里格、逆距離加權兩種方法總體效果最好，其中克立格方法中又以指數模型為佳，逆距離加權插值法以二次方為佳[24]。2001年胡慧萍用移動平均、趨勢面擬合、點狀克立格、逆距離加權等空間插值方法得到各種插值的連續空間分布，與同期用實際觀察數據進行比較，結果表明幾種插值方法并無顯著差異，但以克里格和逆距離加權插值整體效果最好，尤以克里格指數模型最佳[25]。2006年石小華等對陜西省周至縣北部獼猴桃適生區土壤進行采樣，以土壤速效鉀含量為研究對象，用普通克里格、樣條函數、趨勢面擬合、距離權重反比法等方法獲取土壤速效鉀空間分布圖，結果表明克里格插值方法明顯優于其他方法，其中又以球形模型為最佳，樣條函數、距離權重反比法在采樣點密集區也能內插出較好的效果，但其受采樣點密度影響較大，在采樣點稀疏的地區內插結果較差[26]。2010年王建軍等對江蘇省儀征市沿江平原和丘陵地區兩種不同地貌類型區內的兩個村不同采樣密度下5 種養分因子的空間插值結果進行分析比較，用標準均方根誤差檢驗不同密度下的插值精度[27]。2011年馬靜等以甘肅省會寧縣土壤速效鉀含量為研究數據，用普通克里格、反距離加權法、徑向基函數插值3種插值方法進行插值對比研究，交叉驗證得出普通克里格球面模型是精度最高的插值方法，可以很好地模擬土壤養分的空間漸變分布[28]。2011年張小青等采用反距離加權法、局部多項式插值法、克里格插值法3種方法對土壤養分進行空間插值，克里格插值法和局部多項式插值法的RMSE相近，插值效果相對好，插值效果最差的為反距離加權法[29]。2012年楊子清等采用Kriging法完成土壤養分有機質和全鉀養分的空間插值，結果表明福建省順昌縣森林土壤的有機質和全鉀含量空間上存在中等程度相關。采用Kriging法的Stable和Spherical半變異函數模型表征有機質和全鉀含量的空間變異特征效果最好[30]。2012年李增兵等分別用反距離權重插值法和普通克里格插值法對歷城全區、平原區和丘陵區的土壤養分進行插值，通過交叉驗證、疊加對比分析等方法比較不同情況下不同插值方法的精度，并對比分析基于不同插值方法的耕地地力評價結果，結果顯示反距離權重插值法和普通克里格插值法2種方法都具有較高精度，其中反距離權重插值法較適宜于丘陵區，而普通克里格插值法則適宜于平原區；對于有多種參評元素參與的縣域耕地地力評價，采用兩種方法的評價結果相差不大?；趯嵱眯耘c精確性結合原則，反距離權重插值法是縣域耕地地力評價養分空間內插的最佳選擇[31]。

1.3遙感技術

傳統的土壤養分測量方法對于大規模土壤樣本檢測時，耗時長、費用高，不能滿足精準農業中變量施肥的要求。遙感技術的發展為大區域土壤養分檢測提供新的技術手段。目前土壤養分遙感檢測方法主要集中在從遙感數據中提取有用的信息，對土壤養分進行反演。一個模型反演是否成功，不僅取決于觀測數據對反演參數的敏感程度，還取決于反演策略與方法以及模型的適用性。土壤養分檢測中所用到的觀測數據，都是從土壤光譜和作物冠層光譜中提取與土壤養分高度相關的光譜特征指標。原始反射光譜常常受到干擾，往往不能直接反映出光譜與土壤養分含量的關系。在實際中往往采用原始光譜的變換形式作為反映土壤養分的光譜特征指標。

目前在光譜特征指標的基礎上構建反演模型，其方法多數使用的多元線性回歸、逐步多元回歸分析、人工神經網絡、最小二乘支持向量機、主成分分析、偏最小二乘等統計方法。目前尋求具有較高精度的反演模型是很多學者努力研究的工作內容之一，偏最小二乘和主成分分析是土壤養分反演中常用的方法，其預測能力也是比較穩健的，但當用于建模的數據集中存在定標的數據，不包含干擾效應時，必須進行場址特性校正。

國外學者Baumgardner和Al-Abbas最早進行了土壤有機質與航空遙感影像的可見光、近紅外波段之間的關系的研究，結果表明土壤有機質含量可用可見光或近紅外區間波段的光反射率的直線或曲線模型來估測；Garey和Chen也分別利用遙感影像的土壤線進行土壤有機質含量的制圖；Dalai用近紅外光譜法預測了澳大利亞士壤的水分、有機碳和總氮，預測的土壤有機質含量在0～2.6%的范圍內，而在有機質含量較高或較低的情況下，近紅外法預測值存在偏差。美國Belt sville農業研究中心提出利用光譜空間測量和建模來提高養分管理和環境質量的重點也是利用遙感技術提高氮肥利用效率，降低環境污染。美國北達科他州州立大學精準農業研究中心的Jeff White博士提出“未來農業和食物體系”的發展重點是利用遙感數據改善作物氮肥利用效率，降低施肥對水資源的污染。

國內研究人員在采用遙感技術研究土壤養分或作物冠層的光譜特性時還采用地形因子和遙感植被指數預測土壤養分空間分布，如2010年中國科學院張素梅等在GIS支持下，選擇地形因子和遙感植被指數，建立土壤養分空間分布預測模型，應用回歸克里格方法，預測吉林省農安縣土壤養分（有機質和全氮）的空間分布。結果表明11個環境因子中，相對高程、坡度、地形起伏度、坡度變率、歸一化植被指數與土壤有機質和全氮含量均具有顯著的相關性。地面粗糙度和地形濕度指數與有機質具有顯著相關性，而與全氮的相關性不顯著。相對高程、坡度、地面粗糙度、河流動能指數以及NDVI 在土壤養分的多元回歸預測模型中貢獻較大，是預測土壤養分空間分布的最優因子[32]。

農田往往為植被所覆蓋，土壤裸露的時間很短，影響遙感在農田土壤養分檢測方面的應用。國內外學者在遙感檢測作物長勢、營養狀況等方面取得了巨大成果，Lydia研究了不同施氮水平下冬小麥生物量、葉面積指數、葉綠素A等冠層參數與植被指數之間的關系，結果表明基于簡單比值的累積植被指數是產量估測的最好指標；Michael研究了利用近紅外、紅、綠、藍等波段值及其光譜指數監測冬小麥行密度的可能性，結果表明利用近紅外波段估測行密度，并指導氮肥施用，可以顯著提高冬小麥氮肥利用率。許多學者進行了不同施氮水平條件下的作物冠層光譜特征及其作物氮脅迫監測研究。

目前，通過遙感技術測量植被指數間接測量土壤中的氮含量分布方法得到廣泛應用，但遙感技術通常會受到天氣狀況的影響，給該技術推廣帶來不利之處。美國Trimble公司的GreenSeeker光學傳感器通過地面近距離測量作物植被指數，并能夠生成作物植被指數地圖，可代替遙感檢測取得的數據，但大區域數據采集將較為耗時。

1.4在線檢測技術

利用可見-近紅外光譜分析可以較高精度測定土壤特性和養分，但這些研究多借用常規近紅外分光光度計對田間采集的土壤樣品進行實驗室測試分析，雖然大大縮短了測定時間，但仍需人工采集樣品，費時費力，且采樣點密度難以達到精準農業變量施肥要求。迫切需要開發機載土壤成分實時測定分析儀。

2003年東京農業大學Shibusawa等研發了世界上第一臺土壤成分實時測定儀器原型，主要由檢測部分、光源分光部分和測控部分組成。采用反射頻譜的1次微分，在549 nm下預測含水率的相關系數為0.73，在559 nm下預測有機質含量的相關系數為0.72，在 598 nm下預測硝態氮的相關系數為0.65，在569 nm下預測 pH 值的相關系數為0.71；采用反射頻譜在674 nm下預測電導率值的相關系數為0.82。2008年VIS-NIR土壤特性實時測定儀是全球第一款商業產品：VIS-NIR 土壤特性實時測定儀田間工作情況如圖2所示。該設備可實時測定與地理坐標相關的土壤頻譜，并測量有機質、碳、pH 值、土壤水分和磷等。通過底部的測定窗口測定土壤反射光譜，儀器包括2個光譜儀，可在450～2 200 nm范圍，以8 nm的分辨率、每秒20個光譜的速度采集高品質近紅外光譜數據，并輸入計算機分析后快速測定土壤特性值[15-16]。

美國Trimble公司的GreenSeeker RT200C作物植被指數測量與氮肥管理系統（圖3），能夠精確測量與采集記錄植被歸一化指數和植被等物質的紅光與近紅外的比值。這些指數反映作物對于養分的響應、作物生長條件、潛在產量以及病蟲害的影響等。該系統也可以用來監測作物生長期間田間（作物、植被）環境的變化，或者對比不同施肥量與當地標準施肥量之間所產生的差異。但該系統僅能夠實現給作物追肥，而且僅能夠實現實時檢測土壤中的氮素含量，雖然氮素為作物生長需要的主要養分，但仍然需要考慮土壤中的其他主要養分含量（如磷和鉀），所以該系統不能夠完全達到精準變量施肥效果。

目前，在線實時檢測土壤養分并實施變量施肥的變量施肥系統未發現成熟的商業化產品，所以目前實時測量土壤養分含量為變量施肥機提供決策依據是國內外學者的研究熱點。

2變量施肥機控制系統

變量施肥機控制系統是整個變量施肥機的核心部件，實現信號檢測、施肥決策和施肥機構驅動等功能。目前國內研究人員采用的控制結構類似（表2）[33-53]。變量施肥機在行進過程中采用GPS定位并進行測速，結合測土配方圖驅動變量施肥機構實施變量施肥作業。目前采用的控制器類型主要是車載計算機、單片機、PLC、CPLD、FPGA和ARM&DSP;等，變量施肥機定位系統主要采用GPS和DGPS等，通過液壓馬達、步進電機和伺服電機驅動排肥機構實現固態顆粒肥，或者通過電磁比例閥調節液態肥變量施肥。

目前歐洲的RDS公司、Hrdro Agri公司等，美洲的Agtron公司、Agleader公司、Micro-Trak公司、Mid-Tech公司、Trimble公司等已經有具有通用性的產品上市，其接口可以適應液肥、粒肥等多種作業機械的控制。美國已形成了信息農業和精確農業的技術支持體系，許多公司有成熟的變量施肥設備，主要使用的控制器為車載式計算機或PDA，根據GIS土壤養分或肥料使用的GIS 圖層信息實現變量施肥作業，如美國John Deere公司生產的變量撒肥機、Case公司利用GPS生產的Flexi Soil變量施肥播種機。目前國外已有在線式變量施肥系統，如美國俄克蘭荷馬州立大學與NT公司合作推出了商標為GreenSeeker的光傳感實時變量施肥機，德國AMAZONE公司開發了一種基于視覺傳感器的變量施肥機等。

3變量施肥機排肥機構

變量施肥機排肥機構是主要執行機構，目前國內外學者主要集中研究排肥機構結構設計、排肥精度、排量、幅度、均勻性和變異系數。

目前國外變量施肥機排肥機構已實現精準變量施肥要求，能夠滿足對施肥精度、均勻性和超寬幅施肥的要求，并進行商品化推廣應用。國內在變量施肥機排肥機構研究也取得了許多研究成果，但目前相關技術還不夠成熟。

目前美國的約翰迪爾公司生產的1910氣吹式種肥車，排肥機構采用氣吹式原理，它具有大裝載量、計量精度高以及易于調整的特性。日本的TABATA 公司設計了一種顆粒肥變量施肥機，它使用外槽輪排肥盒作為排肥機構，通過一個 12 V 的直流電機來控制減速箱的控制桿，用一個直線位移傳感器來實時監測控制桿的位置，并為其加裝了一個旋轉變換器，用于實時監測施肥機的前進速度，用于指導變量施肥，使用一個增量式編碼器檢測外槽輪的轉速，從而得到實時的排肥量數據。施肥機的最大施肥誤差為5%，系統響應時間為095～1.90 s。Ag Leader公司生產的 PFA 田間計算機使精確農業播種和施肥的精確和簡單達到一個更高的水平，它帶表2國內變量施肥機控制系統

年份作者控制器類型定位系統類型排肥機構驅動器肥料性質2004王秀等AgGPS170計算機DPGS液壓馬達顆粒肥2004韓云霞等AT89C55WD單片機DGPS步進電機顆粒肥2004張智勇等89C55單片機DPGS步進電機顆粒肥2006趙軍等機載計算機GPS電控無級變速器顆粒肥2007王睿等Altera FPGA 接近開關測速傳感器步進電機顆粒肥2008齊江濤等ARM藍牙步進電機顆粒肥2009張林煥等S7-200PLC GPS液壓馬達顆粒肥2010劉成良等ARM&DSPGPS;&GPRS;電動機顆粒肥2010張輝等MC68HC908GP32單片機DPGS液壓馬達顆粒肥2010張書慧等CPLDDPGS步進電機顆粒肥2010梁春英等機載計算機GPS伺服電機顆粒肥2010王利霞等ARM S3C44B0XDPGS電動調節閥液態肥2010梁春英等STC89C52RC單片機GPS電動閥液態肥2011陳莉等STC12C5204AD單片機步進電機顆粒肥2011孫裔鑫等單片機伺服電機顆粒肥2012偉利國等PIC18F2580單片機GPS&3G伺服電機顆粒肥2012張睿等C8051F020單片機GPS液壓馬達顆粒肥2013郎春玲等STC89C52RC單片機GPS電磁比例閥液態肥內置 GPS，可直接控制Rawson變量液壓驅動系統，不需變量控制器中間環節，通過手動設置或自動讀取配方圖，控制播種、固體化肥或液態產品的施用。作業過程中可記錄實際施肥量或播種量，同時利用導航光靶進行導航。俄羅斯全俄農機化研究所自行研制了自動變量施肥機，并進行了田間試驗，該機自動變量控制原理是在排肥口裝一個電磁鐵和共振片，通過控制電磁頻率，使共振片震動，達到開啟和閉合的目的，從而自動控制施肥量變化。

目前國內變量施肥機排肥機構還沒有同時具備高精度、大寬幅、變異系數小、均勻性好和施肥排量范圍大等優點，多數裝置還處于研究階段。2004年王秀等研制的精準變量施肥機，其肥料變化范圍為0～900 kg/hm2，作業幅寬為 3.6 m，結果表明，在施用尿素時要增加槽輪的排肥槽長度，在施用磷酸二銨等不規則的肥料時，應力求減少排肥槽輪的長度，通過增加槽輪轉速達到提高排肥計量系統的精度[34]。2004年韓云霞等對2BFJ-6型變量施肥機進行排肥機構試驗，檢測變量施肥機在不同行進速度下的排肥量偏差和變異系數，并建立了施肥量、機具速度和排肥軸轉速的關系模型[35-36]。2004年張書慧等發現在施肥機前進速度為 4.5～5.5 km/h，施肥量在200 kg/hm2以上時，能夠使步進電機工作轉速在 33 r/min 至91 r/min范圍內，施肥機排肥平均誤差為422%[37-38]。2010年張輝等對2BSJ-18B型號變量施肥播種機進行試驗，結果表明施肥機在6 s內能夠完成 0～375 kg/hm2 的調節能力[39]。2010年王兵利等通過對擺桿閥門式、外槽輪式以及離心圓盤式3種施撒系統的比較，發現擺桿閥門式施撒裝置在肥量調節和施肥均勻性方面優于其他2種施撒裝置[40]。2012年古玉雪等研究了變量施肥機排肥機構模糊控制算法，建立外槽輪每轉排量的數學模型、施肥機排肥率數學模型、施肥機排肥率與轉速開度數學關系模型[41]。2012年偉利國等研究了2F-6-BP1型變量施肥機排肥機構在不同速度和不同肥料類型下施肥精度，結果表明采用永磁型伺服電動機驅動，閉環反饋 PID 控制方法，實現了變量配肥施肥精確控制，變量配肥施肥精度達到95%以上[42]。2012年劉陽春等檢測了對變量施肥機在不同排肥軸不同轉速下，不同肥料（尿素、磷酸二銨和硫酸鉀）排肥量均值、標準差和變異系數[43]。2012年張睿等基于PWM技術設計了一種閉環控制肥料拋撒幅寬調控系統，通過試驗建立了幅寬與圓盤轉速的關系，在不同作業速度和不同拋撒幅寬試驗下，實際拋撒幅寬與目標拋撒幅寬之間誤差最大值為550%，最小值為2.86%，拋撒幅寬能夠達到30 m[44]。2012年張睿等設計了一種基于配方圖的鏈條輸送式變量施肥拋撒機，變量效果較好，且具有較好的拋撒均勻性，在拖拉機速度為1.5 m/s時，實際施肥量與預置施肥量相對誤差最大值為7.53%；拖拉機速度為2 m/s時，目標施肥量 225 kg/hm2，拋撒幅寬設定30 m，有效幅寬拋撒變異系數為14.90%[44]。2013年郎春玲等對深施型液態施肥機進行試驗，結果表明該系統設計合理，使用方便，變量調節的誤差不超過 0.5 mL/次，施肥精度最低可達95%[45]。

4展望

變量施肥機在我國實現商品化，進行應用推廣存在的主要問題有：（1）土壤養分檢測儀器價格昂貴、性能較差，大面積高密度土壤取樣測定成本太高、耗時長；（2）GPS和GIS技術與農業機械設備的接口軟件等技術不成熟，缺乏統一的農業信息標準和資源共享機制；（3）遙感檢測技術費用昂貴、不易使用、實時性差，而且多種土壤養分含量對光譜的響應不顯著；（4）施肥專家決策分析系統具有地域性，通用性較差；（5）現有顆粒、液體變量施肥機難以實現氮，磷，鉀等多元素的在線合成，顆粒變量施肥機只能對單一顆粒肥進行施肥。

目前變量施肥機研究重點為：（1）加強在線式變量施肥機的研究，主要解決實時檢測土壤主要養分含量的問題，提高變量施肥機的易操作性；（2）建立適應各地具體情況的精準施肥指標體系，為精準施肥提供有力的依據；（3）建立地區土壤肥力數據庫，記錄歷年的土壤肥力分布、作物產量分布，完善科學變量施肥體系，并對示范基地的變量施肥應用進行大力推廣；（4）研究多種肥料在線合成技術，實現精準多變量施肥機變量作業；（5）研究旋耕、播種和多變量施肥等機具集成，實現復合作業。

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