精準變量施肥技術研究現狀及發展趨勢

趙文旻

摘 要：精準變量施肥是精準農業中的重要組成部分之一，主要對精準變量施肥的概念及國內外的研究現狀進行了簡單介紹，總結了變量施肥涉及到的關鍵技術，并闡述了精準變量施肥技術的所面臨的問題及發展方向。

關鍵詞：精準變量施肥；多變量施肥；電子變量控制器；定位信息接收器

中圖分類號：S147.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.032

精準農業是當今世界農業發展的新潮流，其基本涵義是根據作物的生長特性及土壤性狀，調節對作物的投入，最終的目的是以最少的投入獲得最高的經濟效益及環境效益。變量施肥技術是精準農業的重要組成部分，目前，國外已經達到了產業化及規模化的水平，而我國的施肥技術大多還停留在經驗施肥的層面，存在肥料元素配比不合理及肥料利用率低的現象。這不僅造成了經濟上的損失，還造成了土壤酸化、水體富氧化等環境污染問題。實行科學的變量施肥是農業可持續發展的必要舉措。

1 精準變量施肥技術的概念

精準變量施肥技術是將土地細化成網格單元，不同地塊單元的土壤特性、作物生長狀況及田間環境等因素都有很大的不同，結合這些地塊單元因素以及歷年產量等相關信息，形成資料齊全的土壤養分信息化管理系統，并決策生成作物施肥作業的變量處方圖，利用裝有田間計算機、定位信息接收器、電子變量控制器的農業機械設備，根據處方圖中的信息在田間有針對性的、定時定量地進行精準的施肥作業。

2國內外技術研究現狀

2.1 國外

20世紀90年代以來，精準農業在歐美國家發展速度非常快，已經形成了一定的規模，尤其是變量施肥技術在北美最為成熟，在加拿大、美國等已經有了廣泛的應用。

美國凱斯公司（Case）研制的空氣免耕系統播種機和空氣播種機可以隨時改變播種量及施肥量，能在一次作業中改變三種不同類型的種子或肥料的比例，滿足不同作物生長特性及環境特性對肥料的需求。此外，還可以根據作物施肥的變量處方圖控制肥料元素的配備及施肥量。

美國約翰迪爾公司生產的1910氣吹式種肥車能保存施肥作業后的田間數據信息，且配有指令選配系統，能通過人機交互界面顯示農機的位置、土壤需肥的情況、施肥變量處方圖等信息，可提前設置農田區塊的播種量和施肥量，并通過使用指令選配系統來實現播種施肥作業。

美國Rawson公司生產的多功能變量控制器ACCU-RATE不僅適用于固態化肥的變量控制，還適用于液態化肥的變量控制，它通過2個RS-232接口輸入2種GIS決策信息。此外，在人工模式下還可以手動輸入播種量或施肥量。

德國Amazone公司研發的變量施肥機具有安裝光傳感器，可實時獲取作物的反射光譜特征信息，從而計算每平方米的作物產量、肥料元素的投入量等，并通過控制安裝在農業機具上的變量施肥裝置直接進行施肥作業。

俄羅斯全俄農機化研究所針對顆粒狀化肥研制了變量施肥機，其利用了電磁鐵和共振片的原理，通過調整安裝在排肥口共振片的振動頻率來控制施肥口的開啟和閉合，從而實現施肥量的自動控制。

日本針對固體氮肥研制了適用于水稻田的施肥系統。該系統小巧輕便，自帶GPS，駕駛室內有監視器，可以查詢作業處方圖，通過地輪檢測機具的前進速度和GIS獲得農業機具的位置信息，并能通過查詢儲存在地圖中相應的處方來控制精準出肥。

2.2 國內

20世紀90年代后期，我國對精準農業進行了引進。在引進、消化、吸收國外研究成果的基礎上，研究和探討了適合中國國情的精準農業技術體系。目前，精準農業的思想已經被科技界和社會廣為接受，并在實踐上有一定的應用。

黑龍江八一農墾大學精準農業研究中心設計了2BJ-6W型變量施肥密種機，其將土壤肥力作為信息提取目標，使用地學統計方法，可在平原、丘陵、低洼地帶等不同地形結構情況下生成土壤養分肥力分布圖，并根據此圖來實現對同一地塊不同區域中施肥量及肥料配比的控制。

吉林大學的研究人員進行了基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）、數字集成電路的變量施肥控制系統的研究。施肥區塊地理位置的經緯度信息能夠通過GPS獲得，并將田地利用傾斜網格劃分為小的操作單元。通過GIS可以繪制出區塊的三維輪，施肥作業處方采用通過分析土壤養分組成的狀態及農作物的理想產量現場即刻生成，通過采集施肥機的位置信息、速度信息，結合施肥作業處方信息產生控制信號，通過控制排肥軸轉速準確地控制調節出肥量。

上海交通大學針對變量施肥作業缺乏數字處方圖的問題，建立了基于土壤養分圖、作物產量圖、土壤墑情圖及作物生長規律信息的變量施肥作業處方模型，該模型可在復雜多元信息環境下生成施肥處方圖。

中國農業機械化科學研究院等單位在國家科技部“863”計劃的支持下， 研發了多種型號變量播種施肥機和變量配肥施肥機。中國科學院將精準農業列入知識創新工程計劃，在河北欒城、上海、新疆、吉林等地同時開展了精準農業的相關試驗研究和技術集成的示范工作。

與發達國家相比，我國在變量施肥的研究上起步較晚，差距明顯。目前，我國對變量施肥技術的主要側重于理論研究，距形成產業化及規模化還有一段距離。

3 精準變量施肥的關鍵技術

3.1 變量投入技術

變量投入技術（VRT，Variable Rate Technologyh）是指裝有計算機、DGPS等先進設備的農機具，根據其所處的耕地位置自動調節物料箱里農業物料投入速率的技術。變量投入控制主要有2種方式，即基于處方圖數據變量分類和基于傳感器數據變量分類。基于處方圖數據變量分類是將相關的地圖信息提前存儲到車載計算機上，通過GPS系統對施肥機具位置進行定位后，調用并解析該區塊位置的地圖信息，包括地域作物的土壤養分分布信息、土壤墑情、土質歷史產量分布等信息，再合專家系統模型生成變量施肥處方圖。變量施肥機在行進過程中可實時進行定位和速度檢測，根據處方圖可實現變量施肥作業。變量施肥處方圖的主要依據為土壤的養分含量，目前，適用于變量施肥系統的處方圖主要有以下3種：①根據土壤中各類養分光譜反射特性不同的特點，尋找土壤各養分含量的光譜反射波段，建立土壤養分光譜分析模型。但是土壤中的磷和鉀難以用特定光譜波段的特征來描述，因此，光譜技術無法完全承擔處方圖的生成工作。②在遙感數據中提取有用的信息，主要是從土壤光譜及植被光譜中間接提取土壤養分含量特征，但土壤多被植被覆蓋，且遙感技術的應用也易受到天氣的影響。③使用近紅外分光光度計可以高精度地測定土壤中的養分及土壤特性，但這種技術大多用于土壤樣品的測試分析。雖然測定時間較短，但是仍需要人工采樣測定，其采樣密度難以達到精準農業的要求。

基于傳感器數據變量分類是指將農田的基本數據信息通過傳感器進行實時檢測，檢測到的數據信息將實時傳送至控制系統進行解釋分析，進而進行變量實時作業。但目前傳感器只能實時檢測出少量的土壤養分含量。由此可見，目前雖然有多種土壤養分的檢測技術，但仍找不到一種比較成熟的處方圖的生成方法。因此，處方圖的生成是精準變量施肥的瓶頸之一。

3.2 變量施肥控制系統

變量施肥機控制系統是整個變量施肥機的核心。施肥機在行進過程中采用GPS定位，并實時測速，結合變量施肥的處方圖，由控制系統發布指令，驅動變量施肥機構進行施肥作業。對于固體肥料多采用液壓馬達、步進電機和伺服電機驅動排肥機構實現施肥，主要通過上訴多種驅動機構的轉速來控制排肥量。而液態肥多通過電磁比例閥來實現施肥操作。

3.3 變量施肥、排肥機構

變量施肥、排肥機構是主要的執行機構，排肥器機構常見的主要有外槽輪式、轉盤式、離心式、螺旋式等類型。由于國外的耕地面積大，因此，國外多采用離心式圓盤撒肥機。但其并不適合我國中小型的農業經營模式，因此，我國多采用外槽輪排肥機構。

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。

4 展望

我國的精準變量施肥技術仍然處于起步階段，要想發展成熟，還需要攻克多個難關。目前，主要面臨的問題為：變量施肥處方圖的生成仍沒有成熟的方法；傳統的化學檢測雖然精準，但是采樣點密度非常小，不適用于變量施肥的實施，且耗時耗力，效率低下；依據光譜反射特性及遙感技術雖然可以解決傳統檢測方法中的問題，但是仍然存在難以推廣的問題；專家決策系統數據更新慢，造成脫離農業生產實踐，且不同地域的土壤特性差異很大，通用性較差。目前，國內外對變量施肥機的研究大多集中于提高施肥的精度，對肥料的配比控制研究較少。為了滿足田間地塊對不同種類肥料不同量的需求，多變量施肥控制系統及多變量混合機構的研究也將成為精準變量施肥研究的方向之一。

參考文獻

[1]孫國祥，陳滿，汪小旵.變量施肥機關鍵技術研究現狀分析[J].江蘇農業科學，2014（02）.

[2]劉茂成，梁天航，陳奕穎.變量施肥自動控制技術的研究現狀與發展趨勢[J].農業與技術，2015（23）.

[3]張俊寧.精準施肥技術現狀及挑戰[J].高科技與產業化，2015（07）.

[4]楚世哲，張立新，李振.雙變量施肥機施肥控制系統設計[J].新疆農機化，2016（01）.

〔編輯：張思楠〕