我國精準變量施肥技術研究現狀和建議

李 普，梁春英，王紫玉，王 淞，王鵬宇，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)

0 引言

據國家統計局數據，2020年我國農業生產中氮、磷、鉀、復合肥總折純用量分別為2 032萬、784萬、589萬和2 431萬t，對應單位面積用量分別為8.13、3.14、2.36和9.70 kg/hm2[1]。2020年我國化肥生產總量7 037萬t，其中，農用化肥施用量5 912萬t，化肥的施用對糧食增產的貢獻率較大，大體在40%以上[2]。化肥的不科學施用已導致肥料利用率降低和肥料資源浪費嚴重；導致土壤質量加速衰退，土壤肥力下降和土壤板結；致使農業生產成本增加，農產品品質下降，產品效益降低[3]。同時，不合理使用和盲目的施肥也會嚴重污染地下水資源，使土壤保水保肥的能力降低，加劇水土流失，更不利于構建資源節約型社會[4]。

本文通過查閱相關文獻闡述了我國變量施肥的技術應用和研究現狀，具體分析國內外諸多企業和學者應用變量施肥技術的典型案例，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 精準變量施肥關鍵技術

1.1車速監測技術

精確的作業車速監測是實現精準變量施肥的必備條件。實時監測變量施肥作業中需要根據監測作業的實時車速，來調節N、P、K的自動配比，所以車速監測的精準性會直接影響變量施肥的作業精度。目前，國內研究人員主要采用光電編碼器、霍爾測速傳感器、GPS、地輪測速和北斗單點測速相結合的方法對施肥作業的車速進行實時監測。

袁全春等[5]設計了一種果園有機肥深施機分層變量排肥控制系統。該系統利用OMRON E6B2 CWZ3E型光電編碼器測定地輪速度，進而計算出機組前進速度，將采集到的實際車速反饋給控制器，進行閉環控制，系統通過分析判斷，計算出實際施肥量，性能試驗結果顯示，機具排肥量和均勻性都達到要求。陳滿等[6]基于模糊PID設計了冬小麥變量追肥優化控制系統，該系統利用拖拉機上面安裝的霍爾測速系統，實現對機器前進速度的實時監測，系統根據得到的前進速度進行控制決策，調節排肥軸的轉速，控制精度達到86%以上，滿足控制要求。楊碩等[7]設計了一套支持種肥監測的變量施肥系統，該系統通過播種施肥機的GPS測速模塊獲取機具行進的實時速度，控制器判斷速度脈沖每增加36.1 Hz，機具速度增加1 km/h，最終機具的速度取3次行進速度的平均值。趙學觀等[8]開發了一種基于雙測速模式的玉米追肥機控制系統，該系統利用地輪測速和北斗單點測速相結合的方式對玉米追肥機作業速度進行實時監測，且雙測速模式切換準確率為100%，滿足精準施肥的需要，有效地解決了測速準確性低的問題。作業車速監測方法對比分析如表1所示。

1.2施肥處方生成技術

施肥處方生成技術是變量施肥技術的重要組成部分，可通過人工測土技術和智能檢測技術生成。人工測土生成施肥處方需要人為進行田間土壤取樣測土，對照土壤養分標準生成施肥處方，此方法對采樣深度、采樣路線和采樣方法都有特定的要求[9]。雖然人工檢測土壤可以更精準地檢測采樣點的土壤養分信息，但是國內對于農田土壤養分的分類沒有統一執行的標準，無法就土壤養分做出標準統一的評價[10]。新型處方生成技術則利用農田信息采集系統采集田間作物生長和土壤養分數據，將收集到的數據通過整理，構建信息分布圖，也可以將采集到的田間信息通過GPS定位系統和嵌入式GIS車載GPU直接生成農田信息分布圖，最終作物管理決策系統參照專家施肥數據庫生成施肥處方[11]。兩種施肥處方生成技術對比分析如表2所示。

傳統處方生成方式過程繁雜，需要投入大量的人力和時間，且生成的處方精度低，不符合精準農業的要求。新型智能處方生成技術利用3S技術，可實現農田網絡精準定位和標記點采樣，相較于傳統處方生成方式效率高、節約時間。依據施肥專家系統，可生成高精度的施肥處方，但需要投入大量的資金進行研究和建設配套設施，且操作人員需要一定的專業技術水平。

1.3肥料流量監測技術

肥料流量監測技術是精準變量施肥技術的重要組成元素之一，是實現變量施肥控制的技術前提。國內研究學者對肥料流量的檢測方法主要有直接稱量法、排肥軸間接檢測法、肥箱余量檢測法、光電測量法、成像法、電容法和微波多普勒法。

余洪鋒等[12]利用膠帶轉動模擬機具行進，通過膠帶秤直接測量排肥口的實時排肥量，實現排肥流量的實時監測，同時，系統檢測實時膠帶速度和膠帶稱有效測量長度的參數，保證測量精度。王大可等[13]在排肥軸上安裝編碼器，將系統采集到的脈沖數和關聯系數相乘，就可得到排肥量的數據，通過加入算法避免了因作業時編碼器抖動帶來的測量誤差，提高了施肥量測量的準確性。趙明巖等[14]利用相鄰極板電容傳感器檢測肥箱料位的下降程度，通過公式計算出相鄰電極間電容值的大小，進而實現肥料流量的實時檢測。高富強[15]利用光敏電阻設計了一套種肥監測裝置，在肥箱上下兩端安裝紅外光敏對管式監測總成，通過觀察LED燈組點亮的個數檢測肥料流量。金鑫等[16]通過在每個排肥管下端口安裝電容式傳感器，對排肥流量信號實現實時監測。楊立偉等[17]研究了一種基于微波多普勒法的施肥質量流量檢測系統，該系統利用微波多普勒雷達測量排肥管道顆粒肥的流量，通過改變電動排肥裝置中排肥軸的轉速，實現顆粒肥的變量控制。以上7種肥料流量監測技術的對比分析如表3所示。

表1 作業車速監測方法對比

表2 施肥處方生成技術對比

表3 肥料流量監測技術對比

2 存在的問題與建議

2.1存在的問題

近年來，我國變量施肥技術取得快速發展，尤其是在多種肥料同時進行變量施用方面取得重大突破，并且變量施肥機械逐步實現智能化。但是，對比國外變量施肥技術還存在以下問題，需要在以后的研究中重點突破。

(1)由于我國對變量施肥機械研究起步較晚，配套器件制造水平相對較低，部分傳感器等器件需要進口國外產品，導致現有的變量施肥機具價格昂貴，小型農場和農戶難以接受使用成本，機具推廣難度較大。

(2)實時監測變量施肥技術研究薄弱。現階段我國實時監測變量施肥技術還處于實驗研究階段，對土壤養分的實時監測、作物長勢的實時監測和肥料實時自動配比技術研究相對薄弱。

2.2相關建議

(1)提高變量施肥機具的制造工藝，加強傳感器等配套器件的精度和質量要求，依靠自主研發來取代進口器件和設備，降低變量施肥機具的成本，讓更多農戶和農場能接受使用成本。

(2)借鑒國外先進的實時監測變量施肥控制策略和方法，加強與先進制造企業的技術交流，結合我國農業國情，研發適合我國農藝要求的實時監測變量施肥系統。

3 結束語

我國是世界上最大的農業生產國之一，每年在農業生產中需要投入數萬噸肥料，但是這些肥料中只有一小部分被農作物吸收，大量肥料因不合理施肥而流失，造成土壤養分破壞和農田環境污染，所以，精準變量施肥技術仍是農業生產中急需發展的技術，未來我國變量施肥技術會取得更好的成果。