液態精量施肥發展現狀分析與展望

郭振華，陳換美，伊海濤，黃智英

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞職業技術學院）

0 引言

精準農業是未來農業發展的主要趨勢，涉及到播種、施肥、噴藥、收獲等田間管理的各個環節。精量施肥技術是精準農業的重要組成部分，可以根據作物生長的實際需要對作物進行變量施肥，既可以滿足作物生長需要，又可以最大限度的減少化肥施用量，達到增產、增收、保護生態環境的目的。

我國是一個能源消費大國，化肥的使用量長期處于全球首位，全國70%以上的耕地需要施肥、灌溉。據統計，目前我國年均化肥用量超過5 400 萬t，但是利用率低于發達國家平均水平，只有30%左右[1]。化肥包括傳統的固態肥和新型的液態肥。液態肥與固態肥相比具有易吸收、利用率高、污染小等特點，并且在生產、運輸和使用過程中無煙霧、無粉塵[2]，所以在化肥的施用量中，液態肥的占比逐年增高，已經超過顆粒肥占據首位。解決能源浪費，提高水肥利用率是農業現代化發展過程中亟需解決的問題，液態精量施肥技術是解決這一問題的有效途徑之一。

1 液態施肥技術

化肥使用成本在農業生產中占有較大比重，化肥的合理科學使用不僅關系到糧食產量、農民增收，也關系到生態環境。近年來，隨著液態肥的廣泛使用，精量施肥技術得到快速發展，成為精準農業的重要組成部分。液態肥精量施肥技術通常與灌溉設備配套使用，施肥設備安裝在灌溉系統首部，性能直接關系到灌溉和施肥質量。

當前常用的液態肥精量控制裝置按照控制方式可分為四種：文丘里施肥器、水力驅動施肥器、自壓注入施肥器、壓差施肥器等。

文丘里施肥器（圖1）的工作原理：文丘里管的結構中間部分斷面較小，當水流流經文丘里管的收縮面時，液體流速加快，產生負壓，利用負壓產生的吸力將肥液吸入灌溉系統完成精量施肥。特點：文丘里施肥器可以按比例施肥，供肥比例穩定，但造價較高，主要用于設施農業等精準栽培方面。

圖1 文丘里施肥器

圖2 水力驅動施肥泵

水力驅動施肥泵（圖2）是一種依靠灌溉水流動力驅動的施肥設備，工作過程中無需外部動力，依靠管道內水流力驅動活塞將液態肥注入灌溉系統。由于該設備無需額外動力且具有一定的比例調節功能，應用非常廣泛，是目前注肥泵的主要形式。但是由于其內部關鍵部件制造精度要求較高，我國自主研發的水力驅動注肥泵性能還不夠穩定，部分仍需進口。水力驅動施肥泵作為一種精密機械，還需在其關鍵部件上投入研發力量，對其運行機理和構造開展深入的理論研究。

自壓注入施肥設備（圖3）結構簡單，利用高度差完成液肥的自動注入，使用過程中要與自壓灌溉設施配合使用。該設備的特點是結構簡單、易操作、價格低，但是施肥濃度不穩定，對地形高度有一定要求。由于該設備技術要求不高、價格低，易于被廣大農民接受，在山區具有廣泛的推廣價值，可充分發揮自壓灌溉施肥系統的優勢。

圖3 自壓注入施肥器

壓差施肥設備（圖4）主要由肥罐、進排液管和控制閥組成。工作原理：通過調節進排液管上的控制閥調節肥罐的進液管和排液管形成一定的壓差，使水流經過肥罐將液態肥帶入灌溉系統進行施肥。壓差施肥設備廣泛應用于大田，其不足之處是難以實現定比施肥。

圖4 壓差注入設備

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

精準農業在歐美國家起步較早，上世紀70 年代，美國科學家提出精準農業的設想[3]。經過20 年的發展，90 年代，精準農業進入實際生產應用階段，已經形成將高新技術與農業相結合的新興產業，被普遍認為是21世紀農業的發展方向。

美國利用計算機信息技術將土壤信息、歷年施肥量、產量等相關信息整合，建立可展示土壤養分的GIS圖層，該信息可以展示土壤各區域的養分分布，并以此為基礎進行變量施肥。該技術可以實現土壤養分的均衡供應，使肥料的利用率和農作物產量都達到較高水平，氮肥的利用率高達60%以上[4]。

日本研制出基于地圖的變量施肥技術，可以應用于施肥、噴藥等領域，試驗表明該技術的節肥率達到20%左右[5]。俄羅斯的農機研究機構研制了變量施肥機械，通過田間試驗也取得了不錯的節肥效果。

2.2 國內發展現狀

我國的精準農業較歐美發達國家起步晚，上世紀90 年代，中國化工學會主持召開“提高肥料養分利用率學術研究會”，指出我國化肥利用率低的問題，提出解決問題的有效途徑之一就是大力發展精量施肥技術。

我國使用的精量施肥設備從原理上大致分兩類[1]：一類是與常規灌溉方式配套使用的變量施肥設備，另一類是與滴灌設備配套使用的變量施肥設備。第一類側重于控制系統的設計，以單片機為中央處理器，結合衛星定位系統，專家管理系統等數據對田間進行變量施肥。在我國應用較廣泛的是第二類，與滴灌系統相結合的變量施肥設備。徐飛鵬[6]研制的灌溉施肥系統采用智能管理和系統控制技術，能夠實現定時控制、手動控制等多種模式，該系統造價較高，自動化程度高，適用于連棟溫室等現代農業設施。楊萬龍[7]等研制了基于智能化系統的滴灌變量施肥設備，可以實現肥量的自動調節等功能，主要適用于溫室等環境。郭克珺[7]研制開發了2YTF6 型灌溉液體施肥施藥自動控制系統，可用于林業工廠化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等設施灌溉施肥生產管理。此外，我國學者還進行了其他相關研究，開發出多種自動施肥控制系統，通過軟硬件的優化，基本實現了施肥的精確控制，能夠達到與灌溉同步的效果。但是目前的研究成果大部分適用于溫室等現代設施農業，還缺乏適用于大田滴灌的精準施肥系統。

3 液態精量施肥存在的問題

3.1 施肥量精度問題

隨著精準農業的發展，對施肥精度提出更高要求，尤其是規模化的大田生產模式，實現精量施肥意義重大。但是目前精量施肥是大田作業中面臨的突出問題，以新疆棉花種植為例，施肥量往往根據經驗確定，很少對肥料的質量進行準確稱量。這使得每次施肥誤差不一，如何控制施肥精度是需要解決的問題之一。

3.2 施肥均勻度問題

目前大田滴灌施肥系統存在以下問題：肥料注入量采用人為計量，還未實現自動控制定量；施肥過程中濃度不均勻，施肥濃度易受到壓力和流速的影響，出現前高后低的特點；無法實現自動化控制的精確操作。

3.3 當前滴灌施肥設備不能滿足精準農業的發展要求

精量施肥的目的是將肥料直接施入作物根部區域，目前的滴灌施肥設備主要采用壓差式施肥設備。這種設備的特點是在持續使用30 分鐘后，液態肥會被淋洗到土壤底層，距離灌水結束時間越長這種情況越嚴重。不同的壓力和水流流速會對注肥濃度曲線產生影響，這導致在對大田滴灌施肥時不同時段的注肥量是有區別的。如果不考慮壓力和流速的影響，測得的地下養分的分布會存在較大誤差，影響良施肥的效果。

3.4 機械的技術問題

我國變量施肥機械起步晚，導致許多傳感設備需要進口，造成設備整體價格昂貴。自主研發的設備存在一些技術問題，難以達到理想的效果。主要表現在我國農業設備采用的差分衛星定位系統精度較低，導致施肥時依據的處方不精確，造成實際施肥量與目的地所需肥量存在較大偏離。另外，當前的機具在總量上可以實現變量配比，但是對于多元素的變量配比還沒有實現。

4 解決問題的措施及展望

液態肥精量施肥技術是提高水肥利用率的有效途徑，但是目前還未引起足夠重視。針對目前存在的問題，需通過深入研究開發適合我國國情的精量施肥設備，充分發揮精準農業的優勢，達到增產增收減少污染的目的。具體措施如下：

（1）加強技術研發投入，重視農藝與農機的的結合，將基礎理論研究與應用技術開發相結合，研制符合現代農業發展的農機和農藝技術。

（2）加強新成果的推廣及新技術新機具的培訓。農業機械的發展需要科技研發與技術推廣的密切配合，才能取得事半功倍的效果。

（3）抓緊淘汰落后技術，加大對新技術新設備的補貼力度。強制淘汰一批高耗能高污染的施肥設備，鼓勵節能環保高效的農機技術推廣應用，推進農業現代化進程。

隨著科技的發展，液態精量施肥技術也將向智能施肥方向發展。實現這一目標需要農水、機械、電氣、材料等多領域多學科人才緊密配合，充分發揮各自專業的優勢。