變量施肥技術研究現狀及發展對策

胡成紅，徐 金，奚小波，張瑞宏,,3

（1.揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 2252127；2.江蘇銀濤智能裝備有限公司，江蘇 泰州 225311；3.南京沃楊機械科技有限公司，江蘇 南京 211200）

0 引言

我國是農業大國，對化肥的施用非常依賴，如2018 年我國農用化肥施用5 653 萬t，雖然較2015年減少了369 萬t，降幅達6.1%，近幾年也有下降的態勢，但總體上我國農用化肥施用總量依然巨大。自20 世紀70 年代，化肥在農業上的使用對農作物產量的提升起到了很大的作用，但是由于濫施化肥，我國化肥利用率低、偏施嚴重、浪費巨大的現象非常普遍，由此產生了病蟲害增加、能源和資金大量浪費、農產品質量降低、土壤肥力下降、環境污染等一系列問題。特別是農業成為了我國面源污染最大的產業[1]。改變傳統的施肥模式迫在眉睫，實施和推廣變量施肥技術是解決上述問題的重要舉措。

變量施肥技術（Variable-rate Fertilizer Technology）是以優質、高產和環保為宗旨，將歷年農田不同空間單元的產量數據與氣候條件、土壤理化性質、病蟲草害等多層數據進行綜合分析，經過作物生長模型和營養專家系統的決策，得到不同空間單元內肥料的施用量，根據GPS 導航定位使用變量施肥機具進行田間精準施肥的技術[2-5]。國內外研究和實踐表明：在確保農作物產量的前提下，實施精準變量施肥不僅可以極大減少化肥用量，有效提高肥料的利用率，還具有很好的經濟、環境和社會效益[6-9]。本文結合相關研究資料，闡述國內外變量施肥技術的研究現狀，分析變量施肥技術各部分發展特點，以及我國變量施肥技術存在的問題，并提出發展對策，以期為變量施肥技術及配套裝置的研究和推廣提供參考。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外變量施肥技術研究較早，始于20 世紀80年代。由于投入大量的研究資源以及得天獨厚的農業作業環境，在國外變量施肥技術得到迅速推廣。下面主要以美國、德國、法國、日本等國家為代表[10]進行介紹。

（1）北美地區在變量施肥技術的應用和推廣最為廣泛。如凱斯公司開發的空氣播種機能夠快速隨時改變播種、施肥量，在一次作業中可以調整3 種類型化肥或種子的比例。Trimble 公司開發的田間計算機AgGPS170 被廣泛的應用于常規農機具的變量改造上。Rawson 公司開發的多功能變量控制器ACCU-EATE 可以兼顧固態肥和液態肥的變量控制。

（2）德國Amazone 公司開發的實時變量施肥機。該機具通過安裝在施肥機上的視覺傳感器檢測葉綠素在作物中的含量，從而計算出單位面積的作物產量及肥料投入量，然后經排肥機構進行變量施肥。

（3）法國基于GPS 和GIS 的變量施肥機械。其生產的“女騎士”變量施肥機具集成了GPS 和GIS技術，對于變量施肥技術的發展起到了很大的作用。其變量施肥控制系統在各種類型的離心式撒肥機上得到了廣泛應用。

（4）日本的固態氮肥變量施肥系統。在小尺寸地塊的變量施肥研究方面，日本具有較為獨特的地位。其開發的針對水稻種植的變量施肥機械，對每個排肥機構進行單獨控制，并通過風力將肥料輸送到土壤里。

目前，國外變量施肥技術正朝著大型化、自動化、智能化和多種肥料同時變量施肥方向發展。通過打造完整的田間管理信息系統和服務信息網絡，在發達國家變量施肥技術得到了廣泛應用，農藥和化肥的利用率達到了60%。另外，變量施肥技術在保護作物健康生長、控制作物施肥量、精量播種、中耕作業和農業用水分配等領域也得到了應用和推廣。盡管在科技含量上，國外變量施肥機械有許多優點，性能也十分強大，然而面對我國農業耕作模式的現實，其施肥機械體積大、成本高、維修費用貴、難以適應國內發展的要求。

1.2 國內研究現狀

國內變量施肥技術的研發相對較晚，在20 世紀90 年代后期才開始關注變量施肥技術并進行適當引進。由于我國農業施肥使用的技術和手段依然落后，農田施用的化肥的平均利用率長期在35%左右，浪費和污染嚴重。2005 年在農業部的推動下，測土配方施肥在全國1 200 個縣被大力推廣。近些年來，國內精準變量施肥技術發展迅速，在借鑒國外先進技術成果的基礎上，開展了許多建立精準變量施肥技術體系的嘗試，現如今變量施肥技術得到了農業研究界和社會的廣泛接納，取得了很多成果。

在研發儀器設備方面，主要在農作物或土壤養分的檢測、田間信息管理系統等方面，如：北京農業信息技術研究中心研發的環境脅迫狀態和作物品質診斷儀、NDVI 測量儀。吉林大學研發的田間地理信息系統[11]。

在研發變量施肥機方面：

（1）農業部南京農業機械化研究所金梅等[12]研制的精量播種施肥機，特點：可實現施肥過程中的漏播、堵塞聲光報警檢測，完成播種施肥復合作業。

（2）吉林大學賈洪雷等[13]研制的2BDB—6(110)型大豆仿生智能耕播機，特點：復合作業功能強大，一次作業可完成淺松、碎土、播種、施肥、扶壟和鎮壓等流程。

（3）北京農業信息技術研究中心研制的1G—VRT1 旋耕變量施肥機，上海交通大學研制的旋耕變量播種施肥機，東北農業大學王金武、郎春玲等研制的深施型液態變量施肥機，西北農業科技大學左光焜研制的機械式點狀注肥機，南京農業大學施印炎等[14]研制的離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機等。

由于我國變量施肥技術還處于發展階段，目前使用的變量施肥機多是在原有施肥機械的基礎上改裝而成，一次作業只能夠變量施肥一種肥料。大多數的研究僅僅停留在田間試驗階段。如何在國外相關研究的基礎上，根據我國農業生產的國情，制定一套適宜的變量施肥技術體系，開發出符合國情的多種變量施肥產品仍是亟待解決的問題。

2 技術分析

2.1 變量施肥處方圖生成技術

變量施肥處方圖生成技術包括土壤養分檢測、空間插值算法、遙感技術和在線監測技術等[15]，包括4 個方面的研究：基于作物冠層光譜的施肥處方研究、基于作物葉綠素含量的施肥處方研究、基于生長模型的施肥處方研究和基于土壤特性與產量的施肥處方研究，其中基于土壤特性與產量的施肥處方研究為目前主要的研究方向[16]。

土壤養分的檢測方法及各自的特點如表1 所示。可以看出，幾種土壤測量方法都有各自的優點和缺陷，前3 種方法費時費力，不適合應用于變量施肥處方圖生成技術，近紅外光譜分析法具有低成本、高密度、高精度、實時性、便利高效等優點，在土壤養分分析領域具有巨大的潛力。

空間插值算法用作處理傳統土壤點狀采樣數據進而獲取土壤養分信息，針對土壤養分變量的插值算法的研究主要在確定性和不確定插值的比較，不同克里克插值的比較兩方面。我國科研工作者從土壤養分信息獲取的精確性和實用性出發，得出反距離權重插值法較適合于丘陵區、普通克里格插值法適合于平原區，反距離權重插值法總體上比普通克里克插值算法的內插效果具有較高的精度，反距離權重插值法是縣域耕地地力評價養分空間插值的最佳選擇的結論[17]。

上述土壤養分檢測技術由于其自身的局限性，只適合進行小規模、精準的采樣測量，無法滿足現代農業大規模測量、快速性、高效性、實時性的要求，遙感技術的發展彌補了這個缺陷。目前，土壤養分遙感檢測技術主要從土壤的遙感數據中提取有用的信息，進而對土壤養分信息進行反演，從而獲得特定的數據。由于土壤被植被覆蓋時間長，通過遙感技術直接測量作物植被指數從而間接測量土壤中的氮含量分布的方法獲得了廣泛應用[18]。遙感技術獲取田間土壤養分信息的不足就是天氣環境影響土壤信息的獲取。

目前實時檢測技術尚未發現成熟商品化的產品，研究主要集中在歐美國家，如美國Trimble 公司研發的GreenSeeker RT200C、德國Amazon 研發的光傳感器變量施肥機。

由于土壤養分檢測技術、實時檢測技術研發不足等原因，我國施肥處方生成技術的發展仍然面臨很多困難，尚未形成一種通用性成熟的產品。如何研發一種新技術解決如傳統土壤養分檢測技術的不足，完善處方生成技術是一個重要課題。

2.2 變量施肥控制系統

變量施肥控制系統具備采集作業信息、進行施肥決策和驅動排肥機構等功能[18]，是變量施肥的核心技術，主要由控制器（車載計算機、PLC、單片機等）、定位系統、傳感器、排肥動力裝置組成，在作業方式上有處方圖作業和實時作業兩種模式，在肥料性質方面有液態肥和固態肥兩種形式——通過液壓馬達、步進電機或伺服電機驅動排肥機構施固態肥，或采用電磁比例閥變量施液態肥。國外在變量施肥控制系統方面做了大量研究，已經形成較為成熟的變量施肥控制方法、技術體系和通用性產品，并且已有了在線式變量施肥系統，如美國約翰迪爾公司生產的變量施肥機、凱斯公司生產的Flexisoil 變量施肥播種機。我國變量施肥控制系統根據控制器類型及控制方案、肥料性質、肥料排肥驅動機構、排肥效果、多肥料元素變量控制等因素組合形成了許多種變量施肥控制系統，側重于變量施肥控制系統的設計、多變量施肥控制技術、變量施肥控制方案優化、變量施液態肥等方面的研究。

例如，在變量施肥控制方案優化方面，梁春英等從事控制系統PID 算法的設計與優化研究，通過建立變量施肥控制系統的數學模型，為控制系統的設計、PID 參數選擇及控制性能的改進提供了理論依據[19-24]。對控制算法進入變量施肥控制領域具有重要意義。孫裔鑫等[25]針對由于田間土地平整度、機具行進速度等因素變化導致的變量施肥播種機施肥輪轉速異常，影響施肥精度的問題，提出基于模糊PID 控制算法的變量施肥控制系統。

在變量施液態肥方面，邵利敏等[26]設計了基于PLC 的液態肥變量施肥控制器，其根據光學傳感器實時測量作物的光譜信息，計算施肥量，并通過控制電磁閥的開啟或關閉進行變量施液態肥。王金武、郎春玲等[27]在深施液態肥機的基礎上，研發了一種基于單片機的變量深施液態肥控制系統。左光焜等[28]以3ZF-150 型輪式點狀液態注肥機為基礎，基于單片機，開發了一套完整的液態肥變量施肥控制系統。

我國科研工作者在變量施肥控制系統方面做了很多研究，也取得了不少成果，但是總體來看，大部分研究處于實驗研究階段，變量施肥核心控制系統研發能力偏弱，又由于排肥機構研究不足，我國并未出現成熟的變量施肥控制系統和產品。

2.3 變量施肥排肥機構

變量施肥排肥機構是施肥主要的執行機構。變量施肥技術的研究和推廣，離不開對排肥機構作業特點的深入研究。目前對于變量施肥排肥機構的研究，主要集中在排肥機構結構設計、排肥精度的控制、排量的大小、幅度、均勻度和變異系數的控制等方面。

國外在變量施肥排肥機構上的研究和推廣走在我們前面，已經實現了對施肥精度、均勻度、超寬幅

度的要求[18]。國內相關研究做了很多，也取得了許多成果，但大多數機構處于研究階段。

2.4 變量施肥監測系統

施肥監測系統是變量施肥技術的一個重要組成部分，主要有3 種類型，分別為機械報警器、機電信號報警器和電子儀器型監測裝置。

機械報警器和機電信號報警器是早期發展的監測系統，適合于簡單、功能單一的播種施肥裝置，電子儀器型監測裝置通過在排肥機構各個位置安裝傳感器監測排肥作業情況，具有高靈敏性、實時性、全面性的特點，可以在排肥出現異常時報警，也方便作業人員全面了解作業機具的運行狀態。

我國的變量施肥監測系統的研發起步較晚，發展很快，已發展多種變量施肥監測系統。電子儀器型監測系統以其獨特的優勢和應用的廣泛性，成為我國科研工作者的研究重點。其中光電傳感器監測設備以其監測速度快、可靠性強的優點，成為國內監測方法的主要研究方向[16]。

隨著農業機械化作業的發展，機具在田間作業時，由于機器故障、監測裝置缺乏容易產生重施、漏失等問題，加大農業機具特別是播種施肥機具監測系統的研究和推廣力度是解決上述各種問題的關鍵舉措[29]。

3 存在的問題

（1）農業生產環境約束。我國農業生產方式主要以家庭經營生產為主，土地狹小、多樣而分散，經濟基礎薄弱，實現現代化精準農業較為困難。

（2）國外技術封鎖，國內研究基礎薄弱，研究和推廣動力不足。

（3）土壤養分信息獲取效率低，設備兼容性差，信息不能共享，人工維護成本高。

（4）實時控制系統研發不足。瓶頸在于傳感器的研發與電子技術的應用不足，專家決策系統更新慢，容易滯后，導致決策不準確、誤差較大。

（5）現有機具效果欠佳。目前我國的變量施肥機具大多是在已有的施肥機具上進行改造而來，整體上缺乏穩定和可靠的性能，施肥效果欠佳。

（6）國產化智能控制系統研發不足，操作不便，成本較高。

（7）多種肥料混合變量施肥研究薄弱。實施顆粒肥和液態肥變量施肥大多在肥料總量上進行變量施肥，不能實現氮、磷、鉀多元素配比混合施肥。

（8）液態施肥機發展薄弱。大多數液態施肥機需要開溝深施后機械覆土，增加了機械設備，從而導致機具成本增加；液氨的腐蝕性與刺激性，會危害農業工作者的身體健康，還會對機具產生腐蝕；另外國內對液肥的研發生產和應用力度不夠，導致液態施肥機研發動力不足。

4 我國變量施肥技術發展對策

（1）開發適合不同地區需求的變量施肥機具。由于我國農業高度分散、人員密集、作業強度大，因此根據我國農業發展具體情況，開展適合我國農業發展的變量施肥機械和施肥技術的研究和實踐，生產各種型號的變量施肥產品至關重要[30]。

（2）借鑒國外技術。國外特別是歐美國家在變量施肥技術的研究上有許多值得借鑒的地方。例如可以借鑒西方國家對土壤養分的分析和管理技術，制成養分圖層，完善科學變量施肥體系，從而避免土壤信息采集的困難；在實時變量施肥控制方面，可以借鑒德國運用視覺傳感器研制的變量施肥機械；在GPS 和GIS 數據庫結合方面，可以借鑒法國Amasat變量施肥系統等。

（3）加強新型機具、排肥機構的研究。針對故障率高的部件進行針對性研究，促進變量施肥技術和現有機具的結合。

（4）加快新技術的應用，探索新型的變量施肥方式。如在土壤養分實時檢測方面，加強新型傳感器的研發，在無人機施肥方面，加強應用推廣。

（5）改變機具功能單一的特點，做到一機多用，實現旋耕、播種、施肥、鎮壓等復合作業，同時實現多變量配比施肥作業。

（6）建立完善的變量施肥體系。加快處方生成技術和變量施肥控制系統的研發[31]，加強農業機械和常用儀器設備的標準化建立，加強人員技術交流合作，以提高變量施肥機施肥性能，完善變量施肥技術體系。

（7）加快變量施肥機械的推廣，替代落后機具。研究人員在機具研發本身上考慮農業從業者的需求和接受能力，研發易操作、高效、低成本的變量施肥機具；政府加強對變量施肥機具的宣傳力度，組織農業從業者進行培訓，對新機具進行補貼，強制淘汰低效率和污染重的施肥機具，鼓勵成立變量施肥科技服務企業，以收費代替直接購買促進變量施肥機械的推廣。

（8）培養精準農業應用型人才。精準農業的研究、應用及推廣需要一批具有較高科技文化素質的農業從業者，因此，應增加資金投入，加大力度培養基層高素質的精準農業應用型人才。

（9）培育大型變量施肥播種機研發制造企業。優化產業布局，加快變量施肥播種機企業的兼并重組，形成一批具備資金和技術實力的有競爭力的變量施肥播種機企業，引領我國變量施肥領域的發展。

5 結 語

隨著農業科技的發展、人們環保意識的提高，精準農業作為農業發展的方向之一，將在未來的農業科技領域占據重要的地位，變量施肥技術也將獲得更多的關注。目前我國變量施肥技術和世界先進水平還有較大的差距，并且由于我國特殊的農業生產環境，發展一條適合我國農業發展的變量施肥技術體系尤為重要。變量施肥技術體系和標準的建立對于有序推進變量施肥技術的研究和實踐具有重要的意義，因此需要從戰略層面，建立一套適合我國國情的技術標準體系，指定優先發展方向，有針對性的對變量施肥關鍵技術進行研究和實踐，攻克技術難關，研發出符合我國國情的變量施肥產品序列。另外加強技術交流，引進先進科技和施肥理念，著力提高變量施肥播種機行業的科技創新能力。優化產業布局，創造良好的條件，打造龍頭企業，使我國變量施肥走出一條可持續發展之路。