精准变量施肥技术研究现状及发展趋势

赵文旻

摘 要：精准变量施肥是精准农业中的重要组成部分之一，主要对精准变量施肥的概念及国内外的研究现状进行了简单介绍，总结了变量施肥涉及到的关键技术，并阐述了精准变量施肥技术的所面临的问题及发展方向。

关键词：精准变量施肥；多变量施肥；电子变量控制器；定位信息接收器

中图分类号：S147.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.032

精准农业是当今世界农业发展的新潮流，其基本涵义是根据作物的生长特性及土壤性状，调节对作物的投入，最终的目的是以最少的投入获得最高的经济效益及环境效益。变量施肥技术是精准农业的重要组成部分，目前，国外已经达到了产业化及规模化的水平，而我国的施肥技术大多还停留在经验施肥的层面，存在肥料元素配比不合理及肥料利用率低的现象。这不仅造成了经济上的损失，还造成了土壤酸化、水体富氧化等环境污染问题。实行科学的变量施肥是农业可持续发展的必要举措。

1 精准变量施肥技术的概念

精准变量施肥技术是将土地细化成网格单元，不同地块单元的土壤特性、作物生长状况及田间环境等因素都有很大的不同，结合这些地块单元因素以及历年产量等相关信息，形成资料齐全的土壤养分信息化管理系统，并决策生成作物施肥作业的变量处方图，利用装有田间计算机、定位信息接收器、电子变量控制器的农业机械设备，根据处方图中的信息在田间有针对性的、定时定量地进行精准的施肥作业。

2国内外技术研究现状

2.1 国外

20世纪90年代以来，精准农业在欧美国家发展速度非常快，已经形成了一定的规模，尤其是变量施肥技术在北美最为成熟，在加拿大、美国等已经有了广泛的应用。

美国凯斯公司（Case）研制的空气免耕系统播种机和空气播种机可以随时改变播种量及施肥量，能在一次作业中改变三种不同类型的种子或肥料的比例，满足不同作物生长特性及环境特性对肥料的需求。此外，还可以根据作物施肥的变量处方图控制肥料元素的配备及施肥量。

美国约翰迪尔公司生产的1910气吹式种肥车能保存施肥作业后的田间数据信息，且配有指令选配系统，能通过人机交互界面显示农机的位置、土壤需肥的情况、施肥变量处方图等信息，可提前设置农田区块的播种量和施肥量，并通过使用指令选配系统来实现播种施肥作业。

美国Rawson公司生产的多功能变量控制器ACCU-RATE不仅适用于固态化肥的变量控制，还适用于液态化肥的变量控制，它通过2个RS-232接口输入2种GIS决策信息。此外，在人工模式下还可以手动输入播种量或施肥量。

德国Amazone公司研发的变量施肥机具有安装光传感器，可实时获取作物的反射光谱特征信息，从而计算每平方米的作物产量、肥料元素的投入量等，并通过控制安装在农业机具上的变量施肥装置直接进行施肥作业。

俄罗斯全俄农机化研究所针对颗粒状化肥研制了变量施肥机，其利用了电磁铁和共振片的原理，通过调整安装在排肥口共振片的振动频率来控制施肥口的开启和闭合，从而实现施肥量的自动控制。

日本针对固体氮肥研制了适用于水稻田的施肥系统。该系统小巧轻便，自带GPS，驾驶室内有监视器，可以查询作业处方图，通过地轮检测机具的前进速度和GIS获得农业机具的位置信息，并能通过查询储存在地图中相应的处方来控制精准出肥。

2.2 国内

20世纪90年代后期，我国对精准农业进行了引进。在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上，研究和探讨了适合中国国情的精准农业技术体系。目前，精准农业的思想已经被科技界和社会广为接受，并在实践上有一定的应用。

黑龙江八一农垦大学精准农业研究中心设计了2BJ-6W型变量施肥密种机，其将土壤肥力作为信息提取目标，使用地学统计方法，可在平原、丘陵、低洼地带等不同地形结构情况下生成土壤养分肥力分布图，并根据此图来实现对同一地块不同区域中施肥量及肥料配比的控制。

吉林大学的研究人员进行了基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）、数字集成电路的变量施肥控制系统的研究。施肥区块地理位置的经纬度信息能够通过GPS获得，并将田地利用倾斜网格划分为小的操作单元。通过GIS可以绘制出区块的三维轮，施肥作业处方采用通过分析土壤养分组成的状态及农作物的理想产量现场即刻生成，通过采集施肥机的位置信息、速度信息，结合施肥作业处方信息产生控制信号，通过控制排肥轴转速准确地控制调节出肥量。

上海交通大学针对变量施肥作业缺乏数字处方图的问题，建立了基于土壤养分图、作物产量图、土壤墒情图及作物生长规律信息的变量施肥作业处方模型，该模型可在复杂多元信息环境下生成施肥处方图。

中国农业机械化科学研究院等单位在国家科技部“863”计划的支持下， 研发了多种型号变量播种施肥机和变量配肥施肥机。中国科学院将精准农业列入知识创新工程计划，在河北栾城、上海、新疆、吉林等地同时开展了精准农业的相关试验研究和技术集成的示范工作。

与发达国家相比，我国在变量施肥的研究上起步较晚，差距明显。目前，我国对变量施肥技术的主要侧重于理论研究，距形成产业化及规模化还有一段距离。

3 精准变量施肥的关键技术

3.1 变量投入技术

变量投入技术（VRT，Variable Rate Technologyh）是指装有计算机、DGPS等先进设备的农机具，根据其所处的耕地位置自动调节物料箱里农业物料投入速率的技术。变量投入控制主要有2种方式，即基于处方图数据变量分类和基于传感器数据变量分类。基于处方图数据变量分类是将相关的地图信息提前存储到车载计算机上，通过GPS系统对施肥机具位置进行定位后，调用并解析该区块位置的地图信息，包括地域作物的土壤养分分布信息、土壤墒情、土质历史产量分布等信息，再合专家系统模型生成变量施肥处方图。变量施肥机在行进过程中可实时进行定位和速度检测，根据处方图可实现变量施肥作业。变量施肥处方图的主要依据为土壤的养分含量，目前，适用于变量施肥系统的处方图主要有以下3种：①根据土壤中各类养分光谱反射特性不同的特点，寻找土壤各养分含量的光谱反射波段，建立土壤养分光谱分析模型。但是土壤中的磷和钾难以用特定光谱波段的特征来描述，因此，光谱技术无法完全承担处方图的生成工作。②在遥感数据中提取有用的信息，主要是从土壤光谱及植被光谱中间接提取土壤养分含量特征，但土壤多被植被覆盖，且遥感技术的应用也易受到天气的影响。③使用近红外分光光度计可以高精度地测定土壤中的养分及土壤特性，但这种技术大多用于土壤样品的测试分析。虽然测定时间较短，但是仍需要人工采样测定，其采样密度难以达到精准农业的要求。

基于传感器数据变量分类是指将农田的基本数据信息通过传感器进行实时检测，检测到的数据信息将实时传送至控制系统进行解释分析，进而进行变量实时作业。但目前传感器只能实时检测出少量的土壤养分含量。由此可见，目前虽然有多种土壤养分的检测技术，但仍找不到一种比较成熟的处方图的生成方法。因此，处方图的生成是精准变量施肥的瓶颈之一。

3.2 变量施肥控制系统

变量施肥机控制系统是整个变量施肥机的核心。施肥机在行进过程中采用GPS定位，并实时测速，结合变量施肥的处方图，由控制系统发布指令，驱动变量施肥机构进行施肥作业。对于固体肥料多采用液压马达、步进电机和伺服电机驱动排肥机构实现施肥，主要通过上诉多种驱动机构的转速来控制排肥量。而液态肥多通过电磁比例阀来实现施肥操作。

3.3 变量施肥、排肥机构

变量施肥、排肥机构是主要的执行机构，排肥器机构常见的主要有外槽轮式、转盘式、离心式、螺旋式等类型。由于国外的耕地面积大，因此，国外多采用离心式圆盘撒肥机。但其并不适合我国中小型的农业经营模式，因此，我国多采用外槽轮排肥机构。

目前，国内变量施肥机排肥机构还没有同时具备高精度、大宽幅、变异系数小、均匀性好和施肥排量范围大等优点，多数装置还处于研究阶段。

4 展望

我国的精准变量施肥技术仍然处于起步阶段，要想发展成熟，还需要攻克多个难关。目前，主要面临的问题为：变量施肥处方图的生成仍没有成熟的方法；传统的化学检测虽然精准，但是采样点密度非常小，不适用于变量施肥的实施，且耗时耗力，效率低下；依据光谱反射特性及遥感技术虽然可以解决传统检测方法中的问题，但是仍然存在难以推广的问题；专家决策系统数据更新慢，造成脱离农业生产实践，且不同地域的土壤特性差异很大，通用性较差。目前，国内外对变量施肥机的研究大多集中于提高施肥的精度，对肥料的配比控制研究较少。为了满足田间地块对不同种类肥料不同量的需求，多变量施肥控制系统及多变量混合机构的研究也将成为精准变量施肥研究的方向之一。

参考文献

[1]孙国祥，陈满，汪小旵.变量施肥机关键技术研究现状分析[J].江苏农业科学，2014（02）.

[2]刘茂成，梁天航，陈奕颖.变量施肥自动控制技术的研究现状与发展趋势[J].农业与技术，2015（23）.

[3]张俊宁.精准施肥技术现状及挑战[J].高科技与产业化，2015（07）.

[4]楚世哲，张立新，李振.双变量施肥机施肥控制系统设计[J].新疆农机化，2016（01）.

〔编辑：张思楠〕