大田作物变量施肥技术国内外研究现状

齐兴源，周志艳，李官平，林蜀云，李 凝

(1.贵州省山地农业机械研究所，贵州 贵阳 550002；2.华南农业大学工程学院/南方农业机械与装备关键技术重点实验室，广东 广州 510642)

0 引言

充分有效地利用有限的资源，发展以节约用地、用水、用肥等为目标的现代农业是中国农业必须关注的重点问题[1]。据联合国粮农组织(FAO)调查，化肥对农作物增产的贡献达40%～60%，化肥对提高土壤生产率的贡献达41.43%，对提高劳动生产率的贡献达53.89%[2]。十几年来我国在化肥年均使用量方面，始终远远高于世界上其他国家[3]。我国化肥的投入和产出极不相称，其中氮素当季利用率仅为30%～35%。近年来我国化肥施用量呈逐年递增之势，2013年已超过了6000万吨[2]。不科学的施肥配方严重破坏了土壤成分并且增加了施肥成本，在化肥利用率方面发达国家要比我国高出10%以上[4]。损失的化肥对坏境的污染日益增加，尤其是我国东部地区[5]。

落后的施肥方式与施肥机械不仅导致了施肥过程中作物对化肥的吸收及利用效果差，而且还会使得化肥不能被植物充分吸收利用而造成土壤板结、水体富营养化等各种环境污染[6]。已有研究表明，受污染的水中超标的氮与磷大多数都来自于农业污染，其程度远远超过工业污染[7]。过量的氮肥还会被氧化之后进入大气，导致温室气体增多、臭氧层破坏以及形成酸雨。不正当的氮肥使用导致土壤中硝酸盐的积累，可以进一步被蔬菜等农作物吸收，与食物中的二级胺作用合成强致癌物质亚硝酸胺。过量的磷肥不仅使水体富营养化，还会使土壤中的重金属积累[8]。合理的施肥，既能保证农业的可持续性发展和生态的良好，又能够生产出安全有保障的农产品[9]。

精准农业作为可持续农业的有效发展模式，已经成为国际上农业研究的热点领域。精准农业是在充分掌握地块及作物生长信息的基础上，根据地块土壤肥力、作物病虫害、杂草、产量等在时间和空间上的差异，按农艺要求进行精确定位、变量施肥、变量灌溉、变量用药等农业技术的调整和管理，最大限度的优化使用各项农业投入，以获得最高产量和最大经济效益[10]。

美国明尼苏达大学进行了变量施肥的试验研究：在传统施肥作业的模式下，每公顷施肥量为119.8kg，而采用变量施肥技术后每公顷的施肥量约减少了38kg。从而在肥料方面的支出每公顷大约减少了16美元的支出，而在增产方面平均每公顷却增加了约360美元[11]。 通过科学规划施肥结构合理控制施肥量，能有效的提高肥料利用率，相关的环境污染问题也能得到很好的控制，从而获得良好的环境效益[12，13]。

本文拟在介绍国内外学者开展变量施肥技术研究中取得的进展的基础上，对当前精准农业中变量施肥关键技术所存在的问题进行分析研究，以期为开发出更适用的变量施肥机械提供借鉴与参考。

1 国外发展现状

精准农业在国外尤其是北美起步较早，变量施肥是精准农业作业的关键环节，也是精准农业应用最广泛的主要技术[14]。美国在20世纪80年代初提出了精准农业的概念[15]，在1993年进行了由GPS指导下的变量施肥作业实验，并在当年获得了30%的增产，而且减少了施肥的总量[16]。至此之后，变量施肥技术发展日益成熟，尤其在发达国家，变量施肥已经成为农业作业环节中不可或缺的部分，因此，国外许多专家以及农机行业对变量施肥机械的开发做了大量工作。

1.1 美国

作为精准农业的发源地的美国，精准农业技术先进性以及推广应用一直处于领导地位，并且实现了产业化和规模化[17]。美国天宝公司生产了一款目前世界上先进的解决田间信息管理系统的计算机，它与定位接收机、自动驾驶仪和导航系统连接，可以实现定位、导航、土壤取样、施肥处方图生成、变量控制等多种目标。约翰.迪尔公司生产的1910气吹式变量种肥车上的处理器可以根据处方图上的信息来控制出肥量[18]。Case公司研制的变量施肥播种机，则是根据土壤的成分来制作处方图，进而控制肥料的配比及施肥量[19]。Rawson公司生产的多功能的变量控制器，通过两个RS-232接口来输入两种GIS决策信息，分为人工作业模式和导航定位工作模式，能够适应固态和液态肥料的变量控制。Ag Leader公司的PFA田间计算机的使用，使播种和施肥作业变得精确化和简单化。它内置的全球定位系统，不需要中间变量控制器环节，可以直接控制液压驱动系统[20]。美国Oklahoma州立大学的J.B.Solie等使用GreenSeekerTM的光传感实时变量施肥机，利用660nm和780nm两个波段的光源探测并计算归一化植被指数NDVI，整个作业系统采用CAN总线连接各种信号采集传感器和作业控制器。国外已经有了成品变量施肥控制系统，比较知名的是Mid-Tech公司的TASC6200新型控制器，可适用于颗粒、固体、甚至液体肥料[21]。整体而言，美国在变量控制系统的建设和同步配套施肥机械的研制已处于世界领先水平，并得到很大程度的推广。

1.2 欧洲

欧洲精准的农业的发展主要集中在英国、德国、法国以及俄罗斯等国家。由于不同植物对于光的反射系数不同从而形成不同的光反射曲线，英国据此研制出了用于测量农作物N含量的传感器，根据检测到的植物的N含量进行指导变量施肥作业[22]。德国的AMAZONE公司研发了一种基于视觉传感器的变量施肥机，虽然只是主要针对麦田作物春季追肥，但是却利用了实时监测与处方图共同调控进行施肥。先是由安装在拖拉机上的作物生长传感器进行监测，将监测到的作物冠层的叶绿素含量数据传给计算机，计算出作物生长所需氮的施肥量，同时对原来保存的电子处方图进行更新修正，最后通过控制液压马达的转速来实现变量施肥[23]。

法国的农业耕地面积占国土面积的55%，其农业非常发达。法国国内使用的肥料撒播机械和植保机械，在全部农业机械行业中自动化水平最高。法国“女骑士”肥料播撒变量控制系统已大量应用于各类型圆盘式离心式肥料撒播机上[24]。俄罗斯全俄农机化研究所研发了适用于颗粒状肥料的变量施肥机。在排肥口上安装了电磁铁和共振片，通过控制共振片振动产生的开关频率来调节需要的施肥量，实现变量施肥[25]。

图1 俄罗斯变量施肥机

1.3 亚洲及其他

日本经过20多年的发展，如今已经开始正式进入了第五代基于共同体的精准农业[26]。基于日本农业耕地面积小的特点，其精准农业技术体系较欧美的精准农业技术体系日趋小型化，这点国情与我国国情很相似，但是仍然不能够满足精准农业普及所需，因此精准农业的各种农业机械设备的敏感度与实用性有待进一步提高。在变量施肥方面主要对氮肥进行了研究，由Hatsuta公司制造的稻田变量施肥机，既可以施用固体肥料，也可以喷撒液态肥料。通过在地轮上的传感器测得机具前进速度，由GPS接收位置信息，然后查询GIS电子处方图中对应的施肥量信息，控制并调节排肥口的排肥量，实现变量施肥。

除此之外，澳大利亚、巴西与阿根廷也有变量施肥的试验研究，但因为其高价位的土壤养分检测以及网络取样技术限制了其应用，商业推广比较欠缺[27]。以色列在恶劣的自然条件下，其先进的自动化控制技术、成熟的农业微灌、喷灌和滴灌技术、精准的两种开发技术，创造了世界一流的精准农业生产技术[28]。

图2 日本变量施肥机

2 国内发展概况

近十多年来，精准农业在国内发展迅速，很多学者在精准农业以及变量控制施肥方面已经做了大量的工作。虽然目前精准农业在我国的推广应用的范围还较小，但这必将是我国面临未来农业发展的必由之路。

2.1 在变量控制系统的中央处理器方面

韩云霞等对2BFJ-6型自动变量施肥机控制系统进行研究开发，从影响施肥的主要因素和施肥控制原理入手，确定了手动和自动两种方式的控制方案，通过排肥量标定实验，建立了自动控制变量模型[18]。郭树满研究开发了变量施肥机控制器，利用单片机对系统实现控制，从而控制步进电机的转速来达到变量施肥的目的[29]。李红岩基于ARM主板研制的施肥控制系统，可根据机具前进速度以及预设的施肥量进行变量施肥[30]。姜立明在分析了现有变量施肥控制系统方案的基础上，提出了基于两个单片机架构的双CPU闭环控制系统，该系统可以接受车载计算机的控制指令和测速传感器反馈回来的液压马达转速信息，根据施肥决策数据精准调节，控制液压马达转速，实现变量施肥[10]。

2.2 在CAN总线与PID算法的变运用方面

张睿在CAN总线技术基础上，开发了基于处方图的多养分变量施肥系统，并设计了整体式阀控液压系统，形成了又GPS系统、机载作业控制终端、变量施肥模块、测速模块等构成的分布式控制多养分变量施肥机[31]。乔璐设计了基于CAN总线从SD卡中调用施肥量信息，利用建立的槽轮控制模型，控制直流电机的转速来控制氮、磷、钾的出肥量，最终实现混合变量施肥[32]。刘步玉针对常规PID算法存在着响应速度与超调量难以兼容的问题，提出了模糊BP-PID的控制方法，使得直流伺服电机转速响应快、转速波动小、调节时间短，系统能够快速进入稳定状态[33]。

2.3 基于GPS定位的处方图变量施肥

耿项宇重点研究了变量施肥的田间计算机控制策略和GPS信息获取方法，并将GPS技术应用到变量施肥机控制系统中，实现了施肥作业的远程数据交互。并建立了槽轮开度和转速的多变量控制模型，提出了基于精度和能量的槽轮控制策略，并成功实现了基于液压和电机两种不同驱动方式的槽轮控制[34]。吉建斌提出了一种基于脉宽调制(PWM)的全自动变量施肥控制系统，能够实现肥料播撒随农机具行驶速度自动调节，并且可以在施肥过程中随意改变施肥量，也可结合GPS/GIS全自动变量施肥[35]。伟利国等设计了一款2F-6-BP1型变量配肥施肥机，施肥机通过GPS获取车辆在田间的位置信息，通过预先加载的施肥处方图，获取当前位置的木匾施肥量，采用称重法反馈肥料的流量信息，并按照当前车辆行驶速度，实时调整施肥量，进行变量配肥施肥作业[36]。刘阳春等综合应用变量作业、机电一体化控制、传感器信号采集与处理、系统分析集成等技术和思想方法，设计可实现三种不同肥料变量施用的变量配肥施肥机械装置，变量配肥施肥作业系统可根据处方图进行实际田间作业[27]。

2.4 其他类型变量施肥

此外，陈书法等为解决现有水田撒肥机械地隙低、撒肥技术落后、工作效率低等问题，设计了一种水田高地隙自走式变量撒肥机，以单片机为核心控制程序，可根据机具行驶速度变量施肥[37]。苑进等人对多肥料变比变量施肥过程进行模拟，根据评价指标，优化了排肥管和落肥管的结构[38]。牛晓颖探索了根据归一化植被指数(NDVI)来预测潜在产量和当时作物氮的吸收并最终预测最优施氮量的变量施肥技术，并实现了一种针对液体肥料，基于遥感技术和PLC控制的实时自动变量施肥系统[39]。梁红霞以便携式地物光谱仪及SPAD叶绿素测定仪为光谱数据获取手段，建立了适合我国冬小麦农业生产条件的基于高光谱数据的冬小麦变量施肥模型[40]。

3 分析与思考

3.1 地域特色明显，但分布不均匀。

国内对精准农业的研究尤其是对变量施肥控制的研究日益增多，不仅说明了精准变量施肥的重要性，而且反映出很强的地域特色。东北平原针对于玉米[41]大豆[42]，新疆地区针对于棉花[43]，华北地区针对于小麦[44]，华南地区则侧重于水稻[37，45]。农业领域的研究，具有很强的季节性，适时、适地是最基本原则。一方面，由于我国北方农业科研单位较为南方来说更多，资源分配力度也极为不均匀，因而造成了针对北方作物机械研究的内容远多于南方作物；另一方面，北方相对南方来说，有更多适于机械化尤其是大型农机作业的平原，因而研究的偏向性具有很大的差别。

3.2 国外技术很先进，但无法直接引进使用。

欧美国家在精准农业上的发展，其先进程度远高于国内，变量施肥机械早已产业化，但由于地理环境、经营方式、规模等问题，无法在国内直接使用。因此，借鉴和学习国外先进技术，结合国内自身的特点，研发适合我国农业生产方式的机械是解决问题的关键。日本人口密度大，耕地面积多以小地块为主，与我国南方地块有很多相似的地方，因而我们可以借鉴日本发展精准农业的方式，逐步进行实施精准农业的生产方式。

3.3 研究多偏向于控制，排肥方式和结构的研究和优化较少，排肥方式与控制方式的配合优化较少。

精准农业3S技术在农业上的应用，引起了很多学者的兴趣，对于变量施肥而言，大部分学者多偏向于研究控制中心，而排肥方式则基本都采用电机或液压马达控制外槽转速达到变量的槽轮式排肥机或者控制开口大小而达到变量的圆盘式撒肥机为主，而国外主流的是气力式排肥结构以及圆盘式撒肥结构，国内目前不仅对于气力式排肥结构研究甚少，而且对其他形式和结构的排肥方式与控制方式的配合优化也较少[46]。一台好的农业机械，不仅仅需要好的控制程序，良好的机械结构与配合更是机器工作性能的核心。

3.4 针对春耕和苗初期的变量施肥研究较多，对中期农田施肥作业研究较少。

目前国内多数已经研制出的变量施肥机械当中，很大一部分都是根据田间的配方图进行变量施肥，或是根据整体情况或机具前进速度变量施肥保证施肥的均匀性。还有一些较为复杂的是将播种和变量施肥结合一次性完成[42]，或只是针对幼苗期的施肥[45，47]。春耕作业和幼苗期的农田作业与中期的农田作业方式与类别有很大的不同，并且中期农田作业情况更为复杂，需要考虑的因素更多，这使得对中期农田变量施肥作业的研究显现出更多的空白。

3.5 变量施肥的肥料几乎都是氮肥，磷肥与钾肥以及混合肥料的变量施肥的相关研究甚少。

氮肥相对于磷肥与钾肥来说，使用量更大，并且经过长期研究，其施肥配方的专家决策系统建立相对来说比较完善，测试相关指标的仪器与方法众多，能够比较容易得出施肥的配方图。而作为仅次于氮肥用量的磷肥与钾肥，对其变量控制的研究和施肥配方图的制定方面的探索更少。

3.6 依据配方施肥明显多于实时监测施肥。

用于变量控制施肥的方式有两种，一种是根据已有的施肥处方图，通过车载GPS接收当前车辆的位置信息，根据储存的处方图进行变量施肥。另一种是实时监测变量施肥，通过监测土壤的实时传感器信息，控制并调整肥料投入量或根据实时监测的作物光谱信息来分析调节施肥量。基于配方图的变量施肥比较容易实现，但该方法在实际应用中会因为时间的滞后性带来不当的作业问题。实时监测施肥可以实时的反映作物生长状况，而且无需地理信息与GPS等额外的信息传导与投入，但需要在施肥机械上配备实时在线自动监测设备。这些设备通常比较复杂，难度大，价格高，因此在我国还需要很长的发展过程。

4 结语

变量施肥技术作为精准农业的核心，其举足轻重的地位不言而喻。我国面临的不断恶化的环境和稀少的人均耕地面积压力，更需要大力的发展精准农业，逐步做好精准农业发展的每一步计划。虽然我国在变量施肥技术的研究上取得了很大的进展，包括农田网格划分，控制系统的设计，施肥机具的优化等。但是对于我国复杂的国情以及目前农业生产的经营方式，变量施肥技术的高成本使其难以产业化和推广，因此我们还有巨大的提升空间，要进一步在适用性和实用性方面做出巨大的努力。