液态肥精准变量施用技术发展与分析①

王鹏宇 梁春英 于天齐 曲云霞

（黑龙江八一农垦大学电气与信息学院 黑龙江大庆 163319）

精准农业技术涉及播种、施肥、喷药、田间管理、收获等农业生产各个环节，有广阔的发展应用前景，尤其是在精准变量施肥方面的技术研究与应用。变量施肥技术是综合考虑不同农作物的实际生产需求、田地土壤对肥料的需求量等因素，进行针对性的施肥，尽可能使土地自身的潜能发挥到极致。在满足农作物生长所需养分的前提下，实施精准变量施肥技术，既可以有效减少肥料的施用量，也可以确保作物最大限度地吸收肥料中的养分，最终达到提高肥料利用率与农业生产力水平、促进作物增产，农民增收、生态环境保护的目的。随着农业领域科学技术的进步与农产品种植结构的不断调整优化，我国的农作物种植与施肥方式向多样化、智能化转变。目前在粮食种植中，化学肥料施用量大，但是使用效率很低，据国家统计局调查显示，1997 ～2016 年间，我国肥料折纯量增长约50%，相比之下粮食的产量增长只有折纯量的一半左右。传统的肥料配比构成与施肥模式都发生着变化，发展高产低耗、优质高效的农业生产模式促进了对液体肥料的开发研究。

液态肥是一种能在水溶液中将固态肥料溶解的新型化学产品，生产、使用和运输过程中无粉尘、无烟雾、对环境污染少，在施肥过程中混合均匀作物吸收好、肥料利用率高、使用便捷。而且液态肥的吸收率是固态肥的数倍，所以我国在未来的肥料使用总量中，液肥将逐步超越颗粒肥占据首位。液态肥变量施用技术的工作机理是直接将液肥施入土壤中，省去了传统施肥方式中颗粒肥料先融化再吸收的过程，可以使肥料中的各种元素直接被作物吸收，进而快速供给农作物所需的养分。与定量施肥相比，液态肥的变量施肥可以根据作物的生长情况按需供给肥料，极大地提高了化肥的施用效果，降低了农民种地成本和对田地土壤环境的危害。

1 国内外研究现状综述

发达国家对液体肥料的开发研究工作起步较早，根据不同的土壤与农作物，以及农作物在不同生长阶段，研究出各种配比的液体肥料。液体肥料消费量北美位居榜首，西欧位居第二，其它国家或地区，如墨西哥、澳大利亚等国也占有一定份额，一些发展中国家也在大力推广液态肥料。据有关数据表明，肥料有效成分浓度每提高10%，可降低肥料包装、贮存、运输和管理等方面费用的20%。减少农业生产中化肥投入成本、提高肥料浓度与大力推广液体肥料是肥料的国际发展研究方向，世界上农业发达国家都在设法提高肥料中有效成分的浓度。液体肥料符合现代农业集约化发展趋势，可以与农业灌溉系统与精准施肥系统很好的结合，达到省时省力、增肥增效的效果。

1.1 国外研究现状与发展趋势

1.1.1 主要国家研究现状

国外对液态肥施用技术的研究起步较早，相关的理论知识与技术体系己初步形成，施肥装备与施肥控制系统都相对完善。有学者研究雾化器分布对分流各管路流量的影响，雾化器的规则分布可提高流量的均匀性。还有学者开发了一种将机电反馈技术应用到流量计中的方法，实现了流量的精准控制

[1]。RAWSON 集团研制了一种变量施肥控制器—ACCU-RATE，该控制器可以独立编程控制播种参数以及施肥喷药要求，对注射喷头上的流量控制系统进行优化，实现流量的自动控制。以色列生产的水肥一体化自动灌溉施肥机，极大地提高了水肥结合能力与肥料利用率。有学者研发了一种移动式变量喷药系统。还开发了嵌入式除草剂喷撒系统。将GPS技术应用到液态施肥上，通过电磁阀开关控制，实现定点定距施肥。有学者研制了一种适用于液氨施用的控制计量系统，该系统利用控制脉冲宽度的方式来调节控制流量[2]。欧洲的RDS 公司、Hrdro Agri 公司等，美洲的 Agtron 公司、Agleader 公司、Micro－Trak 公司等已经研制出可以适应液态肥、颗粒肥等多种作业的机械。由美国TRIMBLE 集团研制的AGGPS-170 控制系统与GPS 技术相结合，可以实现变量控制施肥喷药、播种、导航等功能。德国AMAZONE 集团基于Machine Vision 技术，研制了一台根据叶绿素传感器反馈的数据信息可得到作物所需氮肥量的液态肥变量施肥机械。

根据上述分析，国外对液肥施用技术的研究取得了一定的成果，其中北美地区以及澳大利亚、墨西哥等国的液态施肥机已经很成熟，常见的液态肥施用机械有：①犁刀开沟型施肥机，Strip Cat 公司开发了一款采用犁刀开沟的方式进行施肥的机械，施肥管道前的犁刀和圆盘机构可用于开沟及破碎土壤，施肥后覆土器将耕起的土壤再推到沟内，这样操作可降低液态肥残留到土壤表面的几率，该机具使用方便、效率高。②圆盘开沟型施肥机，美国的约翰迪尔公司的2510L 型液态施肥机，采用圆盘开沟的方式注入液肥，最后由覆土轮推土将肥料掩埋。采用了AG-CHEM 公司的控制器系统作为其核心控制器，机身配套有GPS 系统，极大地提高了施肥的精确度，使用者可以便捷地在显示屏上实时观测施肥机施肥状态，以及各种参数如实时作业面积、实时车速等。③辐轮型施肥机，当前辐轮式施肥机，在美国以及一些欧洲国家应用较多，该机械在施肥过程中可实现精准变量施肥。其有着良好的密闭性，可有效防止液肥的泄露与扩散，提高了其施用肥效；还可根据实际需要作用于不同深度，直达作物所需养分部位，易于作物吸收[2]。

1.1.2 国外发展趋势

国外液态肥发展趋势倾向于大型化、智能化、自动化，具有作业幅度广、效率高和精确性高等诸多优点。很多国家已经拥有一整套较为成熟的集液体肥料生产、运输、施用于一体的的模式，对液态肥料的变量施肥机械、变量施肥控制系统以及具体施用方法的研究，已经达到很高的水平。美国、德国等发达国家在作物生产的过程中将生长、土壤、施肥决策信息等相关内容通过智能设备反馈给计算机终端显示，作业人员可通过终端实时监控施肥机作业过程，相关技术支持是利用3S 技术以及计算机技术[3]。施肥设备在作业过程中按照系统决策信息进行定点投入、变量作业，形成了一套完整的智能化、信息化作物种植模式。

1.2 国内研究现状

我国对于液态肥料的研究与开发起步较晚，从20 世纪50 年代开始进行液氮的施肥试验，但是由于相关机械配套不足以及液态氮肥供应量等原因，这项技术研究没有取得实质性进展。20 世纪80 年代以来，国内化肥公司及研究机构敏锐地察觉到液肥的广大发展前景，逐渐增强对液肥的开发研究与生产力度，相继研制出不同类别液肥的生产方法及工序。为提高液肥生产以及液肥利用率，我国农业部已经将液氮的施用技术列为可推广试验项目，但基于我国的基本国情，缺乏合适的生产经营体制及生产施用装备，进而限制了该项技术的应用推广。近年，随着发展集约、高效、安全、持续的现代农业的要求的提出，液肥施用技术重新回归大众视野，并且发展势头强劲。国内的很多高等院校和农业科研单位大量引入国外先进的液态肥变量施用技术，对国外先进的液态肥变量施用技术进行消化吸收和本土化拓展，取得了丰硕的成果。梁春英等[4]以单片机为核心部件，借助GPS 技术设计了一种液态肥变量施用控制系统，该系统依据当前位置的施肥量，利用流量计对流量进行采样，将当前机具速度与获取的决策数据进行综合运算，将施肥量由数字量转变为液体的流量输出，构成闭环反馈调节，控制电动执行器的开度，进而实现变量控制施肥量。有学者采用STC89C52RC 单片机作为核心处理器，以电磁比例调节阀为执行部件，设计了深施型液态变量施肥控制系统。设液态变量施肥控制系统分为控制部分与执行部分，由GPS 接收机、上位机、变量施肥控制器和电磁比例调节阀等构成。该系统施肥误差小，可实现深施型液态变量施肥，满足液态变量施肥作业要求。王金武等[5]设计出一种以中耕穴施液氨肥料为主，能适应旱田地不同环境下作业的要求液态施肥机，该机械作业过程中通过调节节流阀开度的大小控制泵的压力，再结合适当的喷射深度和机具作业速度，能达到作物中耕穴施液肥、起垄、中耕除草、培土等实际需求。还设计了一种与轮式拖拉机相配套使用，以单片机作为核心处理器，以电磁比例调节阀为执行部件的SYJ-2 型三点悬挂式液肥变量施肥机，该设备依据GIS 施肥处方图，由控制系统控制电磁比例调节阀调节管路中的液肥压力，实现实时变量施肥。耿向宇[6]基于GPS 技术和GIS 技术开发了一款变量施肥控制系统，控制器通过控制外槽轮的转速以及槽轮的开度来调节施肥量；根据获得的反馈信息，利用 PID 算法实现闭环控制，进而达到控制施肥量的目的。王秀等[7]在借鉴国外的液态施肥机基础上，研制出了适合我国小地块国情使用的圆盘式施肥机，该机具配套有成熟的变量施肥控制系统，通过配套的显示屏结合GPS信号以及机具行走速度、用户设置好施肥的处方和各项参数，该系统可进行自动调节达到实时变量施肥的效果。有学者设计了一种灌溉施肥自动控制系统，根据用户需求设定液肥泵开动时间及开动周期，准确地将液态肥灌入到埋于土壤中的管道中，这种方式极大地提高了水肥的耦合几率；且液肥直接运输到作物根部被快速吸收，提高了液肥的利用率。但此种灌溉施肥方法前期需要提前铺设管道，投入成本较高，适用于需精准作业的缺水地区。

2 存在的问题

首先，国外的液态施肥机械和与之相配套的变量施肥控制系统的研究相对成熟，我国液态肥变量施用的相关研究起步晚且发展缓慢，对于液态施肥机具的研制基本处于样机的开发试验阶段，尚未达到实际生产和应用层面。而且主要特点表现为机具自动化和智能化程度低、控制技术有待优化、机具作业幅宽小、技术大多靠引进成本花费较高和施肥作业效率低下等方面。其次，我国对液态肥施用宣传、推广普及力度不够，导致液态肥精准施用技术在各地区发展极不均衡，在国内主要地区仍以传统施肥方式为主，或颗粒肥与液态肥混合使用，而且农业相关从业人员的素质普遍不高，这种情况不利于现代化农业的集约化、可持续发展。

3 发展对策

我国地域辽阔，作物品类多样，土地类型复杂且肥力差别很大，这就对液态肥的精准变量施用提出了较高的要求。我国科研人员在对液态肥精准施用技术进行研究的同时，应该引进国外先进技术，学习先进经验，吸收总结国内外现有液态肥变量控制技术，依据土壤中各养分含量、作物不同时期实际生长需求的需肥量等因素，并结合我国作物种植模式和田间作业的实际情况，研制出符合我国国情的液态施肥机。另外，现代化农业对从事农业生产的人员提出了要求，必须具备扎实过硬的农技本领，熟练操作计算机，学会分析农业机械的故障，提高解决问题的能力。目前我国从事农业生产的人员大部分不具备这样的能力，因此，各级政府应加大对新型机械的推广力度，同时加强对农技人员的培训，提高他们的农业科技素养，更好的为现代化农业服务。