液态精量施肥发展现状分析与展望

郭振华，陈换美，伊海涛，黄智英

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞职业技术学院）

0 引言

精准农业是未来农业发展的主要趋势，涉及到播种、施肥、喷药、收获等田间管理的各个环节。精量施肥技术是精准农业的重要组成部分，可以根据作物生长的实际需要对作物进行变量施肥，既可以满足作物生长需要，又可以最大限度的减少化肥施用量，达到增产、增收、保护生态环境的目的。

我国是一个能源消费大国，化肥的使用量长期处于全球首位，全国70%以上的耕地需要施肥、灌溉。据统计，目前我国年均化肥用量超过5 400 万t，但是利用率低于发达国家平均水平，只有30%左右[1]。化肥包括传统的固态肥和新型的液态肥。液态肥与固态肥相比具有易吸收、利用率高、污染小等特点，并且在生产、运输和使用过程中无烟雾、无粉尘[2]，所以在化肥的施用量中，液态肥的占比逐年增高，已经超过颗粒肥占据首位。解决能源浪费，提高水肥利用率是农业现代化发展过程中亟需解决的问题，液态精量施肥技术是解决这一问题的有效途径之一。

1 液态施肥技术

化肥使用成本在农业生产中占有较大比重，化肥的合理科学使用不仅关系到粮食产量、农民增收，也关系到生态环境。近年来，随着液态肥的广泛使用，精量施肥技术得到快速发展，成为精准农业的重要组成部分。液态肥精量施肥技术通常与灌溉设备配套使用，施肥设备安装在灌溉系统首部，性能直接关系到灌溉和施肥质量。

当前常用的液态肥精量控制装置按照控制方式可分为四种：文丘里施肥器、水力驱动施肥器、自压注入施肥器、压差施肥器等。

文丘里施肥器（图1）的工作原理：文丘里管的结构中间部分断面较小，当水流流经文丘里管的收缩面时，液体流速加快，产生负压，利用负压产生的吸力将肥液吸入灌溉系统完成精量施肥。特点：文丘里施肥器可以按比例施肥，供肥比例稳定，但造价较高，主要用于设施农业等精准栽培方面。

图1 文丘里施肥器

图2 水力驱动施肥泵

水力驱动施肥泵（图2）是一种依靠灌溉水流动力驱动的施肥设备，工作过程中无需外部动力，依靠管道内水流力驱动活塞将液态肥注入灌溉系统。由于该设备无需额外动力且具有一定的比例调节功能，应用非常广泛，是目前注肥泵的主要形式。但是由于其内部关键部件制造精度要求较高，我国自主研发的水力驱动注肥泵性能还不够稳定，部分仍需进口。水力驱动施肥泵作为一种精密机械，还需在其关键部件上投入研发力量，对其运行机理和构造开展深入的理论研究。

自压注入施肥设备（图3）结构简单，利用高度差完成液肥的自动注入，使用过程中要与自压灌溉设施配合使用。该设备的特点是结构简单、易操作、价格低，但是施肥浓度不稳定，对地形高度有一定要求。由于该设备技术要求不高、价格低，易于被广大农民接受，在山区具有广泛的推广价值，可充分发挥自压灌溉施肥系统的优势。

图3 自压注入施肥器

压差施肥设备（图4）主要由肥罐、进排液管和控制阀组成。工作原理：通过调节进排液管上的控制阀调节肥罐的进液管和排液管形成一定的压差，使水流经过肥罐将液态肥带入灌溉系统进行施肥。压差施肥设备广泛应用于大田，其不足之处是难以实现定比施肥。

图4 压差注入设备

2 国内外发展现状

2.1 国外发展现状

精准农业在欧美国家起步较早，上世纪70 年代，美国科学家提出精准农业的设想[3]。经过20 年的发展，90 年代，精准农业进入实际生产应用阶段，已经形成将高新技术与农业相结合的新兴产业，被普遍认为是21世纪农业的发展方向。

美国利用计算机信息技术将土壤信息、历年施肥量、产量等相关信息整合，建立可展示土壤养分的GIS图层，该信息可以展示土壤各区域的养分分布，并以此为基础进行变量施肥。该技术可以实现土壤养分的均衡供应，使肥料的利用率和农作物产量都达到较高水平，氮肥的利用率高达60%以上[4]。

日本研制出基于地图的变量施肥技术，可以应用于施肥、喷药等领域，试验表明该技术的节肥率达到20%左右[5]。俄罗斯的农机研究机构研制了变量施肥机械，通过田间试验也取得了不错的节肥效果。

2.2 国内发展现状

我国的精准农业较欧美发达国家起步晚，上世纪90 年代，中国化工学会主持召开“提高肥料养分利用率学术研究会”，指出我国化肥利用率低的问题，提出解决问题的有效途径之一就是大力发展精量施肥技术。

我国使用的精量施肥设备从原理上大致分两类[1]：一类是与常规灌溉方式配套使用的变量施肥设备，另一类是与滴灌设备配套使用的变量施肥设备。第一类侧重于控制系统的设计，以单片机为中央处理器，结合卫星定位系统，专家管理系统等数据对田间进行变量施肥。在我国应用较广泛的是第二类，与滴灌系统相结合的变量施肥设备。徐飞鹏[6]研制的灌溉施肥系统采用智能管理和系统控制技术，能够实现定时控制、手动控制等多种模式，该系统造价较高，自动化程度高，适用于连栋温室等现代农业设施。杨万龙[7]等研制了基于智能化系统的滴灌变量施肥设备，可以实现肥量的自动调节等功能，主要适用于温室等环境。郭克珺[7]研制开发了2YTF6 型灌溉液体施肥施药自动控制系统，可用于林业工厂化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等设施灌溉施肥生产管理。此外，我国学者还进行了其他相关研究，开发出多种自动施肥控制系统，通过软硬件的优化，基本实现了施肥的精确控制，能够达到与灌溉同步的效果。但是目前的研究成果大部分适用于温室等现代设施农业，还缺乏适用于大田滴灌的精准施肥系统。

3 液态精量施肥存在的问题

3.1 施肥量精度问题

随着精准农业的发展，对施肥精度提出更高要求，尤其是规模化的大田生产模式，实现精量施肥意义重大。但是目前精量施肥是大田作业中面临的突出问题，以新疆棉花种植为例，施肥量往往根据经验确定，很少对肥料的质量进行准确称量。这使得每次施肥误差不一，如何控制施肥精度是需要解决的问题之一。

3.2 施肥均匀度问题

目前大田滴灌施肥系统存在以下问题：肥料注入量采用人为计量，还未实现自动控制定量；施肥过程中浓度不均匀，施肥浓度易受到压力和流速的影响，出现前高后低的特点；无法实现自动化控制的精确操作。

3.3 当前滴灌施肥设备不能满足精准农业的发展要求

精量施肥的目的是将肥料直接施入作物根部区域，目前的滴灌施肥设备主要采用压差式施肥设备。这种设备的特点是在持续使用30 分钟后，液态肥会被淋洗到土壤底层，距离灌水结束时间越长这种情况越严重。不同的压力和水流流速会对注肥浓度曲线产生影响，这导致在对大田滴灌施肥时不同时段的注肥量是有区别的。如果不考虑压力和流速的影响，测得的地下养分的分布会存在较大误差，影响良施肥的效果。

3.4 机械的技术问题

我国变量施肥机械起步晚，导致许多传感设备需要进口，造成设备整体价格昂贵。自主研发的设备存在一些技术问题，难以达到理想的效果。主要表现在我国农业设备采用的差分卫星定位系统精度较低，导致施肥时依据的处方不精确，造成实际施肥量与目的地所需肥量存在较大偏离。另外，当前的机具在总量上可以实现变量配比，但是对于多元素的变量配比还没有实现。

4 解决问题的措施及展望

液态肥精量施肥技术是提高水肥利用率的有效途径，但是目前还未引起足够重视。针对目前存在的问题，需通过深入研究开发适合我国国情的精量施肥设备，充分发挥精准农业的优势，达到增产增收减少污染的目的。具体措施如下：

（1）加强技术研发投入，重视农艺与农机的的结合，将基础理论研究与应用技术开发相结合，研制符合现代农业发展的农机和农艺技术。

（2）加强新成果的推广及新技术新机具的培训。农业机械的发展需要科技研发与技术推广的密切配合，才能取得事半功倍的效果。

（3）抓紧淘汰落后技术，加大对新技术新设备的补贴力度。强制淘汰一批高耗能高污染的施肥设备，鼓励节能环保高效的农机技术推广应用，推进农业现代化进程。

随着科技的发展，液态精量施肥技术也将向智能施肥方向发展。实现这一目标需要农水、机械、电气、材料等多领域多学科人才紧密配合，充分发挥各自专业的优势。