变量施肥技术研究现状及发展对策

胡成红，徐 金，奚小波，张瑞宏,,3

（1.扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 2252127；2.江苏银涛智能装备有限公司，江苏 泰州 225311；3.南京沃杨机械科技有限公司，江苏 南京 211200）

0 引言

我国是农业大国，对化肥的施用非常依赖，如2018 年我国农用化肥施用5 653 万t，虽然较2015年减少了369 万t，降幅达6.1%，近几年也有下降的态势，但总体上我国农用化肥施用总量依然巨大。自20 世纪70 年代，化肥在农业上的使用对农作物产量的提升起到了很大的作用，但是由于滥施化肥，我国化肥利用率低、偏施严重、浪费巨大的现象非常普遍，由此产生了病虫害增加、能源和资金大量浪费、农产品质量降低、土壤肥力下降、环境污染等一系列问题。特别是农业成为了我国面源污染最大的产业[1]。改变传统的施肥模式迫在眉睫，实施和推广变量施肥技术是解决上述问题的重要举措。

变量施肥技术（Variable-rate Fertilizer Technology）是以优质、高产和环保为宗旨，将历年农田不同空间单元的产量数据与气候条件、土壤理化性质、病虫草害等多层数据进行综合分析，经过作物生长模型和营养专家系统的决策，得到不同空间单元内肥料的施用量，根据GPS 导航定位使用变量施肥机具进行田间精准施肥的技术[2-5]。国内外研究和实践表明：在确保农作物产量的前提下，实施精准变量施肥不仅可以极大减少化肥用量，有效提高肥料的利用率，还具有很好的经济、环境和社会效益[6-9]。本文结合相关研究资料，阐述国内外变量施肥技术的研究现状，分析变量施肥技术各部分发展特点，以及我国变量施肥技术存在的问题，并提出发展对策，以期为变量施肥技术及配套装置的研究和推广提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外变量施肥技术研究较早，始于20 世纪80年代。由于投入大量的研究资源以及得天独厚的农业作业环境，在国外变量施肥技术得到迅速推广。下面主要以美国、德国、法国、日本等国家为代表[10]进行介绍。

（1）北美地区在变量施肥技术的应用和推广最为广泛。如凯斯公司开发的空气播种机能够快速随时改变播种、施肥量，在一次作业中可以调整3 种类型化肥或种子的比例。Trimble 公司开发的田间计算机AgGPS170 被广泛的应用于常规农机具的变量改造上。Rawson 公司开发的多功能变量控制器ACCU-EATE 可以兼顾固态肥和液态肥的变量控制。

（2）德国Amazone 公司开发的实时变量施肥机。该机具通过安装在施肥机上的视觉传感器检测叶绿素在作物中的含量，从而计算出单位面积的作物产量及肥料投入量，然后经排肥机构进行变量施肥。

（3）法国基于GPS 和GIS 的变量施肥机械。其生产的“女骑士”变量施肥机具集成了GPS 和GIS技术，对于变量施肥技术的发展起到了很大的作用。其变量施肥控制系统在各种类型的离心式撒肥机上得到了广泛应用。

（4）日本的固态氮肥变量施肥系统。在小尺寸地块的变量施肥研究方面，日本具有较为独特的地位。其开发的针对水稻种植的变量施肥机械，对每个排肥机构进行单独控制，并通过风力将肥料输送到土壤里。

目前，国外变量施肥技术正朝着大型化、自动化、智能化和多种肥料同时变量施肥方向发展。通过打造完整的田间管理信息系统和服务信息网络，在发达国家变量施肥技术得到了广泛应用，农药和化肥的利用率达到了60%。另外，变量施肥技术在保护作物健康生长、控制作物施肥量、精量播种、中耕作业和农业用水分配等领域也得到了应用和推广。尽管在科技含量上，国外变量施肥机械有许多优点，性能也十分强大，然而面对我国农业耕作模式的现实，其施肥机械体积大、成本高、维修费用贵、难以适应国内发展的要求。

1.2 国内研究现状

国内变量施肥技术的研发相对较晚，在20 世纪90 年代后期才开始关注变量施肥技术并进行适当引进。由于我国农业施肥使用的技术和手段依然落后，农田施用的化肥的平均利用率长期在35%左右，浪费和污染严重。2005 年在农业部的推动下，测土配方施肥在全国1 200 个县被大力推广。近些年来，国内精准变量施肥技术发展迅速，在借鉴国外先进技术成果的基础上，开展了许多建立精准变量施肥技术体系的尝试，现如今变量施肥技术得到了农业研究界和社会的广泛接纳，取得了很多成果。

在研发仪器设备方面，主要在农作物或土壤养分的检测、田间信息管理系统等方面，如：北京农业信息技术研究中心研发的环境胁迫状态和作物品质诊断仪、NDVI 测量仪。吉林大学研发的田间地理信息系统[11]。

在研发变量施肥机方面：

（1）农业部南京农业机械化研究所金梅等[12]研制的精量播种施肥机，特点：可实现施肥过程中的漏播、堵塞声光报警检测，完成播种施肥复合作业。

（2）吉林大学贾洪雷等[13]研制的2BDB—6(110)型大豆仿生智能耕播机，特点：复合作业功能强大，一次作业可完成浅松、碎土、播种、施肥、扶垄和镇压等流程。

（3）北京农业信息技术研究中心研制的1G—VRT1 旋耕变量施肥机，上海交通大学研制的旋耕变量播种施肥机，东北农业大学王金武、郎春玲等研制的深施型液态变量施肥机，西北农业科技大学左光焜研制的机械式点状注肥机，南京农业大学施印炎等[14]研制的离心匀肥罩式水稻地表变量撒肥机等。

由于我国变量施肥技术还处于发展阶段，目前使用的变量施肥机多是在原有施肥机械的基础上改装而成，一次作业只能够变量施肥一种肥料。大多数的研究仅仅停留在田间试验阶段。如何在国外相关研究的基础上，根据我国农业生产的国情，制定一套适宜的变量施肥技术体系，开发出符合国情的多种变量施肥产品仍是亟待解决的问题。

2 技术分析

2.1 变量施肥处方图生成技术

变量施肥处方图生成技术包括土壤养分检测、空间插值算法、遥感技术和在线监测技术等[15]，包括4 个方面的研究：基于作物冠层光谱的施肥处方研究、基于作物叶绿素含量的施肥处方研究、基于生长模型的施肥处方研究和基于土壤特性与产量的施肥处方研究，其中基于土壤特性与产量的施肥处方研究为目前主要的研究方向[16]。

土壤养分的检测方法及各自的特点如表1 所示。可以看出，几种土壤测量方法都有各自的优点和缺陷，前3 种方法费时费力，不适合应用于变量施肥处方图生成技术，近红外光谱分析法具有低成本、高密度、高精度、实时性、便利高效等优点，在土壤养分分析领域具有巨大的潜力。

空间插值算法用作处理传统土壤点状采样数据进而获取土壤养分信息，针对土壤养分变量的插值算法的研究主要在确定性和不确定插值的比较，不同克里克插值的比较两方面。我国科研工作者从土壤养分信息获取的精确性和实用性出发，得出反距离权重插值法较适合于丘陵区、普通克里格插值法适合于平原区，反距离权重插值法总体上比普通克里克插值算法的内插效果具有较高的精度，反距离权重插值法是县域耕地地力评价养分空间插值的最佳选择的结论[17]。

上述土壤养分检测技术由于其自身的局限性，只适合进行小规模、精准的采样测量，无法满足现代农业大规模测量、快速性、高效性、实时性的要求，遥感技术的发展弥补了这个缺陷。目前，土壤养分遥感检测技术主要从土壤的遥感数据中提取有用的信息，进而对土壤养分信息进行反演，从而获得特定的数据。由于土壤被植被覆盖时间长，通过遥感技术直接测量作物植被指数从而间接测量土壤中的氮含量分布的方法获得了广泛应用[18]。遥感技术获取田间土壤养分信息的不足就是天气环境影响土壤信息的获取。

目前实时检测技术尚未发现成熟商品化的产品，研究主要集中在欧美国家，如美国Trimble 公司研发的GreenSeeker RT200C、德国Amazon 研发的光传感器变量施肥机。

由于土壤养分检测技术、实时检测技术研发不足等原因，我国施肥处方生成技术的发展仍然面临很多困难，尚未形成一种通用性成熟的产品。如何研发一种新技术解决如传统土壤养分检测技术的不足，完善处方生成技术是一个重要课题。

2.2 变量施肥控制系统

变量施肥控制系统具备采集作业信息、进行施肥决策和驱动排肥机构等功能[18]，是变量施肥的核心技术，主要由控制器（车载计算机、PLC、单片机等）、定位系统、传感器、排肥动力装置组成，在作业方式上有处方图作业和实时作业两种模式，在肥料性质方面有液态肥和固态肥两种形式——通过液压马达、步进电机或伺服电机驱动排肥机构施固态肥，或采用电磁比例阀变量施液态肥。国外在变量施肥控制系统方面做了大量研究，已经形成较为成熟的变量施肥控制方法、技术体系和通用性产品，并且已有了在线式变量施肥系统，如美国约翰迪尔公司生产的变量施肥机、凯斯公司生产的Flexisoil 变量施肥播种机。我国变量施肥控制系统根据控制器类型及控制方案、肥料性质、肥料排肥驱动机构、排肥效果、多肥料元素变量控制等因素组合形成了许多种变量施肥控制系统，侧重于变量施肥控制系统的设计、多变量施肥控制技术、变量施肥控制方案优化、变量施液态肥等方面的研究。

例如，在变量施肥控制方案优化方面，梁春英等从事控制系统PID 算法的设计与优化研究，通过建立变量施肥控制系统的数学模型，为控制系统的设计、PID 参数选择及控制性能的改进提供了理论依据[19-24]。对控制算法进入变量施肥控制领域具有重要意义。孙裔鑫等[25]针对由于田间土地平整度、机具行进速度等因素变化导致的变量施肥播种机施肥轮转速异常，影响施肥精度的问题，提出基于模糊PID 控制算法的变量施肥控制系统。

在变量施液态肥方面，邵利敏等[26]设计了基于PLC 的液态肥变量施肥控制器，其根据光学传感器实时测量作物的光谱信息，计算施肥量，并通过控制电磁阀的开启或关闭进行变量施液态肥。王金武、郎春玲等[27]在深施液态肥机的基础上，研发了一种基于单片机的变量深施液态肥控制系统。左光焜等[28]以3ZF-150 型轮式点状液态注肥机为基础，基于单片机，开发了一套完整的液态肥变量施肥控制系统。

我国科研工作者在变量施肥控制系统方面做了很多研究，也取得了不少成果，但是总体来看，大部分研究处于实验研究阶段，变量施肥核心控制系统研发能力偏弱，又由于排肥机构研究不足，我国并未出现成熟的变量施肥控制系统和产品。

2.3 变量施肥排肥机构

变量施肥排肥机构是施肥主要的执行机构。变量施肥技术的研究和推广，离不开对排肥机构作业特点的深入研究。目前对于变量施肥排肥机构的研究，主要集中在排肥机构结构设计、排肥精度的控制、排量的大小、幅度、均匀度和变异系数的控制等方面。

国外在变量施肥排肥机构上的研究和推广走在我们前面，已经实现了对施肥精度、均匀度、超宽幅

度的要求[18]。国内相关研究做了很多，也取得了许多成果，但大多数机构处于研究阶段。

2.4 变量施肥监测系统

施肥监测系统是变量施肥技术的一个重要组成部分，主要有3 种类型，分别为机械报警器、机电信号报警器和电子仪器型监测装置。

机械报警器和机电信号报警器是早期发展的监测系统，适合于简单、功能单一的播种施肥装置，电子仪器型监测装置通过在排肥机构各个位置安装传感器监测排肥作业情况，具有高灵敏性、实时性、全面性的特点，可以在排肥出现异常时报警，也方便作业人员全面了解作业机具的运行状态。

我国的变量施肥监测系统的研发起步较晚，发展很快，已发展多种变量施肥监测系统。电子仪器型监测系统以其独特的优势和应用的广泛性，成为我国科研工作者的研究重点。其中光电传感器监测设备以其监测速度快、可靠性强的优点，成为国内监测方法的主要研究方向[16]。

随着农业机械化作业的发展，机具在田间作业时，由于机器故障、监测装置缺乏容易产生重施、漏失等问题，加大农业机具特别是播种施肥机具监测系统的研究和推广力度是解决上述各种问题的关键举措[29]。

3 存在的问题

（1）农业生产环境约束。我国农业生产方式主要以家庭经营生产为主，土地狭小、多样而分散，经济基础薄弱，实现现代化精准农业较为困难。

（2）国外技术封锁，国内研究基础薄弱，研究和推广动力不足。

（3）土壤养分信息获取效率低，设备兼容性差，信息不能共享，人工维护成本高。

（4）实时控制系统研发不足。瓶颈在于传感器的研发与电子技术的应用不足，专家决策系统更新慢，容易滞后，导致决策不准确、误差较大。

（5）现有机具效果欠佳。目前我国的变量施肥机具大多是在已有的施肥机具上进行改造而来，整体上缺乏稳定和可靠的性能，施肥效果欠佳。

（6）国产化智能控制系统研发不足，操作不便，成本较高。

（7）多种肥料混合变量施肥研究薄弱。实施颗粒肥和液态肥变量施肥大多在肥料总量上进行变量施肥，不能实现氮、磷、钾多元素配比混合施肥。

（8）液态施肥机发展薄弱。大多数液态施肥机需要开沟深施后机械覆土，增加了机械设备，从而导致机具成本增加；液氨的腐蚀性与刺激性，会危害农业工作者的身体健康，还会对机具产生腐蚀；另外国内对液肥的研发生产和应用力度不够，导致液态施肥机研发动力不足。

4 我国变量施肥技术发展对策

（1）开发适合不同地区需求的变量施肥机具。由于我国农业高度分散、人员密集、作业强度大，因此根据我国农业发展具体情况，开展适合我国农业发展的变量施肥机械和施肥技术的研究和实践，生产各种型号的变量施肥产品至关重要[30]。

（2）借鉴国外技术。国外特别是欧美国家在变量施肥技术的研究上有许多值得借鉴的地方。例如可以借鉴西方国家对土壤养分的分析和管理技术，制成养分图层，完善科学变量施肥体系，从而避免土壤信息采集的困难；在实时变量施肥控制方面，可以借鉴德国运用视觉传感器研制的变量施肥机械；在GPS 和GIS 数据库结合方面，可以借鉴法国Amasat变量施肥系统等。

（3）加强新型机具、排肥机构的研究。针对故障率高的部件进行针对性研究，促进变量施肥技术和现有机具的结合。

（4）加快新技术的应用，探索新型的变量施肥方式。如在土壤养分实时检测方面，加强新型传感器的研发，在无人机施肥方面，加强应用推广。

（5）改变机具功能单一的特点，做到一机多用，实现旋耕、播种、施肥、镇压等复合作业，同时实现多变量配比施肥作业。

（6）建立完善的变量施肥体系。加快处方生成技术和变量施肥控制系统的研发[31]，加强农业机械和常用仪器设备的标准化建立，加强人员技术交流合作，以提高变量施肥机施肥性能，完善变量施肥技术体系。

（7）加快变量施肥机械的推广，替代落后机具。研究人员在机具研发本身上考虑农业从业者的需求和接受能力，研发易操作、高效、低成本的变量施肥机具；政府加强对变量施肥机具的宣传力度，组织农业从业者进行培训，对新机具进行补贴，强制淘汰低效率和污染重的施肥机具，鼓励成立变量施肥科技服务企业，以收费代替直接购买促进变量施肥机械的推广。

（8）培养精准农业应用型人才。精准农业的研究、应用及推广需要一批具有较高科技文化素质的农业从业者，因此，应增加资金投入，加大力度培养基层高素质的精准农业应用型人才。

（9）培育大型变量施肥播种机研发制造企业。优化产业布局，加快变量施肥播种机企业的兼并重组，形成一批具备资金和技术实力的有竞争力的变量施肥播种机企业，引领我国变量施肥领域的发展。

5 结 语

随着农业科技的发展、人们环保意识的提高，精准农业作为农业发展的方向之一，将在未来的农业科技领域占据重要的地位，变量施肥技术也将获得更多的关注。目前我国变量施肥技术和世界先进水平还有较大的差距，并且由于我国特殊的农业生产环境，发展一条适合我国农业发展的变量施肥技术体系尤为重要。变量施肥技术体系和标准的建立对于有序推进变量施肥技术的研究和实践具有重要的意义，因此需要从战略层面，建立一套适合我国国情的技术标准体系，指定优先发展方向，有针对性的对变量施肥关键技术进行研究和实践，攻克技术难关，研发出符合我国国情的变量施肥产品序列。另外加强技术交流，引进先进科技和施肥理念，着力提高变量施肥播种机行业的科技创新能力。优化产业布局，创造良好的条件，打造龙头企业，使我国变量施肥走出一条可持续发展之路。