精准施肥技术研究现状和展望①

李圳鹏 梁春英 李普 王鹏宇 邹立雯 张荣丹

（1 黑龙江八一农垦大学工程学院 黑龙江 大庆 163319；2 黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院 黑龙江 大庆 163319）

中国是世界上最重要的农业生产国之一，其中棉花产量居世界首位，水稻播种面积位于世界第二位，同时中国也是世界上水稻总产量最高的国家，水稻总产量约占全球的31%。作为一个农业大国，肥料在中国农业生产中占有非常重要的地位。据国家统计局数据，2013年中国化肥生产量为7 037万t，农用化肥施用量为5 912万t，约占世界化肥总用量的1/3，是世界上年化肥使用量最大的国家［1］。化肥的使用大大提高了农业生产效率，据联合国粮农组织（FAO）调查数据显示，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］。据测定，中国氮肥当季利用率为30%～35%，磷肥为15%～20%，钾肥为35%～50%，利用率普遍低于一些发达国家15%～20%［3］。

本文通过查阅相关文献阐述了中国变量施肥的技术应用和研究现状，具体分析了国内外诸多企业和学者应用变量施肥技术的典型案例。最终总结了我国变量施肥技术目前仍存在的问题和不足，并针对存在的问题提出相应的建议。

1 国内外研究现状

1.1 基于处方图的变量施肥

基于处方图的变量施肥是通过现代信息技术将大型农田划分成若干个小网络，然后在每个网络中进行标点采样，将采样到的数据发送到施肥专家系统，通过专家系统决策分析生成处方图，制定适宜的N、P、K和其他微量元素等肥料的施用数量，在合适的施肥时期用适合的施用方法。如果在农村小块自然田，可以根据高精度的GPS测量仪将每户自然田定位识别，依据每户亩产潜力数据和变量施肥电子处方图系统生成施肥处方图［4］，将生成的处方图提前嵌入施肥机，最后，施肥机依据处方图调节排肥驱动器实现变量施肥。

美国的John Deere公司研制了一种基于处方图的液态施肥机，此施肥机械以AG-CHEM控制系统作为核心控制器，机体配置GPS定位系统，能达到精确变量施肥的效果。法国的库恩（Kuhn）公司研制了一款悬挂式变量撒肥机［5］，该机采用GPS系统和GIS系统自动生成肥料撒施分布处方图，可实时调节撒肥盘开度与角度，实现高效变量撒肥作业。加拿大Cheema等［6］研究了一种基于处方图的小麦种植施肥系统，该系统通过DGPS进行标记地点，分别进行两个采样深度采集土壤和作物产量样本，进行采样点的养分管理生成电子处方图，根据土壤和作物需求进行定点变量施肥，有效提高了经济效益和环境效益。

Chiara Cilia等［7］提出了一种利用高光谱遥感图像绘制玉米田变量施氮素状况图的方法，利用AISA Eagle高光谱传感器对玉米种植试验场进行了空中调查在4个重复中用两种氮肥水平（0和100 kg N/hm2）生长。根据实际含氮量与最佳含氮量的差异，提出了一种基于像素的变量施肥图的生成方法。

北京农业信息技术研究中心安晓飞等［8］设计了一套基于处方图的玉米4要素变量施肥控制系统，该系统通过电液比例控制四路排肥器，根据设置的目标施肥量，调节比例阀开度，实现N、P、K和微肥的同步控制。南京农业大学李锐等［9］设计了一种基于GPS和百度地图API平台的简易处方图生成系统，该系统利用Android系统生成电子处方图，指导变量施肥作业。吉林农业大学郝云鹏［10］研究了基于GIS玉米变量施肥作业系统，该系统通过GIS和GPS设备获取田间地形边界图和采集标记点土壤养分含量信息，绘制变量施肥网格处方图，进而实施变量施肥作业。浙江大学郑启帅［11］设计了一种基于多旋翼无人机的油菜变量追肥系统，该系统通过多光谱图像和RGB预测油菜蕾薹期冠层氮素含量，利用算法生成作业处方图实现氮肥的变量施用。

1.2 实时监测自动变量施肥

实时监测自动变量施肥控制技术是由实时传感器测出土壤参数，分析土壤肥力，把信息输入施肥决策系统，通过对采集到的数据建模，结合目标产量（参考历年产量）和机具作业速度，由智能施肥专家系统定出施肥量，然后把信号输送给控制系统，由控制系统控制排肥驱动器从而控制排肥轴的转速，达到精准智能调控排肥的目的。实时监测自动变量施肥控制技术原理：在中央处理芯片嵌入一套高精度的施肥决策系统接受决策数据，同时读取转速传感器反馈的机具行进速度，将目前机具速度与获取的决策数据综合运算，计算出控制排肥轴转速大小的控制脉冲。由施肥决策系统决策出的施肥量和速度传感器测出的速度定出排肥轴的转速，排肥量与排肥轴转速的关系也可推导出来，进而控制不同肥料的不同配比。

德国阿玛松（Amazone）公司研制的ZA-B系列牵引式变量撒肥机［12］，该机配备了多种农用传感器，可实时采集农作物生长特征，快速计算单位区域内最适于农作物生长的施肥量，通过独立液压驱动装置控制离心撒肥盘工作转速及幅宽将采集的数据发送到中央处理器，处理器经过计算控制液压马达的转速，实现精准变量施肥作业。

JoséF R等［13］在春小麦试验作物上实现了自动控制变量施肥系统。该系统包括微控制器、液晶显示器、比例流量控制电磁阀、转速传感器和安装在钻机施肥机轴上的液压马达。Back S W等［14］研究了一种利用土壤传感器、图像处理技术和光谱探测技术实时获取施肥决策的方法，实现控制变量施肥的目的。

南京农业大学陈满等［15］基于近地光谱技术研制出冬小麦精准变量施肥机，该机采用STM32单片机作为核心控制器，通过对直流电机和伺服电机的控制，来实现对排肥器转速和排肥器开度的实时调节，进而达到冬小麦施氮肥的实时在线变量控制。南京农业大学施印炎等［16］设计了一种基于传感器的双圆盘离心匀肥罩式水稻地表变量施肥机，该机采用STM32F103核心控制器的反馈系统，可实现区域性实时变量施肥。东北农业大学张继成等［17］基于增量式PID算法设计了一种精确施控系统，该系统采用闭环控制算法、测土配方技术和固体肥施肥控制系统相结合，实现多种固体肥实时自动配比的目的。

2 精准施肥实践问题

2.1 变量施肥宣传推广不足

我国大多数地区依旧采用传统施肥方式，变量施肥技术宣传不足，没有从农户需求视角出发构建变量施肥技术推广服务机制，农民不了解变量施，也没有意识到盲目、过度施肥的危害。

2.2 变量施肥作业模式对比

由于变量施肥机具的智能化进程慢，实时变量控制精度不足，部分变量施肥技术还处于实验研究阶段，目前，变量施肥技术和变量施肥机具无法适应多种地貌作业。两种变量施肥作业模式对比分析如表1所示。

基于处方图的变量施肥系统工作稳定，可以依据处方图调节施肥机的排肥驱动器，实现在目标田内均匀施肥，不同自然田变量施肥［18］；变量施肥系统功能更加完备，带有变量施肥电子处方图的播种机械，可在不同模式下实现精密播种和变量施肥［19］；变量施肥作业受天气影响较小，不违农时，但基于处方图的变量施肥需要提前生成施肥处方，准备工作量大，需要稳定的3S信号支持，否则会影响变量施肥精度。

实时监测自动变量施肥技术通过多种测土传感器实时检测田间土壤信息，根据土壤养分的需要，按需投入，不需要生成处方图，直接进行肥料配比，施肥工作量相对较少。但实时监测自动变量施肥技术对系统集成度和硬件性能要求较高，研究投入成本大，短期内达到生产实践比较困难。由于受极端恶劣天气的影响，尤其是降雨环境下，土壤墒值高、土壤间粘滞系数大，导致土壤粘附在传感器表面，使系统的可靠性大幅降低。

3 精准施肥应用展望

提高农民对变量施肥技术的认知，加强培训农民对农业技术生产的技能，为农民展示变量施肥机械的作业优势，让广大农户接受变量施肥技术投入到自家农田生产中，避免因盲目施肥、过度施肥对农作物和农田环境造成不可恢复的危害。

尽管对变量施肥控制技术已经研究比较充分，但实时监测和控制技术达不到低成本、高精度的目标。在接下来的研究阶段中，重点突破实时监测变量施肥控制技术的研究，开发出适合我国农艺要求的实时监测变量施肥智能装置；鉴于无人机技术近年来在我国的高速发展，且在其他农业智能化装备发展中得到了广泛地应用，故未来可利用无人机技术检测植物长势，实现实时精准变量施肥，变量施肥作业会朝着无人化方向发展。