处方图式变量施肥技术的关键节点

孙皓政 孔凡霞

化肥是重要的农业生产资料，是作物产量和品质的重要保证，在很大程度上影响着粮食产量和品质。据联合国粮农组织的统计，化肥对粮食的贡献率占40%左右。我国能以占世界7%的耕地养活22%的世界人口，化肥功不可没。传统的施肥方式是在一个地块内使用一个施肥标准，然而在同一地块内不同区域的土壤中有效养分的含量存在差异，如果采用平均施肥，会造成在肥力低的区域肥力不足；而在肥力高的区域肥力过量，其结果必然造成资源的浪费、成本的提高和环境的污染。变量施肥技术是根据植物的生长需求、土壤的养分情况还有其他环境因素，精确计算和调控肥料的施用量，把化肥的施用量控制在合理的范围内。本文介绍了变量施肥中基于土壤处方图的变量施肥研究现状以及技术的特点，旨在为精准变量施肥技术的推行提供参考。

一、研究现状

在基于处方图的变量施肥方面，孟志军、赵春江等［1］设计了基于处方图的精准变量施肥系统，系统采用通用的CAN总线协议和ISO11783总线通讯协议，通过数字PID算法控制电液比例阀从而控制液压马达的转速实现对排肥量的调节，施肥实验表明约有3.57ｍ的施肥滞后距离，施肥延迟时间约为1.84s。陈立平、黄文倩等［2］利用CAN总线通讯协议设计了一种精准变量施肥控制器，利用光电码盘反馈的信号形成闭环的PID控制，对电液比例阀的开度进行调节，并通过实验对PID的参数进行整定，针对磷酸二铵、复合肥和尿素三种肥料分别进行控制曲线的标定实验，在小汤山的田间施肥实验证明系统的尿素施肥量可在130.5kg/hm2～325kg/hm2之间连续调节，在实验条件下，测试满足变量施肥需求。吉林大学的张书慧、马成林［3］等人设计制造了一种可以实现变量施肥功能的施肥系统，将施肥决策数据写入IC卡，施肥作业时通过读取IC卡上的施肥指令，利用单片机系统控制施肥机排肥轴转速来动态调节施肥量，系统在5.83hm2的试验田上取得了一定的预期效果。

二、关键技术

空间变异性分析：通过采用地理信息系统（GIS）和空间统计技术，对农田内土壤养分含量和植物生长状态的空间分布进行分析。这有助于确定不同区域和子区域的养分需求差异，从而实现精确施肥。

变量施肥方案优化：通过基于土壤测试和植物需求分析，运用数学模型和优化算法，制定最优的变量施肥方案。这些方案考虑了不同区域的养分缺乏或过剩情况，并根据作物生长阶段和养分需求量进行精确调整。

遥感数据分析：利用遥感技术获取农田相关数据，如植被指数、热红外图像等，以评估作物的生长状况和养分吸收情况。这种数据分析有助于优化变量施肥方案，并及时发现植物的养分需求变化。

变量施肥设备与控制技术：使用先进的变量施肥设备，如具有自动化控制系统的精确喷施器或滴灌系統，能够根据处方图式要求调整施肥量、施肥速度和喷洒方向等。这些设备通过实时监测和反馈机制，使施肥过程更加精确和高效。

农田传感器网络：利用分布在农田中的传感器网络，实时监测土壤养分含量、湿度、温度等参数，并将数据传输至中央控制系统。这样可以实现农田的精细化管理和变量施肥的实时调整，以满足作物的特定需求。

数据管理与决策支持系统：建立农田数据管理系统，集成土壤测试数据、遥感数据、传感器数据等，并应用决策支持系统（DSS）进行数据分析和决策制定。DSS利用数学模型、模拟仿真和专家知识，为农民和农业专家提供优化的变量施肥建议。

通过综合应用这些专业技术，处方图式变量施肥能够实现农田管理的精确化和个性化，最大程度地提高农作物产量和质量，同时减少肥料的浪费和环境污染。

三、总结

总之，变量施肥作为精准农业的重要组成部分，可以极大地提高农业生产的效率、节约资源和成本，同时能够减少环境污染的风险，这种精确施肥的方法有助于推动农业的可持续发展和保证粮食安全。

参考文献：

［1］孟志军，赵春江，刘卉，等.基于处方图的变量施肥作业系统设计与实现［J］.江苏大学学报：自然科学版，2009，30（4）：5.

［2］陈立平，黄文倩，孟志军，等.基于CAN总线的变量施肥控制器设计［J］.农业机械学报，2008，39（8）：5.

［3］张书慧，马成林，吴才聪等.一种精确农业自动变量施肥技术及其实施［J］.农业工程学报，2003（01）：129-131.

（作者单位：山东理工大学农业与食品科学学院）