變量施肥自動控制技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

劉茂成++梁天航++陳奕穎

摘 要：傳統(tǒng)的施肥方式存在結構不合理、肥料利用率低、環(huán)境污染等問題。變量施肥是解決這些問題的辦法。本文概述了變量施肥的概念、研究現(xiàn)狀以及技術體系，并對現(xiàn)存問題和發(fā)展趨勢做了分析和展望。

關鍵詞：精準農業(yè)；變量施肥；決策系統(tǒng)；變量控制

中圖分類號：F147.2 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20151232011

引言

施肥獲取高產是當代農民的一個共識，傳統(tǒng)施肥易造成局部平均，由于土壤肥力千差萬別，平均施肥易造成不足或過量，不但不能增加產量，反而會造成資源利用不合理、污染環(huán)境。長此以往，過量的化肥引起土壤有機質缺失、破壞生態(tài)環(huán)境及農產品品質下降等問題。西方發(fā)達國家針對以上問題，對農業(yè)現(xiàn)狀進行分析，將施肥方式改由定量投入轉為變量投入。從而活化了土壤，節(jié)約了資源，修復了環(huán)境，提高了品質。變量施肥自動控制技術是實現(xiàn)精準施肥的橋梁，是集農田信息采集、分析決策等技術和農業(yè)工程裝備技術的優(yōu)化組合[1]。本文在前人的基礎上，概述變量施肥自動控制的概念、發(fā)展現(xiàn)狀及其技術理論體系，立足當下，展望未來。

1 變量施肥及自動控制技術

1.1 概念

所謂變量施肥，就是以不同的空間單元為基準，根據產量數(shù)據和其他多層數(shù)據（土壤特性、病蟲草害、氣候等信息）的疊加分析為依據，建立作物生長模型、作物專家系統(tǒng)，以高產、優(yōu)產、環(huán)保為目的，因地適宜的為作物全面平衡施肥[2]。

1.2 自動控制技術體系

變量施肥自動控制有2種形式，實時控制施肥，根據監(jiān)測土壤的實時傳感器信息，控制并調整肥料的投入數(shù)量，或根據實時監(jiān)測的作物光譜信息分析調節(jié)施肥量；處方信息控制施肥，依據決策分析后的電子地圖提供處方信息，對大田中肥料的撒施量進行定位調控，這是目前國內外研究最廣的方式。處方信息控制施肥是依據GIS獲取的處方信息和GPS獲取的田間位置信息，由變量控制器搜集處理相關信息，分析后控制相應執(zhí)行機構進行變量作業(yè)[3]。如圖1所示

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

美國大型變量施肥的典型代表是John Deere公司的播種施肥車，拖拉機機頭安有AgGPS132接收機、尾翼安有無數(shù)個電控無級變速器，工作翼展達25m，駕駛室內有各種儀器，可以通過屏幕監(jiān)控施肥處方圖及施肥機行走路線[4]。

日本研制出適用水稻的施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)小巧輕便，該機自帶GPS，駕駛室內有監(jiān)視器，可以查詢作業(yè)處方圖，基于GIS信息，機具前進速度，通過監(jiān)視器查詢儲存在地圖中相應的處方來控制排肥 [2]。

德國AMAZONE公司基于植物葉片反射原理，利用高光譜氮營養(yǎng)診斷，研制出了一款變量施肥機，通過安裝在拖拉機頭部的高光譜測量儀，實時測得作物冠層的NDVI值，通過作物追肥模型計算出氮素的追肥量，經中央處理器處理成數(shù)字脈沖信號，通過執(zhí)行機構實現(xiàn)精準變量施肥[4]。

俄羅斯全俄農機化研究所研制的變量施肥機，利用電磁鐵和共振片原理，通過控制安裝在施肥口電磁鐵的電磁頻率，產生不同的震動，來控制施肥口的開啟和閉合，施肥量從而得到自動控制[2]。

2.2 國內研究現(xiàn)狀

近年來，變量施肥技術在國內興起一股學習潮流，高校和科研院率先取得一些成果。汪懋華作為學科領軍人，較早地進行了該方面的研究。

國家農業(yè)工程研究中心在田間進行了小麥精準施肥；選取2個完全不同處理的地塊，拖拉機上裝有AgGPS170，執(zhí)行機構選用電控液壓馬達，于2003年研制出了《精準變量懸耕施肥機》，并獲得發(fā)明專利[3]。

吉林大學張書慧等制造了由GPS，單片機、施肥決策卡及播種施肥機等4部分組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C52為中心，拖拉機速度不同，施肥量不同，施肥量可以讀取決策卡獲得。單片機依據決策卡及拖拉機速度，輸出不同信號給排肥軸，從而變化出不同的排肥量。

黑龍江八一農墾大學 [4]基于PID算法，利用差分GPS定位、GIS確定不同單元的施肥量，結合農、機、電3種優(yōu)勢，加入PID算，實現(xiàn)了三者一體化。黑龍江友誼農場引進美國CASE公司先進設備，示范D-GPS糾偏差分站，區(qū)域自主進行，取得了一定的成功。

河北農業(yè)大學邵利敏、王秀[5]等基于PLC原理，實現(xiàn)了變量施肥控制系統(tǒng)的設計與試驗，采用無損光電檢查技術，通過歸一化植被差異指數(shù)測量儀實時獲取歸一化植被差異指數(shù)，依據該值的大小，傳送給中央處理器，處理器依據模糊控制算法，結合施肥機具行進速度，輸出PWM信號給電磁閥，控制施肥口不同的施肥量。

張睿等于2012年設計了一種變量施肥拋撒機，其原理基于配方圖，變量效果較好，均勻性強，在拖拉機速度較慢時，誤差較小[6]。

郎春玲等于2013年主要研究深施型液態(tài)施肥機，調節(jié)誤差極低，精度平均可達 98%，該系統(tǒng)設計合理，使用極其方便[6]。

3 機械及控制技術存在的問題

由于我國變量施肥技術處于起步階段，沒有被大范圍使用。針對不同農作物，沒有對應的裝備?，F(xiàn)如今存在如下問題：

實時控制施肥處于研究階段，瓶頸在于傳感器的研發(fā)與電子技術的應用。遙感技術成本高，不利于推廣。

機械部件存在許多問題，機械設備不先進，或操作不友好，需要自主研發(fā)更本土化的設備。

自動變量施肥變量比較單一，需要向多變量或自動施肥的方向發(fā)展。

專家決策分析系統(tǒng)更新速率慢，需求數(shù)據多且不易測得，模擬的結果與實際存在較大誤差。

變量農機具較發(fā)達國家起步晚，差距巨大。常用儀器接口不兼容，沒有統(tǒng)一標準，不能共享數(shù)據，人工維護成本高。

4 應用展望

變量施肥作為一種新興的技術，在國外發(fā)達國家已初具規(guī)模，但在當代中國，尚處于試驗階段，應該深入研究，大力推廣，尤其是系統(tǒng)集成和應用。研究出基于微機控制的精量施肥控制系統(tǒng)、供肥系統(tǒng)和分肥限量系統(tǒng)；快速研發(fā)出功能健全的施肥控制系統(tǒng)；能準確快速地檢測農田養(yǎng)分含量是我們的當務要事。同時研發(fā)施肥設備，降低生產成本，方便易用，并且能為農民所掌握，且最終能大面積得到推廣。一定要學習借鑒國外的先進經驗，結合我國土壤墑情，加強跨區(qū)域、品種的聯(lián)合作業(yè)機的研究力度。從而實現(xiàn)資源更好的有效、高效利用，實現(xiàn)農業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 曲柱寶，田耘.變量施肥的實現(xiàn)過程及其發(fā)展前景[J].中國農機化，2005（4）：50-52.

[2] 張濤，趙潔.變量施肥技術的研究進展[J].農機化研究，2010（7）：233-236.

[3] 孫成. 變量施肥機控制系統(tǒng)的研究[D]. 吉林：吉林農業(yè)大學，2008.

[4] 趙登峰，張立新，吳金林.變量施肥研究現(xiàn)狀及在新疆棉花上的應用展望[J].農機化研究，2012（04）：213-219.

[5] 牛曉穎.精準農業(yè)變量施肥技術及其實施系統(tǒng)的研究[D].河北：河北農業(yè)大學，2005.

[6] 孫國祥，陳滿，汪小旵.變量施肥機關鍵技術研究現(xiàn)狀分析[J]. 江蘇農業(yè)科學，2014，42（2）：333-339.

作者簡介：劉茂成（1986—），男，山東濟寧人，碩士，主要從事智能化檢測與控制研究。