魏麗梅

（阿克蘇地區(qū)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，新疆 阿克蘇 843000）

目前我國的化肥投入突出問題是結(jié)構(gòu)不合理、利用率低?；释度胗绕涫橇追实耐度肫毡槠?，造成養(yǎng)分投入比例失調(diào)，增加了肥料的投入成本。我國肥料平均利用率較發(fā)達(dá)國家低10%以上，氮肥為30%～35%，磷肥為10%～25%，鉀肥為40%～50%。肥料利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且環(huán)境污染特別是水體富營養(yǎng)化的直接原因之一。眾所周知的太湖、滇池的富營養(yǎng)化，其中來自肥料面源污染負(fù)荷高達(dá)1/3～1/2。隨著人們環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)和農(nóng)產(chǎn)品由數(shù)量型向質(zhì)量型的轉(zhuǎn)變，精確施肥將是提高土壤環(huán)境質(zhì)量，減少水和土壤污染，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑。

而在當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的重要時(shí)期，以現(xiàn)代信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)已經(jīng)成為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的重要手段。精確農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture or Precision Farming）稱精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，有的還稱為數(shù)字農(nóng)業(yè)（Digital farming）、信息農(nóng)業(yè)、計(jì)算機(jī)輔助農(nóng)業(yè)（Computer aided farming）等。開始于20世紀(jì)80年代初期，并迅速發(fā)展成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的高技術(shù)前沿。所以精確施肥在中國非常有必要性。

1 變量施肥的研究意義

20世紀(jì)后半期世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術(shù)的進(jìn)步和耕地面積，灌溉面積的擴(kuò)大外，基本上是在化肥與農(nóng)藥等化學(xué)品和礦物能源的大量投入條件下獲得的。但由此引起的水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、水體營養(yǎng)化等問題，已經(jīng)引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，并推動(dòng)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精細(xì)農(nóng)業(yè)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。精細(xì)農(nóng)業(yè)的興起對(duì)合理施肥提出了新的理論和計(jì)數(shù)要求。從使用來看，化肥對(duì)糧食的產(chǎn)量和貢獻(xiàn)率占40%，即使化肥利用率高的國家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，鉀60%左右，磷肥的利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸鹽含量過高等環(huán)境問題。精準(zhǔn)施肥的理論和技術(shù)將是解決這一問題的有效途徑。

精準(zhǔn)施肥即測土平和配方施肥，是“肥料當(dāng)家”的高級(jí)形式，是以不同的空間單元的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與其它多層數(shù)據(jù)（土壤理化性質(zhì)、病蟲草害、氣候等信息）的疊合為依據(jù)，以作物生長模型，作物營養(yǎng)專家為支持，以高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，環(huán)保為目的的變量處方施肥理論和技術(shù)。變量施肥技術(shù)是信息技術(shù)、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)的優(yōu)化組合，是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分。按作物生長期可分為基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分為精施和撒施。按精施的時(shí)間性分為實(shí)時(shí)精施和時(shí)后精施，其要素投入的增產(chǎn)幅度約為8%～19.8%，且能提高肥效8.2%。它不但能保證作物所營養(yǎng)素N、P、K的最佳配合比例，還能根據(jù)作物的特點(diǎn)及其產(chǎn)量水平適應(yīng)度調(diào)整，甚至增施某些微量元素。

變量施肥技術(shù)由土壤數(shù)據(jù)和作物營養(yǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，決策分析系統(tǒng)，變量控制施肥機(jī)械設(shè)備及變量控制技術(shù)等組成。

2 變量施肥與傳統(tǒng)施肥方式的比較

（1）使用技術(shù)不同。變量施肥技術(shù)由土壤采樣、養(yǎng)分測試、施肥決策、變量投入機(jī)具和產(chǎn)量測試等一整套技術(shù)組成，使用了GPS、GIS和智能控制等現(xiàn)代先進(jìn)的信息技術(shù)、屬于農(nóng)業(yè)高新技術(shù)范疇。即變量技術(shù)包含了傳統(tǒng)技術(shù)，前者是后者的改進(jìn)。變量施肥土壤采樣前，對(duì)農(nóng)田進(jìn)行網(wǎng)格（施肥單元）劃分，網(wǎng)格大小根據(jù)養(yǎng)分差異確定。在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，按網(wǎng)格采樣，然后使用變量施肥決策系統(tǒng)進(jìn)行施肥決策，并按網(wǎng)格施肥和測產(chǎn)。

（2）經(jīng)營方式不同。傳統(tǒng)施肥對(duì)一大塊甚至一個(gè)自然村的農(nóng)田進(jìn)行測土和施肥，是一種粗放式經(jīng)營。事實(shí)上，土壤養(yǎng)分在田間分布存在差異，這也是變量施肥的客觀基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的施肥方法在同一塊農(nóng)田內(nèi)均一施肥，必然會(huì)使土壤肥力低的地方施肥不足，肥力高的地方施肥過量，最終造成產(chǎn)量分布參差不齊和肥料過分浪費(fèi)。變量施肥則對(duì)大塊農(nóng)田進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按網(wǎng)格采樣和使用變量施肥機(jī)按施肥網(wǎng)格施肥，實(shí)現(xiàn)了按需變量投入，施肥網(wǎng)格更小，施肥更精確、更有針對(duì)性，適合集約式經(jīng)營。

（3）肥料養(yǎng)分投入比例可調(diào)。國外先進(jìn)的變量施肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了N、P、K分別調(diào)控，更有效避免了單項(xiàng)養(yǎng)份的過多使用。傳統(tǒng)的施肥機(jī)只有一根排肥軸，對(duì)肥箱中的肥料進(jìn)行施用量的調(diào)節(jié)，而不能夠調(diào)節(jié)肥料中不同養(yǎng)分的比例。因此，在傳統(tǒng)施肥中，人們經(jīng)常為了保證某單項(xiàng)養(yǎng)分（如P）的投入，而造成其它養(yǎng)分的過多使用（如K），這是肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染的主要根源之一。

3 變量施肥機(jī)的研究意義

農(nóng)機(jī)的可持續(xù)發(fā)展要求實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)。生態(tài)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的統(tǒng)一，在推進(jìn)精細(xì)農(nóng)業(yè)時(shí)才會(huì)更明顯。先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械提出了更高的要求，農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展會(huì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)層次的提高。實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)的途徑是發(fā)展智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)械。

智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械IAM首先必須利用DGPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位，必須根據(jù)田間處方圖生成的智能控制軟件，針對(duì)農(nóng)田小區(qū)存在的差異自動(dòng)執(zhí)行分布式投入決策。各種智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的出現(xiàn)，使精細(xì)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

長期以來，農(nóng)民習(xí)慣在種植區(qū)大面積施用同樣的肥料，但不同小區(qū)土壤含肥情況不一樣，施用相同類型和劑量的肥料，會(huì)造成很大的浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境污染問題，因此應(yīng)根據(jù)不同小區(qū)、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要，采取變量施肥。

變量施肥機(jī)的主要任務(wù)是在GPS、GIS、RS等技術(shù)支持下實(shí)現(xiàn)精確定位與變量作業(yè)，首先通過GPS確定所處位置，在利用各類傳感器采集作物和環(huán)境信息，實(shí)時(shí)信息被輸入到預(yù)裝有農(nóng)藝、土壤、植株、管理等方面數(shù)據(jù)的機(jī)采決策系統(tǒng)，機(jī)載決策系統(tǒng)經(jīng)過處理做出決策，并傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料的變量投入或操作調(diào)整。變量施肥機(jī)依靠客觀數(shù)據(jù)來做決策和動(dòng)作，針對(duì)不同小區(qū)的作物，變量而非均一的投入農(nóng)資，有利于節(jié)本增效，減少環(huán)境污染。同時(shí)也避免了由于人的判斷能力和不同的操作水平而帶來的差異，也可減輕操作人員由于疲勞而帶來的判斷失誤。

變量施肥機(jī)是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的重要組成部分，它的研究和發(fā)展是精細(xì)農(nóng)業(yè)能否得到廣泛實(shí)踐的關(guān)鍵。變量施肥技術(shù)由土壤數(shù)據(jù)和作物營養(yǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、決策分析系統(tǒng)、變量控制施肥機(jī)械設(shè)備及變量控制技術(shù)等組成。

地下施肥機(jī)的作用是向田間施用肥料，以增加土壤肥力、補(bǔ)充作物養(yǎng)料，滿足作物在整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)養(yǎng)分的需求。而作物在生育期間對(duì)養(yǎng)分有不同的需求，使施肥機(jī)施用肥料的品種和數(shù)量各有差異。為此，要設(shè)計(jì)研制精確農(nóng)業(yè)自動(dòng)變量施肥機(jī)。

地下施肥機(jī)可以：①提高肥料利用率。通過測土配方施肥可以合理的確定施肥量和肥料中營養(yǎng)原素比例，提高肥料利用率；于可提高品質(zhì)、節(jié)約成本、增加效益。測土地配方施肥可確定投入量及各種肥料的比例，降低成本，增加收入；③經(jīng)濟(jì)效益明顯。測土地配方施肥可增產(chǎn)增收；④合理施肥可配肥土力，保護(hù)生態(tài)，協(xié)調(diào)養(yǎng)分，防治病蟲和有限資源的分配。

4 研究的現(xiàn)狀及分析

（1）國外精確農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀。目前，世界上精確農(nóng)業(yè)的實(shí)踐已涉及到變量施肥、精量播種、病蟲害防治、雜草清除和水分管理等有關(guān)領(lǐng)域，其中變量施肥已成為發(fā)達(dá)國家合理利用農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)達(dá)國家在紛紛投入大量人力物力從事產(chǎn)業(yè)開發(fā)的同時(shí)，還成立了專門的研究機(jī)構(gòu)并在大學(xué)設(shè)立相關(guān)的課程。美國是精確農(nóng)業(yè)發(fā)展最早的國家，目前，精確農(nóng)業(yè)技術(shù)在美國應(yīng)用廣泛，主要用于甜菜、小麥、玉米和大豆等作物的種植。法國是歐洲農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)出口大國，法國的精確農(nóng)業(yè)研究內(nèi)容廣泛，應(yīng)用水平也很高。尤其是聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量圖生成及質(zhì)量測定、施肥機(jī)械和電子化植保機(jī)械等利用GPS和GIS系統(tǒng)進(jìn)行變量施肥作業(yè)等成為現(xiàn)實(shí)，并開始投入使用。實(shí)踐表明，精確化生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品不僅產(chǎn)量高、質(zhì)量好，當(dāng)然變量施肥顯示著它不可忽略的作用。

（2）國內(nèi)精確農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀。中國改革開放20多年來，在政治、經(jīng)濟(jì)和科技上已取得了舉世矚目的成就，有力地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)。其中精確農(nóng)業(yè)，是為適應(yīng)集約化、規(guī)?；潭雀叩淖魑锷a(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，由歐美國家率先提出的，自動(dòng)變量施肥也是這樣。因此，目前在我國開展變量施肥技術(shù)有兩種可以嘗試的模式：一是和歐美國家最初提出發(fā)展變量施肥的思路一致，借助于自動(dòng)變量施肥機(jī)械進(jìn)行的規(guī)?；?jīng)營模式。隨著我國農(nóng)村市場化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在墾區(qū)農(nóng)場和大面積作物生產(chǎn)原區(qū)，特別是我國的東北和西北地區(qū)可以建立“自動(dòng)變量施肥”技術(shù)示范工程，或聯(lián)合一些高效益、規(guī)模大，能維持變量施肥技術(shù)的企業(yè)來帶動(dòng)變量施肥在我國的發(fā)展，這種發(fā)展模式在我國已有開展且效益顯著。二是為適應(yīng)我國農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，實(shí)施廣域的變量施肥技術(shù)實(shí)踐尚需較長的發(fā)展過程而采取的另一種模式——分散模式。借助于精確農(nóng)業(yè)中土壤養(yǎng)分的精確管理是通過把大田塊劃分為若干個(gè)特性相對(duì)一致的小單元的思路來展開的。我國農(nóng)村雖然高度分散，但以家庭為管理單元這種管理思路甚為相似，農(nóng)戶間的地塊差異較大，農(nóng)戶內(nèi)相對(duì)一致，由于農(nóng)戶對(duì)自己的土地十分熟悉，所以變量施肥技術(shù)可以不使用變量控制設(shè)備，在一個(gè)分區(qū)（農(nóng)戶）內(nèi)，實(shí)施變量施肥，可采用人工和小機(jī)械操作。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在中國最早成立了“精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心”開展專題研究，作了許多探索性的基礎(chǔ)工作。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)最早開設(shè)了“精確農(nóng)業(yè)”課程。山東煙臺(tái)市和廣東新會(huì)市等地近年來成立了示范基地，也初步顯示出良好的發(fā)展前景。不過應(yīng)看到自動(dòng)變量施肥技術(shù)在我國仍處于摸索階段，而由于我國農(nóng)業(yè)自身的特點(diǎn)——高度分散和高強(qiáng)度開發(fā)，國外基本沒有可以借鑒的例子，所以在我國開展變量施肥必須結(jié)合自己的國情和實(shí)際情況，在實(shí)踐中不斷探索總結(jié)。

（3）展望。精確農(nóng)業(yè)涉及信息技術(shù)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)和工程技術(shù)等領(lǐng)域，還需要專家知識(shí)和輔助決策知識(shí)，需要多部門跨學(xué)科的聯(lián)合，以共同推動(dòng)中國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。對(duì)農(nóng)業(yè)科技人員，尤其是對(duì)中青年農(nóng)民的培訓(xùn)，是積極推動(dòng)精確農(nóng)業(yè)、迎接世紀(jì)新挑戰(zhàn)的重要措施，也是精確農(nóng)業(yè)能否被廣大農(nóng)民接受、掌握的重要問題。

從大趨勢(shì)看，精確農(nóng)業(yè)將向著完全的時(shí)間和空間變量管理和決策支持方向發(fā)展。隨著相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，精確農(nóng)業(yè)將很快從試驗(yàn)應(yīng)用走向推廣應(yīng)用。不難預(yù)計(jì)，2l世紀(jì)的農(nóng)業(yè)可以說是計(jì)算機(jī)輔助管理的精確農(nóng)業(yè)時(shí)代，也是變量施肥大有可為的時(shí)代。

［1］ 劉書運(yùn)，孟憲聰.我國土壤現(xiàn)狀及改良對(duì)策研究［J］.沿海企業(yè)與科技，2005，（9）：68-69.