李 普，梁春英，王紫玉，王 淞，王鵬宇，張榮丹

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2020年我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮、磷、鉀、復(fù)合肥總折純用量分別為2 032萬、784萬、589萬和2 431萬t，對應(yīng)單位面積用量分別為8.13、3.14、2.36和9.70 kg/hm2[1]。2020年我國化肥生產(chǎn)總量7 037萬t，其中，農(nóng)用化肥施用量5 912萬t，化肥的施用對糧食增產(chǎn)的貢獻率較大，大體在40%以上[2]?；实牟豢茖W(xué)施用已導(dǎo)致肥料利用率降低和肥料資源浪費嚴重；導(dǎo)致土壤質(zhì)量加速衰退，土壤肥力下降和土壤板結(jié)；致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本增加，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，產(chǎn)品效益降低[3]。同時，不合理使用和盲目的施肥也會嚴重污染地下水資源，使土壤保水保肥的能力降低，加劇水土流失，更不利于構(gòu)建資源節(jié)約型社會[4]。

本文通過查閱相關(guān)文獻闡述了我國變量施肥的技術(shù)應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，具體分析國內(nèi)外諸多企業(yè)和學(xué)者應(yīng)用變量施肥技術(shù)的典型案例，總結(jié)了我國變量施肥技術(shù)目前仍存在的問題和不足，并針對存在的問題提出相應(yīng)的建議。

1 精準變量施肥關(guān)鍵技術(shù)

1.1車速監(jiān)測技術(shù)

精確的作業(yè)車速監(jiān)測是實現(xiàn)精準變量施肥的必備條件。實時監(jiān)測變量施肥作業(yè)中需要根據(jù)監(jiān)測作業(yè)的實時車速，來調(diào)節(jié)N、P、K的自動配比，所以車速監(jiān)測的精準性會直接影響變量施肥的作業(yè)精度。目前，國內(nèi)研究人員主要采用光電編碼器、霍爾測速傳感器、GPS、地輪測速和北斗單點測速相結(jié)合的方法對施肥作業(yè)的車速進行實時監(jiān)測。

袁全春等[5]設(shè)計了一種果園有機肥深施機分層變量排肥控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用OMRON E6B2 CWZ3E型光電編碼器測定地輪速度，進而計算出機組前進速度，將采集到的實際車速反饋給控制器，進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)通過分析判斷，計算出實際施肥量，性能試驗結(jié)果顯示，機具排肥量和均勻性都達到要求。陳滿等[6]基于模糊PID設(shè)計了冬小麥變量追肥優(yōu)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用拖拉機上面安裝的霍爾測速系統(tǒng)，實現(xiàn)對機器前進速度的實時監(jiān)測，系統(tǒng)根據(jù)得到的前進速度進行控制決策，調(diào)節(jié)排肥軸的轉(zhuǎn)速，控制精度達到86%以上，滿足控制要求。楊碩等[7]設(shè)計了一套支持種肥監(jiān)測的變量施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過播種施肥機的GPS測速模塊獲取機具行進的實時速度，控制器判斷速度脈沖每增加36.1 Hz，機具速度增加1 km/h，最終機具的速度取3次行進速度的平均值。趙學(xué)觀等[8]開發(fā)了一種基于雙測速模式的玉米追肥機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地輪測速和北斗單點測速相結(jié)合的方式對玉米追肥機作業(yè)速度進行實時監(jiān)測，且雙測速模式切換準確率為100%，滿足精準施肥的需要，有效地解決了測速準確性低的問題。作業(yè)車速監(jiān)測方法對比分析如表1所示。

1.2施肥處方生成技術(shù)

施肥處方生成技術(shù)是變量施肥技術(shù)的重要組成部分，可通過人工測土技術(shù)和智能檢測技術(shù)生成。人工測土生成施肥處方需要人為進行田間土壤取樣測土，對照土壤養(yǎng)分標準生成施肥處方，此方法對采樣深度、采樣路線和采樣方法都有特定的要求[9]。雖然人工檢測土壤可以更精準地檢測采樣點的土壤養(yǎng)分信息，但是國內(nèi)對于農(nóng)田土壤養(yǎng)分的分類沒有統(tǒng)一執(zhí)行的標準，無法就土壤養(yǎng)分做出標準統(tǒng)一的評價[10]。新型處方生成技術(shù)則利用農(nóng)田信息采集系統(tǒng)采集田間作物生長和土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過整理，構(gòu)建信息分布圖，也可以將采集到的田間信息通過GPS定位系統(tǒng)和嵌入式GIS車載GPU直接生成農(nóng)田信息分布圖，最終作物管理決策系統(tǒng)參照專家施肥數(shù)據(jù)庫生成施肥處方[11]。兩種施肥處方生成技術(shù)對比分析如表2所示。

傳統(tǒng)處方生成方式過程繁雜，需要投入大量的人力和時間，且生成的處方精度低，不符合精準農(nóng)業(yè)的要求。新型智能處方生成技術(shù)利用3S技術(shù)，可實現(xiàn)農(nóng)田網(wǎng)絡(luò)精準定位和標記點采樣，相較于傳統(tǒng)處方生成方式效率高、節(jié)約時間。依據(jù)施肥專家系統(tǒng)，可生成高精度的施肥處方，但需要投入大量的資金進行研究和建設(shè)配套設(shè)施，且操作人員需要一定的專業(yè)技術(shù)水平。

1.3肥料流量監(jiān)測技術(shù)

肥料流量監(jiān)測技術(shù)是精準變量施肥技術(shù)的重要組成元素之一，是實現(xiàn)變量施肥控制的技術(shù)前提。國內(nèi)研究學(xué)者對肥料流量的檢測方法主要有直接稱量法、排肥軸間接檢測法、肥箱余量檢測法、光電測量法、成像法、電容法和微波多普勒法。

余洪鋒等[12]利用膠帶轉(zhuǎn)動模擬機具行進，通過膠帶秤直接測量排肥口的實時排肥量，實現(xiàn)排肥流量的實時監(jiān)測，同時，系統(tǒng)檢測實時膠帶速度和膠帶稱有效測量長度的參數(shù)，保證測量精度。王大可等[13]在排肥軸上安裝編碼器，將系統(tǒng)采集到的脈沖數(shù)和關(guān)聯(lián)系數(shù)相乘，就可得到排肥量的數(shù)據(jù)，通過加入算法避免了因作業(yè)時編碼器抖動帶來的測量誤差，提高了施肥量測量的準確性。趙明巖等[14]利用相鄰極板電容傳感器檢測肥箱料位的下降程度，通過公式計算出相鄰電極間電容值的大小，進而實現(xiàn)肥料流量的實時檢測。高富強[15]利用光敏電阻設(shè)計了一套種肥監(jiān)測裝置，在肥箱上下兩端安裝紅外光敏對管式監(jiān)測總成，通過觀察LED燈組點亮的個數(shù)檢測肥料流量。金鑫等[16]通過在每個排肥管下端口安裝電容式傳感器，對排肥流量信號實現(xiàn)實時監(jiān)測。楊立偉等[17]研究了一種基于微波多普勒法的施肥質(zhì)量流量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微波多普勒雷達測量排肥管道顆粒肥的流量，通過改變電動排肥裝置中排肥軸的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)顆粒肥的變量控制。以上7種肥料流量監(jiān)測技術(shù)的對比分析如表3所示。

表1 作業(yè)車速監(jiān)測方法對比

表2 施肥處方生成技術(shù)對比

表3 肥料流量監(jiān)測技術(shù)對比

2 存在的問題與建議

2.1存在的問題

近年來，我國變量施肥技術(shù)取得快速發(fā)展，尤其是在多種肥料同時進行變量施用方面取得重大突破，并且變量施肥機械逐步實現(xiàn)智能化。但是，對比國外變量施肥技術(shù)還存在以下問題，需要在以后的研究中重點突破。

(1)由于我國對變量施肥機械研究起步較晚，配套器件制造水平相對較低，部分傳感器等器件需要進口國外產(chǎn)品，導(dǎo)致現(xiàn)有的變量施肥機具價格昂貴，小型農(nóng)場和農(nóng)戶難以接受使用成本，機具推廣難度較大。

(2)實時監(jiān)測變量施肥技術(shù)研究薄弱?，F(xiàn)階段我國實時監(jiān)測變量施肥技術(shù)還處于實驗研究階段，對土壤養(yǎng)分的實時監(jiān)測、作物長勢的實時監(jiān)測和肥料實時自動配比技術(shù)研究相對薄弱。

2.2相關(guān)建議

(1)提高變量施肥機具的制造工藝，加強傳感器等配套器件的精度和質(zhì)量要求，依靠自主研發(fā)來取代進口器件和設(shè)備，降低變量施肥機具的成本，讓更多農(nóng)戶和農(nóng)場能接受使用成本。

(2)借鑒國外先進的實時監(jiān)測變量施肥控制策略和方法，加強與先進制造企業(yè)的技術(shù)交流，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)國情，研發(fā)適合我國農(nóng)藝要求的實時監(jiān)測變量施肥系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

我國是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國之一，每年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要投入數(shù)萬噸肥料，但是這些肥料中只有一小部分被農(nóng)作物吸收，大量肥料因不合理施肥而流失，造成土壤養(yǎng)分破壞和農(nóng)田環(huán)境污染，所以，精準變量施肥技術(shù)仍是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需發(fā)展的技術(shù)，未來我國變量施肥技術(shù)會取得更好的成果。