孫皓政 孔凡霞

化肥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，是作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要保證，在很大程度上影響著糧食產(chǎn)量和品質(zhì)。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)，化肥對(duì)糧食的貢獻(xiàn)率占40%左右。我國能以占世界7%的耕地養(yǎng)活22%的世界人口，化肥功不可沒。傳統(tǒng)的施肥方式是在一個(gè)地塊內(nèi)使用一個(gè)施肥標(biāo)準(zhǔn)，然而在同一地塊內(nèi)不同區(qū)域的土壤中有效養(yǎng)分的含量存在差異，如果采用平均施肥，會(huì)造成在肥力低的區(qū)域肥力不足；而在肥力高的區(qū)域肥力過量，其結(jié)果必然造成資源的浪費(fèi)、成本的提高和環(huán)境的污染。變量施肥技術(shù)是根據(jù)植物的生長需求、土壤的養(yǎng)分情況還有其他環(huán)境因素，精確計(jì)算和調(diào)控肥料的施用量，把化肥的施用量控制在合理的范圍內(nèi)。本文介紹了變量施肥中基于土壤處方圖的變量施肥研究現(xiàn)狀以及技術(shù)的特點(diǎn)，旨在為精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的推行提供參考。

一、研究現(xiàn)狀

在基于處方圖的變量施肥方面，孟志軍、趙春江等［1］設(shè)計(jì)了基于處方圖的精準(zhǔn)變量施肥系統(tǒng)，系統(tǒng)采用通用的CAN總線協(xié)議和ISO11783總線通訊協(xié)議，通過數(shù)字PID算法控制電液比例閥從而控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥量的調(diào)節(jié)，施肥實(shí)驗(yàn)表明約有3.57ｍ的施肥滯后距離，施肥延遲時(shí)間約為1.84s。陳立平、黃文倩等［2］利用CAN總線通訊協(xié)議設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)變量施肥控制器，利用光電碼盤反饋的信號(hào)形成閉環(huán)的PID控制，對(duì)電液比例閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行整定，針對(duì)磷酸二銨、復(fù)合肥和尿素三種肥料分別進(jìn)行控制曲線的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在小湯山的田間施肥實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的尿素施肥量可在130.5kg/hm2～325kg/hm2之間連續(xù)調(diào)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試滿足變量施肥需求。吉林大學(xué)的張書慧、馬成林［3］等人設(shè)計(jì)制造了一種可以實(shí)現(xiàn)變量施肥功能的施肥系統(tǒng)，將施肥決策數(shù)據(jù)寫入IC卡，施肥作業(yè)時(shí)通過讀取IC卡上的施肥指令，利用單片機(jī)系統(tǒng)控制施肥機(jī)排肥軸轉(zhuǎn)速來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)施肥量，系統(tǒng)在5.83hm2的試驗(yàn)田上取得了一定的預(yù)期效果。

二、關(guān)鍵技術(shù)

空間變異性分析：通過采用地理信息系統(tǒng)（GIS）和空間統(tǒng)計(jì)技術(shù)，對(duì)農(nóng)田內(nèi)土壤養(yǎng)分含量和植物生長狀態(tài)的空間分布進(jìn)行分析。這有助于確定不同區(qū)域和子區(qū)域的養(yǎng)分需求差異，從而實(shí)現(xiàn)精確施肥。

變量施肥方案優(yōu)化：通過基于土壤測(cè)試和植物需求分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法，制定最優(yōu)的變量施肥方案。這些方案考慮了不同區(qū)域的養(yǎng)分缺乏或過剩情況，并根據(jù)作物生長階段和養(yǎng)分需求量進(jìn)行精確調(diào)整。

遙感數(shù)據(jù)分析：利用遙感技術(shù)獲取農(nóng)田相關(guān)數(shù)據(jù)，如植被指數(shù)、熱紅外圖像等，以評(píng)估作物的生長狀況和養(yǎng)分吸收情況。這種數(shù)據(jù)分析有助于優(yōu)化變量施肥方案，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)植物的養(yǎng)分需求變化。

變量施肥設(shè)備與控制技術(shù)：使用先進(jìn)的變量施肥設(shè)備，如具有自動(dòng)化控制系統(tǒng)的精確噴施器或滴灌系統(tǒng)，能夠根據(jù)處方圖式要求調(diào)整施肥量、施肥速度和噴灑方向等。這些設(shè)備通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋機(jī)制，使施肥過程更加精確和高效。

農(nóng)田傳感器網(wǎng)絡(luò)：利用分布在農(nóng)田中的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分含量、濕度、溫度等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)。這樣可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的精細(xì)化管理和變量施肥的實(shí)時(shí)調(diào)整，以滿足作物的特定需求。

數(shù)據(jù)管理與決策支持系統(tǒng)：建立農(nóng)田數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集成土壤測(cè)試數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等，并應(yīng)用決策支持系統(tǒng)（DSS）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策制定。DSS利用數(shù)學(xué)模型、模擬仿真和專家知識(shí)，為農(nóng)民和農(nóng)業(yè)專家提供優(yōu)化的變量施肥建議。

通過綜合應(yīng)用這些專業(yè)技術(shù)，處方圖式變量施肥能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田管理的精確化和個(gè)性化，最大程度地提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)減少肥料的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

三、總結(jié)

總之，變量施肥作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，可以極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率、節(jié)約資源和成本，同時(shí)能夠減少環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，這種精確施肥的方法有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和保證糧食安全。

參考文獻(xiàn)：

［1］孟志軍，趙春江，劉卉，等.基于處方圖的變量施肥作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30（4）：5.

［2］陳立平，黃文倩，孟志軍，等.基于CAN總線的變量施肥控制器設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（8）：5.

［3］張書慧，馬成林，吳才聰?shù)?一種精確農(nóng)業(yè)自動(dòng)變量施肥技術(shù)及其實(shí)施［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003（01）：129-131.

（作者單位：山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院）