我国变量施肥技术研究现状与发展对策

我国为 1 ∶ 0 ． 4 ∶ 0 ． 16 ，发 达 国 家 的 是 1 ∶ 0 ． 42 ∶
肥、基于精准 管 理 的 变 量 施 肥、基 于 规 模 化 生 产 的 机
0． 42； 微量元素搭配更差，全国有 51． 5% 的耕地缺锌， 械施肥［6］。所谓变量施肥技术，就是将农田土壤进行
46． 9% 缺 硼，34． 5% 缺 钼，21． 9% 缺 锰，6． 9% 缺 铜， 5% 缺铁［2］。
空间插值算法的出现可以有效解决土壤养分点 状信息向面状信息的转换，解决了以点状方式采样获 取土壤养分信息的难题。空间插值算法可以分为确 定性插值算法和地统计性插值算法。经过我国研究 人员的大量研究及对确定性插值算法和不确定性插 值算法的比较，从土壤养分获取的实用性与精确性出 发，得出反距 离 权 重 插 值 法 较 适 宜 于 丘 陵 地 区、普 通 克里格插值法适宜于平原地区的结论［1 2］。基于空间 插值算法的土壤养分信息获取方法具有一定的局限 性，不利于全国范围内普及应用。
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2017 年 10 月
农机化研究
第 10 期
美国明尼苏达大学于 1994 年在汉斯卡农场完成 了以土壤养分比例、作物产量信息及时间变化的变量 施肥实验，取 得 了 良 好 的 经 济 效 益，土 壤 质 量 得 到 了 明显的改善。
法国施肥机械的自动化水平在农业机械领域中 处于领先地位，其“女骑士”（ AMASAT） 变量施肥控制 系统能够在 GPS 和 GIS 的支持下进行作业，并在实际 农业生产中推广和普及。
处方生成技术是变量施肥技术的重要组成之一， 其优劣是影响变量施肥技术能否在全国大范围内推 广普及的重要因素之一。国外很多农机公司都在以 各样的方法进行处方生成技术的研究，利用新的技术 手段以克服传统处方生成技术的弊端，并应用于实际 农业生产中，取得了良好的经济效益。我国施肥处方 生成技术的研究在国际领域尚处于应用发展阶段，虽 然具有各种不同的方法，却不能克服不同技术手段的 弊端，难以形成通用的形式。处方生成技术的落后直 接制约了变量施肥技术的深入发展，因此研发适合我 国多样气候、不同区域种植方式的处方生成技术仍是 目前科研工作者的重要工作任务。
2017 年 10 月
农机化研究
第 10 期
我国变量施肥技术研究现状与发展对策
陈 金，赵 斌，衣淑娟，戈天剑，赵 雪，肖跃进
（ 黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319）
摘 要： 变 量 施 肥 是 精 准 农 业 中 的 一 个 重 要 内 容 ，是 实 现 农 业 高 产 、高 效 与 粮 食 安 全 的 重 要 保 证 ，它 的 实 施 可 以 有 效 控 制 化 肥 对 环 境 的 污 染 和 破 坏 ，大 大 提 高 肥 料 的 利 用 率 ，降 低 生 产 成 本 。 为 此 ，从 变 量 施 肥 技 术 的 概 念 出
图 1 变量施肥技术体系 Fig． 1 Variable rate fertilization technology system
农业健 康 可 持 续 发 展 的 必 要 措 施 和 急 需 解 决 的 问 题［4 － 5］。 本 文 对 从 变 量 施 肥 技 术 的 概
2 国外研究现状
收稿日期： 2016 － 08 － 08 基金项目： “十二五”国家科技支撑计划项目（ 2014BAD06B04 － 03） 作者简介： 陈 金（ 1992 － ） ，男，河南舞阳人，硕士研究生，（ E － mail）
2007 年，邵利敏［1 6］等设计了以 PLC 为控制器的 变量施肥控制系统。系统以电磁阀作为排肥机构驱 动器，根据机车的行进速度控制电磁阀的开启或关闭 而实施变量施肥。试验证明： 施肥效果良好，在制定 变量施肥策略时可使用归一化植被差异指数作为施 肥依据。
2008 年，陈丽平［1 7］等设计了基于 CAN 总线的变 量施肥控制系统。系统利用 GPS 的定位功能，通过电 液比例阀对尿素、磷酸二铵和复合肥 3 种肥料的控制 实施变量施肥。试验表明： 该控制系统能达到变量施 肥作业控制精度的要求。
传统的土壤养分检测技术需要消耗较长的时间 进行田间样本采样实验，不仅费用高，且费时费力，不 能满足变量施肥技术对时效性的要求。遥感技术的 出现为大规模的田间土壤样本采样实验提供了新的 捷径。目前，遥感技术主要是通过测量植被指数而形 成遥感数据，科研工作者从遥感数据中提取土壤养分 信息，减少了大量的田间采样实验，省时省力，工作效 率高［1 3］。遥感技 术 以 其 方 便 快 捷、效 率 高 的 优 点 在 土壤养分测量技术中得到了广泛的推广，但天气环境 的改变、土壤被植被掩盖而裸露时间较短都会影响遥 感数据的获取，因此遥感技术在全国大范围内推广普 及也有许多不便之处。
3 施肥处方生成技术
施肥处方生成技 术 是 由 土 壤 养 分 检 测 技 术 、空 间 插值算法及遥感技术等组成的现代农业科技技术，如 图 2 所示。
图 2 施肥处方生成技术 Fig． 2 Fertilizer prescription generation technology
土壤养分检测技 术 的 测 量 方 法 有 化 学 分 析 法 、光 电分色法、土壤电导率间接测量法和近红外光谱分析 法等。化学分析法是常用的一种方法，虽然测量精度 较高，但测量过程复杂、费时费力； 光电分色法需要田 间土壤采样并在实验室进行测量分析，依旧需要大量 的时间和精力； 土壤电导率间接测量法利用电化学传 感器进行测 量，虽 取 得 了 初 步 进 展，但 尚 未 达 到 实 用 化程度［1 1］； 近红 外 光 谱 分 析 法 虽 可 以 达 到 土 壤 养 分 检测的总碳、总氮的精度要求，但在有机质、微量元素 的实时测定方面存在一定的盲区。以上几种测量方 法虽能达到土壤养分检测的基本要求，但均有一定的 局限性，并且 我 国 尚 未 有 成 熟 的 商 业 化 产 品 出 现，因 此研发适合 我 国 国 情 的 低 成 本、高 精 度、覆 盖 全 面 的 土壤养分检测技术依旧是我国研究人员目前面临的 关键性问题。
760153633@ qq． com。 通讯作者： 赵 斌 （ 1970 － ） ，男，黑龙 江 宝清 人，教 授，硕 士生导 师，
（ E － mail） 616283364@ qq． com。
20 世 纪 50 年 代，美 国 在 作 物 收 割 设 备 上 安 装 GPS 定位系统，标志着精准农业技术的诞生； 90 年代 以来，精准农 业 技 术 在 欧 美 国 家 迅 速 发 展，已 经 形 成 一定的规 模［8］。 目 前，精 准 农 业 技 术 在 变 量 施 肥、免 耕播种、墒情管理及植物保护等领域起到了不可替代 的作用［9］。
年份
作者
控制器类型
定位系统类型
排肥机构驱动器
肥料性质
2006
李红岩等
AＲM
GPS
液压马达
颗粒肥
2007
邵利敏等
PLC
电磁阀
液态肥
2008
陈立平等
CAN 总线 ＆PID
GPS
电液比例阀
液态肥
2009
孟志军等
嵌入式 PC － 104CPU 模块
DGPS
液压马达
颗粒肥
2010
张书慧等
CPLD
DGPS
步进电机
4 肥料施入控制技术
肥料施入控制技术是整个变量施肥技术的核心， 具有检测施肥信息、进行施肥决策和驱动排肥机构等 功能［1 4］。目前，肥 料 施 入 控 制 技 术 采 用 的 控 制 器 类 型主要有单片机、PLC、CPLD 和 AＲM 等，定位系统主 要有 DGPS 和 GPS 等，排肥机构驱动器主要有步进电 机、液压马 达、伺 服 电 机 及 电 磁 比 例 阀 等。 国 外 学 者 在肥料施入控制技术方面做了大量的研究，已有较为 成熟的变量施肥控制方法、技术和产品。下面从国内
发 ，由 变 量 施 肥 技 术 的 国 外 现 状 引 入 ，具 体 分 析 了 施 肥 处 方 生 成 技 术 、肥 料 施 入 控 制 技 术 及 肥 料 施 入 监 测 技 术 的 研 究 现 状 ，并 总 结 了 目 前 我 国 变 量 施 肥 技 术 存 在 的 主 要 问 题 ，针 对 问 题 提 出 了 发 展 对 策 。
网格划分，以往年作物产量、土壤养分比例、病虫草害 及环境气 候 等 因 素 的 叠 加 分 析 为 依 据，生 成 处 方 决
落后的施肥方式、盲目的粗放施肥和严重的偏施现 象已经造成我国农作物产量下降、有害物质超标、地下
策，以高产、优 质、环 保 为 目 的，因 地 制 宜 地 为 农 作 物 全面平衡施肥［7］。变量施肥技术由处方生成技术、肥
我国是世界上化肥施用最多的国家之一，根据国 并针对目前我国变量施肥技术存在的问题提出对策，
家统计局数据，2013 年我国农用化肥施用量达 5 911． 9 以期为我国变量施肥技术的发展提供参考和建议。
万 t，超过世界总用量的 1 /3； 单位播种面积化肥施用
量达到 359． 1kg / hm2 ，是世界平 均 水 平 的 2． 5 倍［1］。 1 变量施肥技术的概念
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变量施肥肥料施入控制技术的控制器类型、定位系统 年我国变量施肥肥料施入控制技术的研究现状，如表 类型、排肥机构驱动器及肥料性质出发，概括了近 10 1 所示。
表 1 国内变量施肥肥料施入控制技术 Table 1 China variable rate fertilization control system
2009 年，孟志军［1 8］等研究开发了基于 处 方 图 变 量施肥 作 业 控 制 系 统。 实 验 结 果 表 明： 75kg / hm2 和 225kg / hm2 的常量施肥试验的变异系数分别为 16． 83% 和 8． 08% ，与目标施肥量相比，平均施肥误差分别为 2． 98% 和 1． 05% ； 系统各个节点工作稳定，达到了变 量施肥控制系统作业精度的要求。
颗粒肥
2011
古玉雪等
AＲM / DSP
GPS
直流电机
颗粒肥
2012
伟利国等
PIC18F2580 单片机
GPS＆3G
伺服电机
颗粒肥
2013
郎春玲等
STC89C52ＲC 单片机GPS电磁比例阀液态肥2014
张云贵等
飞思卡尔 i． MX51 芯片
GPS
步进电机
颗粒肥
2015
洪青梅等
单片机
2006 年，李 红 岩［1 5］ 等 设 计 了 基 于 AＲM 微 处 理 器的田间变量施肥控制系统。系统工作稳定，满足使 用要求，施肥误差率小于 7． 4% ，能达到预期效果 。
德国 AMAZONE 公司设计了基于处方图的、以液 压马达为控制器的变量施肥机具，并在麦类作物春季 追肥中投入 使 用，施 肥 效 果 良 好，显 著 提 高 了 作 物 的 产量。
欧美国家在变量 施 肥 技 术 领 域 处 于 领 先 地 位 ，多 样的变 量 施 肥 机 具 已 在 农 业 生 产 中 得 到 推 广 和 普 及［1 0］。我国变量 施 肥 技 术 还 处 于 发 展 阶 段，研 发 适 合国情的、具有完善施肥技术体系的变量施肥设备是 目前我国科研工作者亟待解决的问题。
水源污染及土壤板结等问题，严重影响生态环境、食品 料施入控制技术及肥料施入监测技术等组成，如图 1
安全，极不利于我国环境友好型、资源节约型社会的构 建［3］。随着环保意识的增强，人们不再以环境为代价
所示。
来求得农产品的增产增收。以精准农业为背景的变量
施肥技术将是提高土壤养分含量、减少地下水源污染、
确保食品安全及促进农民增产增收的有效途径，因此实 施科学的、符合我国不同区域环境的变量施肥将是我国
关键词： 变量施肥； 研究现状； 存在问题； 对策
中图分类号： S233． 3
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2017） 10 － 0001 － 06
DOI:10.13427/ki.njyi.2017.10.001
0 引言
念、国外研究现状，以及施肥处方生成技术、肥料施入 控制技术、肥 料 施 入 监 测 技 术 的 研 究 现 状 进 行 分 析，
受地域、地貌、环境等多种因素的影响，我国化肥施用
施肥技术是现代 农 业 的 重 要 组 成 部 分 ，可 分 为 基
量大、利用率低下也是目前各地区存在的普遍问题。 于地力水平的区域施肥、基于品种特性的作物施肥、
化肥偏施现象严重，以 N、P、K 的平均施肥水平为例， 基于肥料特性的科学施肥、基于水肥一体化的灌溉施