孫國祥 陳滿 汪小旵 丁為民 丁永前 李永博 邱威

摘要：綜述了變量施肥機測土配方圖生成系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及排肥機構(gòu)等領(lǐng)域的研究狀況。目前變量施肥機主要采用離線式變量施肥方式，根據(jù)土壤養(yǎng)分離散采樣，并進行空間插值，結(jié)合3S技術(shù)生成土壤養(yǎng)分分布圖，結(jié)合具體地域作物施肥標準生成變量施肥配方圖。變量施肥控制系統(tǒng)研究重點是定位準確性和控制系統(tǒng)的實時性、智能性，為實現(xiàn)精準變量施肥提供易操作的控制器。排肥機構(gòu)集中研究排肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計、排肥精度、排量、幅度、均勻性和變異系數(shù)。目前測土配方圖獲取是影響變量施肥機應(yīng)用推廣的關(guān)鍵技術(shù)難題，今后應(yīng)主要研究實時變量施肥機，加強對土壤養(yǎng)分實時間接檢測的技術(shù)研究和完善精準變量施肥體系，從而拓展變量施肥機的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：變量施肥機；配方圖；土壤養(yǎng)分；3S技術(shù)；排肥機構(gòu)

中圖分類號： S224.22文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0333-06

收稿日期：2013-06-18

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAD08B04-8）；江蘇省前瞻性研究項目（編號：SBY201220290）。

作者簡介：孫國祥（1985—），男，江蘇建湖人，博士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)智能化裝備方面的研究。E-mail：sguoxiang @foxmail.com。

通信作者：汪小旵，博士，教授。E-mail：wangxiaochan@njau.edu.cn。變量施肥技術(shù)是精準農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在國外已獲得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。變量施肥機在發(fā)達國家研究較為深入，其相關(guān)技術(shù)已日臻完善和商品化。美國早在20世紀90年代就進行了測土配方施肥技術(shù)的應(yīng)用，英國、德國、加拿大、澳大利亞等國家也相繼開展了研究與應(yīng)用，而我國在20世紀90年代后期才開始對精準施肥技術(shù)的關(guān)注和適當(dāng)研究[1-3]。我國自20世紀70年代開始，化肥的消費量迅速增加，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量起到了很大的作用，但我國的化肥投入突出問題是結(jié)構(gòu)不合理，利用率低。1978—2005年糧食產(chǎn)量僅增產(chǎn)50%，但化肥消費量卻增長了300%以上。目前我國施用化肥多停留在經(jīng)驗施肥的水平上，化肥利用率僅為 30%～40%，化肥的增產(chǎn)效果并未得到充分發(fā)揮，造成了驚人的浪費，在一些地區(qū)已出現(xiàn)了水污染等問題。據(jù)統(tǒng)計，我國的化肥施用量已經(jīng)達到了平均434.3 kg/hm2，遠遠超出發(fā)達國家為防止化肥對水體造成污染所設(shè)置的225 kg/hm2的安全上限，是國際標準的1.93倍。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成了經(jīng)濟上的巨大損失，而且引起了嚴重的環(huán)境污染?；视绕涫堑室殉蔀橹饕沫h(huán)境污染源之一，實行科學(xué)的變量施肥是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要措施和亟待解決的問題[4-9]。

測土配方施肥技術(shù)是聯(lián)合國在全世界推行的先進農(nóng)業(yè)技術(shù)，也是精準農(nóng)業(yè)的一項重要技術(shù)。在實際執(zhí)行過程中，一般建立在較大規(guī)模的土壤養(yǎng)分調(diào)查基礎(chǔ)上，土壤養(yǎng)分的檢測過程復(fù)雜而繁瑣，費時費力。由于農(nóng)田肥力在較小空間分布上存在較大的差異，配方肥很難真正起到根據(jù)作物實際生長需要科學(xué)合理施肥的目的；同時，在化肥的撒施過程中自動化和機械化程度較低，很難做到化肥的均勻撒施和變量作業(yè)，使肥料的利用率大大降低。為此，國內(nèi)外研究人員對變量施肥機關(guān)鍵技術(shù)進行大量研究。

1變量施肥測土配方圖生成系統(tǒng)

變量施肥機實施變量施肥作業(yè)主要分為兩種方式：在線式變量施肥作業(yè)和離線式變量施肥作業(yè)。在線式實時檢測土壤養(yǎng)分，并實施變量施肥，目前僅能實時檢測少量土壤養(yǎng)分含量；離線式變量施肥，根據(jù)具體地域作物的歷史產(chǎn)量分布信息、土壤養(yǎng)分分布信息、土壤墑情、土質(zhì)等信息，進行數(shù)據(jù)插值分析處理，結(jié)合專家知識模型和地理信息生成變量施肥配方圖，將配方圖加載至變量施肥機控制器中，在變量施肥機行進過程中實時定位和速度檢測，根據(jù)配方圖實施變量施肥。測土配方圖生成系統(tǒng)是變量施肥機的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是影響變量施肥機是否能夠得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

1.1土壤養(yǎng)分檢測

目前土壤性質(zhì)主要測定項目包括：pH值、有機質(zhì)含量、無機氮、全氮、硝態(tài)氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、土壤電導(dǎo)率EC值、水分和土壤微量元素等。測量方法有化學(xué)分析方法、光電分色方法、土壤電導(dǎo)率間接測量方法及近紅外光譜分析方法等[10]。

化學(xué)分析方法測量精度高，但每次僅能夠分析單一元素的含量，并且分析過程繁瑣、耗時費工。這種測量方法僅適用于離線式變量施肥方式，但如果土壤樣本數(shù)量多或要檢測的成分類型多，將不適宜采用該方法測量土壤養(yǎng)分含量。

光電分色方法測量土壤養(yǎng)分是根據(jù)朗伯—比爾定律，其是吸光光度法、比色分析法和光電比色法的定量基礎(chǔ)，光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。目前河南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的YN-4001土壤養(yǎng)分速測儀，相對誤差為5%～10%，每個項目測試所需時間為40～50 min，比化學(xué)分析法測定速度提高了20倍。

土壤電導(dǎo)率傳感器能夠?qū)崟r獲取土壤性質(zhì)分布圖，具有響應(yīng)快、成本低、耐久性好等特點，但電導(dǎo)率測量儀獲得的數(shù)據(jù)和多個土壤參數(shù)關(guān)聯(lián)，不能定量測量土壤成分含量。

變量施肥配方圖生成系統(tǒng)需進行大量土壤樣本養(yǎng)分檢測，以上幾種測量方法均不適合應(yīng)用于變量施肥配方圖獲取領(lǐng)域。針對土壤養(yǎng)分快速實時檢測問題，目前國內(nèi)外研究人員對采用近紅外光譜分析技術(shù)測量土壤養(yǎng)分含量進行了研究（表1）[11-23]。主要尋找土壤養(yǎng)分含量對各波段的光譜的響應(yīng)關(guān)系，建立土壤養(yǎng)分光譜分析模型（主要包括線性回歸模型、多元回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、偏最小二乘-支持向量機模型等）。但由于土壤的區(qū)域性特征差異明顯，針對不同類型的土壤性質(zhì)研究結(jié)果差異較大。目前變量施肥機在實施變量施肥時，主要檢測的土壤養(yǎng)分參數(shù)為：有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量。土壤有機質(zhì)和氮對特定光譜波段的響應(yīng)顯著，但土壤中的磷、鉀很難用某個波段的特征來描述。

光譜技術(shù)進入土壤養(yǎng)分檢測領(lǐng)域，極大地提高了土壤動態(tài)監(jiān)測的自動化水平和監(jiān)測效率，提升了土壤養(yǎng)分動態(tài)評價的水平，降低了測試成本。盡管光譜技術(shù)還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土壤化學(xué)分析工作，但是光譜技術(shù)已經(jīng)在土壤主要養(yǎng)分監(jiān)測中顯示了巨大的潛力。利用光譜技術(shù)獲取土壤養(yǎng)分信息具有低成本、高密度、高精度、實時性等優(yōu)點，解決了精準變量施肥作業(yè)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”問題。

1.2空間插值算法

通過土壤采樣獲取的土壤養(yǎng)分信息是以點狀方式存在的，這不能滿足精準農(nóng)業(yè)的需要，因此需要通過空間插值方法將點狀信息轉(zhuǎn)換為面狀信息?？臻g插值方法主要可以分為確定性方法和地統(tǒng)計方法兩種（圖1）。

目前空間插值技術(shù)用于土壤養(yǎng)分分布預(yù)測和空間變異性的研究主要集中在研究尺度、插值方法及模型內(nèi)部參數(shù)的選擇、采樣點布局及數(shù)量等方面。針對土壤養(yǎng)分變量的空間插值技術(shù)的研究，主要集中于兩個方面：一是確定性插值和不確定性插值技術(shù)的比較；二是不同克里格插值方法的比較。

2000年王坷等研究土壤養(yǎng)分的空間變異性和空間插值方法，采用克里格、逆距離加權(quán)兩種方法總體效果最好，其中克立格方法中又以指數(shù)模型為佳，逆距離加權(quán)插值法以二次方為佳[24]。2001年胡慧萍用移動平均、趨勢面擬合、點狀克立格、逆距離加權(quán)等空間插值方法得到各種插值的連續(xù)空間分布，與同期用實際觀察數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果表明幾種插值方法并無顯著差異，但以克里格和逆距離加權(quán)插值整體效果最好，尤以克里格指數(shù)模型最佳[25]。2006年石小華等對陜西省周至縣北部獼猴桃適生區(qū)土壤進行采樣，以土壤速效鉀含量為研究對象，用普通克里格、樣條函數(shù)、趨勢面擬合、距離權(quán)重反比法等方法獲取土壤速效鉀空間分布圖，結(jié)果表明克里格插值方法明顯優(yōu)于其他方法，其中又以球形模型為最佳，樣條函數(shù)、距離權(quán)重反比法在采樣點密集區(qū)也能內(nèi)插出較好的效果，但其受采樣點密度影響較大，在采樣點稀疏的地區(qū)內(nèi)插結(jié)果較差[26]。2010年王建軍等對江蘇省儀征市沿江平原和丘陵地區(qū)兩種不同地貌類型區(qū)內(nèi)的兩個村不同采樣密度下5 種養(yǎng)分因子的空間插值結(jié)果進行分析比較，用標準均方根誤差檢驗不同密度下的插值精度[27]。2011年馬靜等以甘肅省會寧縣土壤速效鉀含量為研究數(shù)據(jù)，用普通克里格、反距離加權(quán)法、徑向基函數(shù)插值3種插值方法進行插值對比研究，交叉驗證得出普通克里格球面模型是精度最高的插值方法，可以很好地模擬土壤養(yǎng)分的空間漸變分布[28]。2011年張小青等采用反距離加權(quán)法、局部多項式插值法、克里格插值法3種方法對土壤養(yǎng)分進行空間插值，克里格插值法和局部多項式插值法的RMSE相近，插值效果相對好，插值效果最差的為反距離加權(quán)法[29]。2012年楊子清等采用Kriging法完成土壤養(yǎng)分有機質(zhì)和全鉀養(yǎng)分的空間插值，結(jié)果表明福建省順昌縣森林土壤的有機質(zhì)和全鉀含量空間上存在中等程度相關(guān)。采用Kriging法的Stable和Spherical半變異函數(shù)模型表征有機質(zhì)和全鉀含量的空間變異特征效果最好[30]。2012年李增兵等分別用反距離權(quán)重插值法和普通克里格插值法對歷城全區(qū)、平原區(qū)和丘陵區(qū)的土壤養(yǎng)分進行插值，通過交叉驗證、疊加對比分析等方法比較不同情況下不同插值方法的精度，并對比分析基于不同插值方法的耕地地力評價結(jié)果，結(jié)果顯示反距離權(quán)重插值法和普通克里格插值法2種方法都具有較高精度，其中反距離權(quán)重插值法較適宜于丘陵區(qū)，而普通克里格插值法則適宜于平原區(qū)；對于有多種參評元素參與的縣域耕地地力評價，采用兩種方法的評價結(jié)果相差不大?；趯嵱眯耘c精確性結(jié)合原則，反距離權(quán)重插值法是縣域耕地地力評價養(yǎng)分空間內(nèi)插的最佳選擇[31]。

1.3遙感技術(shù)

傳統(tǒng)的土壤養(yǎng)分測量方法對于大規(guī)模土壤樣本檢測時，耗時長、費用高，不能滿足精準農(nóng)業(yè)中變量施肥的要求。遙感技術(shù)的發(fā)展為大區(qū)域土壤養(yǎng)分檢測提供新的技術(shù)手段。目前土壤養(yǎng)分遙感檢測方法主要集中在從遙感數(shù)據(jù)中提取有用的信息，對土壤養(yǎng)分進行反演。一個模型反演是否成功，不僅取決于觀測數(shù)據(jù)對反演參數(shù)的敏感程度，還取決于反演策略與方法以及模型的適用性。土壤養(yǎng)分檢測中所用到的觀測數(shù)據(jù)，都是從土壤光譜和作物冠層光譜中提取與土壤養(yǎng)分高度相關(guān)的光譜特征指標。原始反射光譜常常受到干擾，往往不能直接反映出光譜與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系。在實際中往往采用原始光譜的變換形式作為反映土壤養(yǎng)分的光譜特征指標。

目前在光譜特征指標的基礎(chǔ)上構(gòu)建反演模型，其方法多數(shù)使用的多元線性回歸、逐步多元回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最小二乘支持向量機、主成分分析、偏最小二乘等統(tǒng)計方法。目前尋求具有較高精度的反演模型是很多學(xué)者努力研究的工作內(nèi)容之一，偏最小二乘和主成分分析是土壤養(yǎng)分反演中常用的方法，其預(yù)測能力也是比較穩(wěn)健的，但當(dāng)用于建模的數(shù)據(jù)集中存在定標的數(shù)據(jù)，不包含干擾效應(yīng)時，必須進行場址特性校正。

國外學(xué)者Baumgardner和Al-Abbas最早進行了土壤有機質(zhì)與航空遙感影像的可見光、近紅外波段之間的關(guān)系的研究，結(jié)果表明土壤有機質(zhì)含量可用可見光或近紅外區(qū)間波段的光反射率的直線或曲線模型來估測；Garey和Chen也分別利用遙感影像的土壤線進行土壤有機質(zhì)含量的制圖；Dalai用近紅外光譜法預(yù)測了澳大利亞士壤的水分、有機碳和總氮，預(yù)測的土壤有機質(zhì)含量在0～2.6%的范圍內(nèi)，而在有機質(zhì)含量較高或較低的情況下，近紅外法預(yù)測值存在偏差。美國Belt sville農(nóng)業(yè)研究中心提出利用光譜空間測量和建模來提高養(yǎng)分管理和環(huán)境質(zhì)量的重點也是利用遙感技術(shù)提高氮肥利用效率，降低環(huán)境污染。美國北達科他州州立大學(xué)精準農(nóng)業(yè)研究中心的Jeff White博士提出“未來農(nóng)業(yè)和食物體系”的發(fā)展重點是利用遙感數(shù)據(jù)改善作物氮肥利用效率，降低施肥對水資源的污染。

國內(nèi)研究人員在采用遙感技術(shù)研究土壤養(yǎng)分或作物冠層的光譜特性時還采用地形因子和遙感植被指數(shù)預(yù)測土壤養(yǎng)分空間分布，如2010年中國科學(xué)院張素梅等在GIS支持下，選擇地形因子和遙感植被指數(shù)，建立土壤養(yǎng)分空間分布預(yù)測模型，應(yīng)用回歸克里格方法，預(yù)測吉林省農(nóng)安縣土壤養(yǎng)分（有機質(zhì)和全氮）的空間分布。結(jié)果表明11個環(huán)境因子中，相對高程、坡度、地形起伏度、坡度變率、歸一化植被指數(shù)與土壤有機質(zhì)和全氮含量均具有顯著的相關(guān)性。地面粗糙度和地形濕度指數(shù)與有機質(zhì)具有顯著相關(guān)性，而與全氮的相關(guān)性不顯著。相對高程、坡度、地面粗糙度、河流動能指數(shù)以及NDVI 在土壤養(yǎng)分的多元回歸預(yù)測模型中貢獻較大，是預(yù)測土壤養(yǎng)分空間分布的最優(yōu)因子[32]。

農(nóng)田往往為植被所覆蓋，土壤裸露的時間很短，影響遙感在農(nóng)田土壤養(yǎng)分檢測方面的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者在遙感檢測作物長勢、營養(yǎng)狀況等方面取得了巨大成果，Lydia研究了不同施氮水平下冬小麥生物量、葉面積指數(shù)、葉綠素A等冠層參數(shù)與植被指數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明基于簡單比值的累積植被指數(shù)是產(chǎn)量估測的最好指標；Michael研究了利用近紅外、紅、綠、藍等波段值及其光譜指數(shù)監(jiān)測冬小麥行密度的可能性，結(jié)果表明利用近紅外波段估測行密度，并指導(dǎo)氮肥施用，可以顯著提高冬小麥氮肥利用率。許多學(xué)者進行了不同施氮水平條件下的作物冠層光譜特征及其作物氮脅迫監(jiān)測研究。

目前，通過遙感技術(shù)測量植被指數(shù)間接測量土壤中的氮含量分布方法得到廣泛應(yīng)用，但遙感技術(shù)通常會受到天氣狀況的影響，給該技術(shù)推廣帶來不利之處。美國Trimble公司的GreenSeeker光學(xué)傳感器通過地面近距離測量作物植被指數(shù)，并能夠生成作物植被指數(shù)地圖，可代替遙感檢測取得的數(shù)據(jù)，但大區(qū)域數(shù)據(jù)采集將較為耗時。

1.4在線檢測技術(shù)

利用可見-近紅外光譜分析可以較高精度測定土壤特性和養(yǎng)分，但這些研究多借用常規(guī)近紅外分光光度計對田間采集的土壤樣品進行實驗室測試分析，雖然大大縮短了測定時間，但仍需人工采集樣品，費時費力，且采樣點密度難以達到精準農(nóng)業(yè)變量施肥要求。迫切需要開發(fā)機載土壤成分實時測定分析儀。

2003年東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Shibusawa等研發(fā)了世界上第一臺土壤成分實時測定儀器原型，主要由檢測部分、光源分光部分和測控部分組成。采用反射頻譜的1次微分，在549 nm下預(yù)測含水率的相關(guān)系數(shù)為0.73，在559 nm下預(yù)測有機質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)為0.72，在 598 nm下預(yù)測硝態(tài)氮的相關(guān)系數(shù)為0.65，在569 nm下預(yù)測 pH 值的相關(guān)系數(shù)為0.71；采用反射頻譜在674 nm下預(yù)測電導(dǎo)率值的相關(guān)系數(shù)為0.82。2008年VIS-NIR土壤特性實時測定儀是全球第一款商業(yè)產(chǎn)品：VIS-NIR 土壤特性實時測定儀田間工作情況如圖2所示。該設(shè)備可實時測定與地理坐標相關(guān)的土壤頻譜，并測量有機質(zhì)、碳、pH 值、土壤水分和磷等。通過底部的測定窗口測定土壤反射光譜，儀器包括2個光譜儀，可在450～2 200 nm范圍，以8 nm的分辨率、每秒20個光譜的速度采集高品質(zhì)近紅外光譜數(shù)據(jù)，并輸入計算機分析后快速測定土壤特性值[15-16]。

美國Trimble公司的GreenSeeker RT200C作物植被指數(shù)測量與氮肥管理系統(tǒng)（圖3），能夠精確測量與采集記錄植被歸一化指數(shù)和植被等物質(zhì)的紅光與近紅外的比值。這些指數(shù)反映作物對于養(yǎng)分的響應(yīng)、作物生長條件、潛在產(chǎn)量以及病蟲害的影響等。該系統(tǒng)也可以用來監(jiān)測作物生長期間田間（作物、植被）環(huán)境的變化，或者對比不同施肥量與當(dāng)?shù)貥藴适┓柿恐g所產(chǎn)生的差異。但該系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)給作物追肥，而且僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測土壤中的氮素含量，雖然氮素為作物生長需要的主要養(yǎng)分，但仍然需要考慮土壤中的其他主要養(yǎng)分含量（如磷和鉀），所以該系統(tǒng)不能夠完全達到精準變量施肥效果。

目前，在線實時檢測土壤養(yǎng)分并實施變量施肥的變量施肥系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，所以目前實時測量土壤養(yǎng)分含量為變量施肥機提供決策依據(jù)是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

2變量施肥機控制系統(tǒng)

變量施肥機控制系統(tǒng)是整個變量施肥機的核心部件，實現(xiàn)信號檢測、施肥決策和施肥機構(gòu)驅(qū)動等功能。目前國內(nèi)研究人員采用的控制結(jié)構(gòu)類似（表2）[33-53]。變量施肥機在行進過程中采用GPS定位并進行測速，結(jié)合測土配方圖驅(qū)動變量施肥機構(gòu)實施變量施肥作業(yè)。目前采用的控制器類型主要是車載計算機、單片機、PLC、CPLD、FPGA和ARM&DSP;等，變量施肥機定位系統(tǒng)主要采用GPS和DGPS等，通過液壓馬達、步進電機和伺服電機驅(qū)動排肥機構(gòu)實現(xiàn)固態(tài)顆粒肥，或者通過電磁比例閥調(diào)節(jié)液態(tài)肥變量施肥。

目前歐洲的RDS公司、Hrdro Agri公司等，美洲的Agtron公司、Agleader公司、Micro-Trak公司、Mid-Tech公司、Trimble公司等已經(jīng)有具有通用性的產(chǎn)品上市，其接口可以適應(yīng)液肥、粒肥等多種作業(yè)機械的控制。美國已形成了信息農(nóng)業(yè)和精確農(nóng)業(yè)的技術(shù)支持體系，許多公司有成熟的變量施肥設(shè)備，主要使用的控制器為車載式計算機或PDA，根據(jù)GIS土壤養(yǎng)分或肥料使用的GIS 圖層信息實現(xiàn)變量施肥作業(yè)，如美國John Deere公司生產(chǎn)的變量撒肥機、Case公司利用GPS生產(chǎn)的Flexi Soil變量施肥播種機。目前國外已有在線式變量施肥系統(tǒng)，如美國俄克蘭荷馬州立大學(xué)與NT公司合作推出了商標為GreenSeeker的光傳感實時變量施肥機，德國AMAZONE公司開發(fā)了一種基于視覺傳感器的變量施肥機等。

3變量施肥機排肥機構(gòu)

變量施肥機排肥機構(gòu)是主要執(zhí)行機構(gòu)，目前國內(nèi)外學(xué)者主要集中研究排肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計、排肥精度、排量、幅度、均勻性和變異系數(shù)。

目前國外變量施肥機排肥機構(gòu)已實現(xiàn)精準變量施肥要求，能夠滿足對施肥精度、均勻性和超寬幅施肥的要求，并進行商品化推廣應(yīng)用。國內(nèi)在變量施肥機排肥機構(gòu)研究也取得了許多研究成果，但目前相關(guān)技術(shù)還不夠成熟。

目前美國的約翰迪爾公司生產(chǎn)的1910氣吹式種肥車，排肥機構(gòu)采用氣吹式原理，它具有大裝載量、計量精度高以及易于調(diào)整的特性。日本的TABATA 公司設(shè)計了一種顆粒肥變量施肥機，它使用外槽輪排肥盒作為排肥機構(gòu)，通過一個 12 V 的直流電機來控制減速箱的控制桿，用一個直線位移傳感器來實時監(jiān)測控制桿的位置，并為其加裝了一個旋轉(zhuǎn)變換器，用于實時監(jiān)測施肥機的前進速度，用于指導(dǎo)變量施肥，使用一個增量式編碼器檢測外槽輪的轉(zhuǎn)速，從而得到實時的排肥量數(shù)據(jù)。施肥機的最大施肥誤差為5%，系統(tǒng)響應(yīng)時間為095～1.90 s。Ag Leader公司生產(chǎn)的 PFA 田間計算機使精確農(nóng)業(yè)播種和施肥的精確和簡單達到一個更高的水平，它帶表2國內(nèi)變量施肥機控制系統(tǒng)

年份作者控制器類型定位系統(tǒng)類型排肥機構(gòu)驅(qū)動器肥料性質(zhì)2004王秀等AgGPS170計算機DPGS液壓馬達顆粒肥2004韓云霞等AT89C55WD單片機DGPS步進電機顆粒肥2004張智勇等89C55單片機DPGS步進電機顆粒肥2006趙軍等機載計算機GPS電控?zé)o級變速器顆粒肥2007王睿等Altera FPGA 接近開關(guān)測速傳感器步進電機顆粒肥2008齊江濤等ARM藍牙步進電機顆粒肥2009張林煥等S7-200PLC GPS液壓馬達顆粒肥2010劉成良等ARM&DSPGPS;&GPRS;電動機顆粒肥2010張輝等MC68HC908GP32單片機DPGS液壓馬達顆粒肥2010張書慧等CPLDDPGS步進電機顆粒肥2010梁春英等機載計算機GPS伺服電機顆粒肥2010王利霞等ARM S3C44B0XDPGS電動調(diào)節(jié)閥液態(tài)肥2010梁春英等STC89C52RC單片機GPS電動閥液態(tài)肥2011陳莉等STC12C5204AD單片機步進電機顆粒肥2011孫裔鑫等單片機伺服電機顆粒肥2012偉利國等PIC18F2580單片機GPS&3G伺服電機顆粒肥2012張睿等C8051F020單片機GPS液壓馬達顆粒肥2013郎春玲等STC89C52RC單片機GPS電磁比例閥液態(tài)肥內(nèi)置 GPS，可直接控制Rawson變量液壓驅(qū)動系統(tǒng)，不需變量控制器中間環(huán)節(jié)，通過手動設(shè)置或自動讀取配方圖，控制播種、固體化肥或液態(tài)產(chǎn)品的施用。作業(yè)過程中可記錄實際施肥量或播種量，同時利用導(dǎo)航光靶進行導(dǎo)航。俄羅斯全俄農(nóng)機化研究所自行研制了自動變量施肥機，并進行了田間試驗，該機自動變量控制原理是在排肥口裝一個電磁鐵和共振片，通過控制電磁頻率，使共振片震動，達到開啟和閉合的目的，從而自動控制施肥量變化。

目前國內(nèi)變量施肥機排肥機構(gòu)還沒有同時具備高精度、大寬幅、變異系數(shù)小、均勻性好和施肥排量范圍大等優(yōu)點，多數(shù)裝置還處于研究階段。2004年王秀等研制的精準變量施肥機，其肥料變化范圍為0～900 kg/hm2，作業(yè)幅寬為 3.6 m，結(jié)果表明，在施用尿素時要增加槽輪的排肥槽長度，在施用磷酸二銨等不規(guī)則的肥料時，應(yīng)力求減少排肥槽輪的長度，通過增加槽輪轉(zhuǎn)速達到提高排肥計量系統(tǒng)的精度[34]。2004年韓云霞等對2BFJ-6型變量施肥機進行排肥機構(gòu)試驗，檢測變量施肥機在不同行進速度下的排肥量偏差和變異系數(shù)，并建立了施肥量、機具速度和排肥軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型[35-36]。2004年張書慧等發(fā)現(xiàn)在施肥機前進速度為 4.5～5.5 km/h，施肥量在200 kg/hm2以上時，能夠使步進電機工作轉(zhuǎn)速在 33 r/min 至91 r/min范圍內(nèi)，施肥機排肥平均誤差為422%[37-38]。2010年張輝等對2BSJ-18B型號變量施肥播種機進行試驗，結(jié)果表明施肥機在6 s內(nèi)能夠完成 0～375 kg/hm2 的調(diào)節(jié)能力[39]。2010年王兵利等通過對擺桿閥門式、外槽輪式以及離心圓盤式3種施撒系統(tǒng)的比較，發(fā)現(xiàn)擺桿閥門式施撒裝置在肥量調(diào)節(jié)和施肥均勻性方面優(yōu)于其他2種施撒裝置[40]。2012年古玉雪等研究了變量施肥機排肥機構(gòu)模糊控制算法，建立外槽輪每轉(zhuǎn)排量的數(shù)學(xué)模型、施肥機排肥率數(shù)學(xué)模型、施肥機排肥率與轉(zhuǎn)速開度數(shù)學(xué)關(guān)系模型[41]。2012年偉利國等研究了2F-6-BP1型變量施肥機排肥機構(gòu)在不同速度和不同肥料類型下施肥精度，結(jié)果表明采用永磁型伺服電動機驅(qū)動，閉環(huán)反饋 PID 控制方法，實現(xiàn)了變量配肥施肥精確控制，變量配肥施肥精度達到95%以上[42]。2012年劉陽春等檢測了對變量施肥機在不同排肥軸不同轉(zhuǎn)速下，不同肥料（尿素、磷酸二銨和硫酸鉀）排肥量均值、標準差和變異系數(shù)[43]。2012年張睿等基于PWM技術(shù)設(shè)計了一種閉環(huán)控制肥料拋撒幅寬調(diào)控系統(tǒng)，通過試驗建立了幅寬與圓盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在不同作業(yè)速度和不同拋撒幅寬試驗下，實際拋撒幅寬與目標拋撒幅寬之間誤差最大值為550%，最小值為2.86%，拋撒幅寬能夠達到30 m[44]。2012年張睿等設(shè)計了一種基于配方圖的鏈條輸送式變量施肥拋撒機，變量效果較好，且具有較好的拋撒均勻性，在拖拉機速度為1.5 m/s時，實際施肥量與預(yù)置施肥量相對誤差最大值為7.53%；拖拉機速度為2 m/s時，目標施肥量 225 kg/hm2，拋撒幅寬設(shè)定30 m，有效幅寬拋撒變異系數(shù)為14.90%[44]。2013年郎春玲等對深施型液態(tài)施肥機進行試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計合理，使用方便，變量調(diào)節(jié)的誤差不超過 0.5 mL/次，施肥精度最低可達95%[45]。

4展望

變量施肥機在我國實現(xiàn)商品化，進行應(yīng)用推廣存在的主要問題有：（1）土壤養(yǎng)分檢測儀器價格昂貴、性能較差，大面積高密度土壤取樣測定成本太高、耗時長；（2）GPS和GIS技術(shù)與農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的接口軟件等技術(shù)不成熟，缺乏統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)信息標準和資源共享機制；（3）遙感檢測技術(shù)費用昂貴、不易使用、實時性差，而且多種土壤養(yǎng)分含量對光譜的響應(yīng)不顯著；（4）施肥專家決策分析系統(tǒng)具有地域性，通用性較差；（5）現(xiàn)有顆粒、液體變量施肥機難以實現(xiàn)氮，磷，鉀等多元素的在線合成，顆粒變量施肥機只能對單一顆粒肥進行施肥。

目前變量施肥機研究重點為：（1）加強在線式變量施肥機的研究，主要解決實時檢測土壤主要養(yǎng)分含量的問題，提高變量施肥機的易操作性；（2）建立適應(yīng)各地具體情況的精準施肥指標體系，為精準施肥提供有力的依據(jù)；（3）建立地區(qū)土壤肥力數(shù)據(jù)庫，記錄歷年的土壤肥力分布、作物產(chǎn)量分布，完善科學(xué)變量施肥體系，并對示范基地的變量施肥應(yīng)用進行大力推廣；（4）研究多種肥料在線合成技術(shù)，實現(xiàn)精準多變量施肥機變量作業(yè)；（5）研究旋耕、播種和多變量施肥等機具集成，實現(xiàn)復(fù)合作業(yè)。

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