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(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2020年我國(guó)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(wàn)、784萬(wàn)、589萬(wàn)和2 431萬(wàn)t，對(duì)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(guó)化肥生產(chǎn)總量7 037萬(wàn)t，其中，農(nóng)用化肥施用量5 912萬(wàn)t，化肥的施用對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)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(fèi)嚴(yán)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(shí)，不合理使用和盲目的施肥也會(huì)嚴(yán)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(huì)[4]。

本文通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)闡述了我國(guó)變量施肥的技術(shù)應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，具體分析國(guó)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(guó)變量施肥技術(shù)目前仍存在的問(wèn)題和不足，并針對(duì)存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的建議。

1 精準(zhǔn)變量施肥關(guān)鍵技術(shù)

1.1車速監(jiān)測(cè)技術(shù)

精確的作業(yè)車速監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥的必備條件。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥作業(yè)中需要根據(jù)監(jiān)測(cè)作業(yè)的實(shí)時(shí)車速，來(lái)調(diào)節(jié)N、P、K的自動(dòng)配比，所以車速監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性會(huì)直接影響變量施肥的作業(yè)精度。目前，國(guó)內(nèi)研究人員主要采用光電編碼器、霍爾測(cè)速傳感器、GPS、地輪測(cè)速和北斗單點(diǎn)測(cè)速相結(jié)合的方法對(duì)施肥作業(yè)的車速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

袁全春等[5]設(shè)計(jì)了一種果園有機(jī)肥深施機(jī)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(cè)定地輪速度，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)組前進(jìn)速度，將采集到的實(shí)際車速反饋給控制器，進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)通過(guò)分析判斷，計(jì)算出實(shí)際施肥量，性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)具排肥量和均勻性都達(dá)到要求。陳滿等[6]基于模糊PID設(shè)計(jì)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(jī)上面安裝的霍爾測(cè)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器前進(jìn)速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)根據(jù)得到的前進(jìn)速度進(jìn)行控制決策，調(diào)節(jié)排肥軸的轉(zhuǎn)速，控制精度達(dá)到86%以上，滿足控制要求。楊碩等[7]設(shè)計(jì)了一套支持種肥監(jiān)測(cè)的變量施肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)播種施肥機(jī)的GPS測(cè)速模塊獲取機(jī)具行進(jìn)的實(shí)時(shí)速度，控制器判斷速度脈沖每增加36.1 Hz，機(jī)具速度增加1 km/h，最終機(jī)具的速度取3次行進(jìn)速度的平均值。趙學(xué)觀等[8]開(kāi)發(fā)了一種基于雙測(cè)速模式的玉米追肥機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地輪測(cè)速和北斗單點(diǎn)測(cè)速相結(jié)合的方式對(duì)玉米追肥機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且雙測(cè)速模式切換準(zhǔn)確率為100%，滿足精準(zhǔn)施肥的需要，有效地解決了測(cè)速準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。作業(yè)車速監(jiān)測(cè)方法對(duì)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(guò)人工測(cè)土技術(shù)和智能檢測(cè)技術(shù)生成。人工測(cè)土生成施肥處方需要人為進(jìn)行田間土壤取樣測(cè)土，對(duì)照土壤養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)生成施肥處方，此方法對(duì)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(cè)土壤可以更精準(zhǔn)地檢測(cè)采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分信息，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)田土壤養(yǎng)分的分類沒(méi)有統(tǒng)一執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法就土壤養(yǎng)分做出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)[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(zhǎng)和土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)整理，構(gòu)建信息分布圖，也可以將采集到的田間信息通過(guò)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(kù)生成施肥處方[11]。兩種施肥處方生成技術(shù)對(duì)比分析如表2所示。

傳統(tǒng)處方生成方式過(guò)程繁雜，需要投入大量的人力和時(shí)間，且生成的處方精度低，不符合精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)農(nóng)田網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)定位和標(biāo)記點(diǎn)采樣，相較于傳統(tǒng)處方生成方式效率高、節(jié)約時(shí)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(jìn)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(cè)技術(shù)

肥料流量監(jiān)測(cè)技術(shù)是精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)的重要組成元素之一，是實(shí)現(xiàn)變量施肥控制的技術(shù)前提。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)肥料流量的檢測(cè)方法主要有直接稱量法、排肥軸間接檢測(cè)法、肥箱余量檢測(cè)法、光電測(cè)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(dòng)模擬機(jī)具行進(jìn)，通過(guò)膠帶秤直接測(cè)量排肥口的實(shí)時(shí)排肥量，實(shí)現(xiàn)排肥流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)時(shí)膠帶速度和膠帶稱有效測(cè)量長(zhǎng)度的參數(shù)，保證測(cè)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(guò)加入算法避免了因作業(yè)時(shí)編碼器抖動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了施肥量測(cè)量的準(zhǔn)確性。趙明巖等[14]利用相鄰極板電容傳感器檢測(cè)肥箱料位的下降程度，通過(guò)公式計(jì)算出相鄰電極間電容值的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)肥料流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。高富強(qiáng)[15]利用光敏電阻設(shè)計(jì)了一套種肥監(jiān)測(cè)裝置，在肥箱上下兩端安裝紅外光敏對(duì)管式監(jiān)測(cè)總成，通過(guò)觀察LED燈組點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)檢測(cè)肥料流量。金鑫等[16]通過(guò)在每個(gè)排肥管下端口安裝電容式傳感器，對(duì)排肥流量信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微波多普勒雷達(dá)測(cè)量排肥管道顆粒肥的流量，通過(guò)改變電動(dòng)排肥裝置中排肥軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)顆粒肥的變量控制。以上7種肥料流量監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析如表3所示。

表1 作業(yè)車速監(jiān)測(cè)方法對(duì)比

表2 施肥處方生成技術(shù)對(duì)比

表3 肥料流量監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

2 存在的問(wèn)題與建議

2.1存在的問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)變量施肥技術(shù)取得快速發(fā)展，尤其是在多種肥料同時(shí)進(jìn)行變量施用方面取得重大突破，并且變量施肥機(jī)械逐步實(shí)現(xiàn)智能化。但是，對(duì)比國(guó)外變量施肥技術(shù)還存在以下問(wèn)題，需要在以后的研究中重點(diǎn)突破。

(1)由于我國(guó)對(duì)變量施肥機(jī)械研究起步較晚，配套器件制造水平相對(duì)較低，部分傳感器等器件需要進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品，導(dǎo)致現(xiàn)有的變量施肥機(jī)具價(jià)格昂貴，小型農(nóng)場(chǎng)和農(nóng)戶難以接受使用成本，機(jī)具推廣難度較大。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥技術(shù)研究薄弱?，F(xiàn)階段我國(guó)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，對(duì)土壤養(yǎng)分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、作物長(zhǎng)勢(shì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和肥料實(shí)時(shí)自動(dòng)配比技術(shù)研究相對(duì)薄弱。

2.2相關(guān)建議

(1)提高變量施肥機(jī)具的制造工藝，加強(qiáng)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(lái)取代進(jìn)口器件和設(shè)備，降低變量施肥機(jī)具的成本，讓更多農(nóng)戶和農(nóng)場(chǎng)能接受使用成本。

(2)借鑒國(guó)外先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥控制策略和方法，加強(qiáng)與先進(jìn)制造企業(yè)的技術(shù)交流，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)國(guó)情，研發(fā)適合我國(guó)農(nóng)藝要求的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變量施肥系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是世界上最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國(guó)之一，每年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要投入數(shù)萬(wàn)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(zhǔn)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(lái)我國(guó)變量施肥技術(shù)會(huì)取得更好的成果。