袁全春 曾錦 雷嘵暉 徐陶 李雪 呂曉蘭

摘要：精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥、提高肥料利用率的重要載體。列舉國(guó)內(nèi)外學(xué)者在果園精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備開(kāi)展的研究，從排肥量精準(zhǔn)控制和施肥位置精準(zhǔn)控制兩個(gè)方面，總結(jié)歸納現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的方案。指出現(xiàn)有技術(shù)裝備無(wú)法根據(jù)單棵果樹(shù)的養(yǎng)分需求現(xiàn)場(chǎng)配制個(gè)性化肥料、定點(diǎn)施肥技術(shù)裝備應(yīng)用較少、基于果樹(shù)生長(zhǎng)規(guī)律的施肥決策模型缺乏等問(wèn)題。提出要加強(qiáng)政策支持、深入研究高質(zhì)量定點(diǎn)施肥技術(shù)和智能決策模型等對(duì)策建議。

關(guān)鍵詞：果園；精準(zhǔn)施肥；農(nóng)業(yè)機(jī)械；排肥量控制；施肥位置控制

中圖分類號(hào)：S224.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0058-09

Research progress on precision fertilization technology and equipment in orchards

Yuan Quanchun1， 2， 3， Zeng Jin1， 2， 3， Lei Xiaohui1， 2， 3， Xu Tao1， 2， 3， Li Xue1， 2， 3， Lü Xiaolan1， 2， 3

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing，210014， China; 2. Key Laboratory of Modern Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and RuralAffairs， Nanjing， 210014， China; 3. Southern Orchard （Peach， Pear） Fully Mechanized Research Base，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

Precision fertilization technology and equipment is an important carrier to realize precision fertilization and improve fertilizer utilization. The research conducted by scholars at home and abroad on precision fertilization technology and equipment in orchards is listed， and the scheme of existing technology to realize precision fertilization is summarized from two aspects： precise control of the amount of fertilizer discharged and precise control of the fertilization position. Pointed out that the existing technology and equipment can not be based on the nutrient needs of a single fruit tree on-site preparation of personalized fertilizers， the application of point fertilization technology and equipment is relatively small， based on the growth of fruit trees， the lack of fertilizer decision-making model and other issues. It puts forward countermeasure suggestions such as strengthening policy support， in-depth research on high-quality fixed-point fertilization technology and intelligent decision-making models.

Keywords：orchard; precision fertilization; agricultural machinery; fertilizer discharge control; fertilization position control

0 引言

不合理施肥一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在的問(wèn)題，果園施肥量超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家的2倍［1］，造成肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益產(chǎn)生不利影響。近年來(lái)，國(guó)家持續(xù)推進(jìn)肥料減施行動(dòng)，不合理施肥得到一定改善，但肥料利用率仍有提升空間。精準(zhǔn)施肥是提高肥料利用率的重要途徑，精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備是載體。

果園施肥主要分為春夏季的化學(xué)肥料追肥和秋冬季的有機(jī)肥深施，深施有機(jī)肥主要為了改善根系周圍土壤環(huán)境，對(duì)精準(zhǔn)度沒(méi)有太高要求。精準(zhǔn)施肥主要應(yīng)用于追肥階段，此階段需要快速供給果樹(shù)生長(zhǎng)所需養(yǎng)分。而且，由于果樹(shù)個(gè)體生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分狀況差異，其所需的氮磷鉀等養(yǎng)分也存在差異。過(guò)多施用污染環(huán)境，過(guò)少施用不利于果樹(shù)生長(zhǎng)，需要精準(zhǔn)施肥，在需要的位置施入需要的肥量。目前果園主要基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，指?dǎo)精準(zhǔn)施肥量和施肥位置，在現(xiàn)有施肥方式和技術(shù)裝備的基礎(chǔ)上，開(kāi)展精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果園精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備開(kāi)展了廣泛的研究，取得了重要的成果。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)，總結(jié)歸納國(guó)內(nèi)外果園精準(zhǔn)施肥技術(shù)裝備的研究進(jìn)展，洞悉發(fā)展趨勢(shì)，旨在發(fā)現(xiàn)尚未解決的問(wèn)題，尋找進(jìn)一步提高肥料利用率的突破點(diǎn)，提升果園養(yǎng)分精細(xì)化管理水平。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

果園施用的肥料主要有液態(tài)肥和固體肥，針對(duì)這2種類型的肥料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從排肥量精準(zhǔn)控制和施肥位置精準(zhǔn)控制方面開(kāi)展了廣泛而深入的研究，并開(kāi)發(fā)研制了相應(yīng)的控制系統(tǒng)和施肥裝備。

1.1 排肥量精準(zhǔn)控制

精準(zhǔn)控制排肥量是精準(zhǔn)施肥的關(guān)鍵，主要涉及液態(tài)肥精準(zhǔn)排肥、固體肥精準(zhǔn)排肥、排肥量檢測(cè)和排肥故障監(jiān)測(cè)。

1.1.1 液態(tài)肥精準(zhǔn)控制

液態(tài)肥是果園常用的肥料之一，現(xiàn)有精準(zhǔn)排肥控制主要分為被動(dòng)供肥和主動(dòng)供肥。被動(dòng)供肥以文丘里管吸肥為代表，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)排肥量控制；主動(dòng)供肥采用泵排肥，通過(guò)控制泵的轉(zhuǎn)速、工作時(shí)間或系統(tǒng)壓力控制排肥量。氮磷鉀等養(yǎng)分的單獨(dú)供給，在線配肥也是精準(zhǔn)施肥的重要措施，在現(xiàn)有研究中也有體現(xiàn)。

朱德蘭等［2］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程水肥灌溉控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖1（a）。該系統(tǒng)將自整定模糊PID算法加入遠(yuǎn)程服務(wù)終端，通過(guò)算法控制本地端注肥泵頻率，實(shí)現(xiàn)肥液電導(dǎo)率控制。試驗(yàn)表明，目標(biāo)電導(dǎo)率越大，控制約精準(zhǔn)。當(dāng)目標(biāo)電導(dǎo)率為2.5 mS/cm時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為120 s，超調(diào)量為20.8%。左志宇等設(shè)計(jì)了一種多通道移動(dòng)式果園灌溉施肥機(jī)，可按需精準(zhǔn)控制施肥濃度、處方和灌溉量，見(jiàn)圖1（b）。具有6路基于文丘里管的吸肥通道，可根據(jù)EC傳感器等反饋的測(cè)量值，同時(shí)精準(zhǔn)控制多種肥料供給。灌溉量相對(duì)誤差≤0.54%，EC值絕對(duì)誤差≤0.07 mS/cm，配肥相對(duì)誤差≤2.00%。Yamin等［3］設(shè)計(jì)了一種基于土壤氮磷鉀狀態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)的液態(tài)肥變量施肥機(jī)，可以變量施用氮磷鉀養(yǎng)分，見(jiàn)圖1（c）。采用基于比色法的數(shù)字土壤測(cè)試套件測(cè)定土壤肥力，采用3路泵分別控制氮磷鉀液態(tài)肥的供給，通過(guò)3個(gè)水平噴嘴在樹(shù)的一側(cè)施肥，通過(guò)3個(gè)安裝在45°懸架上的噴嘴在樹(shù)上施肥。當(dāng)探測(cè)到樹(shù)體時(shí)，結(jié)合行進(jìn)速度，控制相應(yīng)量的氮磷鉀噴出。

1.1.2 固體肥精準(zhǔn)控制

固態(tài)肥精準(zhǔn)排肥的研究主要集中在排肥器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，排肥器以螺旋排肥器為主，控制上主要通過(guò)控制排肥器轉(zhuǎn)速和排肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)排肥量。多養(yǎng)分肥料配比摻混方面也有相關(guān)研究。

袁全春等［4］開(kāi)發(fā)了一種果園有機(jī)肥變量排肥控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖2（a）。結(jié)構(gòu)上，采用排肥口兩側(cè)旋向相反且相位角180°的螺旋進(jìn)行排肥，改善螺旋排肥的排肥量波動(dòng)?？刂粕?，根據(jù)理論排肥量和作業(yè)速度，實(shí)時(shí)計(jì)算液壓馬達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，采集液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速。開(kāi)發(fā)PID算法控制比例流量閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排肥量精準(zhǔn)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，排肥量相對(duì)誤差≤6.20%、變異系數(shù)≤8.69%，準(zhǔn)確性和均勻性較好。楊文武等［5］針對(duì)螺旋排肥器物料流量隨時(shí)間波動(dòng)變化造排肥不均勻的問(wèn)題，研究了排肥口長(zhǎng)度和排肥口角度對(duì)螺旋排肥器排肥均勻性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，排肥口長(zhǎng)度為60 m、排肥口角度為135°時(shí)，排肥效果最佳，排肥均勻性變異系數(shù)為5.41%。頓國(guó)強(qiáng)等［6］采用傾斜排肥口方案提升螺旋排肥器排肥均勻性。通過(guò)仿真分析得到，當(dāng)斜口長(zhǎng)度為105 m、斜口角度為30°～44°、開(kāi)口寬度為40.05～55.00 m時(shí)，排肥均勻性較佳，變異系數(shù)小于15%，優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋排肥器。同時(shí)，基于排肥轉(zhuǎn)速流量曲線，設(shè)計(jì)了排肥控制器，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。頓國(guó)強(qiáng)等［7］對(duì)采用錯(cuò)位疊加單螺旋原理的弧槽雙螺旋式排肥器進(jìn)行分析優(yōu)化，見(jiàn)圖2（b）。通過(guò)試驗(yàn)得到，螺距35 m、弧槽半徑17.5 m、中心距35 m時(shí)，排肥均勻性和準(zhǔn)確性最佳。排肥精度為3.35%，排肥均勻性變異系數(shù)較優(yōu)化前雙螺旋排肥器和單螺旋排肥器分別降低7.26%～15.48%。

楊欣倫等［8］設(shè)計(jì)了疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)改變疊片相互搭接所形成的開(kāi)口大小，實(shí)現(xiàn)排肥量調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖3。通過(guò)試驗(yàn)確定了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，折彎線相對(duì)中軸線偏轉(zhuǎn)角4.63°、向內(nèi)折彎角14.4°、向外折彎角10.57°、起點(diǎn)與中軸線距離4.27 mm。田間試驗(yàn)表明，排肥一致性變異系數(shù)為0.81%，穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.42%，均勻性變異系數(shù)為1.85%。劉彩玲等［9］設(shè)計(jì)了一種水平渦輪葉片式精量排肥器，可通過(guò)控制排肥渦輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排肥量。通過(guò)試驗(yàn)得到，當(dāng)渦輪葉片數(shù)量為8個(gè)、排肥口開(kāi)度為40°時(shí)，對(duì)磷酸二胺的排肥均勻性系數(shù)接近97%、穩(wěn)定性變異系數(shù)小于2%，均有較好的排肥均勻性和穩(wěn)定性。白秋薇等［10］研制了一種排肥輪槽口體積可變的排肥器及控制系統(tǒng)。根據(jù)目標(biāo)施肥量和冠層直徑調(diào)節(jié)排肥輪槽口體積，同時(shí)根據(jù)作業(yè)速度調(diào)節(jié)排肥輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排肥量精準(zhǔn)控制。構(gòu)建了單棵果樹(shù)目標(biāo)施肥量與排肥輪轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、槽口體積、冠層直徑的關(guān)系及控制規(guī)則。試驗(yàn)結(jié)果表明，排肥量相對(duì)誤差小于4.83%、變異系數(shù)小于6.96%。劉莫塵［11］、閆銀發(fā)［12］等設(shè)計(jì)了一種均有摻混功能的變比配肥定向撒肥機(jī)，見(jiàn)圖4。通過(guò)仿真分析，排肥槽輪轉(zhuǎn)速在20～80 r/min時(shí)，摻混均勻性較好，配肥偏離度標(biāo)準(zhǔn)差小于0.4。通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化撒肥盤結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，當(dāng)撒肥板長(zhǎng)度為450 mm、高度為80 mm、折彎角為100°、轉(zhuǎn)速為290.1 r/min、摻混腔收料口與撒肥盤中心距為88.2 mm時(shí)，撒肥均勻性較好，肥料分布變異系數(shù)小于40%。

1.1.3 排肥量檢測(cè)

閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)排肥的有效途徑，液態(tài)肥常用流量傳感器來(lái)檢測(cè)排肥量作為反饋，而固態(tài)肥排肥量檢測(cè)相對(duì)困難。現(xiàn)有學(xué)者基于電容法、靜電感應(yīng)、微波法、激光雷達(dá)探測(cè)等開(kāi)展了相關(guān)研究，并開(kāi)發(fā)了傳感器。

周利明等［13］利用肥料與空氣介電特性差異，設(shè)計(jì)了基于電容法的施肥量在線檢測(cè)系統(tǒng)，見(jiàn)圖5（a）。構(gòu)建了考慮溫度變化影響的氮磷鉀肥料質(zhì)量流量與電容輸出的關(guān)系模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對(duì)肥料質(zhì)量流量進(jìn)行在線檢測(cè)，相對(duì)誤差為3.75%；同時(shí)能夠識(shí)別堵塞故障，準(zhǔn)確率達(dá)100%。賈洪雷等［14］基于靜電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了顆粒肥料質(zhì)量流量傳感器。設(shè)計(jì)了環(huán)形電極檢測(cè)肥料摩擦、碰撞產(chǎn)生的電荷強(qiáng)度，通過(guò)放大后輸出感應(yīng)電流。標(biāo)定了肥料流量與感應(yīng)電流的關(guān)系，以根據(jù)感應(yīng)電流得到肥料流量。試驗(yàn)結(jié)果表明，大顆粒尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀的檢測(cè)誤差分別為3.9%、5.1%、5.9%，肥料粒徑越小，誤差越大。楊立偉等［15， 16］開(kāi)發(fā)了基于微波法的顆粒肥料質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)，提出了肥料質(zhì)量流量測(cè)量模型和方法。通過(guò)最小二乘法構(gòu)建了2種復(fù)合肥的流量與傳感器輸出值的映射關(guān)系，決定系數(shù)均大于0.985 8。撒可富的測(cè)量范圍為1 119.8～2 065.9 g/min，相對(duì)誤差為6.35%；史丹利的測(cè)量范圍為1 071.9～1 877.9 g/min，相對(duì)誤差為4.85%。

Yin等［17］提出了一種利用近紅外光電傳感器測(cè)量顆粒堆積厚度的方法。根據(jù)光強(qiáng)在不連續(xù)介質(zhì)中的衰減特性，建立了輸出電壓與顆粒堆積厚度之間的高斯回歸模型。將3個(gè)傳感器平行布置成陣列，測(cè)量顆粒堆積厚度的變化過(guò)程。提出了一種以輸出電壓時(shí)間序列為輸入的反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)顆粒質(zhì)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，在0～600 g的顆粒質(zhì)量范圍內(nèi)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量誤差和平均誤差分別小于±18.2 g和7.6 g。姜萌等［18］提出了基于光量阻擋原理的顆粒肥流量檢測(cè)方法，構(gòu)建了以肥料流量與傳感器響應(yīng)電壓相關(guān)性為基礎(chǔ)的模型。試驗(yàn)驗(yàn)證了肥料流量與傳感器累計(jì)響應(yīng)電壓存在較強(qiáng)的相關(guān)性，決定系數(shù)高于0.992?；诩铀俳M建立的模型誤差最低，對(duì)尿素和復(fù)合肥的平均絕對(duì)百分比誤差分別為5.18%和4.07%。通過(guò)試驗(yàn)得到檢測(cè)元件密度越大，檢測(cè)誤差越低。Zhao等［19］基于激光雷達(dá)開(kāi)發(fā)了一種將肥料點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為肥料體積的高效算法，見(jiàn)圖5（b）。該算法采用escape值濾波、離群值去除、有序點(diǎn)云集構(gòu)建、點(diǎn)云平滑等方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，并采用動(dòng)態(tài)區(qū)域提取顯著減少計(jì)算量，通過(guò)改進(jìn)Delaunay三角剖分將點(diǎn)云數(shù)據(jù)高效轉(zhuǎn)化為體積，進(jìn)而計(jì)算出肥料排放質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，施肥速度在20～70 r/min范圍內(nèi)，氮磷鉀的檢測(cè)誤差分別為2.34%～4.66%、2.14%～4.25%和1.87%～4.59%，具有較高的精度。

1.1.4 排肥故障監(jiān)測(cè)

故障監(jiān)測(cè)是排肥量精準(zhǔn)控制的重要組成部分，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障是精準(zhǔn)排肥的保障?？梢越柚欧柿總鞲衅鬟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以結(jié)合其他控制參數(shù)的狀態(tài)作判斷，現(xiàn)有研究較少。

翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等［20］針對(duì)果園變量施肥機(jī)，提出扇葉旋轉(zhuǎn)落肥感應(yīng)方法，研制故障監(jiān)測(cè)裝置，單次排肥最少感知落肥通斷信號(hào)2次，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，見(jiàn)圖6（a）。陳遠(yuǎn)玲等［21］針對(duì)甘蔗施肥機(jī)肥料易結(jié)塊堵塞問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于粒子群—前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的施肥監(jiān)控系統(tǒng)，見(jiàn)圖6（b）。通過(guò)前反饋算法構(gòu)建輸入（馬達(dá)壓力、轉(zhuǎn)速、肥箱中肥量）與輸出（施肥機(jī)構(gòu)工作空載狀態(tài)、正常狀態(tài)、重載狀態(tài)、堵塞狀態(tài)）的映射關(guān)系，利用粒子群算法優(yōu)化。結(jié)果表明：工作狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率為89%，重載狀態(tài)控制馬達(dá)正反轉(zhuǎn)消除堵塞概率為87.5%。

1.2 施肥位置精準(zhǔn)控制

在需要的位置施肥也是提高肥料利用率的重要措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在施肥位置精準(zhǔn)控制方面開(kāi)展了深入的研究，包括開(kāi)溝施肥、對(duì)靶施肥、穴施肥和定點(diǎn)施肥。

1.2.1 開(kāi)溝施肥

開(kāi)溝施肥是施肥裝備最常采用的方式，主要從土肥混合、曲線開(kāi)溝、深度控制、分層施肥等方面開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)施肥位置精準(zhǔn)控制，在根系的需肥位置施肥。

肖宏儒等［22］研制了果園雙螺旋開(kāi)溝施肥機(jī)，采用前軸破土，后軸施肥攪拌的方案，見(jiàn)圖7（a）。后螺旋軸中空，并開(kāi)有排肥孔，在土壤中旋轉(zhuǎn)時(shí)將肥料拋出，并和土壤混合均勻。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)0～400 mm全層混施，使各層根系均能得到養(yǎng)分供給。朱新華等［23］提出密植蘋果園有機(jī)肥機(jī)械化環(huán)溝施肥方法，在果樹(shù)單側(cè)以連續(xù)曲線開(kāi)溝，包圍根系，同時(shí)施肥、混土，見(jiàn)圖7（b）。研制的施肥機(jī)借助檢測(cè)到的果樹(shù)定位信號(hào)，控制開(kāi)溝混肥器橫向運(yùn)動(dòng)，配合行進(jìn)作業(yè)完成曲線開(kāi)溝。試驗(yàn)結(jié)果表明，改裝備能夠準(zhǔn)確識(shí)別果樹(shù)，進(jìn)行連續(xù)環(huán)溝施肥，且全層土肥混合，施肥寬度210 mm±6.3 mm、深度300 mm±19.5 mm，平均功耗5.84 kW。張宏建等［24］研制了一種果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度，保證施肥位置一致。根據(jù)角度傳感器反饋的開(kāi)溝部件角度，實(shí)時(shí)計(jì)算開(kāi)溝深度，通過(guò)電磁閥控制液壓缸伸縮，調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度，使其保持在目標(biāo)值。試驗(yàn)表明，開(kāi)溝深度穩(wěn)定系數(shù)≥94.76%，開(kāi)溝深度一致性較好。袁全春等［25， 26］研究了一種果園有機(jī)肥深施機(jī)，通過(guò)前、中、后混合回填部件將土壤和肥箱排出的有機(jī)肥混合后，依次回填至溝中，實(shí)現(xiàn)分層施肥，見(jiàn)圖7（c）。通過(guò)試驗(yàn)得到，混合回填部件中攪拌槳葉側(cè)向角為90°、俯仰角為60°、轉(zhuǎn)速為200 r/min、分布長(zhǎng)度≥400 mm時(shí)，土肥混合均勻度最高；當(dāng)前、中、后卸料口導(dǎo)流板傾斜角度分別為70°、65°和50°時(shí)，各層土肥可以在施肥溝整個(gè)寬度范圍內(nèi)均勻分布。

1.2.2 對(duì)靶施肥

對(duì)靶施肥是只在有果樹(shù)的位置施肥，在株間位置不施肥，能夠有效減少施肥量。主要研究涉及果樹(shù)探測(cè)識(shí)別和間歇性排肥控制。

Yamin等［3］設(shè)計(jì)了一種變量施肥機(jī)，當(dāng)探測(cè)到樹(shù)體時(shí)才開(kāi)始施肥，只在油棕樹(shù)周圍最有效根系的5 m×5 m（25 m2）面積上噴施液態(tài)肥料，見(jiàn)圖8（a）。白秋薇等［10］研制了一種基于激光雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)果樹(shù)冠層位置的柑橘果園自動(dòng)對(duì)靶施肥裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，落肥起點(diǎn)和終點(diǎn)偏離冠層邊緣最大距離分別為-0.15 m和-0.09 m，均在果樹(shù)冠層范圍內(nèi)。Yang等［27］提出一種枸杞樹(shù)雙模型檢測(cè)方法，包括樹(shù)干檢測(cè)模型和樹(shù)冠檢測(cè)模型，可適用于不同時(shí)期的枸杞果園，見(jiàn)圖8（b）。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器的果園定向變量施肥系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)只在有果樹(shù)的位置施肥。試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)樹(shù)干、連續(xù)冠層和不連續(xù)冠層時(shí)的平均中心偏移距離分別為4.1 cm、9.1 cm和13.1 cm，能夠滿足枸杞對(duì)靶施肥要求。楊洲［28］、宋帥帥［29］等分析了香蕉根系與分布規(guī)律，劃分了主次施肥區(qū)，確定了施肥決策。幼苗期、營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)期和生殖體發(fā)育期的施肥長(zhǎng)度分別為≤0.22 m、≤0.42 m、≤0.84 m，主次施肥區(qū)施肥量比例分別為8∶5、2∶1、11∶5，施肥長(zhǎng)度比例分別為2∶1、5∶1、3∶1。研制了基于紅外光電傳感器探測(cè)果樹(shù)位置的施肥裝備，能夠只在施肥區(qū)變量施肥。仝敏［30］設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺(jué)識(shí)別蘋果樹(shù)位置的對(duì)靶精準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用四次多項(xiàng)式擬合視覺(jué)測(cè)量誤差，測(cè)量精度為99.3%，測(cè)量誤差為6.6 mm。Chang等［31］基于顏色共現(xiàn)矩陣的紋理分析與C++算法，開(kāi)發(fā)了傳感和控制系統(tǒng)軟件，以區(qū)分藍(lán)莓與雜草，只在藍(lán)莓位置施肥。

1.2.3 穴施肥

穴施肥與對(duì)靶施肥類似，也屬于間歇施肥，但更加靈活，可以通過(guò)控制挖坑的位置，在需肥的位置進(jìn)行施肥，穴施肥裝備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，新的研究?jī)?nèi)容較少。

苑進(jìn)等［32］設(shè)計(jì)了一種原位混肥挖坑栽植機(jī)，采用螺旋鉆頭，底部用于挖坑升土、上部用于摻混土壤和菌肥，如圖9所示。到達(dá)目標(biāo)深度后進(jìn)行一定時(shí)間的混肥作業(yè)，然后提升螺旋，待放下樹(shù)苗后回填土肥。根據(jù)土肥混合均勻度確定摻混作業(yè)參數(shù)為轉(zhuǎn)速250 r/min、時(shí)間14 s。田間試驗(yàn)表明，單次作業(yè)時(shí)間小于3 min，土肥混合均勻都變異系數(shù)小于16%，作業(yè)深度0～400 mm，挖坑直徑500 mm。巴利珍［33］設(shè)計(jì)了一種果園施肥挖坑機(jī)，穴坑直徑150～300 mm、最大深度800 mm，能夠調(diào)節(jié)施肥深度，能夠?yàn)樯钍┓侍峁┘夹g(shù)支撐。

1.2.4 定點(diǎn)施肥

定點(diǎn)施肥是穴施肥的進(jìn)一步發(fā)展，可以控制注肥裝置到達(dá)根系周圍的任一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)肥料的精準(zhǔn)投放?，F(xiàn)有研究多采用高壓氣體疏松土壤，再使液態(tài)肥或固體肥擴(kuò)散到土壤裂隙中［35］。

奚小波等［35］研制了一種氣爆松土注肥機(jī)，通過(guò)鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升4個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)施肥，見(jiàn)圖10（a）。優(yōu)化了鉆頭參數(shù)，錐角為60°、鉆桿半徑為12.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，300 mm深度、0.8 MPa氣爆壓力下，土壤最大裂隙寬為3～4 mm、裂隙擾動(dòng)半徑約為400 mm，液肥均勻擴(kuò)散到這些裂隙中。陳相安等［36］設(shè)計(jì)了一款以高壓氣流松土引導(dǎo)肥液擴(kuò)散的果園注肥機(jī)，注肥裝置設(shè)計(jì)為氣、肥通道嵌套形式，一次下壓入土，完成氣爆松土、注肥兩個(gè)過(guò)程，互不干涉，見(jiàn)圖10（b）。通過(guò)試驗(yàn)確定了通氣壓力0.8 MPa，注肥壓力1.5 MPa為最佳參數(shù)。液肥縱向、橫向擴(kuò)散范圍分別為264～320 mm、250～270 mm，作業(yè)效率為0.10～0.12 hm2/h。Sliva等［37］開(kāi)發(fā)了一種液體肥料定點(diǎn)注射系統(tǒng)，將鉆孔與注肥相結(jié)合，能夠連續(xù)定點(diǎn)定量注入液體肥料。沈從舉等［38］研制了履帶式果園氣爆深松施肥機(jī)，能夠完成果樹(shù)根部土壤定點(diǎn)打穴、氣爆松土和固體肥定量施肥等施肥工序，見(jiàn)圖10（c）。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)打穴深度600 mm、施肥桿內(nèi)徑30 mm、氣爆壓力0.6 MPa時(shí)，單次作業(yè)時(shí)間為22.1 s，肥料擴(kuò)散半徑為413.6 mm，作業(yè)效果最佳。楊濤等［39］基于TRIZ理論設(shè)計(jì)了包括多連桿打穴破土機(jī)構(gòu)、氣爆發(fā)生裝置和精量施肥裝置的深松施肥機(jī)，見(jiàn)圖10（d）。試驗(yàn)表明，在常見(jiàn)果園中作業(yè)氣爆壓力大于0.6 MPa，便能夠得到較好的松土效果，同時(shí)保證顆粒肥料有效擴(kuò)散。

2 存在問(wèn)題

1） 果園精準(zhǔn)施肥在排肥量控制方面，現(xiàn)有技術(shù)裝備已經(jīng)非常成熟，能夠準(zhǔn)確供給所需肥量。但多數(shù)只能施用單一種類的肥料，僅有少數(shù)能夠同時(shí)獨(dú)立控制氮磷鉀等養(yǎng)分肥料供給，難以滿足果樹(shù)對(duì)多種養(yǎng)分的差異化需求，無(wú)法針對(duì)單棵果樹(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化按需配肥施用。

2） 在施肥位置精準(zhǔn)控制方面，由大面積粗放施肥向定點(diǎn)精準(zhǔn)施肥發(fā)展，只在需肥位置施用。但定點(diǎn)施肥多處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少，且作業(yè)參數(shù)多不能智能調(diào)節(jié)。無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多樣的土壤環(huán)境，容易造成肥料在土壤中分布不均勻。根據(jù)果樹(shù)根系分布實(shí)現(xiàn)肥料精準(zhǔn)分布也難以實(shí)現(xiàn)。

3） 目前的精準(zhǔn)施肥多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，缺少科學(xué)的、基于果樹(shù)生長(zhǎng)規(guī)律的施肥處方?jīng)Q策模型，導(dǎo)致施肥量和施肥位置不合理，肥效無(wú)法充分發(fā)揮。

3 發(fā)展趨勢(shì)

1） 果園精準(zhǔn)施肥在排肥量控制方面，一是向研發(fā)排肥均勻性、肥料種類適應(yīng)性更好的排肥器方向發(fā)展，二是向基于排肥監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、故障自動(dòng)排除等的智能控制方向發(fā)展，另外也在由控制氮磷鉀復(fù)合肥總量向控制單一養(yǎng)分肥料方向發(fā)展。

2） 在施肥位置精準(zhǔn)控制方面，由開(kāi)溝施肥向易于控制施肥位置的定點(diǎn)施肥方向發(fā)展，由大面積粗放式施肥向基于果樹(shù)根系分布的精準(zhǔn)施肥方向發(fā)展。

4 對(duì)策建議

1） 在政策層面應(yīng)該加強(qiáng)精準(zhǔn)施肥裝備補(bǔ)貼力度，使果農(nóng)用得起；在應(yīng)用層面應(yīng)該根據(jù)不同區(qū)域的果園特點(diǎn)，推廣適用的精準(zhǔn)施肥裝備，并擴(kuò)大宣傳、培訓(xùn)力度，使果農(nóng)信得過(guò)、用得會(huì)。

2） 在技術(shù)層面一要降低裝備成本，提高作業(yè)效率；二要突破基于根系分布的定點(diǎn)施肥技術(shù)，提高精準(zhǔn)施肥裝備性能；三要加大智能施肥決策模型的研究，讓果園精準(zhǔn)施肥有策可依，從源頭提高肥料利用率。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD2001400）；國(guó)家梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS—28—21）；江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（23）3037）

第一作者：袁全春，男，1993年生，山東臨沂人，博士，助理研究員；研究方向?yàn)楣麍@養(yǎng)分智能診斷與精準(zhǔn)施肥裝備。E-mail： yuanquanchun@jaas.ac.cn

通訊作者：呂曉蘭，女，1980年生，山東濰坊人，博士，研究員；研究方向?yàn)楣麍@植保機(jī)械與施藥技術(shù)。E-mail： lanny@126.com