精準變量施肥機械研究現(xiàn)狀與發(fā)展建議

　　摘要:精準變量施肥是化肥現(xiàn)代減施增效技術(shù)體系重要組成部分之一，可因地制宜全面平衡施肥用量，保證化肥合理施用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用。為滿足對精準變量施肥機械迫切需求，重點闡述精準變量施肥技術(shù)概況，分析國內(nèi)外配套施肥機械的技術(shù)特點和應(yīng)用概況，并針對變量施肥機械化作業(yè)所存在的問題提出相應(yīng)發(fā)展建議，為精準變量施肥技術(shù)及配套機械研究提供有效參考。

　　關(guān)鍵詞:精準農(nóng)業(yè);變量施肥機械;研究現(xiàn)狀;發(fā)展建議

　　0引言

　　化肥是一種或幾種農(nóng)作物生長所需營養(yǎng)元素的肥料，其作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要基礎(chǔ)物質(zhì)之一，對保障糧食生產(chǎn)安全和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效具有重要作用[1]?；屎侠硎┯弥饕上冗M化肥配制、合理施肥技術(shù)及高效配套機械等3大系統(tǒng)完成。在各級政府長期大力支持下，經(jīng)國內(nèi)科研院所及企業(yè)創(chuàng)新研究與應(yīng)用推廣，中國化肥配制技術(shù)已達到較為先進水平[2]。相對而言，施肥技術(shù)及配套機械整體發(fā)展水平相對落后，多數(shù)地區(qū)仍采用傳統(tǒng)撒施及條施方式進行基肥、種肥及追肥施用作業(yè)，僅部分地區(qū)實現(xiàn)精準施肥且機械化程度較低[3]。盲目粗放施肥和長期嚴重偏施已造成農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)降低、有害物質(zhì)超標、地下水污染和土壤板結(jié)退化等問題，嚴重影響農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境及自然資源發(fā)展，極不利于環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會的構(gòu)建。

　　1精準變量施肥技術(shù)概況

　　精準變量施肥是將農(nóng)田土壤進行空間網(wǎng)格單元劃分，以各單元內(nèi)歷年農(nóng)作物產(chǎn)量信息與多層數(shù)據(jù)(土壤理化性質(zhì)、病蟲草害及氣候等)疊合分析為依據(jù)，作物生長模型和作物營養(yǎng)專家系統(tǒng)為支撐，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及環(huán)保為目的因地制宜地進行全面平衡施肥的先進技術(shù)，其作為化肥現(xiàn)代減施增效技術(shù)體系的重要組成部分之一，可為肥料合理施用提供可靠保障[6]。此項技術(shù)緊密圍繞糧食增產(chǎn)、生產(chǎn)高效、資源節(jié)約及生態(tài)環(huán)保理念，是信息技術(shù)、生物技術(shù)、機械技術(shù)及化工技術(shù)的優(yōu)化組合，主要伴隨精準農(nóng)業(yè)發(fā)展得到快速應(yīng)用推廣。

　　2國內(nèi)外精準變量施肥機械研究現(xiàn)狀

　　2.1國外現(xiàn)狀

　　近年來，對精準變量施肥技術(shù)及配套機械的研究已成為國際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域重點內(nèi)容，正朝著大型化、信息化、自動化及智能化方向發(fā)展。發(fā)達已建立了較完整的信息網(wǎng)絡(luò)，將歷年農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤墑情及氮磷鉀肥量等數(shù)據(jù)輸入至精準農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)，采用變量施肥技術(shù)精準調(diào)配化肥施用量，有效提高肥料利用率并減少環(huán)境污染，以便于規(guī)?；鳂I(yè)生產(chǎn)。如美國中西部大平原地區(qū)和澳大利亞平原地區(qū)，其農(nóng)場規(guī)模巨大，且農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，采用智能高效農(nóng)機裝備，集成GPS導(dǎo)航、地塊信息、作業(yè)記錄和變量控制等功能，在保護農(nóng)作物生長、控制施肥量、精量播種、中耕作業(yè)及農(nóng)田水分調(diào)控等領(lǐng)域應(yīng)用，取得了良好的社會、生態(tài)及經(jīng)濟效益[9]。

　　2.2國內(nèi)現(xiàn)狀

　　對精準變量施肥技術(shù)及配套機械研究相對較晚，由于國內(nèi)各種農(nóng)作物種植模式多樣且各地區(qū)地形地貌差異性較大，因此前期僅進行了部分理論探索及試驗研究，并未進行大面積應(yīng)用推廣。至20世紀90年代，隨著對精準農(nóng)業(yè)逐漸重視及應(yīng)用推廣，通過引進消化吸收再創(chuàng)新模式，將國外先進精準變量施肥技術(shù)與可持續(xù)農(nóng)業(yè)基本國情相結(jié)合，創(chuàng)制系列適于各種農(nóng)作物生產(chǎn)的變量施肥系統(tǒng)與排肥機構(gòu)，集成了多種精準變量施肥機械，部分得到示范應(yīng)用推廣。

　　施印炎等[15]和汪小旵等[16]結(jié)合施肥農(nóng)藝要求，采用近地光譜探測技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)，開發(fā)了水稻與冬小麥變量施肥控制系統(tǒng)，分別設(shè)計了離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機和冬小麥精準變量施肥機，有效提高施肥控制精度。賈洪雷等[17]采用仿生設(shè)計方法集成配置了2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播機，通過基于CPLD控制器的變量施肥控制系統(tǒng)采集機械位置及作業(yè)速度，結(jié)合處方信息控制排肥軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)施肥量，可一次性完成淺松、碎土、播種、施肥、扶壟和鎮(zhèn)壓等復(fù)合作業(yè)，并與黑龍江省勃農(nóng)興達機械有限公司聯(lián)合進行應(yīng)用推廣。金鑫等[18]基于CAN總線通信協(xié)議車載傳感器與PIC控制融合技術(shù)，設(shè)計了2BFJ-24型小麥精量播種變量施肥機，根據(jù)定位信息和處方信息進行變量施肥，實現(xiàn)了小麥種肥同播且實時監(jiān)測漏播及堵塞等復(fù)合功能。金梅等[19]研制了一種集自動輔助駕駛系統(tǒng)、動態(tài)定位、精量播種、變量施肥及故障實時監(jiān)測功能于一體的精量播種變量施肥機。王金武等[20]將液態(tài)肥深施理論與精準變量施肥技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)制了系列深施型液態(tài)變量施肥機具，通過GIS施肥處方圖和變量控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)肥量，通過行星齒輪系扎穴機構(gòu)以合適姿態(tài)與軌跡將液態(tài)肥料精準施入農(nóng)作物根系10～12cm，實現(xiàn)入土噴施和出土停噴作業(yè)效果，在東北地區(qū)進行示范推廣。左光焜[21]研制了一種機械式液態(tài)肥點狀注肥機，并配備變量分肥系統(tǒng)和輸肥管路堵塞無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過多套注肥單體實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)注射施肥作業(yè)，在河北趙縣、北京市等地進行示范推廣。上述國內(nèi)部分典型精準變量施肥機具總體結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)參數(shù)如表2所示。此外，劉成良等[22]創(chuàng)新提出了可在人工自適應(yīng)變量處方、智能變量處方及施肥量數(shù)字調(diào)節(jié)等多種模式下復(fù)合作業(yè)的配套機具。陳雄飛等[23]對機械式及氣力式稻田變量施肥機控制系統(tǒng)、排肥機構(gòu)及整機配置等進行了大量創(chuàng)新研究與試驗優(yōu)化。偉利國等[24]研制的2BGM-20型玉米變量免耕播種機突破了種肥流量實時反饋閉環(huán)控制的技術(shù)難題。劉陽春[25]和劉忠軍等[26]研制了多種系列變量施肥系統(tǒng)及復(fù)合播種施肥機具，在全國范圍內(nèi)開展示范推廣。

　　3存在問題及發(fā)展建議

　　對精準變量施肥技術(shù)及配套機械研究起步相對較晚，多集中于關(guān)鍵執(zhí)行部件優(yōu)化設(shè)計，而對核心智能化控制系統(tǒng)自主研發(fā)能力較弱，高精準性及適用性的施肥機械研究較少，且所集成的產(chǎn)品自動化及智能化程度低且應(yīng)用示范面積小，整體水平與國外發(fā)達仍存在較大差距。在研究與應(yīng)用過程中主要存在以下問題:所采用配套傳感器技術(shù)無法完全實時準確地分析土壤養(yǎng)分及微量元素等信息;農(nóng)作物生長模型和農(nóng)作物養(yǎng)分專家系統(tǒng)無法與精準變量施肥機械緊密配套;施肥專家決策分析系統(tǒng)更新周期較慢，所需數(shù)據(jù)繁多且不易獲取，由于國內(nèi)地形地貌差異性較大，導(dǎo)致其通用性及適應(yīng)性較差;排肥機構(gòu)調(diào)節(jié)范圍局限，難以實現(xiàn)氮磷鉀等元素在線混合，配套機械作業(yè)性能與技術(shù)指標有待提高;綜合作業(yè)成本較高，部分農(nóng)民思想并未完全轉(zhuǎn)變，影響此項技術(shù)進一步應(yīng)用推廣。

　　在未來發(fā)展過程中，應(yīng)結(jié)合各區(qū)域特點綜合施策，以政府所出臺系列政策為主導(dǎo)，加快發(fā)展精準變量施肥技術(shù)，開展配套機械應(yīng)用培訓及宣傳推廣，建議重點開展以下科學研究:確定各區(qū)域各作物合理化肥施用方式及比例，為精準變量施肥實施提供支持;結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息感知及數(shù)據(jù)處理等先進技術(shù)，開展高精度且覆蓋全面的土壤及作物養(yǎng)分信息高效檢測采集技術(shù)和數(shù)字化營養(yǎng)管理系統(tǒng)研究;研發(fā)可快速精準監(jiān)測農(nóng)田土壤及作物養(yǎng)分含量傳感器件及適合多種農(nóng)藝模式的精準施肥控制系統(tǒng)，提高作物生長模型及施肥專家決策分析系統(tǒng)通用性及適應(yīng)性;將單一施肥作業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽兞渴┓首鳂I(yè)，設(shè)計優(yōu)化多種關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)多變量在線配肥和施肥作業(yè)，提高施肥系統(tǒng)自動化和智能化水平;完善各區(qū)域農(nóng)機裝備信息管理標準，構(gòu)建化肥施用信息服務(wù)平臺與監(jiān)測評估系統(tǒng)，實現(xiàn)精準變量施用指導(dǎo)監(jiān)控;因地制宜地推廣機械化施肥技術(shù)，加快配套施肥監(jiān)測系統(tǒng)及智能變量施肥機械研究應(yīng)用。

　　4結(jié)束語

　　長期以來，化肥對提高農(nóng)作物產(chǎn)量，緩解人口增長與糧食需求的矛盾具有重要作用，但因其盲目過量施用所引發(fā)的系列農(nóng)產(chǎn)品安全、環(huán)境污染及資源浪費等問題日益突顯，如何有效平衡糧食產(chǎn)量及生態(tài)安全與化肥合理施用已成為必須面對問題，亦是精準變量施肥關(guān)鍵技術(shù)及配套機械發(fā)展的重要驅(qū)動力。在大力發(fā)展綠色循環(huán)可持續(xù)型生態(tài)農(nóng)業(yè)的背景下，結(jié)合農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)域特點，樹立“增產(chǎn)施肥、經(jīng)濟施肥、環(huán)保施肥”理念，因地制宜發(fā)展精準變量施肥技術(shù)，加快機械化作業(yè)發(fā)展進程，對探索高產(chǎn)高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約及環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要意義。

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