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)



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)

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。

变量施肥；研究现状；存在问题；对策

0 引言

我国是世界上化肥施用最多的国家之一，根据国家统计局数据，2013年我国农用化肥施用量达5 911．9万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]。受地域、地貌、环境等多种因素的影响，我国化肥施用量大、利用率低下也是目前各地区存在的普遍问题。化肥偏施现象严重，以N、P、K的平均施肥水平为例，我国为1∶0.4∶0.16,发达国家的是1∶0.42∶0.42；微量元素搭配更差，全国有51.5%的耕地缺锌,46.9%缺硼,34.5%缺钼，21.9%缺锰，6.9%缺铜,5%缺铁[2]。

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、地下水源污染及土壤板结等问题，严重影响生态环境、食品安全,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，并针对目前我国变量施肥技术存在的问题提出对策，以期为我国变量施肥技术的发展提供参考和建议。

1 变量施肥技术的概念

施肥技术是现代农业的重要组成部分，可分为基于地力水平的区域施肥、基于品种特性的作物施肥、基于肥料特性的科学施肥、基于水肥一体化的灌溉施肥、基于精准管理的变量施肥、基于规模化生产的机械施肥[6]。所谓变量施肥技术，就是将农田土壤进行网格划分，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、肥料施入控制技术及肥料施入监测技术等组成，如图1所示。

图1 变量施肥技术体系

2 国外研究现状

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]。

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。

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[10]。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。

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

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[11]；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。

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[12]。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。

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[13]。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。

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。

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[14]。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。下面从国内变量施肥肥料施入控制技术的控制器类型、定位系统类型、排肥机构驱动器及肥料性质出发，概括了近10年我国变量施肥肥料施入控制技术的研究现状，如表1所示。

表1 国内变量施肥肥料施入控制技术

2006年，李红岩[15]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 。

2007年，邵利敏[16]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[17]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。

2009年，孟志军[18]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。

2010年，张书慧[19]等以CPLD为控制器开发了一种变量施肥控制系统。系统可在自动和手动模式下获取机车位置信息，将施肥机车的行进速度与施肥处方信息相结合，控制排肥轴转速实现变量施肥。实验结果表明：排肥量误差小于 6%。

2011年，古玉雪[20]等设计了一种开度转速双变量的施肥控制系统。系统利用模糊算法生成了转速与开度的最优序列。实验结果表明：该系统平均施肥误差比常规施肥方法减小 4%，且施肥机车指令响应及时，播撒均匀、准确。

2012年，伟利国[21]等以PIC18F2580为控制器设计了 2F-6-BP1 型变量配肥施肥机。实验表明：该变量配肥施肥机称重系统的最大称量误差为 0.65%，施肥精度可达到 95%以上。

2013年，郎春玲[22]等以深施型液态施肥机为依托，采用STC89C52RC单片机作为核心处理器,设计了深施型液态变量施肥控制系统。实验结果表明：系统施肥误差不超过 0.5mL/次，满足液态变量施肥作业要求。

2014年，张云贵[23]等以小型手扶拖拉机为载体，以飞思卡尔i.MX51芯片作为控制器件设计了变量施肥控制系统。田间施肥效果证明：施肥产值较农户习惯施肥增加 4 310.65元/hm2。

2015年，洪青梅[24]等以甘蔗施肥为对象设计了基于 C 语言的具有变量监控和报警功能的甘蔗中耕管理机施肥控制系统，可以及时、准确地监测肥量的变化，提高施肥的质量和效率。

我国研究人员对变量施肥肥料施入控制技术做了很多研究，但多数方法单一、兼容性不强，变量施肥肥料施入控制技术还处于实验研究阶段，缺少适宜我国复杂地貌的不同地区施肥特点的、完善的肥料施入控制技术，没有形成成熟的肥料施入控制技术体系和商业化的产品，不能同时具备高精度、大宽幅、变异系数小、均匀性好和排肥量范围大的优点，在变量施肥肥料控制及精度和变量施肥机具在全国范围内推广普及方面还有待进一步提高。

5 肥料施入监测技术

肥料施入监测技术是变量施肥技术的重要组成元素之一，国外对其研究较早。例如，美国、法国等早在20世纪50年代就对肥料施入的监测技术进行了研究和应用，已经可以实现变量施肥过程中不同信息的监测，如重施、漏施、施肥面积、机车速度等。变量施肥机具的监测装置有3种类型，分别为机械式报警器、机电信号式报警器和电子仪器式监视装置，如图3所示。

图3 肥料施入监测装置

3种不同的肥料施入监测装置均利用不同的原理，监测效果也不尽相同。欧美国家在20世纪50年代对机械式报警器和机电信号式监测装置研究较多，进入90年代电子仪器式肥料监测装置逐渐取代了机械式报警器和电子仪器式报警器。主要原因是：电子仪器式肥料监测装置对施肥数据监测比较全面，如施肥量、排肥器转速、作业面积及作业异常报警等。国外的大型农机公司在电子仪器施肥监测方面做了大量研究，并生产出与施肥机械配套的监测装置，在实际农业生产中取得了良好的效益。

肥料施入监测技术在我国出现较晚，早期很少进行研究。随着变量施肥技术在精准农业中的作用日益凸显和我国农机装备水平的不断提高，我国研究人员开始对肥料施入监测技术进行了大量的研发，各种不同的变量施肥监测装置雨后相继涌现出来。

2010年，赵斌[25]等利用敏感元件设计了气吸式精播机种、肥作业智能计量监测系统。系统采用间接测量法计量种、肥施播数量，采用光电阵列检测种、肥排空及堵塞信息。实验表明：施肥量测量相对误差<9.6%，报警最大响应时间为 0.8 s，监测效果较好，能实现精播机作业的全天候、全过程监测。

2011年，赵斌[26]等设计了基于无线通信的精播机种肥作业计量监测系统。其主从系统间采用无线通信方式，减少了系统间的布线，降低成本，保证了工作的可靠性，能够满足实际生产要求。

2012年，姚舟华[27]等设计了自动灌溉施肥机工作状态监测系统。系统通过安装在吸肥管路上的光电传感器对施肥状态进行监测，解决了自动灌溉施肥机工作状态的监测问题。

2012年，周利明[28]等设计了一种基于RS485总线的条播机种肥监测系统。系统采用电容式传感器检测种肥管内物料状态，通过对电容信号的分析处理来判断管路阻塞、排空等故障状况。

2014年，许秀英[29]等设计了基于大马力精播机工况监测的田间无线调度系统，在传统的作业速度和作业面积测量基础上，结合数据融合技术，降低了由于地轮打滑引起的测量误差，提高了种肥监测精度。

2015年，马秀莲[30]等设计了以单片机为主控电路的施肥作业智能实时监测系统。系统能够完成施肥量计算及实时监测肥管空或堵塞等情况，通过安装在排肥轴上的编码器测量施肥量，并采用电容式接近开关检测肥排空或堵塞信息。

2015年，赵斌[31]等采用SI4432无线模块和嵌入式微处理器研究了种肥作业漏播检测系统，以压力传感器和光电传感器为敏感元件实时监测种肥排空堵塞状况，采用SI4432模块减少了布线，提高了系统的可靠性。

随着各种不同施肥监测方法的不断发展，我国变量施肥肥料施入监测技术也将越来越完善。电子仪式施肥监测装置以其较高的灵敏性和监测信息的全面性在肥料施入监测技术中应用越来越普遍。由于机车是动态地在田间工作，从监测到故障信息到停车需要一定的时间，这段距离内仍然可以造成重施或漏施。因此，加快变量施肥机具自动补偿式监控系统的研究，减小漏施、重施造成的损失，提高施肥监测系统的自动化和智能化水平也将是我国肥料施入监测技术未来发展的方向[32]。

6 存在问题与对策

6.1 存在的问题

1)检测土壤养分数据的传感器价格昂贵、性能较差，不能实时、快速地分析土壤养分含量及微量元素含量。

2)缺乏与我国不同区域种植机械相配套的农业常用仪器，致使我国变量施肥成本过高，操作不方便。

3)遥感技术虽然为土壤养分检测提供了新的技术手段，但费用高、不易使用、实时性差，易受天气环境的影响，不能满足实际应用的需要。

4)施肥专家决策分析系统更新速率慢，需求数据繁多且不易获取，且由于我国地貌差异性大，其通用性能低下。

5)现有的自动变量施肥肥料单一，难以实现氮、磷、钾等多元素的在线合成。

6)植株分析测速技术相对落后，致使作物模型的适用性和通用性不能与精准变量施肥紧密结合。

7)施肥方式相对单一，没有与其他优良农业技术措施(如免耕栽培、滴灌施肥及农业航空施肥等)配合进行。

8)复合型的农业科技人才稀少，边远地区更甚，研究人员多为高校学者或科研机构人员，研究成果多处于研究发展阶段，未能在农业中推广普及。

6.2 发展对策

1)加强在线式变量施肥技术的研究和加快新技术在现有的变量施肥技术体系中的应用，主要解决实时检测土壤养分含量传感器的性能与费用问题。

2)规范我国常用仪器和农业机械设备的信息标准，因地制宜建立适合我国不同区域种植的施肥技术体系。

3)加快处方生成技术和作物专家系统的研究与开发[33]，完善变量施肥技术体系，为变量施肥在全国范围内推广提供支持。

4)加强施肥机械与变量施肥技术的结合，通过改变机械结构实现多种肥料的在线合成，实现多变量的在线配肥施肥作业。

5)改变单一施肥方式，加强变量施肥技术与农艺和其他先进农业科技相结合，一次作业同时完成旋耕、播种和N、P、K等多变量施肥，实现复合作业。

6)加快变量施肥机具自动补偿式监控系统的研究，提高施肥监测系统的自动化和智能化水平。

7)加大对我国农业航空领域的研发力度与资金支持，生产低成本、操作简单的农用航空植保机械，填补施肥技术在我国农业航空领域的空区[34]。

8)加强农业科技人才的培养和农业科研人员的资金扶持力度[35]。

7 结语

变量施肥技术作为精准农业的一个分支，在世界各国农业科技中显得举足轻重。国外发达国家的变量施肥技术已形成一定的规模，但我国尚处于试验研究阶段，并未在全国范围内得到推广。因此，我国应对变量施肥的关键技术(如处方生成技术、肥料施入控制技术、肥料施入监测技术)加大研发力度，快速研发出能精准迅速检测农田养分含量的传感器件、适应我国国情完善的施肥控制系统、功能健全价格合理的肥料施入监测系统是当务之急；加大对农业航空领域研发的支持，生产成本低、操作简单的农用无人植保机械；加强农业与互联网的结合力度，实现“互联网+”的农业新常态；借鉴国外先进经验，结合我国变量施肥技术存在的主要问题，因地制宜地走具有中国特色的变量施肥发展之路，实现我国农业的健康可持续发展。

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Research on Present Situation and the Development Countermeasures of Variable Rate Fertilization Technology in China

Chen Jin, Zhao Bin, Yi Shujuan, Ge Tianjian, Zhao Xue，Xiao Yuejin

(College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 166319,China)

Variable rate fertilization is an important content of precision agriculture, is the high yield, high efficiency agriculture and the important guarantee of food security. It can effectively control the implementation of the fertilizer on the environment pollution and destruction, greatly improve the fertilizer utilization ratio and reduce the production cost. In this paper, starting from the concept of variable rate fertilization technology. Introducing the current situation of foreign of variable rate fertilization. Analyzing prescription generation technology .fertilizer control technology and fertilizer monitoring technology in detail.Summarizing the main problems existing at present,basing on the problems put forward development countermeasure for variable fertilization technology in China.

variable fertilization; research status; exist problems; countermeasures

2016-08-08

“十二五”国家科技支撑计划项目( 2014BAD06B04-03)

陈 金(1992-),男，河南舞阳人，硕士研究生，(E-mail)760153633@qq.com。

赵 斌(1970-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，(E-mail)616283364@qq.com。

S233.3

A

1003-188X(2017)10-0001-06