李 普，梁春英，王紫玉，王 淞，王鹏宇，张荣丹

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆163319； 2.黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院，黑龙江 大庆163319)

0 引言

据国家统计局数据，2020年我国农业生产中氮、磷、钾、复合肥总折纯用量分别为2 032万、784万、589万和2 431万t，对应单位面积用量分别为8.13、3.14、2.36和9.70 kg/hm2[1]。2020年我国化肥生产总量7 037万t，其中，农用化肥施用量5 912万t，化肥的施用对粮食增产的贡献率较大，大体在40%以上[2]。化肥的不科学施用已导致肥料利用率降低和肥料资源浪费严重；导致土壤质量加速衰退，土壤肥力下降和土壤板结；致使农业生产成本增加，农产品品质下降，产品效益降低[3]。同时，不合理使用和盲目的施肥也会严重污染地下水资源，使土壤保水保肥的能力降低，加剧水土流失，更不利于构建资源节约型社会[4]。

本文通过查阅相关文献阐述了我国变量施肥的技术应用和研究现状，具体分析国内外诸多企业和学者应用变量施肥技术的典型案例，总结了我国变量施肥技术目前仍存在的问题和不足，并针对存在的问题提出相应的建议。

1 精准变量施肥关键技术

1.1车速监测技术

精确的作业车速监测是实现精准变量施肥的必备条件。实时监测变量施肥作业中需要根据监测作业的实时车速，来调节N、P、K的自动配比，所以车速监测的精准性会直接影响变量施肥的作业精度。目前，国内研究人员主要采用光电编码器、霍尔测速传感器、GPS、地轮测速和北斗单点测速相结合的方法对施肥作业的车速进行实时监测。

袁全春等[5]设计了一种果园有机肥深施机分层变量排肥控制系统。该系统利用OMRON E6B2 CWZ3E型光电编码器测定地轮速度，进而计算出机组前进速度，将采集到的实际车速反馈给控制器，进行闭环控制，系统通过分析判断，计算出实际施肥量，性能试验结果显示，机具排肥量和均匀性都达到要求。陈满等[6]基于模糊PID设计了冬小麦变量追肥优化控制系统，该系统利用拖拉机上面安装的霍尔测速系统，实现对机器前进速度的实时监测，系统根据得到的前进速度进行控制决策，调节排肥轴的转速，控制精度达到86%以上，满足控制要求。杨硕等[7]设计了一套支持种肥监测的变量施肥系统，该系统通过播种施肥机的GPS测速模块获取机具行进的实时速度，控制器判断速度脉冲每增加36.1 Hz，机具速度增加1 km/h，最终机具的速度取3次行进速度的平均值。赵学观等[8]开发了一种基于双测速模式的玉米追肥机控制系统，该系统利用地轮测速和北斗单点测速相结合的方式对玉米追肥机作业速度进行实时监测，且双测速模式切换准确率为100%，满足精准施肥的需要，有效地解决了测速准确性低的问题。作业车速监测方法对比分析如表1所示。

1.2施肥处方生成技术

施肥处方生成技术是变量施肥技术的重要组成部分，可通过人工测土技术和智能检测技术生成。人工测土生成施肥处方需要人为进行田间土壤取样测土，对照土壤养分标准生成施肥处方，此方法对采样深度、采样路线和采样方法都有特定的要求[9]。虽然人工检测土壤可以更精准地检测采样点的土壤养分信息，但是国内对于农田土壤养分的分类没有统一执行的标准，无法就土壤养分做出标准统一的评价[10]。新型处方生成技术则利用农田信息采集系统采集田间作物生长和土壤养分数据，将收集到的数据通过整理，构建信息分布图，也可以将采集到的田间信息通过GPS定位系统和嵌入式GIS车载GPU直接生成农田信息分布图，最终作物管理决策系统参照专家施肥数据库生成施肥处方[11]。两种施肥处方生成技术对比分析如表2所示。

传统处方生成方式过程繁杂，需要投入大量的人力和时间，且生成的处方精度低，不符合精准农业的要求。新型智能处方生成技术利用3S技术，可实现农田网络精准定位和标记点采样，相较于传统处方生成方式效率高、节约时间。依据施肥专家系统，可生成高精度的施肥处方，但需要投入大量的资金进行研究和建设配套设施，且操作人员需要一定的专业技术水平。

1.3肥料流量监测技术

肥料流量监测技术是精准变量施肥技术的重要组成元素之一，是实现变量施肥控制的技术前提。国内研究学者对肥料流量的检测方法主要有直接称量法、排肥轴间接检测法、肥箱余量检测法、光电测量法、成像法、电容法和微波多普勒法。

余洪锋等[12]利用胶带转动模拟机具行进，通过胶带秤直接测量排肥口的实时排肥量，实现排肥流量的实时监测，同时，系统检测实时胶带速度和胶带称有效测量长度的参数，保证测量精度。王大可等[13]在排肥轴上安装编码器，将系统采集到的脉冲数和关联系数相乘，就可得到排肥量的数据，通过加入算法避免了因作业时编码器抖动带来的测量误差，提高了施肥量测量的准确性。赵明岩等[14]利用相邻极板电容传感器检测肥箱料位的下降程度，通过公式计算出相邻电极间电容值的大小，进而实现肥料流量的实时检测。高富强[15]利用光敏电阻设计了一套种肥监测装置，在肥箱上下两端安装红外光敏对管式监测总成，通过观察LED灯组点亮的个数检测肥料流量。金鑫等[16]通过在每个排肥管下端口安装电容式传感器，对排肥流量信号实现实时监测。杨立伟等[17]研究了一种基于微波多普勒法的施肥质量流量检测系统，该系统利用微波多普勒雷达测量排肥管道颗粒肥的流量，通过改变电动排肥装置中排肥轴的转速，实现颗粒肥的变量控制。以上7种肥料流量监测技术的对比分析如表3所示。

表1 作业车速监测方法对比

表2 施肥处方生成技术对比

表3 肥料流量监测技术对比

2 存在的问题与建议

2.1存在的问题

近年来，我国变量施肥技术取得快速发展，尤其是在多种肥料同时进行变量施用方面取得重大突破，并且变量施肥机械逐步实现智能化。但是，对比国外变量施肥技术还存在以下问题，需要在以后的研究中重点突破。

(1)由于我国对变量施肥机械研究起步较晚，配套器件制造水平相对较低，部分传感器等器件需要进口国外产品，导致现有的变量施肥机具价格昂贵，小型农场和农户难以接受使用成本，机具推广难度较大。

(2)实时监测变量施肥技术研究薄弱。现阶段我国实时监测变量施肥技术还处于实验研究阶段，对土壤养分的实时监测、作物长势的实时监测和肥料实时自动配比技术研究相对薄弱。

2.2相关建议

(1)提高变量施肥机具的制造工艺，加强传感器等配套器件的精度和质量要求，依靠自主研发来取代进口器件和设备，降低变量施肥机具的成本，让更多农户和农场能接受使用成本。

(2)借鉴国外先进的实时监测变量施肥控制策略和方法，加强与先进制造企业的技术交流，结合我国农业国情，研发适合我国农艺要求的实时监测变量施肥系统。

3 结束语

我国是世界上最大的农业生产国之一，每年在农业生产中需要投入数万吨肥料，但是这些肥料中只有一小部分被农作物吸收，大量肥料因不合理施肥而流失，造成土壤养分破坏和农田环境污染，所以，精准变量施肥技术仍是农业生产中急需发展的技术，未来我国变量施肥技术会取得更好的成果。