精准变量施肥机械研究现状与发展建议

　　摘要:精准变量施肥是化肥现代减施增效技术体系重要组成部分之一，可因地制宜全面平衡施肥用量，保证化肥合理施用，在农业生产中具有重要作用。为满足对精准变量施肥机械迫切需求，重点阐述精准变量施肥技术概况，分析国内外配套施肥机械的技术特点和应用概况，并针对变量施肥机械化作业所存在的问题提出相应发展建议，为精准变量施肥技术及配套机械研究提供有效参考。

　　关键词:精准农业;变量施肥机械;研究现状;发展建议

　　0引言

　　化肥是一种或几种农作物生长所需营养元素的肥料，其作为农业生产最重要基础物质之一，对保障粮食生产安全和农业增产增效具有重要作用[1]。化肥合理施用主要由先进化肥配制、合理施肥技术及高效配套机械等3大系统完成。在各级政府长期大力支持下，经国内科研院所及企业创新研究与应用推广，中国化肥配制技术已达到较为先进水平[2]。相对而言，施肥技术及配套机械整体发展水平相对落后，多数地区仍采用传统撒施及条施方式进行基肥、种肥及追肥施用作业，仅部分地区实现精准施肥且机械化程度较低[3]。盲目粗放施肥和长期严重偏施已造成农作物产量品质降低、有害物质超标、地下水污染和土壤板结退化等问题，严重影响农产品生产安全、生态环境及自然资源发展，极不利于环境友好型和资源节约型社会的构建。

　　1精准变量施肥技术概况

　　精准变量施肥是将农田土壤进行空间网格单元划分，以各单元内历年农作物产量信息与多层数据(土壤理化性质、病虫草害及气候等)叠合分析为依据，作物生长模型和作物营养专家系统为支撑，高产、优质及环保为目的因地制宜地进行全面平衡施肥的先进技术，其作为化肥现代减施增效技术体系的重要组成部分之一，可为肥料合理施用提供可靠保障[6]。此项技术紧密围绕粮食增产、生产高效、资源节约及生态环保理念，是信息技术、生物技术、机械技术及化工技术的优化组合，主要伴随精准农业发展得到快速应用推广。

　　2国内外精准变量施肥机械研究现状

　　2.1国外现状

　　近年来，对精准变量施肥技术及配套机械的研究已成为国际农业生产领域重点内容，正朝着大型化、信息化、自动化及智能化方向发展。发达已建立了较完整的信息网络，将历年农作物产量、土壤墒情及氮磷钾肥量等数据输入至精准农业网络，采用变量施肥技术精准调配化肥施用量，有效提高肥料利用率并减少环境污染，以便于规模化作业生产。如美国中西部大平原地区和澳大利亚平原地区，其农场规模巨大，且农业发展迅速，采用智能高效农机装备，集成GPS导航、地块信息、作业记录和变量控制等功能，在保护农作物生长、控制施肥量、精量播种、中耕作业及农田水分调控等领域应用，取得了良好的社会、生态及经济效益[9]。

　　2.2国内现状

　　对精准变量施肥技术及配套机械研究相对较晚，由于国内各种农作物种植模式多样且各地区地形地貌差异性较大，因此前期仅进行了部分理论探索及试验研究，并未进行大面积应用推广。至20世纪90年代，随着对精准农业逐渐重视及应用推广，通过引进消化吸收再创新模式，将国外先进精准变量施肥技术与可持续农业基本国情相结合，创制系列适于各种农作物生产的变量施肥系统与排肥机构，集成了多种精准变量施肥机械，部分得到示范应用推广。

　　施印炎等[15]和汪小旵等[16]结合施肥农艺要求，采用近地光谱探测技术和模糊PID控制技术，开发了水稻与冬小麦变量施肥控制系统，分别设计了离心匀肥罩式水稻地表变量撒肥机和冬小麦精准变量施肥机，有效提高施肥控制精度。贾洪雷等[17]采用仿生设计方法集成配置了2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播机，通过基于CPLD控制器的变量施肥控制系统采集机械位置及作业速度，结合处方信息控制排肥轴转速调节施肥量，可一次性完成浅松、碎土、播种、施肥、扶垄和镇压等复合作业，并与黑龙江省勃农兴达机械有限公司联合进行应用推广。金鑫等[18]基于CAN总线通信协议车载传感器与PIC控制融合技术，设计了2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机，根据定位信息和处方信息进行变量施肥，实现了小麦种肥同播且实时监测漏播及堵塞等复合功能。金梅等[19]研制了一种集自动辅助驾驶系统、动态定位、精量播种、变量施肥及故障实时监测功能于一体的精量播种变量施肥机。王金武等[20]将液态肥深施理论与精准变量施肥技术相结合，创制了系列深施型液态变量施肥机具，通过GIS施肥处方图和变量控制系统实时调节肥量，通过行星齿轮系扎穴机构以合适姿态与轨迹将液态肥料精准施入农作物根系10～12cm，实现入土喷施和出土停喷作业效果，在东北地区进行示范推广。左光焜[21]研制了一种机械式液态肥点状注肥机，并配备变量分肥系统和输肥管路堵塞无线监测系统，通过多套注肥单体实现高速旋转注射施肥作业，在河北赵县、北京市等地进行示范推广。上述国内部分典型精准变量施肥机具总体结构、工作原理及技术参数如表2所示。此外，刘成良等[22]创新提出了可在人工自适应变量处方、智能变量处方及施肥量数字调节等多种模式下复合作业的配套机具。陈雄飞等[23]对机械式及气力式稻田变量施肥机控制系统、排肥机构及整机配置等进行了大量创新研究与试验优化。伟利国等[24]研制的2BGM-20型玉米变量免耕播种机突破了种肥流量实时反馈闭环控制的技术难题。刘阳春[25]和刘忠军等[26]研制了多种系列变量施肥系统及复合播种施肥机具，在全国范围内开展示范推广。

　　3存在问题及发展建议

　　对精准变量施肥技术及配套机械研究起步相对较晚，多集中于关键执行部件优化设计，而对核心智能化控制系统自主研发能力较弱，高精准性及适用性的施肥机械研究较少，且所集成的产品自动化及智能化程度低且应用示范面积小，整体水平与国外发达仍存在较大差距。在研究与应用过程中主要存在以下问题:所采用配套传感器技术无法完全实时准确地分析土壤养分及微量元素等信息;农作物生长模型和农作物养分专家系统无法与精准变量施肥机械紧密配套;施肥专家决策分析系统更新周期较慢，所需数据繁多且不易获取，由于国内地形地貌差异性较大，导致其通用性及适应性较差;排肥机构调节范围局限，难以实现氮磷钾等元素在线混合，配套机械作业性能与技术指标有待提高;综合作业成本较高，部分农民思想并未完全转变，影响此项技术进一步应用推广。

　　在未来发展过程中，应结合各区域特点综合施策，以政府所出台系列政策为主导，加快发展精准变量施肥技术，开展配套机械应用培训及宣传推广，建议重点开展以下科学研究:确定各区域各作物合理化肥施用方式及比例，为精准变量施肥实施提供支持;结合网络传输、信息感知及数据处理等先进技术，开展高精度且覆盖全面的土壤及作物养分信息高效检测采集技术和数字化营养管理系统研究;研发可快速精准监测农田土壤及作物养分含量传感器件及适合多种农艺模式的精准施肥控制系统，提高作物生长模型及施肥专家决策分析系统通用性及适应性;将单一施肥作业逐渐转变为变量施肥作业，设计优化多种关键部件结构，以实现多变量在线配肥和施肥作业，提高施肥系统自动化和智能化水平;完善各区域农机装备信息管理标准，构建化肥施用信息服务平台与监测评估系统，实现精准变量施用指导监控;因地制宜地推广机械化施肥技术，加快配套施肥监测系统及智能变量施肥机械研究应用。

　　4结束语

　　长期以来，化肥对提高农作物产量，缓解人口增长与粮食需求的矛盾具有重要作用，但因其盲目过量施用所引发的系列农产品安全、环境污染及资源浪费等问题日益突显，如何有效平衡粮食产量及生态安全与化肥合理施用已成为必须面对问题，亦是精准变量施肥关键技术及配套机械发展的重要驱动力。在大力发展绿色循环可持续型生态农业的背景下，结合农业发展区域特点，树立“增产施肥、经济施肥、环保施肥”理念，因地制宜发展精准变量施肥技术，加快机械化作业发展进程，对探索高产高效、产品安全、资源节约及环境友好的现代农业具有重要意义。

　　参考文献

　　[1]张锁福，王激清，张卫峰，等.主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J].土壤学报，2008，45(5):915-924.ZHANGFusuo，WANGJiqing，ZHANGWeifeng，etal.NutrientuseefficienciesofmajorcerealcropsinChinaandmeasuresforimprovement[J].ActaPedagogicalSinica，2008，45(5):915-924.

　　[2]白由路.高效施肥技术研究的现状与展望[J].农业科学，2018，51(11):2116-2125.BAIYoulu.Thesituationandprospectofresearchonefficientfertilization[J].ScientiaAgriculturaSinica，2018，51(11):2116-2125.

　　[3]史常亮，李赟，朱俊峰.劳动力转移、化肥过度使用与面源污染[J].农业大学学报，2016，21(5):169-180.SHIChangliang，LIYun，ZHUJunfeng.Rurallabortransfer，excessivefertilizeruseandagriculturalnon-pointsourcepollution[J].JournalofChinaAgriculturalUniversity，2016，21(5):169-180.

　　[4]VIEIRASR，HATFIELDJL，NIELSENDR，etal.Geostatisticaltheoryandapplicationtovariabilityofsomeagronomicalproperties[J].Hilgardia，1983，51(3):75.

　　韩英1，贾如1，唐汉2

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