精准施肥机械及关键技术

1、精准施肥机械及关键技术 精准施肥技术（简称精准施肥或变量施肥）是精准农业的重要组成部分，是按照地块每一操作单元具体条件，精细准确地调整各种土壤合理施肥，最大限度地使用肥料投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保持农业生态环境，保持土地等自然资源的施肥新技术。 1 发展精准施肥技术的意义 精准变量施肥技术是以不同空间单元的产量数据与土壤理化性质、病虫草害、气候等多层数据的综合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的施肥技术，要求对农业生态系统进行养分平衡研究，从而可以实现在每一操作单元上因土壤、因作物预计产量的差异而按需施肥，有效控制物质循环中养分的输入和

2、输出，防止农作物品质变坏及化肥对环境的污染和破坏，大大提高了肥料的利用率，降低生产成本，减少了多余肥料对环境的不良影响，增加了农民收入。精准施肥对农作物增产的贡献率可达到4060。 中国是世界上化肥施用最多的国家之一，化肥投入的突出问题是结构不合理，利用率相当低，尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调。氮肥利用率为3035，磷肥为1025，钾肥为3555，大量未被农作物吸收利用的化肥营养素以滞留、吸附、随水径流、反硝化等方式污染土壤、环境和大气。目前中国平均施肥水平的N、P、K比例为10.40.16，发达国家是10.420.42，偏施化肥现象严重，微量元素搭配更差。目前全国有51.5%

3、的耕地缺锌，46.9的耕地缺硼，34.5的耕地缺钼，21.9的耕地缺锰，6.9%的耕地缺铜，5的耕地缺铁。北方65以上的土壤缺钾，南方100的土壤缺钾。肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且是环境污染特别是水体富营养化的直接原因之一，众所周知的太湖、滇池的富营养化，其中来自肥料面源污染负荷高达1/31/2。随着人们环境意识的加强和农产品由数量型向质量型的转变，精确施肥将是提高土壤环境质量，减少水和土壤污染，提高作物产量和质量的有效途径。 施肥方式的落后、盲目粗放施肥和过量偏施已经造成某些农作物有害物质超标、品质下降和环境污染，严重影响了食品安全，不利于中国加入世界贸易组织后的农产品国际竞争。随着

4、人们环境意识的加强和农产品由数量型向质量型的转变，精准施肥是提高土壤环境质量，减少水和土壤污染，提高作物产量和质量的有效途径。因此，农业生产需要精准施肥，精准施肥需要智能化的精准施肥机械。 2 国内外精准施肥机械的发展概况 2.1 国外精准施肥机的发展概况 20 世纪90 年代以来，精准农业在欧美发达国家发展很快，已初具规模。在美国，以土地平坦、经营规模大的中西部大平原地区发展最快。目前，精准农业已涉及施肥、植物保护、精量播种、耕作和水分管理等各有关领域。 北美的精准农业技术，又以在施肥上的应用最为成熟。变量施肥机有用传统的施肥机改装成的一次作业施一种肥料的简易型，目前的发展趋势是使用大型的多

5、种肥料同时变量施肥的机具。 美国已经商品化的有John Deere 公司的变量撒肥机、Case 公司的Flexi Soil 变量施肥播种机等。日本对小尺度地块在变量施肥方面的研究处于比较独特地位。日本在精准农业领域进行的研究处于研究示范阶段，目前的研究还主要是偏向于水稻苗期生长的变量施肥，尚未大面积实用。多种肥料同时变量，每个单独的排肥机构通过各自相联的电机驱动，排肥量的多少通过调节电机的转速来实现。肥料从排肥机构排出后，通过旋转风机的气流把肥料输送到各个排肥口。每个电机的控制由固定在拖拉机上的电脑来完成。 日本开展该类研究从政府及有关公司得到的资助强度正在逐渐地增强，无论是大学科研机构还是有

6、关公司投入的人力和物力也在增强。 2.2 国内精准施肥机的发展概况 国内在20 世纪90 年代后期开始了对精准农业的关注和适当引入。近年来，国内在精准农业的示范研究方面发展速度较快，在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上，研究和探讨适合中国国情的精准农业技术体系，精准农业的思想已经为科技界和社会广为接受，并在实践上有一些应用。 北京市农林科学院农业信息技术研究中心（国家农业信息化工程技术研究中心） 研制了具有单一功能的变量施肥机，在北京市郊的小汤山现代农业科技示范园进行了试验。 上海交通大学机电学院研制了智能变量播种、施肥、旋耕复合机，并在上海市松江泖新农场投入试验。 吉林大学生物与农业工程学

7、院研制了变量深施肥机，在吉林省德惠市国家农业高新技术示范区进行了手动控制和自动变量控制的两种试验。河北省农业机械化研究所还进行了圆盘式变量施肥机的试验。 上述变量施肥机尚处于研究和初步试验阶段，未到实用阶段，主要是用传统的施肥机改装成的一次作业施一种肥料的简易型，不能进行多种肥料同时变量施肥、精准度不高。要实现真正意义上的精准施肥，下一部的研究方向是研制多种肥料同时变量施肥的机械，并提高精准度。 3 我国现有精准施肥机械存在的问题 目前的精准施肥技术体系在关键技术领域还存在一些问题，主要表现在：（1）土壤数据采集仪器格昂贵，性能较差，不能分析一些缓效营养元素的含量；（2）遥感由于空间分辨率和光

8、谱分辨率问题，使遥感信息和土壤性质、作物营养胁迫的对应关系很不明确，不能满足实际应用的需要。随着高分辨率遥感卫星服务的提供（13 m），加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将是近几年精准施肥研究的热点和重点；（3）差分GPS（DGPS）的定位精度已完全能满足精准施肥的技术需要，DGPS 导航自动化施肥或耕作机械已有研究，但DGPS 与GIS 数据库结合进行自动化机械施肥还有待进一步发展，同时GPSGIS 也正趋向于一体化；（4）作物模型和专家系统方面，除进一步加强作物营养机理和生理机理研究外，在模型的适用性和通用性方面还应于精准施肥紧密结合，因为许多现有模型需要的变量过多或普通

9、方法难以测定，即模型需要进一步简单化和智能化；（5）国内现有的精准施肥机（智能施肥机、变量施肥机）只能实现单变量（如复合肥）施肥，不能实现N、P、K 和其它元素的多变量施肥。精准施肥机必须满足不同田块单元对N、P、K等元素的不同需求，实现真正意义上的精准施肥。 4 精准多变量施肥机的关键技术 精准多变量施肥机具有多种功能，在旋耕、播种的同时，能实现精准智能施肥。精准多变量施肥机集DGPS 差分全球定位系统、肥料决策分析系统（GIS地理信息系统和模型专家系统）、自动控制施肥系统（拖拉机前进测速系统和电液控制系统）、施肥系统、旋耕系统、播种系统于一体，实现在每一操作单元上因土壤、作物预计产量的差异

10、等信息而按需施肥，有效控制物质循环中养分的输入和输出，防止农作物品质变坏及化肥对环境的污染和破坏，提高肥料的利用率，降低生产成本，减少多余肥料对环境的不良影响，增产增效。 4.1 作物模型和专家系统技术 作物模型和专家系统的核心内容是提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟的模型库；支持作物生产管理的数据资源的数据库；作物生产管理知识、经验的集合知识库；基于数据、模型、知识库的推理程序；人机交互界面程序等。 从实施精准农业自动变量施肥作业的实际需求出发，建立田间土壤信息、施肥情况、作物产量等地理信息图层，进行专题分析与施肥决策。建立变量施肥专家系统，是对采样、测土获得的土壤有机质、N、P、K

11、等进行施肥决策，获得每个操作单元的施肥量进行土壤养分空间变异研究。采取克里格插值算法，生成图形平滑、结果准确的土壤养分空间变异分布图，为精准施肥提供可靠的数据基础，使变量施肥的基础数据具有可靠性。变量施肥专家系统具备以下功能：数据的录入功能、数据的维护和更新功能、数据的查询和检索功能及统计功能等。 4.2 差分全球定位系统（DGPS）与决策分析系统差分全球定位系统（DGPS），无论是田间实时土样分析，还是精确施肥机的运作，都是以农田空间定位为基础。全球定位系统（GPS）为精确施肥提供了空间精确定位的基本条件。GPS 接收机可以在地球表面的任何地方、任何时间、任何气象条件下至少获得4 颗以上的G

12、PS 卫星发出的定位定时信号，而每一卫星的轨道信息由地面监测中心精确监测，GPS 接受机根据时间和光速信号通过三角测量法确定自己的位置。由于卫星信号受电离层和大气层的干扰，会产生定位误差，美国提供的GPS 定位误差可达100 m 以上，为满足精确施肥或精确农作需要，将给GPS 接受机提供差分信号即差分定位系统（DGPS）。DGPS 除了接收全球定位卫星信号外，还需接收信标台或卫星转发的差分校正信号，以满足定位精度的要求。 决策分析系统是精确施肥的核心，决策分析系统包括地理信息系统（GIS）和模型专家系统二部分。GIS 用于描述农田空间属性的差异性；作物生长模型和作物营养专家系统用于描述作物的生

13、长过程及养分需求。只有GIS 和模型专家系统紧密关联，才能制定出切实可行的决策方案，这也是当前国内外GIS 集成的研究热点之一。在精确施肥中，GIS 主要用于建立土壤数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库和进行空间属性数据的地理统计、处理、分析、图形转换和模型集成等。作物生长模型是将作物及气象和土壤等环境作为一个整体，应用系统分析的原理和方法，综合大量作物生理学、生态学、农学、土壤肥料学、农业气象学等学科的理论和研究成果，对作物的生长发育、光合作用、器官建成和产量形成等生理过程与环境和技术的关系加以理论概括和数量分析，建立相应的数学模型。它是环境信息与作物生长的量化表现。通过作物生长模型我们

14、可以得出任意生长时期作物对土壤生长环境的要求，以便采取相关的措施。测土施肥目标产量模型，计算的施肥量相对较准确，以作物生理机理为基础的作物营养模拟模型还有待于进一步发展和提高。 通过GPS 获得任意接收点的空间位置坐标数据，并进行精准多变量施肥机的测时、测速,为GIS提供实时、动态、精确获取空间位置的重要数据源。GIS 用来管理和应用由GPS 获取的施肥机空间位置数据，由GIS 实现重要空间数据的处理、集成和应用。 田间信息通过GIS 系统予以表达和处理，它是构成农作物精准管理空间信息数据库的有力工具。GPS 在精准农业中能够实施施肥机械作业的动态定位，即根据管理信息系统发出的指令，实施田间的

15、精确定位。通过DGPS 和GIS 相结合,获取农田内空间差异性信息,实现农田空间信息的精细管理。将对农田边界测量和定位采集土样, 并将定位数据和属性数据一同输入到GIS 数据库平台中。通过数据处理和空间分析,生成多种农田空间差异信息分布图，利用数字高程模型和神经网络模型, 生成定位施肥处方分布图,研制并形成农田空间信息数据库系统。 4.3 控制系统 精准多变量施肥旋耕播种机的工作将采用手动和自动2 种工作方式，以实现自动变量控制. 针对自动变量控制现有2 种形式。一是实时控制施肥，即根据监测土壤的实时传感器信息，控制调整肥料的投入数量，或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量。二是处方信息控

16、制施肥，即根据决策分析后的电子地图提供的处方施肥信息，对田块中肥料的撒施量进行定位调控。由于前者精度较低，因此主要研究处方信息（图）控制施肥技术。研究地速信号采集处理技术、电液比例控制技术等，结合施肥处方信息、拖拉机地速信息，通过电液比例控制系统实现多变量施肥控制。 4.4 N、P、K 肥的多变量排肥技术 现有的颗粒、液体变量施肥机难以实现N、P、K等多元素的在机变量配比，颗粒变量施肥机只能对单一颗粒肥进行施肥。 开展精准多变量施肥机的研究，不仅能进行复合颗粒肥的变量施肥，还能进行N、P、K 等元素的多变量施肥。 一次作业只能施一种肥的变量施肥机不是真正意义上的精准施肥机。不同田块单元对N、P、K 等元素的需求不同，一次作业要求N、P、K 等肥能同时分别变量排肥。自动控制变量施肥可以根据土壤特性、谷物产量图、田间大地高