变量施肥机械研究现状与发展对策

变量施肥机械研究现状与发展对策段洁利,李君,卢玉华(华南农业大学工程学院,广州510642)摘要:随着农业的不断发展,变量施肥在农业生产中显得越来越重要。

为此,概述了变量施肥的概念和意义。

同时,介绍了国内外变量施肥机械的研究现状,分析了我国现有变量施肥理论技术存在的主要问题和发展方向,探讨了变量施肥机械化的发展对策。

关键词:变量;施肥机械;研究现状;发展对策中图分类号:S233.3文献标识码:A文章编号:1003-188X(2011)05-0245-040引言我国人口众多,人均资源少且资源利用效益较低。

因此,充分有效地利用有限的资源,发展以节地、节水、节肥、节粮为目标的现代农业将是目前与未来中国农业必须关注的重点问题。

我国化肥总产量占世界的16.6%,总产量仅次于美国,居世界第二位,总施用量占世界的27.5%,居世界第一位。

联合国粮农组织(FAO)的统计表明,化肥对提高农作物产量的作用占40%~60%,我国化肥对作物增产的作用占30%~40%[1]。

传统的盲目粗放施肥和过量偏施,不仅浪费了大量的化肥,同时还造成了氮、磷、钾及微量元素的比例失调、农作物有害物质超标、品质下降和环境的污染,已成为政府和社会普遍关注的焦点。

随着国家的可持续发展和环保意识的增强以及全球定位系统(GPS)技术的普及与推广,如何有效地正确施肥,在不需施肥的地方停止施肥,达到既节约肥料,又能增产增效的目的,势必引入变量施肥技术。

变量施肥技术即自动变量施肥技术,简称变量施肥或精准施肥,主要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、环保为目的的变量处方施肥理论和技术[2]。

变量施肥技术是信息技术(RS,GIS,GPS)、生物技术和农业工程装备技术的优化组合,是精准农业技术的重要组成部分,又是解决上述问题的有效手收稿日期:2010-07-21基金项目:广东省现代农业产业技术体系建设专项(粤财教[2009] 356号)作者简介:段洁利(1973-),女,山西襄汾人,副教授,(E-ma il)du-an jiel@i 。

段。

目前,用于变量施肥的控制方式主要有处方信息控制施肥和实时控制施肥两种。

处方信息控制施肥是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,根据田块的不同要求,有针对性地撒施不同配方及不同量的混合肥。

肥料期望施用量由土壤分析测试结果、田块位置和作物品种而定。

实时控制施肥是根据监测土壤的实时传感器信息,控制并调整肥料的投入数量或根据实时监测的作物光谱信息来分析调节施肥量。

基于处方信息控制施肥技术通常比较容易实现,但该方法在实际应用中会因其时间滞后性而带来不当的作业问题。

实时控制施肥技术可以实时地反映作物情况,而且无需用于数据管理、地理信息和计算机技术等方面的额外成本和人力投入,但需要对施肥机械配备在线自动检测设备。

这些设备通常较复杂,控制难度大,价格高,在农业高度分散的我国还需较长的发展过程[3]。

1国内外变量施肥机械的研究现状1.1国外变量施肥机的研究概况1955年,美国开始在联合收割机上装备GPS系统,标志着精准农业技术的诞生。

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、耕作和水分管理等有关领域[4]。

变量施肥大多数是基于电子地图的自动变量施肥,其中根据GPS信号和施肥量信号向驱动模块发出控制指令的控制台是整个变量施肥系统的核心。

欧洲的RDS公司、H rdro Agri公司等,美洲的A gtr on公司、Agleader公司、M icro-T rak公司、M id-Tech公司、Tri m ble公司等已经有具有通用性的产品上市[5]。

1994年,美国明尼苏达大学在汉斯卡农场首先实现了精确农业中的变量施肥技术,完成了因土壤、作物、时间变化的按需施肥,取得了显著的经济和环境效益。

美国Ag-chen仪器装备公司生产的/SO I L EC-T I O N0施肥系统可进行固态或液态肥料的撒施。

它根据施肥处方图,分别对磷肥、钾肥和石灰的施用量进行调整。

美国C ASE公司的空气输送式免耕播种机可随时改变播种、施肥量,可最大程度地改变3种不同类型的种子或肥料的比率,完成多种作物的作业,如玉米、大豆、小麦及水稻等。

其具备简便、易控制、精确、可靠性高等优点,但价格昂贵,成本较高。

明尼苏达的扎卡比林甜菜农场采用精确施肥技术减少了N 肥用量,肥料投入每公顷平均减少15.5美元,收益平均每公顷增加358.3美元。

美国C ASE公司生产的ST820型空气输送式变量施肥播种机可利用CASE I H AF S软件制作处方图,生成处方文件,存入PC MC I A 卡中,作业时再将该数据卡插入变量控制器中,实现施肥机的自动变量施肥[6]。

美国CASE I H公司的气吹式Flex i So il变量施肥播种机能在一次作业时同时完成种子和肥料的变量作业[7]。

变量施肥技术在北美的应用最为成熟。

变量施肥机有用传统的施肥机改装的一次作业施一种肥料的简易型和新研制的大型多种肥料同时变量施肥的机具两种类型。

目前,正在向使用大型的多种肥料同时变量施肥的机具方向发展。

日本在精准农业领域进行的研究处于研究示范阶段,主要对氮肥变量施用进行了研究。

目前的研究还主要是偏向于水稻苗期生长的变量施肥,尚未大面积使用。

由H atsuta公司制造的稻田变量施肥机是基于地图的,可施用固体肥料、喷药等。

实验表明变量施肥比传统均一施肥节肥12.8%,而且使水稻种植获得高产成为可能。

日本政府专门启动了/21世纪农业机械紧急开发课题0的研究,也将精确农业的相关技术列入计划[8]。

法国使用的肥料撒播机械和植保机械,在全部农业机械中自动化水平最高。

变量离心撒播机和变量自动喷雾机在GPS和G I S的支持下已投入生产和使用,法国/女骑士0(AMASAT)肥料撒播变量控制系统已大量应用于各种类型的离心式肥料撒播机上[9]。

俄罗斯全俄农机化研究所[10]自行研制并进行了田间试验的自动变量施肥机,是在排肥口装一个电磁铁和共振片,通过控制电磁频率,使共振片震动,达到开启和闭合的目的,从而自动控制施肥量变化。

德国AMAZ ONE公司已开发并投入使用的主要用于麦类作物春季追肥的实时自动变量施肥机,是基于处方图通过液压马达控制变量施肥[11]。

1.2国内变量施肥机的研究概况国内早在20世纪80年代,上海就在计算机指导下的测土施肥机具进行研究,并在生产上取得了良好的效果。

在20世纪90年代后期开始了对精准农业的关注和引入。

在变量施肥技术研究方面,近年来,随着国家对精确农业的重视和支持,国内在引进、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施肥技术体系,精准农业的思想已为科技界和社会广为接受,并在实践上开展了应用。

目前,我国变量施肥技术主要应用是使用GPS定位土壤取样化验、利用地理信息系统(G I S)产生氮、磷、钾、p H值、有机质层图,并利用农业专家系统和地理信息系统产生变量施肥处方图,控制变量施肥播种机进行变量施肥播种。

例如,利用GPS进行直线作业导航自动控制的黑龙江垦区大西江农场约翰迪尔变量施肥播种机[12]。

北京市农林科学院农业信息化工程技术研究中心[13]研制了2F-VRT1变量施肥机、1G-VRT1旋耕变量施肥机,该设备主要根据用户设置施肥量或上位控制计算机处方施肥量,实时接收GPS位置信号及作业行走速度信号,自动调整排肥驱动系统的转速,实现实时变量施肥,并支持手动和自动变量施肥两种工作方式。

该机已经在北京、新疆生产建设兵团、上海等地推广应用。

上海交通大学机械与动力工程学院[14]研制了我国第一台适合南方地区农艺特点的基于GPS/GIS/ GPRS的智能变量施肥、播种、旋耕复合机,突破了国际上变量施肥机依赖处方的瓶颈,实现了/智能变量处方、人工自适应变量处方以及施肥量数字设定03种模式下的变量施肥作业。

吉林大学生物与农业工程学院[15]研制了2SF-2型变量深施肥机,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。

结果表明,该施肥机能够实现精准农业意义上的变量施肥操作。

国家农业信息化工程技术研究中心[16]研制了移动式温室精准施肥机,并在北京市精准农业示范基地的标准温室内进行了试验,证明适合在全国范围内推广。

黑龙江八一农垦大学精准农业及数字化农业技术研究中心[17]通过对引进美国CASE公司生产的F lex i so il变量播种施肥机,实施变量施肥机驱动及控制装置的研制,并在友谊农场和大西江农场等地试验,已取得了阶段性研究成果。

最近在红星农场进行了大豆精准农业变量施肥播种试验,变量施肥系统采用DGPS定位,处方图GIS控制,采用液压马达控制施肥量,试验取得了较好的效果。

清华大学与北京市农业局合作[18],通过GPS田间管理系统对田间土地进行精确采样和精确施肥的研究。

河北农业大学机电学院联合河北省农业机械化研究所[19]进行了圆盘式变量施肥机的试验研究,并提出了圆盘式变量施肥机设计中需要研究的问题。

福建省农科院土壤肥料研究所、重庆市农业科学院等多家机构也对变量施肥技术进行了研究。

2存在的问题和发展方向1)我国变量农机具的研究相对于发达国家而言起步较晚,与发达国家还有相当大的差距。

这些差距主要表现在GPS与农业机械、农田GIS的接口软件以及农田G I S的田间作业图层与农机的接口软件等技术不过硬,缺乏统一的农业信息标准和资源共享机制,农机作业的传感器多数还未国产化,机械制造成本较高,农民难于接受,推广应用较难。

2)土壤数据采集仪器价格昂贵、性能较差,大面积高密度土壤取样化验成本太高,很难推广应用;空间分辨率和光谱分辨率问题,使得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(1~3m),加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究及土壤养分在线实时检测技术的研究和应用将是近几年精准施肥研究的热点和重点。

3)DGPS的定位精度已完全能满足精确施肥的技术需要,虽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于进一步发展,同时GPS-RS-G I S也正趋向一体化。

今后要研究自主知识产权的变量施肥控制系统,安装在国产的施肥机、播种机或旋耕机上,降低成本,利于推广。

4)在施肥专家决策分析系统方面,专家决策分析系统的地域性、适用性和通用性方面应与精确变量施肥紧密结合,因为现在许多专家决策分析系统需要的变量过多或普通方法难以测定,即施肥专家决策分析系统需要进一步简单化和智能化。