变量施肥机的研究意义

魏丽梅

（阿克苏地区农牧业机械化技术推广站，新疆 阿克苏 843000）

目前我国的化肥投入突出问题是结构不合理、利用率低。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加了肥料的投入成本。我国肥料平均利用率较发达国家低10%以上，氮肥为30%～35%，磷肥为10%～25%，钾肥为40%～50%。肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且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1/3～1/2。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。

而在当前，我国农业正处于传统农业向现代农业转变的重要时期，以现代信息技术为代表的高新技术已经成为改造传统农业的重要手段。精确农业（Precision Agriculture or Precision Farming）称精准农业，有的还称为数字农业（Digital farming）、信息农业、计算机辅助农业（Computer aided farming）等。开始于20世纪80年代初期，并迅速发展成为当今世界农业发展的高技术前沿。所以精确施肥在中国非常有必要性。

1 变量施肥的研究意义

20世纪后半期世界农业的高速发展，除了依靠生物技术的进步和耕地面积，灌溉面积的扩大外，基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下获得的。但由此引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体营养化等问题，已经引起了国际社会的广泛关注，并推动了农业可持续发展和精细农业理论的产生和发展。精细农业的兴起对合理施肥提出了新的理论和计数要求。从使用来看，化肥对粮食的产量和贡献率占40%，即使化肥利用率高的国家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，钾60%左右，磷肥的利用率低不仅使生产成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸盐含量过高等环境问题。精准施肥的理论和技术将是解决这一问题的有效途径。

精准施肥即测土平和配方施肥，是“肥料当家”的高级形式，是以不同的空间单元的产量数据与其它多层数据（土壤理化性质、病虫草害、气候等信息）的叠合为依据，以作物生长模型，作物营养专家为支持，以高产，优质，环保为目的的变量处方施肥理论和技术。变量施肥技术是信息技术、生物技术和农业工程装备技术的优化组合，是精细农业技术的重要组成部分。按作物生长期可分为基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分为精施和撒施。按精施的时间性分为实时精施和时后精施，其要素投入的增产幅度约为8%～19.8%，且能提高肥效8.2%。它不但能保证作物所营养素N、P、K的最佳配合比例，还能根据作物的特点及其产量水平适应度调整，甚至增施某些微量元素。

变量施肥技术由土壤数据和作物营养实时数据的采集，决策分析系统，变量控制施肥机械设备及变量控制技术等组成。

2 变量施肥与传统施肥方式的比较

（1）使用技术不同。变量施肥技术由土壤采样、养分测试、施肥决策、变量投入机具和产量测试等一整套技术组成，使用了GPS、GIS和智能控制等现代先进的信息技术、属于农业高新技术范畴。即变量技术包含了传统技术，前者是后者的改进。变量施肥土壤采样前，对农田进行网格（施肥单元）划分，网格大小根据养分差异确定。在GPS导航系统的指引下，按网格采样，然后使用变量施肥决策系统进行施肥决策，并按网格施肥和测产。

（2）经营方式不同。传统施肥对一大块甚至一个自然村的农田进行测土和施肥，是一种粗放式经营。事实上，土壤养分在田间分布存在差异，这也是变量施肥的客观基础。传统的施肥方法在同一块农田内均一施肥，必然会使土壤肥力低的地方施肥不足，肥力高的地方施肥过量，最终造成产量分布参差不齐和肥料过分浪费。变量施肥则对大块农田进行网格划分，按网格采样和使用变量施肥机按施肥网格施肥，实现了按需变量投入，施肥网格更小，施肥更精确、更有针对性，适合集约式经营。

（3）肥料养分投入比例可调。国外先进的变量施肥技术实现了N、P、K分别调控，更有效避免了单项养份的过多使用。传统的施肥机只有一根排肥轴，对肥箱中的肥料进行施用量的调节，而不能够调节肥料中不同养分的比例。因此，在传统施肥中，人们经常为了保证某单项养分（如P）的投入，而造成其它养分的过多使用（如K），这是肥料浪费和环境污染的主要根源之一。

3 变量施肥机的研究意义

农机的可持续发展要求实施精细农业。生态效益、环境效益、经济效益与社会效益的统一，在推进精细农业时才会更明显。先进的农业生产技术对农业机械提出了更高的要求，农业机械的发展会促进农业技术层次的提高。实施精细农业的途径是发展智能化的农业机械。

智能化农业机械IAM首先必须利用DGPS技术实现精确定位，必须根据田间处方图生成的智能控制软件，针对农田小区存在的差异自动执行分布式投入决策。各种智能化农业机械的出现，使精细农业的实现成为可能。

长期以来，农民习惯在种植区大面积施用同样的肥料，但不同小区土壤含肥情况不一样，施用相同类型和剂量的肥料，会造成很大的浪费，还会产生一系列环境污染问题，因此应根据不同小区、不同土壤和不同作物生长环境的需要，采取变量施肥。

变量施肥机的主要任务是在GPS、GIS、RS等技术支持下实现精确定位与变量作业，首先通过GPS确定所处位置，在利用各类传感器采集作物和环境信息，实时信息被输入到预装有农艺、土壤、植株、管理等方面数据的机采决策系统，机载决策系统经过处理做出决策，并传输到执行机构，由执行机构实现对肥料的变量投入或操作调整。变量施肥机依靠客观数据来做决策和动作，针对不同小区的作物，变量而非均一的投入农资，有利于节本增效，减少环境污染。同时也避免了由于人的判断能力和不同的操作水平而带来的差异，也可减轻操作人员由于疲劳而带来的判断失误。

变量施肥机是精细农业技术体系的重要组成部分，它的研究和发展是精细农业能否得到广泛实践的关键。变量施肥技术由土壤数据和作物营养实时数据的采集、决策分析系统、变量控制施肥机械设备及变量控制技术等组成。

地下施肥机的作用是向田间施用肥料，以增加土壤肥力、补充作物养料，满足作物在整个生育期内对养分的需求。而作物在生育期间对养分有不同的需求，使施肥机施用肥料的品种和数量各有差异。为此，要设计研制精确农业自动变量施肥机。

地下施肥机可以：①提高肥料利用率。通过测土配方施肥可以合理的确定施肥量和肥料中营养原素比例，提高肥料利用率；于可提高品质、节约成本、增加效益。测土地配方施肥可确定投入量及各种肥料的比例，降低成本，增加收入；③经济效益明显。测土地配方施肥可增产增收；④合理施肥可配肥土力，保护生态，协调养分，防治病虫和有限资源的分配。

4 研究的现状及分析

（1）国外精确农业的现状。目前，世界上精确农业的实践已涉及到变量施肥、精量播种、病虫害防治、杂草清除和水分管理等有关领域，其中变量施肥已成为发达国家合理利用农业资源、改善生态环境和农业可持续发展的科学技术基础，发达国家在纷纷投入大量人力物力从事产业开发的同时，还成立了专门的研究机构并在大学设立相关的课程。美国是精确农业发展最早的国家，目前，精确农业技术在美国应用广泛，主要用于甜菜、小麦、玉米和大豆等作物的种植。法国是欧洲农产品生产出口大国，法国的精确农业研究内容广泛，应用水平也很高。尤其是联合收获机产量图生成及质量测定、施肥机械和电子化植保机械等利用GPS和GIS系统进行变量施肥作业等成为现实，并开始投入使用。实践表明，精确化生产的农产品不仅产量高、质量好，当然变量施肥显示着它不可忽略的作用。

（2）国内精确农业的现状。中国改革开放20多年来，在政治、经济和科技上已取得了举世瞩目的成就，有力地促进了农业的现代化进程和农业产业的优化升级。其中精确农业，是为适应集约化、规模化程度高的作物生产系统的可持续发展，由欧美国家率先提出的，自动变量施肥也是这样。因此，目前在我国开展变量施肥技术有两种可以尝试的模式：一是和欧美国家最初提出发展变量施肥的思路一致，借助于自动变量施肥机械进行的规模化经营模式。随着我国农村市场化和产业结构的调整，在垦区农场和大面积作物生产原区，特别是我国的东北和西北地区可以建立“自动变量施肥”技术示范工程，或联合一些高效益、规模大，能维持变量施肥技术的企业来带动变量施肥在我国的发展，这种发展模式在我国已有开展且效益显著。二是为适应我国农田经营规模小，农业机械化水平低，实施广域的变量施肥技术实践尚需较长的发展过程而采取的另一种模式——分散模式。借助于精确农业中土壤养分的精确管理是通过把大田块划分为若干个特性相对一致的小单元的思路来展开的。我国农村虽然高度分散，但以家庭为管理单元这种管理思路甚为相似，农户间的地块差异较大，农户内相对一致，由于农户对自己的土地十分熟悉，所以变量施肥技术可以不使用变量控制设备，在一个分区（农户）内，实施变量施肥，可采用人工和小机械操作。

中国农业大学在中国最早成立了“精细农业研究中心”开展专题研究，作了许多探索性的基础工作。河北农业大学最早开设了“精确农业”课程。山东烟台市和广东新会市等地近年来成立了示范基地，也初步显示出良好的发展前景。不过应看到自动变量施肥技术在我国仍处于摸索阶段，而由于我国农业自身的特点——高度分散和高强度开发，国外基本没有可以借鉴的例子，所以在我国开展变量施肥必须结合自己的国情和实际情况，在实践中不断探索总结。

（3）展望。精确农业涉及信息技术、生物技术、农业技术和工程技术等领域，还需要专家知识和辅助决策知识，需要多部门跨学科的联合，以共同推动中国精准农业的发展。对农业科技人员，尤其是对中青年农民的培训，是积极推动精确农业、迎接世纪新挑战的重要措施，也是精确农业能否被广大农民接受、掌握的重要问题。

从大趋势看，精确农业将向着完全的时间和空间变量管理和决策支持方向发展。随着相应技术的进一步发展，精确农业将很快从试验应用走向推广应用。不难预计，2l世纪的农业可以说是计算机辅助管理的精确农业时代，也是变量施肥大有可为的时代。

［1］ 刘书运，孟宪聪.我国土壤现状及改良对策研究［J］.沿海企业与科技，2005，（9）：68-69.