基于精準農業設計的水稻施肥系統開發

楊亨東

(重慶商務職業學院，重慶 401331)

?

基于精準農業設計的水稻施肥系統開發

楊亨東

(重慶商務職業學院，重慶 401331)

水稻是我國的第一大糧食作物，每年在水稻的農業生產上需投入大量人力和物力。而肥料是水稻種植成本的重要組成部分，也是高產穩產的保證，長期以來，我國水稻生產上過量施肥和盲目施肥情況普遍存在。為此，開發出一種基于精準農業設計的水稻施肥系統，可減少施肥量，提高水稻的產量，對于中產田能有特別明顯的節肥增產的效果，在我國有廣闊的應用前景。

施肥系統；水稻；精準農業

0 引言

水稻是我國的第一大糧食作物，每年在水稻的生產上需投入大量的人力和物力。其中，肥料是水稻種植成本的重要組成部分，也是高產穩產的保證。長期以來，我國水稻的種植是以傳統的方式為主，農業的自動化和智能化水平不高，過量施肥及不考慮養分比例的盲目施肥情況普遍存在，肥料的利用效率較低，增加了生產成本；而肥料隨著水土的流失還能引起嚴重的環境污染[1]。因此，根據水稻種植區域的土壤類型和養分含量情況，針對水稻各生長發育階段對各種礦物質營養元素需求，開發定量的科學施肥技術，對于解決上述問題，實現農業的可持續發展具有重要意義。

精準農業是以全球定位、地理信息和遙感為主要技術支撐發展起來的一種全新的農業生產方式[2]，其將大田劃分為幾平方米的小區作為基本單元，利用地面監測技術、計算機軟件處理技術等對各小區內的環境和農作物生長狀況進行監測，利于智能專家系統分析獲取的數據信息，并做出相應的診斷決策，最終對各個小區進行精準播種、施肥、灌溉、防蟲以及收獲。精準農業引入了各種現代技術服務于農業生產，指導農業生產物資合理配置和高效利用，可以實現低投入和高產出，是農業生產未來的發展趨勢。

精準施肥是精準農業技術在實際生產中的重要用途之一：首先利用全球定位系統對不同小區進行精準識別，通過地理信息系統和遙感技術檢測土壤養分和農作物的生長和狀況，特別是與農作物必需營養元素相關的各種外觀上的生理指標；最后，通過計算機進行統計分析，發出指令，由執行設備實現肥料的精確投入。我國水稻每年的種植面積達到0.3億hm2，僅次于印度，居世界第二;但我國幅員遼闊，各水稻種植區都有其獨特的土壤類型，肥力也參差不齊。同時，在我國商業化種植的水稻中秈粳亞種并存，相同亞種內的品種繁多，而不同品種對肥料的需求存在差異。以上因素給實際生產中科學施肥增加了難度，也為精準農業設計在水稻施肥中的應用和推廣提供了契機。為了解決水稻生產過程中過量和盲目施肥的問題、提高肥料的利用效率，本文開發出一種基于精準農業設計的水稻施肥系統，能極大地節約肥料投入和提高產量，為農民實現增收提供技術支持。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

本水稻精準施肥系統是一系列集成化的智能化程序，以水稻專家數據庫提供的專業知識進行模擬和推斷，對水稻的精準施肥的問題進行決策。該水稻科學施肥系統用包括采集氮、磷、鉀元素的種類、數量及其比例關系的信息及對試驗區域的土壤肥力變量、肥料投放數據進行分析和管理，建立該自然條件下的水稻科學施肥模型。在確定了肥料施用量和目標產量后，系統可設計出簡單易行的施肥方案。

1.2 總體設計

水稻施肥控制系統由NXP系列微處理器LPC2138、核心控制元件、移動硬盤、ZLG7289A鍵盤及240160液晶顯示屏等主要硬件組成。試驗中的變量通過兩種模型進行比較，設定允許的誤差范圍，用LPCA2138微處理器的輸出結果作為結論。模型的輸入端為土壤中的氮、磷、鉀含量，再設定目標產量，輸出端為氮磷鉀肥施用量，充分利用了實際生產中這三者之間的非線性關系。本設計參考了梁春英的試驗結果，設置的控制系統施肥區間為120～226kg/hm2，在0～100之間分為100級，變異系數為±28.9%，根據水稻種植地區的土壤類型、肥力及氣候條件，在Visual Basic 6.0和ARCGIS Engine10.3軟件上開發出水稻科學施肥系統。該系統的作用是把地圖信息與施肥方案進行鏈接，操作者在電腦上可以看到任何一個地圖上田間單元地塊的土壤類型、有機質含量及可供水稻吸收的氮磷鉀含量等土壤肥力信息。

2 系統組成

用于支撐精細農業水稻施肥系統的技術：地理信息系統(GIS)、遙感技術(RS)、產量分布圖生成系統(YMS)、變量施肥技術(VRT)、農田信息采集技術、決策支持系統(DSS)、智能化施肥機械(IFM)。

2.1 上位機

GIS首先獲取試驗區的地理坐標和地形地貌特征，將田塊劃分為基本的最小檢測單元，顯示在共同的坐標中；然后根據決策繪制作業執行圖，將各種參數輸入計算機，最后通過執行設備實現肥料投入、存儲和打印輸出。

2.2 下位機

RS的主要部件是高分辨率的廣譜傳感器，對水稻的整個生長期的廣譜信號進行全面的觀察監測；利用這些光譜信息，評判水稻的生長狀況，為精細確定水稻所需的肥料種類和數量提供依據。例如，根據水稻的近紅外輻射特征，可以確定其對氮素的需求狀況。

2.3 溫度監測

農田信息采集系統在硬件上是串聯遙感系統和控制中心，在軟件上進行數據的讀取和后續處理。該系統采集和輸出的都是即時數據，因此數據量很大。由于數據在時間上的不確定性，導致原始數據的后續處理計算量也較大，因此須要利用Windows CE環境下的串口提高系統的運行效率。

2.4 濕度監測

YMS在成熟階段獲取水稻產量形成在時間和空間上的動態分布，用于和各小區單元內的土壤肥力和施肥量數據結合起來進行分析，反映水稻在肥力施用前后過程中產量的變化。通過水稻測產系統即時獲得產量信息后繪制產量圖，可以用于大田的分區管理，指導合理施用化肥；還可以根據預測的產量，執行不同的施肥措施。

2.5 二氧化碳監測

決策支持系統(DSS)以生產者和水稻專家的專業知識及在實踐中所獲得的經驗為基礎，建立肥料在不同時空的投入與水稻的產量關系的模型，依托已有的數據庫，對大田中各小區單元肥料投入的時機和數量做出決策。決策支持系統通過Visual Basic 6.0平臺與地理信息系統集成，其功能包括水稻信息輸入、統計分析、產量預測和施肥系統決策及結果輸出。

2.6 光照強度監測

水稻的精準施肥由裝載GPS定位導航系統的智能化施肥機械完成，機械接收系統的指令，獲得精準的行走路線和方向。本研究的施肥機械采用性價比較高的OEM板和距差分方法組成GPS系統，定位精度為1m。同時，采用了一種施肥量動態調節裝置，保證機械在行進中根據接收到的產量圖，依據指令實時進行施肥量的調整功能，具有較高的可靠性和自動化水平。

3 田間試驗

3.1 試驗地點和水稻材料

田間試驗于2015年在位于江西省南昌市進賢縣的精準農業試驗基地中進行。試驗地位于雙季稻平原區，土壤類型為潴育水稻土，有機質含量為27.7g/kg，有效氮含量為135mg/kg，速效磷含量為10.26mg/kg，速效鉀含量為147mg/kg。試驗地區雨水充沛，年降水量達到1 700mm。

試驗所用的水稻材料為五優308，從江西省南昌市的農作物種子市場購買。該水稻品種是秈型的三系雜交水稻，由廣東省農業科學院水稻研究所培育，適合在長江中下游作為雙季晚稻種植。五優308已通過國家審定，被作為南方稻區的區域試驗對照品種，擁有較大的種植面積。該品種對肥料的需求中等偏上，適合用于精準農業中的科學施肥試驗。

3.2 試驗設計

水稻在6月底播種，7月底采用人工移栽。根據田塊的肥力劃分為高、中、低3種，每種有3個田塊，作為3次重復，按照隨機區組排布。單個田塊面積約600m2，包括傳統施肥和精準施肥兩種處理的小區，每個處理的小區面積約300m2。小區之間設置田埂，并用薄膜覆蓋以防止肥料的滲漏。精準農業監測和作業的基本單元面積為10m2，每個處理小區包括30個單元；單元內的水稻株距16.7cm，行距20cm，單元之間的水稻植株空1行。

水分管理和病蟲害防治采用傳統的方式進行。肥料中的氮磷鉀質量比例為N∶P2O5∶K2O=2∶1∶2，大致按照基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥來施用。水稻成熟后在每個小區內隨機選擇5個單株調查有效穗數和結實率，最后收獲測產。試驗數據的統計分析在系統上用SSPS17.0軟件進行，用T測驗來檢驗兩種處理下的數據的差異顯著性。

3.3 試驗結果與分析

傳統農業模式在3種肥力的田塊中所投入的肥料較多，以氮肥為例，其在低產田中施用的純氮達到10 kg/hm2，在中高產田中的施肥量相對較少；但相比精準農業模式的施肥量仍然高出至少7%，這無疑增加了生產的成本。另外，還可以看出，與傳統農業模式相比，精準農業的施肥模式在中低產田中更能大幅地降低肥料施用量，如表1所示。

表1 兩種農業模式下所施的氮肥水平

Table 1 Two agricultural model of the applied nitrogen level

田塊肥力傳統施肥/kg·hm-2精準施肥/kg·hm-2低150138中135124高120112

與傳統農業模式相比，精準農業施肥模式下的水稻單株有效穗數的差別不明顯，僅在低產田中顯著增加。精準施肥模式下的水稻結實率普遍升高，在中高產田中都達到顯著的水平。3種性狀中，水稻產量所受施肥模式的影響最為明顯，精準施肥模式下3種田塊中的產量都是顯著增加的，在中產田中達到了極顯著的水平，如表2所示。

表2 水稻在兩種農業模式下的產量性狀

精準施肥模式對水稻單個產量組成性狀的影響并不很明顯，但是能引起最終產量的大幅變化，說明其對水稻的影響是多方面的，可能包括生長發育、生理代謝和營養平衡等，這些效應最終都反應在了產量的增加上。

4 結論

以各種現代新技術為支撐，開發了一種基于精準農業的水稻科學施肥系統。田間的試驗中，無論試驗田塊肥力如何，都能在減少施肥量的同時，提高水稻的產量。也有研究表明，基于精準農業的科學施肥系統在對其它作物的應用中，并沒有導致增產，只是降低了施肥量。因此，這一系統在實際生產中的應用還須完善，各種變量和參數的設定也需要根據具體的環境條件和作物種類進一步的優化。該系統對于中產田能產生特別明顯的節肥增產的效果，在我國水稻種植區土壤肥料普遍不高的環境下，具有廣闊的應用前景[3]。

[1] 汪衛紅．基于GIS的貴州水稻推薦施肥信息系統開發[D]．廈門: 廈門大學，2011．

[2] 陳沈斌，廖順寶，王卷樂，等.精準水稻種植信息系統結構、管理與應用[J]．地球信息科學，2003(4):38-42．

[3] 靳雙珍，劉國順，閆新甫，等．我國發展精準農業的必要性與應用前景[J]．浙江農業科學，2012(2):414-416.Abstract ID:1003-188X(2017)07-0134-EA

Application of Computer Vision Technology in Tomato Picking under Natural Backgroud

Yang Hengdong

(Chongqing Vocational College of Business,Chongqing 401331,China)

Rice is the country's largest crop, every year a lot of manpower and material resources required to put on rice farming. Where fertilizer is an important part of the cost of rice cultivation, but also to ensure high and stable yields. For a long time, the production of rice and blind excessive fertilization fertilization circumstances prevailing against the status quo, this paper has developed a system based on precision agriculture rice fertilization design, in field trials to reduce the amount of fertilizer, while improving rice yield. For the middle of the field can have a particularly significant effect of fertilizer yield in China has broad prospects.

fertilization system; rice; precision agriculture

2016-06-06

重慶市市級教改項目(153301)

楊亨東(1983-)，男，重慶巫山人，講師，(E-mail)yanghengdong518@163.com。

S224.2

A

1003-188X(2017)07-0134-03