淺談變量施肥自動(dòng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

祝鈞

摘 ?要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期采用傳統(tǒng)的施肥方式，存在肥料利用率低、環(huán)境污染以及結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題，通過(guò)變量施肥自動(dòng)控制技術(shù)可以解決上述問(wèn)題。本文圍繞變量施肥自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)討論，為該技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);變量施肥;決策系統(tǒng);變量控制

引言：

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者采用傳統(tǒng)的施肥方式，會(huì)在耕種土地出現(xiàn)局部平均現(xiàn)象。但是，土壤肥力的差異性，平均施肥會(huì)造成資源的浪費(fèi)，而且影響到農(nóng)作物的產(chǎn)量，嚴(yán)重情況下會(huì)造成土壤有機(jī)物流失，農(nóng)作物品質(zhì)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，應(yīng)用變量施肥的方式，打造精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可以有效解決上述問(wèn)題。

1變量施肥及自動(dòng)控制技術(shù)

1.1概念

變量施肥應(yīng)用在農(nóng)作物生產(chǎn)，利用自動(dòng)控制技術(shù)劃分土壤成空間單位，按照農(nóng)作物產(chǎn)量以及土壤特性、病蟲(chóng)害發(fā)生概率、自然條件等影響產(chǎn)量數(shù)據(jù)，作為技術(shù)實(shí)施依據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)構(gòu)建農(nóng)作物生長(zhǎng)模擬系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)為農(nóng)作物生產(chǎn)制定合適的施肥方案，保證農(nóng)作物合理的施肥的同時(shí)，避免資源浪費(fèi)的情況發(fā)生。

1.2自動(dòng)控制技術(shù)體系

變量施肥自動(dòng)控制技術(shù)，主要由兩種技術(shù)體系組成，一種是實(shí)施控制施肥技術(shù)，對(duì)土壤實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整施肥量，實(shí)施監(jiān)測(cè)也可以對(duì)農(nóng)作物光譜信息進(jìn)行分析，根據(jù)分析出的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)施肥量。另一種是處方信息控制施肥技術(shù)，建立農(nóng)作物生產(chǎn)電子地圖，根據(jù)對(duì)電子地圖的分析得到信息，調(diào)節(jié)農(nóng)作物種植區(qū)域內(nèi)施肥量。處方信息控制施肥技術(shù)在我國(guó)農(nóng)作物施肥生產(chǎn)中較為常見(jiàn)，通過(guò)與GIS技術(shù)獲得處方信息，利用GPS技術(shù)確定農(nóng)作物生長(zhǎng)位置，變量控制器搜索處方信息，處理的信息作為變量實(shí)施調(diào)節(jié)施肥措施。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)John Deere公司制造的播種施肥車(chē)，是實(shí)施變量施肥技術(shù)的典型代表。施肥車(chē)是由AgGPS132接收機(jī)，以及在車(chē)部尾翼多個(gè)電控?zé)o極變速器組成，設(shè)備的工作翼工作長(zhǎng)度可達(dá)25m。駕駛員在駕駛室內(nèi)操控施肥車(chē)，通過(guò)各種儀器實(shí)時(shí)掌握行駛路線、施肥量以及施肥處方圖。日本在水稻生產(chǎn)中應(yīng)用變量施肥技術(shù)，研制出適合水稻生產(chǎn)的設(shè)備，在設(shè)備內(nèi)配置GPS定位技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)以及作業(yè)處方圖，通過(guò)GIS信息技術(shù)可以控制設(shè)備施肥速度，按照處方地圖進(jìn)行實(shí)時(shí)施肥操作。

德國(guó)AMAZONE公司應(yīng)用變量施肥技術(shù)，利用植物葉片具有反射功能，通過(guò)高光譜氮營(yíng)養(yǎng)方式，研制變量施肥設(shè)備、該設(shè)備在頭部配置一臺(tái)高光譜氮營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物冠層NDVI，根據(jù)NDVI值計(jì)算農(nóng)作物所要實(shí)施的氮素施肥量，在中央處理器內(nèi)按照計(jì)算的結(jié)果，產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)的施肥。

俄羅斯農(nóng)機(jī)化研究所應(yīng)用變量施肥技術(shù)，采用電磁鐵以及共振片原理，在施肥設(shè)備上配置電磁鐵，電磁鐵在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電磁頻率，引發(fā)不同的震動(dòng)頻率，對(duì)施肥口進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，完成變量施肥的操作。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

變量施肥技術(shù)成為我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展重要的組成技術(shù)，許多高校和科研院所對(duì)變量施肥技術(shù)的研究獲得良好的成果。汪懋華作為變量施肥技術(shù)研究的先行者，研究變量施肥技術(shù)已經(jīng)積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究中心，在小麥種植過(guò)程中選取兩塊不同處理的土壤進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)施變量施肥技術(shù)，使用的拖拉機(jī)設(shè)備上配置AgGPS170設(shè)備、電控液壓馬達(dá)，成功總結(jié)《精準(zhǔn)變量懸耕施肥機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以及獲得發(fā)明專(zhuān)利。

我國(guó)已研制出的變量施肥技術(shù)設(shè)備，該設(shè)備配置GPS技術(shù)、單片機(jī)、施肥決策卡、播種施肥機(jī)，組建成變量施肥技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部采用AT89C52核心技術(shù)，可以控制拖拉機(jī)行駛速度、施肥量。系統(tǒng)中決策卡、拖拉機(jī)行駛速度，都會(huì)在單片機(jī)輸出的不同信號(hào)下進(jìn)行控制，保證設(shè)備在精準(zhǔn)控制下完成施肥。設(shè)備對(duì)施肥量進(jìn)行控制，通過(guò)PID對(duì)施肥量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)GPS技術(shù)對(duì)設(shè)備行駛位置進(jìn)行差分定位，GIS根據(jù)每個(gè)單元農(nóng)作物需求肥料信息控制施肥量。黑龍江某農(nóng)場(chǎng)，采用美國(guó)CAS公司變量施肥設(shè)備，在農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部建立GPS糾偏差分站示范區(qū)，設(shè)備在示范區(qū)內(nèi)應(yīng)用變量施肥技術(shù)，獲得較為理想的應(yīng)用效果。

PLC原理是變量施肥技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)，在該基礎(chǔ)上建立變量施肥控制系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行施肥設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。配置無(wú)損光電檢查技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)出的農(nóng)作物數(shù)據(jù)如果出現(xiàn)異常，作為差異指數(shù)。差異指數(shù)及時(shí)傳輸?shù)街醒胩幚砥鳎ㄟ^(guò)模糊控制算法計(jì)算出處理方式，利用PWM信號(hào)對(duì)電磁閥下達(dá)指令，使施肥量在施肥時(shí)受到控制。利用變量施肥技術(shù)設(shè)計(jì)施肥播撒機(jī)，施肥量既能良好的受到控制，具有較強(qiáng)的均勻性效果，還能將誤差控制在合理的范圍內(nèi)。目前，深施型液態(tài)施肥機(jī)在應(yīng)用變量施肥技術(shù)時(shí)，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)生的變量施肥精度可達(dá)到98%以上。

3機(jī)械及控制技術(shù)存在的問(wèn)題

現(xiàn)階段我國(guó)變量施肥技術(shù)還處在發(fā)展階段，該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中存在以下問(wèn)題：一，不同的農(nóng)作物生產(chǎn)，沒(méi)有配置相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備;二，生產(chǎn)設(shè)備配置的傳感器以及電子技術(shù)，受到成本高因素影響，應(yīng)用受到限制;三，機(jī)械設(shè)備配置的部件不夠精密，設(shè)備操作不合理，技術(shù)應(yīng)用效果不理想;四，變量施肥設(shè)備使用范圍較為單一;五，專(zhuān)家決策分析更新較慢，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程與設(shè)計(jì)理論差距較為明顯;六，常用儀器設(shè)備接口無(wú)法滿(mǎn)足兼容需求，標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有統(tǒng)一化，無(wú)法在不同使用狀況下完成共享;七，設(shè)備維護(hù)成本較高。

4應(yīng)用展望

在農(nóng)作物生產(chǎn)中應(yīng)用變量施肥技術(shù)，我國(guó)雖然還處在試驗(yàn)和研究階段，但是該技術(shù)可以有效的提升施肥效率，減少資源浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境有良好的保護(hù)作用，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加大對(duì)變量施肥技術(shù)的研究，建設(shè)具有集成功能的技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，在應(yīng)用時(shí)可以有效的完成施肥操作。目前，我國(guó)可以利用精量施肥控制系統(tǒng)、供肺系統(tǒng)、分肥限量系統(tǒng)，建立自動(dòng)化施肥生產(chǎn)設(shè)備，逐步向完善的施肥控制系統(tǒng)發(fā)展，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)的土壤養(yǎng)分等實(shí)時(shí)的檢測(cè)，最大程度提高變量施肥技術(shù)的應(yīng)用效果。我國(guó)各科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加大對(duì)施肥設(shè)備的研究，采用新型技術(shù)和材料有助于降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提升設(shè)備的可操作性和便利性，加速變量施肥技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展和推廣空間。

總結(jié)：

綜上所述，我國(guó)變量施肥自動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中諸多的問(wèn)題，研究較發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但是應(yīng)加大變量施肥技術(shù)的研究，尤其是根據(jù)我國(guó)的農(nóng)業(yè)國(guó)情，針對(duì)不同的農(nóng)作物種類(lèi)研制出高效的變量施肥技術(shù)設(shè)備，在設(shè)備內(nèi)加入精量施肥控制、分肥限量等系統(tǒng)，逐步完善變量施肥技術(shù)，保證施肥變量技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中可以高效的利用農(nóng)業(yè)資源，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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