談智能精準(zhǔn)施肥機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

樂名鋒

摘?要：近期農(nóng)業(yè)部制定了到2020年化肥消費(fèi)量零增長(zhǎng)行動(dòng)計(jì)劃，我國(guó)開始大力推進(jìn)精準(zhǔn)施肥，積極改進(jìn)施肥方法，研發(fā)適宜的施肥設(shè)備，把傳統(tǒng)的噴灌改為機(jī)械深施，讓一體化施肥變得科學(xué)化、自動(dòng)化，從而進(jìn)一步提高施肥質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能;精準(zhǔn);施肥機(jī)械;研發(fā)

中圖分類號(hào)：S224.2?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.011

0?引言

為了減少化肥和農(nóng)藥的使用量，提高水稻等作物的有機(jī)肥利用率，必須改變傳統(tǒng)的施肥和澆水方式，做到精確追肥，這些也必須以精確的計(jì)量方法為基礎(chǔ)，固定施肥和澆水順序，實(shí)施好水肥管理一體化技術(shù)。隨著新農(nóng)村建設(shè)工作和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，種植各種農(nóng)作物的綜合人工成本不斷提高，農(nóng)業(yè)種植制造業(yè)機(jī)械化程度也開始提升，全自動(dòng)化和智能化技術(shù)是農(nóng)業(yè)種植業(yè)快速發(fā)展的必然結(jié)果。

1?施肥現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)施肥技術(shù)都使用傳統(tǒng)人工施肥的方法，由于作物生長(zhǎng)期施肥次數(shù)多，人工施肥工作量大，工作效率低;同時(shí)，人體與化肥的直接接觸也會(huì)影響健康。化肥如果長(zhǎng)期過度使用，就會(huì)造成環(huán)境污染，土壤變硬，土壤質(zhì)量下降。施肥的另一種方式就是安裝施肥機(jī)進(jìn)行自動(dòng)施肥，盡管這種施肥方法效率比人工效率高很多，但肥料的利用率卻很低。以水稻生產(chǎn)為例：政府需要為秧苗機(jī)械化移植技術(shù)提供相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)貼，為了緩解該技術(shù)應(yīng)用過程中資金不足的問題，可引導(dǎo)農(nóng)民使用精準(zhǔn)施肥技術(shù)來改善種植狀況。在很多農(nóng)村地區(qū)，由于對(duì)技術(shù)缺乏了解，因此不愿意輕易嘗試特定的技術(shù)應(yīng)用。上級(jí)部門可以提供足夠的資金，建立示范點(diǎn)和比較田，并在后期做好宣傳工作。為了吸引更多的農(nóng)民加入機(jī)械精準(zhǔn)施肥技術(shù)的應(yīng)用隊(duì)列，可以通過多種方式讓農(nóng)民了解在精準(zhǔn)施肥的作用下，稻米的最終產(chǎn)量和質(zhì)量會(huì)有很大提升。

大面積應(yīng)用的主要施肥模式有：重力法、泵送施肥法、土重力自壓澆水法等，這些常用方法操作簡(jiǎn)單、成本低，不需要額外的技術(shù)支持，但是肥料必須運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)才能使用，不適合自動(dòng)化使用。其次，用于果林、農(nóng)田等施肥澆灌一般采取自來水管內(nèi)澆灌方式來控制水肥用量。管內(nèi)澆灌施肥總重量少、移動(dòng)方便、成本低，適用于自動(dòng)化應(yīng)用。但是浪費(fèi)水資源，且系統(tǒng)需要較高的壓力，同時(shí)為了獲得穩(wěn)定電壓，還需要配套增壓泵。抽水施肥方法包括水泵施肥等，該方法操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，適用于液體肥料，主要用于井灌區(qū)和加壓水源。因此，水肥技術(shù)一體化的關(guān)鍵問題是開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)定量施肥、精確施肥的設(shè)備，其自動(dòng)控制和增壓功能使肥料溶液與可溶性或液態(tài)肥料一起混合，均勻擴(kuò)散，準(zhǔn)確運(yùn)輸?shù)阶魑锔康耐寥馈?/p>

2?智能精準(zhǔn)施肥機(jī)的設(shè)計(jì)

智能精準(zhǔn)施肥機(jī)由精確投料、混肥溶解和智能控制部分組成。各部分的功能如下：（1）給料裝置，從稱量箱向溶解箱中加入肥料，自動(dòng)完成精確投料;（2）攪拌溶解肥料設(shè)備，投料完成后，自動(dòng)完成物料與水的混合，加速肥料的溶解，形成水與肥料溶液的定量配比;（3）通過高壓水泵向施肥設(shè)備進(jìn)行灌裝，在灌溉管中加入水肥溶液;根據(jù)同一作物、同一土壤肥力、同一營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，自動(dòng)控制施肥澆灌機(jī)可完成有機(jī)肥定時(shí)定量投料，自動(dòng)進(jìn)行混合溶解，整體結(jié)構(gòu)采用“三合一”設(shè)計(jì)匹配，體積重量小，基本結(jié)構(gòu)緊湊，頂部方便，基礎(chǔ)功能強(qiáng)，可用于固體肥料、液體肥料施肥，施肥量大，一次可裝200 kg化肥和農(nóng)藥，部件均采用不銹鋼制成，耐腐蝕、耐磨，實(shí)際使用壽命可以超過20年。

智能精準(zhǔn)施肥機(jī)工作基本原理：主活塞由供水管路的水壓直接驅(qū)動(dòng)，主缸拉動(dòng)噴油器內(nèi)外移動(dòng)。產(chǎn)生的真空負(fù)壓被注入混合室，肥料混合物溶液可吸入混合室。在混合室，肥料和水充分混合在一起。混合后的溶液用注射器壓制。在水壓的驅(qū)動(dòng)下，混合溶液隨水流均勻分布。混合液與施肥泵的用水量呈正相關(guān)，隨著主加熱管獲得的流量和壓力的增大而產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，混合液體積會(huì)發(fā)生顯著變化。混合液經(jīng)化肥泵作用后，解決了母液過多、表面不平整的核心問題，可靠性和穩(wěn)定性大大提高。該泵可手動(dòng)調(diào)節(jié)肥料濃度，控制范圍為0.05～1之間，電子水表采用速度型測(cè)量原理。體積流量或質(zhì)量流量可以通過測(cè)量管橫截面上的平均水流速度來獲得。當(dāng)水從表入口進(jìn)入水面腔時(shí)，葉輪將旋轉(zhuǎn)，葉輪的旋轉(zhuǎn)速度與水流量成正比，因此可以實(shí)時(shí)計(jì)算出平均水流速度。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是范圍廣，測(cè)量精度高，能長(zhǎng)期保持良好的動(dòng)態(tài)慣性。

3?精準(zhǔn)施肥機(jī)的應(yīng)用

（1）為了有效的提升施肥的精準(zhǔn)性，對(duì)此應(yīng)該借助旋轉(zhuǎn)灌溉的方式來把握精準(zhǔn)施肥的時(shí)機(jī)，應(yīng)該根據(jù)旋轉(zhuǎn)灌溉設(shè)備所覆蓋的面積設(shè)置相應(yīng)的施肥量，根據(jù)旋轉(zhuǎn)灌溉設(shè)備的工作時(shí)間設(shè)置施肥時(shí)間。如果噴灌或微灌組的時(shí)間為3.25 h，則施肥前的清潔時(shí)間為20 min，施肥時(shí)間為2.25 h，最終清潔時(shí)間為40 min，以便對(duì)肥料進(jìn)行洗滌。由于施肥方法的局限性，在作物生長(zhǎng)的中后期不宜施肥，傳統(tǒng)的施肥方法在農(nóng)作物生長(zhǎng)的初期經(jīng)常使用大量的肥料，養(yǎng)分施用與作物需求之間產(chǎn)生矛盾。肥料利用率低的原因之一是作物生長(zhǎng)初期大量施用的肥料（如基肥）無法及時(shí)被吸收利用。相比之下精準(zhǔn)施肥設(shè)備可節(jié)省22%以上的肥料，與傳統(tǒng)的施肥設(shè)備相比，精準(zhǔn)施肥設(shè)備可節(jié)省25%～35%的肥料，基本肥料可按200 kg·667 m-2的規(guī)格施于稻田中。然后，在機(jī)械移栽施肥技術(shù)和水稻直播機(jī)的幫助下，可以將尿素、鋅、鉀肥施用到水稻幼苗上，從而實(shí)現(xiàn)水稻的良好生長(zhǎng)。此外，具體的澆灌施肥方案要以精確測(cè)土質(zhì)量實(shí)際結(jié)果和具體情況為依據(jù)，以較高的精準(zhǔn)機(jī)械化程度為目標(biāo)。一般來說，生物有機(jī)肥的施用量應(yīng)控制在總肥料量的35%以上，才能保證水稻幼苗對(duì)養(yǎng)分的足夠吸收。

在該系統(tǒng)中，肥料泵可以控制水和肥液的總比例，從而精確地控制肥料的質(zhì)量濃度。該方法利用程序數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際水流，各種程序能準(zhǔn)確判斷水流動(dòng)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值。當(dāng)灌溉農(nóng)田水量超過基本設(shè)定值時(shí)，電磁閥系統(tǒng)自動(dòng)斷開，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水量的自動(dòng)控制。多種傳感器可直接測(cè)量水位變化，電阻的明顯變化可自動(dòng)完成水位上升的精確檢測(cè)，當(dāng)肥料耗盡時(shí)，電阻值會(huì)很大。其他傳感器將檢測(cè)電阻值的變化，并將其發(fā)送到主控制器。控制面板核心電源報(bào)警裝置會(huì)讓澆灌施肥機(jī)自動(dòng)終止其他工作。為了更好地檢測(cè)pH值和EC值，本系統(tǒng)的傳感器插座設(shè)計(jì)方法還可以采集傳感器模擬環(huán)境量，并將其相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LCD上。采用人機(jī)交互操作界面，可隨時(shí)查看系統(tǒng)功能的pH值和EC值，系統(tǒng)可以自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，并能實(shí)時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)文件，根據(jù)傳感器采集的各種信號(hào)，控制器里的數(shù)據(jù)可作為追肥和灌溉用水過程的參考值。

（2）能夠?qū)τ诤罄m(xù)的農(nóng)田灌溉和施肥提供有效的數(shù)據(jù)支撐，為肥料泵的精準(zhǔn)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有效的節(jié)省了肥料的使用量，提高了肥料的實(shí)際利用率，加強(qiáng)了水稻種植的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了水稻整體產(chǎn)量的穩(wěn)步上升。

在溫室生產(chǎn)的實(shí)際操作和應(yīng)用中，通過鋪設(shè)在暖棚的灑水灌溉管道，將有機(jī)肥料混合物注入管道進(jìn)行引水灌溉，肥料水混合在一起，直接輸送到達(dá)沿微噴灌管道的作物根系。肥料注入機(jī)將肥料中的溶液注入管道中可以有效地提高肥料的吸收率，節(jié)省有機(jī)肥數(shù)量，加強(qiáng)肥沃土壤的保護(hù)，并大大減少肥料污染的影響。在溫室中生產(chǎn)苗木產(chǎn)品的過程中，育苗管理難度大，所以在溫室生產(chǎn)的幼苗階段，水和肥料的日常管理是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在溫室生產(chǎn)中，許多地區(qū)采用盆栽、袋裝和塞苗技術(shù)。由于盆、袋和小孔等容器的限制，不可能用固定的噴嘴噴施肥料。在日本，已經(jīng)應(yīng)用了溫室軌道噴涂技術(shù)，這種技術(shù)是利用噴霧設(shè)備將微型噴嘴安裝在移動(dòng)式噴霧器的噴霧管上，并隨著噴霧器的行走而進(jìn)行微型噴霧工作。這樣的設(shè)備能讓地面上噴霧劑的均勻性達(dá)到90%。如今，在中國(guó)大多數(shù)農(nóng)業(yè)種植園中進(jìn)行散播盤苗育苗時(shí)，多采用噴壺向生長(zhǎng)植物上噴灑質(zhì)量濃度較大的有機(jī)肥料水，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度很高的問題，有效利用精準(zhǔn)施肥就可以避免這一問題的發(fā)生。

4?結(jié)論

在新時(shí)期，新農(nóng)村建設(shè)和集約化農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展是中國(guó)未來農(nóng)村和農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體方向，普及農(nóng)業(yè)裝備現(xiàn)代化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本手段。大量推廣精確施肥和控制施肥技術(shù)的應(yīng)用能讓我國(guó)農(nóng)業(yè)大大受益，有利于促進(jìn)水肥技術(shù)的融合，并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)肥料消耗零增長(zhǎng)的發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率提高。