處方圖式變量施肥技術的關鍵節點

孫皓政 孔凡霞

化肥是重要的農業生產資料，是作物產量和品質的重要保證，在很大程度上影響著糧食產量和品質。據聯合國糧農組織的統計，化肥對糧食的貢獻率占40%左右。我國能以占世界7%的耕地養活22%的世界人口，化肥功不可沒。傳統的施肥方式是在一個地塊內使用一個施肥標準，然而在同一地塊內不同區域的土壤中有效養分的含量存在差異，如果采用平均施肥，會造成在肥力低的區域肥力不足；而在肥力高的區域肥力過量，其結果必然造成資源的浪費、成本的提高和環境的污染。變量施肥技術是根據植物的生長需求、土壤的養分情況還有其他環境因素，精確計算和調控肥料的施用量，把化肥的施用量控制在合理的范圍內。本文介紹了變量施肥中基于土壤處方圖的變量施肥研究現狀以及技術的特點，旨在為精準變量施肥技術的推行提供參考。

一、研究現狀

在基于處方圖的變量施肥方面，孟志軍、趙春江等［1］設計了基于處方圖的精準變量施肥系統，系統采用通用的CAN總線協議和ISO11783總線通訊協議，通過數字PID算法控制電液比例閥從而控制液壓馬達的轉速實現對排肥量的調節，施肥實驗表明約有3.57ｍ的施肥滯后距離，施肥延遲時間約為1.84s。陳立平、黃文倩等［2］利用CAN總線通訊協議設計了一種精準變量施肥控制器，利用光電碼盤反饋的信號形成閉環的PID控制，對電液比例閥的開度進行調節，并通過實驗對PID的參數進行整定，針對磷酸二銨、復合肥和尿素三種肥料分別進行控制曲線的標定實驗，在小湯山的田間施肥實驗證明系統的尿素施肥量可在130.5kg/hm2～325kg/hm2之間連續調節，在實驗條件下，測試滿足變量施肥需求。吉林大學的張書慧、馬成林［3］等人設計制造了一種可以實現變量施肥功能的施肥系統，將施肥決策數據寫入IC卡，施肥作業時通過讀取IC卡上的施肥指令，利用單片機系統控制施肥機排肥軸轉速來動態調節施肥量，系統在5.83hm2的試驗田上取得了一定的預期效果。

二、關鍵技術

空間變異性分析：通過采用地理信息系統（GIS）和空間統計技術，對農田內土壤養分含量和植物生長狀態的空間分布進行分析。這有助于確定不同區域和子區域的養分需求差異，從而實現精確施肥。

變量施肥方案優化：通過基于土壤測試和植物需求分析，運用數學模型和優化算法，制定最優的變量施肥方案。這些方案考慮了不同區域的養分缺乏或過剩情況，并根據作物生長階段和養分需求量進行精確調整。

遙感數據分析：利用遙感技術獲取農田相關數據，如植被指數、熱紅外圖像等，以評估作物的生長狀況和養分吸收情況。這種數據分析有助于優化變量施肥方案，并及時發現植物的養分需求變化。

變量施肥設備與控制技術：使用先進的變量施肥設備，如具有自動化控制系統的精確噴施器或滴灌系統，能夠根據處方圖式要求調整施肥量、施肥速度和噴灑方向等。這些設備通過實時監測和反饋機制，使施肥過程更加精確和高效。

農田傳感器網絡：利用分布在農田中的傳感器網絡，實時監測土壤養分含量、濕度、溫度等參數，并將數據傳輸至中央控制系統。這樣可以實現農田的精細化管理和變量施肥的實時調整，以滿足作物的特定需求。

數據管理與決策支持系統：建立農田數據管理系統，集成土壤測試數據、遙感數據、傳感器數據等，并應用決策支持系統（DSS）進行數據分析和決策制定。DSS利用數學模型、模擬仿真和專家知識，為農民和農業專家提供優化的變量施肥建議。

通過綜合應用這些專業技術，處方圖式變量施肥能夠實現農田管理的精確化和個性化，最大程度地提高農作物產量和質量，同時減少肥料的浪費和環境污染。

三、總結

總之，變量施肥作為精準農業的重要組成部分，可以極大地提高農業生產的效率、節約資源和成本，同時能夠減少環境污染的風險，這種精確施肥的方法有助于推動農業的可持續發展和保證糧食安全。

參考文獻：

［1］孟志軍，趙春江，劉卉，等.基于處方圖的變量施肥作業系統設計與實現［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2009，30（4）：5.

［2］陳立平，黃文倩，孟志軍，等.基于CAN總線的變量施肥控制器設計［J］.農業機械學報，2008，39（8）：5.

［3］張書慧，馬成林，吳才聰等.一種精確農業自動變量施肥技術及其實施［J］.農業工程學報，2003（01）：129-131.

（作者單位：山東理工大學農業與食品科學學院）