我国变量施肥技术的研究现状与发展分析.pdf

我国变量施肥技术的研究现状与发展分析 任灵杰 田 敏 李江全 展晨阳 石河子大学机械电气工程学院 新疆石河子 摘 要 变量施肥是精准农业的一个重要组成部分 是实现农作物高产且优质的关键 过量施用化肥给经济 社会和环境带来了一系列不良的影响 实施精准变量施肥不但可以提高化肥的利用率 还能在一定程度上降低 农业的生产成本 对促进农业的健康可持续发展有着重要的影响 为此 介绍了国内外关于变量施肥技术和施 肥机械的发展现状 并对国内不同的施肥技术进行研究分析 如变量施肥处方生成技术 肥料控制技术以及肥料 施入监测技术 最后 总结归纳当下我国变量施肥技术主要存在的一些问题 依据我国现代农业发展的行情 针 对具体问题提出相应的发展策略 推进变量施肥技术在未来精准农业上的应用与发展 关键词 变量施肥 研究现状 技术分析 存在问题 发展对策 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 我国是农业大国 充分利用现有资源 以实现节 约用地 用水以及用肥的长远目标 是我国必须关注 的重点问题 资料调查研究显示 国内化肥总产量和 总施用量分别占世界的 和 在最常 用的氮 磷和钾肥上 国外的利用率分别为 国内利用率远低于国 外 因化肥施用过量 粮食增产幅度大大降低 生 产投入成本愈来愈高 给经济 社会和环境带来了一 系列不良影响 精准农业是传统资源型农业转向现代农业的重 要标志 其含义可以具体理解为 为实现高效 低 耗 优质和保护生态环境的目的 以单位区域土壤特 性 田间作物生产需求和农作物目标产量为参照准 则 对种子 肥料和物资等投入合理地进行调节 保证 农作物生长的基本条件不变 把土地自身的价值最大 限度地发挥出来 在提升生产效率的基础上提升农业 的整体生产质量 变量施肥是精准农业的重要组成部分 具体含义 可以理解为 全面分析历年来大田农作物的土壤理化 性质 气候条件以及病虫害等多种数据 对数据进行 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 石河子大学高层次人 才科研启动资金项目 作者简介 任灵杰 女 河南焦作人 硕士研究生 通讯作者 田 敏 男 河南商丘人 教授 硕士生导师 处理分析后 通过执行施肥机械达到精准施肥的目 的 具有很好的经济 环境和社会效益 为 此 通过研究相关资料 阐述了国内外关于变量施肥 技术的发展现状并分析各部分的发展特点 探讨我国 变量施肥技术存在的问题 并制定出相应的解决策 略 旨在将变量施肥控制技术在全国范围内进行推 广 促进施肥机械在精准农业上的应用 国内外研究现状 国外研究现状 很早之前 国外一些相关研究学者就对变量施肥 技术展开不同的研究并取得了一定的成果 在丰厚的 研究资源和农业作业环境下 变量施肥技术迅速得到 推广 以下主要以美国 德国 法国和日本等国家为 代表 进行阐述 美国变量施肥播种机 约翰 迪尔公司 生 产的 型气力式种肥车与 型免耕播种 机 其人机交互监测系统不但可以监测施肥机的位 置 还能实时显示肥料撒施情况 公司所研发的 系列变量施肥播种机 可以实现对多种 不同类型肥料和种子的调节 年 美国利用 技术对施肥机具进行了田间试验 不但降低了施肥总 量 还获得了 的增产 德国 变量施肥机 系列的变 量撒肥机 由阿玛松公司研制 不仅包含了亚马逊 服务终端通讯设配备 而且涵盖有许多田间 所使用的传感器 工作时 农作物的生长特征信息可 以被实时采集出来 在确定不同单位区域内植物所需 年 月 农机化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 10 037 肥料量时 液压驱动模块可以实现对撒肥盘的工作速 度和幅宽的控制 最终达到田间精准变量施肥的目的 法国 变量施肥装备 法国的耕地面 积非常大 农业发展速度极快 在所有农业机械中 法国研发的肥料撒播机自动化水平是最先进的 在采用 和 技术的基础上 不同的变量施肥机 被陆续推广使用 如较为先进的自动喷雾机和离心撒 播机 其中 最为有名的是法国 女骑士 变量施肥控制系统 已被广泛地应用于各种不同类型 的施肥机上 日本稻田变量施肥机 公司 研发制 造的稻田变量施肥机 改变了现有的单一施肥模式 可播撒不同种类的肥料 为实现田间精准变量施肥 采用 技术 施肥机行驶速度的位置信息被地轮上 的传感器实时监测 通过实时监测的相关信息制作 处方图 根据所得出的具体施肥要求对不同单位 模块进行精准变量施肥 现阶段 精准变量施肥技术在国外发展较为迅 速 通过对田间管理信息系统和服务信息网络不断进 行完善 推进了施肥技术在发达国家作物生长 作物 施肥以及精量播种等的应用 提高了化肥的利用率 在科学技术上 虽然国外变量施肥机械有诸多的优 势 但综合我国的实际国情来看 其成本高 体积大和 维修费用贵等特点难以满足国内的发展需求 国内研究现状 世纪 年代后期 国内才逐渐开始引进并学 习国外先进技术 落后的农业施肥技术和手段对农 田化肥的管理造成了严重的浪费和污染 近年来 我 国开始不断借鉴学习国外的精准变量施肥技术 对建 立精准变量施肥技术体系进行尝试 使得变量施肥技 术正逐渐被接纳并大力推广 国家农业信息化工程技术研究中心研发的变 量施肥机 为了解决我国变量施肥机作业时存在 的幅度小和肥料浪费等问题 该研究中心采用变量施 肥处方生成技术 研制了一款变量施肥抛撒机 结构 如图 所示 国外很早就针对变量施肥机展开研究 主要应用对象为肥料粒子在圆盘上的运动 之后 涌 现出大量的研究者采用施肥处方技术在田间对圆盘 式变量施肥模型进行试验 黑龙江八一农垦大学制造的大豆播种变量施 肥机 施肥方法是影响作物生长的主要因素之 一 黑龙江八一农垦大学通过借鉴学习国外的先进变 量施肥技术 凭借着自身地区所独有的丰厚条件和有 利资源 成功制造出一款能够固定安装在基于 定 位技术的国产 行气吸式大豆精密播种机 在田间进 行试验后作业效果明显 且达到变量施肥设计要求 吉林工业大学设计的变量施肥系统 此大 学相关研究工作者研究设计了一种变量施肥控制系 统 不但能够实现不同功能的耕作环节 还能有效提 高施肥系统的通用性 也降低了在生产变量施肥机械 中的生产和维护成本 结合 定位技术 经过在田 间试验后得出结论 该施肥机可同时实现不同幅宽的 变量施肥或变量喷药等多功能作业 东北农业大学研制的 型液肥变量施肥 机 此大学相关研究学者根据现阶段农业生产发 展需求 分别采用单片机和电磁比例调节阀作为核心 处理器及执行部件 同时设计其它相关功能部件 最 终实现悬挂式变量施肥机的研制 其液肥控制系统原 理如图 所示 田间试验表明 施肥深度可达 作物能够充分吸收养分 不但解决了液肥中断 射出的问题 而且能高精度完成穴施变量施肥作业 施肥精度达到 有效提高了液态肥的利用率 在农业推广上具有很高的应用价值 由于我国的变量施肥技术仍停留在发展阶段 现 有的一些变量施肥机具大多是在原有的基础上改造 而成的 且大多数研究仍属是田间试验阶段 因此应 该不断借鉴学习国外发展的先进技术 设计出一套适 合我国国情的变量施肥技术体系 并研发出先进的变 量施肥系统 横梁 出肥口 速度传感器 链条 肥门 固定筋 肥箱 位移传感器 监控器 推拉杆 固定梁 撑肥部件 液压控制阀 马达 撒肥盘 车轮 马达 马达固定梁 图 施肥抛撒机的结构简图 年 月 农机化研究 第 期 图 液肥控制系统结构原理图 变量施肥技术分析 施肥处方生成技术分析 现代农业施肥处方技术主要由土壤养分检测技 术 空间插值算法以及遥感技术 部分组成 土壤 养分的检测方法可以分为 种 不同的测量方法在理 论上都能够实现检测土壤养分的最根本需求 但也存 在着一定的弊端 如图 所示 因此 目前所要解决 的关键问题是能够设计出符合我国国情基本路线的 施肥处方技术体系 表 不同土壤养分检测方法的优点与弊端 测量方法优点弊端 化学分析法 测量精度高测量过程复杂 时间较长 光电分色法 实时性强费时费力 土壤电导率间接 测量法 响应时间快 成本较低 未达到 实用化程度 近外光谱 分析法 高效方便在有机质和微量元素实时测定方面存在盲区 空间插值算法的兴起取代了用传统点状方式去 获取土壤养分的相关信息的模式 相关研究学者 通过对比分析不同算法的特点发现 在获取土壤养分 信息的过程中 使用空间插值算法仍存在着一定的弊 端和局限性 对提高土壤养分的精度和实用性以及在 全国进行推广普及仍有较大的难度 随着物联网技术的发展 遥感技术的出现为土壤 养分数据的获取提供了一种新捷径 不仅降低了在大 规模田间进行土壤采样的难度 而且省时省力 工作 效率极高 然而 当天气环境发生变化时 会对遥 感数据的获取造成影响 所以将遥感技术在全国大范 围进行实时推广也存在着一定的难度 现阶段 国外很多公司对处方生成技术进行了大 量研究 采用先进的技术手段来解决现有处方生成技 术中存在的一些复杂问题 在田间经过试验验证后获 得了巨大的经济 环境和社会效益 然而 我国当 下对处方技术的研究仍处于应用与发展阶段 不同技 术手段还存在着很多弊端 所以 在符合我国国情的 前提下对施肥处方技术进行改进与创新 仍是当下非 常重要的工作目标 肥料施入控制技术分析 肥料施入控制技术是变量施肥的主要核心技术 之一 国外相比较于国内的施肥技术要更领先一 些 不管是在变量施肥的控制方法上 还是在施肥产 品上 其研究成果都要更为成熟 表 为近 年来国 内关于肥料施入控制技术的分析现状 随着科技的 不断发展 我国在变量施肥控制系统方面的研究也越 来越深入 主要是针对系统的设计和优化进行改进与 创新 表 国内肥料施入控制技术的现状分析 年份研究学者控制器类型定位系统类型排肥机构驱动器肥料性质 年田敏等 无电磁阀液态肥 年杨程学等 芯片 直流电机颗粒肥 年陈满等 直流电机颗粒肥 年张继成等 北斗压力调节阀液态肥 年李冬冬等 电磁阀液态肥 年 月 农机化研究 第 期 年 田敏 等针对国内施肥过程中存在的 施肥精度低 均匀性差以及环境污染等问题 设计了 一种滴灌棉田施肥自动控制系统 田间试验结果显 示 系统不但能够有效满足精准施肥要求 而且可以 实现自动配比调节 年 杨程学 等针对离心式圆盘撒肥机追 肥效率不高及适用于水稻的变量施肥系统较为缺乏 等问题 研发设计了一种变量施肥控制系统 所采用 的技术主要是 控制算法 将该系统结合配套拖 拉机在田间进行试验后 发现能够很好地实现对稻田 的追肥作业 年 陈满 等为实现大田精准变量施肥 设 计了一种基于多传感器的变量施肥控制系统 测试 结果显示 在调速过程中 控制的最大误差和开度控 制误差分别为 和 软硬件的设计科学合 理 不但降低了农业的生产成本 而且极大地提高了 系统的性能 年 张继成 等针对当下农业生产肥料利 用率不高的现状 研发设计了一种基于电子控制单元 的大豆精量施肥控制系统 在大田经过试验后 系统 的工作状态不但高度稳定 而且也具有较高的响应速 度和控制精度 年 李冬冬 研究设计了一种基于 的 棉田液态肥变量施肥控制系统 通过在新疆棉花种植 实验基地进行试验 与传统的控制系统相比 在变量 控制和施肥精度上都能够进行较好的实现控制 通过以上分析总结 国内研究学者在变量施肥肥 料施入控制技术上做出了大量的研究和贡献 也取得 了不少的成果 但是 从总体上来看 由于研发控制系 统的能力较弱 当下的研究大部分仍处于试验研究阶 段 在方法实现上较为单一 且兼容性较弱 因此 国 内应进一步加大在变量施肥肥料 施肥控制精度以及 变量施肥机具上的推广 提高控制系统的精度及均匀 性 并扩大排肥量的范围 肥料施入监测技术分析 世纪 年代 美国和法国等一些国家具体针 对肥料施入监测技术展开大量的研究并取得了一定 的成果 解决了施肥过程中漏施 机车速度不稳定以 及重施等问题 国内对肥料施入监测技术的研究起 步较晚 但随着我国农机设备水平的不断提高 变量 施肥技术在精准农业中的应用也愈加广泛 随着相 关研究者在肥料施入监测技术上展开的研究越来越 深入 市面上开始涌现出大量先进的监测系统和装 置 国内肥料施入监测技术现状分析如表 所示 表 国内肥料施入监测技术现状分析 年份研究学者采用技术应用场景 年王大可等传感器技术 无线通信技术大田 年赵立新等变距光电传感器技术小麦试验田 年高菊玲等水肥一体化和 技术温室大棚 年于尧等位移传感器技术丘陵山地 年陈幸等 芯片大田 年 王大可 等为解决现有施肥存在的恶 劣因素 人员监测困难以及施肥监测装置缺乏等问 题 采用无线通信和传感器技术 设计了一种施肥计 量和监测系统 不仅具有较好的作业能力 而且能够 满足田间施肥量监测和预警等任务 年 赵立新 等针对小麦播种过程中存在 的监测精度和施肥作业质量低等问题 结合变距光电 传感器 设计了一种播种和施肥于一体的监测系统 该系统虽然能够进行实时监测 但存在着漏肥和延迟 等现象 后续仍需改进 年 高菊玲 等针对现有施肥机存在的精 度不高和施肥不均匀等特点 研发了一种水肥一体化 灌溉系统 在温室大棚中进行试验后 相对于传统的 控制系统而言 该系统能够解决传统施肥机无法准确 控制施肥精度的问题 具有很高的研究价值 年 于尧 等研究设计了一种能够实现多 功能的大田测试系统 不但可以监测大田环境和常规 播种机的数据 而且能够识别图像 具有实时数据传 输 查询及上传等一系列功能 田间试验表明 该系 统稳定可靠 可以大力进行推广 年 郑辉 等为解决农田灌溉中存在的水 资源浪费和肥料流失等问题 设计了一款基于 的 智能灌溉施肥系统 试验验证表明 系统具有高度的 稳定性和精度 不仅降低了农业的生产成本 而且有 效提高了灌溉效率 在很大程度上充分利用了现有的 有效资源 随着不同施肥监测方法的出现 我国变量施肥监 测技术也在不断进行改进与完善 电子仪式的施 肥监测装置不但具有较高的灵敏性 而且能够实现信 息的全面监测 被大力推广和应用于肥料施入监测技 术中 施肥机在田间工作时是一个动态的过程 需要花费一定的时间来监测是否出现故障 但这样会 出现重施或漏施的情况 不仅降低肥料的利用率 而 且农作物的增产幅度也会大大地缩小 因此 对施肥 年 月 农机化研究 第 期 机具自动补偿监控系统的改进是当下所要解决的重 要问题 将物联网和智能化等技术应用于施肥监测 系统中 将会成为我国肥料施入监测技术未来重的发 展方向 存在问题及发展对策 存在问题 受土地狭小和经济环境的影响 实现现代化的 精准农业发展仍有一定的难度 目前 我国所采用的检测土壤养分传感器价格 普遍上较贵且设备兼容性较低 国内在变量施肥实时控制系统方面的研究尚 存在不足 专家决策系统的更新速率变慢 因遥感技术费用高和实时性差等缺点 实现监 测土壤养分仍有一定的难度 现阶段 大多施肥机具是在已有基础上改造而 来的 整体上缺乏稳定 可靠的性能 国内对于液肥的研究和应用力度仍然欠缺 导 致液态施肥机具的研发动力不足 发展对策 按照我国农业发展的行情 应研发更加先进的 变量施肥产品 以提高我国施肥技术的发展水平 加 大施肥机械在国内的应用程度 加深在线式变量施肥技术的研究层次 推进智 能化控制技术在已有变量施肥体系中的发展进程 借鉴学习国外先进的不同施肥技术 提高国内 在变量施肥控制系统上的研发力度 对变量施肥控制体系不断进行改进和完善 提 高处方图生成技术以及作物专家系统研发水平 创新改造施肥机的机械结构 加强推进并高度 融合变量施肥机械和变量施肥技术 实现多功能施肥 作业 加快对液肥变量施肥机械的应用与推广力度 研发一些能够简单操作 高效率及低成本的变量施肥 机具 结语 目前 我国的变量施肥技术和世界领先水平相比 仍有较大的差距 国外一些发达国家的变量施肥技术 体系已经非常完善 由于我国特殊的地貌和农业生 产环境 在全国范围内对变量施肥技术进行有效推广 仍有一定的难度 因此 依据我国的发展国情 不但 要加大对变量施肥处方技术的研发力度 更要提高对 肥料施入控制技术和肥料施入监测技术等关键技术 的创新水平 应根据自身变量施肥技术存在的问题 借鉴学习国外的经验 引进先进的技术和施肥理念 并加强技术交流 推进精准农业在我国的健康可持续 发展 走出一条具备中国特色的变量施肥发展道路 参考文献 段洁利 李君 卢玉华 变量施肥机械研究现状与发展对 策 农机化研究 杨青林 桑利民 孙吉茹 等 我国肥料利用现状及提高化 肥利用率的方法 山西农业科学 史国滨 王熙 庄卫东 基于 的农业机械作 业轨迹监测系统 农业机械学报 初金哲 庄卫东 梁冉冉 精准变量施肥技术发展与分析 农业机械 武空 约翰迪尔 全程机械化助力吉林玉米高产 农 业机械 安晓飞 付卫强 魏学礼 等 基于处方图的垄作玉米四 要素变量施肥机作业效果评价 农业机械学报 齐兴源 周志艳 李官平 等 大田作物变量施肥技术国 内外研究现状 贵州农机化 刘志华 西方发达国家农业农村现代化特点探析 以英 美 法德和日本为例 山东农业工程学院学报 年 月 农机化研究 第 期 温佳伟 黄金柏 徐乐 日本精准农业发展现状与展望 中国农机化学报 张睿 王秀 赵春江 等 链条输送式变量施肥抛撒机的 设计与试验 农业工程学报 王新忠 王熙 汪春 等 黑龙江垦区大豆变量施肥播种 应用试验 农业工程学报 陈宏 张书慧 王丽霞 等 精准农业多功能变量作业控 制系统研制 农机化研究 王金武 潘振伟 周文琪 等 型液肥变量施肥 机设计与试验 农业机械学报 陈金 赵斌 衣淑娟 等 我国变量施肥技术研究现状与 发展对策 农机化研究 王平安 任旭明 薄夫京 等 关帝山不同林龄华北落叶 松人工林土壤化学计量特征及土壤理化性质分析 山西农业科学 何东健 杨成海 杨青 等 面向精准农业的农田土壤成 分实时测定研究进展 农业工程学报 刘彦平 罗晴 程和发 高光谱遥感技术在土壤重金属含 量测定领域的应用与发展 农业环境科学学报 刘雪梅 章海亮 基于近红外光谱的不同建模方法检测 土壤有机质和速效 含量的研究 西北农林科技大 学学报 自然科学版 赵广帅 李发东 李运生 等 空间插值模拟法与土 壤类型法估算比较土壤碳储 农业工程学报 孙国祥 陈满 汪小旵 等 变量施肥机关键技术研究现 状分析 江苏农业科学 刘茂成 梁天航 陈奕颖 变量施肥自动控制技术的研 究现状与发展趋势 农业与技术 杨军 田敏 陈剑 等 基于 的精准变量施肥自动控 制系统研究 无线互联科技 杨程 臧英 周志艳 等 基于 算法的气力式施肥机 变量施肥控制系统设计与试验 沈阳农业大学学报 陈满 金诚谦 倪有亮 等 基于多传感器的精准变量施 肥控制系统 中国农机化学报 张继成 孟繁峰 郑萍 等 基于电子控制单元的大豆液 肥施肥机变量施控系统 大豆科学 李冬冬 棉田液态肥变量施肥控制系统的设计与研究 石河子 石河子大学 王大可 衣淑娟 赵雪 等 气吸精播机施肥量无线计量 监测系统的研究 农机化研究 赵立新 张增辉 王成义 等 基于变距光电传感器的小 麦精播施肥一体机监测系统设计 农业工程学报 高菊玲 孙昌权 黄锋 基于 的水肥一体化施肥机 传感器监测系统研制 节水灌溉 于尧 陈宇熠 杨鸿城 等 基于位移传感器的多功能精 密播种机监测系统 农机化研究 郑辉 基于 的自动灌溉施肥监控系统设计 农机 化研究 胡成红 徐金 奚小波 等 变量施肥技术研究现状及发 展对策 农业装备技术 初金哲 庄卫东 梁冉冉 精准变量施肥技术发展与分 析 农业机械 下转第 页 年 月 农机化研究 第 期 上接第 页 年 月 农机化研究 第 期