楊志杰

河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司 050051

1 引言

精準(zhǔn)施肥技術(shù)是把地塊細(xì)化成操作單元，根據(jù)不同土壤類(lèi)型、土壤中各種養(yǎng)分的盈虧狀況、不同肥料的增產(chǎn)效應(yīng)、不同作物的施肥模式、歷年產(chǎn)量等相關(guān)信息輸入計(jì)算機(jī)，形成資料齊全的土壤養(yǎng)分信息化管理系統(tǒng)，生成作物生長(zhǎng)的變量處方圖，這些信息輸入變量施肥機(jī)的控制單元，根據(jù)處方圖信息在田間不斷改變施肥量，完成施肥作業(yè)。從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，按處方圖變量施肥地塊的產(chǎn)量比傳統(tǒng)平衡施肥的產(chǎn)量將提高30%左右，而且減少了化肥施用總量，經(jīng)濟(jì)效益大大提高。要做到精準(zhǔn)施肥，就要求有科學(xué)合理的施肥方式和具有自動(dòng)控制的變量施肥機(jī)械。

1993-1994年，精準(zhǔn)施肥技術(shù)首先在美國(guó)明尼蘇達(dá)州的兩個(gè)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，1995年美國(guó)明尼蘇達(dá)州、華盛頓州開(kāi)發(fā)了變量施肥技術(shù)（VRT-Variable Rate Technology）應(yīng)用設(shè)備，隨后變量施肥機(jī)械在歐美得到迅速發(fā)展，其中發(fā)展最快的就是圓盤(pán)式變量施肥機(jī)，美國(guó)的SWENSON及德國(guó)的AMAZON等公司都進(jìn)行了大量的研究，中國(guó)近年來(lái)也開(kāi)始著手研究，但是我國(guó)變量施肥機(jī)械研制還處于起步階段。

圖1 圓盤(pán)式變量施肥機(jī)

2 變量施肥關(guān)鍵技術(shù)

變量施肥機(jī)（如圖1）主要由行走系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、控制系統(tǒng)、圓盤(pán)式（或其它形式）撒肥裝置等組成。

2.1 圓盤(pán)式變量施肥機(jī)采用GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）用于信息獲取和實(shí)施準(zhǔn)確定位

變量施肥機(jī)需要GPS為其提供準(zhǔn)確的定位信息，GPS接收機(jī)通過(guò)通信端口、通過(guò)傳輸協(xié)議向計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)傳輸定位、速度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)進(jìn)行分析后，使得到變量施肥機(jī)能夠按照處方圖的施肥計(jì)劃精確施肥，從而使得變量施肥得以實(shí)現(xiàn)。

DGPS（差分定位技術(shù)）是保證變量施肥機(jī)施肥精度的一項(xiàng)重要技術(shù)。美國(guó)政府為了控制和限制G P S用戶(hù)的使用，實(shí)施了安全管理（SA）政策，使衛(wèi)星鐘差和星歷誤差顯著增加，定位精度有所下降。對(duì)于精確農(nóng)業(yè)上的變量施肥機(jī)而言，15米以上的定位精度不可能接受的。DGPS是在一個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)立基準(zhǔn)站，跟蹤觀(guān)測(cè)GPS衛(wèi)星，測(cè)定各衛(wèi)星偽距觀(guān)測(cè)值的修正值；通過(guò)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)發(fā)送給行走中的施肥機(jī)，經(jīng)差分修正后，進(jìn)行定位解析，使變量施肥機(jī)獲得亞米級(jí)，甚至更精確的定位信息。

2.2 GIS（地理信息系統(tǒng)）的技術(shù)支持

圖2 處方圖信息

GIS是構(gòu)成農(nóng)作物精確管理空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的有力工具，田間信息通過(guò)地理信息系統(tǒng)予以表達(dá)和處理，具體步驟為:從田間采集代表性土樣，最常見(jiàn)的取樣方式是柵格取樣法,地塊被分割成面積相等的柵格,從每一柵格中采集一個(gè)土樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土樣分析;利用分析結(jié)果,繪制土壤養(yǎng)分空間分布圖,即施肥處方圖（如圖2）;最后依據(jù)施肥處方作業(yè)圖,決定肥料的最佳施用量。施肥處方圖中既包含了每個(gè)田間柵格的施肥量信息，也包含了每個(gè)柵格的地理位置信息，這些信息經(jīng)專(zhuān)業(yè)軟件處理后，可以輸入到變量施肥機(jī)控制器中，成為變量施肥機(jī)的施肥依據(jù)。

2.3 控制系統(tǒng)是變量施肥機(jī)核心

圖3 變量控制系統(tǒng)組成

變量施肥作業(yè)的另一重要組成部分是其控制系統(tǒng)（如圖3）,它集成了施肥處方圖信息、GPS信息和與不同輸入對(duì)應(yīng)操作。在控制系統(tǒng)中,可集成許多功能模塊,如變量施肥模塊和變量噴藥模塊等。控制系統(tǒng)包括軟件系統(tǒng)和硬件兩大部分，軟件系統(tǒng)類(lèi)似計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，是應(yīng)用部分，它的一個(gè)很重要的功能是是對(duì)預(yù)輸入的施肥處方圖進(jìn)行解析和執(zhí)行，把接收到G P S定位信息與施肥處方圖的地塊位置信息進(jìn)行核對(duì)后，準(zhǔn)確完成施肥作業(yè)。同時(shí)它還可以創(chuàng)建和儲(chǔ)存地塊的邊界，標(biāo)記機(jī)械行駛路上的特殊點(diǎn)如樹(shù)木等，并可以分析邊界計(jì)算土地的面積。并對(duì)變量施肥機(jī)上的各個(gè)執(zhí)行部件進(jìn)行監(jiān)控和反饋，如拖拉機(jī)的行駛速度、鏈條馬達(dá)和施肥盤(pán)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)控制節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)娇刂浦行?，?jīng)分析后，再把控制信息反饋到施肥執(zhí)行部件。

2.4 液壓系統(tǒng)和施肥裝置的可靠性

目前國(guó)內(nèi)外的變量施肥機(jī)多采用液壓馬達(dá)作為撒肥盤(pán)的動(dòng)力來(lái)源，由油箱、油泵、各種控制閥、管路、馬達(dá)組成的液壓系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量閥、壓力閥和方向閥的控制，來(lái)完成變量施肥作業(yè)。液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，各種控制閥屬于精密元件，如果制造工藝達(dá)不到要求，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)也很難保證變量施肥作業(yè)的可靠性。

3 圓盤(pán)式變量施肥機(jī)理論分析與田間實(shí)驗(yàn)評(píng)估

3.1 圓盤(pán)式施肥機(jī)理論分析

在設(shè)計(jì)圓盤(pán)式施肥機(jī)之前，建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)的機(jī)械參數(shù)和肥料特性做基礎(chǔ)試驗(yàn)，對(duì)進(jìn)料口位置、進(jìn)料口大小、葉片傾角圓盤(pán)轉(zhuǎn)速、圓盤(pán)大小、肥料特性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析其對(duì)施肥效果的影響。對(duì)以上各因素進(jìn)行分析和組合實(shí)驗(yàn)，衡量施肥機(jī)施肥均勻性，并通過(guò)對(duì)單圓盤(pán)施肥數(shù)據(jù)的分析，做出圓盤(pán)施肥作業(yè)模型，實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)變量施肥機(jī)的依據(jù)。

3.2 變量施肥一致性實(shí)驗(yàn)

由于圓盤(pán)式施肥機(jī)是靠離心力把肥料拋出去，這個(gè)固有的缺陷使其在田間肥料的分布成一個(gè)心形，中間多，而邊緣少（如圖4）。

圖4 肥料分布圖

因此施肥機(jī)的單次作業(yè)很難達(dá)到施肥均勻性要求。只有在變量施肥機(jī)各項(xiàng)參數(shù)校正后，經(jīng)過(guò)往復(fù)施肥的疊加作業(yè)，才能提高其施肥一致性（如圖5）。

圖5 疊加肥料分布圖

3.3 變異系數(shù)

圓盤(pán)式變量施肥機(jī)單行作業(yè)中撒下的化肥沿縱向與橫向的分布是不均勻的,因此需要進(jìn)行大量的田間實(shí)驗(yàn)，借此評(píng)估施肥機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，改善肥料分布均勻性，其判定指標(biāo)就是變異系數(shù)（coefficient of variation），簡(jiǎn)稱(chēng) CV。

變異系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中，Xi為重疊施肥試驗(yàn)的每一個(gè)收集點(diǎn)上積累的肥料重量；N為收集肥料的試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量。為施肥平均值，kg/ha；STD為橫向施肥幅寬方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差；C V為變異系數(shù)。

若施肥機(jī)的變異系數(shù)越小，其橫向幅寬上施肥的一致性程度就越高；反之，變異系數(shù)越大，則其橫向幅寬上施肥的一致性程度就越差。由于田間施肥的地形的平坦性對(duì)CV有一定的影響，很容易使兩個(gè)施肥軌跡中有可能施肥量多的兩點(diǎn)相疊加，或是兩個(gè)施肥量低的點(diǎn)相疊加，這樣就會(huì)使CV發(fā)生很大的變化。因此不同的地形對(duì)于施肥機(jī)的要求也不相同。雖然圓盤(pán)式施肥機(jī)的CV要求在5%－10%之間，但對(duì)于一般的田間施肥，CV在15%－20%之間也是可行的。

3.4 田間實(shí)驗(yàn)評(píng)估

表1 兩種幅寬下四種不同施肥量的性能參數(shù)表

在田間實(shí)驗(yàn)中，施肥機(jī)在設(shè)計(jì)要求的15 m和20 m幅寬，通過(guò)重疊作業(yè)面積來(lái)改善其均勻性，采用四種常用的施肥量，在回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩種施肥試下，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（表1）。不同施肥幅寬，不同的施肥量和不同的施肥方式，都會(huì)給圓盤(pán)式施肥機(jī)的變量作業(yè)帶來(lái)一定的影響，因此為了達(dá)到變量施肥的最終目的，應(yīng)在施肥范圍內(nèi)進(jìn)行大量田間試驗(yàn)，使其變異系數(shù)在變量施肥的要求范圍之內(nèi)，提高施肥一致性，以保證施肥機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。

4 結(jié)論

實(shí)踐表明精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，特別是變量施肥技術(shù)的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)土地的按需管理，節(jié)省了農(nóng)業(yè)投入，促進(jìn)了環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。變量施肥機(jī)不僅在規(guī)模種植的地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，如果進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合小地塊作業(yè)、符合我國(guó)國(guó)情小型的變量施肥機(jī)將會(huì)實(shí)現(xiàn)種植業(yè)的另一次飛躍。

[1]汪懋華.“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（1）：1-8.