郭振華，陳換美，伊海濤，黃智英

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，涉及到播種、施肥、噴藥、收獲等田間管理的各個(gè)環(huán)節(jié)。精量施肥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，可以根據(jù)作物生長(zhǎng)的實(shí)際需要對(duì)作物進(jìn)行變量施肥，既可以滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)需要，又可以最大限度的減少化肥施用量，達(dá)到增產(chǎn)、增收、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

我國(guó)是一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)，化肥的使用量長(zhǎng)期處于全球首位，全國(guó)70%以上的耕地需要施肥、灌溉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)年均化肥用量超過(guò)5 400 萬(wàn)t，但是利用率低于發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平，只有30%左右[1]?；拾▊鹘y(tǒng)的固態(tài)肥和新型的液態(tài)肥。液態(tài)肥與固態(tài)肥相比具有易吸收、利用率高、污染小等特點(diǎn)，并且在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中無(wú)煙霧、無(wú)粉塵[2]，所以在化肥的施用量中，液態(tài)肥的占比逐年增高，已經(jīng)超過(guò)顆粒肥占據(jù)首位。解決能源浪費(fèi)，提高水肥利用率是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過(guò)程中亟需解決的問(wèn)題，液態(tài)精量施肥技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一。

1 液態(tài)施肥技術(shù)

化肥使用成本在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有較大比重，化肥的合理科學(xué)使用不僅關(guān)系到糧食產(chǎn)量、農(nóng)民增收，也關(guān)系到生態(tài)環(huán)境。近年來(lái)，隨著液態(tài)肥的廣泛使用，精量施肥技術(shù)得到快速發(fā)展，成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分。液態(tài)肥精量施肥技術(shù)通常與灌溉設(shè)備配套使用，施肥設(shè)備安裝在灌溉系統(tǒng)首部，性能直接關(guān)系到灌溉和施肥質(zhì)量。

當(dāng)前常用的液態(tài)肥精量控制裝置按照控制方式可分為四種：文丘里施肥器、水力驅(qū)動(dòng)施肥器、自壓注入施肥器、壓差施肥器等。

文丘里施肥器（圖1）的工作原理：文丘里管的結(jié)構(gòu)中間部分?jǐn)嗝孑^小，當(dāng)水流流經(jīng)文丘里管的收縮面時(shí)，液體流速加快，產(chǎn)生負(fù)壓，利用負(fù)壓產(chǎn)生的吸力將肥液吸入灌溉系統(tǒng)完成精量施肥。特點(diǎn)：文丘里施肥器可以按比例施肥，供肥比例穩(wěn)定，但造價(jià)較高，主要用于設(shè)施農(nóng)業(yè)等精準(zhǔn)栽培方面。

圖1 文丘里施肥器

圖2 水力驅(qū)動(dòng)施肥泵

水力驅(qū)動(dòng)施肥泵（圖2）是一種依靠灌溉水流動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的施肥設(shè)備，工作過(guò)程中無(wú)需外部動(dòng)力，依靠管道內(nèi)水流力驅(qū)動(dòng)活塞將液態(tài)肥注入灌溉系統(tǒng)。由于該設(shè)備無(wú)需額外動(dòng)力且具有一定的比例調(diào)節(jié)功能，應(yīng)用非常廣泛，是目前注肥泵的主要形式。但是由于其內(nèi)部關(guān)鍵部件制造精度要求較高，我國(guó)自主研發(fā)的水力驅(qū)動(dòng)注肥泵性能還不夠穩(wěn)定，部分仍需進(jìn)口。水力驅(qū)動(dòng)施肥泵作為一種精密機(jī)械，還需在其關(guān)鍵部件上投入研發(fā)力量，對(duì)其運(yùn)行機(jī)理和構(gòu)造開(kāi)展深入的理論研究。

自壓注入施肥設(shè)備（圖3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用高度差完成液肥的自動(dòng)注入，使用過(guò)程中要與自壓灌溉設(shè)施配合使用。該設(shè)備的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、價(jià)格低，但是施肥濃度不穩(wěn)定，對(duì)地形高度有一定要求。由于該設(shè)備技術(shù)要求不高、價(jià)格低，易于被廣大農(nóng)民接受，在山區(qū)具有廣泛的推廣價(jià)值，可充分發(fā)揮自壓灌溉施肥系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

圖3 自壓注入施肥器

壓差施肥設(shè)備（圖4）主要由肥罐、進(jìn)排液管和控制閥組成。工作原理：通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)排液管上的控制閥調(diào)節(jié)肥罐的進(jìn)液管和排液管形成一定的壓差，使水流經(jīng)過(guò)肥罐將液態(tài)肥帶入灌溉系統(tǒng)進(jìn)行施肥。壓差施肥設(shè)備廣泛應(yīng)用于大田，其不足之處是難以實(shí)現(xiàn)定比施肥。

圖4 壓差注入設(shè)備

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在歐美國(guó)家起步較早，上世紀(jì)70 年代，美國(guó)科學(xué)家提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的設(shè)想[3]。經(jīng)過(guò)20 年的發(fā)展，90 年代，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用階段，已經(jīng)形成將高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的新興產(chǎn)業(yè)，被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

美國(guó)利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)將土壤信息、歷年施肥量、產(chǎn)量等相關(guān)信息整合，建立可展示土壤養(yǎng)分的GIS圖層，該信息可以展示土壤各區(qū)域的養(yǎng)分分布，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行變量施肥。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)土壤養(yǎng)分的均衡供應(yīng)，使肥料的利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量都達(dá)到較高水平，氮肥的利用率高達(dá)60%以上[4]。

日本研制出基于地圖的變量施肥技術(shù)，可以應(yīng)用于施肥、噴藥等領(lǐng)域，試驗(yàn)表明該技術(shù)的節(jié)肥率達(dá)到20%左右[5]。俄羅斯的農(nóng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)研制了變量施肥機(jī)械，通過(guò)田間試驗(yàn)也取得了不錯(cuò)的節(jié)肥效果。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，上世紀(jì)90 年代，中國(guó)化工學(xué)會(huì)主持召開(kāi)“提高肥料養(yǎng)分利用率學(xué)術(shù)研究會(huì)”，指出我國(guó)化肥利用率低的問(wèn)題，提出解決問(wèn)題的有效途徑之一就是大力發(fā)展精量施肥技術(shù)。

我國(guó)使用的精量施肥設(shè)備從原理上大致分兩類(lèi)[1]：一類(lèi)是與常規(guī)灌溉方式配套使用的變量施肥設(shè)備，另一類(lèi)是與滴灌設(shè)備配套使用的變量施肥設(shè)備。第一類(lèi)側(cè)重于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為中央處理器，結(jié)合衛(wèi)星定位系統(tǒng)，專(zhuān)家管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)對(duì)田間進(jìn)行變量施肥。在我國(guó)應(yīng)用較廣泛的是第二類(lèi)，與滴灌系統(tǒng)相結(jié)合的變量施肥設(shè)備。徐飛鵬[6]研制的灌溉施肥系統(tǒng)采用智能管理和系統(tǒng)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)控制、手動(dòng)控制等多種模式，該系統(tǒng)造價(jià)較高，自動(dòng)化程度高，適用于連棟溫室等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施。楊萬(wàn)龍[7]等研制了基于智能化系統(tǒng)的滴灌變量施肥設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)肥量的自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，主要適用于溫室等環(huán)境。郭克珺[7]研制開(kāi)發(fā)了2YTF6 型灌溉液體施肥施藥自動(dòng)控制系統(tǒng)，可用于林業(yè)工廠(chǎng)化育苗、花卉、蔬菜和食用菌等設(shè)施灌溉施肥生產(chǎn)管理。此外，我國(guó)學(xué)者還進(jìn)行了其他相關(guān)研究，開(kāi)發(fā)出多種自動(dòng)施肥控制系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件的優(yōu)化，基本實(shí)現(xiàn)了施肥的精確控制，能夠達(dá)到與灌溉同步的效果。但是目前的研究成果大部分適用于溫室等現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)，還缺乏適用于大田滴灌的精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)。

3 液態(tài)精量施肥存在的問(wèn)題

3.1 施肥量精度問(wèn)題

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)施肥精度提出更高要求，尤其是規(guī)模化的大田生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)精量施肥意義重大。但是目前精量施肥是大田作業(yè)中面臨的突出問(wèn)題，以新疆棉花種植為例，施肥量往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，很少對(duì)肥料的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確稱(chēng)量。這使得每次施肥誤差不一，如何控制施肥精度是需要解決的問(wèn)題之一。

3.2 施肥均勻度問(wèn)題

目前大田滴灌施肥系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：肥料注入量采用人為計(jì)量，還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制定量；施肥過(guò)程中濃度不均勻，施肥濃度易受到壓力和流速的影響，出現(xiàn)前高后低的特點(diǎn)；無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的精確操作。

3.3 當(dāng)前滴灌施肥設(shè)備不能滿(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求

精量施肥的目的是將肥料直接施入作物根部區(qū)域，目前的滴灌施肥設(shè)備主要采用壓差式施肥設(shè)備。這種設(shè)備的特點(diǎn)是在持續(xù)使用30 分鐘后，液態(tài)肥會(huì)被淋洗到土壤底層，距離灌水結(jié)束時(shí)間越長(zhǎng)這種情況越嚴(yán)重。不同的壓力和水流流速會(huì)對(duì)注肥濃度曲線(xiàn)產(chǎn)生影響，這導(dǎo)致在對(duì)大田滴灌施肥時(shí)不同時(shí)段的注肥量是有區(qū)別的。如果不考慮壓力和流速的影響，測(cè)得的地下養(yǎng)分的分布會(huì)存在較大誤差，影響良施肥的效果。

3.4 機(jī)械的技術(shù)問(wèn)題

我國(guó)變量施肥機(jī)械起步晚，導(dǎo)致許多傳感設(shè)備需要進(jìn)口，造成設(shè)備整體價(jià)格昂貴。自主研發(fā)的設(shè)備存在一些技術(shù)問(wèn)題，難以達(dá)到理想的效果。主要表現(xiàn)在我國(guó)農(nóng)業(yè)設(shè)備采用的差分衛(wèi)星定位系統(tǒng)精度較低，導(dǎo)致施肥時(shí)依據(jù)的處方不精確，造成實(shí)際施肥量與目的地所需肥量存在較大偏離。另外，當(dāng)前的機(jī)具在總量上可以實(shí)現(xiàn)變量配比，但是對(duì)于多元素的變量配比還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

4 解決問(wèn)題的措施及展望

液態(tài)肥精量施肥技術(shù)是提高水肥利用率的有效途徑，但是目前還未引起足夠重視。針對(duì)目前存在的問(wèn)題，需通過(guò)深入研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的精量施肥設(shè)備，充分發(fā)揮精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到增產(chǎn)增收減少污染的目的。具體措施如下：

（1）加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)投入，重視農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的的結(jié)合，將基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，研制符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝技術(shù)。

（2）加強(qiáng)新成果的推廣及新技術(shù)新機(jī)具的培訓(xùn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展需要科技研發(fā)與技術(shù)推廣的密切配合，才能取得事半功倍的效果。

（3）抓緊淘汰落后技術(shù)，加大對(duì)新技術(shù)新設(shè)備的補(bǔ)貼力度。強(qiáng)制淘汰一批高耗能高污染的施肥設(shè)備，鼓勵(lì)節(jié)能環(huán)保高效的農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣應(yīng)用，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程。

隨著科技的發(fā)展，液態(tài)精量施肥技術(shù)也將向智能施肥方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要農(nóng)水、機(jī)械、電氣、材料等多領(lǐng)域多學(xué)科人才緊密配合，充分發(fā)揮各自專(zhuān)業(yè)的優(yōu)勢(shì)。