基于施肥处方的烤烟变量施肥机设计及应用

张云 李志宏， 蒋 卫，李 强， 王 刚， 刘青丽， 夏 昊， 梁永江， 丁 伟， 张长华

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京 100081; 2 贵州省烟草公司遵义市公司， 遵义 563000;3 北京东方优国途科技有限公司， 北京 100088; 4 中国烟叶公司， 北京 100055 )

我国烤烟种植区域地块零碎，不适合大型机具作业，本研究选择小型手扶拖拉机为施肥机载体，研制了一种具有全部自主知识产权的变量施肥机，包括硬件和软件; 通过田间网格采样、 土壤变异分析、 处方生成、 变量施肥机具自动实施、 效果评价等完整的变量施肥技术体系实施过程，讨论变量施肥技术在我国实施的可能性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 土样采集和测试

图1 试验地土壤网格样点位和土地利用图Fig.1 Grid soil samples and landuse map in experimental field

1.3 养分推荐量计算依据

表1 土壤养分分级及肥料用量推荐

1.4 田间管理

供试烤烟品种为南江3号，种植密度16500 plant/hm2。变量施肥和对照地块施肥均采用当地烤烟专用肥; 变量施肥养分总量根据土壤变异计算，磷肥全部作为基肥施用，氮和钾基肥、 追肥比例为6 ∶4，基肥配方为9-11-24，于移栽前条施，由变量施肥机完成，变量施肥处方图见图8。追肥配方为15-0-30，钾肥不足部分由硫酸钾补充，于移栽后20天人工环施，变量施肥机施肥地块和对照地块见图1b，变量施肥机实施面积2.43 hm2，对照面积1.20 hm2，对照为农户常规人工施肥。其他栽培管理措施和当地习惯相同。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行整理，使用SAS 6.12进行显著性检验和正态分布检验，使用GS+9.0软件进行地统计分析，使用ArcGIS 9.3进行养分插值和作图。

2 结果与分析

2.1 烤烟变量施肥机研制

图2 烤烟变量施肥概念模型Fig.2 The concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.1 烤烟变量施肥机概念模型 基于处方的烤烟变量施肥机包含两个执行模块，一是施肥处方生成模块，一是施肥处方执行模块(图2)，二者通过USB进行信息交换。施肥处方生成模块是一套软件系统，依据土壤测试值、 施肥模型、 地块边界地图自动生成烤烟施肥处方，以数据包方式通过优盘复制给施肥处方执行模块。施肥处方执行模块包括硬件系统和控制软件系统，硬件系统的核心部件有控制器、 GPS芯片、 速度传感器、 排肥器和肥料斗等机加工部件; 控制软件系统主要用于各种硬件的驱动、 状态监听、 个性参数调整、 施肥处方执行。

2.1.2 变量施肥处方生成模型 处方生成是变量施肥的关键环节，根据土壤测试数据、 边界地图、 施肥模型自动计算实施地块任意位置的肥料投入量，以空间数据的方式供施肥机控制系统软件调用。主要包括： 施肥模型管理模块、 地图操作模块、 空间数据插值模块、 空间数据投影转换模块、 文件管理模块。处方生成软件不包含任何施肥模型参数、 地图文件和土壤测试数据，施肥模型以参数文件方式存在，施肥模型、 数据(包括空间地图和土壤测试数据)、 软件三者独立。

图3 烤烟变量施肥机处方生产概念模型Fig.3 The prescription concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

处方生成主要包括四个过程(图3)，一是由土壤测试数据的经纬度信息生产矢量地图数据文件，并进行Albert投影转换将空间位置单位转化为米; 二是检查地块边界文件和土壤测试数据矢量地图是否匹配，如果匹配失败尝试对地块边界文件进行投影转换，生成空间数据的插值边界; 三是根据插值边界和土壤测试数据的矢量地图插值生成一定距离的网格数据，每个网格格点生成一套土壤养分数据; 四是依据建立的施肥模型和格点土壤养分数据计算每个格点的肥料投入量。

2.1.3 变量施肥机控制系统软件概念模型 控制系统软件(图4)的主要功能是驱动GPS、 速度传感器和步进电机3个部件，监听上述3个部件的运行状态，依据施肥处方和部件状态实时调整步进电机的速度以实施变量肥料投入。实际运行过程中，农机的行进速度和农机档位、 农机手习惯相关，测试表明同一个农机手的行进速度相对偏差小于5%，稳定运行2个小时以后记录的行进速度作为默认速度对肥料投入的偏差小于5%，所以控制系统软件在监听到速度传感器为非正常状态会及时报警，同时允许施肥机继续工作。GPS芯片和天线出现故障的概率极低，但是，如地震等极端情况出现时，GPS信号不正常，此时，控制系统软件会对部件状态进行报警，也允许施肥机继续工作，此时肥料投入量为默认的平均水平施肥量。

图4 烤烟变量施肥机控制系统软件概念模型Fig.4 The control software concept model of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

图5 烤烟变量施肥机排肥装置示意图Fig.5 Fertilizer discharge of Flue-cured tobacco variable rate fertilizer applicator

2.1.4 变量施肥机的核心部件和关键参数

硬件环境

中央处理单元(CPU)： 飞思卡尔的i.MX51为主芯片，主频1.2G;

GPS芯片： 瑞士U-Blox公司生产的Ublox AG，位置误差小于10米;

速度传感器： JL-0203NA-OC;

步进电机： 深圳雷赛公司生产的110系列;

排肥器： 排肥器作为施肥机的核心部件，要求不漏肥、 防堵、 防锈、 转速和排肥量线性相关。市场供应的化肥造粒不匀、 结块， 导致星轮状排肥装置出现堵死现象，可用性差，本研究采用图5结构的排肥器。该排肥装置的排肥精度如图6，数据测试在田间实际施肥过程中完成，实际排肥量和模拟公式计算的理论排肥量相对误差小于0.5%。

图6 排肥量和电机转速的关系Fig.6 Relation of fertilizer discharge and motor rotating speed

图6为实测的排肥量和电机转速的关系曲线，用于获取排肥器的特征参数a和b，排肥量用体积表示。肥料密度不同，相同转速在单位时间内排肥的体积相同，而排肥质量(重量)不同。变量施肥机工作过程中，需要由处方施肥量确定电机转速，不能由图6推算，此时电机的转速和肥料用量、 农机行进速度、 施肥行距、 肥料密度等因素相关，可采用公式(1)计算。

步进电机转速(v)与排肥量的关系：

(1)

其中：

a、 b—排肥轴特征参数，表征转速和排肥量(体积)之间的关系;

W—肥料用量，单位为kg/hm2;

V—行进速度，单位为m/s;

h—行距，即两条相邻肥料垄之间的距离，单位为m;

ρ—肥料密度，单位为g/cm3。

软件环境

处方生成软件开发环境： Microsoft Studio 2008 C#; 依赖环境DotNet Framework 3.5和Microsoft Office 2003或以上版本; GIS相关模块使用C#自主开发;

控制系统软件开发环境： 硬件驱动使用C语言开发; 应用层软件使用Android 2.3.4操作系统下java开发。

2.2 烤烟变量施肥机应用

表2 土壤养分含量和pH值描述性统计

图7 土壤养分和pH值半方差分析图Fig.7 Semivariograms for soil nutrients and pH value

图8 土壤养分空间分布图Fig.8 Spatial distribution of soil nutrients

变程反映土壤的结构性，变程值内的土壤性质是空间相关的; 变程值范围以外的土壤性质是空间独立的。根据半方差理论，球状模型和线性有基台模型的变程为模型参数A0，指数模型和高斯模型的变程为模型参数A0的3倍。土壤pH值和硝态氮是球状模型，变程分别为174.3米和68.3米，硝态氮的变程最小; 有机质、 有效磷、 速效钾和无机氮是指数模型，变程分别为354.3米、 426.0米、 330.6米和1050.6米。其中，无机氮由铵态氮和硝态氮组成，移动性较强，变化比较快，不太可能出现较大的变程，结构分析表现为中度空间相关， 但图7中无机氮并不是典型的指数图形，这可能和铵态氮结构性不好相关。烤烟养分管理的重点是氮素管理，过量的氮素肥料投入会导致上部烟叶烟碱含量过高，烟叶质量差，氮素投入不够又会严重影响产量。氮素养分管理过程中，如果采用硝态氮(旱地)作为氮素养分管理的依据，土壤样品采集的网格密度不能小于70米; 采用无机氮作为氮素养分管理的依据时，虽然能够增大网格采样密度，其可靠性需要进一步试验证实。

土壤有机质、 无机氮、 有效磷和速效钾的分布符合正态分布或经过对数转换后符合正态分布，达到中等强度以上的空间自相关，可以进行最优内插，图8是土壤养分的空间分布图。虽然pH值也满足上述要求，没有列出pH值的空间分布图，一方面是pH值的变异系数非常小，另一方面pH值在烤烟生长的适宜范围[10]。试验地在土壤采样之前归农户各家所有，种植作物主要是玉米，农户钾肥投入少，土壤速效钾含量(图8d)处于极低水平[9-10]，养分管理过程中，钾素养分给予最高的推荐量。土壤有效磷含量(图8c)和速效钾含量近似，处于中等偏低水平[9-10]，除试验地东南角部位含量稍高外，整体含量不高。土壤无机氮含量(图8b)处于中等或中等偏低水平，西南和东北部位含量稍高，中部含量较低，有比较清晰的空间分布区域特征。土壤有机质含量(图8a)东部高西部适中，针对烤烟种植，有机质含量过高和过低均不利于烤烟生产[9-10]，有机质含量超过30 g/kg，土壤氮素矿化量过高，烟叶氮来源于土壤矿化氮的比例过高，烟碱含量过高，烟叶品质差[13]; 有机质含量过低，土壤结构差，保水保肥性差，也影响烤烟的产量和质量; 试验地东部土壤有机质偏高，对生产优质烤烟有影响。

本研究设计的变量施肥机只能针对一种肥料进行变量控制，实施过程中以氮素养分作为肥料推荐的依据，一方面是试验地块氮素养分的空间变异比磷、 钾都大，且氮素对烤烟产量和质量的影响也最大; 另一方面根据图8c中有效磷含量小于10 mg/kg 的面积占83.5%，图8d中速效钾含量均小于80 mg/kg，土壤磷和钾养分含量低，均处于高量推荐水平。图9是以土壤无机氮、 表1养分推荐指标体系、 基肥配方9-11-24为依据制作的变量施肥处方图。

图9 变量施肥处方图Fig.9 Prescription map of variable fertilizer rates

变量施肥机养分投入与推荐量比较，氮素养分相同，磷素和钾素养分投入比推荐量分别少0.5 kg/hm2、 9.9 kg/hm2，变量施肥实际养分投入与推荐量基本相当。变量施肥地块最终养分投入与农户常规施肥比较节省肥料4.6%，试验地块土壤养分含量低，肥料投入过低导致减产风险较高。

2.2.2 变量施肥的烤烟生育性状 表3为变量施肥区和对照区分别均匀布置20个监测点生育期性状调查表，调查时间为烤烟圆顶期。

表3 应用变量施肥机的烤烟生育性状表

2.2.3 变量施肥的烤烟产量和质量 变量施肥机实施地块和对照地块单独烘烤、 分级、 计算产量，表4为试验产质量表，其中，上、 中、 下等烟率是把烤烟烟叶分为42级后根据每级产量整理出来的。

表4 应用变量施肥机的烤烟产质量表

在相同株高的情况下，烤烟中部叶(最大叶)面积越大，植株光合作用的面积越大，光能利用率就越高; 在株高不同的情况下，中部叶面积和株高的比值越高，植株的光能利用率越高。根据表4，变量施肥处理和对照的中部叶面积(本文直接使用最大叶长和宽的乘积)和株高的比值分别为22.55和21.51，变量施肥处理有更高的光能利用率，这和变量施肥烤烟产量高于对照产量的数据一致。

变量施肥烤烟长势整齐，长势最好的烟叶和长势最差的烟叶比例同步减少，表4数据表明， 变量施肥处理烤烟中等烟率为52.2%，比对照中等烟率39.1%增加了13.1%; 同时，变量施肥处理的上等烟率和下等烟率均比对照低，这和变量施肥处理烤烟长势整齐相关，长势较差的植株少，长势好的植株光合作用的边际效率少，上等烟的比率减少。中等烟率比例增加是烤烟烟叶单价提高的原因，也是变量施肥产值高于对照4286.45 yuan/hm2的重要原因。

3 讨论

3.1 基于处方变量施肥机的效益

本研究通过变量施肥机研制和应用证实变量施肥可以提高烤烟的产量和均价，产生良好的经济效益。本研究设计的变量施肥机是在烤烟起垄机的基础上附加变量施肥单元，能够节省施肥的人工成本，常规人工施肥效率是0.2 hm2/d，人工施肥成本300 yuan/hm2，同时节省肥料4.6%，折合124.2 yuan/hm2。采用变量施肥技术需要增加土壤样品测试成本，本研究采用50 m×50 m网格采样，每项土壤样品测试费用为100 yuan，相当于400 yuan/hm2。由于产量增加和品质改善，产值增加4286.45 yuan/hm2，变量施肥机在烤烟上应用增加的综合效益为4310.65 yuan/hm2。变量施肥机工作效率14.25 h/hm2，一台变量施肥机单个烤烟移栽季施肥面积7 hm2，单台变量施肥机累积节本增效达到30174.55元，具有较强的推广应用价值。

3.2 变量施肥机的发展趋势

根据变量施肥的实现方式，可以分为基于处方的变量施肥机和基于传感器的变量施肥机，目前，根据前期制作的处方自动控制施肥仍然是主流，限制传感器实时获取数据进行决策而后自动施肥的关键是传感器技术本身，尚缺乏有效获取土壤养分等信息的可靠传感器，甚至有些光学传感器也仅仅用于施肥处方生成，尽管如此，基于传感器的变量施肥依然代表该技术发展的方向。

从高新技术应用的角度，变量施肥技术对GPS的应用会更加深入。通常变量施肥的土壤网格采样密度大于50 m×50 m，而普通GPS的精度在10 m以内，差分GPS的精度可提高到1 m以内，土壤采样位置误差远大于变量施肥机的施肥位置误差。尽管如此，GPS的精度会进一步提高，变量施肥机的自动导航不仅可节省油料消耗，提高变量施肥机的工作效率，也可以使肥料投放的位置更加准确，有效提高肥料利用效率和耕地生产效率; 同时，农机的测速问题始终是技术难题，传统的五轮测速由于不同耕地条件滑移不同，很难获取到农机的真实速度，而雷达测速要求速度大于18 km/h，农机工作速度在5 km/h以内，考虑农机操作以直线运动为主，高精度GPS可解决农机测速问题。

现阶段限制变量施肥机应用的一个重要原因是土壤养分数据获取成本高，遥感数据、 作物长势和产量数据、 土壤理化的历史数据等多种数据获取、 解译、 管理并用于施肥处方生成，将有效降低变量施肥技术应用的运行成本[14]。同时，自主研发并拥有全部知识产权的变量施肥机在经济作物上应用，通过节约肥料、 劳动力成本，增加农产品效益来获取收益，成本回收期可控制在2年以内，变量施肥机的购置成本不会成为该技术应用的限制因子。

4 结论

变量施肥机以小型手扶拖拉机为载体，根据土壤测试数据、 边界地图、 施肥模型自动计算实施的地块任意位置的肥料投入量，以空间数据的方式供施肥机控制系统软件在施肥实践中是可行的。

使用变量施肥机实施自动变量施肥，可节省肥料4.6%; 提高烤烟的整齐度; 上等烟率和下等烟率同步减少，中等烟率增加13.1%; 农户收益平均增加30174.55 yuan/hm2，具有较强的推广应用价值。

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