我国普遍存在化肥过量施用的问题，我国耕地化肥用量已达到397.5公斤每公顷，而美国和世界化肥平均施用量小于150公斤每公顷。化肥的盲目施用造成土壤有机质含量下降，土壤养分失衡加剧，肥料的报酬率严重下降，甚至导致农产品产量与品质下降。土地犯上了严重的化肥依赖症，而且还带来了严重土壤和地下水污染，给人们健康和农业可持续发展构成严重威胁。

　　精准施肥技术是将地块细化成操作单元，结合不同土壤类型、土壤中各种养分的盈亏状况、不同肥料的增产效应、不同作物的施肥模式、历年产量等相关信息，形成资料齐全的土壤养分信息化管理系统，决策生成作物施肥作业的变量处方图，利用农田精准变量施肥作业机械，根据处方图信息在田间有针对性的精确撒施不同配方及不同量的混合肥。精准变量施肥作业较传统平衡施肥作业，具有明显的经济和环境效益。试验表明，同等产量条件下，精准施肥可使多种作物平均增产幅度达8.2％～19.8％，最高可达30％，总成本降低15％～20％，化肥施用量减少20％～30％。因此，农田精准施肥是未来施肥作业的发展方向之一，而其中最重要的支撑技术就是先进的可自动控制的变量施肥机械。

　　国外精准施肥技术研究现状

　　国外的精确施肥在20世纪80年代起步，将土壤类型、土壤质地、土壤养分含量、历年施肥和产量情况等有关信息输入计算机，形成了资料齐全的土壤养分和肥料信息系统。美国的许多地区和农场，已将此类信息制成GIS土壤养分或肥料使用的GIS图层，形成了信息农业和精确农业的技术支持体系，并在此基础上发展形成了精确农业变量施肥技术。在田间任何一个操作单元上均可实现各种营养元素的全面平衡供应，肥料投入更为合理，使肥料利用率和施肥增产效益提高到较理想的水平。在这种管理水平下，氮肥当季利用率可达60%以上。目前变量施肥大多数是基于处方图的自动变量施肥，其中根据GPS信号和施肥量信号向驱动模块发出控制指令的控制台是整个变量施肥系统的核心。美国已逐步形成了信息农业和精确农业的技术支持体系，许多公司有成熟的变量施肥设备，如美国John Deere公司生产的变量撒肥机、Case公司利用GPS生产的Flexi Soil变量施肥播种机。此外，运用搭载在农机上先进传感器在线监测作物与土壤，根据作物施肥需要实时控制施肥机变量作业的精准施用技术也在推广应用。如美国的Green Seeker系列实时变量施肥机，以及德国Amazone公司开发的变量施肥机，都通过安装在拖拉机前部的光传感器实时获取作物冠层反射光谱的“面状”信息，据此一一对应计算每平方米的产量、施氮量，控制拖拉机后部变量施肥装置直接在田间实施作业。据统计，在美国200万个农场中，已有60%～70%的农场采用了变量施肥作业，特别是在土豆和甜菜这两种高价作物上，变量施肥的面积达到了50％左右。

　　国内精准施肥技术研究现状及应用案例

　　我国“精耕细作”的传统农业耕作方式就是精准施肥技术的核心体现。随着农业科技的进步，早在20世纪80年代，上海就开展计算机指导下的测土精准施肥技术研究，并在农业生产上取得了良好的效果。到90年代后期，国内开始关注精准农业并逐步引入。近年来，随着国家对精确农业的重视和支持，国内在引进、消化、吸收国外研究成果的基础上，研究和探讨适合中国国情的精准施肥技术体系，精准农业的思想已为科技界和社会广为接受，并在实践上开展了应用。目前，我国变量施肥技术的主要应用是，使用GPS定位土壤栅格取样或者多年作物产量数据，利用地理信息系统和农业专家决策系统产生氮、磷、钾、pH值、有机质处方图层，控制变量施肥播种机进行变量施肥播种作业。我国学者广泛使用了液压马达、调速电机、机械无极变速器进行调整排肥驱动系统转速的方式和使用液压油缸控制排肥机构开度的方式来实现变量施肥的研究，结合各地作物不同农艺要求，研制了多种类型的变量施肥播种机，进行了试验研究和示范推广，取得了丰富的应用成果。国内研制设备性能与国外设备没有代差，价格仅为国外进口设备的三分之一，且适合现场安装，可以较好的与国内耕作制度和农业要求相结合，已经为大面积推广变量施肥作业提供了可靠装备支撑。

　　中国农业机械化科学研究院等单位在国家科技部“863”计划“精准农业技术装备开发与应用”等课题的支持下，研发了多种型号变量播种施肥机和变量配肥施肥机。以变量自动配肥施肥机为例，其结构如图1所示。

　　变量配肥施肥机根据不同地区、不同土坡类型以及土壤中各种养分分布情况，作物类别和产量水平，通过实时精确控制氮、磷、钾等多种可促进作物生长的肥料混合比和施用量，从而满足每个地块的个性化需求。该系列配肥施肥机按养分配方实时配肥，设计3个肥箱分别盛放3种不同成分的化肥。每个肥箱下安装有称量传感器，施肥控制系统实时采集称量传感器测得的肥料重量值，并通过串口反馈给车载计算机，车载计算机根据计算理论肥料流量值与测得的实际流量值的差异，实时变步长修正肥箱上的伺服电机施肥量，实现反馈式控制，达到肥料精确施用。肥箱的肥料通过对应的变距螺旋式变量排肥器按比例控制输出，并设计阶梯浮动式施肥开沟器将不同的肥料分别施入不同地表层。在每根排肥管中都安装有先进的基于电容传感原理的排肥堵塞报警器，可以在排肥管路堵塞的情况下及时声光报警。施肥机可以根据施肥作业处方图和施肥机的前进速度，计算机控制系统实时准确地控制各肥箱下料配比，使多种肥料按照各自的实际需要进行变量配肥施肥作业。图2是变量配肥施肥控制系统示意图。

　　通过田间试验表明，施肥精度≥95％，系统响应时间<40秒，变量施肥量范围满足要求75～1000公斤每公顷。以2011年在黑龙江红星农场进行了大豆和玉米的变量配肥施肥试验为例，试验土地面积共33公顷，分为配方变量施肥作业区和常规施肥作业区。图3为变量作业机具作业情况和施肥控制界面。施用肥料为尿素、磷酸二胺以及硫酸钾。从表1可以看出，精准农业测土配方施肥，磷酸二铵和硫酸钾的总体施肥量稍高于常规施肥量，但尿素的施用量基本节省一半，总体节省肥料折合人民币10元每亩。从表2可以看出，与常规种植相比，精准农业变量配肥施肥种植大豆，实现增产2.33%，种植玉米，实现增产9.32%。

　　由此以上案例看出，国内研制开发的精准变量配肥施肥机械，可以根据农田土壤养分分布实际情况，选择合适的施肥量与配肥比，实时准确地施肥，真正实现减少环境污染和稳产增收的目的。

　　在农田精准变量施肥机的研究基础上，中国农业机械化科学研究院结合我国多种作物农业耕种要求，还开发了种肥同步施用的系列变量播种施肥机械装备，如小麦免耕变量播种施肥机、玉米免耕变量播种施肥机、大豆精准变量播种施肥机等。该系列装备整体上已经达到了国际先进水平，已经面向基层批量推广应用。通过长期在黑龙江农垦总局和新疆生产建设兵团使用情况来看，装备性能稳定可靠，作业质量完全达到当地农艺技术要求，同时还实现种植节本增效。图4为系列田间变量播种施肥机械。

　　进一步发展精准施肥面临的挑战

　　我国在精准施肥技术方面的应用仍处于起步阶段，距离大范围推广使用还有较长道路要走，目前，面临的主要挑战有：

　　田间信息精确获取成本高、难度大。田间大量土壤及作物信息的及时获取是生成土壤施肥处方图的关键，变量施肥需要以尽可能高密度、全面的农田信息作为依据。目前，采用传统实验室方法大面积高密度土壤采样化验成本高，而农田土壤养分在线实时检测技术尚处于研究阶段，还未应用于生产实际；根据作物光谱信息分析调节施肥量，由于卫星遥感、飞机航空遥感感等影像空间分辨率和光谱分辨率低，测量误差大，作业成本高，尚不能被广泛应用，近些年近地无人机遥感发展速度很快，是农田信息快速获取的发展方向之一，但目前也还处于研究阶段。农田信息的准确获取已成为严重制约精准施肥技术的发展的瓶颈性问题。

　　施肥专家决策系统分析能力需进一步提高。施肥专家决策系统是为基层农业生产实践服务的，目前，许多施肥专家决策分析系统设计较为复杂，需要输入多变量信息，且其中有些信息不易获取，脱离农业生产实践，再由于缺失多年大量田间观察基本数据，其做出的决策结果往往与实际相比误差较大，有时还不如人工决策准确，因此施肥专家决策分析系统需要进一步研究，使其简单和可靠。

　　基层精准农业应用型人员缺乏。精准农业是农业技术、机械技术和信息技术的优化组合，特别是目前精准作业机械搭载的电子装置越来越丰富，控制参数越来越多，智能机械维修及保养的要求越来越高，要求从业人员具有良好的科技文化素质，具有使用、维护计算机、智能化机械装备的能力。因此，应当加大力度在基层培养一批既了解农业生产又掌握现代农机使用的从业人员，保证精准作业技术落地农村，实现科研价值的最大化。

　　作者单位：中国农业机械化科学研究院