谈智能精准施肥机的研发与应用

乐名锋

摘 要：近期农业部制定了到2020年化肥消费量零增长行动计划，我国开始大力推进精准施肥，积极改进施肥方法，研发适宜的施肥设备，把传统的喷灌改为机械深施，让一体化施肥变得科学化、自动化，从而进一步提高施肥质量。

关键词：智能;精准;施肥机械;研发

中图分类号：S224.2 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.011

0 引言

为了减少化肥和农药的使用量，提高水稻等作物的有机肥利用率，必须改变传统的施肥和浇水方式，做到精确追肥，这些也必须以精确的计量方法为基础，固定施肥和浇水顺序，实施好水肥管理一体化技术。随着新农村建设工作和城镇化进程的逐步推进，种植各种农作物的综合人工成本不断提高，农业种植制造业机械化程度也开始提升，全自动化和智能化技术是农业种植业快速发展的必然结果。

1 施肥现状

目前，大多数施肥技术都使用传统人工施肥的方法，由于作物生长期施肥次数多，人工施肥工作量大，工作效率低;同时，人体与化肥的直接接触也会影响健康。化肥如果长期过度使用，就会造成环境污染，土壤变硬，土壤质量下降。施肥的另一种方式就是安装施肥机进行自动施肥，尽管这种施肥方法效率比人工效率高很多，但肥料的利用率却很低。以水稻生产为例：政府需要为秧苗机械化移植技术提供相应的财政补贴，为了缓解该技术应用过程中资金不足的问题，可引导农民使用精准施肥技术来改善种植状况。在很多农村地区，由于对技术缺乏了解，因此不愿意轻易尝试特定的技术应用。上级部门可以提供足够的资金，建立示范点和比较田，并在后期做好宣传工作。为了吸引更多的农民加入机械精准施肥技术的应用队列，可以通过多种方式让农民了解在精准施肥的作用下，稻米的最终产量和质量会有很大提升。

大面积应用的主要施肥模式有：重力法、泵送施肥法、土重力自压浇水法等，这些常用方法操作简单、成本低，不需要额外的技术支持，但是肥料必须运到现场才能使用，不适合自动化使用。其次，用于果林、农田等施肥浇灌一般采取自来水管内浇灌方式来控制水肥用量。管内浇灌施肥总重量少、移动方便、成本低，适用于自动化应用。但是浪费水资源，且系统需要较高的压力，同时为了获得稳定电压，还需要配套增压泵。抽水施肥方法包括水泵施肥等，该方法操作简单，维护成本低，适用于液体肥料，主要用于井灌区和加压水源。因此，水肥技术一体化的关键问题是开发一种能够实现定量施肥、精确施肥的设备，其自动控制和增压功能使肥料溶液与可溶性或液态肥料一起混合，均匀扩散，准确运输到作物根部的土壤。

2 智能精准施肥机的设计

智能精准施肥机由精确投料、混肥溶解和智能控制部分组成。各部分的功能如下：（1）给料装置，从称量箱向溶解箱中加入肥料，自动完成精确投料;（2）搅拌溶解肥料设备，投料完成后，自动完成物料与水的混合，加速肥料的溶解，形成水与肥料溶液的定量配比;（3）通过高压水泵向施肥设备进行灌装，在灌溉管中加入水肥溶液;根据同一作物、同一土壤肥力、同一营养生长期的标准进行农业灌溉，自动控制施肥浇灌机可完成有机肥定时定量投料，自动进行混合溶解，整体结构采用“三合一”设计匹配，体积重量小，基本结构紧凑，顶部方便，基础功能强，可用于固体肥料、液体肥料施肥，施肥量大，一次可装200 kg化肥和农药，部件均采用不锈钢制成，耐腐蚀、耐磨，实际使用寿命可以超过20年。

智能精准施肥机工作基本原理：主活塞由供水管路的水压直接驱动，主缸拉动喷油器内外移动。产生的真空负压被注入混合室，肥料混合物溶液可吸入混合室。在混合室，肥料和水充分混合在一起。混合后的溶液用注射器压制。在水压的驱动下，混合溶液随水流均匀分布。混合液与施肥泵的用水量呈正相关，随着主加热管获得的流量和压力的增大而产生剧烈的波动，混合液体积会发生显著变化。混合液经化肥泵作用后，解决了母液过多、表面不平整的核心问题，可靠性和稳定性大大提高。该泵可手动调节肥料浓度，控制范围为0.05～1之间，电子水表采用速度型测量原理。体积流量或质量流量可以通过测量管横截面上的平均水流速度来获得。当水从表入口进入水面腔时，叶轮将旋转，叶轮的旋转速度与水流量成正比，因此可以实时计算出平均水流速度。该技术的优点是范围广，测量精度高，能长期保持良好的动态惯性。

3 精准施肥机的应用

（1）为了有效的提升施肥的精准性，对此应该借助旋转灌溉的方式来把握精准施肥的时机，应该根据旋转灌溉设备所覆盖的面积设置相应的施肥量，根据旋转灌溉设备的工作时间设置施肥时间。如果喷灌或微灌组的时间为3.25 h，则施肥前的清洁时间为20 min，施肥时间为2.25 h，最终清洁时间为40 min，以便对肥料进行洗涤。由于施肥方法的局限性，在作物生长的中后期不宜施肥，传统的施肥方法在农作物生长的初期经常使用大量的肥料，养分施用与作物需求之间产生矛盾。肥料利用率低的原因之一是作物生长初期大量施用的肥料（如基肥）无法及时被吸收利用。相比之下精准施肥设备可节省22%以上的肥料，与传统的施肥设备相比，精准施肥设备可节省25%～35%的肥料，基本肥料可按200 kg·667 m-2的规格施于稻田中。然后，在机械移栽施肥技术和水稻直播机的帮助下，可以将尿素、锌、钾肥施用到水稻幼苗上，从而实现水稻的良好生长。此外，具体的浇灌施肥方案要以精确测土质量实际结果和具体情况为依据，以较高的精准机械化程度为目标。一般来说，生物有机肥的施用量应控制在总肥料量的35%以上，才能保证水稻幼苗对养分的足够吸收。

在该系统中，肥料泵可以控制水和肥液的总比例，从而精确地控制肥料的质量浓度。该方法利用程序数据计算实际水流，各种程序能准确判断水流动量是否达到标准设定值。当灌溉农田水量超过基本设定值时，电磁阀系统自动断开，实现农业灌溉水量的自动控制。多种传感器可直接测量水位变化，电阻的明顯变化可自动完成水位上升的精确检测，当肥料耗尽时，电阻值会很大。其他传感器将检测电阻值的变化，并将其发送到主控制器。控制面板核心电源报警装置会让浇灌施肥机自动终止其他工作。为了更好地检测pH值和EC值，本系统的传感器插座设计方法还可以采集传感器模拟环境量，并将其相关数据显示在LCD上。采用人机交互操作界面，可随时查看系统功能的pH值和EC值，系统可以自动保存数据，并能实时查看历史数据文件，根据传感器采集的各种信号，控制器里的数据可作为追肥和灌溉用水过程的参考值。

（2）能够对于后续的农田灌溉和施肥提供有效的数据支撑，为肥料泵的精准化应用打下了坚实的基础，有效的节省了肥料的使用量，提高了肥料的实际利用率，加强了水稻种植的经济效益，促进了水稻整体产量的稳步上升。

在温室生产的实际操作和应用中，通过铺设在暖棚的洒水灌溉管道，将有机肥料混合物注入管道进行引水灌溉，肥料水混合在一起，直接输送到达沿微喷灌管道的作物根系。肥料注入机将肥料中的溶液注入管道中可以有效地提高肥料的吸收率，节省有机肥数量，加强肥沃土壤的保护，并大大减少肥料污染的影响。在温室中生产苗木产品的过程中，育苗管理难度大，所以在温室生产的幼苗阶段，水和肥料的日常管理是最关键的环节。在温室生产中，许多地区采用盆栽、袋装和塞苗技术。由于盆、袋和小孔等容器的限制，不可能用固定的喷嘴喷施肥料。在日本，已经应用了温室轨道喷涂技术，这种技术是利用喷雾设备将微型喷嘴安装在移动式喷雾器的喷雾管上，并随着喷雾器的行走而进行微型喷雾工作。这样的设备能让地面上喷雾剂的均匀性达到90%。如今，在中国大多数农业种植园中进行散播盘苗育苗时，多采用喷壶向生长植物上喷洒质量浓度较大的有机肥料水，导致劳动强度很高的问题，有效利用精准施肥就可以避免这一问题的发生。

4 结论

在新时期，新农村建设和集约化农业的现代化发展是中国未来农村和农业发展的具体方向，普及农业装备现代化是实现农业发展的根本手段。大量推广精确施肥和控制施肥技术的应用能让我国农业大大受益，有利于促进水肥技术的融合，并实现农业肥料消耗零增长的发展目标，促进农业生产效率提高。