在我国,化肥尤其是氮肥的施用存在利用率低、污染环境等问题。为了解决这些问题,必须进行精准变量施肥。
国内外在变量施肥控制系统的研究方面有很多成果和进展。国外的成型系统尽管性能优良,但其总体造价都很昂贵,且其所依据的气候和土壤条件等都与我国不甚相同,不适宜在我国国内推广。而国内所研究的变量施肥系统则具有机械机构复杂,受肥料物理特性影响较大且造价较高的缺点。
近几年,遥感技术的迅速发展及其在精准农业中不断深入的应用使近地遥感测试与变量施肥的结合也有了进一步的发展。归一化植被差异指数是作物生长中重要的冠层结构参数之一,对群体光分布、光能利用和作物产量有着重要的影响。本研究的前期试验发现,冬小麦起身和拔节期的冠层NDVI参数与最终产量之间有极显著的相关性,可以用来指导变量施肥实践。
因此,为克服国内所研究变量施肥系统的种种缺点,本文探索了根据归一化植被差异指数(NDVI)来预测潜在产量和当时作物氮的吸收并最终预测最优施氮量的变量施肥技术,并实现了一种针对液体肥料,基于遥感技术和PLC控制的实时自动变量施肥系统。为了探测冬小麦生长过程中的长势差异,本系统采用无损测试技术,利用基于光学原理的NDVI测量仪实时地获取小麦生长的NDVI值,通过判断小麦的产量潜力,根据小麦需氮的具体情况给出施肥决策,进行变量施肥。
本系统包括NDVI信号采集设备、PLC自动变量施肥控制器和实施机构三个部分。其中NDVI信号采集由自制的NDVI测量仪来实现,仪器利用日光作光源,通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,在近红外和红光两个特定波长处,分别对入射光和植被的反射光进行探测,测得的四个参数经模拟-数字转换后由单片机进行处理得到NDVI值,再经过数字-模拟转换成电压量,输入担负控制任务的PLC控制系统参与施肥决策;PLC自动变量施肥控制器采用模糊控制算法,操作前对在田间试验中获得一系列数据依照改进了的施氮优化算法(NFOA)进行运算,得出模糊控制参数,控制器启动前由操作员通过操作面板预先写入PLC主机。作业时,安装在施肥机上的NDVI测量仪实时地获取NDVI值,将结果以模拟量的形式送入主机,主机根据模糊控制规则相应确定最佳施肥量,并结合测速雷达测定的施肥机行进速度调整电磁阀的开闭;实施机构由液肥箱、液力喷射式搅拌器、隔膜泵、电磁阀、节流阀、减压阀等管路控制部件组成。
单路系统田间性能测试实验表明,所研制的变量施肥控制系统可以按照冬小麦长势对其实施实时变量施肥。由于施肥模型的不完善和操作条件的限制,作物实际施肥量和作物实际需肥量间还存在一定的误差,适当改善操作条件和改进施肥模型算法后,误差必将减小至理想的精度。
本系统可靠、通用、适应性强,具有结构简单、易于扩展、操作方便、人
