CN103814664A - 氮磷钾变量施肥机及其施肥量作业处方的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种氮磷钾变量施肥机及其施肥量作业处方的确定方法，该氮磷钾变量施肥机包括牵引机和挂接在所述牵引机后方的施肥系统，所述施肥系统肥箱和排肥控制机构和GPS定位系统，所述排肥控制机构分别与所述GPS定位系统和所述肥箱连接以实现变量施肥，所述排肥控制机构根据施肥量作业处方进行变量施肥，其施肥量作业处方的确定方法包括如下步骤：确定采样点的采样密度并测定所述采样点处速效养分的含量；根据作物生成的养分需求量以及测定的速效养分的含量确定所述采样点处的肥料的施肥量；结合所述采样点的采样密度和所述采样点处的施肥量，进行空间插值分析，生成所述采样点的肥料施肥处方图。

Description

氮磷钾变量施肥机及其施肥量作业处方的确定方法

技术领域

本发明涉及精准农业变量施肥技术，特别是一种可以实现对尿素、磷酸二铵和硫酸钾等三种肥料施肥量的决策的氮磷钾变量施肥机及其施肥量作业处方的确定方法。

背景技术

变量施肥技术在国外已经有较多的研究和应用。美国已经将土壤类型、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。日本对氮肥变量实施进行了研究，由Hatsuta工业公司制造的稻田变量施肥机是基于地图的，可施用固体肥料、喷药等。德国AMAZONE公司开发了一种主要用于麦类作物春季追肥的实时自动变量施肥机。

我国耕地亩施用化肥用量已达到26.5kg，利用率仅为30%～35%，而美国平均施用化肥量小于10kg/亩，利用率达到50%～60%。化肥利用率不高不仅造成了经济上的巨大损失，而且带来了严重的地下水污染。传统肥料的施用，是采取粗放的方式，将多种肥料混合一次完成施肥作业，常常造成某些营养成分过剩，而其他营养成分缺失。实施按需变量施肥，可大大地提高肥料利用率、减少肥料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响，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%，化肥施用量减少了20%～30%。因此其经济、社会和生态效益显著。

目前，我国在施肥方面存在化肥利用率低、氮磷钾及微量元素比例失调、农业环境污染严重等问题。如何有效地为氮磷钾变量施肥机提供有效的作业处方，是精准农业控制领域中亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种针对氮磷钾变量施肥机变量作业处方问题，可以实现对尿素、磷酸二铵和硫酸钾等三种肥料施肥量的决策的氮磷钾变量施肥机及其施肥量作业处方的确定方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，包括如下步骤：

步骤1：采集土壤养分分布信息，确定采样点的采样密度并测定所述采样点处速效养分的含量；

步骤2：获取施肥量数据，根据作物生成的养分需求量以及所述步骤1测定的速效养分的含量确定所述采样点处的肥料的施肥量；

步骤3：生成施肥作业处方图，结合所述采样点的采样密度和所述步骤2确定的所述采样点处的施肥量，进行空间插值分析，生成所述采样点的肥料施肥处方图。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述采样点处速效养分包括碱解氮、速效磷和速效钾。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述采样点处的肥料包括尿素、磷酸铵和硫酸钾。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述采样密度D为：

D＞L且D＞M，

其中，M为GPS定位精度，L为所述氮磷钾变量施肥机的变量配肥施肥系统的总体位置滞后距离。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述L通过如下公式计算：L＝L₁-L₂

L₁为GPS天线到所述氮磷钾变量施肥机的最后一个肥箱的排肥出口距离，L2为所述氮磷钾变量施肥机的排肥控制执行机构响应时间及肥料在排肥管内滑落到排肥口到达地面的时间内所述氮磷钾变量施肥机的前进距离：

L₂=V_t(t₁+t₂)

其中，V_t为当前所述氮磷钾变量施肥机的行走速度，

t₁包括所述氮磷钾变量施肥机的机载控制终端运行的施肥控制程序解析GPS位置并在处方图上识别出所述施肥量的时间、将施肥量控制指令通过CAN总线发送到所述氮磷钾变量施肥机的施肥控制器的时间以及所述施肥控制器计算响应并发送模拟控制信号至所述氮磷钾变量施肥机的伺服电机的时间，

$t_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{\frac{2H_1}{g}},$

t₂为肥料颗粒沿所述氮磷钾变量施肥机的排肥管下滑到地面的时间，式中α是所述排肥管与垂直方向的夹角，H₁为所述氮磷钾变量施肥机的肥箱排肥口至排肥出口处的垂直距离。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，测定所述采样点处速效养分的含量步骤包括：

土样风干，过筛；

测定所述土样的碱解氮含量，用碱液处理所述土样，再用标准酸滴定，计算所述土样中的水解性氮含量；

测定所述土样的土壤速效磷含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，用0.50mol/L碳酸氢钠溶液浸提所述土样的土壤速效磷，再用钼锑抗比色法定量；

测定所述土样的土壤速效钾含量，采用中性1mol/L乙酸铵溶液浸提，并用火焰光度计测定。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，确定所述采样点处的肥料的施肥量的计算方法为：

其中，U_N——施肥量；

V_N——作物单位产量养分吸收量；

S——目标产量；

w_土壤——所述采样点处的土壤速效养分含量测试值；

η_N——有效养分校正系数；

w_肥料——肥料中养分含量；

η_N肥——肥料利用率。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，任一所述采样点处土壤所需肥料的施肥量的计算方法为：

$Z\left(x_0\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\frac{Z\left(x_i\right)}{{\left(D_i\right)}^p}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(D_i\right)}^p}}$

式中，Z(x₀)——x₀点处土壤养分估计量；

Z(x_i)——第i(i=1,2,…,n)个土壤样品养分含量；

p——距离的幂；

D_i——第i个采样点与待估计点之间的距离。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述p＝2。

上述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其中，所述肥料为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种氮磷钾变量施肥机，包括牵引机和挂接在所述牵引机后方的施肥系统，所述施肥系统包括机架及安装在所述机架上的肥箱和排肥控制机构，还包括安装在所述牵引机上的GPS定位系统，所述排肥控制机构分别与所述GPS定位系统和所述肥箱连接以实现变量施肥，所述肥箱的箱体上设置有排肥口，所述排肥口上连接有与垂直方向具有α角的排肥管，所述排肥控制机构根据施肥量作业处方进行变量施肥，其中，所述施肥量作业处方根据上述的施肥量作业处方的确定方法所确定。

本发明的技术效果在于：

本发明根据作物生长所需氮磷钾养分值，以及抽样化验得到的土壤中碱解氮、速效磷及速效钾含量，得到取样点处的施肥量。再结合GPS数据和空间插值计算，得到大田氮磷钾配方施肥变量作业处方图。可以实现氮磷钾变量施肥机对尿素、磷酸二铵和硫酸钾等三种肥料施肥量的作业处方的精确确定，大大地提高了肥料利用率、减少了肥料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响，解决了在施肥方面存在化肥利用率低、氮磷钾及微量元素比例失调、农业环境污染严重等问题，具有良好的经济、社会和生态效益。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的氮磷钾变量施肥机结构示意图；

图2为本发明的施肥量作业处方的确定方法流程图；

图3为本发明一实施例的氮配肥施肥处方图；

图4为本发明一实施例的磷配肥施肥处方图；

图5为本发明一实施例的钾配肥施肥处方图；

其中，附图标记

10牵引机

20施肥系统

21机架

22肥箱

221排肥口

222排肥管

23排肥控制机构

24GPS定位系统

1－3步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明的氮磷钾变量施肥机结构示意图。本发明的氮磷钾变量施肥机，包括牵引机10和挂接在所述牵引机10后方的施肥系统20，所述施肥系统20包括机架21及安装在所述机架21上的肥箱22和排肥控制机构23，还包括安装在所述牵引机10上的GPS定位系统24，所述排肥控制机构23分别与所述GPS定位系统24和所述肥箱22连接以实现变量施肥，所述肥箱22的箱体上设置有排肥口221，所述排肥口221上连接有与垂直方向具有α角的排肥管222，所述排肥控制机构23采用下述的施肥量作业处方的确定方法所确定的施肥量进行变量施肥。其中，该排肥控制机构23的结构及与所述肥箱22的连接及控制方式、工作原理等均为较成熟的现有技术，在此不作赘述。下面仅对该施肥量作业处方的确定方法予以详细说明。

参见图2，图2为本发明的施肥量作业处方的确定方法流程图。该施肥量作业处方的确定方法包括如下步骤：

步骤1：采集土壤养分分布信息，确定采样点的采样密度并测定所述采样点处速效养分的含量；

其中，所述采样点处速效养分通常包括碱解氮、速效磷和速效钾。所述采样点处的肥料通常包括尿素、磷酸铵和硫酸钾，或者尿素、磷酸二铵和硫酸钾。

为了能客观的描述农田的养分分布，又减少采样工作量，降低人力、物力投入，确定一个合适的采样密度和土壤采样策略。所述采样密度D优选为：

D＞L且D＞M，

其中，M为GPS定位精度，L为所述氮磷钾变量施肥机的变量配肥施肥系统20的总体位置滞后距离。

所述L通过如下公式计算：L＝L₁-L₂

L₁为GPS天线到所述氮磷钾变量施肥机的最后一个肥箱22的排肥管222的排肥出口的距离，L2为所述氮磷钾变量施肥机的排肥控制执行机构响应时间及肥料在排肥管222内滑落到排肥出口到达地面的时间内所述氮磷钾变量施肥机的前进距离：

L₂=V_t(t₁+t₂)

其中，V_t为当前所述氮磷钾变量施肥机的行走速度，

t₁包括所述氮磷钾变量施肥机的机载控制终端运行的施肥控制程序解析GPS位置并在处方图上识别出所述施肥量的时间、将施肥量控制指令通过CAN总线发送到所述氮磷钾变量施肥机的施肥控制器的时间以及所述施肥控制器计算响应并发送模拟控制信号至所述氮磷钾变量施肥机的伺服电机的时间，

$t_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{\frac{2H_1}{g}},$

t₂为肥料颗粒沿所述氮磷钾变量施肥机的排肥管222下滑到地面的时间，式中α是所述排肥管222与垂直方向的夹角，H₁为所述氮磷钾变量施肥机的肥箱22排肥口221至排肥出口处的垂直距离。

其中，测定所述采样点处速效养分的含量步骤包括：

土样风干，过筛，等待进行土壤化验；

测定所述土样的碱解氮含量，用碱液处理所述土样，再用标准酸滴定，计算所述土样中的水解性氮含量；

测定所述土样的土壤速效磷含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，用0.50mol/L碳酸氢钠溶液浸提所述土样的土壤速效磷，再用钼锑抗比色法定量；

测定所述土样的土壤速效钾含量，采用中性1mol/L乙酸铵溶液浸提，并用火焰光度计测定。

步骤2：获取施肥量数据，根据作物生成的养分需求量以及所述步骤1测定的速效养分的含量确定所述采样点处的肥料的施肥量；

确定所述采样点处的肥料的施肥量的计算公式为：

其中，U_N——施肥量；

V_N——作物单位产量养分吸收量；

S——目标产量；

w_土壤——所述采样点处的土壤速效养分含量测试值；

η_N——有效养分校正系数；

w_肥料——肥料中养分含量；

η_N肥——肥料利用率。

步骤3：生成施肥作业处方图，结合所述采样点的采样密度和所述步骤2确定的所述采样点处的施肥量，进行空间插值分析，结合GPS采样点数据和GIS软件，生成所述采样点的肥料施肥处方图。

任一所述采样点处土壤所需肥料的施肥量的计算方法为：

$Z\left(x_0\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\frac{Z\left(x_i\right)}{{\left(D_i\right)}^p}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(D_i\right)}^p}}$

式中，Z(x₀)——x₀点处土壤养分估计量；

Z(x_i)——第i(i=1,2,…,n)个土壤样品养分含量；

p——距离的幂，其中，优选所述p＝2；

D_i——第i个采样点与待估计点之间的距离。

本发明的方法根据作物生长所需氮磷钾养分值，以及抽样化验得到的土壤中碱解氮、速效磷及速效钾含量，得到取样点处的施肥量。再结合GPS数据和空间插值计算，得到大田氮磷钾配方施肥变量作业处方图。

下面以具体实施例对本发明的方法予以进一步的说明，安装在牵引机10上的GPS定位系统24的GPS接收机的定位精度是选择合理采样密度的首要考虑因素，采样密度要大于GPS接收机的定位精度，也要大于牵引机10本身的尺寸大小以及作业过程中的施肥位置滞后产生的距离。为减少取样及化验的人力和物力投入，本实施例优选确定采样密度为大于GPS定位精度及播种机尺寸和滞后距离的最小距离。

如图1所示。H1表示肥箱22的排肥口221至排肥管222的排肥出口处的垂直距离，施肥机的施肥位置滞后由GPS天线到最后一个肥箱22的排肥出口距离L1、排肥控制执行机构响应时间及肥料在排肥管222内滑落到排肥出口到达地面这段时间内作业机械前进的距离L2等因素决定，可以用如下公式表示：

L=L₁-L₂

L₁是GPS天线与肥箱22排肥出口处间距，由施肥机结构设计和安装尺寸决定；L₂主要由作业机械行驶速度和作业机械控制、伺服电机执行机构响应时间及肥料颗粒滑落时间等参数综合决定。

L₂=V_t(t₁+t₂)

式中，V_t表示当前作业机械的行走速度，t₁包括机载控制终端运行的施肥控制程序解析GPS位置并在处方图上识别出施肥量的时间、将施肥量控制指令通过CAN总线发送到施肥控制器的时间以及施肥控制器的计算响应并发送模拟控制信号至伺服电机的时间。t₂是肥料颗粒沿倾斜的排肥管222下滑到地面的时间，式中α是排肥管222与垂直方向的夹角。

$t_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{\frac{2H_1}{g}}$

综合上述计算公式可得变量配肥施肥作业系统的总体位置滞后L。

土壤化验和氮磷钾速效养分数据的获取：

土壤养分的测试项目包括碱解氮、速效磷、速效钾等。土样风干，过筛后进行养分的测定，具体方法如下：

土壤水解性氮或称碱解氮包括无机态氮（铵态氮、硝态氮）及易水解的有机态氮（氨基酸、酰铵和易水解蛋白质）。用碱液处理土壤时，易水解的有机氮及铵态氮转化为氨，硝态氮则先经硫酸亚铁转化为铵。以硼酸吸收氨，再用标准酸滴定，计算水解性氮含量。

土壤速效磷的测定根据国标GB12297-90，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法。用0.50mol/L碳酸氢钠溶液浸提土壤速效磷，碳酸氢钠可以抑制溶液中Ca2+的火毒，使某些活性较大的磷酸钙盐被浸提出来；同时也可使活性磷酸铁、铝盐水解而被浸出。浸出液中的磷不致次生沉淀；可用钼锑抗比色法定量。测定值与作物对磷肥反应的相关性高。

土壤速效钾以中性1mol/L乙酸铵溶液浸提，火焰光度计测定。

确定采样点处的施肥量：

根据农学常识，每生产100kg特定作物籽实，需吸收纯氮(N)（含生物固氮）、磷（P2O5）和钾(K2O)的量是一定的。一般氮肥的平均利用率在30%-40%之间，磷肥在10%-25%之间，钾肥在40%-60%之间；土壤有效养分校正系数=无肥区每公顷作物吸收的养分量×100%；一般情况下土壤有效养分校正系数分别是碱解氮在0.3-0.7之间，速效磷在0.4-0.5之间；速效钾在0.5-0.85之间。

作物施肥量的计算方法为：

式中,U_N——施肥量；V_N——作物单位产量养分吸收量；S——目标产量；w_土壤——土壤速效养分测试值；η_N——有效养分校正系数；w_肥料——肥料中养分含量；η_N肥——肥料利用率。

其中肥料利用率取最大值和最小值的算术平均值。根据上式分别计算在不同作业点处土壤碱解氮、速效磷和速效钾的需求量。根据肥料中速效养分含量，得出各采样点处所需的尿素、磷酸二铵及硝酸钾三种肥料的施用量。

插值分析与施肥处方图的生成：

通过土壤采样获取的土壤养分信息是以点状方式存在的，这不能满足精准农业的需要，因此需要通过插值方法将点状信息转换为面状信息。Kriging是地统计学中的重要估值方法，在土壤养分空间变异分析中占有重要地位。Kriging分析基于土壤特性的空间关系分析即半方差分析，可对未测点参数值进行最优估值，即Kriging估值。其思想为假设x₀为未观测的需估值点，x₁，x₂，…，x_n为其周围的观测点，观测值对应为Z(x₁)，Z(x₂)，…，Z(x_n。未测点的估值记为Z(x₀)，它由相邻测点的观测值加权求得，即

$\hat{Z}\left(x_0\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i}Z\left(x_i\right)---\left(1\right)$

式中，λ_i——加权系数。

Kriging法是根据无偏估计和方差最小来确定加权系数λ_i的。按无偏估计准则有：

$E[\hat{Z}\left(x_0\right)-Z\left(x_0\right)]=0---\left(2\right)$

将式（1）代入式（2）有

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=1---\left(3\right)$

估值Z(x₀)和真值的方差最小，即

${\mathrm{\σ}}^2\left(x_0\right)=E{\left[\hat{Z}\left(x_0\right)-Z\left(x_0\right)\right]}^2=\min ---\left(4\right)$

利用式（2）和式（4）推导可有

${\mathrm{\σ}}^2\left(x_0\right)=E{[\hat{Z}\left(x_0\right)-Z\left(x_0\right)]}^2=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{\mathrm{\λ}}_j\mathrm{\γ}(x_i,x_j)+2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\mathrm{\γ}(x_i,x_0)---\left(5\right)$

式中：γ(x_i,x_j)，γ(x_i,x₀)分别表示以x_i和x_j，x_i和x₀两点间的距离作为h时参数的半方差值。

要确定λ_i的值，即为在满足式（3）约束条件下，求目标函数式（5）表示的方差为最小值问题，为了便于求解，可将这个问题化为无约束的拉格朗日乘数法求极值的问题，即将约束条件式（3）也引入目标函数之中，构造函数

μ(∑λ_i-1)=0（6）

式中：μ—待定的拉格朗日算子，由此可导出该问题的解为

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\mathrm{\γ}(x_i,x_j)+\mathrm{\μ}=\mathrm{\γ}(x_i,x_j)---\left(7\right)$

式（6），（7）组成线性方程组，求解它便可得到n个加权系数λ_i和拉格朗日算子μ。该线性方程组可用矩阵形式表示：

$\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\γ}}_{11}& {\mathrm{\γ}}_{12}& ...& {\mathrm{\γ}}_{1n}& 1\\ {\mathrm{\γ}}_{21}& {\mathrm{\γ}}_{22}& ...& {\mathrm{\γ}}_{2n}& 1\\ & & & & \\ {\mathrm{\γ}}_{n1}& {\mathrm{\γ}}_{n2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{nn}}& 1\\ 1& 1& ...& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\\ {\mathrm{\λ}}_2\\ ...\\ {\mathrm{\λ}}_n\\ \mathrm{\μ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{10}\\ {\mathrm{\γ}}_{20}\\ ...\\ {\mathrm{\γ}}_{n0}\\ 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中：γ_ij是γ(x_i，x_j)的简写。

解方程组求得λ_i和μ，由式（3）便可得x₀点估值的

从而求出任一点处土壤所需尿素、磷酸二铵和硫酸钾的施肥量。

采样点处肥料需求量的计算（以大豆为例）：

大豆是需肥较多的作物之一，每生产100kg大豆籽实及其相应的茎叶荚壳等，需吸收纯氮(N)8.2kg（含生物固氮）、磷（P2O5）1.5kg、钾(K2O)3.2kg。一般氮肥的平均利用率在30%-40%之间，磷肥在10%-25%之间，钾肥在40%-60%之间；土壤有效养分校正系数=无肥区每公顷作物吸收的养分量×100%；一般情况下土壤有效养分校正系数分别是碱解氮在0.3-0.7之间，速效磷在0.4-0.5之间；速效钾在0.5-0.85之间。

大豆施肥量的计算方法为：

式中

U_N——施肥量；

V_N——大豆单位产量养分吸收量；

S——目标产量；

w_土壤——土壤速效养分测试值；

η_N——有效养分校正系数；

w_肥料——肥料中养分含量；

η_N肥——肥料利用率。

其中肥料利用率取最大值和最小值的算术平均值。根据上述公式分别计算在不同作业点处土壤碱解氮、速效磷和速效钾的需求量。根据尿素、磷酸二铵及硝酸钾三种肥料中速效养分含量，得出配肥施肥指导处方，生成大豆和玉米变量配肥施肥处方图。

最终肥料施肥处方图的生成：

由于采集到的土壤养分数据和坐标点都是离散的，想得田块内连续的土壤速效氮磷钾需求量，要进行空间内插。反距离权重插值（IDW）法假设每个采样点有一个局部影响，此影响随着采样点到要素距离的增大而减少，距要素较近的点具有相对较大的权重，多用于地统计学分析。IDW法可用下式表示：

$Z\left(x_0\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\frac{Z\left(x_i\right)}{{\left(D_i\right)}^p}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(D_i\right)}^p}}$

式中，Z(x₀)——x₀点处土壤养分估计量；

Z(x_i)——第i(i＝1,2,…,n)个土壤样品养分含量；

p——距离的幂，这里取p＝2；

D_i——第i个采样点与待估计点之间的距离。

根据土壤养分含量，以及插值得到的土壤养分分布图，参见图3－5，图3为本发明一实施例的氮配肥施肥处方图，图4为本发明一实施例的磷配肥施肥处方图，图5为本发明一实施例的钾配肥施肥处方图。

本发明根据作物生长所需氮磷钾养分值，以及抽样化验得到的土壤中碱解氮、速效磷及速效钾含量，得到取样点处的施肥量。再结合GPS数据和空间插值计算，得到大田氮磷钾配方施肥变量作业处方图。可以实现氮磷钾变量施肥机对尿素、磷酸二铵和硫酸钾等三种肥料施肥量的作业处方的精确确定，大大地提高了肥料利用率、减少了肥料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响，解决了在施肥方面存在化肥利用率低、氮磷钾及微量元素比例失调、农业环境污染严重等问题，具有良好的经济、社会和生态效益。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集土壤养分分布信息，确定采样点的采样密度并测定所述采样点处速效养分的含量；

步骤2：获取施肥量数据，根据作物生成的养分需求量以及所述步骤1测定的速效养分的含量确定所述采样点处的肥料的施肥量；

步骤3：生成施肥作业处方图，结合所述采样点的采样密度和所述步骤2确定的所述采样点处的施肥量，进行空间插值分析，生成所述采样点的肥料施肥处方图。

2.如权利要求1所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，所述采样点处速效养分包括碱解氮、速效磷和速效钾。

3.如权利要求2所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，所述采样点处的肥料包括尿素、磷酸铵和硫酸钾。

4.如权利要求1、2或3所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，所述采样密度D为：

D＞L且D＞M，

其中，M为GPS定位精度，L为所述氮磷钾变量施肥机的变量配肥施肥系统的总体位置滞后距离。

5.如权利要求4所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，所述L通过如下公式计算：L＝L₁-L₂

L₁为GPS天线到所述氮磷钾变量施肥机的最后一个肥箱的排肥出口距离，

L₂=V_t(t₁+t₂)

其中，V_t为当前所述氮磷钾变量施肥机的行走速度，

t₁包括所述氮磷钾变量施肥机的机载控制终端运行的施肥控制程序解析GPS位置并在处方图上识别出所述施肥量的时间、将施肥量控制指令通过CAN总线发送到所述氮磷钾变量施肥机的施肥控制器的时间以及所述施肥控制器计算响应并发送模拟控制信号至所述氮磷钾变量施肥机的伺服电机的时间，

$t_2=\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{\frac{2H_1}{g}},$

t₂为肥料颗粒沿所述氮磷钾变量施肥机的排肥管下滑到地面的时间，式中α为所述排肥管与垂直方向的夹角，H₁为所述氮磷钾变量施肥机的肥箱排肥口至排肥出口处的垂直距离。

6.如权利要求1、2、3或5所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，测定所述采样点处速效养分的含量步骤包括：

土样风干，过筛；

测定所述土样的碱解氮含量，用碱液处理所述土样，再用标准酸滴定，计算所述土样中的水解性氮含量；

测定所述土样的土壤速效磷含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，用0.50mol/L碳酸氢钠溶液浸提所述土样的土壤速效磷，再用钼锑抗比色法定量；

测定所述土样的土壤速效钾含量，采用中性1mol/L乙酸铵溶液浸提，并用火焰光度计测定。

7.如权利要求6所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，确定所述采样点处的肥料的施肥量的计算方法为：

其中，U_N——施肥量；

V_N——作物单位产量养分吸收量；

S——目标产量；

w_土壤——所述采样点处的土壤速效养分含量测试值；

η_N——有效养分校正系数；

w_肥料——肥料中养分含量；

η_N肥——肥料利用率。

8.如权利要求6所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，任一所述采样点处土壤所需肥料的施肥量的计算方法为：

$Z\left(x_0\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\frac{Z\left(x_i\right)}{{\left(D_i\right)}^p}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left(D_i\right)}^p}}$

式中，Z(x₀)——x₀点处土壤养分估计量；

Z(x_i)——第i(i=1,2,…,n)个土壤样品养分含量；

p——距离的幂，p＝2；

D_i——第i个采样点与待估计点之间的距离。

9.如权利要求7或8所述的氮磷钾变量施肥机的施肥量作业处方的确定方法，其特征在于，所述肥料为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。

10.一种氮磷钾变量施肥机，包括牵引机和挂接在所述牵引机后方的施肥系统，所述施肥系统包括机架及安装在所述机架上的肥箱和排肥控制机构，还包括安装在所述牵引机上的GPS定位系统，所述排肥控制机构分别与所述GPS定位系统和所述肥箱连接以实现变量施肥，所述肥箱的箱体上设置有排肥口，所述排肥口上连接有与垂直方向具有α角的排肥管，所述排肥控制机构根据施肥量作业处方进行变量施肥，其特征在于，所述施肥量作业处方根据上述权利要求1－9中任意一项所述的施肥量作业处方的确定方法所确定。

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