（农业生物环境与能源工程专业论文）精确农业蔬菜变量施肥决策系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 伴随着全球农业信息化的进程 一个全新的概念 精确农业已经形成并在 世界范围内得到迅速发展 本课题所研究的变量施肥决策是精确农业中的主要组 成部分 主要研究内容和结果如下 1 在测定试验地土壤速效氮 速效磷 速效钾养分的基础上 利用经典 统计学方法 对土壤养分的信息进行了处理 得出了以下结论 速效氮 速效磷 速效钾的变异系数分别为o 4 7 0 3 1 0 1 8 土壤养分分布存在明显的变异 变 量施肥具有一定的客观必要性 2 以常见的叶菜类蔬菜 小白菜为研究对象 以产量为指标 通过田 问试验 建立了其与肥料中氮 磷 钾等因素之间的量化数学模型 对获得的肥 料效应函数的解析结果表明 各肥料因子与产量之间存在着二次函数关系 该函 数可为施肥决策提供依据 3 建立了基于神经网络技术并可实现最大经济效益的变量旌肥决策模型 4 4 一l o 一3 网络结构的b p 网络变量施肥决策模型以土壤养分 速效氮 速效 磷和速效钾 含量和目标产量为输入 以氮 磷 钾施肥量为输出 该变量施肥 决策方法较好地反映了土壤养分 施肥量与产量之间的非线性关系 根据土壤养 分分布图结合变量施肥决策模型 生成施肥处方图 为变量施肥的实施提供了依 据 4 利用v i s u a lb a s i c6 0 开发了精确农业变量施肥决策系统软件 通过输 入网格点便可了解养分信息 输入目标产量 可以得到施肥量 实现了变量施肥 决策 关键词 精确农业 蔬菜 变量施肥 决策 人工神经网络 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t aw h o l en e wc o n c e p ta sp r e c i s i o na g r i c u l t u r eh a sb e e nf o r m e da n dd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h ew o r l dw i t ht h ep r o c e s so fg l o b a la g r i c u l t u r ei n f o r m a t i o n i z a t i o n u n d e r t h eb a c k g r o u n dv a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n gi np r e c i s i o na g r i c u l t u r ei s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 t r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a lm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h en u t r i e n to ff i e l d t h e c o n c l u s i o ni sg a i n e da sf u l l o w s v a i l a t i o nc o e f f i c i e n to fn p ka r eo 4 7 0 3 1 0 1 8 t h er e s u l ts h o w st h a tt h es o i ln u r i e n t sh a v eo b v i o u sv a r i a t i o n s ov a r i a b l e r a t e f e r t i l i z a t i o nh a se x t e n s i v eo b j e c t i v ef o u n d a t i o n s 2 b r a s s i c ac h i n e n s i si su s e da se x p e r i m e n t a lo b j e c t b ye x p e r i m e n ti nt h e f i e l d t h eq u a n t i t a t i v em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e ny i e l da n dt h ea p p l i c a t i o nr a t eo f n p kc o n c e n t r a t i o ni se s t a b l i s h e d i ti sp r o v e dt h a tt h er e l a t i o n s h i po fq u a d r m i c f u n c t i o ne x i s t so b v i o u s l yb e t w e e ny i e l da n df e i t i l i z e rf a c t o r s t h ef u n c t i o np r o v i d e s t h ee v i d e n c ef o rf e i t i l i z e rd e c i s i o nm a k i n g 3 t h ev a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n gm o d e lb a s e do na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ki sb u i l ta n di tc a ni m p l e m e n tm o s te c o n o m i cb e n e f i t 4 4 1o 3 b p n e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e t h ei n p u t so ft h em o d e la r es o i ln u t r i e n t f n pa n dk a n d y i e l dg o a l t h eo u t p u t sa r ea p p l i c a t i o nr a t eo ff e r t i l i z e r n pa n dk t h em o d e l r e f l e c t st h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i p sa m o n gs o i ln u t r i e n t s a p p l i c a t i o nr a t eo ff e r t i l i z e r a n dy i e l d f e r t i l i z e rp r e s c r i p t i o n i n t e g r a t e ds o i ln u t r i e n td i s t r i b u t i o nm a p sw i t h v a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n gm o d e li sb u i l t i tp r o v i d e se v i d e n c ef o r v a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n g 4 t h es y s t e mo f v a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n gi sp r o g r a m m e db y v i s u a lb a s i c6 0a n di m p l e m e n t sv a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o nd e c i s i o nm a k i n g k e yw o r d s p r e c i s i o na g r i c u l t u r e v e g e t a b l e v a r i a b l e r a t ef e r t i l i z a t i o n d e c i s i o nm a k i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用本授权书 不保密口 学位论文作者签名 硭1 涵亟 州万年6 月f f 日 胜名 毒协 万年占月f s 日 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已注明引用的内容以外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 醯吩垒 日期 加f 年6 月侈日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 2 0 世纪下半叶以来化肥在粮食和蔬菜及农作物增产方面发挥了极大的作用 但同时也带来了一系列问题 如从1 9 8 4 1 9 9 4 年1 0 年间 我国化肥用量增加 9 0 7 而粮食产量只增加了9 0 1 j 我国的化肥利用率仅及发达国家的一半 氮肥的利用率约为3 0 3 5 磷肥的利用率约为1 0 2 0 钾肥的利用率为3 0 5 0 8 4 使得农业成本不断上升 与此同时 不合理地过量施用化肥还对环境 也造成了极大危害 北京地区由于氮肥使用过量和施用不合理 在蔬菜 玉米等 作物生育期内存在明显的氮素淋溶损失 十年间 氮肥用量增加了一倍 地下水 硝酸盐浓度增加了近二倍忆太湖流域双季稻氮素淋失量近3 0 k g h m 2 过量旌用 氮肥是其主要原因川 要解决肥料施用过量 环境污染严重等问题 发展变量施肥等精确农业技术 将是一条有效的途径 本课题研究蔬菜变量精确施肥的决策系统 旨在提高农业 劳动生产力和资源利用率 提高蔬菜的产量和品质 以及降低化肥造成的环境污 染提供一定的理论和技术支持 1 2 精确农业概述 1 2 1 精确农业概念 精确农业 一词 译自英文 p r e c i s i o nf a r m i n g 或 p r e c i s i o n a g r i c u l t u r e 八十年初国外开始的有关技术思想的早期实践 曾使用过 s p a t i a l l y v a r i a b l e c r o pm a n a g e m e n t 空间变量作物管理 p r e s c r i p t i o n a g r i c u l t u r e 处方农业 p r e s c r i p t i o nf a r m i n g 处方农作 等名称 到九十年代中期 由于g p s g i s 等的集成应用和有关装备技术的产业化 统一为 p r e c i s i o na g r i c u l t u r e 和 p r e c i s i o nf a r m i n g 的学术名词在国际科技与产业界广泛采用m 卯 精确农业 p r e c i s i o na g r i c u l t u r e 简称p a 又译精准农业 精细农业 2 8 1 源于西方发达国家的农作模式 是信息时代和知识经济的产物 7 1 它的全部概念 建筑在空间差异 s p a t i a l v a r i a b i l i t r 的数据采集和数据处理上1 6 核心是根据当时 江苏大学硕士学位论文 当地测定的作物肥力 苗情长势等因素分布的时空差异性 然后研究这些差异之 间的相互关系 最终根据研究成果进行定位管理 根据空间差异性的分布 因地 制宣 按照需要变量调整种子 化肥 农药等农资的使用 从而达到减少投入 增加产量 提高农资利用率 减少环境污染的目的 9 1 0 i 精确农业的兴起有两个主要背景 一是可持续农业为世人所接受 精确农业 技术符合农业可持续发展的方向 二是全球定位系统 遥感 地理信息系统 人 工智能等高新技术的产生或民用化 使得精确农业的发展有了技术支持 2 i 可持续农业的内涵可以概括为 一是农学上的可持续性 特别是农田系统具 有保持土地生产力长期而持续的能力 二是微观经济上的可持续性 即保持最基 本的农业经营单位长期运营的能力 三是生态上的可持续性 主要以流域范围保 持生态系统的环境质量能力 四是实现宏观经济上的可持续性 即保持区域性 或 国家 的农业生产系统在国内外市场上的竞争能力 h j 1 2 2 精确农业的主要支持技术 精确农业是在全球定位系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s 地理信息系统 g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m g i s 遥感技术 r s 决策支持技术 d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m d s s 智能化变量作业农业机械等信息技术和先进集成技术支持 下 4 0 i 利用农学 地学 生态学模型 根据f 开间变异 对生产过程实施一整套精确定 位 定量管理集成技术的现代化农业 全球定位系统 g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 是一种高精度 全天候 全球性的无线电导航 定位 定时系统 美国和前苏联相继用了近2 0 年的时间 分别建立全球卫星定位系统 系统的空间部分由2 4 颗地球轨道卫星组成 这些 卫星离地面约2 万公里 分布在等间隔 近似圆形的六个轨道平面上 可以保证 在任何时间地球上的任何地点都能观测到4 颗以上的卫星 地面接收机接收到卫 星发出的连续 实时 高精度的测距信号和精确原子钟授时等信号 经过接收机 进行数据处理和计算 即可获得接收机所在位置的经度 纬度和海拔高度等定位 信息和定时信息 陷1 精细农业实践中 为了提高g p s 接收机的定位精度 需要采用差分g p s d g p s 系统 以便能满足定位精度要求 至少亚米级 1 1 9 d g p s 是实践精细 农业的基础 其作用主要表现在定位和导航两个方面 d g p s 的定位功能主要用 江苏大学硕士学住论文 于绘制农田边界和产量分布图 农田管理调查 土壤采样等 d o p s 的导航功能 主要用于农业机械田间作业和管理的导航 引导农业机械定位变量投入 地理信息系统 g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 是 个用于输入 存 储 检索 分析 处理和表达地理空间数据的计算机软件平台 它以带有地理坐 标特征的地理空间数据库为基础 将同一坐标位置的数值相互联系在一起 2 0 2 1 在精细农业实践中 g i s 主要用于建立农田土地管理 土壤数据 自然条件 生产条件 作物苗情 病虫草害发生发展趋势 作物产量等的空间信息数据库和 进行空间信息的地理统计处理 图形转换与表达等 为分析差异性和实施调控提 供处方决策方案 2 2 1 在g i s 中能够生成多层农田空间信息分布图 将其纳入作 物生产管理辅助决策支持系统 与作物生产管理与长势预测模拟模型 投入产出 分析模拟模型和智能化作物管理专家系统 起 并在决策者的参与下根据产量的 空间差异性 分析原因 作出诊断 提出科学处方 落实到g i s 支持下形成田间 作物管理处方图 分区指导科学的调控操作 遥感技术 r s r e m o t es e n s i n g 是利用高分辨率传感器 在不同的作物生长 期 实施全面监测 根据光谱信息 进行空间定性 定位分析 为定位处方农作 提供大量的田间时空变化信息1 2 3 1 精细农业实践中 r s 虽不能直接测量土壤水 分 植物冠层营养水平 籽粒与生物产量等信息 但可通过多光谱测量推断出结 果 由测量引导推理的过程 需利用数据分析工具寻求传感数据与土壤或植物的 相关关系 旦这种关系建立起来 就可以对大面积的条件进行推理 通常r s 数据图形可以是g i s 的一个图层 作为补充实地采集的土壤肥力 杂草 虫害等 数据层 同时作些补充处理以使得r s 图层与其它数据层的地理位置相一致 r s 是精细农业实践中支持大面积快速获得田间数据的重要工具 2 4 目前应 用热红外遥感 多谱段遥感 微波遥感对土壤水分的监测 以及应用近红外多频 带辐射仪测定作物氮素状况和应用高分辨力光谱仪识别作物和杂草的技术已经 进入示范推广阶段 用户也可以向卫星图象服务部门购买特定地区某一时间的遥 感图象数据 在自己的用户r s 平台上进行应用开发 现有的r s 软件均与流行 的主要g i s 软件具有数据通信接口 容易将r s 分析与图象数据组装到g i s 图层 中支持作物生产管理决策分析 决策支持技术 d s s d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 是d s s 是在管理信息系统 江苏大学硕士学位论文 m i s 和运筹学 o r 的基础上发展起来的计算机科学分支 实现了由计算机自动 组织和协调多模型的运行 以及对数据库中数据的存取与处理 从而达到更高层 次的辅助决策能力 决策支持系统包括模型库 数据库 知识库 方法库及其管 理系统等 同时融合了良好的人机接口 使得模型运算 数据处理 专家知识以 及在决策者的参与下建立起模型库 数据库与领域专家的有机联系 近几年来 人工智能技术的最新成果 被引入决策支持系统 使系统的决策水平和决策自动 化程度得到了提高 精细农业实践中 d s s 根据作物生长 作物栽培 经济分析 空间分析 时间序列分析 统计分析 趋势分析以及预测分析等模型 利用g p s r s 获得的各种信息及g i s 建立的数据库 结合农业专家知识 针对小区内农作 物生长环境和生长条件在时间上和空间上存在差异 作出分布式投入决策 即生 产田间投入处方图1 z 智能化变量作业农业机械是实践精确农业的标志 迄今国外商品化支持精确 农业实践的若干种变量农业机械已经在生产和使用 其中较成功和效益较好的有 施肥 喷药 播种和灌溉等农业机械 变量施肥机可以根据事先绘制的施肥处方 图 对地块中的肥料撤施量进行定位定量控制调整 例如美国明尼苏达州的 a g c h e n 仪器装备公司生产的s o i l e e f i o n 的以g p s 为主 结合应用g i s 的精确农 作系统为例 s o i l e c t i o n 是一种g p s 卫星信号接收装置 带有数据加工计算机及 监视屏 将s o i l e c t i o n 安装在大型田问喷施肥料 微量元素 除草剂的专用自走 式机器 美国已普及 上 它根据旌肥处方图 同时分别对磷肥 钾肥和石灰的施 用量进行调整 变量处方灌溉设备利用调整喷灌机械的行驶速度 喷口大小和喷 水压力等进行喷水量的控制 i 国外的自动灌溉系统装有g p s 和遥控装置 利用 通信网络和办公室内的计算机相连 根据计算机内事先生成的变量处方图 实施 定位变量灌溉 例如美国爱达荷州阿伯丁的一个圆形变量喷灌系统 采用主从微 处理器分布式控制 使得臂长达3 9 2 米的喷灌机随时调节喷洒流量 以适应农田 小区因土壤质地 耕作层厚度 地形以及产量潜力不同对水分的不同要求 系统集成技术上述这些技术通过系统集成技术 使其能共同协作 构成一 个完整的精确农业技术体系 系统集成技术 要解决各子系统间的接口设计 数 据格式 通信协议标准化等问题 基于c a n 总线的农业机械总线国际标准 i s o l t 7 8 3 正在加速制定过程中 在精细农业的集成技术体系中 数据表格式 江苏大学硕士学位论文 空间信息分布图图标颜色选用 坐标表达方式等 都将趋于国际化 以适应技术 产品全球化发展的总趋势 从事精确农业研究较早的英国s i l s o e 学院口5 1 设计了典 型的精细农业集成技术系统 系统运行情况如下 首先 通过遥感照片 r s 获得 田块数字地图 通过产量计量联合收割机生成农田小区产量空间分布图 使用带 有传感器 g p s 定位设备 通讯设备和智能控制装置的拖拉机在田间行驶 进行 农田信息采样 在行驶过程中 装在拖拉机上的传感器通过光谱反射 电磁感应 等方法把正在驶过地块的土壤养分 土壤含水量以及病虫草害等数据采集下来 通信设备将这些数据与相应的g p s 定位数据一起传送给远方的中央计算机 利 用中央计算机中的g i s 系统 可以存储电子地图 产量图 采样数据和定位数据 将这些图与数据关联起来并进行处理 结合土壤养分 产量分布 耕作模式等信 息的历史记录 形成新的地理信息库 再利用d s s 系统对田间信息进行分析决 策 得出决策方案 最后 自动控制农业机械按决策方案进行田间播种 施肥 灌溉 喷药等的定位变量操作 从而达到精确农业实践的目的和效果 其中对苗 情 草情等信息的采集也可以通过对r s 遥感照片进行信息提取来实现 精确农 业系统集成示意图如图1 1 所示 篆等至土壤信息hr l 一 作物苗情信息 病虫草害信息 田间g i s 作物生产管理 辅助决策系统 定位系统d g p s 空 间 定 位 农 作 处 方 播种 施肥 喷药 灌溉 图1 1 精确农业系统集成示意图 1 3 国内外的研究状况 收获 1 3 1 国外研究状况 精确农业的早期研究与实践在发达国家始于2 0 世纪八十年代 8 1 由从事作 物栽培 土壤肥力 作物病虫害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型 作物管 江苏大学硕士学位论文 空间信息分布图图标颜色选用 坐标表达方式等 都将趋于国际化 以适应技术 产品全球化发展的总趋势 从事精确农业研究较早的英国s i l s o e 学院1 3 8 设计了典 型的精细农业集成技术系统 系统运行情况如下 首先 通过遥感照片 r s 获得 田块数字地图 通过产量计量联合收割机生成农田小区产量空间分布图 使用带 有传感器 g p s 定位设备 通讯设备和智能控制装置的拖拉机在田间行驶 进行 农田信息采样 在行驶过程中 装在拖拉机上的传感器通过光谱反射 电磁感应 等方法把正在驶过地块的土壤养分 土壤含水量虬及病虫草害等数据采集下来 通信设备将这些数据与相应的g p s 定位数据一起传送给远方的中央计算机 利 用中央计算机中的g i s 系统 可以存储电子地图 产量图 采样数据和定位数据 将这些图与数据关联起来并进行处理 结合土壤养分 产量分布 耕作模式等信 息的历史记录 形成新的地理信息库 再利用d s s 系统对田问信息进行分析决 策 得出决策方案 最后 自动控制农业机械按决策方案进行田问播种 施肥 灌溉 喷药等的定位变量操作 从而达到精确农业实践的目的和效果 其中对苗 情 草情等信息的采集也可以通过对r s 遥感照片进行信息提取来实现 精确农 业系统集成示意图如图i 1 所示 作物产量信息 土壤信息 作物苗情信息 病虫草害信息 田间g s 田间g i s 作物生产管理 辅助决策系统 定位系统d g p s 空 间 定 位 农 作 处 方 播种 施肥 喷药 灌溉 凰i1 精确农业系统集成示意图 1 3 国内外的研究状况 收获 1 3 1 国外研究状况 精确农业的早期研究与实践在发达国家始于2 0 世纪八十年代i 由从事作 物栽培 土壤肥力 作物病虫害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型 作物管 物栽培 土壤肥力 作物病虫害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型 作物管 江苏大学硕士学位论文 空间信息分布图图标颜色选用 坐标表达方式等 都将趋于国际化 以适应技术 产品全球化发展的总趋势 从事精确农业研究较早的英国s i l s o e 学院口5 1 设计了典 型的精细农业集成技术系统 系统运行情况如下 首先 通过遥感照片 r s 获得 田块数字地图 通过产量计量联合收割机生成农田小区产量空间分布图 使用带 有传感器 g p s 定位设备 通讯设备和智能控制装置的拖拉机在田间行驶 进行 农田信息采样 在行驶过程中 装在拖拉机上的传感器通过光谱反射 电磁感应 等方法把正在驶过地块的土壤养分 土壤含水量以及病虫草害等数据采集下来 通信设备将这些数据与相应的g p s 定位数据一起传送给远方的中央计算机 利 用中央计算机中的g i s 系统 可以存储电子地图 产量图 采样数据和定位数据 将这些图与数据关联起来并进行处理 结合土壤养分 产量分布 耕作模式等信 息的历史记录 形成新的地理信息库 再利用d s s 系统对田间信息进行分析决 策 得出决策方案 最后 自动控制农业机械按决策方案进行田间播种 施肥 灌溉 喷药等的定位变量操作 从而达到精确农业实践的目的和效果 其中对苗 情 草情等信息的采集也可以通过对r s 遥感照片进行信息提取来实现 精确农 业系统集成示意图如图1 1 所示 篆等至土壤信息hr l 一 作物苗情信息 病虫草害信息 田间g i s 作物生产管理 辅助决策系统 定位系统d g p s 空 间 定 位 农 作 处 方 播种 施肥 喷药 灌溉 图1 1 精确农业系统集成示意图 1 3 国内外的研究状况 收获 1 3 1 国外研究状况 精确农业的早期研究与实践在发达国家始于2 0 世纪八十年代 8 1 由从事作 物栽培 土壤肥力 作物病虫害管理的农学家在进行作物栽培模拟模型 作物管 江苏大学硕士学位论文 理与植保专家系统应用研究与实践中 揭示了农田内以若干平方米为单位的小区 作物产量 生产环境条件具有明显的时空差异性 从而提出对作物栽培管理实施 定位 按需变量投入而发展起来的 经过近几年的发展 精确农业技术体系逐步 得到完整 已经成为主要发达国家面向2 l 世纪 合理利用农业资源 提高农作 物产量 降低产生成本 减少环境影响 提高农产品国际市场竞争力的前沿性研 究领域1 1 3 2 1 美国在2 0 世纪8 0 年代针对农田在经过长时间过量使用化肥和农药后引起了 环境的负面影响以及农产品成本的提高 从而影响到美国农产品在世界市场中的 竞争地位的现状 进行了一系列精确农业研究 取得的主要成果有 1 精确农 业提高肥料和化学物质效率 2 精确农作中的产量制图原理和设备 3 使用 g p s 进行野外制图和产量测定 4 土壤肥力与作物施肥方案的空间变化模型 5 使用g i s 进行精确农作数据管理 6 使用g p s 电脑和氮肥模型进行精 确定位施肥等 l 国外的精确农作在实践过程中已经获得较好的效果 尤其是美国 加拿大 澳大利亚等发达国家 精确农作在大农场生产中已得到较广泛的应用 并且许多 成熟的技术已经形成 精确农作在欧洲同样得到很好地发展 1 9 9 3 1 9 9 4 年 精确农业技术思想首先在美国明尼苏达州的两个农场进行试验 用g p s 指导施 肥的产量比传统平衡施肥的产量提高3 0 左右 而且减少了化肥施用总量 经 济效益大大提高 精确农业试验的成功 使得其技术思想得到了广泛发展 到 1 9 9 5 年 美国约有5 的作物面积不同程度上应用了精确农业技术 至1 9 9 8 年 对美国精确农业服务商和种子公司的调查显示 在他们的用户中8 2 进行土壤 采样时使用g i s 7 4 用g i s 制图 3 8 收割机带测产器 6 1 采用产量分析 7 7 采用精确技术 到2 0 0 1 年 已有2 5 0 0 0 台联合收割机安装了带有产量计数 器的计算机系统 5 一3 0 的玉米和大豆采用精确方法种植 1 l 法国研究成功 变量施肥机 g p s 接收器联合收割机和产量分布图 葡萄园的精确种植等 不仅 西方发达国家对精确农业的技术实践引起重视 在日本 韩国等国也己开始了试 验示范研究 3 2 3 5 变量施肥技术 v r f 在国外发展比较早 技术比较成熟 美国 加拿大等发 达国家的研究者已经将土壤类型 土壤养分含量 历年旋肥量与产量等信息输入 6 江苏大学硕士学位论文 计算机 形成了资料齐全的信息系统 v r f 在许多农场得到了应用 其肥料的 利用率高达6 0 左右 例如美国明尼苏达9 i t 的汉斯卡农场和扎卡比森甜菜农场 旱在2 0 世纪9 0 年代进行氮肥旆用时 根据生成的旌肥处方图进行变量施肥 提 高了产量并增加了收入 1 4 华盛顿州立大学的r g e v o n s 等利用g i s 分析田问采 样的土壤肥力和墒情的分布图 并根据这些农田信息分布图 由土豆种植专家系 统给出相应的田间处方 为田间水肥管理提供决策 美国的b l a c k m e r a m 1 9 9 8 等研究了如何将g p s g i s 远程数据传输 信息网络等先进技术用于 氮肥施用推荐和提高土地利用率等等 这些系统一般都是利用产量图提供的数 据 分析产量差异存在的原因 在此基础上根据土壤实际情况和作物需要 进行 变量平衡施肥 1 3 2 国内研究状况 1 9 9 4 年一些著名的科学家就提出在我国进行精确农业研究应用的建议 由 于当时条件所限 没有引起政府有关部门的重视l i 引 1 9 9 8 年中国工程院院士汪 懋华教授开始系统地介绍国外的精确农业技术及国内的发展对策 标志着中国精 确农业技术的研发开始起步1 4 j 近几年随着农业信息化技术的飞速发展和受至 国际精确农业研究与应用浪 潮的冲击 精确农业一词已成为我国科研 大学 政府 企业等农业各行业人员 频繁使用的词汇 这充分说明我国对精确农业研究和实践的热切关注 但是 从 总体上来看 我国对于精确农业的研究尚仅仅处于起步阶段 而且由于中国农民 文化素质较低 农业基础设施薄弱 农村相对贫困 在相当长的时期内小农经济 仍然占主导成分 所以在中国实施精确农业要比美国 西欧国家复杂得多 在精确施肥研究方面 迄今为止 国内应用g i s g p s 与专家系统技术建立 的施肥应用系统主要有 1 中国农业科学院土壤肥料研究所信息农业研究室 开发的中国土壤肥料信息系统 s o f i s c f 3 6 j 2 北京市农林科学院作物所开 发的 北京地区智能化农业信息技术应用示范工程中的小麦综合管理专家系统 e s w c m 3 7 1 3 河北农业大学人工智能研究中心研究的g i s 在精确农业中 的应用 变量施肥智能空间决策支持系统 v r f i s d s s 1 2 2 4 吉林大学 生物与农业工程学院地面仿生机械技术教育部重点实验室开发的一套专门用于 实施精确农业变量旌肥作业的田问地理信息系统潞j 以上这些研究都集中在中国 江苏大学硕士学位论文 的北方地区 而南方地区人均耕地少 土壤养分差异更大 实施变量施肥更具有 现实意义 此外 现有的研究中 多数研究以粮食作物为研究对象 以蔬菜为研 究对象的尚不多见 1 4 研究的内容 本课题研究的内容主要有5 个部分 1 采用化学分析方法 对土壤中的速效氮 速效磷 速效钾进行测试 并利用经典统计学方法 对试验地土壤养分的信息进行处理 以期得出速效氮 速效磷 速效钾的含量变异系数 2 通过田间试验 确定小白菜的产量与施肥量氮 磷 钾之间的量化关 系 以小白菜的产量为指标 旆肥量氮 磷 钾为试验因素 设计试验方案并实 施试验 根据试验数据处理的结果得到小白菜的施肥效应函数 3 养分和产量为输入 施肥量为输出 建立b p 神经网络模型 并对模 型的功能进行扩展 使其按照最大化经济效益e l 标进行施肥决策 为变量施肥实 践提供一个方法依据 4 b p 神经网络模型按照最大化经济效益目标进行施肥决策 将决策生成 的结果 结合本课题组前期的研究成果 农田养分信息分布图 生成施肥处方 图 以便于精确农业变量施肥的实施 5 利用v i s u a lb a s i c6 0 开发精确农业变量施肥决策系统软件 实现变量 施肥决策 江苏大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章农田信息的统计分析研究 精确农业的研究基础主要是获取农田作物产量和作物生长环境因素 如土壤 养分 的空间变异性 定位施肥管理是目前精确农业实践中一个行之有效的技术 合理的农田土壤采样 定位测产 及掌握农田信息变异是实施定位施肥管理的前 提 为了研究农田信息的变异 利用经典统计方法 计算农田空间信息的统计特 征如均值 方差 最大值 最小值和变异系数等 来表征某一农田区域内农田信 息的变异程度 2 2 材料与方法 2 2 1 试验区概况 镇江市京口区瑞京园蔬菜保护地整个面积大约3 3 h m 2 经度在11 9 5 2 8 6 7 1 1 9 5 3 1 1 6 之间 纬度在3 2 1 8 5 0 8 3 2 1 8 7 8 9 之间 试验田位于保护地范围内 示范区属于亚热带季风气候 干湿冷暖 四季分明 雨量充沛 无霜期2 3 7 2 天 全年平均温度1 5 4 度 其中一月份3 2 度 七月份3 1 1 度 平均降水量1 0 7 2 8 m m 其中一月份4 2 4 m m 七月份1 5 4 1 m m 全年日照时数2 0 5 7 2 小时 一月份1 3 7 6 小时 七月份2 2 9 小时h 2 1 图2 1 蔬菜保护地轮廓及变量施肥网格布置 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 土壤样品的采集与处理 为了使得每一采样点在小区内具有代表性 采集士样时 采用自制的采样器 用蛇形取样法进行采样 土壤样品的采样的深度为2 0 c m 以每一点样点附近l m 左右的5 个土样混合而成 一共采得4 0 个样点 将所采的样品分别装入塑料袋 注明编号 从田间采来的土样及时自然风干 以免发霉引起质的改变 风干后用碾钵碾 碎 粒 过筛 然后装袋 以供测试时所需 2 2 3 土壤养分的测试指标与测试方法 2 2 3 1测试指标 植物生长需要1 6 种养分 其中c h o 是从大气中获得 而n p k c a m g s b c u f e m n z n m o c 1 等1 3 种元素要从土壤中获得 植 物对不同元素的需求量各不相同 氮素是构成植物有机体的一个重要元素 植物干物质含有1 5 左右的氮 氮是蛋白质的一个重要组成成分 蛋白质的平均含氮量为1 6 一1 8 此外 氮还是植物体内一些重要物质的主要组成充分 如叶绿素 磷脂 各种酶和植物 激素等 氮在植物体内无处不在 它参与植物的各种生命活动 一般集中于植物 生命活动最活跃的部位 如新叶 分生组织和繁殖器官等 植物氮素营养的好 坏 直接影响植物的生长发育 磷能以有机态和无机态两种形式存在于植物体内 有机形态的磷是组成核酸 和各种磷酸脂的必需元素 磷酸盐还存在于各种辅酶中 如a t p 等 磷为植物 新陈代谢所必需 以无机态存在于植物体内的磷能激活某些酶 如磷酸果糖激酶 的活性 促进光合作物和碳水化合物的转化 参与植物体内缓冲系统 调节适宜 的p h 等 对于植物的生长发育 磷能促进细胞分裂 加速幼芽和根系生长 能 促进呼吸作用及作物对水分和营养的吸收 能促进碳水化合物 蛋白质和脂肪的 代谢 合成和运转 能增强作物的抗逆行 提高作物对水分的利用效率 钾是作物吸收最多的一个阳离子养分 与氮 磷不同 它并不构成生物大分 子 而是移动性很大的元素 它影响许多植物体内的生物物理和生物化学过程 钾是多种酶的活化剂 植物体内有6 0 多种酶需要钾的活化 钾参与调节气孔的 1 0 江苏大学硕士学位论文 开闭 能够促进光合作用 增加作物对二氧化碳的同化量和降低线粒体的呼吸作 用 从而减少碳水化合物的损耗 钾能促进含氮化合物向蛋白质合成场所的运输 促进氨基酸合成蛋白质 稳定蛋白质的结构 减少蛋白质的水解 钾维持细胞膨 压和调节水分关系 因此 钾在作物的水分吸收 运输及蒸腾作物中起着重要作 物 此外 钾还能够促进纤维素的合成 增强作物机械组织 钾充足时植物表皮 细胞的外壁发育良好 机械组织加厚 可以阻止病虫害侵染 实际生产中使用的肥料主要是n p k 这三种元素是需求量最大的元素 称为三要素 而其它元素一般土壤本身就能满足 所以本课题采用的测试指标为 n p k 土壤中的n p k 对植物的影响主要不取决于全量 而是取决于速 效成分 所以本试验选用了测定速效氮 速效磷 速效钾 2 2 3 2 测试方法1 4 3 i 土壤养分测试项目包括硝态氮 铵态氮 两者之和为速效氮 速效磷 速 效钾 土壤养分测定主要分两步进行 首先 要将欲分析的元素从土壤中分离提 取出来 然后对分离出来的元素进行定量测试 土样自然风干 过筛 浸提后 分别采用以下化学分析方法测得 1 土壤硝态氮含量测定 采是用1 m 硫酸钾浸提的方法 称取通过2 0 号筛的风干样品5 克 精确倒o 0 1 克 于2 0 0 毫升三角瓶中 用量简取5 0 毫升的蒸馏水于三角瓶中 加5 毫升的硫酸钾 充分振荡 再过滤 然后用3 3 3 0 p h 计测量硝态氮含量 2 土壤铵态氮含量测定 采用1 m 醋酸浸提的方法 称取通过2 0 号筛的风干样品5 克 精确倒0 0 1 克 于2 0 0 毫升三角瓶中 用量筒取5 0 毫升的蒸馏水于三角瓶中 加5 毫升的醋酸 充分振荡 再 过滤 然后用3 3 3 0 p h 计测量铵态氮含量 3 土壤速效磷含量测定的关键是样品处理 这是因为土壤中磷酸盐组成 比较复杂 特别是一部分比较难分解的磷酸盐矿物 需要用酸熔法使之完全分解 江苏大学硕士学位论文 才能变为可溶性磷酸离子态 进而制成待测液 再进行磷素的定量分析 测定时 要求选用一种合适的浸提剂 在规定的浸提时间 温度 浸提振荡方式 强度下 完成 本次测定方法为o 5 m o l l n a l i c o 浸提铝锑抗吸光光度法 方法选择 0 5 m 碳酸氢纳法适用于浸提石灰性土壤及中性土壤速效磷 也可试用于酸 性土壤 在进行比色测定时 采用硫酸钼锑抗混合显色剂 其操作方法较简便 显色稳定时间长 有较宽的酸度范围 o 5 5 0 7 5 n 对于某些干扰离子的允许 量较大 比色测定磷的范围为o 0 4 0 6 m g k g 磷 方法原理 中性 石灰石土壤中的速效磷 多阻磷酸一钙和磷酸二钙状态存在 可用 o 5 m 碳酸氢钠提取到溶液中 然后将待测液用钼锑混合色剂在常温下进行还原 使黄色的锑磷钼杂多酸还原成为磷铝蓝 进行比色 试剂配制 a 0 5 m 碳酸氢钠溶液 称取化学纯碳酸氢钠4 2 克溶于8 0 0 毫升水中 以0 5 n 氢氧化钠调p h 至8 5 洗入1 0 0 0 毫升量瓶中 定容至刻度 贮存于试 剂瓶中 b 无磷活性炭 为了除去活性炭中的磷 先用0 5 m 的碳酸氢钠浸泡过 夜 然后在平板瓷漏斗上抽气过滤 再用0 5 m 碳酸氢钠溶液沈2 3 次 最后 用水洗去碳酸氢钠并检查到无磷为止 烘干备用 c 磷标准溶液 准确称取4 5 度烘干过4 8 小时的分析纯磷酸二氢钾 0 2 1 9 7 克于小烧杯中 以少量的水溶解 将溶液全部洗入1 0 0 0 毫升的容量瓶中 用水定容至刻度充分摇匀 此溶液即为含5 0 m g k g 的磷基准溶液 吸5 0 毫升此 溶液稀释至5 0 0 毫升 即为5 m g k g 的磷基准溶液 比色时按标准曲线系列配制 d 7 5 n 硫酸钼锑贮存液 取蒸馏水约4 0 0 毫升 放入1 0 0 0 毫升烧杯中 将烧杯浸在冷水内 然后缓缓注入分析纯浓硫酸2 0 8 3 毫升 并不断搅拌 冷却 至室温 另称取分析纯钼酸铵2 0 克溶于约6 0 度的2 0 0 毫升蒸馏水中 冷却 然 后将硫酸溶液徐徐倒入铝酸铵溶液中 不断搅拌 再加入1 0 0 毫升o 5 酒石酸 锑钾溶液 用蒸馏水稀释至1 0 0 0 毫升 摇匀 贮存于试剂瓶中 e 钼锑抗混合显色剂 于1 0 0 毫升钼锑贮存液中 加入1 5 克左旋 旋 江苏大学硕士学位论文 光度 2 1 2 2 度 抗坏血酸 操作步骤 a 称取通过2 0 号筛的风干样品5 克 精确倒0 0 l 克 于2 0 0 毫升三角 瓶中 加1 0 0 毫升0 5 m 碳酸氢钠溶液 再加一角勺无磷活性炭 塞紧瓶塞 在 振荡机上振荡3 0 分钟 立即用无磷滤纸过滤 滤液承接于1 0 0 毫升三角瓶中 b 吸取滤液2 5 毫升 同时加0 5 m 碳酸氢钠溶液至1 0 毫升于5 0 毫升量 瓶中 加7 5 n 硫酸钼锑抗混合显色荆5 毫升 利用其中多余的硫酸来中和碳酸 氢钠 充分摇匀 排出二氧化碳后加水定容至刻度 再充分摇匀 c 3 0 分钟后7 2 型分光光度计比色 波长6 6 0 毫微米 比色时须同时做 空白测定 d 磷标准曲线绘制 分别吸取5 m g k g 磷标准溶液0 1 2 3 4 5 毫 升于5 0 毫升量瓶中 每一量瓶即为0 o 1 0 2 0 3 0 4 0 5 m g k g 磷 再逐 个加入o 5 m 碳酸氢钠l o 毫升和7 5 n 硫酸钼锑抗混合显色剂5 毫升 然后同待 测一样进行比色 在半对数纸上绘制成曲线 结果计算 p 毫克 克土 垡 二生曼三 i i i 铲 c z 式中m g k g 一从标准曲线上查得磷的m g k g 数 1 03 一一将微克换算成毫克 1 0 0 一一换算成每百克样品中磷的毫克数 4 土壤速效钾含量测定 采用0 1 m 氯化铵浸提的方法 称取通过2 0 号筛的风干样品5 克 精确倒o o l 克 于2 0 0 毫升三角瓶中 用量简取5 0 毫升的蒸馏水于三角瓶中 加5 毫升的氯化铵 充分振荡 再过滤 用3 3 3 0 p h 计测量速效钾含量 2 3 数据处理与分析 2 3 1 数据检验 在镇江市京口区瑞京园蔬菜保护地范围内测定的土壤养分数据列于表2 1 江苏大学硕士学位论文 表2 1 土壤养分测定值 单位为m g k g 序号 速效氮速效磷速效钾序号速效氮速效磷 速效钾 l 2 0 2 71 1 8 51 6 0 32 l1 1 8 41 1 5 81 5 3 5 21 9 2 91 1 7 71 3 3 62 2 2 0 2 91 1 1 01 2 3 6 31 6 6 21 4 8 41 1 4 72 3 1 3 9 51 4 2 71 0 9 9 42 0 0 9 1 5 8 01 2 9 72 41 3 0 91 7 2 41 3 3 3 51 7 7 31 4 7 5 1 3 0 52 51 4 4 11 8 7 81 3 2 3 61 8 9 21 0 0 51 3 1 42 62 0 9 4 1 5 3 21 1 0 4 71 9 0 4 1 2 5 41 1 2 82 71 2 6 51