无人机变量施肥技术在玉米密植高产田的节肥增产效应分析

一、引言

玉米作为我国重要的粮食作物、饲料作物和工业原料，其产量和品质对保障国家粮食安全、促进农业经济发展具有重要意义。近年来，为提高玉米产量，密植栽培技术在我国得到广泛推广应用。然而，在玉米密植高产田的管理中，施肥环节仍存在诸多问题。传统的人工施肥和机械均匀施肥方式，难以根据玉米不同生长阶段的养分需求以及田间土壤肥力的空间变异情况进行精准施肥，导致肥料利用率低、养分流失严重，不仅增加了农业生产成本，还造成了环境污染[1]。

在此背景下，无人机变量施肥技术应运而生。该技术融合了全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）以及智能控制技术等，能够实现对玉米密植高产田的精准施肥，有望解决传统施肥方式存在的弊端。因此，深入研究无人机变量施肥技术在玉米密植高产田的节肥增产效应，对于推动玉米产业的可持续发展具有重要的理论和实践意义。

二、无人机变量施肥技术原理与系统构成

2.1 技术原理

无人机变量施肥技术的核心原理是基于玉米密植高产田土壤肥力的空间变异和玉米不同生长阶段的养分需求差异，通过获取田间土壤养分信息和玉米生长状况数据，建立施肥模型，然后由无人机携带施肥设备，根据施肥模型在田间进行差异化、精准化的施肥作业。

首先通过土壤采样分析和遥感监测等手段，获取田间不同位置的土壤养分含量（如氮、磷、钾等）、有机质含量、pH 值以及玉米的株高、叶面积指数、植被覆盖度等生长信息。将这些信息录入地理信息系统，生成土壤养分分布图和玉米生长状况分布图。接着，结合玉米不同生长阶段的养分需求规律，构建基于空间位置的变量施肥模型，确定每个施肥单元的最佳施肥量和施肥种类。最后，无人机根据 GPS 定位信息，按照施肥模型的指令，控制施肥设备的施肥量，在相应的地块位置进行精准施肥[2]。

2.2 系统构成

无人机变量施肥系统主要由以下几个部分构成：

无人机平台：作为施肥作业的载体，需要具备良好的稳定性、续航能力和负载能力，以满足大面积玉米密植高产田的施肥需求。常用的无人机平台有多旋翼无人机，其操作灵活、起降方便，适合在复杂的田间环境中作业。

施肥设备：包括肥料箱、施肥机构和控制系统等。施肥机构能够根据控制系统的指令精确调节施肥量，常用的施肥机构有离心式撒肥器、气力式喷肥器等。控制系统负责接收无人机飞控系统传来的施肥指令，控制施肥机构的工作状态。

导航与定位系统：主要由 GPS 模块和惯性导航模块组成，用于实时获取无人机的位置信息和姿态信息，确保无人机能够按照预设的航线进行作业，并准确到达指定的施肥位置。

遥感与信息采集系统：包括搭载在无人机上的多光谱相机、高光谱相机等遥感设备，以及地面土壤采样分析设备。该系统用于采集玉米生长状况信息和土壤养分信息，为构建施肥模型提供数据支持。

数据处理与决策系统：由计算机和相关软件组成，负责对遥感采集的数据和土壤分析数据进行处理、分析和建模，生成施肥处方图，并将施肥处方图的信息传输给无人机控制系统，指导无人机进行变量施肥作业。

三、节肥增产效应分析

3.1 节肥效应

3.1.1 减少肥料用量

在玉米密植高产田，传统均匀施肥方式往往按照田间平均肥力状况和经验确定施肥量，导致部分区域施肥过量，而部分区域施肥不足。无人机变量施肥技术能够根据田间土壤肥力的空间变异情况，在土壤养分含量较高的区域减少施肥量，在土壤养分含量较低的区域增加施肥量，实现按需施肥，从而有效减少肥料的总用量。

相关试验数据表明，与传统均匀施肥相比，无人机变量施肥技术在玉米密植高产田可减少肥料用量 10% -20% 。例如，在某玉米密植试验田，采用传统施肥方式每亩施用氮肥 20 公斤，而采用无人机变量施肥技术后，根据土壤氮含量的空间分布，每亩氮肥施用量平均减少到 16 - 18 公斤，减少了 10%-20% 的氮肥用量。

3.1.2 提高肥料利用率

无人机变量施肥技术能够将肥料精准施用到玉米根系附近，提高肥料与玉米根系的接触效率，减少肥料在土壤中的流失和挥发。同时，根据玉米不同生长阶段的养分需求进行施肥，能够使玉米在每个生长阶段都获得适宜的养分供应，避免了因施肥时机不当导致的肥料浪费。

研究表明，采用无人机变量施肥技术后，玉米对氮、磷、钾等养分的利用率可提高 5%-15% 。例如，在玉米拔节期和灌浆期，通过无人机变量施肥技术精准供应氮肥，能够使玉米对氮肥的吸收利用率提高 10% 左右，减少了氮素在土壤中的淋溶和反硝化损失。

3.2 增产效应

3.2.1 促进玉米生长发育

无人机变量施肥技术能够根据玉米不同生长阶段的养分需求，及时供应所需养分，为玉米的生长发育提供良好的营养条件。在玉米苗期，精准供应 钾肥，能够促进玉米根系生长，增强根系吸收养分和水分的能力；在拔节期和大喇叭口期，适时供应氮肥， 能够促进玉米茎秆生长和叶片发育，增加叶面积指数，提高光合作用效率；在灌浆期，合理供应氮、磷、钾等养分，能够促进光合产物的运输和积累，增加玉米粒重。

田间观测结果显示，采用无人机变量施肥技术的玉米田，玉米的株高、茎粗、叶面积指数等生长指标均优于传统施肥田。例如，在玉米灌浆期，无人机变量施肥田的玉米株高比传统施肥田平均高出 5 - 10 厘米，茎粗增加 0.2 - 0.5 厘米，叶面积指数提高 0.3 - 0.5。

3.2.2 提高玉米产量

由于无人机变量施肥技术能够为玉米生长提供精准的养分供应，促进玉米的生长发育，因此能够有效提高玉米的产量。相关试验数据表明，在玉米密植高产田，采用无人机变量施肥技术可使玉米产量提高 5%-15% 。

例如，在某玉米密植高产示范区，传统施肥方式下玉米平均亩产为 650 公斤，而采用无人机变量施肥技术后，玉米平均亩产达到 700 - 750 公斤，增产幅度为 7.7% - 15.4% 。产量的提高主要体现在玉米的穗长、穗粒数和千粒重等产量构成因素的改善上。无人机变量施肥田的玉米穗长比传统施肥田平均增加 1 - 2 厘米，穗粒数增加 20 - 30 粒，千粒重提高 5 - 10 克。

四、结论

无人机变量施肥技术在玉米密植高产田具有显著的节肥增产效应。该技术能够根据土壤养分空间变异和玉米生长需求进行精准施肥，减少肥料用量 10%-20% ，提高肥料利用率 5%-15% ，同时使玉米产量增加 5% -15% 。然而，该技术效应的发挥受到土壤养分检测精度、玉米生长信息获取准确性、施肥模型科学性以及无人机设备性能与操作水平等因素的影响。通过提高信息检测技术水平、完善施肥模型、提升设备性能与操作规范以及加强政策支持与推广应用等优化策略，能够进一步增强其节肥增产效应。

参考文献

[1]郭泰峰. 基于无人机遥感处方图的马铃薯变量施肥装置研制[D]. 西北农林科技大学, 2024.

[2]戴雨舒. 小麦无人机变量施肥的经济技术分析与评价[D]. 扬州大学, 2023.