提高農業(yè)機械化水平促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展

提 高農業(yè)機械化水平促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展羅錫文1， 2，廖 娟1，胡 煉1， 2，臧 英1， 2，周志艷1， 2（ 1. 華南農業(yè)大學南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642； 2. 南方糧油協同創(chuàng)新中心，長沙 410128）摘 要 ：在中國農業(yè)現代化建設中，影響農業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的主要因素是土 、種 、肥 、藥 、水 。精準耕整技術 、精準播種技術 、精準施肥技術 、精準施藥技術和精準灌溉技術是提高農業(yè)資源利用率的幾項關鍵技術 。提高農業(yè)機械化水平，是促進農業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一 。該文介紹了提高農業(yè)資源利用率的機械化精準作業(yè)關鍵技術與機具 。為了進一步發(fā)揮農業(yè)機械化在提高農業(yè)資源利用率 、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用，該文建議：進一步加強農機農藝融合，加強相關基礎理論研究；進一步加強相關關鍵技術的研究；進一步加強相關機械與裝備制造的自主創(chuàng)新能力；進一步加強推廣應用 。關鍵詞 ： 農業(yè)機械；機械化；可持續(xù)發(fā)展；農業(yè)資源利用率；農業(yè)可持續(xù)發(fā)展doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001中圖分類號： S23 文獻標志碼： A 文章編號： 1002-6819（ 2016） -01-0001-11羅錫文 ， 廖 娟 ， 胡 煉 ， 臧 英 ， 周志艷 . 提高農業(yè)機械化水平促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展 J. 農業(yè)工程學報 ， 2016， 32（ 01）： 1-11. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001 http:/www.tcsae.orgLuo Xiwen, Liao Juan, Hu lian, Zang Ying, Zhou Zhiyan. Improving agricultural mechanization level to promote agriculturalsustainable developmentJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE） , 2016, 32(01): 111. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001 http:/www.tcsae.org收稿日期： 2015-10-30 修訂日期： 2015-12-16基金項目：廣東省自然科學基金項目（ 2015A030310292）；國家科技支撐計劃課題（ 2014BAD06B01）；廣東省省級科技計劃項目（ 2015B020206002）作者簡介：羅錫文（ 1945），男，湖南株洲人，中國工程院院士，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)機械化 、農業(yè)電氣化與自動化研究 。廣州 華南農業(yè)大學工程學院， 510642。Email： xwluoscau.edu.cn通信作者：胡煉（ 1984-），男，湖南長沙人，博士，主要從事農業(yè)機械化 、農業(yè)電氣化與自動化研究 。廣州 華南農業(yè)大學工程學院， 510642。Email： lianhuscau.edu.cnVol.32 No.1Jan. 2016第 32 卷2016 年農 業(yè) 工 程 學 報Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering第 1 期1 月0 引 言中國是一個農業(yè)大國，但不是農業(yè)強國1。發(fā)展高效 、安全的現代生態(tài)農業(yè)是中國農業(yè)現代化建設的重要目標 。在中國農業(yè)現代化建設中，影響農業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的主要因素是土 、種 、肥 、藥 、水 。農業(yè)機械化是農業(yè)現代化的重要內容和標志之一2，提高農業(yè)機械化水平，是促進中國農業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一3。中國耕地普遍存在等級低 、質量不高等問題，第二次全國土地調查的耕地質量結果顯示，全國耕地平均質量等別為 9.96 等（最好為 1 等，最差為 15 等），中低等耕地面積占 70.6%，總體偏低4。主要表現在5：耕作層變淺；部分地區(qū)耕地土壤有機質下降；水土流失，次生 、鹽漬化 、酸化等問題嚴重，土壤污染問題突出 。同時，有相當一部分耕地地塊零碎不規(guī)整，田塊狹小 。中國種子的優(yōu)質品種少 、播種量大 、種子浪費等問題嚴重阻礙了中國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 。中國化肥總用量已達 5 700 萬 t，居世界第一位 。氮肥當季利用率只有 30%35%左右，低于世界發(fā)達國家 20 個百分點6。化肥的過度使用增加了農業(yè)生產成本，并造成了對環(huán)境的污染，是引起蔬菜品質下降 、地下水硝酸鹽積累和水體富營養(yǎng)化的重要原因 。中國農藥利用率只有 30%左右， 2013 年中國商品農藥總量達 183 萬 t，單位面積農藥用量是美國的 2.3 倍，殺蟲劑用量是美國的 14.7 倍，若不加以控制，到 2030 年農藥用量將達到 221 萬 t7。由于過度依賴農藥，導致了病蟲草害產生抗藥性，上世紀 4050 年代世界上抗性害蟲不足 10 種，現在已發(fā)展到 700 多種8。農藥的過度使用加重了環(huán)境污染，目前農藥污染土地面積超過 933 萬 hm29，若不加以控制，到 2030 年農藥污染土地面積將增加 1 倍 。農產品污染加大，據農業(yè)部對全國 2 585 個蔬菜樣品調查，葉菜類 、根菜類和瓜果類中硝酸鹽超標率分別高達 37%、32%和 53%10。水資源短缺已成為全球食物安全的主要制約因素，2030 年世界人口將達 83 億，糧食需求達 29 億 t，按現在用水效率計算，農業(yè)灌溉用水需增加 30%（現為約 300 萬m3），缺口達 75 萬 m311。由于水利工程與灌溉方式落后，中國農業(yè)灌溉用水效率低 。據統計，中國每年農業(yè)灌溉用水總量在 3 600 億 m3左右，渠系利用系數只有 0.40.612。中國制定了 2030 年農業(yè)灌溉水利用率達到 0.60 以上的戰(zhàn)略目標，但在現有農業(yè)用水方式下大規(guī)模提升用水效率遇到了技術瓶頸 。破解中國 “水危機 ”、突破糧食增產 “水瓶頸 ”的關鍵是提高農業(yè)用水效率 。農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，歸根結底是資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，要促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須以節(jié)約資源和保護生態(tài)環(huán)境為前提 。因此，中國面臨提高農業(yè)資源利用率 、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要任務與挑戰(zhàn) 。提高農業(yè)機械化水平，對實現農業(yè)現代化 、提高農業(yè)資源利用率和促進·綜合研究 ·關鍵技術 ·1農 業(yè)工程學報 （http:/www.tcsae.org） 2016 年農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義 。本文擬提出提高中國農業(yè)機械化水平 、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性措施 從土 、種 、肥 、藥 、水等方面著手，重點突破耕整 、播種 、施肥 、施藥 、灌溉等重要環(huán)節(jié)的機械化精準作業(yè)關鍵技術與機具的研究，分析這幾項關鍵技術的發(fā)展現狀，指出發(fā)展過程中存在的問題，提出解決這些問題的思路與方法，以期為進一步提高中國農業(yè)機械化水平 、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要戰(zhàn)略指導 。1 精準耕整土地精準耕整是提高水 、肥 、藥利用率 、促進作物生長 、提高作物產量的重要途徑 。保護性耕作 、深松和激光平地是土地耕整的 3 項關鍵技術 。1.1 保護性耕作中國水土流失嚴重，據統計，全國每年流失的表土在50 億 m3以上，風水蝕耕地面積約 1 萬 km213。世界權威雜志 科學 （ 2004 年）曾經刊文 “土壤碳管理 ”（ Managing SoilCarbon）認為：農田翻耕導致了土壤的碳流失，同時加劇了土壤侵蝕，保護性耕作可以有效減少土壤中碳的流失，增加土壤肥力 。保護性耕作（ conservation tillage， CT）的主要特征是不翻耕土地，在地表覆蓋秸稈14，在提升農田土壤質量方面主要表現在15： 1）減少土壤徑流 。相對于傳統耕作，保護性耕作可減少 40%以上土壤徑流，在干旱年份可減少土壤徑流量達 60%； 2）增加土壤有機質 。長期實施保護性耕作，土壤的有機質可年均增加 0.03 百分點，土壤由 “黃 ”變 “黑 ”，蚯蚓數量可達 30 條 /m2； 3）減少水分蒸發(fā) 。在冬小麥休閑期實施保護性耕作相對傳統耕作可減少水分蒸發(fā) 19.7 mm；4）減少 CO2排放 。實施保護性耕作，冬小麥季的 CO2減排可達 27.1%； 5） 增產效果明顯 。14 種作物產量數據中，有13 種表現出了增產效果 。其中，玉米增產 4.5%，小麥增產7.6%，小雜糧增產 10.1%，大豆增產 18.7%16。從 2005 年開始，中國連續(xù) 8 a 的中央一號文件都要求發(fā)展保護性耕作 。國務院 國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要（ 20082020 年） 提出要 “改進耕作方式，發(fā)展保護性耕作 ”。農業(yè)部每年投入 3000 萬元用于示范與推廣保護性耕作技術 。國家發(fā)改委 、環(huán)保部 、水利部 、林業(yè)部等都將保護性耕作列為農業(yè)環(huán)境保護 、農田減排 、抗旱節(jié)水與防沙治沙等的重要措施 。至 2014 年底，中國保護性耕作實施面積超過了 860萬 hm217，占全國耕地面積的 6.4%。中國糧食作物秸稈焚燒產生的碳排放量約為 477 萬 t18，按此比例估算，保護性耕作每年可減少 30.5 萬 t 由秸稈焚燒造成的碳排放量 。如果在全球推廣應用保護性耕作，未來 10 a，將可以抵消三分之一左右來自燃油的碳排放 。陳源泉等對不同地區(qū)的保護性耕種進行了大量的調查，結果顯示，利用保護性耕種技術可增加 7.1%49.2%作物產量，降低 2.5%66.9%生產成本19。因此，保護性耕作在保護土壤 、節(jié)約用水 、節(jié)能減排 、節(jié)約成本等方面都有顯著的效果，是應對中國農業(yè)資源短缺和資源浪費的重要途徑，應得到高度重視和大面積推廣 。1.2 深松深松作業(yè)是替代傳統耕翻的一項土地耕整技術 。通過疏松土壤，打破犁底層和加深耕作層改善土壤的透水 、透氣性能和團粒結構，使雨水更容易入滲到土壤中，從而有利于作物根系的發(fā)育，提高蓄水保墑能力 。國外的深松技術及機具研究始于 20 世紀 50 年代，歐美等西方國家的深松技術已經形成了相對完善的體系20。1995 年， Larson 和 Clyma 提出運用電滲技術對深松鏟進行減阻處理，在黏土中可減少 11%的耕種阻力，最大可減少 39%的耕種阻力，降低約 32%的能耗21。國內對深松理論的研究始于 20 世紀 70 年代，并逐漸形成了中國的 “深松耕作法 ”。2004 年，吉林大學佟金教授發(fā)明了仿生減阻深松鏟，取得了良好的減阻效果19。中國農業(yè)機械化科學研究院在中低產田的試驗表明：相比未經深松的對照田，機械化深松田增產效果明顯，玉米 、大豆 、甜菜和馬鈴薯的平均增產與增產率分別為：1 193 kg/hm2， 20%； 269359 kg/hm2， 12%178%； 1 560 t/hm2，358%； 4 034 kg/hm2， 262%，深松還可提高灌溉用水 30%的利用率22。目前，中國深松技術仍面臨減阻和防堵兩大難題，為此，深入研究保護性耕作條件下的深松減阻和防堵技術，是中國保護性耕作機理研究中亟待進一步突破的關鍵技術 。1.3 激光平地農田表面平整度直接影響灌溉效率和效果 。由于農田表面不平整導致的灌溉用水浪費率超過 20%，同時影響作物生產 。中國農業(yè)大學研制成功旱地激光平地機，其激光發(fā)射器云臺集成 JP3 激光掃平儀，能夠形成帶坡度的激光平面23。中國水稻生產中歷來有 “寸水不過田 ”的要求，傳統的人工平整 、畜力平整 、拖拉機平整和耕整機平整等方法主要憑目測和經驗，平整后高度差仍在 10 cm 以上，且高度差與田塊面積成正比24。為了解決水田精準平整的問題，華南農業(yè)大學研制成功 1PJ 系列水田激光平地機，鑒定結論為 “在水田平地技術及機具領域居國際領先水平 ”。目前，主要有與東方紅 254 拖拉機 、久保田 704 拖拉機 、上海 50 拖拉機和雷沃504 拖拉機配套的激光平地機 。從 2006 年起，在國內 16個省市進行了推廣應用 。結果表明，采用水田激光平地機平地，平地精度可達 3 cm，節(jié)約了灌溉用水，增加了水稻產量，經濟效益和社會效益顯著25。2 精準播種2.1 玉米精準播種中國的玉米種植面積不斷擴大，至 2013 年，玉米已成為中國第一大糧食作物 。由于生產 、經營模式的限制，目前在中國的玉米種植過程中，資源利用率低 、投入產出率低，因此，當前的生產模式和經營模式亟待革新 。目前，美國約翰迪爾 (John Deere)公司的玉米播種機和德國亞馬遜 (AMAZONE)公司的玉米播種機技術處于世界領先水平，具有大型 、寬幅 、高速 、機電液一體化和電子化等特點，播種均勻一致 、深淺一致 。瑞士 V魧DERSTAD 公2羅 錫文等：提高農業(yè)機械化水平促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展第 1 期司的新型排種器采用機械式排種與正壓壓種相結合，有效克服了在開始和結束時的漏播現象，對氣壓要求低，播種效果好 。吉林工業(yè)大學研制的 2BS-2 型玉米精密播種機基本實現了單粒排種26-27。黑龍江八一農墾大學研制的棱錐形孔排種部件，臺架試驗空穴率為 1.67%，重播率 4.67%，單粒率達 93.67%28。西北農林科技大學研制的 2FBJD-2 型玉米半精密播種施水覆膜機 、新疆地區(qū)的 2BCM-6 型茬地免耕半精量播種機 、中國農業(yè)大學研制的 2BML-2（ Z）型免耕精量播種機是目前中國比較先進的玉米精密播種機26， 29。國內也開展了氣力式播種機的研究，并研制了多種氣力式精密播種機 。中國農業(yè)大學研制了 3 種氣力式玉米精量播種機，其中 2BMF-4 型氣吹式免耕玉米精量播種機在作業(yè)速度 6 km/h 時，播種合格率達 95%以上30。2BYQC-7 型氣吸式玉米精量播種機在作業(yè)速度 9 km/h時，播種合格率達 93%以上31。沈陽市通用長青機械廠的2BQM-3 型免耕施肥氣吸精密播種機，可進行玉米等作物的單粒全株距 、單粒半株距穴播或條播作業(yè)32。農哈哈集團的 2BYQF-4 玉米氣吸播種機可實現單粒精播33。玉米實現精準播種可以節(jié)省種子 4045 kg/hm2，還可以節(jié)省或完全省去間苗時間，保證作物苗齊 、苗壯，營養(yǎng)合理，植株個體發(fā)育健壯，群體長勢均衡，增產效果顯著34，是保證豐產豐收的前提 ?？傮w來看，玉米氣力式播種機在中國發(fā)展較晚，大部分從國外引進或改造，而且只適用于小區(qū)域作業(yè) 。因此，研制先進適用的玉米精密播種技術，完善與之配套的農藝措施，是當前玉米生產發(fā)展的重要方向 。2.2 水稻精量穴播目前中國采用直播方式的水稻種植面積約占 30%左右，以人工撒播為主35-36。采用人工撒播方式種植的水稻生長無序 、疏密不勻，因此，通風透氣性差 、易受病蟲害侵害 、抗倒伏性差 。為了解決人工撒播存在的問題，華南農業(yè)大學在水稻精量穴播技術和機具研究方面取得了重大突破，研制成功 2BD 系列水稻精量穴播機，可同步開溝 、起壟和播種，實現了精量播種和節(jié)水栽培37，并有效提高了水稻的抗倒伏性 。該研究成果的鑒定結論為 “在水稻水直播機械研究領域居國際領先水平 ”。從 2006 年起，在國內 24 個?。▍^(qū)）及老撾 、緬甸 、泰國 、越南和柬埔寨進行了推廣應用，結果表明，精量穴播比人工撒播 、人工拋秧和人工插秧可分別增產 10%、8%和 6%以上，每公頃節(jié)約成本分別為 750、1124 和 1874 元，可節(jié)省水稻生產用水 30%以上和減少甲烷排放 10%以上 。2013 年和 2014 年新疆精量穴播的水稻連續(xù)兩年產量超過 15 t/hm238。3 精準施肥3.1 農田養(yǎng)分信息快速獲取土壤養(yǎng)分測量是實施精準施肥（主要是基肥）的前提39，施肥前對土壤中的養(yǎng)分情況了解不夠未能做到按需施肥，是農業(yè)生產中肥料利用率低的一個很重要的原因 。目前采用的土壤測量儀器主要有 3 類40： 1）基于光電分色等傳統養(yǎng)分速測技術的土壤養(yǎng)分速測儀； 2）基于近紅外技術（ NIR）通過土壤或作物葉面反射光譜特性直接或間接進行農田肥力水平快速評估的儀器； 3） 基于離子選擇場效應晶體管（ ISFET）集成元件的土壤主要礦物元素含量測量儀器 。中國農業(yè)大學設計了土壤養(yǎng)分測量傳感器，浙江大學研究了農田土壤有機質和氮素快速測定方法與儀器41。華南農業(yè)大學研制了機載 GPS 土壤自動取樣裝置，可繪制氮 、磷 、鉀 、pH 值和有機質的分布圖，為測土配方施肥提供準確的田間土壤肥力分布情況，為指導按需施肥提供依據38。3.2 測土配方施肥測土配方施肥是以土壤養(yǎng)分測量和肥料田間試驗為基礎，綜合專家知識，根據土壤供肥性能 、作物需肥規(guī)律與肥料效應，在施肥前確定氮 、磷 、鉀及微肥的適宜用量與比例，是提高肥料利用率的措施之一42。目前國內用于測土配方施肥的土壤養(yǎng)分測試方法包括 ASI 法 、M3 浸提劑和AB -DTPA 浸提劑43。為了提高土壤養(yǎng)分測試效率，在引進國外先進技術的基礎上，中國農科院土壤研究所經過十幾年的研究，形成了適應于中國大部分地區(qū)土壤使用情況的批量化前期處理技術 、專業(yè)化測試技術 、自動化的數據采集技術和程序化的推薦施肥技術，這一套技術不僅大大提高了中國測土配方施肥的分析效率和降低了成本，而且提高了測試精度，是目前中國先進的測土配方技術44。3.3 同步播種施肥播種時同步深施緩釋肥或控釋肥是提高肥料利用率 、減少施肥次數和降低生產成本的有效方法 。目前，同步（深）施肥播種機具已實現在旱作作物生產中的應用45，但水田作業(yè)時難以在機械播種或插秧時同步深施肥料 。基于此，華南農業(yè)大學研究成功同步開溝起壟施肥水稻精量穴播技術，研制了同步開溝起壟施肥水稻精量穴播機，可在播種時將肥料施于田面下 10 cm 處，有利于根系吸收和水稻生長，可減少肥料用量 30%以上，提高產量10%以上，達到了高效 、增產 、節(jié)肥 、節(jié)水和減少田間甲烷排放量的目的46。中國農業(yè)機械化科學研究院研制的小麥變量免耕施肥播種機和黑龍江八一農墾大學研制的大豆變量施肥播種機也取得了良好的效果 。3.4 作物養(yǎng)分信息快速獲取要實現作物生長期間的精準施肥（追肥），在施肥前準確地獲取作物養(yǎng)分信息是前提 。作物養(yǎng)分生理指標檢測的傳統方法是化學分析法，該方法準確性較高，但是成本也高，耗時長，操作復雜，且容易造成環(huán)境污染47。光譜和成像技術可快速無損地獲取作物的養(yǎng)分生理信息，因而得到了廣泛的研究與應用 。光譜檢測技術主要有近紅外光譜和多光譜成像檢測技術48-49。南京農業(yè)大學研制成功 CGMD302 作物生長監(jiān)測診斷儀 。浙江大學邵泳妮結合光譜技術與多光譜成像技術采集水稻生長和生理信息，用于檢測和診斷水稻品質信息 、養(yǎng)分需求信息和病蟲害信息50。目前作物養(yǎng)分信息快速獲取技術仍是實現精準施肥的瓶頸技術，該技術依然停留在實驗室研究階段 。在以后3農 業(yè)工程學報 （http:/www.tcsae.org） 2016 年的發(fā)展中，應更加注重田間應用，研究出方便 、快捷 、準確 、可靠的作物養(yǎng)分信息獲取技術與設備 。3.5 精準施肥傳統的施肥量確定方法主要有養(yǎng)分平衡法和肥料效應函數法51，不同作物或同一作物不同生長期對養(yǎng)分需求的差異很大，難以采用同一施肥模型進行精準施肥的指導 。研究發(fā)現基于神經網絡的施肥模型和組合預測模型可以很好地解決傳統施肥量確定方法中存在的問題52。蘇恒強等建立的玉米施肥組合預測模型顯著地提高了預測精度53。與此同時，學者們還建立了不同作物的精準施肥專家系統 。于合龍等建立了玉米精準施肥數據庫，提高了玉米精準施肥系統的開發(fā)效率54。許鑫等基于測土配方施肥技術構建了 “基于 WebGIS 的小麥精準施肥決策系統 ”55。國家農業(yè)信息化工程技術研究中心研制成功基于 GPS 的精準農業(yè)變量施肥控制系統，施肥誤差 5%56。中國農業(yè)機械化科學研究院研制的自動配肥施肥機采用多種肥料實時在線配比，取得了很好的效果57。目前，中國在精準施肥網格識別 、信息系統 、養(yǎng)分管理施肥模型和專家系統等研究中取得了一些成果，但還沒有形成完善的精準施肥技術體系 。因此，建立完善且便于使用的精準施肥技術體系，是中國現階段施肥技術要解決的重點和難點 。4 精準施藥4.1 作物病蟲草害信息快速獲取作物病蟲草害信息的快速獲取是精準施藥的前提 。傳統的病蟲草害信息獲取采用人工調查方法以判斷作物危害等級，存在主觀性強 、工作量大 、覆蓋范圍小 、效率低 、成本高等缺點，難以達到精準農業(yè)技術對作物病蟲害信息快速獲取的要求58。近年來，隨著科學技術的發(fā)展，光譜分析技術 、計算機圖像處理技術以及光譜視覺技術在作物病蟲害檢測研究中得到了廣泛的應用，成為病蟲害檢測的有效方法和重要手段 。多光譜成像技術可同時從光譜維和空間維獲取被測目標的信息59。Leckie 等60分析了蚜蟲對松樹的侵害程度 。Tian Youwen 等在溫室環(huán)境條件下，利用多光譜成像技術分析了稻葉瘟病情61。吉林大學和華南農業(yè)大學采用MS3100 多光譜攝像機對水稻苗期稻瘟病中度感性識別準確率達 96.8%62。國內外高光譜成像技術主要集中在高空衛(wèi)星遙感監(jiān)控農作物蟲害的發(fā)生程度，近地對作物蟲害早期檢測的應用不多 。張東彥等采集了受病蟲害 、養(yǎng)分脅迫的小麥葉片進行高光譜圖像分析，在 2 nm 光譜分辨率和毫米級空間分辨率的條件下，得到了感染面積對小麥葉片的定量定性影響程度的結果63。蔣金豹等運用一階微分最大值法和 Cho and Skidmore 方法實現了提前 12 d 進行受條銹病脅迫小麥識別的可能性64?？梢姽獬上窦夹g檢測速度快 、精度高，在作物病蟲害檢測和識別中得到了廣泛應用 。Paul Boissard 等65利用計算機視覺系統檢測受粉虱侵襲的玫瑰葉片，統計煙粉虱的數量，并結合人工智能對圖像進行分析與處理，實現了煙粉虱侵襲初期的準確識別 。中國農業(yè)機械化科學研究院利用超低空飛行的直升機獲取作物圖像信息，研制了一種超低空田間信息獲取平臺 。綜上所述，通過獲取作物的光譜數據，可建立作物光譜特性和蟲害類別和程度之間的關系，從而根據光譜特性推算蟲害類別 、密度 、分布 、發(fā)生程度等信息 。但在大田環(huán)境中，光譜技術信號容易受到干擾，且光譜技術僅能提供小區(qū)域的檢測對象信息，缺少對象的空間信息 ?？梢姽獬上窦夹g主要分析圖像的可見光信息，信息量有限，且信息提取效率比較低 。多光譜成像技術目前仍處于初始開發(fā)階段，但該技術可同時采集可見光譜和紅外光譜等波段的數字圖像，彌補了光譜儀抗干擾能力較弱和 RGB 圖像波段感受范圍窄的缺點，是一種實時 、高效 、準確的病蟲害檢測技術，以其快捷 、方便 、實時 、準確 、客觀的優(yōu)點，可望成為病蟲害識別與檢測領域新技術研究的一大熱點 。4.2 高地隙寬幅精準噴施技術與機具傳統拖拉機的底盤相對較低，難以進行玉米 、甘蔗等高稈作物中后期病蟲害的施藥防治，已成為影響中國高稈經濟作物生產的主要瓶頸66。高地隙噴藥機離地間隙高 、通過性能好，能夠有效地解決高稈作物中后期的施藥難題 。國外高地隙噴藥機的研究始于 20 世紀五六十年代67。美國的 Amazone 大型噴霧機最高離地間隙可達 2 m，幅寬可達 39m，可實現基于作物生長 、病蟲害狀況的變量噴藥68。美國 John Deere 公司生產的 JD4730 型自走式噴藥機具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，配備歐洲 “Green Star”施藥系統，采用衛(wèi)星定位追蹤 、自主導航及變量施藥方式進行作業(yè)，保證了高精度施藥性能69。美國 Case Corp 公司生產的SPX315 噴藥機采用脈沖電磁閥控制施藥噴頭，通過流量控制器和系統壓力控制藥滴數量和尺寸，實現精準噴施 。丹麥 Hardy 公司生產的 Alpha 4100 型自走式施藥機，在保證單位面積施藥量的基礎上，合理地控制農藥噴施，提高了農藥利用率，減少了浪費70。中國高地隙噴藥機的研究始于 20 世紀 90 年代中后期 。目前，國內生產廠家主要致力于優(yōu)化噴藥機的結構設計，取得了較大的進展 。山東亞泰機械制造有限公司研制的 3WZC-150 型四輪輪距可伸縮式高地隙自走式噴藥機，能適應不同區(qū)域高稈作物的農藥噴施作業(yè)，施藥系統采用吸附式防滴噴頭，以減少農藥浪費71。黑龍江富錦永興噴藥機械廠生產的四輪自走式噴藥機，藥箱增加了回水攪拌系統以防止藥液沉積，噴桿為 5 段折疊式，且噴施高度可調，幅寬 8 m，防治效率可達 2.4 hm2/h。黑龍江齊齊哈爾華宇農機廠生產的三輪自走式高地隙噴藥機，最大噴幅 6.5 m，架體升降行程 0.42.6 m，整車離地高度 1.6 m，結構簡單 、經濟適用，尤其適用于小型農場和農民家庭72。中國農業(yè)機械化科學研究院研制的大型智能化變量噴藥機，采用多路關聯式噴霧量反饋精準控制技術和基于計算機視覺的雜草自動識別技術，實現了智能作業(yè) 。華南農業(yè)大學與福田雷沃國際重工股份有限公司聯合研制了高地隙寬幅水田噴霧機，采用雷沃 M700H 型拖拉機加裝高地隙水田鐵輪和噴霧系統，離地間隙 1 m，作業(yè)幅寬4羅 錫文等：提高農業(yè)機械化水平促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展第 1 期12 m73。從上述分析可見，國外噴藥機技術先進 、工作可靠，但價格昂貴 、專用性強 、使用維修不便；國內噴藥機使用維修方便，但可靠性較差 、自動化程度低 。因此，應結合國內外各種機型的優(yōu)勢彌補中國現有技術的不足，研制成本低 、適應性強 、使用維修方便 、可靠性高 、穩(wěn)定性好 、自動化程度高的高地隙精準噴施機具 。4.3 農業(yè)航空噴施農業(yè)航空植保作業(yè)效率高 、防治能力強 、能應對突發(fā)和爆發(fā)性病蟲害，可在作物不同生長時期下田作業(yè)70，是中國建設高效 、安全的現代農業(yè)中的重要發(fā)展方向 。世界農業(yè)航空始于 1918 年，美國第一次采用飛機噴灑農藥滅棉蟲 。目前，從世界范圍看，美國 、俄羅斯 、澳大利亞 、加拿大 、巴西 、日本 、韓國等國家的農業(yè)航空技術起步較早，航空施藥作業(yè)規(guī)范齊全，施藥配套部件完善，可滿足不同作業(yè)要求 。美國主要采用有人駕駛固定翼飛機進行肥料 、農藥 、除草劑等噴施作業(yè)；日本則主要采用無人機進行噴藥 。中國農業(yè)航空作業(yè)始于 1951 年 5 月，中國民航廣州管理處采用一架 C-46 型飛機在廣州市區(qū)執(zhí)行了 41架次滅蚊蠅飛行任務 。目前，中國農業(yè)航空作業(yè)量逐年增加，作業(yè)領域逐漸擴大，除對糧食作物 、園藝作物 、經濟作物施藥外，還開展了植物生長授粉等作業(yè)74。與傳統施藥方式相比，應用農業(yè)航空植保技術進行植保作業(yè)，能夠有效提高中國農作物病蟲害防治機械化水平，提高作業(yè)效率 15%35%；提高農業(yè)資源利用率，降低生產成本約 105 元 /hm2；增強農業(yè)抗風險能力，減少突發(fā)性大面積病蟲害帶來的損失；緩解農村勞動力短缺；對保障國家糧食安全 、生態(tài)安全具有十分重要的意義75。但是，目前中國農業(yè)航空事業(yè)存在 4 個亟待解決的問題： 1）明確中國農業(yè)航空的主管部門 。2）制定中國農業(yè)航空的技術標準 。3）攻克中國農業(yè)航空的核心技術 。4）出臺扶持中國農業(yè)航空發(fā)展的相關政策 。為促進中國農業(yè)航空植保技術健康有序地發(fā)展，應結合中國農業(yè)航空的發(fā)展現狀，通過政府 、企業(yè)以及科研部門的共同努力，從政策 、資金 、人才以及核心技術等方面著手，出臺相關政策，加強管理和規(guī)范；加大資金投入力度，發(fā)展多機型 、多模式的作業(yè)方式，因地選型，提高航空植保作業(yè)的適應能力；加強培養(yǎng)中國農用航空植保技術的專業(yè)性及綜合性人才；加強配套核心科學技術的研究與攻關 。通過多方面努力，以期使農業(yè)航空植保事業(yè)為推進中國農業(yè)現代化進程 、提高農業(yè)機械化水平和促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻 。5 精準灌溉水資源短缺是制約中國農業(yè)發(fā)展的重要因素，當前，中國迫切需要解決農業(yè)節(jié)水問題 。準確掌握田間水層高度和土壤含水率，實現精準灌溉，是合理利用水資源，減少水資源浪費，保證農作物高產 、穩(wěn)產，促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提和有效措施 。5.1 田間水分信息快速獲取由于作物不同生長期的需水量不同，作物不同生長階段對灌水排水的要求差異很大 。要實現科學合理的灌水與排水，獲取田間水分信息是基礎 。FDR（頻域反射法） 、TDR（時域反射法）和 SWR（駐波率法）是國內外常用的土壤含水率檢測方法 。前兩者測量精度比較高，但是成本也高，需數千至數萬美元一臺 。SWR 在小區(qū)域內應用具有成本低的優(yōu)勢，但在大區(qū)域應用時成本依然偏高76。目前大部分水分傳感器還不能實現基于網絡進行連續(xù)測量，且能耗過高77。針對這些問題，中國農業(yè)大學研制了車載式和田間移動式土壤水分 、壓實復合傳感器 。華南農業(yè)大學研制了基于無線網絡的水層高度及土壤含水率傳感器，可在稻田有水時測定水層深度，無水層時測定土壤含水率，測量誤差在 ±5%以內78。但是其節(jié)點壽命不夠長，且應用規(guī)模還比較小 。因此，在田間水分信息快速獲取無線傳感器網絡技術方面，仍需要在傳感器能源 、傳輸協議以及協調簇首 、基站 、短信網關 、計算機控制中心等角色的拓撲模型和體系結構等方面進行深入研究79，研制使用壽命長 、生產成本低 、傳輸距離遠 、測量范圍廣 、適應性強的田間水分信息快速獲取裝置 。5.2 滴灌 、微噴灌農業(yè)灌溉是通過人工或自動控制方式進行灌溉，為作物生長營造適宜的水環(huán)境80。中國傳統的灌溉方式用水量大，造成了嚴重的水資源浪費81。采用如滴灌和微噴灌的先進灌溉方式是減少農業(yè)灌溉用水浪費的有效手段 。5.2.1 滴灌滴灌是目前世界上較為先進的灌溉技術 。是實現節(jié)水 、節(jié)肥 、增產 、提高勞動效率 、改善土壤質量等的有效手段，在中國大田作物生產中等到了廣泛應用，被譽為當前農業(yè)技術的一次革命 。早在 1966 年，中國在新疆進行了膜下滴灌技術試驗，采用這項技術，僅新疆生產建設兵團農八師一年就節(jié)水 1.8×108m382。目前，膜下滴灌技術已經在中國海南 、廣西 、安徽 、湖北 、寧夏 、內蒙古 、遼寧 、黑龍江等省區(qū)開始推廣 。該項技術在中國累計推廣面積達 6.667×105hm2，節(jié)水 50%左右，節(jié)約灌溉用水成本 2.49 萬元 /hm283。膜下滴灌系統有效抑制了土壤的鹽堿化，使耕作層平均含鹽量降低 1.85%。采用這項技術還可提高肥效 30%40%，節(jié)省勞動力 50%83-84。但是，目前中國的膜下滴灌技術的配套技術還不完善，使用器材成本高 、壽命短，技術使用還不規(guī)范 。因此，進一步完善配套技術，降低使用成本，延長使用壽命，因地制宜地進行推廣，是進一步提高中國滴灌技術水平的重要發(fā)展方向 。5.2.2 微噴灌微噴灌技術是目前世界上對農作物進行水分調節(jié)的一項先進技術，主要適用于溫室蔬菜 、育苗 、花卉栽培或觀賞等對濕度有較高要求的作物85。該項技術灌水均勻，能有效省水 、省肥 、省時 、節(jié)能，還能控制地溫，保持大棚內溫 、濕度恒定，減少病蟲害發(fā)生，提高作物的產量與質量，在設施農業(yè)和特色農業(yè)種植中應大力推廣應用 。其中超微灌溉是微噴灌的一項新技術，利用微孔深灌將水分 、營養(yǎng)液直接輸送至作物根部，該系統可以根據作物的生長5農 業(yè)工程學報 （http:/www.tcsae.org） 2016 年規(guī)律進行供水，即按照指定的時間 、區(qū)域 、強度 、水量向作物供水，可節(jié)水 40%90%、節(jié)能 20%40%；降低化肥和農藥用量，減少環(huán)境污染，有利于土壤改良和作物生長86。5.3 水肥藥一體化灌溉技術水肥藥一體化灌溉技術是將灌溉與施肥 、施藥融為一體的先進灌溉技術，其核心技術是借助壓力灌溉系統將可溶性固體或液體肥料及農藥配兌而成的肥藥液與灌溉水一起均勻 、準確地輸送至作物根部土壤中，使根系同時吸收水分和養(yǎng)分87。目前大面積應用的水肥一體化模式是重力自壓式施肥法，主要應用于丘陵山地果園 、茶園 、林地等的施肥 。周亮亮等設計的基于模糊控制的自動灌溉施肥控制系統，通過智能控制灌溉施肥時間和施肥量，實現了節(jié)水和節(jié)肥灌溉88。李加念等設計了一種基于模糊控制 、采用粗細 2 級調節(jié)的控制策略的肥液自動混合裝置，最大濃度誤差為 0.04%89。至 2015 年，水肥一體化技術在中國的推廣面積將達 533.6 萬 hm2以上，可節(jié)水 50%以上，節(jié)肥 30%，提高糧食作物產量 20%，使經濟作物畝節(jié)本增收 600 元以上90。中國學者對水肥一體化系統的研究相比水肥藥一體化系統研究較多，但是，對于水肥藥一體化灌溉技術，中國目前沒有形成一套實用 、科學的產品 。灌溉 、施肥與施藥配合的自動化程度還很低，更沒有智能型交互式的控制系統 。鑒于此，何青海等91設計了一種由灌溉系統 、注肥系統 、注酸系統 、施藥系統 、混合系統及控制系統組成的基于模糊控制的水肥藥一體化系統，該系統既可以獨立進行灌溉 、灌溉施肥和灌溉施藥，也可以實現水肥藥一體化灌溉 。所設計的適用于營養(yǎng)液混合的模糊控制器保證了混肥精度和實時性，使肥料和藥液隨適量的灌水進入作物根系有效區(qū)域，減少了流失，有效提高了肥料和農藥的利用率，減少了環(huán)境污染 。綜上所述，相比傳統方式，水肥藥一體化技術在節(jié)水 、節(jié)肥 、增產 、省工省本 、提高經濟效益方面效果顯著 。據統計，在露天和設施栽培條件下采用該項技術，每平方米節(jié)水率可達 30%50%；節(jié)肥 40%50%?？墒构麍@增產 15%24%；節(jié)省投入 300400 元 /m2，增加收入 300600 元 /m2；使設施栽培增產 1728%，節(jié)省投入 400700 元 /m2，增加收入 1 0002 400 元 /m2，經濟效益明顯87。因此，水肥藥一體化是中國農業(yè)生產中的必然趨勢 。但是在中國，該項技術尚不成熟，提高灌溉 、施肥與施藥各環(huán)節(jié)配合的自動化程度，實現智能交互式控制以及提高混肥 、混藥精度，是該項技術應著重考慮和攻克的難題 。中國學者應在控制系統方面加強研究，以期在實現智能化控制的同時，提高各環(huán)節(jié)的配合程度 、自動化水平以及混肥和混藥精度 。6 結束語促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展是中國面臨的重要任務與挑戰(zhàn) 。提高農業(yè)機械化水平，對改善農業(yè)生產條件，提高農業(yè)生產力，增加農產品供給和農民收入，提高農業(yè)資源利用率，實現農業(yè)的現代化和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義92。世界上大多數發(fā)達國家在 20 世紀 60 年代先后實現了農業(yè)機械化，為實現農業(yè)資源的高效利用和農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用93。改革開放以來，中國農業(yè)機械化水平取得了長足的發(fā)展，為進一步發(fā)揮農業(yè)機械化在提高農業(yè)資源利用率 、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用，建議：1）進一步加強農機農藝融合，加強通過農業(yè)機械化提高土 、種 、肥 、藥 、水等農業(yè)資源高效利用的基礎理論研究，如合理耕層構建，最佳播種量的基礎研究，深施肥，高效施藥和高效用水；2）進一步加強提高土 、種 、肥 、藥 、水等農業(yè)資源高效利用的農業(yè)機械化關鍵技術研究，攻克土 、種 、肥 、藥 、水等高效利用所需的農情信息快速獲取技術以及精準耕整 、精準種植 、精準施肥 、精準施藥 、精準灌溉等關鍵技術；3）進一步加強提高土 、種 、肥 、藥 、水等農業(yè)資源高效利用的農業(yè)機械與裝備制造的自主創(chuàng)新能力；4）進一步加強農業(yè)機械化在提高土 、種 、肥 、藥 、水等農業(yè)資源高效利用技術的推廣應用 。參 考 文 獻 1 羅錫文 . 對加速我國農業(yè)機械化發(fā)展的思考 J. 農業(yè)工程 ,2011， 1(4): 1-8, 56.Luo Xiwen. Thoughts on accelerating the development ofagricultural mechanization in ChinaJ. Agricultural Egineering,2011,1(4): 1-8, 56.(i