提高农业机械化水平促进农业可持续发展_罗锡文.docx

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1、2 2 2 2 、 、 、 ： A ： , 、 ： ： ， % 3 ” 第 32 卷 2016 年 第 1 期 1 月 农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Vol.32 No.1 Jan. 2016 1 综合研究 关键技术 提高农业机械化水平促进农业可持续发展 罗锡文 1， ，廖 娟 1，胡 炼 1， ，臧 英 1， ，周志艳 1， （ 1. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642； 2. 南方粮油协同创新中心，长沙 410128） 摘 要 ：

2、在中国农业现代化建设中，影响农业资源可持续发展的主要因素是土 、 种 、 肥 、 药 、 水 。 精准耕整技术 、 精准播种技 术 精准施肥技术 精准施药技术和精准灌溉技术是提高农业资源利用率的几项关键技术 。 提高农业机械化水平，是促进农 业资源可持续发展的重要途径之一 。 该文介绍了提高农业资源利用率的机械化精准作业关键技术与机具 。 为了进一步发挥 农业机械化在提高农业资源利用率 促进农业可持续发展中的作用，该文建议：进一步加强农机农艺融合，加强相关基础理 论研究；进一步加强相关关键技术的研究；进一步加强相关机械与装备制造的自主创新能力；进一步加强推广应用 。 关键词 ： 农业机械；机械

3、化；可持续发展；农业资源利用率；农业可持续发展 doi 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001 中图分类号： S23 文献标志码： 文章编号： 1002-6819（ 2016） -01-0001-11 罗锡文 ， 廖 娟 ， 胡 炼 ， 臧 英 ， 周志艳 . 提高农业机械化水平促进农业可持续发展 J. 农业工程学报 ， 2016， 32 （ 01）： 1-11. doi 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001 http:/www.tcsae.org Luo Xiwen, Liao Juan, Hu lian, Zang

4、Ying, Zhou Zhiyan. Improving agricultural mechanization level to promote agricultural sustainable developmentJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE） 2016, 32 (01): 1 11. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.00

5、1 http:/www.tcsae.org 0 引 言 中国是一个农业大国，但不是农业强国 1。 发展高效 、 安全的现代生态农业是中国农业现代化建设 的重要目 标 。 在中国农业现代化建设中，影响农业资源可持续发展 的主要因素是土 、 种 、 肥 、 药 、 水 。 农业机械化是农业 现代 化的重要内容和标志之一 2，提 高农业机械化水平 ，是 促 进中国农业资源可持续发展的重要途径之一 3。 中国耕地普遍存在等级低 、 质量不高等问题，第 二次 全国土地调查的耕地质量结果显示，全国耕地平均质量 等别为 9.96 等（最 好为 1 等 ，最 差为 15 等），中 低等耕地 面积占 70.6%

6、，总体偏低 4。 主要表现在 5：耕作层变浅；部 分地区耕地土壤有机质下降；水土流失，次生 、 盐渍化 、 酸 化等问题严重，土壤污染问题突出 。 同时，有相当一部分 耕地地块零碎不规整，田块狭小 。 中国种子的优质品种少 、 播种量大 、 种子浪费等 问题 严重阻碍了中国农业的可持续发展 。 中国化肥总用量已达 5 700 万 t，居世界第一位 。 氮肥 当季利用率只有 30%35%左右，低于世界发达国家 20 个 百分点 6。 化肥的过度使用增加了农业生产成本，并造成 收稿日期： 2015-10-30 修订日期： 2015-12-16 基金项目：广东省自然科学基金项目（ 2015A0303

7、10292）；国家科技支撑计 划课题（ 2014BAD06B01）；广东省省级科技计划项目（ 2015B020206002） 作者简介：罗锡文（ 1945 ），男，湖南株洲人，中国工程院院士，教授，博士 生导师，主要从事农业机械化 农业电气化与自动化研究 。 广州 华南农 业大学工程学院， 510642。 Email 通信作者：胡炼（ 1984-），男，湖南长沙人，博士，主要从事农业机械化 、 农业电气化与自动化研究 。 广州 华南农业大学工程学院， 510642。 Email 了对环境的污染，是引起蔬菜品质下降 、 地下水硝酸盐积 累和水体富营养化的重要原因 。 中国农药利用率只有 30

8、%左右 2013 年中国商品农 药总量达 183 万 t，单位面积农药用量是美国的 2.3 倍，杀 虫剂用量是美国的 14.7 倍 ，若 不加以控制 ，到 2030 年农 药用量将达到 221 万 t7。 由于过度依赖农药，导致了病虫 草害产生抗药性，上世纪 4050 年代世界上抗性害虫 不 足 10 种，现在已发展到 700 多种 8。 农药的过度使用加重 了环境污染，目前农药污染土地面积超过 933 万 hm29，若 不加以控制，到 2030 年农药污染土地面积将增加 1 倍 。 农 产品污染加大，据农业部对全国 2 585 个蔬菜样品调查， 叶菜类 、 根菜类和瓜果类中硝酸盐超标率分别高

9、达 37%、 32%和 53%10。 水资源短缺已成为全球食物安全的主要制约 因素， 2030 年世界人口将达 83 亿 ，粮 食需求达 29 亿 t，按 现在 用水效率计算，农业灌溉用水需增加 30 （现为约 300 万 m），缺口达 75 万 m311。 由于水利工程与灌溉方式落后，中 国农业灌溉用水效率低 。 据统计，中国每年农业灌溉用水 总量在 3 600 亿 m3 左右，渠系利用系数只有 0.4 0.612。 中 国制定了 2030 年农业灌溉水利用率达到 0.60 以上的战 略目标，但在现有农业用水方式下大规模提 升用水效率 遇到了技术瓶颈 。 破解中国 “ 水危机 ” 、 突破粮

10、食增产 “ 水 瓶颈 的关键是提高农业用水效率 。 农业的可持续发展，归根结底是资源和环境的 可持 续发展，要促进农业可持续发展，必须以节约资源和保护 生态环境为前提 。 因此，中国面临提高农业资源利用率 、 促进农业可持续发展的重要任务与挑战 。 提高农业机械 化水平，对实现农业现代化 、 提高农业资源利用率和促进 、 、 、 （ （ ， 1 2 ， 3 5 、 、 、 ， 20 ； 12 1 4 ， 、 、 2 农业工程学报 （ http:/www.tcsae.org） 2016 年 农业可持续发展具有重要的意义 。 本文拟提出提高中国 农业机械化水平 、 促进农业可持续发展的战略性措 施

11、 从土 、 种 、 肥 、 药 、 水等方面着手，重点突破耕整 、 播 种 施肥 施药 灌溉等重要环节的机械化精准作业关键技 术与机具的研究，分析这几项关键技术的发展现状，指出 发展过程中存在的问题，提出解决这些问题的思路与方 法，以期为进一步提高中国农业机械化水平 、 促进农业可 持续发展提供重要战略指导 。 1 精准耕整 土地精准耕整是提高水 、 肥 、 药利用率 、 促进作物生 长 、 提高作物产量的重要途径 。 保护性耕作 、 深松和 激光 平地是土地耕整的 3 项关键技术 。 1.1 保护性耕作 中国水土流失严重，据统计，全国每年流失的表 土在 50 亿 m3 以上，风水蚀耕地面积约

12、 1 万 km213。 世界权威杂 志 科学 2004 年）曾经刊文 “ 土壤碳管理 ” Managing Soil Carbon）认为：农田翻耕导致了土壤的碳流失，同时加剧了 土壤侵蚀，保护性耕作可以有效减少土壤中碳的流失，增 加土壤肥力 。 保护性耕作（ conservation tillage CT）的主要特征是不 翻耕土地，在地表覆盖秸秆 14，在提升农田 土壤质量方面 主要表现在 15： ）减少土壤径流 。 相对于传统耕作，保护性 耕作可减少 40%以上土壤径流，在干旱年份可减少土壤径 流量达 60%； ）增加土壤有机质 。 长期实施保护性耕作，土 壤的有机质可年均增加 0.03 百

13、分点，土壤由 “ 黄 ” 变 “ 黑 ” 蚯蚓数量可达 30 条 /m2； ）减少水分蒸发 。 在冬小麦休闲期 实施保护性耕作相对传统耕作可减少水分蒸 发 19.7 mm； 4）减少 CO2 排放 。 实施保护性耕作，冬小麦季的 CO2 减排 可达 27.1%；） 增产效果明显 。 14 种作物产量数据中，有 13 种表现出了增产效果 。 其中，玉米增产 4.5%，小麦增产 7.6%，小杂粮增产 10.1%，大豆增产 18.7%16。 从 2005 年开始，中国连续 8 a 的中央一号文件都要 求发展保护性耕作 。 国务院 国家粮食安全中长期规划纲 要（ 2008 2020 年） 提出要 “

14、改进耕作方式，发展保护性耕 作 ” 。 农业部每年投入 3000 万元用于示范与推广保护性耕 作技术 。 国家发改委 环保部 水利部 林业部等都将保护 性耕作列为农业环境保护 、 农田减排 、 抗旱节水与防沙治 沙等的重要措施 。 至 2014 年底，中国保护性耕作实施面积超过了 860 万 hm217，占全国耕地面积的 6.4%。 中国粮食作物秸秆焚 烧产生的碳排放量约为 477 万 t18，按此比例估算，保护性 耕作每年可减少 30.5 万 t 由秸秆焚烧造成的碳排放量 。 如 果在全球推广应用保护性耕作，未来 10 a，将可以抵 消三 分之一左右来自燃油的碳排放 。 陈源泉等对不同地区的

15、 保护性耕种进行了大量的调查，结果显示，利用保护性耕 种技术可增加 7.1% 49.2%作物产量，降低 2.5% 66.9%生 产成本 19。 因此，保护性耕作在保护土壤 、 节约用水 、 节能 减排 、 节约成本等方面都有显著的效果，是应对中国农业 资源短缺和资源浪费的重要途径，应得到高度重视和大 面积推广 。 1.2 深松 深松作业是替代传统耕翻的一项 土地耕整技术 。 通 过疏松土壤，打破犁底层和加深耕作层改善土壤的透水 、 透气性能和团粒结构，使雨水更容易入渗到土壤中，从而 有利于作物根系的发育，提高蓄水保墒能力 。 国外的深松技术及机具研究始于 20 世纪 50 年代，欧 美等西方国

16、家的深松技术已经形成了相对完善的体系 20。 1995 年 Larson 和 Clyma 提出运用电渗技术对深松铲进 行减阻处理，在黏土中可减少 11%的耕种阻力 ，最大可减 少 39%的耕种阻力，降低约 32%的能耗 21。 国内 对深松理 论的研究始于 20 世纪 70 年代，并逐渐形 成了中国的 “ 深 松耕作法 ” 。 2004 年，吉林大学佟金教授发明了仿生减阻 深松铲，取得了良好的减阻效果 19。 中国农业机械化科学研究院在中低产田的试验表 明：相比未经深松的对照田，机械化深松田增产效果明显， 玉米 、 大豆 、 甜菜和马铃薯的平均增产与增产率分别为 ： 1 193 kg/hm2，

17、 % 269359 kg/hm2， %178%； 560 t/hm2， 358%； 034 kg/hm2 262%，深松还可提高灌溉用水 30%的 利用率 22。 目前 ，中 国深松技术仍面临减阻和防堵两大难题 ， 为此 ，深 入研究保护性耕作条件下的深松减阻和防堵技 术 ，是 中国保护性耕作机理研究 中亟待进一步突破的关 键技术 。 1.3 激光平地 农田表面平整度直接影响灌溉效 率和效果 。 由于农 田表面不平整导致的灌溉用水浪费率超过 20%，同时影响 作物生产 。 中国农业大学研制成功旱地激光平地机，其激 光发射器云台集成 JP3 激光扫平仪，能够形成带坡度的激 光平面 23。 中国水

18、稻生产中历来有 “ 寸水不过田 ” 的要求， 传统的人工平整 、 畜力平整 、 拖拉机平整和耕整机平整等 方法主要凭目测和经验，平整后高度差仍在 10 cm 以上， 且高度差与田块面积成正比 24。 为了解决水田精准平整的问题 ，华 南农业大学研制 成功 1PJ 系列水田激光平地机，鉴定结论为 “ 在水田平地 技术及机具领域居国际领先水平 ” 。 目前，主要有与东方 红 254 拖拉机 久保田 704 拖拉机 上海 50 拖拉机和雷沃 504 拖拉机配套的激光平地机 。 从 2006 年起，在国内 16 个省市进行了推广应用 。 结果表明，采用水田激光平地机 平地，平地精 度可达 3 cm，节

19、 约了灌溉用水 ，增 加了水稻 产量，经济效益和社会效益显著 25。 2 精准播种 2.1 玉米精准播种 中国的玉米种植面积不断扩大，至 2013 年，玉米已成 为中国第一大粮食作物 。 由于生产 、 经营模式的限制，目 前在中国的玉米种植过程中，资源利用率低 、 投入产出率 低，因此，当前的生产模式和经营模式亟待革新 。 目前，美国约翰迪尔 (John Deere)公司的玉米播种机和 德国亚马逊 (AMAZONE)公司的玉米播种机技术处于世界 领先水平，具有大型 、 宽幅 、 高速 、 机电液一体化和电子化 等特点，播种均匀一致 、 深浅一致 。 瑞士 V魧 DERSTAD 公 ， 、 、

20、8 、 1 2 、 、 磷 、 、 第 1 期 罗锡文等：提高农业机械化水平促进农业可持续发展 3 司的新型排种器采用机械式排种与正压压种相结合 ，有 效克服了在开始和结束时的漏播现象，对气压要求低，播 种效果好 。 吉林工业大学研制的 2BS-2 型玉米精密播种机基本 实现了单粒排种 26-27。 黑龙江八一农垦大学研制的棱锥形 孔排种部件，台架试 验空穴率为 1.67%，重 播率 4.67%，单 粒率达 93.67%28。 西北农林科技大学研制的 2FBJD-2 型 玉米半精密播种施水覆膜机 、 新疆地区的 2BCM-6 型茬 地免耕半精量播种机 、 中国农业大学研制的 2BML-2（ Z

21、） 型免耕精量播种机是目前中国比较先进的玉米精 密播 种机 26 29。 国内也开展了气力式播种机的研究 ，并 研制了多种 气力式精密播种机 。 中国农业大学研制了 3 种气力式玉 米精量播种机，其中 2BMF-4 型气吹式免耕玉米精量播种 机 在 作 业 速 度 6 km/h 时 ， 播 种 合 格 率 达 95% 以 上 30。 2BYQC-7 型气吸式玉米精量播种机在作业速度 9 km/h 时，播种合格率达 93%以上 31。 沈阳市通用长青机械厂的 2BQM-3 型免耕施肥气吸精密播种机，可进行玉米等作物 的单粒全株距 、 单粒半株距穴播或条播作业 32。 农哈哈集 团的 2BYQF-

22、4 玉米气吸播种机可实现单粒精播 33。 玉米实现精准播种可以节省种子 4045 kg/hm2，还可 以节省或完全省去间苗时间，保证作物苗齐 苗壮，营养合 理，植株个体发育健壮，群体长势均衡 ，增产效 果显著 34， 是保证丰产丰收的前提 。 总体来看，玉米气力式播种机在 中国发展较晚，大部分从国外引进或改造，而且只适用于 小区域作业 。 因此，研制先进适用的玉米精密播种技术， 完善与之配套的农艺措施，是当前玉米生产发展的重要 方向 。 2.2 水稻精量穴播 目前中国采用直播方式的水稻种植面积约 占 30%左 右，以人工撒播为主 35-36。 采用人工撒播方式种植的水稻 生长无序 、 疏密不匀

23、，因此，通风透气性差 、 易受病虫害侵 害 、 抗倒伏性差 。 为了解决人工撒播存在的问题，华南农 业大学在水 稻精量穴播技术和机具研究方面取得了 重 大 突破，研制成功 2BD 系列水稻精量穴播机 ，可 同步开沟 、 起垄和播种，实现了精量播种和节水 栽培 37，并 有效提高 了水稻的抗倒伏性 。 该研究成果的鉴定结论为 “ 在水稻水 直播机械研究领域居国际领先水平 ” 。 从 2006 年起，在国 内 24 个省（区）及老挝 、 缅甸 、 泰国 、 越南和柬埔 寨进行了 推广应用，结果表明，精量穴播比人工撒播 人工抛秧和人 工插秧可分别增产 10%、 %和 6%以上，每公顷节约成本分 别为

24、 750 1124 和 1874 元，可节省水稻生产用水 30%以上 和减少甲烷排放 10%以上 。 2013 年和 2014 年新疆精量穴 播的水稻连续两年产量超过 15 t/hm238。 3 精准施肥 3.1 农田养分信息快速获取 土壤养分测量是实施精准施 肥（主 要是基 肥）的 前 提 39，施肥前对土壤中的养分情况了解不够 ，未能做 到按 需施肥，是农业生产中肥料利用率低的一个很重要的原 因 。 目前采用的土壤测量仪器主要有 3 类 40： ）基于光电 分色等传统养分速测技术的土壤养分速测仪； ）基于近红 外技 术（ NIR）通 过土壤或作物叶面反射光谱特性直接或 间接进行农田肥力水平

25、快速评估的仪器； 3） 基于离子选 择场效应晶体 管（ ISFET）集 成元件的土壤主要矿物元素 含量测量仪器 。 中国农业大学设计了土壤养分测量传感 器，浙江大学研究了农田土壤有机质和氮素快速测定 方 法与仪器 41。 华南农业大学研制了机载 GPS 土壤自动取样 装置，可绘制氮 、 磷 、 钾 pH 值和有机质的分布图，为 测土 配方施肥提供准确的田间土壤肥力分布情况 ，为 指导按 需施肥提供依据 38。 3.2 测土配方施肥 测土配方施肥是以土壤养分测量和 肥料田间试验为 基础，综合专家知识，根据土壤供肥性能 作物需肥规律与 肥料效应，在施肥前确定氮 、 钾及微肥的适宜用量与比 例，是提

26、高肥料利用率的措施之一 42。 目前国内用于测土 配方施肥的土壤养分测试方法包 括 ASI 法 M3 浸提剂和 AB -DTPA 浸提剂 43。 为了提 高土壤养分测试效率 ，在 引 进国外先进技术的基础上 ，中 国农科院土壤研究所经过 十几年的研究 ，形 成了适应于中国大部分地区土壤使用 情况的批量化前期处理技术 、 专业化测试技术 、 自动化 的数据采集技术和程序化的推荐施肥技术 ，这 一套技术 不仅大大提高了中国测土配 方施肥的分析效率和降低 了成本 ，而 且提高了测试精度 ，是 目前中国先进的测土 配方技 术 44。 3.3 同步播种施肥 播种时同步深施缓释肥或控释肥是提高肥料利用 率

27、 、 减少施肥次数和降低生产成本的有效方法 。 目前，同 步（深）施肥播种机具已实现在旱作作物生产中的应用 45， 但水田作业时难以在机械播种或插秧时同步深施肥料 。 基于此，华南农业大学研究成功同步开沟起垄施肥水稻 精量穴播技术，研制了同步开沟起垄施肥水稻精量穴播 机，可在播种时将肥料施 于田面下 10 cm 处，有利于根系 吸收和水稻生长，可减少肥料用量 30%以上，提高产量 10%以上，达到了高 效 、 增产 、 节肥 、 节水和减少田间甲烷 排放量的目的 46。 中国农业机械化科学研究院研制的小麦 变量免耕施肥播种机和黑龙江八一农垦大 学研制 的大豆 变量施肥播种机也取得了良好的效果

28、。 3.4 作物养分信息快速获取 要实现作物生长期间的精准施肥（追肥），在施肥前准 确地获取作物养分信息是前提 。 作物养分生理指标检测的传统方法是化学 分析法， 该方法准确性较高，但是成本也高，耗时长，操作复杂，且 容易造成环境污染 47。 光谱和成像技术可快速无损地获取 作物的养分生理信息，因而得到了广泛的研究与应用 。 光谱 检测技术主要有近红外光谱和多光谱成像检测技术 48-49。 南 京农业大学研制成功 CGMD302 作物生长监测诊断仪 。 浙 江大学邵泳妮结合光谱技术与多光谱成像 技术采 集水稻 生长和生理信息，用于检测和诊断水稻品质信息 、 养分需 求信息和病虫害信息 50。

29、目前作物养分信息快速获取技术仍 是实现精准施肥 的瓶颈技术，该技术依然停留在实验室研究阶段 。 在以后 、 、 。 “ 55 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 4 农业工程学报 （ http:/www.tcsae.org） 2016 年 的发展中，应更加注重田间应用，研究出方便 快捷 准确 、 可靠的作物养分信息获取技术与设备 。 3.5 精准施肥 传统的施肥量确定方法主要有养分 平衡法和肥料效 应函数法 51，不同作物或同一作物不同生长期对养分需求 的差异很大，难以采用同一施肥模型进行精准施肥的指 导 。 研究发现基于神经网络的施肥模型和组合预测模型 可以很好地解决传统施肥

30、量确定方法中存在的问题 52。 苏 恒强等建立的玉米施肥组合预测模型显著 地提高 了预测 精度 53。 与此同时，学者们还建立了不同作物的精准施肥 专家系统 。 于合龙等建立了玉米精准施肥数据库，提高了玉 米精准施肥系统的开发效率 54 许鑫等基于测土配方施肥技 术构建了 基于 WebGIS 的小麦精准施肥决策系统 ” 。 国家 农业信息化工程技术研究中心研制成功基于 GPS 的精准 农业变量施肥控制系统，施肥误差 5%56。 中国农业机械 化科学研究院研制的自动配肥施肥机采用 多种肥 料实时 在线配比，取得了很好的效果 57。 目前，中国在精准施肥网格识别 信息系统 养分管理 施肥模型和专家

31、系统等研究中取得了一些成果 ，但 还没 有形成完善的精准施肥技术体系 。 因此，建立完善且便于 使用的精准施肥技术体系，是中国现阶段施肥技术要解 决的重点和难点 。 4 精准施药 4.1 作物病虫草害信息快速获取 作物病虫草害信息的快速获取是精准施药的 前提 。 传统的病虫草害信息获取采用人工调 查方法以判 断作物 危害等级，存在主观性强 工作量大 覆盖范围小 效率低 、 成本高等缺点，难以达到精准农业技术对作物 病虫害信 息快速获取的要求 58。 近年来，随着科学技术的发展，光谱 分析技术 、 计算机图像处理技术以及光谱视觉 技术在作 物病虫害检测研究中得到了广泛的应用，成为病虫害检 测的有

32、效方法和重要手段 。 多光谱成像技术可同时从光谱维和 空间维获取被测 目标的信息 59。 Leckie 等 60分析了蚜虫对松树的侵害程度 。 Tian Youwen 等在温室环境条件下，利用多光谱成像技术 分析了稻叶瘟病情 61。 吉林大学和华南农业大学 采用 MS3100 多光谱摄像机对水稻苗期稻瘟病中度感性识别 准确率达 96.8%62。 国内外高光谱成像技术主要集中在 高空卫星遥感监 控农作物虫害的发生程度，近地对作物虫害早期检测的 应用不多 。 张东彦等采集了受病虫害 养分胁迫的小麦叶 片进行高光谱图像分析，在 2 nm 光谱分辨率和毫米级空 间分辨率的条件下，得到了感染面积对小麦叶

33、片的定量 定性影响程度的结果 63。 蒋金豹等运用一阶微分最大值法 和 Cho and Skidmore 方法实现了提 前 12 d 进行受条锈病 胁迫小麦识别的可能性 64。 可见光成像技术检测速度快 、 精度高，在作物病 虫害 检测和识别中得到了广泛应用 。 Paul Boissard 等 65利用计 算机视觉系统检测受粉虱侵袭的玫瑰叶片 ，统 计烟粉虱 的数量，并结合人工智能对图像进行分析与处理，实现了 烟粉虱侵袭初期的准确识别 。 中国农业机械化科学研究 院利用超低空飞行的直升机获取作物图像信息 ，研 制了 一种超低空田间信息获取平台 。 综上所述，通过获取作物的光谱数据，可建立 作物

34、光 谱特性和虫害类别和程度之间的关系，从而根据光谱特 性推算虫害类别 密度 分布 发生程度等信息 。 但在大田 环境中，光谱技术信号容易受到干扰，且光谱技术仅能提 供小区域的检测对象信息，缺少对象的空间信息 。 可见光 成像技术主要分析图像的可见光信息，信息量有限，且信 息提取效率比较低 。 多光谱成像技术目前仍处于初始开 发阶段，但该技术可同时采集可见光谱和红外光谱等波 段的数字图像，弥补了光谱仪抗干扰能力较弱和 RGB 图 像波段感受范围窄的缺点，是一种实时 高效 准确的病虫 害检测技术，以其快捷 、 方便 、 实时 、 准确 、 客观的优点，可 望成为病虫害识别与检测领域新技术研究的一大

35、热点 。 4.2 高地隙宽幅精准喷施技术与机具 传统拖拉机的底盘相对较低，难以进行玉米 、 甘蔗等 高秆作物中后期病虫害的施药防治，已成为影响中国高 秆经济作物生产的主要 瓶颈 66。 高地隙喷 药机离地间隙 高 、 通过性能好，能够有效地解决高秆作物中后期的施药 难题 。 国外高地隙喷药机的研究始于 20 世纪五六十年代 67。 美国的 Amazone 大型喷雾机最高离地间隙可达 2 m，幅宽 可达 39 m，可实现基于作物生长 病虫害状况的变量喷药 68。 美国 John Deere 公司生产的 JD4730 型自走式喷药机具 有良好的可靠性和稳定性 ，配 备欧洲 “ Green Star

36、” 施药系 统，采用卫星定位追踪 、 自主导航及变量施药方式进行作 业，保证了高精度施药性能 69。 美国 Case Corp 公司生产的 SPX315 喷药机采用脉冲电磁阀控制施药喷头，通过流量 控制器和系统压力控制药滴数量和尺寸，实现精准喷施 。 丹麦 Hardy 公司生产的 Alpha 4100 型自走式施药机 ，在 保证单位面积施药量的基础上，合理地控制农药喷施，提 高了农药利用率，减少了浪费 70。 中国高地隙喷药机的研究始于 20 世纪 90 年代中 后 期 。 目前，国内生产厂家主要致力于优化喷药机的结构设 计，取得了较大的进展 。 山东亚泰机械制造有限公司研制 的 3WZC-1

37、50 型四轮轮距可伸缩式高地隙自走式喷药 机，能适应不同区域高秆作物的农药喷施作业，施药系统 采用吸附式防滴喷头，以减少农药浪费 71。 黑龙江富锦永 兴喷药机械厂生产的四轮自走式喷药机，药箱增加了回 水搅拌系统以防止药液沉积，喷杆为 5 段折叠式，且喷施 高度可调，幅宽 8 m，防治效率可达 2.4 hm2/h。 黑龙江齐齐 哈尔华宇农机厂生产的三轮自走式高地隙喷药机，最大喷 幅 6.5 m，架体升降行程 0.42.6 m，整车离地高度 1.6 m，结 构简单 经济适用，尤其适用于小型农场和农民家庭 72。 中国农业机械化科学研究院研制的 大型智能化变量 喷药机，采用多路关联式喷雾量反馈精准

38、控制技术和基 于计算机视觉的杂草自动识别技术，实现了智能作业 。 华 南农业大学与福田雷沃国际重工股份有限 公司联 合研制 了高地隙宽幅水田喷雾机，采用雷沃 M700H 型拖拉机加 装高地隙水田铁轮和喷 雾系 统 ，离 地间隙 1 m，作 业幅宽 、 、 、 、 、 、 、 1 3 4 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 第 1 期 罗锡文等：提高农业机械化水平促进农业可持续发展 5 12 m73。 从上述分析可见，国外喷药机技术先进 工作可靠，但 价格昂贵 专用性强 使用维修不便；国内喷药机使用维修 方便，但可靠性较差 自动化程度低 。 因此，应结合国

39、内外 各种机型的优势弥补中国现有技术的不足，研制成本低 、 适应性强 、 使用维修方便 、 可靠性高 、 稳定性好 、 自动化程 度高的高地隙精准喷施机具 。 4.3 农业航空喷施 农业航空植保作业效率高 、 防治能力强 、 能应 对突发 和爆发性病虫害，可在作物不同生长 时期 下田作业 70，是 中国建设高效 安全的现代农业中的重要发展方向 。 世界农业航空始于 1918 年，美国第一次采用飞机喷 洒农药灭棉虫 。 目前，从世界范围看，美国 、 俄罗斯 、 澳大 利亚 、 加拿大 、 巴西 、 日本 、 韩国等国家的农业航空技术起 步较早，航空施药作业规范齐全，施药配套部件完善，可满 足不同

40、作业要求 。 美国主要采用有人驾驶固定翼飞机进 行肥料 农药 除草剂等喷施作业；日本则主要采用无人机 进行喷药 。 中国农业航空作业始于 1951 年 5 月，中国民航 广州管理处采用一架 C-46 型飞机在广州市区执 行了 41 架次灭蚊蝇飞行任务 。 目前，中国农业航空作业量逐年增 加，作业领域逐渐扩大，除对粮食作物 、 园艺作物 、 经济作 物施药外，还开展了植物生长授粉等作业 74。 与传统施药方式相比，应用农业航空植保技术进行 植保作业，能够有效提高中国农作物病虫害防治机械化 水平 ，提 高作业效率 15%35%；提 高农业资源利用率 ，降 低生产成本约 105 元 /hm2；增 强

41、农业抗风险能力 ，减 少突 发性大面积病虫害带来的损失；缓解农村劳动力短缺；对 保障国家粮食安全 、 生态安全具有十分重要的意义 75。 但 是，目前中国农业航空事业存在 4 个亟待解决的问题： ） 明确中国农业航空的主管部门 。 2）制定中国农业航空的 技术标准 。 ）攻克中国农业航空的核心技术 。 ）出台扶持 中国农业航空发展的相关政策 。 为促进中国农业航空植保技术健康有序地发展 ，应 结合中国农业航空的发展现状，通过政府 、 企业以及科研 部门的共同努力，从政策 资金 人才以及核心技术等方面 着手 ，出 台相关政策 ，加 强管理和规范 ；加 大资金投入力 度，发展多机型 、 多模式的作

42、业方式，因地选型，提高航空 植保作业的适应能力；加强培养中国农用航空植保技术 的专业性及综合性人才；加强配套核心科学技术的研究 与攻关 。 通过多方面努力，以期使农业航空植保事业为推 进中国农业现代化进程 、 提高农业机械化水 平和促进农 业可持续发展作出更大的贡献 。 5 精准灌溉 水资源短缺是制约中国农业发展的重要因素 ，当前， 中国迫切需要解决农业节水问题 。 准确掌握田间水层高 度和土壤含水率，实现精准灌溉，是合理利用水资源，减少 水资源浪费，保证农作物高产 稳产，促进农业可持续发展 的重要前提和有效措施 。 5.1 田间水分信息快速获取 由于作物不同生长期的需水量不同 ，作 物不同生

43、长 阶段对灌水排水的要求差异很大 。 要实现科学合理的灌 水与排水，获取田间水分信息是基础 。 FDR（频域反射法） TDR（时域反射法）和 SWR（驻波 率法）是国内外常用的土壤含水率检测方法 。 前两者测量 精度比较高 ，但 是成本也高 ， 需数千至数万美元一台 。 SWR 在小区域内应用具有成本低的优势，但在大区域应 用时成本依然偏高 76。 目前大部分水分传感器还不能实现 基于网络进行连续测量，且能耗过高 77。 针对这些问题，中国农业大学研制了车载式和田间 移动式土壤水分 压实复合传感器 。 华南农业大学研制了 基 于无线网络的水层高度及土壤含水率传感器 ，可 在稻 田有水时测定水层

44、深度，无水层时测定土壤含水率，测量 误差在 5%以内 78。 但是其节点寿命不够长，且应用规模还 比较小 。 因此，在田间水分信息快速获取无线传感器网络 技术方面，仍需要在传感器能源 传输协议以及协调簇首 、 基站 、 短信网关 、 计算机控制中心等角色的拓扑模型和体 系结构等方面进行深入研究 79，研 制使用寿 命长 、 生产成 本低 传输距离远 测量范围广 适应性强的田间水分信息 快速获取装置 。 5.2 滴灌 微喷灌 农业灌溉是通过人工或自动控制方式进行灌溉 ，为 作物生长营造适宜的水环境 80。 中国传统的灌溉方式用水 量大，造成了严重的水资源浪费 81。 采用如滴灌和微喷灌 的先进灌

45、溉方式是减少农业灌溉用水浪费的有效手段 。 5.2.1 滴灌 滴灌是目前世界上较为先进的灌 溉技术 。 是实现节 水 、 节肥 、 增产 、 提高劳动效率 、 改善土壤质量等的有效手 段，在中国大田作物生产中等到了广泛应用，被誉为当前 农业技术的一次革命 。 早在 1966 年，中国在新疆进行了膜 下滴灌技术试验，采用这项技术，仅新疆生产建设兵团农 八师一年就节水 1.8108 m382。 目前，膜下滴灌技术已经在 中国海南 广西 安徽 湖北 宁夏 内蒙古 辽宁 黑龙江等 省区开始推广 。 该项技术在中国累计推广面 积达 6.667 105 hm2，节水 50%左右，节约灌溉用水成本 2.49

46、 万元 /hm283。 膜下滴灌系统有效抑制了土壤的盐碱化，使耕作层平均 含盐量降低 1.85%。 采用这项技术还可提高肥效 30% 40%，节省劳动力 50%83-84。 但是，目前中国的膜下滴灌技术的配套技术还不完 善，使用器材成本高 、 寿命短，技术使用还不规范 。 因此， 进一步完善配套技术，降低使用成本，延长使用寿命，因地 制宜地进行推广，是进一步提高中国滴灌技 术水平的重 要发展方向 。 5.2.2 微喷灌 微喷灌技术是目前世界上对农作物 进行水分调节的 一项先进技术，主要适用于温室蔬菜 育苗 花卉栽培或观 赏等对湿度有较高要求的作物 85。 该项技术灌水均匀，能 有效省水 、 省肥 、 省时 、 节能 ，还 能控制地温 ，保 持大棚内 温 、 湿度恒定，减少病虫害发生，