幾種物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及展望

武煥濤

幾種物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及展望

武煥濤

（荊楚理工學(xué)院湖北荊門448000）

我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求較高。物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，可以有效提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。文章探討了光電、電磁、力學(xué)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用及未來(lái)的展望。

光電；電磁；力學(xué)；物理技術(shù)；農(nóng)業(yè)

1 光電方面

1.1 光電方面的應(yīng)用

光伏在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用一直是一個(gè)熱點(diǎn)方向。如今應(yīng)用場(chǎng)景豐富多彩，常見光伏+農(nóng)業(yè)的應(yīng)用方式有以下幾種。

1.1.1 菌菇光伏模式

利用菌菇喜陰、生長(zhǎng)環(huán)境潮濕的特點(diǎn)，利用光伏建菌菇大棚是較常見的一種模式。光伏大棚發(fā)出的電不僅可以分?jǐn)傔@部分電費(fèi)，剩下的還可以余電上網(wǎng)。

1.1.2 蔬菜、瓜果光伏大棚

如今的生活水平越來(lái)越高，一些瓜果蔬菜一年四季存在，這些都產(chǎn)自于大棚。大棚的種類有：封閉式連體連棟大棚、封閉式單體大棚、敞開式單體大棚。敞開式大棚在北方得到發(fā)展，由于敞開式大棚的架子正好適合一些作物的生長(zhǎng)，于是可以降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在很多光伏電站，特別是在河北，如果不結(jié)合農(nóng)業(yè)，可能地面電站很難批，這就恰好可以在農(nóng)業(yè)方面做一些探索。

1.1.3 漁光互補(bǔ)

農(nóng)場(chǎng)如果有湖泊、河流、池塘，還可以采取漁光互補(bǔ)的方式，水上發(fā)電、水下養(yǎng)殖。水面上方有光伏板的遮擋，養(yǎng)殖周期還可以延長(zhǎng)，減少夏季魚蝦被曬死的概率。漁光互補(bǔ)的好處：給當(dāng)?shù)氐臐O民帶來(lái)額外的光伏發(fā)電收益，解決發(fā)電問題。減少水面植物光合作用，提高水質(zhì)；降低水面溫度，減少水分蒸發(fā)。所以，農(nóng)場(chǎng)不僅可以安裝光伏，而且應(yīng)用的模式還不少，不僅有農(nóng)場(chǎng)自身的產(chǎn)品收益，還能帶來(lái)發(fā)電產(chǎn)生的收益，可謂是好處多多。

1.2 分析及展望

其中光伏大棚、光伏農(nóng)業(yè)溫室是熱點(diǎn)研究方向。與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)溫室（大棚）結(jié)合，確實(shí)很難見到收益，棚頂?shù)墓夥蹇赡苁窍旅娴氖卟说膸资对靸r(jià)，大棚內(nèi)種的東西反而成了陪襯。在我國(guó)臺(tái)灣、河北、山東（壽光）等地確實(shí)有一些實(shí)踐項(xiàng)目取得了不錯(cuò)的成果。

從農(nóng)業(yè)的角度分析，植物并不需要在有太陽(yáng)的時(shí)候都照到太陽(yáng)，一般照幾個(gè)小時(shí)就夠滿足生長(zhǎng)需要的光合作用，另外大棚并不一定蓋在棚頂上擋住農(nóng)作物，追光系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)能夠使大棚內(nèi)的植物在一天之內(nèi)得到一定時(shí)間的照射要求。另外，可在大棚內(nèi)種植厭光植物，如蘑菇，也是一種選擇?，F(xiàn)在推行“分布式”項(xiàng)目追求發(fā)電量，最終效益更好。就像BIPV(光伏建筑一體化)，考慮的不只光伏幕墻等光伏產(chǎn)品。建筑設(shè)計(jì)、美觀程度也需要考慮。光伏大棚也不但需要考慮棚頂?shù)墓夥娬?，同時(shí)還需要棚內(nèi)種的東西、大棚結(jié)構(gòu)，農(nóng)作物的銷路等問題。另外，光伏與農(nóng)業(yè)的配合也將不僅局限于大棚。國(guó)內(nèi)光伏電站的發(fā)展終將受在可鋪設(shè)電池板的空間場(chǎng)地制約如用于地面電站的荒坡、灘涂、用于分布式項(xiàng)目的屋頂。雖然理論上可鋪設(shè)面積是很大的，但是受制施工成本、接入點(diǎn)距離、產(chǎn)權(quán)問題、土地性質(zhì)，屋頂?shù)某兄兀蓓斚鹿こ痰倪\(yùn)營(yíng)能力、交電費(fèi)能力，優(yōu)質(zhì)的項(xiàng)目地非常有限。

但是“光伏+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”的模式也有如下的剛性需求的推動(dòng)：生態(tài)農(nóng)業(yè)、食品安全為高端農(nóng)作物的種植與銷路帶來(lái)了機(jī)會(huì)。我們也在大超市里看到有部分區(qū)域賣比別的菜貴三四倍的有機(jī)蔬菜，可見也有人買。農(nóng)民如果可以用自己僅有的資產(chǎn)，土地來(lái)養(yǎng)活自己家人并且還略有富余，也能推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。

此外，光伏發(fā)電是未來(lái)十年新能源發(fā)展和應(yīng)用的主力，隨著人類對(duì)綠色能源的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，光伏發(fā)電會(huì)推動(dòng)大批光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)誕生，并能提供大量的就業(yè)崗位。目前各地高校也有專門的專業(yè)培養(yǎng)相關(guān)人才，物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)的發(fā)展上越來(lái)越成熟，行業(yè)發(fā)展成熟指日可待。

2 電磁方面

遙感技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。遙感是20 世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)，是應(yīng)用探測(cè)器，不與探測(cè)目標(biāo)相接觸而從遠(yuǎn)處把目標(biāo)的電磁波特性記錄下來(lái)，通過(guò)分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測(cè)技術(shù)。作物長(zhǎng)勢(shì)信息反映作物生長(zhǎng)的狀況和趨勢(shì)，是農(nóng)情信息的重要組成部分。遙感技術(shù)具有宏觀、適時(shí)和動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行作物的監(jiān)測(cè)是目前應(yīng)用成熟的技術(shù)。遙感監(jiān)測(cè)能夠時(shí)刻準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到作物的發(fā)展?fàn)顩r，一旦發(fā)現(xiàn)問題可以快速及時(shí)地解決，避免不少損失，使國(guó)家更好地發(fā)展。

2.1 電磁方面的應(yīng)用

2.1.1 農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

作物長(zhǎng)勢(shì)受到光、溫、土壤、水、氣（CO2）、肥、病蟲害、災(zāi)害性天氣、管理措施等諸多因素的影響，是多因素綜合作用的結(jié)果。在作物生長(zhǎng)早期主要是為了反映作物苗情的好壞，在作物生長(zhǎng)的中后期反映了作物生長(zhǎng)形式和產(chǎn)量的多少。作物的成長(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的生理生態(tài)過(guò)程啊。遙感技術(shù)通過(guò)作物的一些生長(zhǎng)特征來(lái)進(jìn)行表現(xiàn)。

2.1.2 農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)方法

農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和過(guò)程監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是利用實(shí)時(shí)NDVI圖像來(lái)進(jìn)行表現(xiàn)，通過(guò)與去年或者是多年的平均值與某一年進(jìn)行對(duì)比來(lái)反映作物的生長(zhǎng)。過(guò)程監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)的過(guò)程，通過(guò)持續(xù)nDVI圖像來(lái)構(gòu)建作物的生長(zhǎng)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程是隨著時(shí)間變化來(lái)監(jiān)測(cè)的，在生產(chǎn)期內(nèi)監(jiān)測(cè)人員通過(guò)衛(wèi)星的綠度值來(lái)判斷作物的展示。衛(wèi)星可以準(zhǔn)確無(wú)誤的記錄錯(cuò)誤的一些數(shù)量值，監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)這些數(shù)值構(gòu)建時(shí)間變化曲線和與歷年的進(jìn)行比較，比如高產(chǎn)年低產(chǎn)年等。通過(guò)這些圖像，監(jiān)測(cè)人員可以對(duì)作物的生產(chǎn)情況和產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)估[2]。

2.2 未來(lái)前景與發(fā)展

主要有以下幾個(gè)方面：（1）未來(lái)的衛(wèi)星將具有更好的空間和光譜分辨率。發(fā)射更多的衛(wèi)星也將提高時(shí)間分辨率；（2）遙感數(shù)據(jù)交付給客戶的時(shí)間將會(huì)改善。我們有一天會(huì)有實(shí)時(shí)的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)；（3）大學(xué)研究將更多地關(guān)注土壤和作物變化的誘因，以判斷變化。也會(huì)更加重視從大學(xué)到商業(yè)農(nóng)業(yè)企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)移；（4）決策支持系統(tǒng)將成為將收集的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為農(nóng)民及詳細(xì)管理建議的主要環(huán)節(jié)。決策支持系統(tǒng)將為農(nóng)民增加遙感數(shù)據(jù)的最大價(jià)值；（5）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)遙感的未來(lái)將取決于最終用戶農(nóng)民的需求?，F(xiàn)在，農(nóng)業(yè)用遙感仍處于商業(yè)發(fā)展的早期階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)利益尚未得到證實(shí)；（6）遙感數(shù)據(jù)和與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)的其他系統(tǒng)的成本將下降到符合收益。隨著越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)信息技術(shù)公司進(jìn)入市場(chǎng)，未來(lái)可能會(huì)發(fā)生這種情況。

3 力學(xué)

3.1 力學(xué)方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中涉及的農(nóng)具多種多樣、紛繁復(fù)雜，文章僅選取5種加以介紹，為了增加行文的科學(xué)性，分別命名如下：（1）可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專用鐮刀；（2）基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車技術(shù)；（3）基于渦流效應(yīng)的除塵去雜質(zhì)簸箕；（4）自適應(yīng)01 開關(guān)控制下的活塞式風(fēng)箱；（5）循環(huán)沖擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術(shù)。

3.1.1 可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專用鐮刀

可拆卸式復(fù)雜曲線割麥專用鐮刀，因其形似胳膊肘，俗稱“肘肘”，是小麥?zhǔn)崭钸^(guò)程中使用的專用鐮刀，在小麥?zhǔn)崭钸^(guò)程中，鐮刀面臨著麥稈干硬、收割強(qiáng)度大、使用時(shí)間集中等苛刻服役環(huán)境，這些不利因素對(duì)鐮刀刀刃的硬度提出了嚴(yán)苛要求，限于傳統(tǒng)加工水平及經(jīng)濟(jì)條件，一般采用含碳量較高的硬脆鋼制造刀片。即使如此，割麥過(guò)程中刀刃磨損依然很快（一般4 ~ 5個(gè)小時(shí)即需要打磨刃片），整體服役壽命一般僅為1 ~ 2季。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時(shí)也會(huì)淘汰掉服役狀態(tài)良好的刀把，顯然會(huì)造成極大浪費(fèi)。因此，可拆卸式的構(gòu)型可以兼顧經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)效率。

刀把設(shè)計(jì)為曲線主要原因有兩點(diǎn)：提高刀把末端的施力點(diǎn)以緩解疲勞。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要求收割的麥稈越長(zhǎng)越好，換言之，留在地里的麥茬越短越好。前者是因?yàn)辂湺捒梢宰鳛樯诘娘暳?，后者則是為接下來(lái)播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時(shí)要求刀刃越低越好。顯然，對(duì)直線刀把而言，割麥人就需要最大限度地彎腿彎腰，在夏季烈日暴曬的環(huán)境下，極易疲勞。顯然，刀把設(shè)計(jì)為曲線時(shí)，可顯著提高刀把末端施力點(diǎn)，使割麥人腿部較為舒展，從而有利于緩解割麥人的疲勞。割麥過(guò)程中，采用可拆卸式復(fù)雜曲線專用鐮刀，既兼顧了經(jīng)濟(jì)性與高效性，又有利于緩解割麥人的疲勞并保證其在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)割麥動(dòng)作中的安全。

3.1.2 基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車技術(shù)

小麥?zhǔn)崭钔戤吅?，需要把麥捆運(yùn)送到打麥場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)“碾場(chǎng)”“揚(yáng)場(chǎng)”、晾曬等一系列工序，才能顆粒歸倉(cāng)。運(yùn)輸過(guò)程就需要用到架子車，堆積起來(lái)的麥捆需要用繩索綁緊方能運(yùn)輸，那么，麥捆“頭對(duì)頭”的裝車方式（兩排麥捆以麥穗朝里、麥茬朝外的方式碼放堆積），怎么才能方便可靠地實(shí)現(xiàn)綁緊呢？一般情況下，假設(shè)一個(gè)65 kg級(jí)普通成年男子雙臂最大可以提供40 kg的拉力，那就意味著如果直接用雙手拽緊繩索，所提供的綁緊力必然小于40 kg，這在實(shí)際運(yùn)輸中遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其在山路崎嶇、架子車顛簸十分嚴(yán)重的情況下。因此必須開發(fā)一種綁緊力足夠大，同時(shí)操作又足夠簡(jiǎn)單的綁緊方法。

實(shí)踐中，農(nóng)民采用的裝車方法十分簡(jiǎn)單，在車頂通過(guò)三角形木套形成一個(gè)滑動(dòng)定滑輪；在繩索的一端，套上一尖端為楔形的木棒，將尖端插入麥捆，沿虛線箭頭方向從另一端向下壓木棒，即可將繩索拉緊。根據(jù)杠桿原理，可以產(chǎn)生遠(yuǎn)大于成年男子臂力的拉緊力。繩索拉緊后，將木棒順勢(shì)插入麥捆內(nèi)部，自然形成一個(gè)自鎖機(jī)構(gòu)，且綁緊力越大，自鎖效應(yīng)越強(qiáng)。另一方面，不論是裝車時(shí)木棒插入麥捆，還是卸車時(shí)木棒拔出麥捆，均只需克服較低的摩擦力，操作十分簡(jiǎn)單。

顯然，該方法巧妙地實(shí)現(xiàn)了四兩撥千斤的力學(xué)放大效果以及綁緊后的自鎖效果，且操作十分便利，堪稱以人力為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中的最優(yōu)解，是傳統(tǒng)農(nóng)村成年男子的必備技能之一。

3.2 未來(lái)及展望

文章介紹了幾種典型農(nóng)具使用過(guò)程中的力學(xué)原理，結(jié)果表明，傳統(tǒng)農(nóng)具并非技術(shù)含量低下的代名詞，相反，在受限于人力生產(chǎn)條件時(shí)，傳統(tǒng)農(nóng)具的設(shè)計(jì)使用包含了深刻的科學(xué)原理，是當(dāng)時(shí)歷史發(fā)展水平大環(huán)境約束下的最優(yōu)解。因此，既要以開放的心態(tài)樂見技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的巨大紅利，又不宜在享受紅利的同時(shí)脫離歷史條件去指點(diǎn)過(guò)往。而不斷上下求索以推進(jìn)科技發(fā)展水平、突破歷史大環(huán)境約束，正是一代又一代科技工作者的價(jià)值所在。如今仍有越來(lái)越多的力學(xué)方面的知識(shí)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)上，如智能灌溉、智能種植，這些知識(shí)與光電、電磁等物理技術(shù)綜合利用，逐步實(shí)行農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。

[1]付三玲,張伏,李建昌,等.幾種物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及展望[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(11):36-38.

[2]葉劍.淺淡物理技術(shù)在農(nóng)業(yè)新科技中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2010(22):146-147.

武煥濤(1997- )，男，漢族，河南周口人，本科，研究方向：應(yīng)用物理學(xué)。

S12

A

2095-1205(2020)03-67-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.03.40