提高農(nóng)業(yè)機械化水平 促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展

文/羅錫文 廖娟 汪沛 臧英 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院

農(nóng)業(yè)機械是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所使用的各種機械裝備，包括農(nóng)用動力機械、農(nóng)田建設機械、土壤耕作機械、種植機械、施肥機械、植物保護機械、農(nóng)田排灌機械、收獲機械、農(nóng)產(chǎn)品加工機械、畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖機械，以及農(nóng)業(yè)運輸機械等。

農(nóng)業(yè)機械化是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應用農(nóng)業(yè)機械裝備改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營條件，不斷提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)技術水平、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的過程。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是指由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉變?yōu)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)，用現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代工業(yè)來裝備農(nóng)業(yè)，用現(xiàn)代經(jīng)濟科學來管理農(nóng)業(yè)，創(chuàng)造高質、高效、低耗和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。

農(nóng)業(yè)機械裝備是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要物質基礎，農(nóng)業(yè)機械化是轉變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要支撐，沒有農(nóng)業(yè)機械化，就沒有農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。

1959年，毛澤東同志提出了“農(nóng)業(yè)的根本出路在于機械化”的著名論斷，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展指明了方向。2004年以來，我國農(nóng)機制造水平穩(wěn)步提升，農(nóng)機裝備總量持續(xù)增長，農(nóng)機作業(yè)水平快速提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已從主要依靠人力畜力轉向主要依靠機械動力，進入了機械化為主導的新階段。農(nóng)業(yè)機械化為推動工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，解放農(nóng)業(yè)勞動力、提高土地產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率和資源利用率，支撐農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展，保證糧食安全和促進農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)等方面發(fā)揮了重要作用。

農(nóng)業(yè)機械化為促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展 發(fā)揮了重要作用

提高土地產(chǎn)出率，保障糧食安全。我國人均耕地面積少，且隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，部分耕地被轉化為建設用地，進一步減少了我國耕地面積。提高土地產(chǎn)出率，即提高單產(chǎn)是保障國家糧食安全和食物安全的重要途徑之一。在這樣的形勢下，保證糧食安全要求大力提高土地產(chǎn)出率，農(nóng)業(yè)機械化是提高土地產(chǎn)出率的重要措施。

1949年，我國水稻、小麥和玉米單產(chǎn)分別為1892.29公斤/公頃、642.10公斤/公頃和961.66公斤/公頃。由于農(nóng)業(yè)機械化技術和農(nóng)業(yè)科技的進步，2018年，三大作物的單產(chǎn)分別達到7026.59公斤/公頃、5416.61公斤/公頃和6104.29公斤/公頃，分別是1949年的3.7倍、8.4倍和6.3倍。北京地區(qū)1949年糧食單產(chǎn)才1.5噸/公頃，上世紀60年代解決了灌溉問題，單產(chǎn)成倍增加；70年代后期通過發(fā)展機械化，改為兩年三熟，單產(chǎn)增加至6.75噸/公頃；80年代解決了三秋機械化，實現(xiàn)了一年兩熟，單產(chǎn)增加到15噸/公頃，是1949年的10倍。

提高勞動生產(chǎn)率，促進工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展。農(nóng)業(yè)機械化為農(nóng)業(yè)勞動力從土地中解放出來提供了重要支撐，采用機械化可大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率，使一個農(nóng)民生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品可以養(yǎng)活更多的人。中國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展研究中心的數(shù)據(jù)表明，全國農(nóng)作物耕種收綜合機械化水平每提高1個百分點，可減少389萬農(nóng)業(yè)勞動力的勞動投入量（2003年—2012年），農(nóng)業(yè)勞動力在社會總勞動力中的占比降低0.605個百分點（2003年—2018年）。

美國的農(nóng)業(yè)就業(yè)人數(shù)約為350萬人，占人口總數(shù)的比例約1%，但由于農(nóng)業(yè)機械化高度發(fā)達，一個農(nóng)民可以養(yǎng)活134人左右。1949年—1950年，德國每個農(nóng)業(yè)勞動力僅能養(yǎng)活10人左右；隨著機械化的發(fā)展，1996年，一個德國農(nóng)民可養(yǎng)活108個人左右；2002年達到124人左右，目前可養(yǎng)活140人左右。德國從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力從1960年的240萬人減少到目前的約130萬人，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率卻增加了7.5倍，農(nóng)業(yè)機械化發(fā)揮了重要作用。1978年，我國農(nóng)業(yè)人口占比為70.5%；2018年，農(nóng)村人口占比為40.42%，其中，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口占比約為20%左右，一個農(nóng)民可以養(yǎng)活四個人左右。

同時，由于減少了農(nóng)業(yè)勞動用工，能進一步促進農(nóng)村勞動力向第二、三產(chǎn)業(yè)轉移，促進國家工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設，農(nóng)業(yè)機械化是促進城市化進程和勞動力從第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)轉移的重要支撐。據(jù)2003年—2018年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)作物耕種收機械化水平每提高1個百分點，城市化率相應提高0.502個百分點。2018年，我國常住人口城鎮(zhèn)化率達到59.58%，比1949年年末提高48.94個百分點。

提高資源利用率，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。我國是水資源匱乏的國家之一，尤其是我國北方地區(qū)屬于水資源嚴重匱乏地區(qū)。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期采用土渠輸水和大水漫灌等灌溉方式，灌溉用水的有效利用率只有30%～40%，每年灌溉中浪費的水相當于全國總用水量的40%，采用機械化實現(xiàn)精準灌溉，可大幅提高水資源利用率，節(jié)約用水，減少生產(chǎn)成本。

采用機械化精準施肥和精準施藥，可提高化肥農(nóng)藥的有效利用率，減少化肥農(nóng)藥施用量，減少生產(chǎn)成本和環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計，采用精準施肥技術，可以節(jié)約肥料15%～40%，單位肥料產(chǎn)出提高30%～60%；采用精準施藥技術，可以節(jié)約40%～60%的成本。2015年，農(nóng)業(yè)部開展化肥、農(nóng)藥使用量零增長行動以來，通過精準高效施肥施藥等措施，2020年，我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物化肥利用率達到40.2%，農(nóng)藥利用率達到40.6%，比2015年提高4個百分點，基本實現(xiàn)了化肥農(nóng)藥零增長。

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，每年產(chǎn)生秸稈7億噸左右，利用機械化可實現(xiàn)秸稈的高效利用，通過秸稈還田可提高農(nóng)田有機質和肥力，減少焚燒處理等對環(huán)境造成的污染。我國每年約產(chǎn)生畜禽糞污38億噸，利用機械化，可提高畜禽糞污的利用價值，減少化肥的使用，對減少環(huán)境污染的意義重大。

信息技術進一步提高了 農(nóng)業(yè)機械化促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的能力

信息技術與農(nóng)業(yè)機械化技術的融合，進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的智能感知、自動導航、精準作業(yè)和智能管理水平，進一步提高了農(nóng)業(yè)機械化促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的能力。

信息技術進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的智能感知水平。為進一步提高農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)質量和作業(yè)效率，在農(nóng)業(yè)機械作業(yè)前和作業(yè)時需要準確獲取各種農(nóng)情信息，包括土壤信息，如土壤耕作阻力、土壤養(yǎng)分（氮、磷、鉀等）和土壤水分等；作物長勢信息和作物病蟲草害信息等各種農(nóng)情信息采集技術。“星機地”技術，即衛(wèi)星、飛機（有人駕駛飛機和無人駕駛飛機）和地面觀測儀器，可為各種農(nóng)情信息的獲取提供強有力的支持。中國農(nóng)業(yè)大學成功研究可準確獲取土壤水分和土壤壓實狀況的車載式測量轉換器。由于至今尚無可以在田間實時準確測定土壤中氮、磷、鉀的傳感器，華南農(nóng)業(yè)大學研究成功帶GNSS的自動土壤采樣器。水是影響作物生長的重要因素，華南農(nóng)業(yè)大學研究成功既可以測定水田田面水層深度，又可測定水田土壤中含水量的無線傳感器，為水稻生產(chǎn)自動灌溉提供了支持。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心研究成功土壤耕深監(jiān)測系統(tǒng)，可準確測定深松深度和深松面積?，F(xiàn)在，各種多光譜、高光譜儀安裝在無人機和地面移動式車輛上，可獲取不同尺度地塊上的作物長勢和作物病蟲害情況，為精準施肥和精準灌溉提供了支持。華南農(nóng)業(yè)大學采用無人機獲取水稻氮素信息，制定施肥處方圖，并據(jù)此進行精準對靶變量施肥，2018年，在廣東羅定縣的早稻生產(chǎn)中應用的結果表明，可減少氮肥28%。

目前，我國的農(nóng)情信息獲取技術取得了一定進展，但距農(nóng)機精準作業(yè)的需要還有較大差距，特別是在實時獲取各種農(nóng)情的傳感器的研究和應用方面。今后的發(fā)展重點，一是能實現(xiàn)各種農(nóng)情信息獲取的傳感器的檢測機理、敏感材料和芯片；開發(fā)集多種參數(shù)感知于一體的多用途小型傳感器；三是多種傳感器獲取的信息的融合技術。

信息技術進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的自動導航水平。自動導航技術可以大幅度提高農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)質量和作業(yè)效率，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設的重要內容和標志。美國等發(fā)達國家自上世紀80年代中期即開展了農(nóng)業(yè)機械自動導航技術的研究。我國的農(nóng)業(yè)機械自動導航技術研究起步較晚，但經(jīng)過20年的努力，目前與發(fā)達國家總體上處于“并跑”狀態(tài)，突破了十大關鍵技術，包括導航定位、路徑跟蹤、電液轉向、電機轉向、速度線控、機具操控、自動避障、主從導航、車載終端和系統(tǒng)集成技術。取得了三大創(chuàng)新成果，包括農(nóng)業(yè)機械自動導航定位與姿態(tài)檢測技術、農(nóng)業(yè)機械自動導航控制技術和農(nóng)業(yè)機械自動導航作業(yè)系統(tǒng)集成技術。創(chuàng)制了適用于旱地和水田作物耕、種、管、收等作業(yè)環(huán)節(jié)的電液轉向的系列產(chǎn)品，包括自動導航作業(yè)的旋耕機、播種機、插秧機、噴霧機和收獲機。在旱地作業(yè)中，在行駛速度18km/h內，路徑跟蹤精度為2.5cm；在水田作業(yè)中，針對水田泥底層不平、土壤松軟、農(nóng)機側滑嚴重、俯仰橫滾姿態(tài)變化頻繁且幅度大的問題，在農(nóng)機導航復合路徑跟蹤控制器中增加了側滑估計補償器，顯著提高了農(nóng)機導航系統(tǒng)的水田抗側滑干擾能力，在行駛速度8km/h內，路徑跟蹤精度為4.4cm。華南農(nóng)業(yè)大學研究成功無人駕駛主從導航收獲機系統(tǒng)，收獲機與運糧車在直線行駛段的橫向誤差不超過5cm，縱向誤差不超過10cm，可以保證收獲機的糧食準確地卸在運糧車中，大大提高了收獲機的作業(yè)效率。目前，我國水田作業(yè)機械自動導航和主從導航收獲機系統(tǒng)居國際領先水平。采用自動導航的農(nóng)業(yè)機械經(jīng)濟社會效益顯著，可提高作物產(chǎn)量2%～3%，減少肥料和農(nóng)藥用量5%～10%，降低生產(chǎn)成本5%～10%，可提高土地利用率0.5%～1%，由于可以24小時不間斷作業(yè)，大大提高了農(nóng)機利用率。

雖然我國農(nóng)機自動導航技術取得了長足發(fā)展，但我國農(nóng)機導航產(chǎn)品與國外知名品牌還有一定差距：一是對坡地、水田等復雜地形地況的適應性不強；二是對高速作業(yè)工況的適應性還有待提高；三是我國商用衛(wèi)星星基增強的定位精度還不能滿足農(nóng)機自動導航的需要。所以，我們必須針對這些差距，加大創(chuàng)新力度，以進一步提高農(nóng)業(yè)機械自動導航水平，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供支撐。

信息技術進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的精準作業(yè)水平。精準作業(yè)包括精準耕整、種植、田間管理、收獲和干燥，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基本要求，是提高農(nóng)業(yè)機械化水平的重要目標。近二十年來，由于加大了機械化技術和信息化技術的融合，我國農(nóng)業(yè)機械精準作業(yè)水平不斷提高，與發(fā)達國家的差距不斷縮小。

精準種植方面，保護性耕作技術在全國大面積推廣，面積超過1億畝。深松、少耕、免耕技術已成為各地的主推技術。采用保護性耕作技術，有利于控制風蝕和水蝕，減少水土流失；有利于改良土壤結構，提高土壤地力；有利于提高土壤節(jié)水抗旱能力；有利于減少溫室氣體排放；有利于增加作物產(chǎn)量。推廣應用結果表明，采用保護性耕作技術，可降低風蝕34%以上，增加土壤的水入滲率20%以上，可減少40%以上的土壤徑流，干旱年份可達60%以上。激光平地技術在旱地和水田精準平整中推廣應用，提高了化肥利用率，玉米精量播種基本實現(xiàn)了單粒等距和等深；棉花播種采用覆膜精量穴播，單產(chǎn)翻了一番多。

精準種植方面，華南農(nóng)業(yè)大學研究成功的“三同步”水稻精量直播技術，可實現(xiàn)常規(guī)稻、雜交稻和超級雜交稻精量直播，取得了一批高產(chǎn)記錄，在新疆連續(xù)三年畝產(chǎn)超過1000kg。

精準管理包括水、肥、藥的管理。根據(jù)作物生長需水規(guī)律，采用滴灌、噴灌、微噴灌、間歇交替灌溉、膜下滴灌和水肥一體化灌溉等精準灌溉技術，大幅度提高了灌溉用水率，減少了水的灌溉用量。我國化肥用量居世界第一，但利用率低，氮肥與磷肥的當季利用率分別只有30%～35%和15%～20%左右，發(fā)達國家氮肥利用率可達50%～60%，歐盟國家的氮肥利用率高達70%～80%，采用精準施肥技術，可以節(jié)約肥料15%～40%左右，單位肥料產(chǎn)出提高30%～60%。水稻插秧同步側深施肥，小麥、玉米和大豆變量免耕施肥播種大幅度提高了肥料利用率，減少了施肥量和生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)量。我國農(nóng)藥利用率只有30%，單位面積農(nóng)藥用量是美國的2.3倍，殺蟲劑是美國的14.7倍。目前，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民過度依賴農(nóng)藥，病蟲害抗藥性增加，農(nóng)藥用量增加（世界第一），生產(chǎn)成本增加，環(huán)境污染加劇，食品安全事故時有發(fā)生。針對上述問題，近20年來，我國大力推廣精準植保技術，取得了重大進展，高地隙寬幅噴施技術在生產(chǎn)中大面積推廣、效益顯著；無人機施藥技術由于速度快、效率高，深受農(nóng)民的青睞。2019年，無人機植保作業(yè)面積超過3億畝次。2015年，我國農(nóng)業(yè)部啟動了到2020年化肥使用量和農(nóng)藥使用量零增長行動，取得明顯成效，提前三年實現(xiàn)了行動的目標。

精準收獲方面，高效低損的稻麥收獲、果穗型和籽粒型玉米收獲、馬鈴薯和油菜收獲等糧食作物和經(jīng)濟作物收獲技術與機具大面積推廣應用，實現(xiàn)了豐產(chǎn)豐收，并向通用化、智能化和舒適安全方向加速發(fā)展。收獲產(chǎn)量和收獲面積傳感器進入推廣應用階段，自動生成的產(chǎn)量分布圖為精準農(nóng)業(yè)提供了依據(jù)。收獲后秸稈粉碎還田和打捆技術以及機具日趨成熟，并在生產(chǎn)中推廣應用。

精準干燥方面，過去由于干燥不及時，我國稻谷常年霉爛損失在250萬噸左右，為此，華南農(nóng)業(yè)大學研究成功糧食通風干燥過程在線解析算法、高精度糧食水分檢測儀及在線采樣裝置和稻谷干燥智能控制儀，建成稻谷干燥中心，采用這種干燥中心，稻谷含水率由28.4%降到13.6%，每小時可處理14.13噸，每噸的干燥成本僅15.16元。

信息技術進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的智能管理水平。農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時間相對集中，但作業(yè)地點比較分散，作業(yè)工況復雜，因此，亟需通過信息技術提高農(nóng)業(yè)機械的智能管理水平，包括遠程調度、機具狀態(tài)和作業(yè)質量監(jiān)控、故障預警和維修保養(yǎng)。

在遠程調度方面，在農(nóng)業(yè)機械上安裝衛(wèi)星系統(tǒng)后，農(nóng)機管理人員可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術遠程實時獲取農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)地點、作業(yè)軌跡和作業(yè)進度，并根據(jù)當?shù)厣a(chǎn)需求和作業(yè)機具分布情況，按最短轉移路徑和作業(yè)需求緊迫情況等原則進行調度，以充分利用農(nóng)機資源，提高農(nóng)機效率。

在機具狀態(tài)和作業(yè)質量監(jiān)控方面，在農(nóng)業(yè)機械各重要部位安裝相應的傳感器后，可以實時將機具狀態(tài)和作業(yè)質量發(fā)送至農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)機管理部門，如拖拉機的發(fā)動機參數(shù)、PTO轉速、行駛速度、動力換擋參數(shù)等；收獲機的脫粒滾筒轉速、清選風扇轉速、作業(yè)速度、割臺速度、割臺高度、實際割幅和發(fā)動機參數(shù)等；播種機的播種量、播種深度和排種器堵塞狀況；施肥機的施肥量、排肥輪轉速的堵塞狀態(tài)等；噴霧機的噴霧壓力、藥液流量和噴頭噴霧狀態(tài)等。

在故障預警和維修保養(yǎng)方面，農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)和農(nóng)機管理部門可根據(jù)實時獲取的機具狀態(tài)和作業(yè)質量信息，對機具的作業(yè)狀態(tài)作出判斷，如發(fā)現(xiàn)收獲機的脫粒滾筒轉速降低過多，就提醒駕駛員脫粒滾筒可能發(fā)生堵塞，建議駕駛員降低收獲機前進速度或減少割幅，以減少喂入量，防止堵塞。一旦發(fā)生故障，就通過互聯(lián)網(wǎng)遠程指導駕駛員進行維修，對于一些駕駛員無法排除的故障，則立即通知距離故障農(nóng)機最近的農(nóng)機維修人員前去維修。

農(nóng)業(yè)機械 廣闊天地大有作為

改革開放以來，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展取得了巨大成就，提高了土地產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率和資源利用率，為促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展作出了重要貢獻。而信息技術的發(fā)展，進一步提高了農(nóng)業(yè)機械的感知水平、自動導航水平、精準作業(yè)水平，以及智能管理水平，從而進一步提高了農(nóng)業(yè)機械化促進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的能力。未來，為更好地發(fā)揮農(nóng)業(yè)機械化在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中的促進作用，應從以下方面，通過信息技術進一步提升農(nóng)業(yè)機械化水平：

一是研發(fā)能實現(xiàn)各種農(nóng)情信息獲取的傳感器的檢測機理、敏感材料和芯片；開發(fā)集多種參數(shù)感知于一體的多用途小型傳感器；研究多種傳感器獲取的信息的融合技術。

二是研發(fā)對坡地、水田等復雜地形地況，以及高速作業(yè)工況適應性強的自動導航技術；提升我國商用衛(wèi)星星基增強定位精度，使之更好地滿足農(nóng)機自動導航的需要。

三是研制多功能耕整地、高速精準種植、精準施肥播種、精準施藥、高效節(jié)水灌溉，以及籽實及秸稈高效智能收獲等高效智能作業(yè)裝備；開展5G及新一代信息通信技術在農(nóng)機裝備的應用研究。