摸清农田作物“脾气”——记土壤植物机器系统技术国家重点实验室

文/操秀英

城市里的人们在超市里拿起一袋袋米面时，可能再难体会到“锄禾日当午，汗滴禾下土”的劳作艰辛，也时常会忽略农业之于每个人生活的重要性。但我们关心的蔬菜水果里的农残能否少一点，大米里有没有重金属污染等问题，无不取决于现代农业的发展。

土壤植物机器系统技术国家重点实验室的主要任务就是摸清土壤和植物的习性，实现有针对性的个性化施肥、除草灭虫等精准田间管理，达到高效、低耗、减排的目标，促进可持续发展；制造出先进适用的现代农业装备与设施，全面提升我国农业装备制造业的自主创新能力，支撑农业现代化发展。

精准农业持续发力：农田作物实现个性化管理

“我们实验室总的来说可以分为三大研究方向，即精准农业、智能化农业装备和农业机器人。”实验室学术委员张小超介绍道。

精准农业是现代农业的重要发展方向，目标是对农田及作物实现个性化管理，以减少农药化肥的使用并同时提高作物产量。与这一技术在我国的发展同步，土壤植物机器系统技术国家重点实验室从设立之初就将精准农业列为一项核心研究课题。

土壤养分的自动测量就是代表成果之一。张小超说，测量出土壤养分就能得知其营养状况及养分吸收情况，实现个性化施肥。“以前主要靠人工采样拿到实验室测量，以东北农垦地区为例，过去只能一公顷取一个样，因此要完成一个农场的采样测量需要两三个月。”张小超说，“十二五”期间，实验室研发出一种快速检测设备，在田间地头就能完成这一工作。

此外，实验室还研究了播种、施肥、中耕、植保、收获等环节作业装备的精准智能变量测控技术，取得了多项创新性成果。研制了小麦、玉米变量免耕播种机、水稻智能对行插秧机、变量自动配肥施肥机、智能化自动对靶除草机、大型智能化变量喷药机、联合收割机智能测产系统等智能化农业装备，研究成果实现了精准农业智能变量作业装备技术的重要突破，其中播种量和施肥量在线检测技术、插秧机自动行走对行技术、施肥重量反馈控制技术、联合收割机测产技术达到国际先进水平。

智能化农场：“北斗”定位奠定技术基础

以导航技术为核心的自走装备、农机作业远程监控与管理是农业装备智能化的代表性技术。“收割机、插秧机等设备，人工操作走的路线肯定没有导航机器走得直。尤其是北斗系统建成后，我们的一项重要工作是利用北斗系统来定位农机，实现远程管理和诊断，为将来的智能化农场奠定技术基础。”张小超说。

▲土壤植物机器系统技术国家重点实验室依托单位为中国农业机械化科学研究院

玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗等高秆和中耕作物在我国农业生产中占有极其重要的地位。这些作物生长中后期植株较高，拖拉机配套施药机械离地间隙较低而难以进入目标地进行喷药作业。由于缺乏地隙高、田间通过性好的自走式施药机械，长期以来，高秆和中耕作物生长中后期的病虫害始终是农业生产迫切需要解决的难题。

为了解决这些问题，实验室依托单位中国农业机械化科学研究院从2005年6月开始致力于高地隙自走式喷杆喷雾机技术研究、产品开发和产业化推广工作，土壤植物机器系统技术重点实验室承担了前期的研发工作。

田间工况实验室负责人刘立晶说，经过多年努力，实验室对机械驱动型高地隙自走式底盘、全液压驱动型高地隙自走式底盘以及高效施药技术与装备进行了开创性研究，在基于电液防滑控制的全液压同步驱动技术、机械驱动型自走式底盘动力传递系统等产业共性和关键技术上取得重大突破和创新，完成了科技成果转化研究，实现了产品批量生产。

此外，集成开发的多功能联合收割机应用于小麦、水稻、大豆、玉米收获，采用液压四轮驱动，双纵轴流脱粒分离，双动筛分风选，喂入量作业速度自控调节，喂入量可达10公斤/秒。6行采棉打包机研制成功，3行通用型采棉机批量投产，可实现自动导航、火警预报、集中润滑、故障检测，成功运用于新疆棉花主产区，解决了采棉劳动力缺乏的问题，实现及时收获，保障棉花品级。暗管改碱成套装备采用北斗卫星定位导航，激光高程监控，完成了开沟、铺管、埋砂、覆土作业，填补了国内空白，通过工程技术手段深度开发利用盐碱地资源，在提高耕地资源区域保障能力方面具有重要作用。

农业机器人：搭上“中国制造2025”的快车

剑桥大学奶牛场，挤奶工作全部由机器人独立完成，无需任何手工，机器人安装在奶牛圈舍旁边，奶牛一旦需要挤奶，会自动排队等待机器人服务。育苗工作大部分内容都是把盆栽作物搬来搬去，单调而枯燥，浪费人力且效率不高，美国波士顿的育苗机器人很好地解决了这个问题，这种育苗机器人由滚动轮胎、抓手和托盘组成。工作人员只要在触摸屏上设定地点参数，机器人就能感应盆栽，并自动把它们移动到目的地。

没错，农业机器人的应用越来越广泛。这一新兴领域也成为土壤植物机器系统技术国家重点实验室的研究方向。

张小超说，实验室目前主要研发了采摘机器人和消毒机器人。“苹果和西红柿的采摘、套袋等，消毒机器人主要用于畜牧业，比方说鸡舍里某只鸡发热了，机器人可以通过传感器感应到，并进行处理。”

但由于造价昂贵及农户的认识程度不够等诸多原因，目前农业机器人在我国的应用远没有工业机器人广泛。“农业机器人与工业机器人最大的不同是它面临的是开放的工况，以及非结构化的操作对象，比如对于采摘机器人来说，每个苹果的大小、色泽和形状都不同，识别难度比工业零部件大多了。”中国农业机械科学研究院副院长、总工程师方宪法解释道。

“但这无疑是未来的发展方向，通过农业机器人的研究，我们可以突破一批传感、机器视觉等关键技术。”方宪法说。