提高农业机械化水平促进农业可持续发展

罗锡文，廖　娟，胡　炼※，臧　英，周志艳（.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50642；2.南方粮油协同创新中心，长沙4028）



提高农业机械化水平促进农业可持续发展

罗锡文1，2，廖娟1，胡炼1，2※，臧英1，2，周志艳1，2
（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：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；机械化；可持续发展；农业资源利用率；农业可持续发展

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 Ying, Zhou Zhiyan.Improving agricultural mechanization level to promote agricultural sustainable development[J].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.1002-6819.2016.01.001 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%，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%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t[7]。由于过度依赖农药，导致了病虫草害产生抗药性，上世纪40～50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hm2[9]，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m3），缺口达75万m3[11]。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0.4～0.6[12]。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——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1万km2[13]。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]：1）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%；2）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0.03百分点，土壤由“黄”变“黑”，蚯蚓数量可达30条/m2；3）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%；5）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“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hm2[17]，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t[18]，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/hm2，20%；269～359 kg/hm2，12%～178%；1 560 t/hm2，358%；4 034 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VÄDERSTAD公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）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-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40～45 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，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%、8%和6%以上，每公顷节约成本分别为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/hm2[38]。

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]：1）基于光电分色等传统养分速测技术的土壤养分速测仪；2）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、磷、钾及微肥的适宜用量与比例，是提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、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。

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]。

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”[55]。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39m，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”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-150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0.4～2.6 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12 m[73]。

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：1）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。3）攻克中国农业航空的核心技术。4）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1.8×108m3[82]。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× 105hm2，节水50%左右，节约灌溉用水成本2.49万元/hm2[83]。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，提高作物的产量与质量，在设施农业和特色农业种植中应大力推广应用。其中超微灌溉是微喷灌的一项新技术，利用微孔深灌将水分、营养液直接输送至作物根部，该系统可以根据作物的生长规律进行供水，即按照指定的时间、区域、强度、水量向作物供水，可节水40%～90%、节能20%～40%；降低化肥和农药用量，减少环境污染，有利于土壤改良和作物生长[86]。

5.3水肥药一体化灌溉技术

水肥药一体化灌溉技术是将灌溉与施肥、施药融为一体的先进灌溉技术，其核心技术是借助压力灌溉系统将可溶性固体或液体肥料及农药配兑而成的肥药液与灌溉水一起均匀、准确地输送至作物根部土壤中，使根系同时吸收水分和养分[87]。目前大面积应用的水肥一体化模式是重力自压式施肥法，主要应用于丘陵山地果园、茶园、林地等的施肥。周亮亮等设计的基于模糊控制的自动灌溉施肥控制系统，通过智能控制灌溉施肥时间和施肥量，实现了节水和节肥灌溉[88]。李加念等设计了一种基于模糊控制、采用粗细2级调节的控制策略的肥液自动混合装置，最大浓度误差为0.04%[89]。至2015年，水肥一体化技术在中国的推广面积将达533.6万hm2以上，可节水50%以上，节肥30%，提高粮食作物产量20%，使经济作物亩节本增收600元以上[90]。

中国学者对水肥一体化系统的研究相比水肥药一体化系统研究较多，但是，对于水肥药一体化灌溉技术，中国目前没有形成一套实用、科学的产品。灌溉、施肥与施药配合的自动化程度还很低，更没有智能型交互式的控制系统。鉴于此，何青海等[91]设计了一种由灌溉系统、注肥系统、注酸系统、施药系统、混合系统及控制系统组成的基于模糊控制的水肥药一体化系统，该系统既可以独立进行灌溉、灌溉施肥和灌溉施药，也可以实现水肥药一体化灌溉。所设计的适用于营养液混合的模糊控制器保证了混肥精度和实时性，使肥料和药液随适量的灌水进入作物根系有效区域，减少了流失，有效提高了肥料和农药的利用率，减少了环境污染。

综上所述，相比传统方式，水肥药一体化技术在节水、节肥、增产、省工省本、提高经济效益方面效果显著。据统计，在露天和设施栽培条件下采用该项技术，每平方米节水率可达30%～50%；节肥40%～50%。可使果园增产15%～24%；节省投入300～400元/m2，增加收入300～600元/m2；使设施栽培增产17～28%，节省投入400～700元/m2，增加收入1 000～2 400元/m2，经济效益明显[87]。因此，水肥药一体化是中国农业生产中的必然趋势。但是在中国，该项技术尚不成熟，提高灌溉、施肥与施药各环节配合的自动化程度，实现智能交互式控制以及提高混肥、混药精度，是该项技术应着重考虑和攻克的难题。中国学者应在控制系统方面加强研究，以期在实现智能化控制的同时，提高各环节的配合程度、自动化水平以及混肥和混药精度。

6　结束语

促进农业可持续发展是中国面临的重要任务与挑战。提高农业机械化水平，对改善农业生产条件，提高农业生产力，增加农产品供给和农民收入，提高农业资源利用率，实现农业的现代化和可持续发展具有重要的意义[92]。世界上大多数发达国家在20世纪60年代先后实现了农业机械化，为实现农业资源的高效利用和农业的可持续发展发挥了重要作用[93]。改革开放以来，中国农业机械化水平取得了长足的发展，为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，建议：

1）进一步加强农机农艺融合，加强通过农业机械化提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的基础理论研究，如合理耕层构建，最佳播种量的基础研究，深施肥，高效施药和高效用水；

2）进一步加强提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的农业机械化关键技术研究，攻克土、种、肥、药、水等高效利用所需的农情信息快速获取技术以及精准耕整、精准种植、精准施肥、精准施药、精准灌溉等关键技术；

3）进一步加强提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的农业机械与装备制造的自主创新能力；

4）进一步加强农业机械化在提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用技术的推广应用。

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·农业装备工程与机械化·

Improving agricultural mechanization level to promote agricultural sustainable development

Luo Xiwen1,2, Liao Juan1, Hu lian1,2※, Zang Ying1,2, Zhou Zhiyan1,2
（1.Key Laboratory of Key Technology for South Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410128, China）

Abstract:Although great development has taken place in agricultural mechanization since reform and opening up, China still faces the big challenge in improving agricultural resource utilization as well as promoting the sustainable development of agriculture at present.As we all know, it is mainly the 5 factors, i.e.water, soil, fertilizer, pesticide and seed that affect sustainable development in the construction of China’s agricultural modernization.The overall development of agriculture in China will be impeded if the resource utilization stays low.There exist some phenomena: 1）the irrigation water use is 360 billion m3 each year, while canal-system water use efficiency is only 0.4～0.6; 2）high-quality cultivated land is lacking; 3）nitrogen use efficiency is about 30%～35%, which is 20% less than developed country; 4）pesticide utilization is merely about 30%, while leads to severe environmental pollution; 5）the demand of seeding quantity is high while there are shortage of high-quality seeds and serious waste of seeds.Accordingly, several technologies and machines in PA（precision agriculture）were put forward in this article so as to meet the requirement of agricultural sustainable development: precision irrigation, precision plow, precision fertilization, precision spraying, and precision sowing.By reviewing the researches at home and abroad, the current situation of PA was analyzed and thus the methods to achieve the 5 mentioned key technologies were presented.Meanwhile, some other suggestions were proposed to push the agricultural mechanization to play a greater and more important role on the utilization of agricultural resource and agricultural sustainable development: 1）further strengthen the combination of agricultural machinery and agronomy as well as the basic study of related theory; 2）carry out in-depth studies on key technologies of maximum utilization of agricultural resource, especially in precision irrigation, precision plow, precision fertilization, precision spraying, and precision sowing; 3）enhance the capacity of independent innovation, namely, the capability of equipment design and manufacture related to PA; 4）accelerate extensive application of precision agricultural machine and equipment.Above all, this paper has provided a scientific guide and policy direction for improving utilization of agricultural resource, promoting agricultural mechanization and agricultural sustainable development.

Keywords:agricultural machinery; mechanization; sustainable development; utilization ratio of agricultural resources; agricultural sustainability

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：lianhu@scau.edu.cn

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：xwluo@scau.edu.cn

基金项目：广东省自然科学基金项目（2015A030310292）；国家科技支撑计划课题（2014BAD06B01）；广东省省级科技计划项目（2015B020206002）

收稿日期：2015-10-30

修订日期：2015-12-16

中图分类号：S23

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-01-0001-11

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.001