北斗农机信息化系统在中国农业可持续发展中的应用

何春健，王天瑞

（江苏北斗农机科技有限公司，江苏南京 210032）

0 引言

全国耕地按照1-4等、5-8等、9-12等、13-15等划分为优等地、高等地、中等地和低等地。全国耕地质量平均等级为9.80等，等级总体偏低。全国耕地低于平均等级的10-15等地占调查与评定总面积的57%以上；全国生产能力大于1 kg/66.7hm2的耕地仅占6.09%。与世界平均水平相比，我国人均耕地少、耕地质量总体不高、耕地后备资源不足的基本国情没有改变，综合考虑现有耕地数量、质量和人口增长、发展用地需求等因素，耕地保护形势仍十分严峻。因此，必须始终坚持“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策，毫不动摇坚持最严格的耕地保护制度，充分利用北斗系统的信息化、科技服务的标准化，可以提高农业技术在粮食生产中的贡献度，牢牢把握住国家粮食安全的主动权，确保中国人的饭碗装满中国土地上生产的粮食。

1 农业上培肥地力的措施

1.1 轮作休耕

轮作，是指在同一田块上不同年度间有顺序地轮换种植不同作物或以复种方式进行的种植方式，如一年一熟的“大豆→小麦→玉米”3年轮作，这是在年间进行的单一作物的轮作；在一年多熟条件下，既有年间的轮作，也有年内的换茬，如南方的“绿肥—水稻—水稻→油菜—水稻—水稻→小麦—水稻—水稻”轮作，这种轮作由不同的复种方式组成，因此，也称为复种轮作。休耕，亦称休闲，是指耕地在可种作物的季节只耕不种或不耕不种的方式。主要是使耕地得到休养生息，以减少水分、养分的消耗，并积蓄雨水，消灭杂草，促进土壤潜在养分转化，为以后作物生长创造良好的土壤环境和条件。

国内轮作区主要技术路径：一是东北冷凉区和北方农牧交错区。在内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江推广“一主多辅”种植模式，以玉米与大豆轮作为主，与杂粮杂豆、薯类、饲草、油料等作物轮作为辅，形成合理的轮作模式，基本改变以玉米为主的连作、重迎茬状况。二是黄淮海地区。在安徽、山东、河南及江苏北部推行玉米改种大豆为主，兼顾花生、油菜等油料作物，增加市场紧缺的大豆、油料供给。在河北推行马铃薯与胡麻、杂粮杂豆等作物轮作，改善土壤理化性状，减轻连作障碍。三是长江流域。在江苏、江西小麦稻谷低质低效区实行稻油、稻菜、稻肥等轮作，改良土壤，提高地力，减少无效供给，增加有效供给。在湖北、湖南、四川大力开发冬闲田扩种油菜（湖南轮作不能在长株潭重金属重度污染区实施），同时在四川推广玉米大豆轮作或间套作，努力增加油菜和大豆供给。

轮作休耕制度优势。一是提高农作物产量。休耕是通过改变农作物间的轮作倒茬和季节性，为下茬作物提供生长时间和土壤环境，有效提高作物产量以及改善作物品质等问题。河北小麦冬季休耕后，将一年两熟夏玉米改为晚播春玉米或早夏播玉米，亩产提高10%以上。二是有效供给增加。在轮作休耕带动下，两年内全国调减籽粒玉米种植面积333.33万hm2，而增加了大豆种植面积超过126.67万hm2，杂粮种植面积超过33.33万hm2。三是农民收入增加。比如，黑龙江省海伦市轮作种植，种植大豆面积超过2.67万hm2，并且通过精深加工转化，大豆已经成为农民增收的“金豆子”。

1.2 秸秆还田

秸秆还田是把不宜直接作饲料的秸秆（麦秸、玉米秸和水稻秸秆等）直接或堆积腐熟后施入土壤中的一种方法。秸秆中含有大量的新鲜有机物料，在还田后，经过一段时间的腐解作用，就可以转化成有机质养分。

目前，全国秸秆还田主要有十大模式。

1.2.1 东北高寒区玉米秸秆深翻养地模式。在该模式下，联合收割机收割玉米后，将玉米秸秆粉碎均匀抛洒地面，然后用重型拖拉机深翻还田，在春季进行耙平，开展下一季农事生产。玉米秸秆粉碎抛洒→秸秆二次粉碎（<10 cm）→深翻（翻耕深度>30 cm）→耙压和旋耕平地（起垄）→播种。适宜在东北、中原以及东部等主要玉米种植区应用，气候条件为降雨量450 mm以上、积温2 600℃以上，耕种条件适宜大型机械化作业。

1.2.2 西北干旱区棉秆深翻还田模式。①棉花适时收获。此时棉秆呈绿色，棉秆内水分较多，易于粉碎。②秸秆粉碎。粉碎后棉秆长度不超过5 cm，切根遗漏率不得超过0.5%。③适时深翻。粉碎之后要尽快进行秋翻，将秸秆翻耕入土，要求耕深在25 cm以上，以便于秸秆快速分解。④足墒还田。秸秆还田后要及时浇水，以促使秸秆与土壤紧密接触，防止架空。⑤补充氮肥。秸秆还田的地块，进行秋翻时要施入一定量的氮肥，以缓解微生物与下茬作物幼苗争氮的现象。适宜于全国范围内棉花种植的区域，尤其适宜于新疆等西北地区棉花规模化种植的区域。

1.2.3 黄淮海地区麦秸覆盖还田、玉米秸旋耕还田模式。小麦秸秆覆盖还田技术模式主要包含以下作业环节：联合收割机收获小麦→秸秆粉碎抛撒还田→喷洒秸秆腐熟剂→免耕播种下茬作物。玉米秸秆旋耕还田技术模式主要包含以下作业环节：人工摘穗或玉米收获机收获玉米→秸秆粉碎还田→机械化旋耕→播种下茬作物。适宜于一年两熟制小麦—玉米轮作区，要求光热资源丰富，在秸秆还田后有一定的降雨（雪）天气，或具有一定的水浇条件。

1.2.4 黄土高原地区少免耕秸秆覆盖还田模式。在该模式下包含以下作业环节：作物收获→秸秆粉碎处理→土壤深松→表土作业→免耕播种→田间管理。适宜推广区域主要包括黄土高原区、两茬平作区、农牧交错区和东北冷凉区等地区。

1.2.5 长江流域稻麦秸秆粉碎旋耕还田模式。在长江流域水稻—小麦、水稻—水稻、水稻—油菜等主要轮作区，农作物秸秆通过机械化粉碎和旋耕机作业直接混埋还田。麦（油菜）秸秆主要作业环节包括：联合收获机收割→秸秆粉碎+均匀抛洒→泡田→施基肥→旋耕整地→水稻种植。稻秸还田主要作业环节包括：联合收获机收割→秸秆粉碎+均匀抛洒→底施基肥→反转灭茬旋耕整地→小麦播种（油菜移栽）→田间管理。主要适宜于长江流域的水稻—小麦、水稻—水稻与水稻—油菜轮作区，也可用于长江流域的部分小麦—烤烟、小麦—玉米轮作区，不适宜水土流失严重的坡耕旱地。

1.2.6 华南地区秸秆快腐还田模式。在华南地区一年三熟的种植制度下，早稻收割后，将秸秆就地粉碎，并保持一定的水层，通过化学腐熟剂、生物腐熟剂的双重作用，实现秸秆在短期内（两茬间约2周时间）快速腐熟还田。适用于有水源保障的水稻—水稻、水稻—小麦或水稻—油菜等轮作的水田耕作区。

1.2.7 秸—饲—肥种养结合模式。农作物秸秆通过物理、化学、生物等处理方法，添加辅料和营养元素，制作成为营养齐全、适口性好的牲畜饲料。秸秆饲料经禽畜消化吸收后排出的粪便经过高温有氧堆肥、发酵等处理方式作为有机肥还田，从而实现种植业和养殖业的有机结合。凡种养业发达，农作物秸秆、畜禽养殖量丰富的地区均可以根据种植规模和原料特性，选择适宜的饲料加工方式和有机肥生产工艺。

1.2.8 秸—沼—肥能源生态模式。利用玉米、小麦等农作物秸秆制取沼气，通过管道或压缩装罐供应农村居民生活用，或者提纯后制取“生物天然气”供机动车用或工业使用。适合于我国粮食主产区以及秸秆资源量大的地区。

1.2.9 秸—菌—肥基质利用模式。以农作物秸秆为主要原料，经高温发酵，配制而成食用菌栽培基质，食用菌采收结束后，菌糠再经高温堆肥处理后还田，是一种多级循环利用技术。栽培技术分为生料、熟料和发酵料栽培，适应于全国各地。

1.2.10 秸—炭—肥还田改土模式。将农作物秸秆通过低温热裂解工艺转化为富含稳定有机质的生物炭，然后以生物炭为介质生产炭基肥料，并返田，以改善土壤结构及其他理化性状，增加土壤有机碳含量，实现秸秆在农业生产过程中的循环利用。该模式适合于我国粮食主产区等秸秆量丰富的地区。

秸秆还田作用。一是增加土壤有机质和养分含量。小麦秸秆内含有丰富的氮、磷、钾、钙、镁等多种营养元素和有机质，400 kg鲜小麦秸秆相当于1 250 kg土杂肥的有机质含量，氮磷钾含量相当于6 kg碳铵、3.2 kg过磷酸钙和3.5 kg硫酸钾。小麦秸秆连续还田5年后，土壤有机质可增加0.29%。二是改善土壤物理性状。秸秆还田后经过微生物作用形成的腐植酸与土壤中的钙、镁粘结成腐植酸钙和腐植酸镁，使土壤形成大量的水稳性团粒结构，还田后土壤容重降低。土壤物理性状的改善使土壤的通透性增强，提高了土壤蓄水保肥能力，有利于提高土壤温度，促进土壤中微生物的活性和养分的分解利用，有利于作物根系的生长发育。三是提高土壤的生物活性。秸秆还田可以增强各种微生物的活性。另外，秸秆分解过程中能释放出CO2，使土壤表层CO2浓度提高，有利于加速近地面叶片的光合作用。四是增产、增益、保护生态环境。秸秆还田改善了土壤的理化性状，增加了有机质和各种养分含量，减少土壤水分蒸发，涵养土壤水分，提高土壤保水保肥能力，具有明显的增产效果，小麦秸秆还田增产率可达6～8%，连年使用，可减少化学肥料的投入量，降低农本。同时，秸秆还田有效解决了秸秆乱堆乱放现象，杜绝秸秆焚烧造成的大气污染，保护生态环境。是一项一举多得的实现农业可持续发展的有效举措。

1.3 深松深耕

深松，一般使用深松机进行作业，在保持田地表面平整的情况下，能够有效松动底下土壤并打破犁底层，以起到更好的蓄水保墒效果，一般要求深松深度不小于35 cm。深耕，使用犁等工具将底层的土壤翻过来，使秸秆、草种、病虫等充分置换，让秸秆在地下腐烂，也能够有效打破犁底层，但后续还需要平整土地，一般深耕从25～60 cm不等，有的地区开荒耕深更深。

深松深耕技术，使土壤结构得到合理优化，从而达到了节本增效、增产增收的目的。一是提高土壤的蓄水能力。深松部位土壤疏松，有利于雨水入渗，加之深松后一般土壤表面粗糙度增加，可阻碍雨水径流，延长雨水入渗时间，因此在一定条件下可以多蓄水。二是改善土壤结构。深松后形成虚实并存的土壤结构，有利于土壤的气体交换，促进微生物的活化和矿物质的分解，改善土壤肥力。三是土地深松后，可增加肥料的溶解能力，减少化肥的挥发和流失，从而提高肥料的利用率。四是农作物从种到收一些必要的作业如播种、喷药、收获、运输等，会造成一定的土壤压实，利用深松作业可以消除由于机器进地作业造成的土壤压实问题。五是减少降雨径流，减少土壤水蚀。深松不翻层土层，使残渣，秸秆，杂草大部分覆盖于地表，有利于保水，减少风蚀，又可以吸纳更多的雨水，减少水土流失。

2 北斗农机信息化系统

2.1 软件平台

北斗农机信息化系统集成了北斗卫星定位技术、地理信息系统技术、传感器技术、移动网络通讯技术、信息融合与数据处理技术，通过对农业全程机械作业状态、北斗位置信息、农机作业现场高清图像的实时数据采集、处理，利用本地和远程数据传输和监控，开发北斗农机信息化系统，实现农业机械全程作业质量的精准监控。作业质量包括作业速度、作业深度、作业面积、播种量、施肥量、打药量、秸秆覆盖率等，保障农机作业的标准化，促进农业可持续发展。

北斗农机信息化系统采用标准的层级结构体系，设计出系统体系架构分层模型。系统分为四层，从下至上依次为感知层、传输层、服务层和应用层（图1）。

图1 北斗农机信息化系统

2.1.1 感知层：由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成，可感知物理世界中发生的物理事件和数据信息变化。感知层通过各种类型的传感器、农机车载终端、高分辨率拍照设备获取农机作业过程中的机械状态、位置信息、现场高清影像等数据信息。

2.1.2 传输层：传输层将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到服务层。传输层融合2G（GPRS、CMDA）、3G（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA）、4G、5G等移动网络通信技术，提供稳定的数据传输服务。

2.1.3 服务层：根据采集的数据，通过精细建模、体系结构设计、SOA等方法，开展农业机械作业管理系统业务体系结构、应用体系结构、数据体系结构、技术整合、业务操作视图等设计。

2.1.4 应用层：应用层主要负责软件系统的部署和使用，为农机局、农机站、农机合作社等用户提供“作业面积统计”、“质量分析”、“实时监控”、“农机引导”等服务。

2.2 智能监测设备

智能监测设备由主机和各种配件组成（图2）。摄像头进行作业过程中作业作物识别和作业机具识别；角度传感器用来采集作业过程中的作业实时深度值；无线机具识别器和无线机具识别卡用来区分不同作业类型的作业，结合不同的机具识别代码，在平台上自动进行作业类型的匹配；定位天线是主机进行北斗定位的天线；扩展接口支持不同作业传感器的扩展接入；主机是进行作业过程中实时位置数据采集，与各传感器采集的数据组合集成加密处理，为确保作业质量全过程实时监测，作业过程数据每3秒进行一次采集。

图2 智能监测设备

3 结语

综上所述，将北斗智能农机作业监测设备安装到农业机械上，实时采集全程机械化过程中的作业数据，通过精准的模型算法对作业数据进行分析处理，通过北斗农机信息系统为农机管理部门提供高效的农机信息化管理手段，解决了农机分布、农机调度、作业进展、作业质量、作业数据、作业追溯、作业统计报表、作业数据分析等农业生产和管理问题，可有效提高江苏省数字农业治理体系和治理能力的现代化水平，实现藏粮于技，藏粮于地。