写好“大地论文” 赋能乡村振兴——记石河子大学教授、石河子大学兵团能源发展研究院院长张立新

吕腾波

截至2020年，全球共有3227万公顷的土地种植着棉花。这种被称为“第一种全球化商品”的植物，不仅是国计民生不可或缺的基础产品，而且在保证农业和纺织工业平稳发展、确保相关行业就业水平乃至交易创汇方面扮演着重要角色。此外，棉花在国防、医药、汽车工业等方面也有十分重要的用途，可以说，棉花的生产、流通、加工和消费都与国民经济的发展息息相关。我国已连续多年成为棉花第一生产国和消费国，在当前复杂的国际背景下，从源头展开对棉花的产业结构调整，促进传统产业与新兴产业相互融合，将是维持我国经济社会稳定、提升国家经济竞争力、践行可持续发展道路的重要一环。而具体到我国的“产棉大省”新疆，如何确保棉花高产量、高质量地有序发展，推动棉花产业由传统农业向智慧农业方向转变，也成了新疆相关领域科技工作者一直在思索的问题。

“没到过新疆，不知道中国有多大。”在不久前荣获2022年度“新疆最美科技工作者”荣誉的张立新眼中，辽阔的新疆大地焕发勃勃生机——无论是产量占据全国棉花总产量87%、世界棉花总产量20%左右的丰饶棉田，或是蕴藏着丰富可再生资源的独特地理环境，都为新疆的发展提供了更多的可能性。对他来说，新疆不仅是滋养他成长的沃土，更是他奋斗拼搏的版图。数十年如一日地工作在棉田一线，靶定精准农业技术和新能源技术，张立新想得很简单：他期待将自己的科研成果，助力新疆农业及新能源产业科技创新，为新疆农村振兴的事业再添羽翼。

张立新（右二）与农户交流经验

水肥故事——棉田增产的科技密码

当被问到如何实现棉田增产的问题时，张立新迅速给出了清晰的回答：选择高产稳产、多抗广适、品质优良的棉花品种，采用全程机械化复合型农机装备，以及运用包括合适的水肥策略在内的农业科技成果，是提高棉花品质和产量的关键。“新疆地大物博，棉田面积很大，这为大规模的机械化运用提供了条件。在采用良种和运用机械化的基础上，结合新疆当地的具体情况，通过水肥一体化技术巧施肥水，将成为棉花丰收的关键密码。”张立新说道。

从新疆的地理气候出发，张立新进一步解释了水肥在棉花生产过程中的重要性——深居内陆的新疆，降水稀少、蒸发强烈、水资源匮乏，农业生产灌溉用水不足和水资源利用率过低是新疆农业发展最突出的“瓶颈”。故而具体到棉花种植过程中，在保证棉花生产用水的同时，充分提高其利用率是灌溉过程中需要解决的核心问题。此外，区别于传统施肥技术“盲目施肥、普遍滥施”的情况，根据棉花不同生长期所需的营养元素进行科学精准施肥，是棉花高产栽培措施中可起到30%～50%作用的有效手段。就此，张立新及其团队围绕棉花的灌溉施肥技术及装备自动化和智能化领域展开研究，以期从水肥一体化技术和装备入手，为棉花的增产增收提供新的发力点。

水肥一体化精准实施的难点是“感知”和“控制”。土地的温度和湿度如何？土壤中营养成分的含量是多少？如何准确获取这些信息？如何在获得相关信息后及时准确地灌施水肥？这些成了摆在张立新面前的首要问题。针对这一问题，张立新团队通过不同传感器的实时监测，采集了大量棉花生长参数和环境参数，研究了灌施作业数据无线传输技术，制定了系统数据交互协议和接口规范，构建了灌施作业决策数据分析模型，融合了维护服务支持技术等，采集水肥一体化作业过程中的关键数据，建立了水肥作业数据库。经测算，传感器监测覆盖面积达85%以上，误报率低于10%，数据更新延迟5分钟以内。在此基础上，团队结合农艺技术、理论模型和农户经验，设计了对应的控制算法和施灌模型，最终研发了一种基于Lora无线通信技术和GPRS技术结合的棉田智慧灌溉系统，这一系统借助土壤墒情传感器监测棉田土壤信息，通过研发的基于光伏的无线电动控制阀和渠首电机监控系统以及系统集成的智能网关，可以实现远程控制施灌，保证了农作物科学灌溉的质量和效率。

针对现有施肥装置存在施肥劳动强度大、自动化程度低、水肥均匀性较低等问题，张立新团队以PLC、触摸屏、变频器、软管泵、信息采集传感器等电气机械器件作为硬件装置，结合模糊控制、PID等控制算法，搭建了由交流调压供电子系统、PLC控制子系统、变频调速子系统、信号采集和电动/电磁阀管路控制子系统组成的控制系统，从而实现了节水灌溉精准施肥控制，其中最为突出的创新成果即是软管泵的研发和运用。“2011年开始，我和团队就开始进行水肥一体化的相关研究，其中的‘肥’还有一个有趣的变化过程。”张立新回忆道，“研究之初，我们的研究方向还是固态颗粒肥的变量撒施。等到了2017年，随着新型肥料——液态肥的兴起，我们通过对比发现，滴灌液态肥的肥料利用率和增产效果更好，相应的研究重点也转向了‘水+液态肥’这一结合形式。而这个结合形式的难点，就是如何通过驱动装置把液态肥按需精确注入流动的水中。”在试用常规的螺杆泵作为驱动装置时，张立新很快发现，由于关键部件——螺杆与具有一定腐蚀性的肥料长期接触，螺杆泵出现了较高的故障率，且在功能上须与流量计共同配置，成本较高，这将为未来技术推广落地带来一定的限制。故障率高、成本高的问题要如何解决呢？张立新想到了化工上另外一种常见的挤压泵形式——软管泵。借鉴这一形式，张立新团队研发生产专门面向棉花灌溉施肥的软管泵。相较于化工工程所用的软管泵，张立新团队所研发的软管泵成本相对较低，并经过“焊接式-铸造式-板式冲压焊接式-无缝钢管式”的一系列技术迭代，使软管泵的制造工艺不断优化，关键部件的工作强度和刚度得到强化。通过轻量化的优化设计，他们研发的软管泵具备了“又轻又好”“物美价廉”等突出优势，成为精准施肥系统的重要驱动装置。以此为核心，张立新团队研发的液态肥精准施肥系统及设备施肥精准率可达到99%，液态肥精准施肥系统施肥响应时间≤2.7秒，每台设备可提高20%～30%的工作效益，传统棉花种植过程中出现的肥料利用率低、粗放施肥、过量偏施等突出问题也随之迎刃而解。

与此同时，由于光伏产业在新疆广阔的发展前景，张立新及其团队又迅速投入分布式新能源微电网和新能源装备在线检测的研究领域。“在国家大力推进‘30·60’目标的当下，新疆面临着产业结构调整和大力发展新能源的巨大机遇和挑战。新疆具有丰富的风能、太阳能等可再生资源，但由于其波动性、随机性、间歇性的特性，新能源并网会冲击电网的稳定性，所以开展分布式新能源微电网和新能源装备在线检测分析研究与应用，有利于以新能源为主导的新型电力系统运维的稳定性。发展光伏农业（将太阳能发电、现代农业种植和高效设施农业相结合）对于我国的农业转型具有十分重要的意义，充分利用‘农光互补’优势，积极开展光伏+农业领域的技术与装备研究，是我们团队开展研究的一个新方向，也是不远的将来促进新疆棉花产业升级的重要发力点。”张立新坚定地说。

踏遍阡陌——让产业升级成为现实

对于曾在石河子柴油机厂工作5年、随后转入石河子大学机电学院从事教研工作的张立新来说，“从实践中来、到实践中去”是他一直以来的从研思路，在企业一线的工作经验也为他将所研内容转化应用提供了坚实的基础。“跟企业打交道，讲的就是脚踏实地、切实解决问题。企业并不希望我给他们讲计算公式或是讲一些什么原理，而是希望将研究成果切实应用到企业或者农户的实际工作中。”谈及近年来与企业合作的经验，张立新侃侃而谈，“以精准施肥系统为例，在推广活动之前，不少企业对我们的产品并不信任。在他们看来，多年来沿袭的人工施肥也可以达到同样的效果。然而在设备运行一年后，精准施肥系统改善了曾经的施肥耗费大量人力物力、施肥效率差等问题，也迅速赢得了相关企业的‘芳心’”。目前，基于PLC的水溶肥（液体肥）施肥装置及控制系统已经与多家公司达成积极合作，相关示范应用效果良好，目前在进一步推广应用中。

张立新并未就此止步，他想要打通农业生产的“最后一公里”，将便捷有效的农机农技真正送到农民手中。依托科技特派员服务团队项目和三师图木舒克市科技计划项目，张立新及其团队赶赴南疆第三师44团开展棉花液体肥精准施肥技术的示范推广。这番到访，张立新为自己和团队立下了三个目标：其一，根据不同地区不同棉田种植情况，示范推广节水灌溉精准施肥技术及装备；其二，与当地农户合作，逐步建立棉花优质高产的节水灌溉精准施肥管理体系；其三，面向当地农户展开阶段性技术培训及田间指导，帮助农户“吃透”相关技术、“弄懂”和“用好”相关设备，从而最终达到省工、节水、节肥、增产四重目标。

为了这个目标，张立新及其团队到达图木舒克后，即开始“知己知彼”的采样工作。通过对当地棉花的生长状况进行实地考察，张立新团队对当地棉花生长期时环境的温度、光照、病虫害情况及土壤情况进行了调查和检测，并以此为依据制订出合理的肥料配备方案。同时团队积极了解农户的施肥需求，并结合设备放置的地形，根据棉田的实际情况定下设备安装方案：设计并安装所需要的管道与电线线路后，将设备程序载入控制系统，通过一次又一次的重复试验，测量并记录设备的运行数据，依靠数据与拟合公式，计算出参数值并完成设备的精度校准……通过张立新团队的努力，精准施肥系统得到了农户的一致认可：“施肥真的只要在屏幕上点几下就好了，真省事！”而对当地一对50多岁的夫妇来说，精准施肥系统为他们提供的帮助远不止“省事儿”这么简单——“这对夫妻已经50多岁，平时棉田的生产全靠家里的男主人。但是那一年家中的‘壮劳力’生病了，家里的女主人独自一人又很难全部承担扛化肥、浇水、施肥这样的繁重工作。这时候精准施肥系统正好为他们提供了一种便捷高效的解决方案。事后男主人和我们交流时曾激动地说道：‘即使我卧病在床，老伴儿去田里按一下按钮，施肥浇水的工作就都做好了。有了这个系统，再也不怕耽误农时了。’”张立新说，“以科技手段降低劳动强度和成本，助力南疆第三师44团发展智慧农业，用农业科技打赢脱贫攻坚战，是我们工作的重要目标之一。”

此外，为了精准施肥系统在图木舒克等地区的推广应用，确保农户获得更好的使用体验，降低设备的使用故障率，张立新及团队积极开展关于棉花液体肥施用技巧和精准施肥系统操作方法的知识讲座，详细介绍了棉花液体肥精准施肥系统的工作原理、运行方式以及操作流程，通过知识讲座等形式使农户进一步了解相关技术和产品。培训期间，张立新团队与到场农户积极互动，并耐心详细地解答农户的疑难问题百余次。提及与农户近距离交流的经历，张立新感慨地说：“农户是真正的生产第一线，我们要做的就是放下身段，第一时间去向农户请教，了解他们最迫切的需求。农户是非常朴实的，他们想要的不过就是解决当下实际问题的办法。与企业合作不同，农户对于设备的需求，除了有用、好用之外，更要简单可靠、皮实耐用。从这个意义出发，直接和便利，不仅成了团队开发相关设备时的自我要求，也成为团队开展培训讲座时的着力方向。”就此，“接地气”的张立新团队及其研发的技术和设备成果得到农户朋友们的高度认可，团队的成员们干劲更大了。

张立新（左二）向农户传授精准施肥系统使用方法

以科技助力智慧农业发展、践行脱贫攻坚使命，张立新及其团队一直在路上。截至目前，张立新团队研发的棉花精准施肥系统推广应用面积已达到3200公顷（4.8万亩），在北疆推广示范152台套，南疆推广示范9台套，帮助乌斯曼、张广亮等南疆农户节省劳动力2人/户、成本3万元/户，减少12%的肥料使用量及15%的灌溉用水量。相关技术及装备的应用成为推进化肥减量增效和响应国家“实现化肥零增长”政策的重要手段，有效促进了当地绿色农业、科技农业、智慧农业的发展。“仅仅提供节水和灌溉施肥等功能是不够的。在后续的研究中，我们将会引入环境监测，跟踪棉花生长全程中作物自身需求，让各类机械和远程操控参与到棉花生产的全过程中，最终实现智慧农场、无人农场的目标。我和团队成员都希望能将前沿的技术运用到棉花产业中，为产业智能化贡献我们自己的力量。”

传承与合作——赋能团队发展新范式

自1995年入职石河子大学以来，张立新已经在这里度过了近30年的时光。在这所由教育部和新疆生产建设兵团共建的边陲高校中，张立新从懵懂新人逐渐成长为中流砥柱，承担起越来越多的团队职责。如今作为石河子大学机械工程学科、机械工程一级学科博士点负责人及石河子大学兵团能源发展研究院院长，张立新更是深知使命在肩，不容片刻懈怠。提及目前的工作，张立新用了“传承”和“合作”来概括。

传承兵团精神，提升育人成色。做好学生的引路人，是张立新为师以来不变的追求。“刚进入石河子大学的时候，我想的就是要把自己的教学搞好、把课讲好，这是最基本的要求，也是教学的第一步。在学生习得知识之后，更重要的环节是培养学生将所学应用于实践的能力，这个时候就需要为学生提供更加广阔的平台来进行实践。这个平台可以细分为两种，一种是可以提供先进科研仪器的科研平台，另外一种就是让学生得以深耕细作、持续发展的学科平台。”张立新解释道。为此，自2009年起张立新就投入机械工程相关学位点的申请工作中。经过团队上下的一致努力，2010年石河子大学机械电气工程学院即获批机械工程领域专业硕士学位授权点，2011年获批机械工程一级学科硕士学位授权点，随后在2017年年底又获批机械工程一级学科博士学位授权点。统稿撰写、全程参与的张立新不无感慨地说：“学科平台的建设一方面为学生的精专发展提供了可能性，另一方面也给学科团队的中青年老师提供了一个有力的发挥才华、施展才干的发展平台。这对于学生和团队的成长都有极大裨益。”在完成学科建设的“升级”之后，张立新也积极谋划科研平台的建设。2014年，张立新牵头申报新疆维吾尔自治区级机械工程实验教学示范中心，并于同年成功获批成立。自此，“双平台”成为石河子大学机械电气工程学院机械工程学科前行的双翼，带动学院机械工程学科持续向前发展。

在此基础上，张立新从自身经验出发，提出了培养研究生的“5个1”原则。所谓“5个1”，就是要完成一篇高水平并成功发表的小论文，要完成一个质量很高的大论文，要跟随团队实际动手做出一台样机，要会写发明专利、企业标准、行业标准，要会写相应的科研项目申报书。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”打通实际工作的每一个环节，通过系统化的训练，让学生在毕业后就能胜任各项工作，是张立新培养学生的出发点和落脚点。对于学生在不同阶段研究状态的不同，张立新形象地用“兔子理论”予以解释：“本科生阶段就像是沿着一条笔直的路去山上抓看见的兔子，抓到了就是完成任务；硕士阶段则是有好几条路可以抓兔子，要从中找一条最简便、最可靠、最快捷的路去把看见的兔子抓下来；等到了博士阶段，没有路，也没看见山上有兔子，不知隐藏在哪儿。这就要他自己披荆斩棘、开辟一条路，去抓到那只藏在某处的兔子。对不同阶段的学生要求是不同的，但是重视方法引导，鼓励学生多经历、多实践的初衷是不变的。”

基于特殊的地理位置，石河子大学积极参与到我国“一带一路”建设中。在此过程中，同样作为世界上主要棉花生产和出口国的苏丹，也成为石河子大学的重要合作对象。苏丹为粗放农业，当地干旱缺水、农业技术落后、水肥利用率亟待提高。因此将新疆地区的精准控制水肥一体化滴灌技术推广至苏丹产棉区，符合新疆及苏丹精准农业发展的共同战略需求，具有极为重要的战略意义。2019年张立新申报石河子大学首次获批科技部立项“发展中国家杰出青年科学家来华工作计划”（简称“国际杰青计划”），基于此张立新团队就无线传输自动化节水灌溉施肥技术与装备的研发与应用同苏丹科技大学团队开展科学研究。通过一系列技术合作和“中国-苏丹农业合作开发区”应用示范，双方着力培养一批知识储备丰富、技术过硬的专业人员；进而力求将兵团先进的棉花生产全程机械化技术及装备引进推广到苏丹，推动国际产能合作，践行“一带一路”科技创新行动计划。与此同时，张立新团队对内不断推动新疆企业与国内知名院校及研究机构的“需求互补”，对外加强与英国地质调查局、英国农业中心等机构的有效合作。乘着数字农业、智慧农业的东风，在精准施肥、节水灌溉层面不断深耕，为实现乡村振兴的目标持续赋能，是张立新团队一直在做的事情。他说：“这是新疆乃至全球农业都要思索和实践的重要课题。能在这一过程中发挥作用，我和我的团队感到十分荣幸。”