高标准农田中精准农业与机械自动化技术应用

吴建芬

DOI： 10.3969/j.issn.1003-1650.2024.04.028

高标准农田作为农业现代化的关键领域之一，其核心特点之一是土地质量，但它不仅仅停留在土地的改良上，还包括了先进的技术和管理方法的应用，以实现更可持续、高效的农业生产。

精准农业和机械自动化技术正是高标准农田建设的两大支柱。精准农业利用先进的传感器、数据分析和决策支持系统，使农民能够更准确地管理土地、水资源和作物。这不仅可以提高农业产量，还有助于降低资源浪费和环境压力。与此同时，机械自动化技术引入了自动化农机和智能农业机器人，它们能够提高劳动生产率，减轻农民的体力劳动负担，并提供更稳定的农产品质量。本文将深入探讨高标准农田中精准农业与机械自动化技术。

一、高标准农田的要求与特点

1、土地质量和肥力要求

高标准农田的成功建设离不开土地质量和肥力的精心管理。土地的平整和质量是其首要特点之一。在这种农田中，土地必须经过精确的测量和修整，以确保表面平坦度和排水系统的良好效果。此外，土壤的肥力也必须得到精确的评估和管理，以确定合适的施肥方案。这不仅有助于提高农产品产量，还能减少肥料和化学品不必要的使用，有利于环境保护。

2、水资源管理和节约

高标准农田要求科学合理地管理水资源，以确保农田的灌溉和排水系统高效运作。水资源的合理利用和节约对农业的可持续发展至关重要。通过采用现代化的灌溉技术，如滴灌和智能灌溉系统，可以最大限度地减少水资源的浪费，同时保持土壤的湿度平衡。这不仅有助于提高农业生产的稳定性，还有助于维护地下水和生态系统的健康。

3、环境保护与生态平衡

高标准农田建设需要考虑环境保护和维持生态平衡。采用精准农业技术可以减少化学农药和化肥的使用，降低对土壤和水体的污染风险。此外，农田的合理规划和管理有助于保护周围的生态系统，维护生物多样性，减少土地侵蚀和水源污染的风险。

4、农产品质量和安全

在高标准农田中，农产品的质量和安全是重要关注点之一。通过精确的管理和监测，可以确保农产品在生长和收获过程中不受污染，达到高质量的标准。这对食品安全至关重要，也有助于提高农产品的市场竞争力。同时，高标准农田也强调了农产品追溯系统的建立，以便追踪和确保产品的质量和安全性。

二、高标准农田中的精准农业技术

1、精准施肥技术

①变量施肥的原理和好处

在高标准农田的建设中，精准农业技术非常重要，而其中的精准施肥技术更是取得显著成就的一部分。这项技术的核心原理之一是变量施肥，它通过根据土壤的实际需求、植物生长阶段和环境条件来调整农田中的肥料施用。变量施肥的原理基于一个简单而重要的观念：不同的土地区域可能具有不同的养分。通过使用现代传感器技术，农民可以精确测量土壤的养分水平和作物的生长情况。随后，这些数据被输入到智能决策支持系统中，系统将分析并计算出每個区域所需的肥料量，以满足植物的需求，同时避免不必要的肥料浪费。变量施肥的好处是多方面的。首先，它可以显著降低农业生产的成本，因为农民只需购买和使用实际需要的肥料。其次，这种精准施肥有助于减少对土壤和水体的污染风险，因为不必要的养分过剩可能导致环境问题。此外，变量施肥还有助于提高农产品的质量和产量，因为植物可以获得适量的养分，以实现最佳生长。最重要的是，这项技术有助于实现农业可持续性，因为它减少了资源浪费，提高了土地的长期生产力。

②技术应用案例

在种植户决定采用精准农业技术，特别是智能施肥系统，来提高小麦的产量。这时所面临的挑战包括不断变化的气候条件、土地质量不均和需要提高农产品质量的需求。种植户需要认识到传统的均匀施肥方法已经不再满足需求，于是必须采用变量施肥的方法。

首先，需要利用土壤传感器技术对种植地进行精准测量，并分析土壤中的养分含量水平。还可利用无人机进行高分辨率的农田成像，以获取有关植物生长状况的数据。这些数据被输入到一个智能决策支持系统中，系统根据小麦生长阶段和实时气象数据，为每个农田区域生成了个性化的施肥建议。

接下来，在农田中可以安装智能施肥设备，这些设备能够根据系统生成的建议，在每个区域内实时调整肥料的施用量。这意味着在需要更多养分的地方施用更多的肥料，而在已经充足的地方则施用较少的肥料。这种个性化的施肥方法有效地提供了小麦所需的精确养分供应。

在第一年的实验中，种植者看到了显著的结果。小麦的生长更加均匀，不同区域之间的产量差异减小了。最令人印象深刻的是，总产量提高了10%，而同时肥料的使用减少了15%。这不仅增加了种植者的收益，还有助于减少农药和肥料对环境的污染。

这个案例展示了在高标准农田中应用精准农业技术，特别是智能施肥系统，如何有效地提高农业生产的效率和可持续性，同时实现了更高质量的农产品产量。这也激励了更多的农民采用类似的技术，以满足不断增长的食品需求，同时保护农田生态系统。

2、精准灌溉技术

①传感器控制的灌溉系统

传感器控制的灌溉系统基于现代传感器技术，如土壤湿度传感器、气象传感器和植物生长监测器，能够实时监测农田中的各种参数。这些传感器将数据反馈到一个中央控制系统，该系统使用先进的算法和决策支持系统来确定最佳的灌溉策略。这项技术的好处是显而易见的。首先，传感器控制的灌溉系统可以确保每个农田区域都获得了适当的水分供应，根据土壤水分状况和作物需求进行动态调整。这有助于提高农产品的产量和质量，同时减少了水资源的浪费。其次，传感器控制的灌溉系统能够应对气象变化，防止了过度或不足的灌溉，从而提高了农田的抗旱能力。最重要的是，这项技术减轻了农民的工作负担，因为他们不再需要手动控制灌溉，而可以依靠智能系统来管理这项任务。

②水资源管理和节约

高标准农田中的精准农业技术，尤其是精准灌溉技术，在水资源管理和节约方面发挥着突出的作用。传统农业中的定量灌溉方法通常浪费了大量宝贵的水资源，而精准灌溉技术通过先进的传感器和数据分析，实现了水资源的智能化管理和高效利用。这项技术的核心是实时监测和响应。土壤湿度传感器、气象站和植物需水监测系统能够准确测量土壤湿度、气象条件和作物的水需求。这些数据通过高级算法分析，传送到中央控制系统，该系统根据实际需求自动调整灌溉量和频率。这意味着农田中的每一滴水都被精确计量和应用，避免了浪费。

3、农业无人机应用

①地块监测和图像识别

高标准农田的实现需要现代科技的支持，而精准农业技术一个引人注目的组成部分是农业无人机的应用。在这一领域，通过农业无人机的高空视角对地块监测和图像识别技术，为农民提供了较为先进的农田管理和监测工具。地块监测是无人机技术的核心功能之一，它有利于农民实时监测农田的状况，包括土壤湿度、作物生长状态和害虫情况等。通过搭载各种传感器，无人机可以定期检测农田，收集大量数据，并将这些数据传输到计算机或智能手机上。这使农民能够更快速地做出决策，例如何时进行灌溉、施肥或喷洒农药，最大程度地提高作物产量和质量。

②病虫害防治

现代化的高标准农田要想提高农产品的产量和质量，还需要有效应对病虫害带来的挑战。在这方面，农业无人机的应用为精准农业技术提供了一种强大的工具，可用于病虫害的监测、防治和管理。农业无人机配备了高分辨率的多光谱和红外摄像头，可以在空中全面扫描农田，捕捉到植物的生长状态和潜在的病虫害问题。这些图像数据随后可以通过图像处理和计算机进行分析，识别出可能存在的问题区域。这使农民能够及早发现病虫害的迹象，采取相应的措施来遏制病虫害的蔓延。除了监测，农业无人机还可以用于病虫害的防治。无人机配备了精确的农药喷洒系统，可以根据监测结果在感染区域有针对性地喷洒农药，最小化农药的使用，减少对环境的负面影响。此外，无人机还可以在农田中进行杂草管理，进一步降低了病虫害传播的风险。

三、高标准农田中机械自动化技术

1、自动化耕作和种植

①自动驾驶拖拉机技术

高标准农田中的机械自动化技术取得了显著的进展，其中自动化耕作和种植领域的自动驾驶拖拉机技术正引领农业生产的现代化转型。这一技术将先进的自动导航、传感器和计算机系统融入拖拉机操作中，实现了更高效、精确和可持续的耕作和种植过程。自动驾驶拖拉机技术的核心在于其能够独立执行复杂的农田任务，如犁地、种植和施肥，而无需人为驾驶。通过使用全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS），拖拉机能够在农田中准确地定位自己，并遵循预先规划的路径进行操作。同时，传感器系统还能够实时监测土壤状况和作物生长情况，以便根据需要自动调整工作深度、速度和种植间距。

②种植机械的创新

高标准农田的建设正在不断引入机械自动化技术，其中种植机械的创新是实现农业现代化的重要一环。这些创新的种植机械系统代表了农业领域的一项巨大进步，它们通过结合自动化和先进的工程设计，彻底改变了传统的种植方法。种植机械的创新体现在多个方面。首先，现代的自动化种植机械不仅能够实现高速种植，而且可以精确控制植物间距和种植深度。这意味着种植作业可以更加均匀和高效地进行，从而提高了作物的生长潜力和产量。其次，一些创新的种植机械系统还配备了智能传感技术，能够在种植过程中实时监测土壤条件和植物健康状况。这些数据通过自动控制系统进行分析，并可以自动调整种植参数，以适应不同的土壤类型和作物需求。

2、收获自动化技术

①自动化收割机的发展

高标准农田的现代化建设引领了机械自动化技术的飞速发展，其中收获自动化技术的关键是自动化收割机的不断创新和发展。这些自动化收割机代表了农业领域的革命性变革，通过结合自动控制、先进传感器和高级机械工程，实现了收获过程的高效、精确和自动化。自动化收割机的发展体现在多个方面：首先，其能够在较短的时间内完成大面积的作业，远远超过了人工收割的效率。这不仅提高了农产品的生产率，还减少了农民在繁忙季节的工作负担。其次，自动化收割机配备了先进的传感器和图像处理系统，能够实时监测作物的成熟度和品质。这些系统可以自动调整刀具和收割参数，以确保只有成熟的作物被收割，从而提高了农产品的品质和市场竞争力。此外，自动化收割机的发展还关注可持续农业原则。

②收获效率和质量改进

自动化收获技术通过自动控制系统和高级传感器技术，使得农田收获过程更为高效和精确。这些系统能够实时监测作物的成熟度和品质，确保仅成熟的作物被收割，减少了作物损失。此外，机械自动化系统的高速作业和精准的收割方式可以显著提高农田收获的速度和效率，节约了时间和人力资源。另一个关键方面是质量的提升。自动化收获技术能够避免人为误操作和疲劳导致的收获损失，确保了农产品的质量和一致性。通过实时数据监测，这些系统还可以帮助农民更好地了解作物的品质特征，以满足市场需求，并提高了产品的市场竞争力。

四、精准农业和机械自动化技术对农业可持续发展的影响

1、提高农田资源利用效率

精准农业技术通过实时数据监测和分析，使农民能够更精确地了解土壤状况、植物健康和气象条件等关键因素。这有助于农民精确施肥、灌溉和施药，最大限度地减少了资源浪费，如水资源、肥料和农药。这不仅降低了农业的生产成本，还减少了对环境的负面影响，实现了资源的可持续利用。同时，机械自动化技术，如自动驾驶拖拉机和自动化收割机，提高了农业生产效率。这些自动化系统可以在更短的时间内完成大量作业，减轻了农民的体力劳动负担，并提高了作业的一致性和质量。这意味着农民能够更好地管理农田资源，确保土地的可持续利用，同时提高了农产品的生产率。

2、减轻农民的劳动负担

精准农业技术通过实时监测和数据分析，使农民能够更好地了解农田状况和作物需求。这意味着农民可以更精确地施肥、灌溉和施药，而不需要进行繁重的手工操作。这不仅提高了作物的生产率和品质，还降低了资源的浪费，如水和化肥。同时，农民不再需要花费大量时间和体力进行监测和调整，可以集中精力进行更战略性的农田管理。另外，机械自动化技术，如自动驾驶拖拉机和自动化收割机，减轻了农民的体力劳动负担。这些自动化系统能够在长时间内高效作业，而无需农民长时间驾驶或进行繁重的体力工作。这不仅有助于提高农民的工作效率，还有助于减少劳动相关的健康问题，提高了工作的舒适性。

3、促进粮食生产和农业现代化

精准农业技术通过实时数据收集和分析，使农民们能够制定更科学的农业管理计划，包括适量施肥、精確灌溉和定制化的农药使用。这种精细化管理不仅提高了粮食产量，还减少了资源浪费，降低了环境负担，有助于粮食生产的可持续性。另外，机械自动化技术，提高了农业生产的效率和质量，这些自动化系统能够在较短的时间内完成大规模的作业，减轻了农民的体力劳动负担。这不仅有助于提高粮食产量，还提高了农民的生产力，为农业现代化提供了关键支持。

总之，精准农业和机械自动化技术在农业可持续发展中扮演着不可或缺的角色。它们通过提高资源利用效率、减轻农民的劳动负担、促进粮食生产和农业现代化，为现代农业带来了前所未有的机会。这些技术的不断创新和应用将进一步推动农业的现代化和可持续性，有助于满足不断增长的粮食需求，同时降低了对环境和资源的压力，为农村地区的繁荣和可持续发展做出了积极的贡献。因此，我们应该继续支持和应用这些技术，以实现更加可持续、高效和智能的农业现代化。

（作者单位：756500宁夏彭阳县农业综合开发服务中心）