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提高农业机械化水平 促进农业现代化发展
信息来源:中国农村科技 | 发布时间:2021-04-06 10:06

农业机械装备是现代农业发展的重要物质基础,农业机械化是转变农业生产方式、提高农业生产力和实施乡村振兴战略的重要支撑,没有农业机械化,就没有农业农村现代化。

1959年,毛泽东同志提出了“农业的根本出路在于机械化”的著名论断,为我国农业发展指明了方向。2004年以来,我国农机制造水平稳步提升,农机装备总量持续增长,农机作业水平快速提高,农业生产已从主要依靠人力畜力转向主要依靠机械动力,进入了机械化为主导的新阶段。农业机械化为推动工业化和城镇化发展,解放农业劳动力、提高土地产出率、劳动生产率和资源利用率,支撑农业农村现代化发展,保证粮食安全和促进农业经营主体产业化规模化生产等方面发挥了重要作用。

无人驾驶收获机

农业机械化为促进农业现代化发展发挥了重要作用

提高土地产出率,保障粮食安全。我国人均耕地面积少,且随着我国工业化和城镇化的发展,部分耕地被转化为建设用地,进一步减少了我国耕地面积。提高土地产出率,即提高单产是保障国家粮食安全和食物安全的重要途径之一。在这样的形势下,保证粮食安全要求大力提高土地产出率,农业机械化是提高土地产出率的重要措施。

1949年,我国水稻、小麦和玉米单产分别为1892.29公斤/公顷、642.10公斤/公顷和961.66公斤/公顷。由于农业机械化技术和农业科技的进步,2018年,三大作物的单产分别达到7026.59公斤/公顷、5416.61公斤/公顷和6104.29公斤/公顷,分别是1949年的3.7倍、8.4倍和6.3倍。北京地区1949年粮食单产才1.5吨/公顷,上世纪60年代解决了灌溉问题,单产成倍增加;70年代后期通过发展机械化,改为两年三熟,单产增加至6.75吨/公顷;80年代解决了三秋机械化,实现了一年两熟,单产增加到15吨/公顷,是1949年的10倍。

提高劳动生产率,促进工业化和城镇化发展。农业机械化为农业劳动力从土地中解放出来提供了重要支撑,采用机械化可大幅度提高农业劳动生产率,使一个农民生产的农产品可以养活更多的人。中国农业机械化发展研究中心的数据表明,全国农作物耕种收综合机械化水平每提高1个百分点,可减少389万农业劳动力的劳动投入量(2003年—2012年),农业劳动力在社会总劳动力中的占比降低0.605个百分点(2003年—2018年)。

美国的农业就业人数约为350万人,占人口总数的比例约1%,但由于农业机械化高度发达,一个农民可以养活134人左右。1949年—1950年,德国每个农业劳动力仅能养活10人左右;随着机械化的发展,1996年,一个德国农民可养活108个人左右;2002年达到124人左右,目前可养活140人左右。德国从事农业生产的劳动力从1960年的240万人减少到目前的约130万人,而农业生产效率却增加了7.5倍,农业机械化发挥了重要作用。1978年,我国农业人口占比为70.5%;2018年,农村人口占比为40.42%,其中,农业从业人口占比约为20%左右,一个农民可以养活四个人左右。

同时,由于减少了农业劳动用工,能进一步促进农村劳动力向第二、三产业转移,促进国家工业化和城镇化建设,农业机械化是促进城市化进程和劳动力从第一产业向第二、三产业转移的重要支撑。据2003年—2018年数据统计,农作物耕种收机械化水平每提高1个百分点,城市化率相应提高0.502个百分点。2018年,我国常住人口城镇化率达到59.58%,比1949年年末提高48.94个百分点。

提高资源利用率,促进农业可持续发展。我国是水资源匮乏的国家之一,尤其是我国北方地区属于水资源严重匮乏地区。我国农业生产中长期采用土渠输水和大水漫灌等灌溉方式,灌溉用水的有效利用率只有30%〜40%,每年灌溉中浪费的水相当于全国总用水量的40%,采用机械化实现精准灌溉,可大幅提高水资源利用率,节约用水,减少生产成本。

采用机械化精准施肥和精准施药,可提高化肥农药的有效利用率,减少化肥农药施用量,减少生产成本和环境污染。据统计,采用精准施肥技术,可以节约肥料15%〜40%,单位肥料产出提高30%〜60%;采用精准施药技术,可以节约40%〜60%的成本。2015年,农业部开展化肥、农药使用量零增长行动以来,通过精准高效施肥施药等措施,2020年,我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物化肥利用率达到40.2%,农药利用率达到40.6%,比2015年提高4个百分点,基本实现了化肥农药零增长。

我国农业生产中,每年产生秸秆7亿吨左右,利用机械化可实现秸秆的高效利用,通过秸秆还田可提高农田有机质和肥力,减少焚烧处理等对环境造成的污染。我国每年约产生畜禽粪污38亿吨,利用机械化,可提高畜禽粪污的利用价值,减少化肥的使用,对减少环境污染的意义重大。

未来的农民

信息技术进一步提高了农业机械化促进农业现代化的能力

信息技术与农业机械化技术的融合,进一步提高了农业机械的智能感知、自动导航、精准作业和智能管理水平,进一步提高了农业机械化促进农业现代化的能力。

信息技术进一步提高了农业机械的智能感知水平。为进一步提高农业机械的作业质量和作业效率,在农业机械作业前和作业时需要准确获取各种农情信息,包括土壤信息,如土壤耕作阻力、土壤养分(氮、磷、钾等)和土壤水分等;作物长势信息和作物病虫草害信息等各种农情信息采集技术。“星机地”技术,即卫星、飞机(有人驾驶飞机和无人驾驶飞机)和地面观测仪器,可为各种农情信息的获取提供强有力的支持。中国农业大学成功研究可准确获取土壤水分和土壤压实状况的车载式测量转换器。由于至今尚无可以在田间实时准确测定土壤中氮、磷、钾的传感器,华南农业大学研究成功带GNSS的自动土壤采样器。水是影响作物生长的重要因素,华南农业大学研究成功既可以测定水田田面水层深度,又可测定水田土壤中含水量的无线传感器,为水稻生产自动灌溉提供了支持。国家农业信息化工程技术研究中心研究成功土壤耕深监测系统,可准确测定深松深度和深松面积。现在,各种多光谱、高光谱仪安装在无人机和地面移动式车辆上,可获取不同尺度地块上的作物长势和作物病虫害情况,为精准施肥和精准灌溉提供了支持。华南农业大学采用无人机获取水稻氮素信息,制定施肥处方图,并据此进行精准对靶变量施肥,2018年,在广东罗定县的早稻生产中应用的结果表明,可减少氮肥28%。

目前,我国的农情信息获取技术取得了一定进展,但距农机精准作业的需要还有较大差距,特别是在实时获取各种农情的传感器的研究和应用方面。今后的发展重点,一是能实现各种农情信息获取的传感器的检测机理、敏感材料和芯片;开发集多种参数感知于一体的多用途小型传感器;三是多种传感器获取的信息的融合技术。

信息技术进一步提高了农业机械的自动导航水平。自动导航技术可以大幅度提高农业机械的作业质量和作业效率,是现代农业建设的重要内容和标志。美国等发达国家自上世纪80年代中期即开展了农业机械自动导航技术的研究。我国的农业机械自动导航技术研究起步较晚,但经过20年的努力,目前与发达国家总体上处于“并跑”状态,突破了十大关键技术,包括导航定位、路径跟踪、电液转向、电机转向、速度线控、机具操控、自动避障、主从导航、车载终端和系统集成技术。取得了三大创新成果,包括农业机械自动导航定位与姿态检测技术、农业机械自动导航控制技术和农业机械自动导航作业系统集成技术。创制了适用于旱地和水田作物耕、种、管、收等作业环节的电液转向的系列产品,包括自动导航作业的旋耕机、播种机、插秧机、喷雾机和收获机。在旱地作业中,在行驶速度18km/h内,路径跟踪精度为2.5cm;在水田作业中,针对水田泥底层不平、土壤松软、农机侧滑严重、俯仰横滚姿态变化频繁且幅度大的问题,在农

机导航复合路径跟踪控制器中增加了侧滑估计补偿器,显著提高了农机导航系统的水田抗侧滑干扰能力,在行驶速度8km/h内,路径跟踪精度为4.4cm。华南农业大学研究成功无人驾驶主从导航收获机系统,收获机与运粮车在直线行驶段的横向误差不超过5cm,纵向误差不超过10cm,可以保证收获机的粮食准确地卸在运粮车中,大大提高了收获机的作业效率。目前,我国水田作业机械自动导航和主从导航收获机系统居国际领先水平。采用自动导航的农业机械经济社会效益显著,可提高作物产量2%~3%,减少肥料和农药用量5%〜10%,降低生产成本5%〜10%,可提高土地利用率0.5%〜1%,由于可以24小时不间断作业,大大提高了农机利用率。

虽然我国农机自动导航技术取得了长足发展,但我国农机导航产品与国外知名品牌还有一定差距:一是对坡地、水田等复杂地形地况的适应性不强;二是对高速作业工况的适应性还有待提高;三是我国商用卫星星基增强的定位精度还不能满足农机自动导航的需要。所以,我们必须针对这些差距,加大创新力度,以进一步提高农业机械自动导航水平,为农业现代化发展提供支撑。

信息技术进一步提高了农业机械的精准作业水平。精准作业包括精准耕整、种植、田间管理、收获和干燥,是现代农业的基本要求,是提高农业机械化水平的重要目标。近二十年来,由于加大了机械化技术和信息化技术的融合,我国农业机械精准作业水平不断提高,与发达国家的差距不断缩小。

精准种植方面,保护性耕作技术在全国大面积推广,面积超过1亿亩。深松、少耕、免耕技术已成为各地的主推技术。采用保护性耕作技术,有利于控制风蚀和水蚀,减少水土流失;有利于改良土壤结构,提高土壤地力;有利于提高土壤节水抗旱能力;有利于减少温室气体排放;有利于增加作物产量。推广应用结果表明,采用保护性耕作技术,可降低风蚀34%以上,增加土壤的水入渗率20%以上,可减少40%以上的土壤径流,干旱年份可达60%以上。激光平地技术在旱地和水田精准平整中推广应用,提高了化肥利用率,玉米精量播种基本实现了单粒等距和等深;棉花播种采用覆膜精量穴播,单产翻了一番多。

精准种植方面,华南农业大学研究成功的“三同步”水稻精量直播技术,可实现常规稻、杂交稻和超级杂交稻精量直播,取得了一批高产记录,在新疆连续三年亩产超过1000kg。

精准管理包括水、肥、药的管理。根据作物生长需水规律,采用滴灌、喷灌、微喷灌、间歇交替灌溉、膜下滴灌和水肥一体化灌溉等精准灌溉技术,大幅度提高了灌溉用水率,减少了水的灌溉用量。我国化肥用量居世界第一,但利用率低,氮肥与磷肥的当季利用率分别只有30%〜35%和15%〜20%左右,发达国家氮肥利用率可达50%〜60%,欧盟国家的氮肥利用率高达70%〜80%,采用精准施肥

技术,可以节约肥料15%〜40%左右,单位肥料产出提高30%〜60%。水稻插秧同步侧深施肥,小麦、玉米和大豆变量免耕施肥播种大幅度提高了肥料利用率,减少了施肥量和生产成本,提高了产量。我国农药利用率只有30%,单位面积农药用量是美国的2.3倍,杀虫剂是美国的14.7倍。目前,在我国农业生产中,农民过度依赖农药,病虫害抗药性增加,农药用量增加(世界第一),生产成本增加,环境污染加剧,食品安全事故时有发生。针对上述问题,近20年来,我国大力推广精准植保技术,取得了重大进展,高地隙宽幅喷施技术在生产中大面积推广、效益显著;无人机施药技术由于速度快、效率高,深受农民的青睐。2019年,无人机植保作业面积超过3亿亩次。2015年,我国农业部启动了到2020年化肥使用量和农药使用量零增长行动,取得明显成效,提前三年实现了行动的目标。

精准收获方面,高效低损的稻麦收获、果穗型和籽粒型玉米收获、马铃薯和油菜收获等粮食作物和经济作物收获技术与机具大面积推广应用,实现了丰产丰收,并向通用化、智能化和舒适安全方向加速发展。收获产量和收获面积传感器进入推广应用阶段,自动生成的产量分布图为精准农业提供了依据。收获后秸秆粉碎还田和打捆技术以及机具日趋成熟,并在生产中推广应用。

精准干燥方面,过去由于干燥不及时,我国稻谷常年霉烂损失在250万吨左右,为此,华南农业大学研究成功粮食通风干燥过程在线解析算法、高精度粮食水分检测仪及在线采样装置和稻谷干燥智能控制仪,建成稻谷干燥中心,采用这种干燥中心,稻谷含水率由28.4%降到13.6%,每小时可处理14.13吨,每吨的干燥成本仅15.16元。

信息技术进一步提高了农业机械的智能管理水平。农业机械作业时间相对集中,但作业地点比较分散,作业工况复杂,因此,亟需通过信息技术提高农业机械的智能管理水平,包括远程调度、机具状态和作业质量监控、故障预警和维修保养。

在远程调度方面,在农业机械上安装卫星系统后,农机管理人员可以利用“互联网+”等技术远程实时获取农业机械的作业地点、作业轨迹和作业进度,并根据当地生产需求和作业机具分布情况,按最短转移路径和作业需求紧迫情况等原则进行调度,以充分利用农机资源,提高农机效率。

在机具状态和作业质量监控方面,在农业机械各重要部位安装相应的传感器后,可以实时将机具状态和作业质量发送至农机生产企业和农机管理部门,如拖拉机的发动机参数、PTO转速、行驶速度、动力换挡参数等;收获机的脱粒滚筒转速、清选风扇转速、作业速度、割台速度、割台高度、实际割幅和发动机参数等;播种机的播种量、播种深度和排种器堵塞状况;施肥机的施肥量、排肥轮转速的堵塞状态等;喷雾机的喷雾压力、药液流量和喷头喷雾状态等。

在故障预警和维修保养方面,农机生产企业和农机管理部门可根据实时获取的机具状态和作业质量信息,对机具的作业状态作出判断,如发现收获机的脱粒滚筒转速降低过多,就提醒驾驶员脱粒滚筒可能发生堵塞,建议驾驶员降低收获机前进速度或减少割幅,以减少喂入量,防止堵塞。一旦发生故障,就通过互联网远程指导驾驶员进行维修,对于一些驾驶员无法排除的故障,则立即通知距离故障农机最近的农机维修人员前去维修。


未来的农场

农业机械广阔天地大有作为

改革开放以来,我国农业机械化发展取得了巨大成就,提高了土地产出率、劳动生产率和资源利用率,为促进农业现代化的发展作出了重要贡献。而信息技术的发展,进一步提高了农业机械的感知水平、自动导航水平、精准作业水平,以及智能管理水平,从而进一步提高了农业机械化促进农业现代化的能力。未来,为更好地发挥农业机械化在农业现代化发展中的促进作用,应从以下方面,通过信息技术进一步提升农业机械化水平:

一是研发能实现各种农情信息获取的传感器的检测机理、敏感材料和芯片;开发集多种参数感知于一体的多用途小型传感器;研究多种传感器获取的信息的融合技术。

二是研发对坡地、水田等复杂地形地况,以及高速作业工况适应性强的自动导航技术;提升我国商用卫星星基增强定位精度,使之更好地满足农机自动导航的需要。

三是研制多功能耕整地、高速精准种植、精准施肥播种、精准施药、高效节水灌溉,以及籽实及秸秆高效智能收获等高效智能作业装备;开展5G及新一代信息通信技术在农机装备的应用研究。

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