農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高能促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展分析

　　【摘 要】：在中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中，影響農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的主要因素是土、種、肥、藥、水。精準(zhǔn)耕整技術(shù)、精準(zhǔn)播種技 術(shù)、精準(zhǔn)施肥技術(shù)、精準(zhǔn)施藥技術(shù)和精準(zhǔn)灌溉技術(shù)是提高農(nóng)業(yè)資源利用率的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，是促進(jìn)農(nóng) 業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。該文介紹了提高農(nóng)業(yè)資源利用率的機(jī)械化精準(zhǔn)作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)具。為了進(jìn)一步發(fā)揮 農(nóng)業(yè)機(jī)械化在提高農(nóng)業(yè)資源利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用，該文建議：進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)理 論研究;進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究;進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)機(jī)械與裝備制造的自主創(chuàng)新能力;進(jìn)一步加強(qiáng)推廣應(yīng)用。

　　【關(guān)鍵詞】：農(nóng)業(yè)機(jī)械;機(jī)械化;可持續(xù)發(fā)展;農(nóng)業(yè)資源利用率;農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

　　中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)[1]。發(fā)展高效、 安全的現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)是中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的重要目 標(biāo)。在中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中，影響農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展 的主要因素是土、種、肥、藥、水。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代 化的重要內(nèi)容和標(biāo)志之一[2]，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，是促 進(jìn)中國(guó)農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[3]。 中國(guó)耕地普遍存在等級(jí)低、質(zhì)量不高等問(wèn)題，第二次 全國(guó)土地調(diào)查的耕地質(zhì)量結(jié)果顯示，全國(guó)耕地平均質(zhì)量 等別為 9.96 等(最好為 1 等，最差為 15 等)，中低等耕地 面積占 70.6%，總體偏低[4]。主要表現(xiàn)在[5]：耕作層變淺;部 分地區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)下降;水土流失，次生、鹽漬化、酸 化等問(wèn)題嚴(yán)重，土壤污染問(wèn)題突出。同時(shí)，有相當(dāng)一部分 耕地地塊零碎不規(guī)整，田塊狹小。 中國(guó)種子的優(yōu)質(zhì)品種少、播種量大、種子浪費(fèi)等問(wèn)題 嚴(yán)重阻礙了中國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 中國(guó)化肥總用量已達(dá) 5 700 萬(wàn) t，居世界第一位。氮肥 當(dāng)季利用率只有 30%~35%左右，低于世界發(fā)達(dá)國(guó)家 20 個(gè) 百分點(diǎn)[6]。化肥的過(guò)度使用增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，并造成了對(duì)環(huán)境的污染，是引起蔬菜品質(zhì)下降、地下水硝酸鹽積 累和水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。 中國(guó)農(nóng)藥利用率只有 30%左右，2013 年中國(guó)商品農(nóng) 藥總量達(dá) 183 萬(wàn) t，單位面積農(nóng)藥用量是美國(guó)的 2.3 倍，殺 蟲(chóng)劑用量是美國(guó)的 14.7 倍，若不加以控制，到 2030 年農(nóng) 藥用量將達(dá)到 221 萬(wàn) t [7]。由于過(guò)度依賴農(nóng)藥，導(dǎo)致了病蟲(chóng) 草害產(chǎn)生抗藥性，上世紀(jì) 40~50 年代世界上抗性害蟲(chóng)不 足 10 種，現(xiàn)在已發(fā)展到 700 多種[8]。農(nóng)藥的過(guò)度使用加重 了環(huán)境污染，目前農(nóng)藥污染土地面積超過(guò) 933 萬(wàn) hm2[9]，若 不加以控制，到 2030 年農(nóng)藥污染土地面積將增加 1 倍。農(nóng) 產(chǎn)品污染加大，據(jù)農(nóng)業(yè)部對(duì)全國(guó) 2 585 個(gè)蔬菜樣品調(diào)查， 葉菜類、根菜類和瓜果類中硝酸鹽超標(biāo)率分別高達(dá) 37%、 32%和 53%[10]。 水資源短缺已成為全球食物安全的主要制約因素， 2030 年世界人口將達(dá) 83 億，糧食需求達(dá) 29 億 t，按現(xiàn)在 用水效率計(jì)算，農(nóng)業(yè)灌溉用水需增加 30%(現(xiàn)為約 300 萬(wàn) m3 )，缺口達(dá) 75 萬(wàn) m3[11]。由于水利工程與灌溉方式落后，中 國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年農(nóng)業(yè)灌溉用水 總量在 3 600 億 m3 左右，渠系利用系數(shù)只有 0.4～0.6[12]。中 國(guó)制定了 2030 年農(nóng)業(yè)灌溉水利用率達(dá)到 0.60 以上的戰(zhàn) 略目標(biāo)，但在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)用水方式下大規(guī)模提升用水效率 遇到了技術(shù)瓶頸。破解中國(guó)“水危機(jī)”、突破糧食增產(chǎn)“水 瓶頸”的關(guān)鍵是提高農(nóng)業(yè)用水效率。 農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，歸根結(jié)底是資源和環(huán)境的可持 續(xù)發(fā)展，要促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須以節(jié)約資源和保護(hù) 生態(tài)環(huán)境為前提。因此，中國(guó)面臨提高農(nóng)業(yè)資源利用率、 促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)與挑戰(zhàn)。提高農(nóng)業(yè)機(jī)械 化水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、提高農(nóng)業(yè)資源利用率和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本文擬提出提高中國(guó) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持 續(xù)發(fā)展 的 戰(zhàn) 略 性 措 施——從土、種、肥、藥、水等方面著手，重點(diǎn)突破耕整、播 種、施肥、施藥、灌溉等重要環(huán)節(jié)的機(jī)械化精準(zhǔn)作業(yè)關(guān)鍵技 術(shù)與機(jī)具的研究，分析這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出 發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出解決這些問(wèn)題的思路與方 法，以期為進(jìn)一步提高中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可 持續(xù)發(fā)展提供重要戰(zhàn)略指導(dǎo)。

　　1 精準(zhǔn)耕整 土地精準(zhǔn)耕整是提高水、肥、藥利用率、促進(jìn)作物生 長(zhǎng)、提高作物產(chǎn)量的重要途徑。保護(hù)性耕作、深松和激光 平地是土地耕整的 3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　1.1 保護(hù)性耕作 中國(guó)水土流失嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年流失的表土在 50 億 m3 以上，風(fēng)水蝕耕地面積約 1 萬(wàn) km2[13]。世界權(quán)威雜 志《科學(xué)》(2004 年)曾經(jīng)刊文“土壤碳管理”(Managing Soil Carbon)認(rèn)為：農(nóng)田翻耕導(dǎo)致了土壤的碳流失，同時(shí)加劇了 土壤侵蝕，保護(hù)性耕作可以有效減少土壤中碳的流失，增 加土壤肥力。 保護(hù)性耕作(conservation tillage，CT)的主要特征是不 翻耕土地，在地表覆蓋秸稈[14]，在提升農(nóng)田土壤質(zhì)量方面 主要表現(xiàn)在[15]：1)減少土壤徑流。相對(duì)于傳統(tǒng)耕作，保護(hù)性 耕作可減少 40%以上土壤徑流，在干旱年份可減少土壤徑 流量達(dá) 60%;2)增加土壤有機(jī)質(zhì)。長(zhǎng)期實(shí)施保護(hù)性耕作，土 壤的有機(jī)質(zhì)可年均增加 0.03 百分點(diǎn)，土壤由“黃”變“黑”， 蚯蚓數(shù)量可達(dá) 30 條/m2 ;3)減少水分蒸發(fā)。在冬小麥休閑期 實(shí)施保護(hù)性耕作相對(duì)傳統(tǒng)耕作可減少水分蒸發(fā)19.7 mm; 4)減少 CO2 排放。實(shí)施保護(hù)性耕作，冬小麥季的 CO2 減排 可達(dá) 27.1%;5) 增產(chǎn)效果明顯。14 種作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)中，有 13 種表現(xiàn)出了增產(chǎn)效果。其中，玉米增產(chǎn) 4.5%，小麥增產(chǎn) 7.6%，小雜糧增產(chǎn) 10.1%，大豆增產(chǎn) 18.7%[16]。 從 2005 年開(kāi)始，中國(guó)連續(xù) 8 a 的中央一號(hào)文件都要 求發(fā)展保護(hù)性耕作。國(guó)務(wù)院《國(guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃綱 要(2008-2020 年)》提出要“改進(jìn)耕作方式，發(fā)展保護(hù)性耕 作”。農(nóng)業(yè)部每年投入 3000 萬(wàn)元用于示范與推廣保護(hù)性耕 作技術(shù)。國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、水利部、林業(yè)部等都將保護(hù) 性耕作列為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田減排、抗旱節(jié)水與防沙治 沙等的重要措施。 至 2014 年底，中國(guó)保護(hù)性耕作實(shí)施面積超過(guò)了 860 萬(wàn) hm2[17]，占全國(guó)耕地面積的 6.4%。中國(guó)糧食作物秸稈焚 燒產(chǎn)生的碳排放量約為 477 萬(wàn) t [18]，按此比例估算，保護(hù)性 耕作每年可減少 30.5 萬(wàn) t 由秸稈焚燒造成的碳排放量。如 果在全球推廣應(yīng)用保護(hù)性耕作，未來(lái) 10 a，將可以抵消三 分之一左右來(lái)自燃油的碳排放。陳源泉等對(duì)不同地區(qū)的 保護(hù)性耕種進(jìn)行了大量的調(diào)查，結(jié)果顯示，利用保護(hù)性耕 種技術(shù)可增加 7.1%～49.2%作物產(chǎn)量，降低 2.5%～66.9%生 產(chǎn)成本[19]。因此，保護(hù)性耕作在保護(hù)土壤、節(jié)約用水、節(jié)能 減排、節(jié)約成本等方面都有顯著的效果，是應(yīng)對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè) 資源短缺和資源浪費(fèi)的重要途徑，應(yīng)得到高度重視和大 面積推廣。

　　1.2 深松 深松作業(yè)是替代傳統(tǒng)耕翻的一項(xiàng)土地耕整技術(shù)。通 過(guò)疏松土壤，打破犁底層和加深耕作層改善土壤的透水、 透氣性能和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使雨水更容易入滲到土壤中，從而 有利于作物根系的發(fā)育，提高蓄水保墑能力。 國(guó)外的深松技術(shù)及機(jī)具研究始于 20 世紀(jì) 50 年代，歐 美等西方國(guó)家的深松技術(shù)已經(jīng)形成了相對(duì)完善的體系[20]。 1995 年，Larson 和 Clyma 提出運(yùn)用電滲技術(shù)對(duì)深松鏟進(jìn) 行減阻處理，在黏土中可減少 11%的耕種阻力，最大可減 少 39%的耕種阻力，降低約 32%的能耗[21]。國(guó)內(nèi)對(duì)深松理 論的研究始于 20 世紀(jì) 70 年代，并逐漸形成了中國(guó)的“深 松耕作法”。2004 年，吉林大學(xué)佟金教授發(fā)明了仿生減阻 深松鏟，取得了良好的減阻效果[19]。 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院在中低產(chǎn)田的試驗(yàn)表 明：相比未經(jīng)深松的對(duì)照田，機(jī)械化深松田增產(chǎn)效果明顯， 玉米、大豆、甜菜和馬鈴薯的平均增產(chǎn)與增產(chǎn)率分別為： 1 193 kg/hm2 ，20%;269~359 kg/hm2 ，12%~178%;1 560 t/hm2 ， 358%;4 034 kg/hm2 ，262%，深松還可提高灌溉用水 30%的 利用率[22]。 目前，中國(guó)深松技術(shù)仍面臨減阻和防堵兩大難題， 為此，深入研究保護(hù)性耕作條件下的深松減阻和防堵技 術(shù)，是中國(guó)保護(hù)性耕作機(jī)理研究中亟待進(jìn)一步突破的關(guān) 鍵技術(shù)。

　　1.3 激光平地 農(nóng)田表面平整度直接影響灌溉效率和效果。由于農(nóng) 田表面不平整導(dǎo)致的灌溉用水浪費(fèi)率超過(guò) 20%，同時(shí)影響 作物生產(chǎn)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功旱地激光平地機(jī)，其激 光發(fā)射器云臺(tái)集成 JP3 激光掃平儀，能夠形成帶坡度的激 光平面[23]。中國(guó)水稻生產(chǎn)中歷來(lái)有“寸水不過(guò)田”的要求， 傳統(tǒng)的人工平整、畜力平整、拖拉機(jī)平整和耕整機(jī)平整等 方法主要憑目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)，平整后高度差仍在 10 cm 以上， 且高度差與田塊面積成正比[24]。 為了解決水田精準(zhǔn)平整的問(wèn)題，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制 成功 1PJ 系列水田激光平地機(jī)，鑒定結(jié)論為“在水田平地 技術(shù)及機(jī)具領(lǐng)域居國(guó)際領(lǐng)先水平”。目前，主要有與東方 紅 254 拖拉機(jī)、久保田 704 拖拉機(jī)、上海 50 拖拉機(jī)和雷沃 504 拖拉機(jī)配套的激光平地機(jī)。從 2006 年起，在國(guó)內(nèi) 16 個(gè)省市進(jìn)行了推廣應(yīng)用。結(jié)果表明，采用水田激光平地機(jī) 平地，平地精度可達(dá) 3 cm，節(jié)約了灌溉用水，增加了水稻 產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

　　2 精準(zhǔn)播種

　　2.1 玉米精準(zhǔn)播種 中國(guó)的玉米種植面積不斷擴(kuò)大，至 2013 年，玉米已成 為中國(guó)第一大糧食作物。由于生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)模式的限制，目 前在中國(guó)的玉米種植過(guò)程中，資源利用率低、投入產(chǎn)出率 低，因此，當(dāng)前的生產(chǎn)模式和經(jīng)營(yíng)模式亟待革新。 目前，美國(guó)約翰迪爾(John Deere)公司的玉米播種機(jī)和 德國(guó)亞馬遜(AMAZONE)公司的玉米播種機(jī)技術(shù)處于世界 領(lǐng)先水平，具有大型、寬幅、高速、機(jī)電液一體化和電子化 等特點(diǎn)，播種均勻一致、深淺一致。瑞士 V魧DERSTAD 公司的新型排種器采用機(jī)械式排種與正壓壓種相結(jié)合，有 效克服了在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的漏播現(xiàn)象，對(duì)氣壓要求低，播 種效果好。 吉林工業(yè)大學(xué)研制的 2BS-2 型玉米精密播種機(jī)基本 實(shí)現(xiàn)了單粒排種[26-27]。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的棱錐形 孔排種部件，臺(tái)架試驗(yàn)空穴率為 1.67%，重播率 4.67%，單 粒率達(dá) 93.67%[28]。西北農(nóng)林科技大學(xué)研制的 2FBJD-2 型 玉米半精密播種施水覆膜機(jī)、新疆地區(qū)的 2BCM-6 型茬 地免耕半精量播種機(jī)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的 2BML-2(Z) 型免耕精量播種機(jī)是目前中國(guó)比較先進(jìn)的玉米精密播 種機(jī)[26，29]。 國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了氣力式播種機(jī)的研究，并研制了多種 氣力式精密播種機(jī)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了 3 種氣力式玉 米精量播種機(jī)，其中 2BMF-4 型氣吹式免耕玉米精量播種 機(jī)在作業(yè)速度 6 km/h 時(shí)，播種 合格率達(dá) 95%以上[30]。 2BYQC-7 型氣吸式玉米精量播種機(jī)在作業(yè)速度 9 km/h 時(shí)，播種合格率達(dá) 93%以上[31]。沈陽(yáng)市通用長(zhǎng)青機(jī)械廠的 2BQM-3 型免耕施肥氣吸精密播種機(jī)，可進(jìn)行玉米等作物 的單粒全株距、單粒半株距穴播或條播作業(yè)[32]。農(nóng)哈哈集 團(tuán)的 2BYQF-4 玉米氣吸播種機(jī)可實(shí)現(xiàn)單粒精播[33]。 玉米實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種可以節(jié)省種子 40~45 kg/hm2 ，還可 以節(jié)省或完全省去間苗時(shí)間，保證作物苗齊、苗壯，營(yíng)養(yǎng)合 理，植株個(gè)體發(fā)育健壯，群體長(zhǎng)勢(shì)均衡，增產(chǎn)效果顯著[34]， 是保證豐產(chǎn)豐收的前提。總體來(lái)看，玉米氣力式播種機(jī)在 中國(guó)發(fā)展較晚，大部分從國(guó)外引進(jìn)或改造，而且只適用于 小區(qū)域作業(yè)。因此，研制先進(jìn)適用的玉米精密播種技術(shù)， 完善與之配套的農(nóng)藝措施，是當(dāng)前玉米生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。

　　2.2 水稻精量穴播 目前中國(guó)采用直播方式的水稻種植面積約占 30%左 右，以人工撒播為主[35-36]。采用人工撒播方式種植的水稻 生長(zhǎng)無(wú)序、疏密不勻，因此，通風(fēng)透氣性差、易受病蟲(chóng)害侵 害、抗倒伏性差。為了解決人工撒播存在的問(wèn)題，華南農(nóng) 業(yè)大學(xué)在水稻精量穴播技術(shù)和機(jī)具研究方面取得了重大 突破，研制成功 2BD 系列水稻精量穴播機(jī)，可同步開(kāi)溝、 起壟和播種，實(shí)現(xiàn)了精量播種和節(jié)水栽培[37]，并有效提高 了水稻的抗倒伏性。該研究成果的鑒定結(jié)論為“在水稻水 直播機(jī)械研究領(lǐng)域居國(guó)際領(lǐng)先水平”。從 2006 年起，在國(guó) 內(nèi) 24 個(gè)省(區(qū))及老撾、緬甸、泰國(guó)、越南和柬埔寨進(jìn)行了 推廣應(yīng)用，結(jié)果表明，精量穴播比人工撒播、人工拋秧和人 工插秧可分別增產(chǎn) 10%、8%和 6%以上，每公頃節(jié)約成本分 別為 750、1124 和 1874 元，可節(jié)省水稻生產(chǎn)用水 30%以上 和減少甲烷排放 10%以上。2013 年和 2014 年新疆精量穴 播的水稻連續(xù)兩年產(chǎn)量超過(guò) 15 t/hm2。

　　結(jié)束語(yǔ) 促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是中國(guó)面臨的重要任務(wù)與挑戰(zhàn)。 提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，對(duì)改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)力，增加農(nóng)產(chǎn)品供給和農(nóng)民收入，提高農(nóng)業(yè)資源利用率， 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[92]。世界 上大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在 20 世紀(jì) 60 年代先后實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī) 械化，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[93]。改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平 取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，為進(jìn)一步發(fā)揮農(nóng)業(yè)機(jī)械化在提高農(nóng) 業(yè)資源利用率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用，建議： 1)進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，加強(qiáng)通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)械化提 高土、種、肥、藥、水等農(nóng)業(yè)資源高效利用的基礎(chǔ)理論研究， 如合理耕層構(gòu)建，最佳播種量的基礎(chǔ)研究，深施肥，高效施 藥和高效用水; 2)進(jìn)一步加強(qiáng)提高土、種、肥、藥、水等農(nóng)業(yè)資源高效 利用的農(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)研究，攻克土、種、肥、藥、水等 高效利用所需的農(nóng)情信息快速獲取技術(shù)以及精準(zhǔn)耕整、 精準(zhǔn)種植、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)施藥、精準(zhǔn)灌溉等關(guān)鍵技術(shù); 3)進(jìn)一步加強(qiáng)提高土、種、肥、藥、水等農(nóng)業(yè)資源高效 利用的農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備制造的自主創(chuàng)新能力; 4)進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化在提高土、種、肥、藥、水等 農(nóng)業(yè)資源高效利用技術(shù)的推廣應(yīng)用。

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