農業機械化水平提高能促進農業可持續發展分析

　　【摘 要】：在中國農業現代化建設中，影響農業資源可持續發展的主要因素是土、種、肥、藥、水。精準耕整技術、精準播種技 術、精準施肥技術、精準施藥技術和精準灌溉技術是提高農業資源利用率的幾項關鍵技術。提高農業機械化水平，是促進農 業資源可持續發展的重要途徑之一。該文介紹了提高農業資源利用率的機械化精準作業關鍵技術與機具。為了進一步發揮 農業機械化在提高農業資源利用率、促進農業可持續發展中的作用，該文建議：進一步加強農機農藝融合，加強相關基礎理 論研究;進一步加強相關關鍵技術的研究;進一步加強相關機械與裝備制造的自主創新能力;進一步加強推廣應用。

　　【關鍵詞】：農業機械;機械化;可持續發展;農業資源利用率;農業可持續發展

　　中國是一個農業大國，但不是農業強國[1]。發展高效、 安全的現代生態農業是中國農業現代化建設的重要目 標。在中國農業現代化建設中，影響農業資源可持續發展 的主要因素是土、種、肥、藥、水。農業機械化是農業現代 化的重要內容和標志之一[2]，提高農業機械化水平，是促 進中國農業資源可持續發展的重要途徑之一[3]。 中國耕地普遍存在等級低、質量不高等問題，第二次 全國土地調查的耕地質量結果顯示，全國耕地平均質量 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]。主要表現在[5]：耕作層變淺;部 分地區耕地土壤有機質下降;水土流失，次生、鹽漬化、酸 化等問題嚴重，土壤污染問題突出。同時，有相當一部分 耕地地塊零碎不規整，田塊狹小。 中國種子的優質品種少、播種量大、種子浪費等問題 嚴重阻礙了中國農業的可持續發展。 中國化肥總用量已達 5 700 萬 t，居世界第一位。氮肥 當季利用率只有 30%~35%左右，低于世界發達國家 20 個 百分點[6]。化肥的過度使用增加了農業生產成本，并造成了對環境的污染，是引起蔬菜品質下降、地下水硝酸鹽積 累和水體富營養化的重要原因。 中國農藥利用率只有 30%左右，2013 年中國商品農 藥總量達 183 萬 t，單位面積農藥用量是美國的 2.3 倍，殺 蟲劑用量是美國的 14.7 倍，若不加以控制，到 2030 年農 藥用量將達到 221 萬 t [7]。由于過度依賴農藥，導致了病蟲 草害產生抗藥性，上世紀 40~50 年代世界上抗性害蟲不 足 10 種，現在已發展到 700 多種[8]。農藥的過度使用加重 了環境污染，目前農藥污染土地面積超過 933 萬 hm2[9]，若 不加以控制，到 2030 年農藥污染土地面積將增加 1 倍。農 產品污染加大，據農業部對全國 2 585 個蔬菜樣品調查， 葉菜類、根菜類和瓜果類中硝酸鹽超標率分別高達 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 83 億，糧食需求達 29 億 t，按現在 用水效率計算，農業灌溉用水需增加 30%(現為約 300 萬 m3 )，缺口達 75 萬 m3[11]。由于水利工程與灌溉方式落后，中 國農業灌溉用水效率低。據統計，中國每年農業灌溉用水 總量在 3 600 億 m3 左右，渠系利用系數只有 0.4～0.6[12]。中 國制定了 2030 年農業灌溉水利用率達到 0.60 以上的戰 略目標，但在現有農業用水方式下大規模提升用水效率 遇到了技術瓶頸。破解中國“水危機”、突破糧食增產“水 瓶頸”的關鍵是提高農業用水效率。 農業的可持續發展，歸根結底是資源和環境的可持 續發展，要促進農業可持續發展，必須以節約資源和保護 生態環境為前提。因此，中國面臨提高農業資源利用率、 促進農業可持續發展的重要任務與挑戰。提高農業機械 化水平，對實現農業現代化、提高農業資源利用率和促進農業可持續發展具有重要的意義。本文擬提出提高中國 農業機械化水平、促進農業可持 續發展 的 戰 略 性 措 施——從土、種、肥、藥、水等方面著手，重點突破耕整、播 種、施肥、施藥、灌溉等重要環節的機械化精準作業關鍵技 術與機具的研究，分析這幾項關鍵技術的發展現狀，指出 發展過程中存在的問題，提出解決這些問題的思路與方 法，以期為進一步提高中國農業機械化水平、促進農業可 持續發展提供重要戰略指導。

　　1 精準耕整 土地精準耕整是提高水、肥、藥利用率、促進作物生 長、提高作物產量的重要途徑。保護性耕作、深松和激光 平地是土地耕整的 3 項關鍵技術。

　　1.1 保護性耕作 中國水土流失嚴重，據統計，全國每年流失的表土在 50 億 m3 以上，風水蝕耕地面積約 1 萬 km2[13]。世界權威雜 志《科學》(2004 年)曾經刊文“土壤碳管理”(Managing Soil Carbon)認為：農田翻耕導致了土壤的碳流失，同時加劇了 土壤侵蝕，保護性耕作可以有效減少土壤中碳的流失，增 加土壤肥力。 保護性耕作(conservation tillage，CT)的主要特征是不 翻耕土地，在地表覆蓋秸稈[14]，在提升農田土壤質量方面 主要表現在[15]：1)減少土壤徑流。相對于傳統耕作，保護性 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 60%;2)增加土壤有機質。長期實施保護性耕作，土 壤的有機質可年均增加 0.03 百分點，土壤由“黃”變“黑”， 蚯蚓數量可達 30 條/m2 ;3)減少水分蒸發。在冬小麥休閑期 實施保護性耕作相對傳統耕作可減少水分蒸發19.7 mm; 4)減少 CO2 排放。實施保護性耕作，冬小麥季的 CO2 減排 可達 27.1%;5) 增產效果明顯。14 種作物產量數據中，有 13 種表現出了增產效果。其中，玉米增產 4.5%，小麥增產 7.6%，小雜糧增產 10.1%，大豆增產 18.7%[16]。 從 2005 年開始，中國連續 8 a 的中央一號文件都要 求發展保護性耕作。國務院《國家糧食安全中長期規劃綱 要(2008-2020 年)》提出要“改進耕作方式，發展保護性耕 作”。農業部每年投入 3000 萬元用于示范與推廣保護性耕 作技術。國家發改委、環保部、水利部、林業部等都將保護 性耕作列為農業環境保護、農田減排、抗旱節水與防沙治 沙等的重要措施。 至 2014 年底，中國保護性耕作實施面積超過了 860 萬 hm2[17]，占全國耕地面積的 6.4%。中國糧食作物秸稈焚 燒產生的碳排放量約為 477 萬 t [18]，按此比例估算，保護性 耕作每年可減少 30.5 萬 t 由秸稈焚燒造成的碳排放量。如 果在全球推廣應用保護性耕作，未來 10 a，將可以抵消三 分之一左右來自燃油的碳排放。陳源泉等對不同地區的 保護性耕種進行了大量的調查，結果顯示，利用保護性耕 種技術可增加 7.1%～49.2%作物產量，降低 2.5%～66.9%生 產成本[19]。因此，保護性耕作在保護土壤、節約用水、節能 減排、節約成本等方面都有顯著的效果，是應對中國農業 資源短缺和資源浪費的重要途徑，應得到高度重視和大 面積推廣。

　　1.2 深松 深松作業是替代傳統耕翻的一項土地耕整技術。通 過疏松土壤，打破犁底層和加深耕作層改善土壤的透水、 透氣性能和團粒結構，使雨水更容易入滲到土壤中，從而 有利于作物根系的發育，提高蓄水保墑能力。 國外的深松技術及機具研究始于 20 世紀 50 年代，歐 美等西方國家的深松技術已經形成了相對完善的體系[20]。 1995 年，Larson 和 Clyma 提出運用電滲技術對深松鏟進 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]。國內對深松理 論的研究始于 20 世紀 70 年代，并逐漸形成了中國的“深 松耕作法”。2004 年，吉林大學佟金教授發明了仿生減阻 深松鏟，取得了良好的減阻效果[19]。 中國農業機械化科學研究院在中低產田的試驗表 明：相比未經深松的對照田，機械化深松田增產效果明顯， 玉米、大豆、甜菜和馬鈴薯的平均增產與增產率分別為： 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，中國深松技術仍面臨減阻和防堵兩大難題， 為此，深入研究保護性耕作條件下的深松減阻和防堵技 術，是中國保護性耕作機理研究中亟待進一步突破的關 鍵技術。

　　1.3 激光平地 農田表面平整度直接影響灌溉效率和效果。由于農 田表面不平整導致的灌溉用水浪費率超過 20%，同時影響 作物生產。中國農業大學研制成功旱地激光平地機，其激 光發射器云臺集成 JP3 激光掃平儀，能夠形成帶坡度的激 光平面[23]。中國水稻生產中歷來有“寸水不過田”的要求， 傳統的人工平整、畜力平整、拖拉機平整和耕整機平整等 方法主要憑目測和經驗，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]。 為了解決水田精準平整的問題，華南農業大學研制 成功 1PJ 系列水田激光平地機，鑒定結論為“在水田平地 技術及機具領域居國際領先水平”。目前，主要有與東方 紅 254 拖拉機、久保田 704 拖拉機、上海 50 拖拉機和雷沃 504 拖拉機配套的激光平地機。從 2006 年起，在國內 16 個省市進行了推廣應用。結果表明，采用水田激光平地機 平地，平地精度可達 3 cm，節約了灌溉用水，增加了水稻 產量，經濟效益和社會效益顯著。

　　2 精準播種

　　2.1 玉米精準播種 中國的玉米種植面積不斷擴大，至 2013 年，玉米已成 為中國第一大糧食作物。由于生產、經營模式的限制，目 前在中國的玉米種植過程中，資源利用率低、投入產出率 低，因此，當前的生產模式和經營模式亟待革新。 目前，美國約翰迪爾(John Deere)公司的玉米播種機和 德國亞馬遜(AMAZONE)公司的玉米播種機技術處于世界 領先水平，具有大型、寬幅、高速、機電液一體化和電子化 等特點，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械式排種與正壓壓種相結合，有 效克服了在開始和結束時的漏播現象，對氣壓要求低，播 種效果好。 吉林工業大學研制的 2BS-2 型玉米精密播種機基本 實現了單粒排種[26-27]。黑龍江八一農墾大學研制的棱錐形 孔排種部件，臺架試驗空穴率為 1.67%，重播率 4.67%，單 粒率達 93.67%[28]。西北農林科技大學研制的 2FBJD-2 型 玉米半精密播種施水覆膜機、新疆地區的 2BCM-6 型茬 地免耕半精量播種機、中國農業大學研制的 2BML-2(Z) 型免耕精量播種機是目前中國比較先進的玉米精密播 種機[26，29]。 國內也開展了氣力式播種機的研究，并研制了多種 氣力式精密播種機。中國農業大學研制了 3 種氣力式玉 米精量播種機，其中 2BMF-4 型氣吹式免耕玉米精量播種 機在作業速度 6 km/h 時，播種 合格率達 95%以上[30]。 2BYQC-7 型氣吸式玉米精量播種機在作業速度 9 km/h 時，播種合格率達 93%以上[31]。沈陽市通用長青機械廠的 2BQM-3 型免耕施肥氣吸精密播種機，可進行玉米等作物 的單粒全株距、單粒半株距穴播或條播作業[32]。農哈哈集 團的 2BYQF-4 玉米氣吸播種機可實現單粒精播[33]。 玉米實現精準播種可以節省種子 40~45 kg/hm2 ，還可 以節省或完全省去間苗時間，保證作物苗齊、苗壯，營養合 理，植株個體發育健壯，群體長勢均衡，增產效果顯著[34]， 是保證豐產豐收的前提。總體來看，玉米氣力式播種機在 中國發展較晚，大部分從國外引進或改造，而且只適用于 小區域作業。因此，研制先進適用的玉米精密播種技術， 完善與之配套的農藝措施，是當前玉米生產發展的重要方向。

　　2.2 水稻精量穴播 目前中國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 生長無序、疏密不勻，因此，通風透氣性差、易受病蟲害侵 害、抗倒伏性差。為了解決人工撒播存在的問題，華南農 業大學在水稻精量穴播技術和機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，可同步開溝、 起壟和播種，實現了精量播種和節水栽培[37]，并有效提高 了水稻的抗倒伏性。該研究成果的鑒定結論為“在水稻水 直播機械研究領域居國際領先水平”。從 2006 年起，在國 內 24 個省(區)及老撾、緬甸、泰國、越南和柬埔寨進行了 推廣應用，結果表明，精量穴播比人工撒播、人工拋秧和人 工插秧可分別增產 10%、8%和 6%以上，每公頃節約成本分 別為 750、1124 和 1874 元，可節省水稻生產用水 30%以上 和減少甲烷排放 10%以上。2013 年和 2014 年新疆精量穴 播的水稻連續兩年產量超過 15 t/hm2。

　　結束語 促進農業可持續發展是中國面臨的重要任務與挑戰。 提高農業機械化水平，對改善農業生產條件，提高農業生 產力，增加農產品供給和農民收入，提高農業資源利用率， 實現農業的現代化和可持續發展具有重要的意義[92]。世界 上大多數發達國家在 20 世紀 60 年代先后實現了農業機 械化，為實現農業資源的高效利用和農業的可持續發展發揮了重要作用[93]。改革開放以來，中國農業機械化水平 取得了長足的發展，為進一步發揮農業機械化在提高農 業資源利用率、促進農業可持續發展中的作用，建議： 1)進一步加強農機農藝融合，加強通過農業機械化提 高土、種、肥、藥、水等農業資源高效利用的基礎理論研究， 如合理耕層構建，最佳播種量的基礎研究，深施肥，高效施 藥和高效用水; 2)進一步加強提高土、種、肥、藥、水等農業資源高效 利用的農業機械化關鍵技術研究，攻克土、種、肥、藥、水等 高效利用所需的農情信息快速獲取技術以及精準耕整、 精準種植、精準施肥、精準施藥、精準灌溉等關鍵技術; 3)進一步加強提高土、種、肥、藥、水等農業資源高效 利用的農業機械與裝備制造的自主創新能力; 4)進一步加強農業機械化在提高土、種、肥、藥、水等 農業資源高效利用技術的推廣應用。

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