陈学庚院士等：中国农业机械化发展现状

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陈学庚 温浩军 张伟荣 潘佛雏 赵岩

  农业机械化发展取得显著成效　
  改革开放以来，国家部署实施大量农业装备科技创新项目，中国农业机械化水平不论从机械装备数量上还是农机装备技术上都呈现稳步提高的趋势。中国已成为世界第一农机生产和使用大国，实现了从主要依靠人力、畜力到主要依靠机械动力的农业生产方式转变，也正处于从传统农业到现代农业转变的关键时期。从整体上来看，中国的农业机械化已经得到了长足发展，农业机械化产品呈现多元化发展趋势。
  1.1　中国农业机械数量和农机作业面积大幅提高
  中国已成为世界农机大国，农机工业产值世界第一，农机使用量世界第一。2018年，中国农业机械总动力达到100,371.7万千瓦，在国家中央农机补贴政策的进一步促进下，2019年，中国农业机械总动力有小幅增加，至102,708万千瓦。2019年，农业农村部加快推进农机化转型升级工作，全国农作物耕种收综合机械化率超过70%，提前一年实现“十三五”目标。当前，三大粮食作物——小麦、水稻、玉米的耕种收基本实现机械化作业，其综合机械化率均已超过80%。全国农机装备结构持续改善，农业机械在集成技术、节本增效、推动规模经营方面的重要作用充分显现，强力支撑了主要农产品的有效供给。
  1.2　农机作业服务组织数量不断增长
  2018年底，全国已有300多个示范县率先基本实现农业生产全程机械化。在此基础上，各类新型主体不断涌现，服务模式不断创新，农机合作社发展迅速，数量不断增加。2018年中国农机作业服务组织达到18.7万个，其中农机合作社7万个，全年重要农时农机服务面积累计超过400,000 khm2（60亿亩），促进了小农生产和现代农业发展有机衔接。全社会对农业机械化的认识不断提高，“农业的根本出路在于机械化”已成为全社会的共识。
  1.3　主要农作物薄弱环节机械化快速推进取得了显著成效
  种植和收获机械化是中国农作物生产中突出的薄弱环节，如水稻的插秧、抛栽和直播环节、玉米的籽粒直收和马铃薯的收获破损率高、棉花机采损失率偏高等。“主要农作物生产全程机械化推进行动”实施以来，企业、高校、科研院所等都在不断加大薄弱环节机械化新技术和新机具的研发力度，积极探索主要农作物的机械化生产模式，取得了显著成效。水稻机械化播种和插秧种植面积持续提高，东北地区和江苏水稻种植基本实现机械化；玉米柔性揉搓式脱粒机理和关键脱粒机构研发进度加快，籽粒直收试验示范开始起步；马铃薯的改良联合收获机械稳步推进，主产区各单项环节机械化作业已经具备较高水平；棉花生产全程机械化水平加速提升，采棉机摘锭生产等关键技术、制造工艺取得突破，一批国产采棉机开始批量生产，适宜全程机械化生产的机采棉模式逐步成熟并得到较快推广。
  1.4　农机农艺融合加强，适应机械化的良种、良法加快应用
  农机农艺的融合主要是为了创造高效的农业机械化作业体系，通过农艺指导农机发展方向，再由农机作业实现农艺的相关要求。近年来，各级农业管理部门加强对农机农艺结合工作的实施，不仅强化了农业机械对于农艺的改进，还要求农艺技术向着标准化、科学化方向发展，有效促进了农机与农艺技术相互推动的协调发展，既确保了农业耕种制度与农业机械相匹配，又确保了农业机械满足农艺技术的种植和收获要求。
  以中国棉花主产地新疆地区为例，基于棉花主产区的气候土壤特点，实现高效机械化生产为目标，新疆建立了特色鲜明的棉花生产全程机械化技术体系，突破了棉花生产全程机械化农机农艺融合关键技术。如图4所示，研发出耕整地、精量播种、高效喷药、机械采收等关键技术装备，自主开发了种床整备、立体喷施植保、高效籽棉贮运等农艺技术措施。农艺与农机的深度融合，形成了特色鲜明的棉花生产全程机械化技术体系，显著提升了棉花生产水平。该技术体系在新疆应用面积超过了80%，带动了中国棉花生产整体水平进一步提升。

  图4　棉花生产全程机械化技术体系示意图
  Fig. 4  Schematic diagram of the mechanized technology system for the whole process of cotton production
  1.5　农机科技创新加快，高效、精准、节能型智能装备研发制造取得一定进展　
  进入新世纪以来，国内科研院所、高校和一些企业密切跟踪国外智能农机装备的发展趋势，在智能农业动力机械、智能装备控制与导航技术、农机装备智能化设计与验证关键技术、农机智能作业管理关键技术等环节进行了专门的研究工作，形成一批较为成熟的技术和产品，并通过关键技术的集成和示范应用取得了一定的成效。部分技术迭代成熟实现应用，投入农业生产，提高了机械化作业质量和工作效率。例如广州中海达卫星导航技术股份有限公司农机智能终端采用一体化设计，采用其独有的Smart Heading 等多项专利技术，可以显示驾驶数据并实现对农机驾驶的操控，用户界面具有作业数据显示、导航模式调整等功能。
  相比起发达国家，国内目前尚缺乏成熟的产品，虽然国内学者一直在进行智能农机装备的研究开发，但精度、可靠性、多环境下的适应性较差等问题使得国内离大面积推广使用还有差距。
1.6　农业机械装备信息化技术取得积极进展，实现了农机作业实时远程监控、轨迹存储、车辆档案管理等功能　
  通过多农机作业情况的实时监控与记录，及时获得农业大数据，建立农情数据库。天津、吉林等地建立了深松作业监测系统，对农业生产环节机械化作业的实时监控，利用全球卫星定位技术、计算机网络技术、物联网技术与服务平台，实现对农机具作业质量监管与跨区作业调度。黑龙江七星、红星等农场陆续建立了农机作业管理信息系统，实现了远程的农机作业路径跟踪定位、农机作业视频监控、机车统一调度指挥、机车维护与保养和网络视频会议等。
  2科技创新在促进区域农业机械化高质高效发展的作用突显
  近年来，中国农机农机作业质量快速提升。针对各地作物种植类型和农机需求类型的不同，国内农机企业不断推进农机装备创新，研发适合不同地区农业和农民需要，先进适用的各类农机。农机和农艺融合、系统化研究、全程机械化的创新理念逐步被广泛接受。
  以中国新疆地区棉花生产全程机械化技术为例。1979年，新疆石河子垦区棉花种植引进了地膜覆盖技术，通过与不铺地膜种植试验对比，棉花可以增产35%。虽然地膜种植模式大幅提高了增产效益的，但人工作业效率低的问题导致地膜种植模式难以大面积推广，亟须研发先进适用的地膜植棉机械。通过铺膜播种机的创新研发，实现了从成果到产品的转化，系列产品迅速得到推广应用，新疆兵团皮棉平均单产由1982年的579 kg/hm? 发展到1994年的1230 kg/hm?。20世纪90年代后期，在棉花地膜种植的基础上，新疆生产建设兵团提出了基于机采棉条件下，植棉全程水肥调控的膜下滴灌、精量播种栽培新农艺[14]，为此研发了一次作业即能完成种床整理、铺管铺膜、精量播种、种孔覆土等8道工序的新机具，达到了播量精确、播深一致、株距均匀、适应机采和高密度的农艺技术要求[50]。2003年，机具通过省部级科研成果鉴定，整体达到了国际先进水平。棉花膜下滴灌精量播种技术与装备在新疆全面推广，皮棉平均单产进一步发展到2014年的2335.5 kg/hm?。

  图5　不同类型的膜下滴灌精量播种机
  Fig. 5  Different types of precision seeder for drip irrigation under film
  近年来，新疆以机械化采收为主线，集成种子处理、种床整备、精量播种、脱叶催熟、机械收获和储运加工等关键技术，建立棉花生产全程机械化技术体系，实现规模化推广应用。新疆兵团农业生产机械化与信息化相结合，特别是在棉花生产各个环节中实施以“精细耕整地、精准播种、精准施肥、精准灌溉、精准田间生态监测、精细收获”为主要技术内容的精准作业系统，提高自动化与智能化作业水平、作业质量和劳动生产率，实现棉花生产的提质增效。2018年，全国棉花种植面积5028.5万hm?，其中新疆3737万hm?，占全国比例达到74.3%，表明新疆已成为中国最大的优质棉生产基地。
  3农业机械与信息技术融合不足
  中国农业机械化发展虽然取得了显著进步，但国家实施乡村振兴战略，推进农业农村现代化，对农业机械化提出了新的更高层次的要求。综合分析，中国农业机械化和农机装备产业发展还不平衡、不充分，一些深层次的矛盾和问题亟待解决，智能化与信息化水平还很低，与发达国家相比还存在明显差距。主要表现在以下四方面。
  一是农机信息化融合的区域及结构发展不平衡。不同于国外农机发达的国家，中国地域辽阔，农业生产区域复杂多样，地理环境差异、农作物种类的多样性及种植模式的差别决定了对农业机械装备需求的多样性。比如，很多丘陵地区受地势形貌的影响，很难进行规模化的机械生产与采集，农业信息化的发展缺乏必要条件，导致全国农机信息化发展出现区域不协调的情况。整体表现为，农业机械信息化水平西部地区落后于东部地区，山地丘陵地区落后于平原生产地区；作物种植业的农机信息化水平较高，而畜牧业、渔业、农产品初加工的设施农业信息化程度较低；小马力中低端机具多，大马力高端智能化农机少；单一功能作业技术多，集成配套的机具作业技术较少；小规模自用型农机户较多，大规模专业化服务组织较少。
  二是企业和农民对农业机械信息化的认可度还不高。目前中国农民劳作方式主要以家庭为单位，农业生产模式仍以家庭联产承包责任制为主，类似于国外大农场的生产模式仍处于发展阶段，导致目前中国高度自动化、信息化的农业机械设备无用武之地。由于许多农机企业和部分地区农业管理者过度追求眼前效益，对农业机械信息化所带来的长远发展认识不到位，没有认识到中国农机走“智能化、信息化”的发展道路是中国农机发展的未来趋势，忽视了信息技术的应用可以大幅提高传统农机作业效率的巨大优势，种种原因导致价格更高的信息化农机设备目前在我国普及率不高。
  三是基础研究与关键技术研究薄弱，农机信息化水平含量低。国内缺乏对农业机械化领域长期系统的研究与技术集成，关键技术与智能机具不足，尚未形成完善的以信息技术为基础的全程机械化技术模式和高度智能化的机器配置系统。中国农机长期依靠引进、消化、吸收国外农机技术，导致核心技术匮乏且缺乏基础技术研究和自主创新技术能力。特别是高端机具配套的液压驱动系统、总线及控制系统严重依赖进口，国产高端信息化农机产品可靠性较低，产品故障率高，平均无故障时间均低于发达国家；作业效果难以保障，漏播、漏药、粮食收获损失大；安全环保性能差，产品服务体系不完善，这些因素导致智能化农机不能实现大面积长期稳定的田间作业。此外，农业信息化专业的技术人员的欠缺、企业创新能力不足也是发展信息技术与农业机械化结合发展的重要阻力，导致中国农业机械与信息化的融合难以短时间内快速推进。
  四是农机作业信息系统管理水平不高且缺乏统一标准，各地无法实现数据共享与多地区的联合统一调度。近年来，国内的农机信息化管理与远程调度发展虽然取得了明显进步，但是依然存在管理体制不完善、信息平台建设缺乏统一指导与规划、缺少政府宏观管理等问题。各地区自行建设或引进的信息系统平台各有特色，难以实现数据共享和多地的联合调度，不能大范围应用与推广；智能农机装备与信息管理平台的网络通讯和信息接口标准不统一，没有实现接口、功能和界面的标准化，可移植性和系统兼容性差，导致农机装备与信息系统平台的协同性也较差。（来源： 智慧农业期刊）