摸清農(nóng)田作物“脾氣”——記土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

文/操秀英

城市里的人們?cè)诔欣锬闷鹨淮酌鏁r(shí)，可能再難體會(huì)到“鋤禾日當(dāng)午，汗滴禾下土”的勞作艱辛，也時(shí)常會(huì)忽略農(nóng)業(yè)之于每個(gè)人生活的重要性。但我們關(guān)心的蔬菜水果里的農(nóng)殘能否少一點(diǎn)，大米里有沒(méi)有重金屬污染等問(wèn)題，無(wú)不取決于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)就是摸清土壤和植物的習(xí)性，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的個(gè)性化施肥、除草滅蟲(chóng)等精準(zhǔn)田間管理，達(dá)到高效、低耗、減排的目標(biāo)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展；制造出先進(jìn)適用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施，全面提升我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力，支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)力：農(nóng)田作物實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理

“我們實(shí)驗(yàn)室總的來(lái)說(shuō)可以分為三大研究方向，即精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能化農(nóng)業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)機(jī)器人。”實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員張小超介紹道。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，目標(biāo)是對(duì)農(nóng)田及作物實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理，以減少農(nóng)藥化肥的使用并同時(shí)提高作物產(chǎn)量。與這一技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展同步，土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從設(shè)立之初就將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)列為一項(xiàng)核心研究課題。

土壤養(yǎng)分的自動(dòng)測(cè)量就是代表成果之一。張小超說(shuō)，測(cè)量出土壤養(yǎng)分就能得知其營(yíng)養(yǎng)狀況及養(yǎng)分吸收情況，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化施肥?！耙郧爸饕咳斯げ蓸幽玫綄?shí)驗(yàn)室測(cè)量，以東北農(nóng)墾地區(qū)為例，過(guò)去只能一公頃取一個(gè)樣，因此要完成一個(gè)農(nóng)場(chǎng)的采樣測(cè)量需要兩三個(gè)月?！睆埿〕f(shuō)，“十二五”期間，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一種快速檢測(cè)設(shè)備，在田間地頭就能完成這一工作。

此外，實(shí)驗(yàn)室還研究了播種、施肥、中耕、植保、收獲等環(huán)節(jié)作業(yè)裝備的精準(zhǔn)智能變量測(cè)控技術(shù)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。研制了小麥、玉米變量免耕播種機(jī)、水稻智能對(duì)行插秧機(jī)、變量自動(dòng)配肥施肥機(jī)、智能化自動(dòng)對(duì)靶除草機(jī)、大型智能化變量噴藥機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)等智能化農(nóng)業(yè)裝備，研究成果實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能變量作業(yè)裝備技術(shù)的重要突破，其中播種量和施肥量在線檢測(cè)技術(shù)、插秧機(jī)自動(dòng)行走對(duì)行技術(shù)、施肥重量反饋控制技術(shù)、聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

智能化農(nóng)場(chǎng)：“北斗”定位奠定技術(shù)基礎(chǔ)

以導(dǎo)航技術(shù)為核心的自走裝備、農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理是農(nóng)業(yè)裝備智能化的代表性技術(shù)?！笆崭顧C(jī)、插秧機(jī)等設(shè)備，人工操作走的路線肯定沒(méi)有導(dǎo)航機(jī)器走得直。尤其是北斗系統(tǒng)建成后，我們的一項(xiàng)重要工作是利用北斗系統(tǒng)來(lái)定位農(nóng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和診斷，為將來(lái)的智能化農(nóng)場(chǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。”張小超說(shuō)。

▲土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托單位為中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院

玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗等高稈和中耕作物在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。這些作物生長(zhǎng)中后期植株較高，拖拉機(jī)配套施藥機(jī)械離地間隙較低而難以進(jìn)入目標(biāo)地進(jìn)行噴藥作業(yè)。由于缺乏地隙高、田間通過(guò)性好的自走式施藥機(jī)械，長(zhǎng)期以來(lái)，高稈和中耕作物生長(zhǎng)中后期的病蟲(chóng)害始終是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要解決的難題。

為了解決這些問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室依托單位中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院從2005年6月開(kāi)始致力于高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣工作，土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了前期的研發(fā)工作。

田間工況實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人劉立晶說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年努力，實(shí)驗(yàn)室對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)型高地隙自走式底盤(pán)、全液壓驅(qū)動(dòng)型高地隙自走式底盤(pán)以及高效施藥技術(shù)與裝備進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性研究，在基于電液防滑控制的全液壓同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)型自走式底盤(pán)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)共性和關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破和創(chuàng)新，完成了科技成果轉(zhuǎn)化研究，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

此外，集成開(kāi)發(fā)的多功能聯(lián)合收割機(jī)應(yīng)用于小麥、水稻、大豆、玉米收獲，采用液壓四輪驅(qū)動(dòng)，雙縱軸流脫粒分離，雙動(dòng)篩分風(fēng)選，喂入量作業(yè)速度自控調(diào)節(jié)，喂入量可達(dá)10公斤/秒。6行采棉打包機(jī)研制成功，3行通用型采棉機(jī)批量投產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航、火警預(yù)報(bào)、集中潤(rùn)滑、故障檢測(cè)，成功運(yùn)用于新疆棉花主產(chǎn)區(qū)，解決了采棉勞動(dòng)力缺乏的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)收獲，保障棉花品級(jí)。暗管改堿成套裝備采用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航，激光高程監(jiān)控，完成了開(kāi)溝、鋪管、埋砂、覆土作業(yè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，通過(guò)工程技術(shù)手段深度開(kāi)發(fā)利用鹽堿地資源，在提高耕地資源區(qū)域保障能力方面具有重要作用。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人：搭上“中國(guó)制造2025”的快車(chē)

劍橋大學(xué)奶牛場(chǎng)，擠奶工作全部由機(jī)器人獨(dú)立完成，無(wú)需任何手工，機(jī)器人安裝在奶牛圈舍旁邊，奶牛一旦需要擠奶，會(huì)自動(dòng)排隊(duì)等待機(jī)器人服務(wù)。育苗工作大部分內(nèi)容都是把盆栽作物搬來(lái)搬去，單調(diào)而枯燥，浪費(fèi)人力且效率不高，美國(guó)波士頓的育苗機(jī)器人很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，這種育苗機(jī)器人由滾動(dòng)輪胎、抓手和托盤(pán)組成。工作人員只要在觸摸屏上設(shè)定地點(diǎn)參數(shù)，機(jī)器人就能感應(yīng)盆栽，并自動(dòng)把它們移動(dòng)到目的地。

沒(méi)錯(cuò)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這一新興領(lǐng)域也成為土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究方向。

張小超說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室目前主要研發(fā)了采摘機(jī)器人和消毒機(jī)器人。“蘋(píng)果和西紅柿的采摘、套袋等，消毒機(jī)器人主要用于畜牧業(yè)，比方說(shuō)雞舍里某只雞發(fā)熱了，機(jī)器人可以通過(guò)傳感器感應(yīng)到，并進(jìn)行處理?！?/p>

但由于造價(jià)昂貴及農(nóng)戶的認(rèn)識(shí)程度不夠等諸多原因，目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人在我國(guó)的應(yīng)用遠(yuǎn)沒(méi)有工業(yè)機(jī)器人廣泛。“農(nóng)業(yè)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人最大的不同是它面臨的是開(kāi)放的工況，以及非結(jié)構(gòu)化的操作對(duì)象，比如對(duì)于采摘機(jī)器人來(lái)說(shuō)，每個(gè)蘋(píng)果的大小、色澤和形狀都不同，識(shí)別難度比工業(yè)零部件大多了?！敝袊?guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院副院長(zhǎng)、總工程師方憲法解釋道。

“但這無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展方向，通過(guò)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，我們可以突破一批傳感、機(jī)器視覺(jué)等關(guān)鍵技術(shù)?！狈綉椃ㄕf(shuō)。