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经济论文

农业机械化水平提高能促进农业可持续发展分析

【摘 要】:在中国农业现代化建设中,影响农业资源可持续发展的主要因素是土、种、肥、药、水。精准耕整技术、精准播种技术、精准施肥技术、精准施药技术和精准灌溉技术是提高农业资源利用率的几项关键技术。提高农业机械化水平,是促进农业资源可持续发展的重要途径之一。该文介绍了提高农业资源利用率的机械化精准作业关键技术与机具。为了进一步发挥农业机械化在提高农业资源利用率、促进农业可持续发展中的作用,该文建议:进一步加强农机农艺融合,加强相关基础理论研究;进一步加强相关关键技术的研究;进一步加强相关机械与装备制造的自主创新能力;进一步加强推广应用。 

【关键词】:农业机械;机械化;可持续发展;农业资源利用率;农业可持续发展

    中国是一个农业大国,但不是农业强国[1]。发展高效、安全的现代生态农业是中国农业现代化建设的重要目标。在中国农业现代化建设中,影响农业资源可持续发展的主要因素是土、种、肥、药、水。农业机械化是农业现代化的重要内容和标志之一[2],提高农业机械化水平,是促进中国农业资源可持续发展的重要途径之一[3]。中国耕地普遍存在等级低、质量不高等问题,第二次全国土地调查的耕地质量结果显示,全国耕地平均质量等别为 9.96 等(最好为 1 等,最差为 15 等),中低等耕地面积占 70.6%,总体偏低[4]。主要表现在[5]:耕作层变浅;部分地区耕地土壤有机质下降;水土流失,次生、盐渍化、酸化等问题严重,土壤污染问题突出。同时,有相当一部分耕地地块零碎不规整,田块狭小。中国种子的优质品种少、播种量大、种子浪费等问题严重阻碍了中国农业的可持续发展。中国化肥总用量已达 5 700 万 t,居世界第一位。氮肥当季利用率只有 30%~35%左右,低于世界发达国家 20 个百分点[6]。化肥的过度使用增加了农业生产成本,并造成了对环境的污染,是引起蔬菜品质下降、地下水硝酸盐积累和水体富营养化的重要原因。中国农药利用率只有 30%左右,2013 年中国商品农药总量达 183 万 t,单位面积农药用量是美国的 2.3 倍,杀虫剂用量是美国的 14.7 倍,若不加以控制,到 2030 年农药用量将达到 221 万 t[7]。由于过度依赖农药,导致了病虫草害产生抗药性,上世纪 40~50 年代世界上抗性害虫不足 10 种,现在已发展到 700 多种[8]。农药的过度使用加重了环境污染,目前农药污染土地面积超过 933 万 hm2[9],若不加以控制,到 2030 年农药污染土地面积将增加 1 倍。农产品污染加大,据农业部对全国 2 585 个蔬菜样品调查,叶菜类、根菜类和瓜果类中硝酸盐超标率分别高达 37%、32%和 53%[10]。水资源短缺已成为全球食物安全的主要制约因素,2030 年世界人口将达 83 亿,粮食需求达 29 亿 t,按现在用水效率计算,农业灌溉用水需增加 30%(现为约 300 万m3),缺口达 75 万 m3[11]。由于水利工程与灌溉方式落后,中国农业灌溉用水效率低。据统计,中国每年农业灌溉用水总量在 3 600 亿 m3 左右,渠系利用系数只有 0.4~0.6[12]。中国制定了 2030 年农业灌溉水利用率达到 0.60 以上的战略目标,但在现有农业用水方式下大规模提升用水效率遇到了技术瓶颈。破解中国“水危机”、突破粮食增产“水瓶颈”的关键是提高农业用水效率。农业的可持续发展,归根结底是资源和环境的可持续发展,要促进农业可持续发展,必须以节约资源和保护生态环境为前提。因此,中国面临提高农业资源利用率、促进农业可持续发展的重要任务与挑战。提高农业机械化水平,对实现农业现代化、提高农业资源利用率和促进农业可持续发展具有重要的意义。本文拟提出提高中国农业机械化水平、促进农业可持 续发展 的 战 略 性 措施——从土、种、肥、药、水等方面着手,重点突破耕整、播种、施肥、施药、灌溉等重要环节的机械化精准作业关键技术与机具的研究,分析这几项关键技术的发展现状,指出发展过程中存在的问题,提出解决这些问题的思路与方法,以期为进一步提高中国农业机械化水平、促进农业可持续发展提供重要战略指导。

   1 精准耕整土地精准耕整是提高水、肥、药利用率、促进作物生长、提高作物产量的重要途径。保护性耕作、深松和激光平地是土地耕整的 3 项关键技术。 

   1.1 保护性耕作中国水土流失严重,据统计,全国每年流失的表土在50 亿 m3 以上,风水蚀耕地面积约 1 万 km2[13]。世界权威杂志《科学》(2004 年)曾经刊文“土壤碳管理”(Managing SoilCarbon)认为:农田翻耕导致了土壤的碳流失,同时加剧了土壤侵蚀,保护性耕作可以有效减少土壤中碳的流失,增加土壤肥力。保护性耕作(conservation tillage,CT)的主要特征是不翻耕土地,在地表覆盖秸秆[14],在提升农田土壤质量方面主要表现在[15]:1)减少土壤径流。相对于传统耕作,保护性耕作可减少 40%以上土壤径流,在干旱年份可减少土壤径流量达 60%;2)增加土壤有机质。长期实施保护性耕作,土壤的有机质可年均增加 0.03 百分点,土壤由“黄”变“黑”,蚯蚓数量可达 30 条/m2;3)减少水分蒸发。在冬小麦休闲期实施保护性耕作相对传统耕作可减少水分蒸发19.7 mm;4)减少 CO2 排放。实施保护性耕作,冬小麦季的 CO2 减排可达 27.1%;5) 增产效果明显。14 种作物产量数据中,有13 种表现出了增产效果。其中,玉米增产 4.5%,小麦增产7.6%,小杂粮增产 10.1%,大豆增产 18.7%[16]。从 2005 年开始,中国连续 8 a 的中央一号文件都要求发展保护性耕作。国务院《国家粮食安全中长期规划纲要(2008-2020 年)》提出要“改进耕作方式,发展保护性耕作”。农业部每年投入 3000 万元用于示范与推广保护性耕作技术。国家发改委、环保部、水利部、林业部等都将保护性耕作列为农业环境保护、农田减排、抗旱节水与防沙治沙等的重要措施。至 2014 年底,中国保护性耕作实施面积超过了 860万 hm2[17],占全国耕地面积的 6.4%。中国粮食作物秸秆焚烧产生的碳排放量约为 477 万 t[18],按此比例估算,保护性耕作每年可减少 30.5 万 t 由秸秆焚烧造成的碳排放量。如果在全球推广应用保护性耕作,未来 10 a,将可以抵消三分之一左右来自燃油的碳排放。陈源泉等对不同地区的保护性耕种进行了大量的调查,结果显示,利用保护性耕种技术可增加 7.1%~49.2%作物产量,降低 2.5%~66.9%生产成本[19]。因此,保护性耕作在保护土壤、节约用水、节能减排、节约成本等方面都有显著的效果,是应对中国农业资源短缺和资源浪费的重要途径,应得到高度重视和大面积推广。

    1.2 深松深松作业是替代传统耕翻的一项土地耕整技术。通过疏松土壤,打破犁底层和加深耕作层改善土壤的透水、透气性能和团粒结构,使雨水更容易入渗到土壤中,从而有利于作物根系的发育,提高蓄水保墒能力。国外的深松技术及机具研究始于 20 世纪 50 年代,欧美等西方国家的深松技术已经形成了相对完善的体系[20]。1995 年,Larson 和 Clyma 提出运用电渗技术对深松铲进行减阻处理,在黏土中可减少 11%的耕种阻力,最大可减少 39%的耕种阻力,降低约 32%的能耗[21]。国内对深松理论的研究始于 20 世纪 70 年代,并逐渐形成了中国的“深松耕作法”。2004 年,吉林大学佟金教授发明了仿生减阻深松铲,取得了良好的减阻效果[19]。中国农业机械化科学研究院在中低产田的试验表明:相比未经深松的对照田,机械化深松田增产效果明显,玉米、大豆、甜菜和马铃薯的平均增产与增产率分别为:1 193 kg/hm2,20%;269~359 kg/hm2,12%~178%;1 560 t/hm2,358%;4 034 kg/hm2,262%,深松还可提高灌溉用水 30%的利用率[22]。目前,中国深松技术仍面临减阻和防堵两大难题,为此,深入研究保护性耕作条件下的深松减阻和防堵技术,是中国保护性耕作机理研究中亟待进一步突破的关键技术。

   1.3 激光平地农田表面平整度直接影响灌溉效率和效果。由于农田表面不平整导致的灌溉用水浪费率超过 20%,同时影响作物生产。中国农业大学研制成功旱地激光平地机,其激光发射器云台集成 JP3 激光扫平仪,能够形成带坡度的激光平面[23]。中国水稻生产中历来有“寸水不过田”的要求,传统的人工平整、畜力平整、拖拉机平整和耕整机平整等方法主要凭目测和经验,平整后高度差仍在 10 cm 以上,且高度差与田块面积成正比[24]。为了解决水田精准平整的问题,华南农业大学研制成功 1PJ 系列水田激光平地机,鉴定结论为“在水田平地技术及机具领域居国际领先水平”。目前,主要有与东方红 254 拖拉机、久保田 704 拖拉机、上海 50 拖拉机和雷沃504 拖拉机配套的激光平地机。从 2006 年起,在国内 16个省市进行了推广应用。结果表明,采用水田激光平地机平地,平地精度可达 3 cm,节约了灌溉用水,增加了水稻产量,经济效益和社会效益显著。

    2 精准播种 

    2.1 玉米精准播种中国的玉米种植面积不断扩大,至 2013 年,玉米已成为中国第一大粮食作物。由于生产、经营模式的限制,目前在中国的玉米种植过程中,资源利用率低、投入产出率低,因此,当前的生产模式和经营模式亟待革新。目前,美国约翰迪尔(John Deere)公司的玉米播种机和德国亚马逊(AMAZONE)公司的玉米播种机技术处于世界领先水平,具有大型、宽幅、高速、机电液一体化和电子化等特点,播种均匀一致、深浅一致。瑞士 V魧DERSTAD 公司的新型排种器采用机械式排种与正压压种相结合,有效克服了在开始和结束时的漏播现象,对气压要求低,播种效果好。吉林工业大学研制的 2BS-2 型玉米精密播种机基本实现了单粒排种[26-27]。黑龙江八一农垦大学研制的棱锥形孔排种部件,台架试验空穴率为 1.67%,重播率 4.67%,单粒率达 93.67%[28]。西北农林科技大学研制的 2FBJD-2 型玉米半精密播种施水覆膜机、新疆地区的 2BCM-6 型茬地免耕半精量播种机、中国农业大学研制的 2BML-2(Z)型免耕精量播种机是目前中国比较先进的玉米精密播种机[26,29]。国内也开展了气力式播种机的研究,并研制了多种气力式精密播种机。中国农业大学研制了 3 种气力式玉米精量播种机,其中 2BMF-4 型气吹式免耕玉米精量播种机在作业速度 6 km/h 时,播种 合格率达 95%以上[30]。2BYQC-7 型气吸式玉米精量播种机在作业速度 9 km/h时,播种合格率达 93%以上[31]。沈阳市通用长青机械厂的2BQM-3 型免耕施肥气吸精密播种机,可进行玉米等作物的单粒全株距、单粒半株距穴播或条播作业[32]。农哈哈集团的 2BYQF-4 玉米气吸播种机可实现单粒精播[33]。玉米实现精准播种可以节省种子 40~45 kg/hm2,还可以节省或完全省去间苗时间,保证作物苗齐、苗壮,营养合理,植株个体发育健壮,群体长势均衡,增产效果显著[34],是保证丰产丰收的前提。总体来看,玉米气力式播种机在中国发展较晚,大部分从国外引进或改造,而且只适用于小区域作业。因此,研制先进适用的玉米精密播种技术,完善与之配套的农艺措施,是当前玉米生产发展的重要方向。

    2.2 水稻精量穴播目前中国采用直播方式的水稻种植面积约占 30%左右,以人工撒播为主[35-36]。采用人工撒播方式种植的水稻生长无序、疏密不匀,因此,通风透气性差、易受病虫害侵害、抗倒伏性差。为了解决人工撒播存在的问题,华南农业大学在水稻精量穴播技术和机具研究方面取得了重大突破,研制成功 2BD 系列水稻精量穴播机,可同步开沟、起垄和播种,实现了精量播种和节水栽培[37],并有效提高了水稻的抗倒伏性。该研究成果的鉴定结论为“在水稻水直播机械研究领域居国际领先水平”。从 2006 年起,在国内 24 个省(区)及老挝、缅甸、泰国、越南和柬埔寨进行了推广应用,结果表明,精量穴播比人工撒播、人工抛秧和人工插秧可分别增产 10%、8%和 6%以上,每公顷节约成本分别为 750、1124 和 1874 元,可节省水稻生产用水 30%以上和减少甲烷排放 10%以上。2013 年和 2014 年新疆精量穴播的水稻连续两年产量超过 15 t/hm2。

    结束语促进农业可持续发展是中国面临的重要任务与挑战。提高农业机械化水平,对改善农业生产条件,提高农业生产力,增加农产品供给和农民收入,提高农业资源利用率,实现农业的现代化和可持续发展具有重要的意义[92]。世界上大多数发达国家在 20 世纪 60 年代先后实现了农业机械化,为实现农业资源的高效利用和农业的可持续发展发挥了重要作用[93]。改革开放以来,中国农业机械化水平取得了长足的发展,为进一步发挥农业机械化在提高农业资源利用率、促进农业可持续发展中的作用,建议:1)进一步加强农机农艺融合,加强通过农业机械化提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的基础理论研究,如合理耕层构建,最佳播种量的基础研究,深施肥,高效施药和高效用水;2)进一步加强提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的农业机械化关键技术研究,攻克土、种、肥、药、水等高效利用所需的农情信息快速获取技术以及精准耕整、精准种植、精准施肥、精准施药、精准灌溉等关键技术;3)进一步加强提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用的农业机械与装备制造的自主创新能力;4)进一步加强农业机械化在提高土、种、肥、药、水等农业资源高效利用技术的推广应用。

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