摸清農田作物“脾氣”——記土壤植物機器系統技術國家重點實驗室

文/操秀英

城市里的人們在超市里拿起一袋袋米面時，可能再難體會到“鋤禾日當午，汗滴禾下土”的勞作艱辛，也時常會忽略農業之于每個人生活的重要性。但我們關心的蔬菜水果里的農殘能否少一點，大米里有沒有重金屬污染等問題，無不取決于現代農業的發展。

土壤植物機器系統技術國家重點實驗室的主要任務就是摸清土壤和植物的習性，實現有針對性的個性化施肥、除草滅蟲等精準田間管理，達到高效、低耗、減排的目標，促進可持續發展；制造出先進適用的現代農業裝備與設施，全面提升我國農業裝備制造業的自主創新能力，支撐農業現代化發展。

精準農業持續發力：農田作物實現個性化管理

“我們實驗室總的來說可以分為三大研究方向，即精準農業、智能化農業裝備和農業機器人。”實驗室學術委員張小超介紹道。

精準農業是現代農業的重要發展方向，目標是對農田及作物實現個性化管理，以減少農藥化肥的使用并同時提高作物產量。與這一技術在我國的發展同步，土壤植物機器系統技術國家重點實驗室從設立之初就將精準農業列為一項核心研究課題。

土壤養分的自動測量就是代表成果之一。張小超說，測量出土壤養分就能得知其營養狀況及養分吸收情況，實現個性化施肥。“以前主要靠人工采樣拿到實驗室測量，以東北農墾地區為例，過去只能一公頃取一個樣，因此要完成一個農場的采樣測量需要兩三個月。”張小超說，“十二五”期間，實驗室研發出一種快速檢測設備，在田間地頭就能完成這一工作。

此外，實驗室還研究了播種、施肥、中耕、植保、收獲等環節作業裝備的精準智能變量測控技術，取得了多項創新性成果。研制了小麥、玉米變量免耕播種機、水稻智能對行插秧機、變量自動配肥施肥機、智能化自動對靶除草機、大型智能化變量噴藥機、聯合收割機智能測產系統等智能化農業裝備，研究成果實現了精準農業智能變量作業裝備技術的重要突破，其中播種量和施肥量在線檢測技術、插秧機自動行走對行技術、施肥重量反饋控制技術、聯合收割機測產技術達到國際先進水平。

智能化農場：“北斗”定位奠定技術基礎

以導航技術為核心的自走裝備、農機作業遠程監控與管理是農業裝備智能化的代表性技術。“收割機、插秧機等設備，人工操作走的路線肯定沒有導航機器走得直。尤其是北斗系統建成后，我們的一項重要工作是利用北斗系統來定位農機，實現遠程管理和診斷，為將來的智能化農場奠定技術基礎。”張小超說。

▲土壤植物機器系統技術國家重點實驗室依托單位為中國農業機械化科學研究院

玉米、棉花、大豆、油菜、甘蔗等高稈和中耕作物在我國農業生產中占有極其重要的地位。這些作物生長中后期植株較高，拖拉機配套施藥機械離地間隙較低而難以進入目標地進行噴藥作業。由于缺乏地隙高、田間通過性好的自走式施藥機械，長期以來，高稈和中耕作物生長中后期的病蟲害始終是農業生產迫切需要解決的難題。

為了解決這些問題，實驗室依托單位中國農業機械化科學研究院從2005年6月開始致力于高地隙自走式噴桿噴霧機技術研究、產品開發和產業化推廣工作，土壤植物機器系統技術重點實驗室承擔了前期的研發工作。

田間工況實驗室負責人劉立晶說，經過多年努力，實驗室對機械驅動型高地隙自走式底盤、全液壓驅動型高地隙自走式底盤以及高效施藥技術與裝備進行了開創性研究，在基于電液防滑控制的全液壓同步驅動技術、機械驅動型自走式底盤動力傳遞系統等產業共性和關鍵技術上取得重大突破和創新，完成了科技成果轉化研究，實現了產品批量生產。

此外，集成開發的多功能聯合收割機應用于小麥、水稻、大豆、玉米收獲，采用液壓四輪驅動，雙縱軸流脫粒分離，雙動篩分風選，喂入量作業速度自控調節，喂入量可達10公斤/秒。6行采棉打包機研制成功，3行通用型采棉機批量投產，可實現自動導航、火警預報、集中潤滑、故障檢測，成功運用于新疆棉花主產區，解決了采棉勞動力缺乏的問題，實現及時收獲，保障棉花品級。暗管改堿成套裝備采用北斗衛星定位導航，激光高程監控，完成了開溝、鋪管、埋砂、覆土作業，填補了國內空白，通過工程技術手段深度開發利用鹽堿地資源，在提高耕地資源區域保障能力方面具有重要作用。

農業機器人：搭上“中國制造2025”的快車

劍橋大學奶牛場，擠奶工作全部由機器人獨立完成，無需任何手工，機器人安裝在奶牛圈舍旁邊，奶牛一旦需要擠奶，會自動排隊等待機器人服務。育苗工作大部分內容都是把盆栽作物搬來搬去，單調而枯燥，浪費人力且效率不高，美國波士頓的育苗機器人很好地解決了這個問題，這種育苗機器人由滾動輪胎、抓手和托盤組成。工作人員只要在觸摸屏上設定地點參數，機器人就能感應盆栽，并自動把它們移動到目的地。

沒錯，農業機器人的應用越來越廣泛。這一新興領域也成為土壤植物機器系統技術國家重點實驗室的研究方向。

張小超說，實驗室目前主要研發了采摘機器人和消毒機器人。“蘋果和西紅柿的采摘、套袋等，消毒機器人主要用于畜牧業，比方說雞舍里某只雞發熱了，機器人可以通過傳感器感應到，并進行處理。”

但由于造價昂貴及農戶的認識程度不夠等諸多原因，目前農業機器人在我國的應用遠沒有工業機器人廣泛。“農業機器人與工業機器人最大的不同是它面臨的是開放的工況，以及非結構化的操作對象，比如對于采摘機器人來說，每個蘋果的大小、色澤和形狀都不同，識別難度比工業零部件大多了。”中國農業機械科學研究院副院長、總工程師方憲法解釋道。

“但這無疑是未來的發展方向，通過農業機器人的研究，我們可以突破一批傳感、機器視覺等關鍵技術。”方憲法說。