幾種物理技術在農業中的應用及展望

武煥濤

幾種物理技術在農業中的應用及展望

武煥濤

（荊楚理工學院湖北荊門448000）

我國是一個人口大國和農業大國，對農產品的需求較高。物理技術在農業中的應用，可以有效提高農產品的產量。文章探討了光電、電磁、力學在農業上的應用及未來的展望。

光電；電磁；力學；物理技術；農業

1 光電方面

1.1 光電方面的應用

光伏在農業上的應用一直是一個熱點方向。如今應用場景豐富多彩，常見光伏+農業的應用方式有以下幾種。

1.1.1 菌菇光伏模式

利用菌菇喜陰、生長環境潮濕的特點，利用光伏建菌菇大棚是較常見的一種模式。光伏大棚發出的電不僅可以分攤這部分電費，剩下的還可以余電上網。

1.1.2 蔬菜、瓜果光伏大棚

如今的生活水平越來越高，一些瓜果蔬菜一年四季存在，這些都產自于大棚。大棚的種類有：封閉式連體連棟大棚、封閉式單體大棚、敞開式單體大棚。敞開式大棚在北方得到發展，由于敞開式大棚的架子正好適合一些作物的生長，于是可以降低生產成本?，F在很多光伏電站，特別是在河北，如果不結合農業，可能地面電站很難批，這就恰好可以在農業方面做一些探索。

1.1.3 漁光互補

農場如果有湖泊、河流、池塘，還可以采取漁光互補的方式，水上發電、水下養殖。水面上方有光伏板的遮擋，養殖周期還可以延長，減少夏季魚蝦被曬死的概率。漁光互補的好處：給當地的漁民帶來額外的光伏發電收益，解決發電問題。減少水面植物光合作用，提高水質；降低水面溫度，減少水分蒸發。所以，農場不僅可以安裝光伏，而且應用的模式還不少，不僅有農場自身的產品收益，還能帶來發電產生的收益，可謂是好處多多。

1.2 分析及展望

其中光伏大棚、光伏農業溫室是熱點研究方向。與現有的農業溫室（大棚）結合，確實很難見到收益，棚頂的光伏板可能是下面的蔬菜的幾十倍造價，大棚內種的東西反而成了陪襯。在我國臺灣、河北、山東（壽光）等地確實有一些實踐項目取得了不錯的成果。

從農業的角度分析，植物并不需要在有太陽的時候都照到太陽，一般照幾個小時就夠滿足生長需要的光合作用，另外大棚并不一定蓋在棚頂上擋住農作物，追光系統等結構能夠使大棚內的植物在一天之內得到一定時間的照射要求。另外，可在大棚內種植厭光植物，如蘑菇，也是一種選擇?，F在推行“分布式”項目追求發電量，最終效益更好。就像BIPV(光伏建筑一體化)，考慮的不只光伏幕墻等光伏產品。建筑設計、美觀程度也需要考慮。光伏大棚也不但需要考慮棚頂的光伏電站，同時還需要棚內種的東西、大棚結構，農作物的銷路等問題。另外，光伏與農業的配合也將不僅局限于大棚。國內光伏電站的發展終將受在可鋪設電池板的空間場地制約如用于地面電站的荒坡、灘涂、用于分布式項目的屋頂。雖然理論上可鋪設面積是很大的，但是受制施工成本、接入點距離、產權問題、土地性質，屋頂的承重，屋頂下工程的運營能力、交電費能力，優質的項目地非常有限。

但是“光伏+現代農業”的模式也有如下的剛性需求的推動：生態農業、食品安全為高端農作物的種植與銷路帶來了機會。我們也在大超市里看到有部分區域賣比別的菜貴三四倍的有機蔬菜，可見也有人買。農民如果可以用自己僅有的資產，土地來養活自己家人并且還略有富余，也能推動社會進步。

此外，光伏發電是未來十年新能源發展和應用的主力，隨著人類對綠色能源的需求進一步擴大，光伏發電會推動大批光伏產業相關的企業誕生，并能提供大量的就業崗位。目前各地高校也有專門的專業培養相關人才，物理技術在農業的發展上越來越成熟，行業發展成熟指日可待。

2 電磁方面

遙感技術也得到了飛速發展。遙感是20 世紀60年代發展起來的對地觀測綜合性技術，是應用探測器，不與探測目標相接觸而從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質及其變化的綜合性探測技術。作物長勢信息反映作物生長的狀況和趨勢，是農情信息的重要組成部分。遙感技術具有宏觀、適時和動態的特點，利用遙感數據進行作物的監測是目前應用成熟的技術。遙感監測能夠時刻準確地監測到作物的發展狀況，一旦發現問題可以快速及時地解決，避免不少損失，使國家更好地發展。

2.1 電磁方面的應用

2.1.1 農作物長勢監測指標

作物長勢受到光、溫、土壤、水、氣（CO2）、肥、病蟲害、災害性天氣、管理措施等諸多因素的影響，是多因素綜合作用的結果。在作物生長早期主要是為了反映作物苗情的好壞，在作物生長的中后期反映了作物生長形式和產量的多少。作物的成長過程是一個復雜的生理生態過程啊。遙感技術通過作物的一些生長特征來進行表現。

2.1.2 農作物長勢監測方法

農作物長勢監測主要包括實時監測和過程監測。實時監測是利用實時NDVI圖像來進行表現，通過與去年或者是多年的平均值與某一年進行對比來反映作物的生長。過程監測主要是監測作物生長的過程，通過持續nDVI圖像來構建作物的生長過程。這個過程是隨著時間變化來監測的，在生產期內監測人員通過衛星的綠度值來判斷作物的展示。衛星可以準確無誤的記錄錯誤的一些數量值，監測人員可以通過這些數值構建時間變化曲線和與歷年的進行比較，比如高產年低產年等。通過這些圖像，監測人員可以對作物的生產情況和產量進行評估[2]。

2.2 未來前景與發展

主要有以下幾個方面：（1）未來的衛星將具有更好的空間和光譜分辨率。發射更多的衛星也將提高時間分辨率；（2）遙感數據交付給客戶的時間將會改善。我們有一天會有實時的衛星遙感系統；（3）大學研究將更多地關注土壤和作物變化的誘因，以判斷變化。也會更加重視從大學到商業農業企業的技術轉移；（4）決策支持系統將成為將收集的空間數據轉化為農民及詳細管理建議的主要環節。決策支持系統將為農民增加遙感數據的最大價值；（5）精準農業遙感的未來將取決于最終用戶農民的需求?，F在，農業用遙感仍處于商業發展的早期階段，農業生產者的經濟利益尚未得到證實；（6）遙感數據和與精準農業相關的其他系統的成本將下降到符合收益。隨著越來越多的農業信息技術公司進入市場，未來可能會發生這種情況。

3 力學

3.1 力學方面的應用

傳統農業生產中涉及的農具多種多樣、紛繁復雜，文章僅選取5種加以介紹，為了增加行文的科學性，分別命名如下：（1）可拆卸式復雜曲線割麥專用鐮刀；（2）基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車技術；（3）基于渦流效應的除塵去雜質簸箕；（4）自適應01 開關控制下的活塞式風箱；（5）循環沖擊載荷下的?頭抗疲勞連接技術。

3.1.1 可拆卸式復雜曲線割麥專用鐮刀

可拆卸式復雜曲線割麥專用鐮刀，因其形似胳膊肘，俗稱“肘肘”，是小麥收割過程中使用的專用鐮刀，在小麥收割過程中，鐮刀面臨著麥稈干硬、收割強度大、使用時間集中等苛刻服役環境，這些不利因素對鐮刀刀刃的硬度提出了嚴苛要求，限于傳統加工水平及經濟條件，一般采用含碳量較高的硬脆鋼制造刀片。即使如此，割麥過程中刀刃磨損依然很快（一般4 ~ 5個小時即需要打磨刃片），整體服役壽命一般僅為1 ~ 2季。若刀片和刀把為一體化連接，頻繁淘汰刀片的同時也會淘汰掉服役狀態良好的刀把，顯然會造成極大浪費。因此，可拆卸式的構型可以兼顧經濟性及生產效率。

刀把設計為曲線主要原因有兩點：提高刀把末端的施力點以緩解疲勞。傳統農業生產中，要求收割的麥稈越長越好，換言之，留在地里的麥茬越短越好。前者是因為麥稈可以作為牲口的飼料，后者則是為接下來播種玉米提供便利。在這種情況下，割麥時要求刀刃越低越好。顯然，對直線刀把而言，割麥人就需要最大限度地彎腿彎腰，在夏季烈日暴曬的環境下，極易疲勞。顯然，刀把設計為曲線時，可顯著提高刀把末端施力點，使割麥人腿部較為舒展，從而有利于緩解割麥人的疲勞。割麥過程中，采用可拆卸式復雜曲線專用鐮刀，既兼顧了經濟性與高效性，又有利于緩解割麥人的疲勞并保證其在長時間重復割麥動作中的安全。

3.1.2 基于杠桿原理的自鎖式麥捆裝車技術

小麥收割完畢后，需要把麥捆運送到打麥場，然后經過“碾場”“揚場”、晾曬等一系列工序，才能顆粒歸倉。運輸過程就需要用到架子車，堆積起來的麥捆需要用繩索綁緊方能運輸，那么，麥捆“頭對頭”的裝車方式（兩排麥捆以麥穗朝里、麥茬朝外的方式碼放堆積），怎么才能方便可靠地實現綁緊呢？一般情況下，假設一個65 kg級普通成年男子雙臂最大可以提供40 kg的拉力，那就意味著如果直接用雙手拽緊繩索，所提供的綁緊力必然小于40 kg，這在實際運輸中遠遠不夠，尤其在山路崎嶇、架子車顛簸十分嚴重的情況下。因此必須開發一種綁緊力足夠大，同時操作又足夠簡單的綁緊方法。

實踐中，農民采用的裝車方法十分簡單，在車頂通過三角形木套形成一個滑動定滑輪；在繩索的一端，套上一尖端為楔形的木棒，將尖端插入麥捆，沿虛線箭頭方向從另一端向下壓木棒，即可將繩索拉緊。根據杠桿原理，可以產生遠大于成年男子臂力的拉緊力。繩索拉緊后，將木棒順勢插入麥捆內部，自然形成一個自鎖機構，且綁緊力越大，自鎖效應越強。另一方面，不論是裝車時木棒插入麥捆，還是卸車時木棒拔出麥捆，均只需克服較低的摩擦力，操作十分簡單。

顯然，該方法巧妙地實現了四兩撥千斤的力學放大效果以及綁緊后的自鎖效果，且操作十分便利，堪稱以人力為主的農業生產方式中的最優解，是傳統農村成年男子的必備技能之一。

3.2 未來及展望

文章介紹了幾種典型農具使用過程中的力學原理，結果表明，傳統農具并非技術含量低下的代名詞，相反，在受限于人力生產條件時，傳統農具的設計使用包含了深刻的科學原理，是當時歷史發展水平大環境約束下的最優解。因此，既要以開放的心態樂見技術發展帶來的巨大紅利，又不宜在享受紅利的同時脫離歷史條件去指點過往。而不斷上下求索以推進科技發展水平、突破歷史大環境約束，正是一代又一代科技工作者的價值所在。如今仍有越來越多的力學方面的知識運用到農業上，如智能灌溉、智能種植，這些知識與光電、電磁等物理技術綜合利用，逐步實行農業的現代化。

[1]付三玲,張伏,李建昌,等.幾種物理技術在農業中的應用及展望[J].農機化研究,2006(11):36-38.

[2]葉劍.淺淡物理技術在農業新科技中的應用[J].安徽農學通報,2010(22):146-147.

武煥濤(1997- )，男，漢族，河南周口人，本科，研究方向：應用物理學。

S12

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2095-1205(2020)03-67-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.03.40