農業工程科技創新推進農業綠色發展

隋 斌，董姍姍,，孟海波,，王佳銳,，沈玉君,，丁京濤,，周海賓,，馮 晶

·綜合研究·

農業工程科技創新推進農業綠色發展

隋 斌1，董姍姍1,2※，孟海波1,2，王佳銳1,2，沈玉君1,2，丁京濤1,2，周海賓1,2，馮 晶2

（1. 農業農村部資源循環利用技術與模式重點實驗室，北京 100125；2. 農業農村部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，北京 100125）

農業綠色發展是農業發展觀的一場深刻革命。該文全面論述了農業工程科技創新對農業綠色發展的重要作用，深入分析了中國在農業資源利用、產地環境治理、生態系統保育和農產品綠色供給等方面取得的成效和存在的問題。提出了圍繞農業綠色發展，農業資源監測、水土資源利用、農業投入品使用、農業機械化和農業廢棄物資源利用等農業工程科技創新的前沿進展和主攻方向。從強化農業綠色發展理念、建立技術創新與推廣體系、完善標準體系和加強政策支持4個方面提出了政策建議。該文可為農業綠色發展背景下農業工程科技研發提供重要的指導和參考。

農業；綠色發展；農業工程；科技創新

0 引 言

19世紀中葉以來，隨著農業機械的推廣、農藥化肥的問世，以及動植物育種和科學種植養殖技術的進步，農產品產量大幅提升，但化肥、農藥、激素類等投入品的過量使用，帶來了資源浪費、環境污染及食品安全等問題[1]。近年來，中國積極探索農業綠色發展路徑和模式，逐步降低資源環境利用強度，增加優質農產品供給，努力實現農業生產與資源環境承載力相匹配，生產生活生態相協調的農業綠色發展目標。

習近平總書記在中國共產黨第十九次全國代表大會報告中指出，要堅持人與自然和諧共生，形成綠色發展方式和生活方式。大力推進農業綠色發展是農業工程科技工作者的重要職責和使命，要在資源節約、環境友好、生態保育和優質農產品供給等方面，不斷加大農業工程科技研發力度，提升成果創新推廣能力，研究新的工藝裝備和技術模式，建立綠色生產、清潔低碳、循環發展的技術體系，以較少的資源、能源消耗獲得較高的效益，不斷推動農業綠色發展向更高水平邁進。

本文在系統分析農業綠色發展背景下農業工程科技創新發展狀況的基礎上，從農業資源監測、水土資源高效利用、農業投入品減量使用、農業機械化發展、農業廢棄資源循環利用等方面，深度研判了中國農業工程科技創新的前沿進展和主攻方向，著重提出了需要突破的技術瓶頸，以期為進一步提升中國農業工程科技創新水平、推動農業綠色發展提供重要指導。

1 發展現狀

近年來，中國在農業資源利用、產地環境治理、生態系統保育、農產品綠色供給等方面取得顯著成效，同時仍然面臨一些較大挑戰，不容樂觀的諸多問題仍然存在。

1.1 資源利用高效節約與剛性約束并存

隨著理論創新、技術裝備研發和推廣力度不斷加大，中國農業水土資源保護利用水平逐步提升，農作物秸稈、畜禽糞便、農膜等農業廢棄物資源化利用率大幅提高。2018年全國農田灌溉水有效利用系數達到0.554，比2015年提高0.018，耕地實際灌溉用水量5 475 m3/hm2，耕地灌溉面積達到67 815.6×107m2，節水灌溉面積達34 319.0×107m2[2]。中國耕地利用率是世界平均水平的3倍，谷物單產能力達到6.417×104kg/m2[3]。農作物秸稈利用率超過82%，畜禽糞污綜合利用率達到70%以上，農膜回收利用率達到80%以上[4]。秸稈利用方面，已形成了東北高寒區玉米秸稈深翻養地、西北干旱區棉稈深翻還田、黃淮海地區麥秸覆蓋玉米秸旋耕還田、黃土高原區免耕秸稈覆蓋還田、長江流域稻麥秸稈粉碎旋耕還田和華南地區秸稈快腐還田6種還田模式，以及“秸-飼-肥、秸-菌-肥、秸-沼-肥、秸-炭-肥”4種循環利用模式[5]。畜禽糞污利用方面，已形成糞污全量收集還田利用、糞污專業化能源利用、固體糞便堆肥利用、糞便墊料回用、異位發酵床、污水肥料化利用和污水達標排放7種典型技術模式[6]。地膜回收方面，甘肅、新疆等地區探索建立了由地膜生產企業統一供膜、統一鋪膜、統一回收的綜合治理模式[4]。

然而，在資源利用效率不斷提高的同時，水土資源剛性約束也日益加劇。中國人均水資源不足世界平均水平的1/4，是13個貧水國之一，農業用水約占總用水量的75%，用水方式仍較為粗放，大水漫灌問題突出，灌溉水利用系數低于發達國家平均水平近25個百分點[7]。人均耕地為世界平均水平的38%，因水土流失、貧瘠化、鹽堿化、酸化導致耕地退化面積占耕地總面積的40%以上，東北黑土層10 a間減少了8 cm，華北平原連續30多年淺層旋耕，南方土壤酸化嚴重[8-10]。秸稈露天焚燒現象仍然存在，糞污仍有 30%沒有高效利用，地膜在土壤中的殘留問題仍然存在，面源污染依然嚴重。

1.2 產地環境日益改善與污染壓力并存

近年來，中國在農產品產地污染控制等方面取得較大成效[11-14]。通過推廣節肥節藥技術，2017年三大糧食作物化肥、農藥利用率達到37.8%和38.8%，分別比2015年提高2.6和2.2個百分點[15]。2017年農用氮、磷、鉀化學肥料（折純）產量6 065.2萬t，比2015年下降20.5%[16]。2017年主要農作物病蟲害綠色防控覆蓋率達到27.2%，比2015年提高4.1個百分點[17]。實施耕地輪作休耕制度試點，2018年東北地區、華北地下水漏斗區、南方重金屬污染區和西南西北生態嚴重退化區輪作休耕面積達到200萬hm2 [18]。中國已在1.08億hm2耕地上開展重金屬動態監測，探索土壤重金屬污染治理模式[19-20]。2017年以來，中國在100個縣啟動實施了果菜茶有機肥替代化肥項目試點，測土配方施肥技術推廣應用近1.07億hm2，三大糧食作物統防統治面積達0.93億hm2次，化肥和農藥使用均實現負增長[21]。

盡管產地環境不斷改善，但農業面源污染壓力依然較大。目前，中國化肥使用量、農藥生產和使用量居全球第一，過量施用對土壤安全造成嚴重威脅[22-23]。每年使用農用塑料薄膜約250萬t，當季回收利用率不足80%[24]。畜禽養殖業的化學需氧量（chemical oxygen demand, COD）和氨氮排放量分別占農業源COD和農業源氨氮排放量的95.8%和78.1%[25]。此外，工業“三廢”和城市生活等外源污染仍不斷向農業農村擴散，受污染耕地超過1 000萬hm2，多數集中在經濟較發達地區[26]。

1.3 生態系統日益穩定與失衡風險并存

近年來，中國農業生態保護建設力度不斷加大，先后啟動實施水土保持、退耕還林還草等一批重大工程[27]。2018年底，全國草原綜合植被蓋度達到55.7%，全國天然草原鮮草總產量連續5 a超過10億t，草原生態總體向好，恢復退化濕地7.13萬hm2，完成造林綠化0.07億hm2，全國森林覆蓋率達22.96%[28-29]。全國農業生態惡化趨勢初步得到遏制，部分地區出現好轉。

然而，高強度、粗放式生產方式所導致的農業生態系統結構失衡、功能退化等問題仍不同程度存在。根據第五次全國荒漠化和沙化監測結果，全國荒漠化土地面積261.16萬km2，沙化土地面積172.12萬km2，重點天然草原牲畜超載率仍達13.5%，農牧交錯帶已墾棄耕草原水土流失和風沙侵蝕現象頻發。生物多樣性受到威脅，生態保育型農業發展面臨諸多挑戰[30-31]。

1.4 綠色供給能力逐漸提升與質量安全隱患并存

隨著農藥殘留、生物毒素和重金屬等污染防控技術的推廣應用，中國農產品質量安全水平逐步提高，2017年農產品監測合格率達97.8%，其中蔬菜、水果、茶葉的農殘抽檢合格率分別達到97%、98%、98.9%，畜禽產品和水產品的獸藥殘留抽檢合格率分別達到99.5%和96.3%，達到中國開展監測以來歷史最好水平[32-33]。

然而，少數地區農藥殘留、抗性基因殘留、重金屬污染等問題仍不容樂觀。個別地方還存在重金屬超標問題，2018年天津市消費者協會發布的蔬菜比較試驗報告顯示，70%有機樣品被檢測出農藥殘留[34]，成為農產品質量安全的隱患，影響了農產品綠色供給。

2 前沿進展及主攻方向

農業工程科技創新對農業綠色發展發揮著十分重要的作用，農業工程科技工作者要密切跟蹤學科前沿進展，把握發展趨勢，找準主攻方向，明確研究重點，突破制約瓶頸，不斷取得更大成效。

2.1 農業資源監測

2.1.1 前沿進展

當前，中國已建立了較完善的農業遙感監測系統，實現了對耕地及農作物、草原、漁業水域等農業資源的動態監測。在信息獲取、參數反演、模型構建和精度檢驗等方面研發了一系列適用的遙感信息技術，可快速、準確地獲取農作物生長狀況、健康程度、農田旱澇情況和作物產量等信息，開展了農業自然資源分布及數量的周期性調查。遙感信息技術應用還為農村承包地確權、“兩區”劃定、耕地輪作休耕、高標準農田建設和農業種植結構調整提供了有效支撐?；谶b感技術，正在構建國家、省、市、縣四級農業農村監測管理平臺，將為農業農村管理信息化發揮重要作用[29,35]。

2.1.2 主攻方向

突破耕地質量、生物資源、產地環境、面源污染、土地承載力等監測評估和預警分析等關鍵核心技術，構建集實時監測、遠程診斷、分析預警、應急防控和指揮調度于一體的監測預警決策系統。加強基礎設施建設，統一標準方法，建立健全耕地、草原、漁業水域、生物資源、產地環境以及農產品生產等重要農業資源動態監測臺賬制度，創新農業農村資源資產價值評估理論和方法，構建充分體現資源稀缺和損耗程度的生產成本核算機制，形成農業生態價值統計制度[36]。完善區域農業資源承載力和環境容量評估方法，充分利用遙感技術，搭建國家農業資源數據共享平臺和數據中心，形成天空地一體化數字農業農村管理平臺。

2.2 水土資源利用

2.2.1 前沿進展

近幾年，中國節水農業快速發展，微噴灌、滴灌、涌泉根灌等精準灌溉新技術，以及渠道防滲與管道輸水新技術取得重要進展，研發了一系列農業節水灌溉產品，建立了流域水資源管理決策支持系統，顯著提升了水資源利用率。康紹忠等[37]創制的“控制性作物根系分區交替灌溉”新方法，能夠減少棵間蒸發和作物蒸騰耗水，節水效果明顯。在高標準農田建設、土地復墾與生態恢復、城鄉統籌與節約用地以及土地整理信息化等方面提出了一系列新理論、新方法和新技術，有效提高了土地使用效率。

2.2.2 主攻方向

以提高農業水資源利用率為目標，研發作物需水信息采集、高效用水調控灌溉、高效用水分根區交替灌溉等技術裝備，研發水平畦田灌溉、新型節能高效噴微灌等節水灌溉裝備，研發土壤保水劑和表土結構改良劑，研發多功能作物蒸騰調控劑技術，建立“水-土-作物”協同調控技術體系，研究建立基于水資源承載能力、種植業布局及系列節水技術的高效節水模式；以提高土地資源利用效率為目標，以構建農田生態系統、耕地污染修復為重點，研發農田生態緩沖帶構建、耕地質量評價、土地休耕輪作、土壤污染修復等工程技術。

2.3 農業投入品使用

2.3.1 前沿進展

在化肥減量提效方面，推進施肥方式轉變和新型肥料技術應用，包括機械施肥、水肥一體化和適期施肥等技術模式，以及農作物高產高效施肥技術，速效與緩效、大量與中微量元素、有機與無機、養分形態與功能融合的新產品及裝備，新產品推廣以及高效施肥技術模式[38]。此外，大力推廣秸稈粉碎還田、快速腐熟還田、過腹還田等秸稈養分還田技術，研發具有秸稈粉碎、腐熟劑施用、土壤翻耕、土地平整等功能的復式作業機具。在農藥減量控害方面，研發應用生物防治、物理防治等綠色防控技術，研究推廣了生物農藥，創制了高效低毒低殘留農藥，研制了大中型高效藥械，推行統防統治和精準科學施藥[39]。

2.3.2 主攻方向

在化肥減施增效方面，重點研發智能化養分原位檢測技術、基于化肥施用限量標準的化肥減量增效技術、基于耕地地力水平的化肥減施增效技術、新型肥料高效施用技術、無人機高效施肥施藥技術，加快修訂有機肥料行業標準，大力推廣使用有機肥，研發炭基肥、液體肥和有機無機復混肥等新型肥料產品，提升水肥一體化技術裝備水平，開發不同區域不同作物化肥減量增效技術集成模式。在農藥減量控害方面，加強綠色制劑創新研究，減少生態環境風險；加快免疫透抗和性誘劑及調節劑產業化及應用技術研發，推動生態調控；研發高功效農藥和航空新型制劑，研發菌藥種肥新型產品。在農膜回收利用方面，研發可降解、加厚等新型農膜，研發農膜回收機械技術裝備，提升機械化水平，開發殘膜利用產品。

2.4 農業機械化

2.4.1 前沿進展

水稻生產已實現生產全程機械化，已研發出水稻直播穴播等一批輕減化高產高效水稻栽培技術，改無序撒播變為有序直播，變人工插秧為機械直播，大幅提升了水稻機播水平[40]。陳志[41]利用仿生原理，研發了不分行玉米割臺技術及秸稈打捆技術和一系列玉米種植機械與播種機具，構建了玉米收獲全程機械化作業體系，提升了玉米機收水平，大豆、花生等經濟作物以及丘陵山區、牧草生產等機械化作業取得了創新性技術成果，畜禽養殖機械化及廢棄物處理等綜合機械化水平增長迅速。農機自動化水平不斷提升，無人駕駛拖拉機、可控農機具等先后研發應用，農用飛機普遍采用了微農業遙感及農田作業精準化技術。以農機為載體，精量播種、化肥深施、高效植保、低損收獲和秸稈還田等增產增效型技術迅速推廣，保護性耕作和深松整地面積分別超過0.09億hm2和0.11億hm2，有效促進了藏糧于地、藏糧于技，增強了農業抗災能力[42-43]。

2.4.2 主攻方向

以大田規?；N植、設施農業、經濟作物和畜禽水產養殖等領域為重點，開展資源節約型農業機械、秸稈還田、智能農機裝備傳感器、農機導航和精準作業等方面研究。主要包括加強農業機械的能源結構、新型能源和節能減排技術的研究；開展秸稈覆蓋、深翻、碎混還田與耕地質量提升技術裝備研究，研制新型秸稈還田翻轉犁、免耕播種機及大馬力拖拉機等農機具；研制精準農業與無人駕駛機械，研發單人多機作業、遙控裝卸物料、遙控掛接機具等無人駕駛拖拉機，提高遙控飛機的操控方便性、穩定性及承載能力。特別要重視加強與經濟作物種植生產技術相匹配的農業機械的研發與推廣，并針對畜牧水產養殖機械嚴重缺乏狀況，進一步加大研發力度。

2.5 農業廢棄物資源利用

2.5.1 前沿進展

近年來，中國學界圍繞畜禽糞污、農作物秸稈等廢棄物資源化利用，在理論體系創新、生物轉化技術、評價方法和標準政策等方面開展了大量研究，取得了系列創新理論和技術成果，初步建立起以能值分析和全生命周期相結合的區域循環農業系統評價方法，研發了干法厭氧發酵、反應器式好氧發酵、熱解炭氣肥聯產、秸稈膨化生物發酵飼料等系列新技術新裝備，構建了農作物秸稈肥料化、能源化、基料化、飼料化和原料化技術模式，畜禽糞污肥料化、能源化技術模式[44]，建立了標準體系。通過構建以農業廢棄物資源化利用為紐帶的循環系統，實現種養結合、農牧結合、農漁結合，有效推動農業綠色發展。

2.5.2 主攻方向

開展農業廢棄資源循環理論體系研究，包括種養結合循環系統中碳氮轉化規律及調控途徑研究；開展畜禽糞污、農作物秸稈、尾菜等農業廢棄資源利用評價研究、土地承載力評價研究、技術先進性及適用性評價研究；開展生物轉化及污染物消除機制研究，包括微生物種群演替特征、病原菌等生物滅活機制、抗生素、重金屬、臭氣等污染物變化規律及調控途徑等研究；開展農作物秸稈還田腐熟、以及厭氧發酵、熱解炭化、肥料化清潔生產、畜禽糞肥安全施用等技術裝備研究，開展育苗基質與食用菌生產、飼料產品等研發，研究推廣基于養分循環的區域種養結合技術模式；開展農業廢棄資源收儲運、資源化利用全鏈條關鍵技術標準及農業資源循環利用政策研究。

3 結論與建議

推進農業綠色發展，是一項系統工程。本文闡述了農業工程科技創新對農業綠色發展的促進作用，包括在農業資源高效利用、生態系統穩定、產地環境良好和產品質量安全等方面已經和將要發揮的重要作用。從全面統籌推進考慮，還亟需轉變發展理念、整合資源、完善標準體系和加強政策支持。

1）強化農業綠色發展理念。推進農業綠色發展，對于降低資源環境利用強度、增加綠色優質農產品供給具有重要意義。目前，農業工程科技創新工作中，仍然存在重規模輕質量、重產量輕生態等問題。面對農業綠色發展的機遇和挑戰，農業工程科技工作者要自覺承擔起肩負的職責和使命，將生態優先、資源節約的理念貫穿科研工作始終，研發出更多先進實用的技術成果，不斷推動農業發展提質增效。

2）加強農業工程科技創新資源整合，形成攻關合力。中國農業工程還存在理論研究多、實用技術少，單項技術多、集成模式少，簡單技術多、核心技術少，分散研究多、聯合攻關少等問題。面對綠色發展新形勢、新任務、新要求，亟需整合農業工程科技創新力量，優化資源布局，加強農業工程科技創新與推廣體系建設，不斷提出適應不同區域、不同產業的農業綠色發展一攬子整體解決方案，大大增強農業工程綠色發展技術產出能力，為農業綠色發展提供技術支撐。

3）完善以農業綠色發展為導向的標準體系。中國農業工程相關標準還存在與農業綠色發展需求不銜接、不配套等問題，應堅持整體設計、重點突出、逐項突破，研究制定投入品減量化、生產清潔化、廢棄物資源化、種養循環化、農業農村信息化等農業工程技術、產品、建設和管理相關標準，為推進農業綠色發展提供標準保障。

4）加強政策支持。要加大圍繞綠色發展的農業工程科技創新與推廣政策支持力度，對節水、節藥、節肥、節地、節能、減損、環保等新技術和新裝備的研發推廣要重點投入，要支持建設一批農業工程實驗室、成果轉化基地，推動綠色生產技術和模式的快速建立，為促進農業綠色發展提供良好政策環境。

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Innovation in agricultural engineering and technology to accelerate green development of agriculture

Sui Bin1, Dong Shanshan1,2※, Meng Haibo1,2, Wang Jiarui1,2, Shen Yujun1,2, Ding Jingtao1,2, Zhou Haibin1,2, Feng Jing2

(1.100125; 2.100125)

Green development of agriculture is a profound revolution in the concept of agricultural development and the inevitable course to achieve sustainable development of agriculture in China. This study reviewed the roles and challenges of agricultural engineering and technology on green development of agriculture and proposed the near future directions. The level of protection and utilization of agricultural water and soil resources in China has gradually increased, and the utilization rate of agricultural waste such as crop straws, animal manure, and agricultural membranes has increased greatly. However, problems such as water shortages and arable land degradation are serious. The utilization rate of chemical fertilizers and pesticides for food crops has been increasing year by year. However, the problems of excessive application of pesticides, and external pollution still need to be resolved. In the field of agricultural ecological protection and construction, a series of projects such as soil and water conservation, returning farmland to forests and grasses had been carried out and results were delightful. However, high-intensity and extensive production methods have caused problems such as the structural imbalance in agricultural ecosystems and functional degradation. The level of quality and safety of agricultural products in China has gradually improved. However, issues such as pesticide residues, resistance gene residues, and heavy metal pollution in a few regions are still not optimistic. To resolve these problems, this paper proposed possible technological innovation in agricultural engineering serving green agrarian development: 1) In the field of agricultural resource monitoring, the further research should focus on core technologies of monitoring, evaluation, and early warning analysis of cultivated land quality, biological resources, production environment, non-point source pollution, and land carrying capacity so as to build decision-making systems that could integrate real-time monitoring, remote diagnosis, early warning, emergency prevention and control, and command and dispatch. 2) In the field of utilization of water and soil resources, the future study should enhance the use efficiency of agricultural water resources by developing water-saving equipments, establish efficient water-saving modes, improve the efficiency of land resource utilization by focusing on construction of farmland ecosystems and rehabilitation of farmland pollution. 3) In regard to agricultural inputs, the focus should be on the transformation of fertilization application methods, the application of new fertilizer technologies, as well as high-yield and efficient fertilization technologies for crops. In regard to pesticide reduction and control, the key was to develop in-situ intelligent nutrient detection, enhance fertilizer reduction and efficiency based on fertilizer application limit standards, accelerate the revision of organic fertilizer industry standards, promote the use of new fertilizer products, and develop fertilizer reductions for different crops in different regions. 4) In terms of agricultural mechanization, the main direction of the future research was to focus on fields such as large-scale field planting, facility agriculture, cash crops and aquaculture of livestock and poultry, and resource-saving agricultural machinery, straw return to the field, intelligent agricultural equipment sensors, agricultural machinery navigation, and precision operations. 5) In terms of agrarian waste resource utilization, the next work should explore the theoretical system of agricultural waste resources recycling, biological transformation and pollutant removal mechanisms, and develop equipments related to returning crop straws to the field, maturation of anaerobic fermentation, pyrolysis carbonization, and collection and storage of agricultural waste resources and so on. This paper put forward to policy suggestions from 4 aspects: strengthening the concept of green agricultural development, establishing a technological innovation and extension system, improving the construction of a standard order and strengthening policy support. It is hoped to provide meaningful guidance for further improving China's agricultural engineering technology innovation level and promoting green agrarian development.

agriculture; green development; agricultural engineering; technological innovation

隋 斌，董姍姍，孟海波，王佳銳，沈玉君，丁京濤，周海賓，馮 晶. 農業工程科技創新推進農業綠色發展[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：1－6.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001 http://www.tcsae.org

Sui Bin, Dong Shanshan, Meng Haibo, Wang Jiarui, Shen Yujun, Ding Jingtao, Zhou Haibin, Feng Jing. Innovation in agricultural engineering and technology to accelerate green development of agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 1－6. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001 http://www.tcsae.org

2018-09-10

2019-12-10

國家重點研發計劃項目（2017YFD08000800）

隋 斌，研究員，農業農村部資源循環利用技術與模式學科群暨綜合性重點實驗室主任，國家“十三五”重點研發計劃項目首席專家，主要從事農業工程管理、農業農村建設及資源循環利用研究。Email：suibin@agri.gov.cn

董姍姍，博士，主要從事農業廢棄物資源化利用技術模式及評價研究。Email：dongshanshan@aape.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001

S2

A

1002-6819(2020)-02-0001-06