农业机械化在设施农业中的具体应用及创新优化策略

作者: 万雪刚

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随着现代农业的快速发展,设施农业作为一种高效、集约的生产模式,正在全球范围内得到广泛应用。然而,传统的人力作业已难以满足设施农业对精准化、高效化的需求。在这一背景下,农业机械化应运而生,成为推动设施农业进步的关键力量。本文旨在探讨农业机械化在设施农业中的应用现状、优化策略及发展前景,为促进农业现代化提供理论依据和实践指导。

一、农业机械化在设施农业中的重要作用

随着科技的进步,农业机械化在设施农业中被广泛应用。通过引入先进的农业机械设备,如自动灌溉系统、精准施肥机、智能环境控制装置等,大大提高了设施农业的生产效率。这些机械化设备能够精确控制作物生长所需的水分、养分和环境条件,减少了人工操作的误差,同时也降低了劳动强度。自动化的播种、移栽和采收设备不仅加快了生产进程,还确保了农产品的质量稳定性。在病虫害防治方面,智能喷洒系统可以根据作物生长状况和病虫害发生情况,精准定位并喷洒适量农药,既提高了防治效果,又减少了农药使用量,有利于生态环境保护。此外,农业机械化还促进了设施农业向智能化、数字化方向发展。通过物联网技术和大数据分析,实现了对整个生产过程的实时监控和智能决策,进一步优化了资源利用效率。农业机械化不仅提高了设施农业的生产效率和产品质量,还推动了农业生产方式的转型升级,为实现农业可持续发展提供了强有力的技术支撑。

二、农业机械化在设施农业中的具体应用

1、播种环节

农业机械化在设施农业的播种环节中发挥着关键作用,显著提升了播种效率和精准度。自动化播种技术是其中的重要应用,利用先进的自动化播种机实现了高效播种。这类设备通常由种子箱、播种装置、行距调节机构和电控系统组成,能够根据预设参数自动完成开沟、播种、覆土等一系列操作。精准播种技术进一步提高了播种的准确性,通过集成GPS导航系统和各类传感器,实现对播种深度、行距和株距的精确控制。这不仅确保了种子的均匀分布,还优化了植株的生长空间,有效提高作物产量和品质。智能化管理系统的引入使播种过程更加科学化。物联网技术的应用实现了对播种全过程的实时监控,各种传感器收集的数据通过云平台进行分析处理,为播种决策提供依据。大数据分析技术能够综合考虑土壤条件、气候因素和作物特性,制定最优播种方案。这种智能化管理不仅提高了播种的成功率,还为后续的田间管理提供了可靠的数据支持。农业机械化在播种环节的应用,不仅大幅提升了工作效率,降低了劳动强度,更重要的是通过精准化和智能化操作,为作物的高产优质奠定了基础。

2、灌溉环节

在设施农业的灌溉环节中,农业机械化技术的应用不仅极大地提高了灌溉效率,也大大节约了用水量。自动化灌溉系统是其中的核心技术,通常由水源、水泵、管道网络、控制阀门和智能控制器等组成。该系统能够根据预设程序自动开启和关闭灌溉,实现定时、定量的水分供应。其工作原理是通过传感器实时监测土壤墒情、作物生长状况和环境参数,然后由控制器根据这些数据自动调节灌溉量和频率。精准灌溉技术进一步提高了灌溉的准确性和水资源利用效率,有效做到节约用水。通过在作物根区安装土壤湿度传感器,结合气象站提供的温度、湿度、风速等数据,系统能够精确计算作物的实际用水需求。这种方法不仅避免了过度灌溉导致的根系缺氧和养分流失,也防止了水分不足对作物生长的不利影响。智能化控制是实现高效灌溉的关键。通过计算机程序对整个灌溉过程进行智能化管理,系统可以根据作物生长阶段、天气变化和土壤条件自动调整灌溉策略。例如,在预报有雨的情况下,系统会自动减少或暂停灌溉;在高温干旱天气,则会增加灌溉频次。这种智能化控制不仅大大减少了人为干预,还能够根据复杂的环境因素做出最优决策,确保作物始终处于最佳水分状态,从而提高产量和品质。

3、施肥环节

在设施农业的施肥环节,农业机械化技术的应用极大地提高了肥料利用效率和施肥速度。精准施肥技术是其中的核心,其原理是基于作物需求和土壤养分状况,实现肥料的定量、定位、定时投放。这种技术通常结合土壤养分快速检测仪和作物生长状况监测系统,精确计算出作物在不同生长阶段的养分需求,然后通过自动化施肥设备进行精准投放。自动化施肥设备种类多样,包括液体施肥机、固体施肥机和水肥一体化系统等。液体施肥机适用于水溶性肥料的精准施用,可以通过灌溉系统将肥料直接输送到作物根部。固体施肥机则适合颗粒肥料的定量施放,通常配备精密计量装置和GPS导航系统,确保肥料均匀分布。水肥一体化系统将灌溉和施肥结合,能够根据作物需求同时调控水分和养分供应,是设施农业中应用最广泛的施肥方式之一。智能化管理系统进一步提高了施肥的科学性和效率。通过整合GIS地理信息系统和物联网技术,系统可以实时监测土壤养分状况、作物生长情况和环境参数,并结合历史数据和作物生长模型,自动生成最优施肥方案,确保作物获得最佳营养供应。

4、收割环节

在设施农业的收割环节,农业机械化技术的应用大幅提高了收获效率和产品质量。自动化收割技术是其中的关键,主要包括适用于不同作物的专用收割机。例如,蔬菜收割机能够根据作物特性自动调整切割高度和速度,水果采摘机则配备精密机械臂和视觉系统,实现果实的精准定位和采摘。这些收割机的工作原理通常基于作物生理特性和成熟度标准,通过传感器和控制系统协同工作,完成收割、输送和初步处理等一系列操作。精准收割技术进一步提高了收获的准确性和效率。通过集成高精度图像识别系统和多种传感器,收割机能够准确识别作物的成熟度、大小和位置。例如,利用近红外光谱技术可以快速判断果实的糖度和成熟度,确保只采摘达到最佳品质的产品。同时,力敏传感器的应用可以控制采摘力度,最大限度地减少机械损伤。智能化处理系统则实现了收割后的自动化管理。这类系统通常包括智能分拣线、自动包装机和品质检测设备。通过计算机视觉技术和机器学习算法,系统能够快速准确地对农产品进行分级、分类和品质评估。例如,对于水果类产品,可以根据大小、颜色和表面特征进行自动分级;对于叶菜类,则可以通过图像分析剔除有病虫害或品质不佳的产品。自动包装系统则能根据不同产品特性和市场需求,选择适当的包装材料和方式,确保产品在运输和储存过程中保持最佳品质。

三、农业机械化在设施农业中的局限性

农业机械化在设施农业中的应用虽然带来了显著的效益,但仍面临一些局限性。首要的问题是技术水平相对滞后,大部分地区农机设备的精度和智能化程度达不到上述水平,难以满足现代设施农业的高效、精准需求。例如,在复杂的温室环境中,一些自动化设备的感知能力和适应性仍有待提高,无法充分应对多变的生长条件。此外,针对不同作物的专用设备开发不足,通用性较差,限制了机械化应用的广度。资金投入不足也是制约农业机械化发展的重要因素。高端农业机械设备价格昂贵,对于中小规模的设施农业经营者而言,购置和维护成本过高,难以负担。这导致许多先进的农机技术无法在实际生产中得到广泛应用,影响了整体机械化水平的提升。人才短缺问题同样制约着农业机械化的深入发展。设施农业中的智能化设备需要专业的操作和维护人员,但目前缺乏既懂农业生产又精通机械操作的复合型人才。这不仅影响了设备的使用效率,也制约了新技术的研发和推广。技术的复杂性和专业性也在一定程度上影响了农民的接受度。部分农民对新技术持观望态度,担心操作难度大、维护成本高,不愿意轻易改变传统的生产方式。这种认知障碍阻碍了农业机械化在基层的普及和应用,减缓了技术推广的步伐。这些局限性共同影响着农业机械化在设施农业中的应用效果和推广速度。

四、农业机械化在设施农业中的优化策略

1、提高农业机械化技术创新

要优化农业机械化在设施农业中的应用,技术创新是关键。首先,需要加强农机技术研发,重点提高农机设备的精准性、智能化程度和适应性。可以通过建立产学研合作平台,整合高校、科研院所和企业的资源,针对设施农业的特殊需求开发专用设备。例如,研发适用于温室环境的多功能机器人,集成环境监测、病虫害识别和精准作业等功能,提高设备的综合利用率。在传感器技术方面,可以开发更精密的土壤养分检测仪和作物生长状态监测系统,为精准施肥和灌溉提供更可靠的数据支持。同时,利用人工智能和大数据技术,开发智能决策系统,实现农业生产的自动化管理。引进国外先进技术也是提升农机水平的有效途径。可以通过技术引进、合作研发等方式,吸收国外在精准农业、智能温室等领域的先进经验。在引进过程中,注重消化吸收和再创新,如针对引进设备进行适应性改造,开发适合本地作物和气候特点的控制算法。通过自主创新与技术引进相结合,不断提高农机装备的技术水平,为设施农业的高效发展提供有力支撑。

2、优化农业机械化设备升级

推广高效节能设备是优化农业机械化在设施农业中应用的首要任务,可以从多个方面着手。在动力系统方面,可以采用新型电动机或混合动力系统,替代传统燃油发动机,显著降低能耗和排放。例如,研发电池驱动的小型多功能作业机,适用于温室内的日常管理作业。在灌溉系统中,可以推广变频水泵和智能控制阀门,根据作物需水量自动调节水压和流量,减少不必要的能源消耗。对于温室环境控制设备,可以采用高效换热器和热回收系统,提高能源利用效率。同时,利用太阳能、地热等可再生能源技术,为设施农业提供清洁能源。智能化改造是提升现有设备性能的有效途径。可以通过增加传感器和控制模块,实现设备的智能化升级。例如,在现有播种机上安装光学传感器和GPS定位系统,实现精准定位和变量播种。对于施肥设备,可以加装土壤养分快速检测系统和自动配比装置,根据土壤状况和作物需求自动调整施肥量。在收获设备方面,可以集成图像识别系统和柔性机械手,提高采摘的精准度和效率。此外,通过物联网技术将各类设备连接起来,建立统一的智能管理平台,实现设备之间的协同作业和远程控制。例如,开发基于云平台的智能温室管理系统,整合环境监测、灌溉施肥、病虫害防治等功能,实现生产全过程的智能化管理。

3、农业机械化设备应用型人才培养

人才培养是推动农业机械化在设施农业中深入应用的基础。加强教育培训可从多个层面展开,首要的是针对农民的基础培训,重点讲解现代农机设备的操作原理和使用方法。可以采用理论与实践相结合的方式,如组织农民参观示范基地,亲身体验先进农机设备的操作。同时,利用虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术,开发农机操作模拟系统,让农民在虚拟环境中熟悉各类设备的操作流程,提高学习效果。对于农机技术人员,可以开展更深入的专业培训,包括设备维护、故障诊断、智能控制系统编程等内容。可以与农机制造企业合作,组织技术人员参与新型设备的研发和测试,提高他们的创新能力和实践经验。引进专业人才是提升农机技术水平的有效途径。可以设立农机创新基金,支持高校毕业生和科研人员开展农机技术研究和创业。例如,鼓励计算机、人工智能等领域的人才参与农业机器人和智能控制系统的开发。同时,可以建立产学研合作平台,吸引跨学科人才参与农机技术创新。如组建农业工程、植物科学、信息技术等多学科交叉的研究团队,开发适应设施农业需求的智能化设备。为提高人才培养的针对性,可以根据设施农业的不同领域设置专项培训课程。例如,针对智能温室控制系统,开设环境参数采集、数据分析、智能决策算法等专题培训;对于精准施肥技术,重点培训土壤养分检测、配方施肥计算等内容。通过这些有针对性的培训,培养出既懂农业生产又精通机械操作的复合型人才,为设施农业的机械化、智能化发展提供有力的人才支撑。

4、政策支持

政策支持是推动农业机械化在设施农业中深入应用的重要保障。加大资金投入方面,政府可以设立专项基金,重点支持高端农机设备的研发和产业化。例如,针对智能温室控制系统、精准施肥设备、农业机器人等关键技术,提供研发经费支持和产业化奖励。同时,可以建立农机创新孵化中心,为农机技术创新项目提供资金和场地支持,促进新技术的快速转化和应用。在推广应用方面,可以实施农机购置补贴政策,对购买先进设施农业设备的农户给予一定比例的补贴,降低农民采用新技术的成本门槛。完善政策体系是为农业机械化发展提供长期稳定支持的关键。可以制定设施农业机械化发展规划,明确发展目标和重点任务,为产业发展提供指导。在标准化方面,建立健全设施农业机械化标准体系,制定智能温室、水肥一体化系统、农业物联网等关键技术的国家标准,促进产业规范化发展。在知识产权保护方面,完善农机技术专利保护制度,鼓励企业加大研发投入。同时,可以建立农机技术创新联盟,推动产学研合作,加速技术成果转化。为提高政策的针对性和有效性,可以根据不同区域和作物特点,制定差异化的支持政策。例如,在北方地区重点支持智能温室技术的应用,在南方地区加大对水肥一体化技术的推广力度。此外,还可以建立农机化信息服务平台,为农民提供设备选型、技术培训、维修保养等全方位服务,提高政策的落地效果。

总之,农业机械化在设施农业中的应用,标志着现代农业向智能化、精准化方向迈进的重要一步。尽管目前仍面临技术、资金和人才等方面的挑战,但通过持续的技术创新、设备升级和政策支持,这些障碍终将被逐一攻克。未来,随着人工智能、大数据和物联网技术的深度融合,农业机械化将在设施农业中发挥更加关键的作用,不仅提高生产效率,还将为农业生态系统的平衡和食品安全做出重要贡献,推动农业向更加智能、环保和可持续的方向发展。

(作者单位:457300 河南省清丰县农机发展中心)

DOI: 10.3969/j.issn.1003-1650.2024.28.033

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