何春健，王天瑞

（江蘇北斗農(nóng)機科技有限公司，江蘇南京 210032）

0 引言

全國耕地按照1-4等、5-8等、9-12等、13-15等劃分為優(yōu)等地、高等地、中等地和低等地。全國耕地質(zhì)量平均等級為9.80等，等級總體偏低。全國耕地低于平均等級的10-15等地占調(diào)查與評定總面積的57%以上；全國生產(chǎn)能力大于1 kg/66.7hm2的耕地僅占6.09%。與世界平均水平相比，我國人均耕地少、耕地質(zhì)量總體不高、耕地后備資源不足的基本國情沒有改變，綜合考慮現(xiàn)有耕地數(shù)量、質(zhì)量和人口增長、發(fā)展用地需求等因素，耕地保護形勢仍十分嚴(yán)峻。因此，必須始終堅持“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”的基本國策，毫不動搖堅持最嚴(yán)格的耕地保護制度，充分利用北斗系統(tǒng)的信息化、科技服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化，可以提高農(nóng)業(yè)技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的貢獻度，牢牢把握住國家糧食安全的主動權(quán)，確保中國人的飯碗裝滿中國土地上生產(chǎn)的糧食。

1 農(nóng)業(yè)上培肥地力的措施

1.1 輪作休耕

輪作，是指在同一田塊上不同年度間有順序地輪換種植不同作物或以復(fù)種方式進行的種植方式，如一年一熟的“大豆→小麥→玉米”3年輪作，這是在年間進行的單一作物的輪作；在一年多熟條件下，既有年間的輪作，也有年內(nèi)的換茬，如南方的“綠肥—水稻—水稻→油菜—水稻—水稻→小麥—水稻—水稻”輪作，這種輪作由不同的復(fù)種方式組成，因此，也稱為復(fù)種輪作。休耕，亦稱休閑，是指耕地在可種作物的季節(jié)只耕不種或不耕不種的方式。主要是使耕地得到休養(yǎng)生息，以減少水分、養(yǎng)分的消耗，并積蓄雨水，消滅雜草，促進土壤潛在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，為以后作物生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境和條件。

國內(nèi)輪作區(qū)主要技術(shù)路徑：一是東北冷涼區(qū)和北方農(nóng)牧交錯區(qū)。在內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江推廣“一主多輔”種植模式，以玉米與大豆輪作為主，與雜糧雜豆、薯類、飼草、油料等作物輪作為輔，形成合理的輪作模式，基本改變以玉米為主的連作、重迎茬狀況。二是黃淮海地區(qū)。在安徽、山東、河南及江蘇北部推行玉米改種大豆為主，兼顧花生、油菜等油料作物，增加市場緊缺的大豆、油料供給。在河北推行馬鈴薯與胡麻、雜糧雜豆等作物輪作，改善土壤理化性狀，減輕連作障礙。三是長江流域。在江蘇、江西小麥稻谷低質(zhì)低效區(qū)實行稻油、稻菜、稻肥等輪作，改良土壤，提高地力，減少無效供給，增加有效供給。在湖北、湖南、四川大力開發(fā)冬閑田擴種油菜（湖南輪作不能在長株潭重金屬重度污染區(qū)實施），同時在四川推廣玉米大豆輪作或間套作，努力增加油菜和大豆供給。

輪作休耕制度優(yōu)勢。一是提高農(nóng)作物產(chǎn)量。休耕是通過改變農(nóng)作物間的輪作倒茬和季節(jié)性，為下茬作物提供生長時間和土壤環(huán)境，有效提高作物產(chǎn)量以及改善作物品質(zhì)等問題。河北小麥冬季休耕后，將一年兩熟夏玉米改為晚播春玉米或早夏播玉米，畝產(chǎn)提高10%以上。二是有效供給增加。在輪作休耕帶動下，兩年內(nèi)全國調(diào)減籽粒玉米種植面積333.33萬hm2，而增加了大豆種植面積超過126.67萬hm2，雜糧種植面積超過33.33萬hm2。三是農(nóng)民收入增加。比如，黑龍江省海倫市輪作種植，種植大豆面積超過2.67萬hm2，并且通過精深加工轉(zhuǎn)化，大豆已經(jīng)成為農(nóng)民增收的“金豆子”。

1.2 秸稈還田

秸稈還田是把不宜直接作飼料的秸稈（麥秸、玉米秸和水稻秸稈等）直接或堆積腐熟后施入土壤中的一種方法。秸稈中含有大量的新鮮有機物料，在還田后，經(jīng)過一段時間的腐解作用，就可以轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)養(yǎng)分。

目前，全國秸稈還田主要有十大模式。

1.2.1 東北高寒區(qū)玉米秸稈深翻養(yǎng)地模式。在該模式下，聯(lián)合收割機收割玉米后，將玉米秸稈粉碎均勻拋灑地面，然后用重型拖拉機深翻還田，在春季進行耙平，開展下一季農(nóng)事生產(chǎn)。玉米秸稈粉碎拋灑→秸稈二次粉碎（<10 cm）→深翻（翻耕深度>30 cm）→耙壓和旋耕平地（起壟）→播種。適宜在東北、中原以及東部等主要玉米種植區(qū)應(yīng)用，氣候條件為降雨量450 mm以上、積溫2 600℃以上，耕種條件適宜大型機械化作業(yè)。

1.2.2 西北干旱區(qū)棉稈深翻還田模式。①棉花適時收獲。此時棉稈呈綠色，棉稈內(nèi)水分較多，易于粉碎。②秸稈粉碎。粉碎后棉稈長度不超過5 cm，切根遺漏率不得超過0.5%。③適時深翻。粉碎之后要盡快進行秋翻，將秸稈翻耕入土，要求耕深在25 cm以上，以便于秸稈快速分解。④足墑還田。秸稈還田后要及時澆水，以促使秸稈與土壤緊密接觸，防止架空。⑤補充氮肥。秸稈還田的地塊，進行秋翻時要施入一定量的氮肥，以緩解微生物與下茬作物幼苗爭氮的現(xiàn)象。適宜于全國范圍內(nèi)棉花種植的區(qū)域，尤其適宜于新疆等西北地區(qū)棉花規(guī)?；N植的區(qū)域。

1.2.3 黃淮海地區(qū)麥秸覆蓋還田、玉米秸旋耕還田模式。小麥秸稈覆蓋還田技術(shù)模式主要包含以下作業(yè)環(huán)節(jié)：聯(lián)合收割機收獲小麥→秸稈粉碎拋撒還田→噴灑秸稈腐熟劑→免耕播種下茬作物。玉米秸稈旋耕還田技術(shù)模式主要包含以下作業(yè)環(huán)節(jié)：人工摘穗或玉米收獲機收獲玉米→秸稈粉碎還田→機械化旋耕→播種下茬作物。適宜于一年兩熟制小麥—玉米輪作區(qū)，要求光熱資源豐富，在秸稈還田后有一定的降雨（雪）天氣，或具有一定的水澆條件。

1.2.4 黃土高原地區(qū)少免耕秸稈覆蓋還田模式。在該模式下包含以下作業(yè)環(huán)節(jié)：作物收獲→秸稈粉碎處理→土壤深松→表土作業(yè)→免耕播種→田間管理。適宜推廣區(qū)域主要包括黃土高原區(qū)、兩茬平作區(qū)、農(nóng)牧交錯區(qū)和東北冷涼區(qū)等地區(qū)。

1.2.5 長江流域稻麥秸稈粉碎旋耕還田模式。在長江流域水稻—小麥、水稻—水稻、水稻—油菜等主要輪作區(qū)，農(nóng)作物秸稈通過機械化粉碎和旋耕機作業(yè)直接混埋還田。麥（油菜）秸稈主要作業(yè)環(huán)節(jié)包括：聯(lián)合收獲機收割→秸稈粉碎+均勻拋灑→泡田→施基肥→旋耕整地→水稻種植。稻秸還田主要作業(yè)環(huán)節(jié)包括：聯(lián)合收獲機收割→秸稈粉碎+均勻拋灑→底施基肥→反轉(zhuǎn)滅茬旋耕整地→小麥播種（油菜移栽）→田間管理。主要適宜于長江流域的水稻—小麥、水稻—水稻與水稻—油菜輪作區(qū)，也可用于長江流域的部分小麥—烤煙、小麥—玉米輪作區(qū)，不適宜水土流失嚴(yán)重的坡耕旱地。

1.2.6 華南地區(qū)秸稈快腐還田模式。在華南地區(qū)一年三熟的種植制度下，早稻收割后，將秸稈就地粉碎，并保持一定的水層，通過化學(xué)腐熟劑、生物腐熟劑的雙重作用，實現(xiàn)秸稈在短期內(nèi)（兩茬間約2周時間）快速腐熟還田。適用于有水源保障的水稻—水稻、水稻—小麥或水稻—油菜等輪作的水田耕作區(qū)。

1.2.7 秸—飼—肥種養(yǎng)結(jié)合模式。農(nóng)作物秸稈通過物理、化學(xué)、生物等處理方法，添加輔料和營養(yǎng)元素，制作成為營養(yǎng)齊全、適口性好的牲畜飼料。秸稈飼料經(jīng)禽畜消化吸收后排出的糞便經(jīng)過高溫有氧堆肥、發(fā)酵等處理方式作為有機肥還田，從而實現(xiàn)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的有機結(jié)合。凡種養(yǎng)業(yè)發(fā)達，農(nóng)作物秸稈、畜禽養(yǎng)殖量豐富的地區(qū)均可以根據(jù)種植規(guī)模和原料特性，選擇適宜的飼料加工方式和有機肥生產(chǎn)工藝。

1.2.8 秸—沼—肥能源生態(tài)模式。利用玉米、小麥等農(nóng)作物秸稈制取沼氣，通過管道或壓縮裝罐供應(yīng)農(nóng)村居民生活用，或者提純后制取“生物天然氣”供機動車用或工業(yè)使用。適合于我國糧食主產(chǎn)區(qū)以及秸稈資源量大的地區(qū)。

1.2.9 秸—菌—肥基質(zhì)利用模式。以農(nóng)作物秸稈為主要原料，經(jīng)高溫發(fā)酵，配制而成食用菌栽培基質(zhì)，食用菌采收結(jié)束后，菌糠再經(jīng)高溫堆肥處理后還田，是一種多級循環(huán)利用技術(shù)。栽培技術(shù)分為生料、熟料和發(fā)酵料栽培，適應(yīng)于全國各地。

1.2.10 秸—炭—肥還田改土模式。將農(nóng)作物秸稈通過低溫?zé)崃呀夤に囖D(zhuǎn)化為富含穩(wěn)定有機質(zhì)的生物炭，然后以生物炭為介質(zhì)生產(chǎn)炭基肥料，并返田，以改善土壤結(jié)構(gòu)及其他理化性狀，增加土壤有機碳含量，實現(xiàn)秸稈在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的循環(huán)利用。該模式適合于我國糧食主產(chǎn)區(qū)等秸稈量豐富的地區(qū)。

秸稈還田作用。一是增加土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量。小麥秸稈內(nèi)含有豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等多種營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，400 kg鮮小麥秸稈相當(dāng)于1 250 kg土雜肥的有機質(zhì)含量，氮磷鉀含量相當(dāng)于6 kg碳銨、3.2 kg過磷酸鈣和3.5 kg硫酸鉀。小麥秸稈連續(xù)還田5年后，土壤有機質(zhì)可增加0.29%。二是改善土壤物理性狀。秸稈還田后經(jīng)過微生物作用形成的腐植酸與土壤中的鈣、鎂粘結(jié)成腐植酸鈣和腐植酸鎂，使土壤形成大量的水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)，還田后土壤容重降低。土壤物理性狀的改善使土壤的通透性增強，提高了土壤蓄水保肥能力，有利于提高土壤溫度，促進土壤中微生物的活性和養(yǎng)分的分解利用，有利于作物根系的生長發(fā)育。三是提高土壤的生物活性。秸稈還田可以增強各種微生物的活性。另外，秸稈分解過程中能釋放出CO2，使土壤表層CO2濃度提高，有利于加速近地面葉片的光合作用。四是增產(chǎn)、增益、保護生態(tài)環(huán)境。秸稈還田改善了土壤的理化性狀，增加了有機質(zhì)和各種養(yǎng)分含量，減少土壤水分蒸發(fā)，涵養(yǎng)土壤水分，提高土壤保水保肥能力，具有明顯的增產(chǎn)效果，小麥秸稈還田增產(chǎn)率可達6～8%，連年使用，可減少化學(xué)肥料的投入量，降低農(nóng)本。同時，秸稈還田有效解決了秸稈亂堆亂放現(xiàn)象，杜絕秸稈焚燒造成的大氣污染，保護生態(tài)環(huán)境。是一項一舉多得的實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效舉措。

1.3 深松深耕

深松，一般使用深松機進行作業(yè)，在保持田地表面平整的情況下，能夠有效松動底下土壤并打破犁底層，以起到更好的蓄水保墑效果，一般要求深松深度不小于35 cm。深耕，使用犁等工具將底層的土壤翻過來，使秸稈、草種、病蟲等充分置換，讓秸稈在地下腐爛，也能夠有效打破犁底層，但后續(xù)還需要平整土地，一般深耕從25～60 cm不等，有的地區(qū)開荒耕深更深。

深松深耕技術(shù)，使土壤結(jié)構(gòu)得到合理優(yōu)化，從而達到了節(jié)本增效、增產(chǎn)增收的目的。一是提高土壤的蓄水能力。深松部位土壤疏松，有利于雨水入滲，加之深松后一般土壤表面粗糙度增加，可阻礙雨水徑流，延長雨水入滲時間，因此在一定條件下可以多蓄水。二是改善土壤結(jié)構(gòu)。深松后形成虛實并存的土壤結(jié)構(gòu)，有利于土壤的氣體交換，促進微生物的活化和礦物質(zhì)的分解，改善土壤肥力。三是土地深松后，可增加肥料的溶解能力，減少化肥的揮發(fā)和流失，從而提高肥料的利用率。四是農(nóng)作物從種到收一些必要的作業(yè)如播種、噴藥、收獲、運輸?shù)?，會造成一定的土壤壓實，利用深松作業(yè)可以消除由于機器進地作業(yè)造成的土壤壓實問題。五是減少降雨徑流，減少土壤水蝕。深松不翻層土層，使殘渣，秸稈，雜草大部分覆蓋于地表，有利于保水，減少風(fēng)蝕，又可以吸納更多的雨水，減少水土流失。

2 北斗農(nóng)機信息化系統(tǒng)

2.1 軟件平臺

北斗農(nóng)機信息化系統(tǒng)集成了北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息融合與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過對農(nóng)業(yè)全程機械作業(yè)狀態(tài)、北斗位置信息、農(nóng)機作業(yè)現(xiàn)場高清圖像的實時數(shù)據(jù)采集、處理，利用本地和遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，開發(fā)北斗農(nóng)機信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械全程作業(yè)質(zhì)量的精準(zhǔn)監(jiān)控。作業(yè)質(zhì)量包括作業(yè)速度、作業(yè)深度、作業(yè)面積、播種量、施肥量、打藥量、秸稈覆蓋率等，保障農(nóng)機作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

北斗農(nóng)機信息化系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的層級結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計出系統(tǒng)體系架構(gòu)分層模型。系統(tǒng)分為四層，從下至上依次為感知層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層（圖1）。

圖1 北斗農(nóng)機信息化系統(tǒng)

2.1.1 感知層：由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成，可感知物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)信息變化。感知層通過各種類型的傳感器、農(nóng)機車載終端、高分辨率拍照設(shè)備獲取農(nóng)機作業(yè)過程中的機械狀態(tài)、位置信息、現(xiàn)場高清影像等數(shù)據(jù)信息。

2.1.2 傳輸層：傳輸層將來自感知層的各類信息通過基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)層。傳輸層融合2G（GPRS、CMDA）、3G（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA）、4G、5G等移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2.1.3 服務(wù)層：根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，通過精細建模、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、SOA等方法，開展農(nóng)業(yè)機械作業(yè)管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)整合、業(yè)務(wù)操作視圖等設(shè)計。

2.1.4 應(yīng)用層：應(yīng)用層主要負責(zé)軟件系統(tǒng)的部署和使用，為農(nóng)機局、農(nóng)機站、農(nóng)機合作社等用戶提供“作業(yè)面積統(tǒng)計”、“質(zhì)量分析”、“實時監(jiān)控”、“農(nóng)機引導(dǎo)”等服務(wù)。

2.2 智能監(jiān)測設(shè)備

智能監(jiān)測設(shè)備由主機和各種配件組成（圖2）。攝像頭進行作業(yè)過程中作業(yè)作物識別和作業(yè)機具識別；角度傳感器用來采集作業(yè)過程中的作業(yè)實時深度值；無線機具識別器和無線機具識別卡用來區(qū)分不同作業(yè)類型的作業(yè)，結(jié)合不同的機具識別代碼，在平臺上自動進行作業(yè)類型的匹配；定位天線是主機進行北斗定位的天線；擴展接口支持不同作業(yè)傳感器的擴展接入；主機是進行作業(yè)過程中實時位置數(shù)據(jù)采集，與各傳感器采集的數(shù)據(jù)組合集成加密處理，為確保作業(yè)質(zhì)量全過程實時監(jiān)測，作業(yè)過程數(shù)據(jù)每3秒進行一次采集。

圖2 智能監(jiān)測設(shè)備

3 結(jié)語

綜上所述，將北斗智能農(nóng)機作業(yè)監(jiān)測設(shè)備安裝到農(nóng)業(yè)機械上，實時采集全程機械化過程中的作業(yè)數(shù)據(jù)，通過精準(zhǔn)的模型算法對作業(yè)數(shù)據(jù)進行分析處理，通過北斗農(nóng)機信息系統(tǒng)為農(nóng)機管理部門提供高效的農(nóng)機信息化管理手段，解決了農(nóng)機分布、農(nóng)機調(diào)度、作業(yè)進展、作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)數(shù)據(jù)、作業(yè)追溯、作業(yè)統(tǒng)計報表、作業(yè)數(shù)據(jù)分析等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理問題，可有效提高江蘇省數(shù)字農(nóng)業(yè)治理體系和治理能力的現(xiàn)代化水平，實現(xiàn)藏糧于技，藏糧于地。