王祎璇,費(fèi)葉琦,2,朱翔宇,康潤(rùn)煬,周志鵬
(1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械是專門為沙漠環(huán)境設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)裝備,通過(guò)創(chuàng)新解決方案和技術(shù),為沙漠農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供支持。利用節(jié)水灌溉技術(shù)[1]、土壤改良措施以及自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)等,可以增加農(nóng)作物產(chǎn)量,減少資源消耗,并有效減輕農(nóng)民的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。當(dāng)前沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主要趨勢(shì)是智能化、自動(dòng)化和可持續(xù)化。先進(jìn)的傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)[2]和智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用,能使沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理和智能決策,提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。理解沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的最新應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì),對(duì)推動(dòng)沙漠地區(qū)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。因此,本文將深入探討沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì),探尋其在推動(dòng)沙漠地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展方面的潛力和挑戰(zhàn)。
在全球氣候變暖和人口增長(zhǎng)的背景下,農(nóng)業(yè)面臨新挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)不斷成熟,種植領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,自動(dòng)化和智能化技術(shù)是農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展焦點(diǎn)。針對(duì)沙漠及其周邊惡劣環(huán)境地區(qū),利用滴灌技術(shù)建設(shè)種植基地和大棚已成為主流。
發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)機(jī)械已從手動(dòng)種植器、半自動(dòng)種植機(jī)械發(fā)展到了現(xiàn)如今推廣的全自動(dòng)種植機(jī)械的階段,但半自動(dòng)化產(chǎn)品仍然是目前發(fā)達(dá)國(guó)家最主要的農(nóng)業(yè)機(jī)械[3]。國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的研究較早,以德國(guó)Grimme 公司的馬鈴薯種植機(jī)為例,國(guó)外研究者對(duì)種植機(jī)械進(jìn)行多次改進(jìn),使其機(jī)械化程度不斷提高,已形成了完整的種植體系,目前正朝著大型化、智能化、精量化和多功能聯(lián)合化的方向發(fā)展。德國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的動(dòng)力為2.94 kW~4.41 kW 的小型移栽機(jī)[3],已經(jīng)在各大中小型農(nóng)場(chǎng)或家庭中得到了廣泛應(yīng)用;約翰迪爾生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品8R-3004[4]具備高度智能的自我診斷功能,可精確控制執(zhí)行部件動(dòng)作,區(qū)段控制系統(tǒng)可根據(jù)區(qū)段自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉農(nóng)機(jī)具,可以對(duì)作物進(jìn)行精準(zhǔn)定量的施肥和播種,實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量的最大化;芬特公司[5]推出的農(nóng)業(yè)機(jī)械為精準(zhǔn)種植提供快速、精準(zhǔn)、強(qiáng)大的高精度技術(shù);專業(yè)級(jí)麥賽福格森MF 系列[6]是大馬力產(chǎn)品中的標(biāo)桿,包含MF 1804/2204/2404[7],適應(yīng)幾乎所有場(chǎng)合;凱斯AFS 系統(tǒng)為農(nóng)場(chǎng)主提供了更多的控制標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)全程自動(dòng)化控制,可以全面提升生產(chǎn)力、作業(yè)效率和控制精度[8-9]。
農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)設(shè)施種植機(jī)械化發(fā)展的意見(jiàn)》,標(biāo)志著國(guó)家首次在推動(dòng)設(shè)施種植機(jī)械化方面進(jìn)行了系統(tǒng)部署,此舉是推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化全面發(fā)展的重要行動(dòng)。近年來(lái),中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸從簡(jiǎn)單機(jī)具向聯(lián)合機(jī)械演進(jìn),復(fù)合型和智能型種植機(jī)械的發(fā)展已為鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供了動(dòng)力,同時(shí)也為農(nóng)戶提升收入提供了重要支持[10]。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化是目前國(guó)內(nèi)研究的主要方向[11]。自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,時(shí)刻對(duì)氣候、溫度、濕度的變化作出相應(yīng)的決策,張鵬飛等[12]設(shè)計(jì)的植樹(shù)機(jī)器人具有高度的功能集成化和作業(yè)自動(dòng)化的特點(diǎn),且在工作過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)調(diào)整工作參數(shù)。徐高興等[13]開(kāi)發(fā)的梭梭播種機(jī)可替代人工進(jìn)行梭梭樹(shù)的播種,具有操作簡(jiǎn)單、播種均勻、行距整齊、高效等優(yōu)點(diǎn)。殷勁松等[14]設(shè)計(jì)的一種小型全自動(dòng)植樹(shù)機(jī)使用開(kāi)源平臺(tái)開(kāi)發(fā),以便后續(xù)的升級(jí),在其單片機(jī)和上位機(jī)程序的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為種植業(yè)發(fā)展提供了新的思路。關(guān)佳征[15]設(shè)計(jì)的戈壁沙漠植樹(shù)機(jī)器人,加入了5G 及云計(jì)算技術(shù),利用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主巡航,克服了惡劣環(huán)境下作業(yè)難度大的問(wèn)題。億利集團(tuán)設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)植樹(shù)系統(tǒng)[16]能根據(jù)地形數(shù)據(jù),繪制出需要造林地區(qū)的高分辨率3D 地圖,并進(jìn)行“精密植樹(shù)”。楊冬冬[17]設(shè)計(jì)了一種氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機(jī),該播種機(jī)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝、播種、覆土、鋪膜一次性完成,對(duì)提高播種質(zhì)量、節(jié)省人工成本、降低經(jīng)濟(jì)投入具有重大意義。華東師范大學(xué)開(kāi)展機(jī)器人集群項(xiàng)目,其中,松靈移動(dòng)機(jī)器人底盤-SCOUT2.0 的使用,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、規(guī)模化、全天作業(yè)[18]。自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)階段沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的重要趨勢(shì),采用自動(dòng)化元素的沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械可以達(dá)到高效、精確、自主運(yùn)作的目標(biāo),這對(duì)于沙漠地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究方向之一主要體現(xiàn)在使機(jī)械產(chǎn)品可面對(duì)不同場(chǎng)合。吳卓霖等[19]研究的沙漠地區(qū)植被種植一體化、自動(dòng)化、智能化且可自動(dòng)完成一系列植樹(shù)行為的機(jī)器人,可以應(yīng)用于沙土地植物的種植,并且可以針對(duì)不同的沙土地種植對(duì)應(yīng)的植被以適應(yīng)環(huán)境。電子科技大學(xué)中山學(xué)院設(shè)計(jì)的一種適用于沙漠種植的植樹(shù)車[20],主要解決了在荒漠地帶分苗、栽苗的問(wèn)題。億利集團(tuán)研發(fā)的容器苗植樹(shù)造林技術(shù),在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下,能起到保墑作用,還能使容器苗密接土壤,多用于荒漠化地帶緩解水土流失問(wèn)題。宋代平[21]研發(fā)的生態(tài)植樹(shù)機(jī)能極大地保護(hù)地表植被,能量消耗低、生產(chǎn)率高、植株成活率高,適用于脆弱的沙漠化地帶。中國(guó)的沙漠地區(qū)差異明顯,包括沙漠化程度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多方面因素,使得普通的沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)法滿足所有需求。因此,具備多場(chǎng)景適應(yīng)能力的沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械更具有經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值。
新疆盛世華強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技有限公司在經(jīng)濟(jì)新區(qū)的萬(wàn)畝沙漠里建設(shè)設(shè)施農(nóng)業(yè)基地[22],缽苗移栽在大棚中種植果蔬。馬能俊團(tuán)隊(duì)響應(yīng)內(nèi)蒙古阿拉善當(dāng)?shù)胤郎持紊钞a(chǎn)業(yè)政策,承包2 萬(wàn)畝沙地,進(jìn)行規(guī)模化、規(guī)范化梭梭種植和肉蓯蓉人工嫁接[23]。億利集團(tuán)搭建創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)[24],圍繞沙漠生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈,與其他主體合作。巴林右旗恩澤農(nóng)林科技發(fā)展有限公司打造沙之寶——沙漠治理公益事業(yè)平臺(tái)[25],聚集公益之力,實(shí)現(xiàn)了生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的共贏。在公共利益和政策支持的共同推動(dòng)下,沙漠農(nóng)業(yè)成功吸引了大量人才和投資,為地方經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了顯著增長(zhǎng)。這種現(xiàn)象不僅創(chuàng)造了就業(yè)崗位,還全方位地推動(dòng)了沙漠地區(qū)的多元化發(fā)展。在未來(lái)國(guó)內(nèi)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展中,將見(jiàn)到更多傳感器、自動(dòng)控制系統(tǒng)和自適應(yīng)算法的運(yùn)用,這些技術(shù)能自動(dòng)調(diào)節(jié)種植深度、密度和排列方式,進(jìn)一步提升種植效率和作物產(chǎn)量。此外,為了減輕對(duì)環(huán)境的污染和破壞,沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械將傾向于采用綠色能源和低碳技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)綠色機(jī)械化作業(yè),為保護(hù)沙漠生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)力量。
隨著沙漠土壤改良技術(shù)的進(jìn)步、專門針對(duì)沙漠環(huán)境的作物的開(kāi)發(fā)以及固沙防沙技術(shù)的提升,大規(guī)模應(yīng)用沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的愿景逐漸成為可能。其中,沙漠種植機(jī)械在沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的系列產(chǎn)品中獨(dú)樹(shù)一幟。它能夠?qū)崿F(xiàn)一系列農(nóng)業(yè)操作,如種植、養(yǎng)護(hù)以及收獲,從而提升作物的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。然而,盡管沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械在功能上具有優(yōu)勢(shì),但其產(chǎn)品化和市場(chǎng)化進(jìn)程在全球范圍內(nèi)仍顯緩慢,我國(guó)在這方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)。尤其是缺乏一個(gè)完整的農(nóng)業(yè)體系和科研開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò),這都對(duì)我國(guó)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的進(jìn)一步推廣產(chǎn)生了阻力。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)作通常對(duì)能源供應(yīng)有著強(qiáng)烈的依賴性,主要包括燃料和電力。傳統(tǒng)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力主要來(lái)自燃料,如柴油或汽油。這些燃料驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)設(shè)備可為各類農(nóng)業(yè)活動(dòng)提供必要的動(dòng)力,如耕作、灌溉、收割以及運(yùn)輸?shù)取H欢谠S多沙漠地區(qū),由于能源稀缺,燃料供應(yīng)在一些地區(qū)可能受到限制,加上燃料價(jià)格的不穩(wěn)定性,這可能會(huì)對(duì)依賴沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的農(nóng)戶造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械作為一個(gè)新興的領(lǐng)域,許多國(guó)家在此領(lǐng)域中的專業(yè)人才儲(chǔ)備顯得匱乏。該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才在沙漠環(huán)境和農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)方面的綜合理解和掌握有著較大需求和獨(dú)特要求,然而,專業(yè)人才的匱乏對(duì)此領(lǐng)域的進(jìn)步產(chǎn)生了限制性影響,缺少對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新的人才,會(huì)阻礙該領(lǐng)域的深度發(fā)展。因此,沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究與創(chuàng)新必須持續(xù)不斷,致力于設(shè)備的持續(xù)優(yōu)化與提升,以應(yīng)對(duì)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械在應(yīng)對(duì)沙塵暴、極高溫和高鹽堿土壤等嚴(yán)苛環(huán)境時(shí),遭遇了一些技術(shù)挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō),沙塵的侵入可能導(dǎo)致內(nèi)部機(jī)械部件的過(guò)早磨損或故障,危及設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性;同時(shí),極端高溫環(huán)境可能對(duì)機(jī)械設(shè)備的散熱效率和工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響;另外,高鹽堿土壤可能具有強(qiáng)烈的腐蝕性,這要求設(shè)備使用特別的耐腐蝕材料制造,或采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。這些問(wèn)題的存在使得沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的后期維護(hù)與維修面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
固沙設(shè)備主要用于沙漠地區(qū)的沙丘穩(wěn)定和防沙治理,而綠化設(shè)備則是針對(duì)植被重建和生態(tài)修復(fù)工作需要而設(shè)計(jì)的。廣泛應(yīng)用綠化設(shè)備能夠在大規(guī)模植被重建和森林植樹(shù)工程中發(fā)揮重要作用,從而增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生物多樣性。然而,相對(duì)于固沙設(shè)備,綠化設(shè)備在某些地區(qū)的發(fā)展進(jìn)程出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。在一些地區(qū),由于缺乏對(duì)于固沙和綠化工作的深度理解以及相應(yīng)的政策支持,可能導(dǎo)致這些機(jī)械設(shè)備的推廣和應(yīng)用存在阻礙。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械在沙漠治理與開(kāi)發(fā)中擔(dān)任著重要的角色,對(duì)于推動(dòng)沙漠地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的影響。在制定未來(lái)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究方向時(shí),應(yīng)著重考慮智能化、環(huán)保與可持續(xù)性、多元化與靈活性、人才培養(yǎng)與知識(shí)傳承等關(guān)鍵因素,通過(guò)強(qiáng)化科技創(chuàng)新和人才引進(jìn),為沙漠治理和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的科技支持。沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究和應(yīng)用正在逐步發(fā)展成為解決沙漠化問(wèn)題和保障糧食安全的關(guān)鍵領(lǐng)域。展望未來(lái),沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展應(yīng)聚焦于自動(dòng)化、綠色化、市場(chǎng)化、集群化等核心方面,以期在挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存的沙漠環(huán)境中取得突破與進(jìn)步。
通過(guò)引入前沿的傳感器、機(jī)器視覺(jué)和人工智能等技術(shù)手段,對(duì)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行深入的智能化和自動(dòng)化研究,可以顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和精度。研究重點(diǎn)應(yīng)聚焦于智能化植保機(jī)器人的開(kāi)發(fā)、自動(dòng)化灌溉和施肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用等方面。同時(shí),應(yīng)建立一個(gè)以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)本地農(nóng)民與沙漠種植機(jī)械的廣泛連接,進(jìn)而推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。將這種智能化和自動(dòng)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式應(yīng)用于環(huán)境治理的各個(gè)環(huán)節(jié)中,可以實(shí)現(xiàn)沙漠農(nóng)業(yè)的全面自動(dòng)化。這種方法不僅可以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和精度,而且可以為農(nóng)業(yè)未來(lái)自動(dòng)化和智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
隨著全球?qū)ι衬r(nóng)業(yè)關(guān)注度的逐漸提升,國(guó)際合作及經(jīng)驗(yàn)共享在沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究領(lǐng)域的關(guān)鍵性作用日益顯現(xiàn)。許多國(guó)家研究機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)企業(yè)以及國(guó)際組織持續(xù)加強(qiáng)協(xié)作,共同推動(dòng)機(jī)械技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā),并在廣大研究群體中分享成功的案例及經(jīng)驗(yàn)。這種合作模式將推動(dòng)沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展,進(jìn)而推動(dòng)全球沙漠農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新成果的應(yīng)用和普及,需要構(gòu)建一個(gè)由高校、企業(yè)、政府三個(gè)主體參與的農(nóng)業(yè)體系。借鑒以色列的科研機(jī)構(gòu)技術(shù)轉(zhuǎn)讓公司的模式,可以通過(guò)市場(chǎng)化手段,將知名研究人員和學(xué)生的發(fā)明及專有技術(shù)從實(shí)驗(yàn)品轉(zhuǎn)化為服務(wù)社會(huì)的商業(yè)產(chǎn)品。同時(shí),企業(yè)需增大對(duì)沙漠農(nóng)業(yè)的資金投入和產(chǎn)品推廣力度,政府也需制定相應(yīng)的沙漠農(nóng)業(yè)政策并給予補(bǔ)貼。這些措施將為農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新成果的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路,從而讓農(nóng)業(yè)科技成果真正服務(wù)于農(nóng)業(yè)發(fā)展。
模塊化設(shè)計(jì)方案是一種以現(xiàn)有沙漠固沙種植機(jī)械為基礎(chǔ),進(jìn)一步發(fā)展綠化種植機(jī)械的戰(zhàn)略方法,有助于實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)勢(shì)。通過(guò)充分利用現(xiàn)有技術(shù)的共享性以及模塊化部件的復(fù)用性,能夠提升研發(fā)效率、降低成本,并加速綠化種植機(jī)械的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程。沙漠固沙種植機(jī)械的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)積累了一系列有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù),這包括沙漠植被種植技術(shù)、沙丘固定技術(shù)和防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),可以將這些已有的技術(shù)和模塊化部件直接引入綠化種植機(jī)械中,從而減少冗余的研發(fā)過(guò)程以及資源的浪費(fèi)。這種方法不僅可以提升研發(fā)效率,還有助于在各領(lǐng)域中建立起一個(gè)積極互動(dòng)的交流與合作網(wǎng)絡(luò),從而推動(dòng)集群化機(jī)器人的發(fā)展。
沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械代表了一種新穎的沙漠治理策略,為我國(guó)在沙漠治理和農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域提供了極具潛力的發(fā)展路徑。相比于傳統(tǒng)方法,沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械盡管存在若干挑戰(zhàn),如能源依賴性、人力資源短缺、后期維護(hù)的復(fù)雜性、固沙與綠化雙重目標(biāo)的發(fā)展不均衡等。然而,沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械有望為沙漠治理和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供可持續(xù)的解決方案,對(duì)于推動(dòng)人類社會(huì)向綠色轉(zhuǎn)型,將發(fā)揮不可估量的作用。展望未來(lái),沙漠農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出更多元化的特征:更高的自動(dòng)化、智能化水平,更突出的環(huán)保理念,更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這不僅是一種針對(duì)沙漠化問(wèn)題的創(chuàng)新應(yīng)對(duì)策略,更是全人類未來(lái)可持續(xù)發(fā)展道路上的重要一步。