农业是国民经济重要的一部分，是大多数人口的 谋生手段。作为农业大国，我国农业的发展对经济发 展起着至关重要的作用。田间作物机械化是农业 发展的一次重大创举，对提升农业劳动生产率、实现 资源有效利用、增大农产品的供给、确保农业健康发展起到了举足轻重的作用。世界上大多数发达国家， 已经拥有较为完善的田间作物机械化体系，对高效利 用农业资源、实现农业平稳发展起到了重要作用。 在信息化智能化的今天，万物互联的时代已经到来， 我国田间机械化虽然取得了显著的发展，但由于受起 步晚、发展缓慢、工作内容复杂等因素的影响，农业机械化发展水平并不乐观。随着农业智能化、信息化的推进，农业面临新的发展机遇和挑战，存在田间机械化发展不均衡等问题。为此，笔者对当前田间机械化的现状和发展方向进行了综述，旨为田间作物的现代化机械研究和发展提供技术思路。
1．1 田间农作物机械的概念
田间农作物机械是指应用于大田农作物耕作、种植、管理、收获及采后作物处理的可部分或全部替代人工操作的作业机械。
1．2 田间农作物机械的分类
广义上来分，田间农作物机械包括农作物种植前处理机械、农作物种植生长全过程处理机械、农作物 采收及采后处理机械; 狭义上来分，田间农作物机械 包括耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械及采后处理机械。
农作物种植前处理机械包括耕作机械、施肥机械 ( 施肥开沟机、种肥施用机械) ，以及种子( 种苗) 处理 机械( 拌种机、种子包衣机、育苗播种机) 等。
农作物种植生长全过程处理机械包括种植机械、 植保机械( 施肥、喷药机械，如无人植保机) 及灌溉机械等。
农作物采收及采后处理机械包括收获机械、包装机械、运输机械、作物烘干机械( 粮食) 、保鲜处理机械 ( 果蔬) 及包装机械。
下面重点就种植机械、植保机械、收获机械及包装机械进行综述。
2．1 国外研发与应用现状
尼泊尔是一个内陆山区小国，生态、文化和农业多种多样。农业是尼泊尔经济增长、减贫和环境可 持续性的重要来源，是国民经济的中流砥柱，为 GDP 贡献了三分之一，并为三分之二以上的人口提供了生 计( 财政部，2013 年) 。过去 20 年来，其贫困率一直在 下降，但仍然很高，其四分之一的人( 25．1%) 生活在贫困线以下( CBS，2012) 。粮食作物是主要成分，约占国 内生产总值的 40%，畜牧和渔业占 30%，园艺和经济 作物约占 20%，林业约占 10% ( 财政部，2013 年) 。 Sunsari 地区的农业机械化处于初级阶段，没有典型的 农机装备，如电耕机、播种机、移栽机、除草机和农作 物收割机。该地区的主要动力是人工、牲畜和拖拉 机，后者仅用于整地和运输。拖拉机似乎减少了劳动 力的利用，特别是减少了土地整理的劳动力，但对作 物的产量和耕种强度没有太大的影响。拖拉机拥有 的农场的家庭收入比布洛克农场高得多，这归因于非 农活动带来的收入增加。
西非的农业力量在很大程度上依赖于人类的 肌肉，基础是依靠锄头和其他手工工具，降低了农场 经营的及时性，并限制了耕作和除草等基本活动的功 效，从而降低作物产量。最常用的农业机械有拖拉 机、联合收割机、脱粒机、撒肥机、施肥机、犁耕机、播 种机和播种机。尼日利亚在总量上领先，其次是科特 迪瓦和几内亚。2000 年，科特迪瓦在这一领域居于领 先地位，每 1000km2 土地上约有 3 台拖拉机，其次是几 内亚。所有其他国家每 1000km2 的拖拉机都不到 1 台。值得注意的是，虽然大多数国家随着时间的推移 提高了机械化水平，但加纳恰恰相反。在布基纳法索，大约 40%的农民在 2006 年实现了机械化，全国拖拉机约 8621 台，使用率为 0．4%。
农业为大多数非洲人民提供就业机会，并在 国内生产总值中占有相当大的份额。尽管农业发挥 着重要作用，但在大多数非洲国家，农业基本上是不 发达的，投入使用和机械化水平低一直是农业发展的 主要制约因素。非洲是世界上唯一一个农业生产力 自 20 世纪 60 年代以来基本停滞不前的地区。2014 年，非洲谷物平均产量为 1．5t / km2 ，而世界平均产量为 3．6t / km2 。因此，加强对农业机械的投资有利于加强 农民生产，提高农民收入和生活质量。Yuan Zhou 认为: 如果农民能够通过更大的机械化来加强他们的生 产劳动，将促使粮食产量提升，保障粮食安全，减少对 进口的依赖。
2016 年，泰国的农业用地有 46． 6%，平均每个 家庭的农场面积是 4． 04km2 。其水稻占大田作物的 21．5%，水果和园艺占 21． 2%。泰国中央平原地区的机械化程度是最高的，几乎全部机械化，泰国平均每 1000 km2 有 50 台以上的拖拉机耕地。为解决劳动力 短缺问题及降低农业生产成本，机械化是必然的趋势，预计未来 10 年农业机械的需求会继续增加。但 是，不同的地区需要不同的机械化解决方案，似乎越 来越多的四轮拖拉机将被旋耕机替代。
2015 年，俞石哲等通过对韩国的农业机械运 转率进行分析和调查，以期在未来制定利用机械化的 农业政策。其对 300 个村庄的 1500 名农民进行了全 国性调查，被调查的农作物包括水稻在内共有 11 种。 最新调查结果显示: 水稻种植的机械化率较高，为 97．8%; 高地耕作的机械化率较低，为 56． 3%，特别是 播种、移栽和收割操作的机械速率非常缺乏。总之， 需要促进用于旱地农业的农业机械的开发和分配，此 外还需要政策支持，如田间机械化的基础设施维护及 建立农业机械联合使用系统等。
2016 年，巴基斯坦农业部门的经济增长落后 于工业和服务业的增长，造成了城乡收入差距的不断扩大。农业机械化在改善发展中国家的农业生产和生产力方面具有战略性作用。巴基斯坦的平均农场 面积很小( 2．5 英亩) ，小而边缘的土地( 不到 2．0 km2 ) 占土地总面积的 85%，机械化小型且不连续的小型农场群与个人拥有农场机械的“规模经济”是对立的。 据观察，在过去的 60 年中，农业用电与生产力之间存在直接的关系。作为一个农业大国，机械化可以被称 为巴基斯坦经济的骨干，因为它可以优化对生物、化 学和水文投入的利用。至今，巴基斯坦只经历了选择 性的农场机械化，因为这一概念仍然仅限于使用拖拉 机，而且在国家一级，从1975—1984 年，拖拉机人口 增加了 341%，而从 1984—2002 年则增加了 61%。目前，巴基斯坦大约有 94 万辆拖拉机。由于农业社区 倾向于机械化播种和喷洒，因此种植和喷洒机械的市场分别从 2004 年的 70、21 000 台增长到 2014 年的 295、1 438 000 台，且谷物作物近 100%机械化脱粒操 作。
2．2 国内研究研发与应用现状
近年来，我国田间机械化水平显著提高，从建国 初期的机械总动力只有 8．01 万 kW，到现在机械增量 达万倍之多，且实现机械化作业的领域不再局限于粮食的生产，进一步面向各类经济作物。耕作方式也从 简单的大田农业转为操作高效、管理边界的设施农业，不仅着眼种植本身，更注重从种植前到收割后一 系列的过程。由于农机产品实现多样化发展，我国农 业结构发生了深刻的调整，传统作物开始减少，增加
了很多经济作物和蔬菜、果类产品的种植。传统 作业的机械保有量增速减缓，新兴农业多对应的经济作物机械必然增加，田间机械产品本身的技术性也在 不断地提升。田间机械化正在面向精细化、信息化、 智能化发展，产品拥有越来越大的增加附加值空间。 机械作业由相对封闭模式及单机作业到联合收割机 的出现，田间作业朝着更加集中化的方向发展，可使 用更少的人力物力实现最大化的收益。
随着中国农村劳动力非农化进程的加速，农业生产条件发生深刻变化。快速城镇化导致农村劳动力严重流失，且呈现农村劳动力老龄化、女性化趋势，同时用工成本上升，为田间机械化代替劳动力创造了条件。劳动力在农业生产中扮演的角色逐渐减弱， 而机械化投入愈加重要，田间机械化向着大型化的阶段发展。除 2011 年外，2004—2019 年间有 15 年的 “中央一号”文件持续关注农机化发展，农机补贴政策 开始向大型农机和农机社会化服务倾斜; 相比之下， 小型农机市场已经接近饱和，从 2013 年开始出现连 续 5 年的下降。中国田间机械化发展存在区域化差异，中国幅员辽阔，各地区自然地理条件和农业资源 存在很大的差异，机械化在各个时期都存在区域间的不平衡，演变趋势也不同。到 2016 年，全国机械化率 已经达到 65． 2%，东北三省超过 80%，基本实现粮食生产全程机械化。其他地区的机械化水平都有大幅度提升，综合水平低于 30%的只有云南、福建和贵州 三地。同时，区域间的不平衡也逐渐减小，可能的原因是大规模的农机跨区服务成为中国多地实现机械 化水平提升的重要推动力。
2．2．1 种植机械
田间作物种植技术的机械化发展，依托于自动化与智能化的发展。现阶段，种植技术机械化的发展中，自动化与智能化的发展主要体现在导航系统中。目前，我国正在积极推广基于 GPS( global positioning system) 的智能化机械差分卫星定位系统 ( DGPS) ，但其价格高、体积大、功耗高。传感器技术 可实现更好的机械化种植过程，通过传感器技术获取土壤的含水率、pH 值、有机质含量、电导率、土壤养分及土壤耕作助力等信息，对田间信息进行准确测量和 控制，有利于农田的经营管理和决策，对农作物产量 的预测也起到了重要的作用。
水稻是我国南部地区的重要作物，水稻生产主要有六大环节: 第一个是大田耕整技术，大多采用 58．8kW 以上的拖拉机配套旋耕机干旋耕; 然后是机械 化育种技术、机械化插秧技术、田间机械化管理技术、成熟后的机械化干燥技术和秸秆机械化还田技术。 水稻种植包括直播及育秧移栽两种方式。机械化水稻直播技术与传统的育苗、移栽、插秧方式相比，减少了育秧、拔秧、插秧等环节。2020 年，广东省共有 213．3 万 km2 春耕农田，推广了无人机水稻直播技术，为农业发展提质增效提供了支撑。近年来，我 国大力推广水稻育插秧机械化技术，出台相关补贴政 策，很多地区补贴总额达到50%，在政策支持下， 水稻种植机械化水平大幅提升，2000—2014 年，全国 水稻种植机械化程度由 5%提高到 38%。
2．2．2 植保机械
田间农业机械化向着基于信息和知识支持的现代化农业发展，核心是动态、实时地获取田间土壤和作物的信息，诊断作物的长势和产量时空差异的原因， 并对田间作物进行准确的灌溉施肥、喷药，最大限度 地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，减少环境污染，获 得最佳的经济效益和生态效益。
通过遥感技术可获得田间作物的生成信息，近年来，很多学者开始对高光谱遥感在作物生成信息提取进行研究。利用计算机视觉中植物与背景的颜色信息、形状信息和纹理信息提取出植物生长状态、作物 是否生病等一系列信息，可以对多种作物，如水稻、小 麦、玉米、甘蔗等进行作业。同时，可以利用无人机进 行病虫害的治理，结合基于 GPS 的自动导航技术、数 字信息化技术，使用无人机自动施药，大幅提高了施药效率，实现了远距离操作，降低了农药对施药人员的危害。通过多传感技术融合可以远距离采集信息实现作物的监测控制，但还需要解决通讯协议不完善、无线模块成本高、安全性和能源等问题。
水稻高效植保机械化技术采用担架式、自走式喷杆喷雾器、飞行器等高效植保机械化完成水稻病虫害的防治、叶面肥、有机肥的喷施。高效植保机械作业 效率高，药物沉积分布均匀度好，通过提高雾化效果、 控制雾滴大小、穿透性能和分布均匀度，大幅度提高 药物利用率。
在果园生产应用的植保机相对机型单一，由于田园的不确定因素多，农药喷雾效果性能不稳定，喷药 高度难以控制。智能果园植保机集电控、液压、机械 和无线遥控于一体，采用履带式代替轮式、液压驱动 代替传统齿轮箱、药箱设计增加液位计等，更加方便了果园植保机作业。采用重力补偿 PD 控制器与 BP 神经网络结合，可改进四旋翼植保机高度的控制 精度，提高药液的喷施精度。
2．2．3 收获机械
田间作物收获机械化是农业机械化的关键组成部 分，收获机械往往结构较为复杂，各个模块的工作状态需要实时监测，现代传感器技术、电子信息技术的发展促进了收获机械的发展。以传感器技术、 电子信息技术为基础，建立实时电子监控设备，通过 监控设备获取机械作业状态，相比于人工监测效率更高，且错误率更低。
我国是世界第二大玉米生产国，玉米产量约占世界总产量的 20%。近年来，我国玉米收获机械化 取得了较大进展，2014 年我国玉米收获机械化程度达到 56%，与 2000 年相比提高了 54．3 个百分点。收获 机械作业领域不仅包括粮食生产，也包括各类经济作物: 毛豆收获机械的研制，实现了菜用鲜毛豆的机械化采收; 榨菜收获机械的研制经历了漫长过程， 研发机型从榨菜的连根拔出、分离青头、根和叶及清 理泥土，到一次性完成榨菜的断叶、松土、拔出、切根，再改进榨菜叶的切除、榨菜根的切断及榨菜茎 输送时的高效清理，以及改进提高收割机的机头 收割效率、增加机身随意转向与平衡装置， 再发展到全自动采摘，即从单一模式发展到产品保 护、监控、信息化等。2015 年，宁波市农机科技推 广项目实现了榨菜叶片分离、茎叶去除等自动化作业 流程，对解决劳动力紧缺、提高榨菜采摘效率具有重 要意义。西南大学也开展了榨菜收获机械研制， 开发了与收获机械相匹配适于丘陵山区作业的青菜 头拔取提升机构和切割装置。2019 年，南京农 机研究所成功研发了手扶式榨菜收获机，简化了榨菜 收获装置，提高了机械灵活收获效率。
近年来，我国田间作物收获过程的机械化程度逐步提升，但仍存在发展不平衡等问题。据统计，我国 平地果园果品收获机械化水平仅为 4%。在收获 机械化的研发投入方面，对经济作物机械化的投入远小于对粮食作物机械化的研发投入，经济作物机械化 普及程度也远小于粮食作物。
2．2．4 包装机械
自改革开放以来，随着经济水平不断提升，我国的包装机械产业也逐步发展起来。20 世纪 90 年代， 包装机械产业平均增速达到了 20%以上，高于我 国机械工业的整体增长速度，也高于包装工业的平均 增长速度。“十一五”规划中，国家发改委将包装机械 列为食品工业的重点优先发展领域。据中国食品和 包装机械工业协会统计，在 2006—2010 年期间，我国 食品和包装机械的平均增长速率达到 21%以上。包装机械是包装产业的六大子行业之一，也是其他 五大子行业发展的基础，因此包装机械对包装产业的发展起着至关重要的作用。我国包装产业在近年来 发展快速，其产业总值已达到世界第二，但由于关键 技术和关键人才的欠缺、研发资金投入不足、开发能力较低等原因，包装机械仍然是制约包装工业发展的 一项重要因素。
随着我国商品经济的繁荣，消费者对于粮食、水果、蔬菜、烟叶、茶叶等农副产品的包装需求也在进一 步提升，截至 2012 年，中国包装机械生产商数量达到 了 3600 家，且 20 家产值过亿。机械化包装不仅应用 于粮食作物，也应用于其它各种经济作物，所 研制的各种包装机械及其控制系统，包括基于 ADMS 的水果套网包装机械、基于 PLC 气动式水果套网 包装的控制系统、基于嵌入式 AＲM 的果蔬包装机 智能控制系统、基于 DSP 的果蔬包装机控制系统及基于机器视觉和智能算法的榨菜全自动包装 系统等。
1) 区域发展不平衡问题。我国幅员辽阔，自然地 理环境差异巨大，种植的作物也不尽相同，田间机械 化需求程度不同，必须针对具体的情况进行合理的机 械化操作，否则收益甚微，甚至浪费大量的人力、物力 及自然资源。
2) 种植耕地规模小。中国现阶段家庭承包责任制使得耕地相对分散，是田间机械化的主要问题。不同于美国、俄罗斯等国家大规模农场模式，多数地区 属于小农种植，普通的种植技术能够实现农业技术的需求，除了北方和新疆地区具有大规模耕地，南方很 多地区不适合大型机械化连片作业，全程机械化发展缓慢。
3) 城镇化加剧。随着城镇化加剧，农村年轻人受经济利益政策的驱动，外出打工的越来越多，新生代人口教育水平提高，愿意从事农业耕作的人群趋向老龄化，农业生产机械化新技术、新工具推广难度大，造成机械化发展减缓。
4) 农机购置补助力度不够大。农民收入有限，不 愿意提高生产投入成本，他们可以承担的风险较小。 由于购置机械化成本过高，收回成本周期过长，所以 必须提高对农机购置的补贴力度。
5) 机械化推广力度不足。农民获取信息的途径 有限且对机械化认识水平程度不高，农业部门对农作物全程机械化生产技术的引导、宣传推广力度不够，没有形成主要作物全程机械化的氛围，农民对主要作 物全程机械化机械购买积极性不高。
6) 农业机械化扶持的配套政策不够完善。除农机购置补贴以外，相关部门应当进一步完善农业机械 化扶持政策，进一步构建完整的扶持政策体系，如增 大农业机械废弃后更新补贴力度、完善农业机械燃料 补贴制度及加强农机操作技术培训等。
4．1 田间机械研发思路
1) 以技术创新实现生产过程智能化。随着机械 化水平的提高，人们对机械化的要求也在不断提高， 为了能够解决当前社会劳动力不足、机械化的水平不高等问题，必须提高机械化水平。结合当前的自动化技术水平的提高及对产品质量的需求不断提高，生产机械全程自动化及智能化成为一种趋势。为此，可通过智能传感器和一系列优化算法使得生产过程智能化成为一种可能。
2) 建立信息化管理系统实现生产过程自动化。 随着物联网水平的不断提高及5G 技术的发展，万物互联的时代已经到来，当前机械化发展可以借助物联网技术的优点，实现从作物种植前到种植后处理实现 全程智能化管理，以极大地降低劳动成本，提高生产 效益和品质。
4．2 推广建议
1) 提高惠农政策。针对目前农业发展现状，可以 适当调整农业政策，更好地完善“三农政策”，为农业机械化发展提供相应的补助。政府在采取一系列措施的同时，要做好宣传工作，让农民切身感受到惠农 政策的实际意义，逐渐改变对机械化的认识。
2) 因地制宜。针对中国幅员辽阔、自然环境差异 巨大、作物不尽相同、各地作物生长特点和种植规范 不同的特点，根据作物地理位置等发展和推广符合当 地的机械化工具，并培养专业的人才，结合国内外相关的农业技术，发展当地特色农业经济。
3) 完善技能培训。随着科技技术的提高和创新， 传统的技术员工对新的机械化技术接受程度不同，对 新的技术掌握程度不高，可以通过建立定点示范园 区，加强农民对田间机械化种植技术的认识，改变原有观念。
作者：邓泽军、秦艺晗、马风力、孙志栋、孙志锋、陈权辉
来源：农机化研究
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