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1.3.2精準種植

“秧好半年禾”，精準種植是農(nóng)作物的關(guān)鍵之一。智能種植機械能夠根據(jù)不同作物生長特性、土壤特性和種植時的氣候情況實現(xiàn)精準播種和移栽，包括開溝寬度和深度，同步施肥方式，行距、穴(株)距，播種量和覆土深度等。直播和移栽是最常見的2種種植方式。對播種精度要求最高的是超級雜交稻、玉米、大豆、棉花(都要求每穴播1粒種子)以及一些園藝作物和經(jīng)濟作物。排種器是智能播種機械的核心，由于不同作物種子的大小、形狀各異，對排種器的要求各不相同，常用的排種器有機械式和氣力式2大類，目前，我國這2類排種器的研究與國外的先進水平不斷縮小，部分已達到國外先進水平，如勺輪式、指夾式和氣力式玉米精量排種器基本上與國外處于“并跑”水平。氣力式排種器對種子的大小、形狀要求不嚴格，適合形狀不規(guī)則的種子，可以實現(xiàn)高速播種，播種精度高，株距均勻，廣泛應用于各種智能播種機中[67]。華南農(nóng)業(yè)大學[68-70]采用型孔輪式和氣力式排種器，研制成功同步開溝起壟穴播、同步開溝起壟施肥穴播和同步開溝起壟噴施穴播的“三同步”水稻精量穴播機，實現(xiàn)了行距可選、穴距可調(diào)、播量可控和仿形作業(yè)，在國內(nèi)26個省市推廣應用，取得了一批高產(chǎn)記錄，在新疆水稻產(chǎn)量超過15 000 kg/hm2。采用電機驅(qū)動代替地輪驅(qū)動排種器，在播種機上加裝播種量檢測和調(diào)控系統(tǒng)以及補種裝置，可以在播種時同步施肥和噴施農(nóng)藥，該技術(shù)的應用范圍不斷擴大，部分地區(qū)已經(jīng)普及[71-72]。

采用移栽作業(yè)方式的作物主要有水稻、蔬菜以及一些園藝作物和經(jīng)濟作物。目前，我國作物移栽技術(shù)研究取得重大進展，與國外基本上處于“并跑”的態(tài)勢，特別是水稻插秧機，通過采用毯狀苗、缽體苗和毯狀缽體苗，實現(xiàn)了不同品種水稻的精準移栽，插秧時同步施肥，該技術(shù)正在逐步普及[73-75]。油菜移栽技術(shù)也取得重大突破[76]。

1.3.3精準田間管理

田間管理主要包括水、肥、藥的管理。精準施肥主要包括基肥和追肥。作物種植前精確獲取土壤中的養(yǎng)分情況是精準施基肥的前提。目前，田間實時在線測量土壤中氮磷鉀的技術(shù)尚未取得實質(zhì)性突破，主要是利用衛(wèi)星定位信息田間取土并在實驗室分析獲得土壤中的養(yǎng)分分布圖；根據(jù)養(yǎng)分處方圖，采用智能施肥機實現(xiàn)精準施肥。精確獲取作物的長勢和養(yǎng)分脅迫情況是精準施追肥的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外眾多學者采用光譜技術(shù)獲取作物長勢信息的研究取得了一定進展。李克亮等[77]在廣東早稻生長中根據(jù)水稻長勢采取精準施肥，產(chǎn)量增加9.27%。

精準施藥的機械主要包括地面施藥機械和航空植保機械，根據(jù)獲取的作物病蟲草害信息制定的處方圖，進行精準對靶變量噴施。噴霧壓力可調(diào)、噴霧流量可調(diào)等先進技術(shù)已廣泛應用于地面施藥機械和航空植保機械中[78-79]。高地隙寬幅噴桿噴霧機已得到了廣泛應用，通過變軸距調(diào)節(jié)技術(shù)，可以適應多種耕地和不同壟距的作業(yè)需要[80]。袁琦堡等[81]成功研究出自動混藥技術(shù)，水箱、藥箱和混合器分別設(shè)置，根據(jù)病蟲草害信息和噴施處方圖在田間作業(yè)時實時混藥，實現(xiàn)了藥液濃度和噴量自動調(diào)節(jié)。航空植保技術(shù)近10年來在我國得到了快速發(fā)展，成為大田作物植保的主流技術(shù)之一，2020年，無人機植保作業(yè)面積超過0.67億hm2，田塊邊界自動識別、作物路徑自動規(guī)劃、高效低污染施藥、多機協(xié)同作業(yè)等先進技術(shù)等得到了廣泛應用[82]。

精準灌溉技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛應用。在土壤中設(shè)置傳感器，精確獲取土壤中的含水量，根據(jù)作物不同生長期的需水規(guī)律，進行精準灌溉，可實現(xiàn)水肥藥一體化灌溉[83]。實踐表明，精準灌溉可大幅度減少用水量，提高作物產(chǎn)量[84]。徐剛等[85]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)采集農(nóng)田的溫濕度和光照強度等參數(shù)，以此優(yōu)化灌溉策略。阮俊瑾等[86]設(shè)計了一種能實現(xiàn)灌溉、混藥和施肥一體的球混式水肥灌溉系統(tǒng)。

1.3.4精準收獲

對精準收獲的基本要求是根據(jù)作物成熟度適時收獲，根據(jù)作物長勢和產(chǎn)量自動調(diào)節(jié)收獲機前進速度、割臺高度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和清選等工作參數(shù)，對各部件工作狀況實現(xiàn)監(jiān)控、顯示和報警。目前，國內(nèi)外的收獲機普遍采用電子和液壓技術(shù)，實現(xiàn)了上述功能，還可以生成產(chǎn)量分布圖[87]。陳進等[88]采用圖像處理的方法，對收獲的水稻成分進行在線識別，破碎籽粒、稻稈雜質(zhì)以及稻梗雜質(zhì)的綜合評價指標分別達到92.92%、90.65%和90.52%，為調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)提供了依據(jù)。麻芳蘭等[89]設(shè)計了一種以切割系統(tǒng)負載壓力作為反饋信號的甘蔗收獲機入土切割切深自動控制系統(tǒng)，切割器可隨負載壓力的變化而調(diào)整切割深度，入土切割深度達20 mm左右，調(diào)整誤差為2 mm左右。張光躍等[90]研制了一種基于壓電陶瓷傳感器的清選損失率在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了聯(lián)合收獲機工作過程中谷物損失率的實時監(jiān)測，測量誤差小于4.1%。

張漫等[91]在收獲機上安裝產(chǎn)量傳感器和衛(wèi)星定位信號接收裝置，生成了我國首張小麥產(chǎn)量分布圖。我國濰柴雷沃公司、中國一拖集團有限公司和沃得農(nóng)機公司等一些農(nóng)機企業(yè)生產(chǎn)的收獲機已開始安裝谷物產(chǎn)量、含水率、流量、損失率和含雜率傳感器，提高了智能化水平。濰柴雷沃公司研制的玉米穗莖收獲機，可一次完成玉米果穗摘取、輸送、剝皮、莖稈切割等功能，具有果穗損傷率低、莖稈喂入均勻、切碎質(zhì)量好、功率消耗小等特點[92-93]。中聯(lián)重機的AS60型甘蔗收獲機實現(xiàn)了衛(wèi)星定位和自動導航等功能[94]。