光机电技术在现代农业中的应用与展望

南京农业大学农学院,光机电技术在现代农业中的应用与展望,徐志刚,博士，教授博士生导师,xuzhigan025-84399709,汇报内容一、背景二、历程回望三、现状概览四、未来展望,E=MC2,能源,物质（生产资料）,能源,能源,植物生产过程,物植质物产产出量,一、背景,现代农业的主要特征：“生物农业”+“化学农业”+“工程农业”化学农业的危害：（1）污染问题：水体、土壤、大气污染；（2）生态灾难问题：生物链断裂、生态系统受损；（3）食品安全问题：重金属食品品质下降、硝酸盐进入食物链致癌；化学品农产品口感与营养问题、人体代谢干扰；农药农产品品质下降致癌等,现代农业新变革的方向：强化生物农业和工程农业。“工程农业”：以光、电、机、磁、声、热等物理方法和工程技术应用于农业生产。优点：确保农时，高效管理，及时收获干燥入仓、确保丰产丰收；减轻化学品的过度投入，提升农产品产量和品质，减少污染，降低成本，提高效益。充分高效利用非耕地和可再生能源，扩大耕地资源，确保国家粮食安全。,农业机械仅仅是工程技术应用于现代农业的一个小案例，是工程农业中的一个分支。但是，机械应用于农业是农业革命的开端。农业机械化是20世纪农业发展的重要基础。农业机械化被评为20世纪影响人类最重要的十大发明之一，位列前五位。农业革命基于工业革命的进展而进步，是成熟、可靠、降低了成本的工业技术应用于农业，农业革命稍稍滞后于工业革命,第一次工业革命：动力技术,第二次工业革命：电气技术,机电一体化,第三次工业革命：信息技术,光机电一体化,光机电一体化,“光”作为信息输入,“光”作为信息和能量输入,能量输入,第一次工业革命特征：动力机械不断完善进步瓦特完善了蒸汽机，作为动力机械应用于工业生产过程，英国进入工业化；蒸汽机作为农业动力应用于农业生产，出现了装备蒸汽机的拖拉机；用动力机械替代畜力和人力，从度量单位可以看出这一端倪：马力煤热能机械能（动力）,二、历程回望,德国人Diesel（狄塞尔）发明了柴油机，标志着石油时代的来临，是石油农业的开端。当时石油馏制的主产品是柴油和煤油，洛克菲勒由此发达。为了应对电气时代即将到来的压力，洛克菲勒挖掘了汽油的用途，催生了汽油机的应用和移动动力时代的到来。第二次工业革命：电气技术1888年俄国人德布罗夫斯基和德尔伏创建了三相交流电，随后特斯拉在美国申请了交流电系统的专利并推广应用爱迪生，J.P摩根，特斯拉，洛克菲勒，卡内基,电力驱动广泛应用于农业机械和农业生产机电一体化技术得到发展，首先在工业、交通等领域得到被广泛应用；随后被广泛应用于农业机械，极大地促进了农业机械的技术进步。这些技术进步和积累，为美国20世纪农业机械的大发展、大规模应用于农业生产提供基础和准备，直接催生了20世纪最重要的发明之一：农业机械化。第一次、第二次工业革命，催生了机电一体化集成，对于农业来说，是生产工具中执行装备的变革，是能源利用方式的变革。,具备喷药、撒肥功能，水、麦(旱)地兼用，高地隙(90cm)，四轮驱动，轻型化设计药杆喷幅宽8m，单位作业量45亩/h。撒肥幅宽12m，单位作业量60余亩。,高地隙四驱多用途植保机镇江市现代农机研发中心,机电一体化技术：采用电动推杆替代液压系统；实现喷杆升降和折叠等操作。,第三次工业革命：信息技术催生了光机电一体化光机电一体化技术正在农业领域中得到广泛应用，当前的特点是：“光”仅作为信息输入农业生产系统。正在悄然来临的变革，将来必将会得到广泛应用的光机电一体化技术特点是：“光”不仅作为信息、而且作为“能量”输入农业生物与生产系统。光作为能量输入农业生物和生产系统，是一次伟大的革命，不仅是农业生产方式的变革，也是能源利用方式的变革。,三、现状概览,光作为信息输入的应用实例1、激光平地机：利用光获取田块高程信息2、排种量监测：利用光获取排种与播种信息3、灯光诱虫：杀虫与虫情监测4、激光选种机、激光选粮机当今农业生产面临的问题：1、农药与化肥过量施用、不当施用（1）施用端过量、不当，导致环境污染、农本上升、损害人体健康（2）刺激生产端产量，资源能源消耗大，排放严重；,2、可耕地资源的污染与减量可耕地被污染，被工业化、城镇化占用，海平面上升导致盐碱化，导致可耕地总量下降，威胁国家粮食安全3、极端气候频发自然灾害发生频度增加，农业生产可控性下降，系统性风险上升4、水资源短缺加剧可耕地减量和粮食安全风险未来的解决对策：生物农业+工程农业光以信息和能量输入农业系统，基于光机电一体化集成，将开创工程农业的新篇章，产生现代农业的新变革。,四、未来展望,（一）光信息技术与机电装备的集成研发，以信息化引领农业机械化（光作为信息输入农机系统）国家已在十三五科技计划中部署此研究领域，将利用光信息采集、处理技术，实现农药化肥的高效、减量施用，解决农药化肥的过量施用与不当施用问题。1、利用作物叶片或冠层的特征光谱信息监测技术，感知植物营养状况，针对不同生育期，建立定量监测模型，在农机上建立智能变量施肥系统，实现精准、按需、减量施肥。,2、利用作物叶片或冠层的特征光谱信息监测技术，感知植物病虫害状况，建立定量监测模型，在农机上建立变量施药系统，实现精准、按需、减量施药。3、利用作物叶片或冠层的特征光谱信息监测技术，感知植物水份亏缺状况，建立定量水份监测模型，与灌溉系统集成建立变量灌溉系统，实现精准、按需、减量灌溉。4、建立害虫及其天敌的敏感波段，建立区分害虫及其天敌的敏感光谱模型，开发智能诱虫灯，实现害虫的精准诱杀，避免生态灾难的发生。,（二）光能量技术与机电装备的集成研发，开发新型农业机械特征：光作为能量输入农机系统1、将短波光（光子能量高）系统与农机集成，开发新型植保装备，针对作物冠层或叶片照射，实现物理杀灭害虫，减少农药施用。2、将短波光（光子能量高）系统与旋耕机集成，开发新型旋耕植保装备，实现土壤病害的杀灭（尤其是连作障碍严重的温室土壤），减少农药施用。,（三）光能量技术与机电装备的集成研发，开创现代工程农业的新篇章特征：光作为能量输入农业系统1、光作为能量输入温室，为温室植物高效光合提供光能补充。2、光作为能量输入植物工厂，为植物光合作用提供光能。,1、温室栽培与光照,我国设施园艺面积已达337万hm2，其中日光温室占25%左右,已成为效益最大的重要种植产业。近年来，随着大气环境污染的日益加剧，大气透明系数不断下降，致使到达地表的太阳辐射日趋减少（下图）。,图50年的统计资料表明我国太阳辐射量正在递减的趋势Fig.Thedeclinetrendofsolarradiationfrom1960to2009inChina,设施栽培植物能够接收利用到的太阳光能越来越少，难以满足正常生长发育的需求。此外，全球气候变暖导致较多的极端异常天气，植物遭遇连续阴雨寡照天气的频度增加，对植物而言，太阳光能正变得愈来愈不可靠。弱光导致的作物生育障碍严重。,在东南沿海地区，地面接收到的太阳光能减少的趋势（下图）比全国整体的下降趋势更为剧烈。采用LED补光是解决设施生产受弱光制约的有效途径。因此，基于设施植物生长发育合理需求的LED光源及其智能光控技术的研发和应用，是今后研发的核心内容。,图50年的统计资料表明江苏省太阳辐射量正在递减的趋势Fig.Thedeclinetrendofsolarradiationfrom1960to2005inJiangsuprovinceinChina,从每年的11月份到春节前的这段时间是我国设施果蔬生长发育的关键时期，但是在南方地区，这个时段也正值连续阴雨寡照频发的时段，一般每年都会发生2-4次的连续阴雨寡照天气（在南方一般称为阴冷或湿冷的天气），每次持续的时间一般在10-15天，甚至达到20天以上；在北方地区，由于白天光照时间短，这个时段也面临光照时数和光照量不足的问题。,这种阴霾的天气对温室植物生长及其不利，这种天气的发生频度很高，温室内必须补光,光照不足严重抑制设施温室的果蔬生产，植株生长迟滞，病害严重，结果造成大量减产，品质下降，不能取得预期收益，甚至亏本。在生产中，农民主要依赖化学调控措施来抵御这种由光照不足所引起的种种问题，这直接导致化学药品的过量使用和残留，引起人们对食品安全的忧虑。采用植物光源对温室植物实施补光，能够增加光照量和光照时数，改善温室内得光谱分布，促进植物生长，提高产量和品质，进而减少化学药品的投入。,在苏北日光温室黄瓜生产中的应用示范（南京农大）,荷兰番茄设施生产的补光,荷兰花卉（非洲菊）设施生产的补光,应用于徐州和淮阴日光温室中补光,用于葡萄园补光,（四）设施补光,在温室番茄生产中的应用示范,在温室番茄生产中的应用示范,2、工厂化育苗与光照,（一）类型1、有性繁殖苗，以温室为主，部分采用植物工厂：如实生苗、嫁接苗等2、无性繁殖苗，以植物工厂为主：如扦插苗、组培苗等3、为大田作物生产配套的育苗工厂，如水稻秧苗育苗工厂、棉花油菜育苗工厂等,2010年初春，苏北西瓜嫁接苗遭遇20天左右的连续阴雨，长期光照不足导致接穗叶片黄化、病害严重,3、植物工厂-工程农业的最新发展，是未来在密闭的空间内，智能调控温、光、水、肥、气，采用植物光源提供光照，按计划周年栽培植物。综合集成了生物技术、农业技术和工程技术，彻底摆脱了气候、地域和季节对作物栽培的制约，做到周年生产、工厂化生产、订单计划生产。水份、热量、肥料高效循环利用，对环境友好，对资源利用高效。,在荒滩、滩涂、沙漠、海岛、石漠化地区、土壤严重污染地区开展农业生产，扩大可耕地资源，减轻