讲座题目：透视新科技——“慧”耕地的农机

主 持 人：胜 春

做客嘉宾：张旭东，中国科学院沈阳应用生态研究所研究员。

韩 威，中国科学院微电子所副研究员。

讲座时间：2024年11月25日～12月1日

（备注：讲座视频可循环播放）

透视新科技——“慧”耕地的农机

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。“锄禾日当午，汗滴禾下土。”这是对中国传统农业耕种最生动的一种描述，而随着科技的发展，这种场面将会被机械化所代替，那就是无人农用机，它到底会为中国的农业带来什么呢？我们通过短片进入今天的节目。中国是农业生产大国，随着社会的发展，我国人口数量及粮食需求总量逐年增加。然而，大量农村劳动力流向城镇，从事农业生产的人口数逐年减少，无人种地已成困局。同时，传统的农业生产因粗放式开垦和耕地，造成土壤生态日益恶化，农作物产量越来越低。要继续用世界上7%的耕地养活世界上20%的人口，农业生产的压力越来越大。如今，一种新型的农作方式正在兴起，添加了人工智能技术的无人农机开进了田间地头，安装了“大脑”的农机能否解决传统农业生产的问题？未来它又将会如何影响我们的生活？我们首先给大家介绍一下，我们今天请来的两位嘉宾，一位是中科院沈阳应用生态研究所的研究员张旭东，另外一位是中国科学院微电子所副研究员韩威。无人农用机来代替人类劳作，那它到底解决了哪些问题？

无人农机对于解决农村劳动力短缺的问题非常关键，现在表面上我们国家农业人口非常多，占的比例超过一半以上。实际上现在真正从事农业，这个农业我们指从事种地的这个人口已经很少。我们到农村也发现劳动力是越来越少，现在农村年轻的基本都是打工去了，在农村基本都是老弱病残，这样他的工作效率非常低，他对整个对机械、对科技的应用，这方面都受到限制。农村，尤其像我们在黑龙江、吉林等地，留在村儿里的基本上是老年人，要不留守的小孩儿，那么未来我们的机手平均年龄已经在50岁到55岁了，他们这个年龄还要承受着很高强度的这种作业，其实对他们的身体也好，包括这个效率也好，都是一个影响，这样他的耕作效率非常低。他们经营还是很辛苦，起早贪黑，这个劳动强度也是很大。现在你到农村，你这个到农忙季节，你想雇个人非常困难，得高额的价格你才能雇到人，这样也很难。

我们畅想五年以后，咱们这些农业一线劳动者退出一线之后，那谁来去种田，那像我们八零后很多人不会种地，那九零后就不知道自己家地在哪儿，所以这个事儿是必须让我们解决，必须回答。以后谁来种地？怎么种好地这样一个问题。农业的出路在于机械化，农业的这个劳动力骤减，所以它在倒逼着我们这个技术的应用，我们可以在机械化的基础上，可以把我们的人工智能，包括我们的无人驾驶系统的一个算法赋能到这个机械化上，使它变成可以无人作业，那这样做的好处呢？就比如说以前春播，秋收的时候很忙，往往需要两个人一天开一台拖拉机，那我现在通过无人驾驶技术，无人农机可以使一个人管理多台拖拉机，而且把这个人从繁琐、劳累的拖拉机上给他拿下来，可以在地头，可以在家里去管理这个农机，所以可以优雅地自如这样生活。说到这儿，我们通过短片去了解一下。黑龙江省是我国最大的粮食生产基地，中国人每九碗饭就有一碗来自黑龙江，这里的农业生产关乎国家的粮食安全，然而2010年至2020年间黑龙江农业人口锐减了600多万人，从事农业生产的熟练机手也日益短缺，有的农田甚至因无人耕作而荒废。如今，在紧张繁忙的秋收季里，无人农用机代替农民干农活，数十万亩良田无需人工作业就完成了收割工作。到了春天插秧的时候，无人农用机又帮农民赶农忙，无人轨道车将水稻运往田里。无人插秧机根据预先设定好的行动轨迹在田里插秧，农民不但不再需要面朝黄土背朝天，也不需要坐在工况恶劣的驾驶舱中，只需坐在办公室，面对着智能终端控制远端的农业机械，无人农用机节省了人力，让农民的工作生活变得轻松。可它们干出来的农活，能有人工作业那么精细吗？

无人农用机和传统的农用机，有什么不一样呢？无人农用机实际上是在我们的普通农机基础上，通过我们先进的人工智能无人驾驶技术，在不需要人类驾驶员的情况下，可以这样全昼夜、黑天、白天、多天候、精准地、高效地去完成耕整地、播种、植保、收获这些环节。无人驾驶作业的规范程度、精准程度，这个提升一大截，这个完全不一样，这是一个质的提升，是一个革新。目前这个无人农用机它的智能化程度怎么样？无人农用机分为三个等级水平，第一个阶段就是辅助驾驶，就像我们乘用车的这种车道保持功能，农机也是有的。它可以比如有个驾驶员在上面，那我可以通过机器接管方向盘，使这个农机走得很直，这个在我国基本算是很成熟的这样一个产品。那在它之上的第二层，有摄像头，有雷达，包括一些高精度的这个定位设备，加上一些AI（人工智能）的运算平台，人可以脱离开这个驾驶室，比如我可以在地头，只要在农机需要我去帮助它，处理这些情况的时候，比如它漏播了，它堵籽儿了，我去处理一下，就把人从机器上解放出来的，高度自动化，这是我们第二层，这一层也是我国的科研院所，包括很多的科研企业，都集中在这个阶段做了很好的试验示范。第三等级就是这个完全的无人化、智能化去作业，就完全不再需要人去参与到这个农业的生产环节，当然啦，它还要服务人类，因为人类始终是这个机器人的主宰，除了农业的这种生产管理者之外，生产环节都可以交给机器人去做。我国在第一阶段比较成熟，第二阶段正在一个试验示范，也在朝着第三阶段在发展。无人农用机有多智能，我们通过短片去了解一下。

人工智能和自动驾驶技术让无人农用机拥有了智慧的“大脑”，无需人工操作，无人农用机就能自主地开进田间，按照预先设定的路径去耕整土地，像顶级机手一样直线行驶或转弯掉头，田间遇到人或障碍物，无人农用机能及时停下，避免撞击，一旦障碍物离开，无人农用机就会自动开启发动机继续劳作。无人农用机身上还安装着各种传感器，实时收集农田及周边信息，供电脑分析诊断农作物的生长情况，用这些无人农用机来耕作，能在有限的耕地里提高农作物的产量吗？无人农用机，它在实际作业时候，我们这个产量怎么样？你不论春播还是秋收，它季节性非常强，如果说我们争得最佳时机播种，可能得到最佳产量，另外无人农用机，它还包括以后精准施肥、变量施肥，如果我们用好化肥，用好农药，这是对我们有益的，对产量的提高，对这个粮食安全，这个起到关键作用。我们现在可以变量施肥，根据土地的情况，作物的情况变量施肥，我们在无人的这种拖拉机上安装了一些传感器，土壤传感器，我们可以测量这个土壤的氮、磷、钾的含量。有了这个数据，因为拖拉机本来它就要耕整地，要遍历一遍这个土地。那随着它遍历土地之后，我会拿到一张土地的肥力的分布图，那通过这个肥力分布图，再结合上这个作物种类，我们种的是玉米，我们就可以来根据玉米所需要的氮、磷、钾含量去配肥，就测土配肥。我们现在的无人农用机，绝大部分搭载了我国的北斗系统，加上地面增强系统，我还可以增加播种的这个效果，比如播种的又直又匀，株距、行距很规整，这样的作物也可以达到一个增产的可能。它在实际作业时候，这个精准度达到什么程度？通过我们实际作业测下来的数据，比如1000米，以前人驾驶的话，老机手可以偏差在50厘米就走直线。那通过这个无人化的技术，通过高精度的定位，达到2.5厘米级的作业精度。那相当不错了。是的。无人农用机怎么来精准耕作呢？我们通过短片去了解一下。

适量施用肥料可以补充农作物的营养，增加农作物的产量。然而，传统农业耕作方式，往往因过量施肥而导致农作物营养失衡影响产量。现在大数据中心可以根据无人农用机收集来的信息，精准计算出所需化肥的成分和分量，无人农用机带着测算好的肥料边插秧，边施肥，肥料能精准送到秧苗根部侧方3到5厘米处，避免了肥料的浪费，还能实现增产。而北斗高精度差分定位系统，让无人插秧机准确对行，插秧行间距规整均匀，既给了秧苗生长发育的最佳空间，又在有限的农田里播撒下尽可能多的秧苗，土地利用率提高了0.5%。至2.5%。仲夏时节，南方水稻迎来夏收，工作人员现场测产验收了传统机械插秧和无人农用机插秧，两种种植方式的水稻。结果显示，传统机械插秧亩产410.2公斤，无人农用机插秧亩产433.4公斤，产量比传统机械的作业产量多了5.6%。这些无人农用机使用成本高吗？它们能给农民带来多少收益？目前我们开发的这个无人农用机，农民的使用评价怎么样？

我们在黑龙江的几个地方做了很好的试验示范，那机手对我们评价，无人农机会提供给人驾驶，更好的这样一个结果，我觉得这个评价还是蛮高的。那农民的收益是什么？农民得到的最佳的、最好的实惠，一方面节本，一方面增效、增收，所以这个是我们给农民、农业生产者带来的好处。那通过初步测算，至少能提升10%到15%的这种净的这种收益。像我们在东北的一个合作社，一个千万级的合作社，种的是玉米，那玉米除了这个租地的成本，种子成本，化肥成本，人力、机械之外，这个一亩地的净利润，还是跟粮食价格有关。像去年（2020年）一亩地是100块钱的净利润，那代耕了2万亩，那就是200万的这个收入。如果说我们还是让他有这些机械，使他的这个代耕的作业量增加10%，就可以使他增加20万的这样一个收入。无人农用机它的成本有多高？我们是个人购买还是租用？我们现在两种模式都有，一种是购买，一种是以租代售。那现在通过智能传感器、计算芯片的这个价格下降，实际上是可以控制在万元级别的这样一个量级，而且像我刚才说的整体的收益，是包含了购置无人农机的部分成本在内的，还可以提升收益。

无人农用机目前的适用的范围都有哪些？无人农用机的基础是机械化，不同的作物，不同地区有很多的差异，像我们北方粮食作物基本达到90%以上的这种机械化率，都是完全靠机械在在播种、在收获，东北的这个土地面积比较大，它比较适合这些大马力的庞然大物，然后带着很宽的这种农具高效率地去作业。只有土地相对连片了，才会发挥这种自动化机械的这种效能，它有规模化效应。那么在南方，在水田，包括丘陵这些地方，土地的碎片化，还有经营的这种碎片化，那不能说总是一小块儿一小块儿的，那机器进里（面）总是把时间花在掉头、转场的时间，那就不划算了。所以无人农用机研发也是因地制宜，从东北可能这个做起来，先做起，可能发展得相对说早一些，快一些。但是我们不仅仅要东北，我们整个国家全方位的，所以有条件地区都要发展，这样实际上从农艺这个角度，无人农机的发展将来适合我们国家不同地区，还得要小型化，没有小型化你不可能适应。因为我们国家这个耕地面积，你就再怎么集约，它相对说还是零散，这样儿我们必须要搞小型化，这样适合不同的区域，不同的特点，不同的条件。

中国的无人农用机，我们国家非常强调自主研发。自主研发，这样才能保证我们的生态安全、土地安全等等方面，可能我们没有注意到说影像拍摄，我们的目的是要监控，监控播种或者监控其他作业，可能这些数据包括土壤的一些条件，土壤的肥力状况，养分状况等等，田块、生态一些数据就传上去了。对我们国家这个整个粮食安全要产生很大的威胁，这样我们的秘密，我们的家底儿都被人掌握了。无人的农用机，它会涉及到很多敏感数据，比如说地块的这个面积，地块儿的位置，你（种）的这个作物，包括你的产量等等，他都可以提前地通过这些算法拿得到。那如果说你又收集到足够多的这些数据之后，你综合一分析，其实可以得到很多敏感的这种信息，所以一定要很好地把它保护起来。跟机械化发达的国家相比较来讲，我们无人农用机还存在差距吗？我觉得差距主要是来自两个方面，第一方面，就是来自机械本身，就我国在农机领域的，尤其大马力农机与国外差距，至少在20年左右，这种代差。比如说变速箱，比如说我们的无故障工作时间，这些还有一定的差距，这是硬件基础。第二层面就是在我们的应用算法层，这一层我并不认为我们和国外有差距，反倒我觉得这一层面我们会超过国外的这样一个水平，为什么？

我们有很广阔的这种应用的场景，那像有些欧美发达国家，它的农业人口基本上比较平稳，所以没有遇到这种骤减这种状况，所以这未来的市场也好，包括应用场地也好，我认为都是在我国会是一个非常好的这样一个地方，所以会超过国外。无人农用机的研发，我们得到的这个经验是什么？首先呢，这个要充分认识农业生产的复杂性，就是它不仅仅就单一靠一个无人作业可以解决的一个事儿，第二，我们也感觉这种农业场景的这种非标性很强，像我以前是从事道路无人驾驶研究的。那无论是在北京也好，广州也好，马路其实差不多都是这种铺装路面，但是在农田里，农田的形状很多样性，土壤的这个结构，它的这个作用力又不一样，有黑土、有粘土。那第三，这个后边挂载的农机具有数十种，而且每一种都有自己的这种使用的方法，技巧在里面。我们团队一直在田间地头做（试）验，做开发，做研发，做测试，有将近三年的时间一直在田间地头。所以这个复杂性和多样性，是这两年我比较深刻的一个体会。另外，机械技术的发展需要农机农艺的结合，我们做农机的往往把农机就想办法做得很好，但是，可能忽略了农艺上的需求，怎么能够更好？作业能够更好，不是机械本身要好，但是作业还要好，这样才能最终好。说到我们国产的无人农用机，我们也通过短片去了解一下它的研发情况。

无人农用机将机械化与信息化技术深度融合，是现代农业机械的发展方向。2001年，华南农业大学等科研机构就开始研发无人农用机。2016年，中国第一台无人驾驶拖拉机诞生，成为中国智能化农业的新起点。2019年后，越来越多的科研团队和机构加入无人农用机的研发和试验，国产无人农用机的应用发展迅速。2020年国产无人拖拉机、无人联合收割机已成功通过试验和作业示范，无人插秧机已在多地投入水稻插秧生产工作，数字农业试点建设项目中已实现了棉花的耕、种、管、收，全程无人化生产作业。如今，搭载北斗导航的无人农用机已在超过9个省区大规模应用，无人化生产，更高效地利用土地，无人农用机会给土壤生态带来更大的压力吗？说到土地的问题，我们曾经走过一段弯路，造成了土地、土壤的这个贫瘠，东北的黑土地是否也受到了类似的影响？东北黑土地当然是一样的，在全世界都一样，在发展的过程中，也只重利用轻保护。东北黑土地，原来我们在耕作之前，它都是植物非常茂密，所以植物死亡之后，它留在土壤，经过微生物分解之后，变成特殊的有结构的有机质。它进入到土壤，和土壤矿物相结合，把这个矿物表面把它包围起来，它就变黑，是越黑呢，有机质越高，越黑，这个土壤越肥沃，生产力越高，所以我们实际上保护黑土，就是要保护有机质。如果我们用好这个土壤，保护好，我们同时如果在耕作上，在利用上，我们能够采用保护性措施，实际上黑土地是能够保护好。

就目前我们保护的方式有哪些方式？我们这个秸秆收获之后，我们希望把它留在地表，把它覆盖在地表，不要像以前的时候把它都烧掉了。当然那时候烧掉了也有烧掉的问题，你没有一个好的机械，没有专用机械。秸秆留在地表，你种不了地，我们希望播种要能够带着秸秆，能够高质量播种，出苗的时候这个苗不受影响，生长就不受影响，但是那时候我们还做不到。现在随着高质量东西这个免耕播种机的发展，我们可以做到了。这样我们秸秆留在地表，降雨的时候防止雨水冲刷，秸秆儿铺在地表，像盖一个被一样，这样你风又刮不走，水也冲不走了，另外你降雨的时候才能渗到地表（以下）。你蒸发的时候它又像盖被，它又蒸发又少，因为东北要我们叫十年九旱，实际上非常干旱，它今年特殊年份，所以这样我还能保水，提高养分利用率，所以这是一个非常重要的保护措施。对于我们无人农用机来讲，它是否在耕种和生产的过程当中也会对土壤产生破坏呢？你任何耕作方式，如果你做得不规范，都要产生破坏的。农用机它与土地的接触，应该是纯物理式的这种接触，那怎么还会对土地造成影响？

你物理的也要破坏，不仅无人农用机，就原来有人的，甚至是机械的，那时操作的也产生破坏，任何机械下面儿都有梨，或者是有行走部件。这个行走部件始终你上边是翻起来了，也旋起来，但是同时一个反作用力始终作用在它界面以下这个土层，这个土层经常受到挤压、受到碾压，它在下边变成紧实，里边结构发生变化了，变成紧实了，你降雨那下水慢了。土壤密度发生变化了。对呀，结构发生变化了，这个紧实度也增加了，你根系下扎也困难了，所以你养分吸收，你水分吸收只能限制耕层，因为根系好的土壤，根系下扎得很深，深根作物，这样你下边吸收养分，吸收水分，它的这个吸收养分很大地受限。这个在技术层面不能够得到解决吗？原理上是解决不了机械化作业本身带来的这个问题，但是，我们可以通过智能化的方法，无人农机可以减少在土壤里的这个行驶的里程、轨迹。比如说以前人需要两趟，那我可以无人农机来规划好，由三趟变成两趟，两趟变成一趟，减少对土地的耕作的这个次数，这点是可以达到对土地的一个保护。农用机如何来保护土壤呢？我们记者编辑了相应的短片，我们去了解一下。

位于我国黑龙江松嫩平原和三江平原的黑土带，是世界四大黑土区之一。千万年的孕育，半个多世纪的开垦，现已经成为我国著名的大粮仓，然而过度开垦和利用，黑土地一度面临严重退化，进而严重制约了东北粮仓的粮食生产能力。为挽救黑土地，科研人员研发出，秸秆覆盖全程机械化的种植模式，通过高标准、智能化的农用机械，秸秆全量粉碎还田变成肥料，黑土地的肥力逐渐提高，化肥的用量在减少，不仅保护了黑土地，还提升了农作物的产量。在这片古老的土地上，最前沿的科技正给最传统的农业带来翻天覆地的变化。未来农业生产将对新一代农民提出怎样的要求？无人农机的发展对我们国家未来的农业带来什么样的改变呢？我们人口多，土地少，我们要有限的土地，要尽量生产足够的粮食，保证我们的饭碗。我们讲无人驾驶，讲无人农机，我们进一步发展无人农场，随着以后现代化的发展，随着智能化的发展，有可能做到真正的无人农场，我觉得未来用不了多少年，这机械化会大幅度、会大规模地开展，这是一个必由之路，科技发展。种田没有机械化，于是整个你的种田的水平也提升不上去，所以这是必由之路，但是这个不是一个短时间能够完成的任务。从我搞土壤的这个角度来说，搞农业的角度，这个路要很长。这个无人农场，它可以产生出更好的粮食，更高品质的粮食，这是它的一个主要目的，那这个里面，就需要农机农艺相结合，达到一些增产增效这样一个目的，所以说无人农机是无人农场的一个非常重要组成部分，但是它也不是全部。

如果说农业现在也在变革，像合作社他们挣钱经营方式发生变化了，那个时候完全改变了农业作业，农业、农民的生产方式。我们未来农业的发展，整个信息化的社会，农民真正转化为那是管理者，不是工人，是一个管理者，农民变成管理者的飞跃。对，我非常坚信这一天的到来。未来农民我觉得会有两个方向，第一就是更加地专业化，就是我会专业地种植，去经营一个合作社，一个合作主体。第二更加地职业化，农民不再是个身份，而是我的一种职业。那到这个阶段，我就可以很体面地去工作，在更远期，我想也是引用中国工程院院士的一句话，叫“黄牛退休，铁牛耕地，农民进城，专家种田”，这也是我们一个很好的一个愿景。专家要去种田了，我们现在这个我们科学院有个黑土粮仓项目，我们合作的合作社，这两个社长他们是专家，所以这就不一样，这是专家种地了。你不仅仅是技术专家，你还得是经营专家，你不会经营也不行，你光种好地你也不行，你种好地你也不一定挣钱，你得会经营，同时种好地还得经营好，这样才能挣钱，所以他是一个综合人才。未来的发展，农机水平系统化，那么甚至到无人化、智能化，这一天我觉得能够达到，我们可以一步一步踏踏实实地走下去。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目。如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视视频去收看我们过往的节目。我是胜春，今天的节目就到这儿，我们下期节目再见。