几种物理技术在农业中的应用及展望

武焕涛

几种物理技术在农业中的应用及展望

武焕涛

（荆楚理工学院湖北荆门448000）

我国是一个人口大国和农业大国，对农产品的需求较高。物理技术在农业中的应用，可以有效提高农产品的产量。文章探讨了光电、电磁、力学在农业上的应用及未来的展望。

光电；电磁；力学；物理技术；农业

1 光电方面

1.1 光电方面的应用

光伏在农业上的应用一直是一个热点方向。如今应用场景丰富多彩，常见光伏+农业的应用方式有以下几种。

1.1.1 菌菇光伏模式

利用菌菇喜阴、生长环境潮湿的特点，利用光伏建菌菇大棚是较常见的一种模式。光伏大棚发出的电不仅可以分摊这部分电费，剩下的还可以余电上网。

1.1.2 蔬菜、瓜果光伏大棚

如今的生活水平越来越高，一些瓜果蔬菜一年四季存在，这些都产自于大棚。大棚的种类有：封闭式连体连栋大棚、封闭式单体大棚、敞开式单体大棚。敞开式大棚在北方得到发展，由于敞开式大棚的架子正好适合一些作物的生长，于是可以降低生产成本。现在很多光伏电站，特别是在河北，如果不结合农业，可能地面电站很难批，这就恰好可以在农业方面做一些探索。

1.1.3 渔光互补

农场如果有湖泊、河流、池塘，还可以采取渔光互补的方式，水上发电、水下养殖。水面上方有光伏板的遮挡，养殖周期还可以延长，减少夏季鱼虾被晒死的概率。渔光互补的好处：给当地的渔民带来额外的光伏发电收益，解决发电问题。减少水面植物光合作用，提高水质；降低水面温度，减少水分蒸发。所以，农场不仅可以安装光伏，而且应用的模式还不少，不仅有农场自身的产品收益，还能带来发电产生的收益，可谓是好处多多。

1.2 分析及展望

其中光伏大棚、光伏农业温室是热点研究方向。与现有的农业温室（大棚）结合，确实很难见到收益，棚顶的光伏板可能是下面的蔬菜的几十倍造价，大棚内种的东西反而成了陪衬。在我国台湾、河北、山东（寿光）等地确实有一些实践项目取得了不错的成果。

从农业的角度分析，植物并不需要在有太阳的时候都照到太阳，一般照几个小时就够满足生长需要的光合作用，另外大棚并不一定盖在棚顶上挡住农作物，追光系统等结构能够使大棚内的植物在一天之内得到一定时间的照射要求。另外，可在大棚内种植厌光植物，如蘑菇，也是一种选择。现在推行“分布式”项目追求发电量，最终效益更好。就像BIPV(光伏建筑一体化)，考虑的不只光伏幕墙等光伏产品。建筑设计、美观程度也需要考虑。光伏大棚也不但需要考虑棚顶的光伏电站，同时还需要棚内种的东西、大棚结构，农作物的销路等问题。另外，光伏与农业的配合也将不仅局限于大棚。国内光伏电站的发展终将受在可铺设电池板的空间场地制约如用于地面电站的荒坡、滩涂、用于分布式项目的屋顶。虽然理论上可铺设面积是很大的，但是受制施工成本、接入点距离、产权问题、土地性质，屋顶的承重，屋顶下工程的运营能力、交电费能力，优质的项目地非常有限。

但是“光伏+现代农业”的模式也有如下的刚性需求的推动：生态农业、食品安全为高端农作物的种植与销路带来了机会。我们也在大超市里看到有部分区域卖比别的菜贵三四倍的有机蔬菜，可见也有人买。农民如果可以用自己仅有的资产，土地来养活自己家人并且还略有富余，也能推动社会进步。

此外，光伏发电是未来十年新能源发展和应用的主力，随着人类对绿色能源的需求进一步扩大，光伏发电会推动大批光伏产业相关的企业诞生，并能提供大量的就业岗位。目前各地高校也有专门的专业培养相关人才，物理技术在农业的发展上越来越成熟，行业发展成熟指日可待。

2 电磁方面

遥感技术也得到了飞速发展。遥感是20 世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术，是应用探测器，不与探测目标相接触而从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。作物长势信息反映作物生长的状况和趋势，是农情信息的重要组成部分。遥感技术具有宏观、适时和动态的特点，利用遥感数据进行作物的监测是目前应用成熟的技术。遥感监测能够时刻准确地监测到作物的发展状况，一旦发现问题可以快速及时地解决，避免不少损失，使国家更好地发展。

2.1 电磁方面的应用

2.1.1 农作物长势监测指标

作物长势受到光、温、土壤、水、气（CO2）、肥、病虫害、灾害性天气、管理措施等诸多因素的影响，是多因素综合作用的结果。在作物生长早期主要是为了反映作物苗情的好坏，在作物生长的中后期反映了作物生长形式和产量的多少。作物的成长过程是一个复杂的生理生态过程啊。遥感技术通过作物的一些生长特征来进行表现。

2.1.2 农作物长势监测方法

农作物长势监测主要包括实时监测和过程监测。实时监测是利用实时NDVI图像来进行表现，通过与去年或者是多年的平均值与某一年进行对比来反映作物的生长。过程监测主要是监测作物生长的过程，通过持续nDVI图像来构建作物的生长过程。这个过程是随着时间变化来监测的，在生产期内监测人员通过卫星的绿度值来判断作物的展示。卫星可以准确无误的记录错误的一些数量值，监测人员可以通过这些数值构建时间变化曲线和与历年的进行比较，比如高产年低产年等。通过这些图像，监测人员可以对作物的生产情况和产量进行评估[2]。

2.2 未来前景与发展

主要有以下几个方面：（1）未来的卫星将具有更好的空间和光谱分辨率。发射更多的卫星也将提高时间分辨率；（2）遥感数据交付给客户的时间将会改善。我们有一天会有实时的卫星遥感系统；（3）大学研究将更多地关注土壤和作物变化的诱因，以判断变化。也会更加重视从大学到商业农业企业的技术转移；（4）决策支持系统将成为将收集的空间数据转化为农民及详细管理建议的主要环节。决策支持系统将为农民增加遥感数据的最大价值；（5）精准农业遥感的未来将取决于最终用户农民的需求。现在，农业用遥感仍处于商业发展的早期阶段，农业生产者的经济利益尚未得到证实；（6）遥感数据和与精准农业相关的其他系统的成本将下降到符合收益。随着越来越多的农业信息技术公司进入市场，未来可能会发生这种情况。

3 力学

3.1 力学方面的应用

传统农业生产中涉及的农具多种多样、纷繁复杂，文章仅选取5种加以介绍，为了增加行文的科学性，分别命名如下：（1）可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀；（2）基于杠杆原理的自锁式麦捆装车技术；（3）基于涡流效应的除尘去杂质簸箕；（4）自适应01 开关控制下的活塞式风箱；（5）循环冲击载荷下的䦆头抗疲劳连接技术。

3.1.1 可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀

可拆卸式复杂曲线割麦专用镰刀，因其形似胳膊肘，俗称“肘肘”，是小麦收割过程中使用的专用镰刀，在小麦收割过程中，镰刀面临着麦秆干硬、收割强度大、使用时间集中等苛刻服役环境，这些不利因素对镰刀刀刃的硬度提出了严苛要求，限于传统加工水平及经济条件，一般采用含碳量较高的硬脆钢制造刀片。即使如此，割麦过程中刀刃磨损依然很快（一般4 ~ 5个小时即需要打磨刃片），整体服役寿命一般仅为1 ~ 2季。若刀片和刀把为一体化连接，频繁淘汰刀片的同时也会淘汰掉服役状态良好的刀把，显然会造成极大浪费。因此，可拆卸式的构型可以兼顾经济性及生产效率。

刀把设计为曲线主要原因有两点：提高刀把末端的施力点以缓解疲劳。传统农业生产中，要求收割的麦秆越长越好，换言之，留在地里的麦茬越短越好。前者是因为麦秆可以作为牲口的饲料，后者则是为接下来播种玉米提供便利。在这种情况下，割麦时要求刀刃越低越好。显然，对直线刀把而言，割麦人就需要最大限度地弯腿弯腰，在夏季烈日暴晒的环境下，极易疲劳。显然，刀把设计为曲线时，可显著提高刀把末端施力点，使割麦人腿部较为舒展，从而有利于缓解割麦人的疲劳。割麦过程中，采用可拆卸式复杂曲线专用镰刀，既兼顾了经济性与高效性，又有利于缓解割麦人的疲劳并保证其在长时间重复割麦动作中的安全。

3.1.2 基于杠杆原理的自锁式麦捆装车技术

小麦收割完毕后，需要把麦捆运送到打麦场，然后经过“碾场”“扬场”、晾晒等一系列工序，才能颗粒归仓。运输过程就需要用到架子车，堆积起来的麦捆需要用绳索绑紧方能运输，那么，麦捆“头对头”的装车方式（两排麦捆以麦穗朝里、麦茬朝外的方式码放堆积），怎么才能方便可靠地实现绑紧呢？一般情况下，假设一个65 kg级普通成年男子双臂最大可以提供40 kg的拉力，那就意味着如果直接用双手拽紧绳索，所提供的绑紧力必然小于40 kg，这在实际运输中远远不够，尤其在山路崎岖、架子车颠簸十分严重的情况下。因此必须开发一种绑紧力足够大，同时操作又足够简单的绑紧方法。

实践中，农民采用的装车方法十分简单，在车顶通过三角形木套形成一个滑动定滑轮；在绳索的一端，套上一尖端为楔形的木棒，将尖端插入麦捆，沿虚线箭头方向从另一端向下压木棒，即可将绳索拉紧。根据杠杆原理，可以产生远大于成年男子臂力的拉紧力。绳索拉紧后，将木棒顺势插入麦捆内部，自然形成一个自锁机构，且绑紧力越大，自锁效应越强。另一方面，不论是装车时木棒插入麦捆，还是卸车时木棒拔出麦捆，均只需克服较低的摩擦力，操作十分简单。

显然，该方法巧妙地实现了四两拨千斤的力学放大效果以及绑紧后的自锁效果，且操作十分便利，堪称以人力为主的农业生产方式中的最优解，是传统农村成年男子的必备技能之一。

3.2 未来及展望

文章介绍了几种典型农具使用过程中的力学原理，结果表明，传统农具并非技术含量低下的代名词，相反，在受限于人力生产条件时，传统农具的设计使用包含了深刻的科学原理，是当时历史发展水平大环境约束下的最优解。因此，既要以开放的心态乐见技术发展带来的巨大红利，又不宜在享受红利的同时脱离历史条件去指点过往。而不断上下求索以推进科技发展水平、突破历史大环境约束，正是一代又一代科技工作者的价值所在。如今仍有越来越多的力学方面的知识运用到农业上，如智能灌溉、智能种植，这些知识与光电、电磁等物理技术综合利用，逐步实行农业的现代化。

[1]付三玲,张伏,李建昌,等.几种物理技术在农业中的应用及展望[J].农机化研究,2006(11):36-38.

[2]叶剑.浅淡物理技术在农业新科技中的应用[J].安徽农学通报,2010(22):146-147.

武焕涛(1997- )，男，汉族，河南周口人，本科，研究方向：应用物理学。

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2095-1205(2020)03-67-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.03.40