农业工程科技创新推进农业绿色发展

隋 斌，董姗姗,，孟海波,，王佳锐,，沈玉君,，丁京涛,，周海宾,，冯 晶

·综合研究·

农业工程科技创新推进农业绿色发展

隋 斌1，董姗姗1,2※，孟海波1,2，王佳锐1,2，沈玉君1,2，丁京涛1,2，周海宾1,2，冯 晶2

（1. 农业农村部资源循环利用技术与模式重点实验室，北京 100125；2. 农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京 100125）

农业绿色发展是农业发展观的一场深刻革命。该文全面论述了农业工程科技创新对农业绿色发展的重要作用，深入分析了中国在农业资源利用、产地环境治理、生态系统保育和农产品绿色供给等方面取得的成效和存在的问题。提出了围绕农业绿色发展，农业资源监测、水土资源利用、农业投入品使用、农业机械化和农业废弃物资源利用等农业工程科技创新的前沿进展和主攻方向。从强化农业绿色发展理念、建立技术创新与推广体系、完善标准体系和加强政策支持4个方面提出了政策建议。该文可为农业绿色发展背景下农业工程科技研发提供重要的指导和参考。

农业；绿色发展；农业工程；科技创新

0 引 言

19世纪中叶以来，随着农业机械的推广、农药化肥的问世，以及动植物育种和科学种植养殖技术的进步，农产品产量大幅提升，但化肥、农药、激素类等投入品的过量使用，带来了资源浪费、环境污染及食品安全等问题[1]。近年来，中国积极探索农业绿色发展路径和模式，逐步降低资源环境利用强度，增加优质农产品供给，努力实现农业生产与资源环境承载力相匹配，生产生活生态相协调的农业绿色发展目标。

习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会报告中指出，要坚持人与自然和谐共生，形成绿色发展方式和生活方式。大力推进农业绿色发展是农业工程科技工作者的重要职责和使命，要在资源节约、环境友好、生态保育和优质农产品供给等方面，不断加大农业工程科技研发力度，提升成果创新推广能力，研究新的工艺装备和技术模式，建立绿色生产、清洁低碳、循环发展的技术体系，以较少的资源、能源消耗获得较高的效益，不断推动农业绿色发展向更高水平迈进。

本文在系统分析农业绿色发展背景下农业工程科技创新发展状况的基础上，从农业资源监测、水土资源高效利用、农业投入品减量使用、农业机械化发展、农业废弃资源循环利用等方面，深度研判了中国农业工程科技创新的前沿进展和主攻方向，着重提出了需要突破的技术瓶颈，以期为进一步提升中国农业工程科技创新水平、推动农业绿色发展提供重要指导。

1 发展现状

近年来，中国在农业资源利用、产地环境治理、生态系统保育、农产品绿色供给等方面取得显著成效，同时仍然面临一些较大挑战，不容乐观的诸多问题仍然存在。

1.1 资源利用高效节约与刚性约束并存

随着理论创新、技术装备研发和推广力度不断加大，中国农业水土资源保护利用水平逐步提升，农作物秸秆、畜禽粪便、农膜等农业废弃物资源化利用率大幅提高。2018年全国农田灌溉水有效利用系数达到0.554，比2015年提高0.018，耕地实际灌溉用水量5 475 m3/hm2，耕地灌溉面积达到67 815.6×107m2，节水灌溉面积达34 319.0×107m2[2]。中国耕地利用率是世界平均水平的3倍，谷物单产能力达到6.417×104kg/m2[3]。农作物秸秆利用率超过82%，畜禽粪污综合利用率达到70%以上，农膜回收利用率达到80%以上[4]。秸秆利用方面，已形成了东北高寒区玉米秸秆深翻养地、西北干旱区棉秆深翻还田、黄淮海地区麦秸覆盖玉米秸旋耕还田、黄土高原区免耕秸秆覆盖还田、长江流域稻麦秸秆粉碎旋耕还田和华南地区秸秆快腐还田6种还田模式，以及“秸-饲-肥、秸-菌-肥、秸-沼-肥、秸-炭-肥”4种循环利用模式[5]。畜禽粪污利用方面，已形成粪污全量收集还田利用、粪污专业化能源利用、固体粪便堆肥利用、粪便垫料回用、异位发酵床、污水肥料化利用和污水达标排放7种典型技术模式[6]。地膜回收方面，甘肃、新疆等地区探索建立了由地膜生产企业统一供膜、统一铺膜、统一回收的综合治理模式[4]。

然而，在资源利用效率不断提高的同时，水土资源刚性约束也日益加剧。中国人均水资源不足世界平均水平的1/4，是13个贫水国之一，农业用水约占总用水量的75%，用水方式仍较为粗放，大水漫灌问题突出，灌溉水利用系数低于发达国家平均水平近25个百分点[7]。人均耕地为世界平均水平的38%，因水土流失、贫瘠化、盐碱化、酸化导致耕地退化面积占耕地总面积的40%以上，东北黑土层10 a间减少了8 cm，华北平原连续30多年浅层旋耕，南方土壤酸化严重[8-10]。秸秆露天焚烧现象仍然存在，粪污仍有 30%没有高效利用，地膜在土壤中的残留问题仍然存在，面源污染依然严重。

1.2 产地环境日益改善与污染压力并存

近年来，中国在农产品产地污染控制等方面取得较大成效[11-14]。通过推广节肥节药技术，2017年三大粮食作物化肥、农药利用率达到37.8%和38.8%，分别比2015年提高2.6和2.2个百分点[15]。2017年农用氮、磷、钾化学肥料（折纯）产量6 065.2万t，比2015年下降20.5%[16]。2017年主要农作物病虫害绿色防控覆盖率达到27.2%，比2015年提高4.1个百分点[17]。实施耕地轮作休耕制度试点，2018年东北地区、华北地下水漏斗区、南方重金属污染区和西南西北生态严重退化区轮作休耕面积达到200万hm2 [18]。中国已在1.08亿hm2耕地上开展重金属动态监测，探索土壤重金属污染治理模式[19-20]。2017年以来，中国在100个县启动实施了果菜茶有机肥替代化肥项目试点，测土配方施肥技术推广应用近1.07亿hm2，三大粮食作物统防统治面积达0.93亿hm2次，化肥和农药使用均实现负增长[21]。

尽管产地环境不断改善，但农业面源污染压力依然较大。目前，中国化肥使用量、农药生产和使用量居全球第一，过量施用对土壤安全造成严重威胁[22-23]。每年使用农用塑料薄膜约250万t，当季回收利用率不足80%[24]。畜禽养殖业的化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）和氨氮排放量分别占农业源COD和农业源氨氮排放量的95.8%和78.1%[25]。此外，工业“三废”和城市生活等外源污染仍不断向农业农村扩散，受污染耕地超过1 000万hm2，多数集中在经济较发达地区[26]。

1.3 生态系统日益稳定与失衡风险并存

近年来，中国农业生态保护建设力度不断加大，先后启动实施水土保持、退耕还林还草等一批重大工程[27]。2018年底，全国草原综合植被盖度达到55.7%，全国天然草原鲜草总产量连续5 a超过10亿t，草原生态总体向好，恢复退化湿地7.13万hm2，完成造林绿化0.07亿hm2，全国森林覆盖率达22.96%[28-29]。全国农业生态恶化趋势初步得到遏制，部分地区出现好转。

然而，高强度、粗放式生产方式所导致的农业生态系统结构失衡、功能退化等问题仍不同程度存在。根据第五次全国荒漠化和沙化监测结果，全国荒漠化土地面积261.16万km2，沙化土地面积172.12万km2，重点天然草原牲畜超载率仍达13.5%，农牧交错带已垦弃耕草原水土流失和风沙侵蚀现象频发。生物多样性受到威胁，生态保育型农业发展面临诸多挑战[30-31]。

1.4 绿色供给能力逐渐提升与质量安全隐患并存

随着农药残留、生物毒素和重金属等污染防控技术的推广应用，中国农产品质量安全水平逐步提高，2017年农产品监测合格率达97.8%，其中蔬菜、水果、茶叶的农残抽检合格率分别达到97%、98%、98.9%，畜禽产品和水产品的兽药残留抽检合格率分别达到99.5%和96.3%，达到中国开展监测以来历史最好水平[32-33]。

然而，少数地区农药残留、抗性基因残留、重金属污染等问题仍不容乐观。个别地方还存在重金属超标问题，2018年天津市消费者协会发布的蔬菜比较试验报告显示，70%有机样品被检测出农药残留[34]，成为农产品质量安全的隐患，影响了农产品绿色供给。

2 前沿进展及主攻方向

农业工程科技创新对农业绿色发展发挥着十分重要的作用，农业工程科技工作者要密切跟踪学科前沿进展，把握发展趋势，找准主攻方向，明确研究重点，突破制约瓶颈，不断取得更大成效。

2.1 农业资源监测

2.1.1 前沿进展

当前，中国已建立了较完善的农业遥感监测系统，实现了对耕地及农作物、草原、渔业水域等农业资源的动态监测。在信息获取、参数反演、模型构建和精度检验等方面研发了一系列适用的遥感信息技术，可快速、准确地获取农作物生长状况、健康程度、农田旱涝情况和作物产量等信息，开展了农业自然资源分布及数量的周期性调查。遥感信息技术应用还为农村承包地确权、“两区”划定、耕地轮作休耕、高标准农田建设和农业种植结构调整提供了有效支撑。基于遥感技术，正在构建国家、省、市、县四级农业农村监测管理平台，将为农业农村管理信息化发挥重要作用[29,35]。

2.1.2 主攻方向

突破耕地质量、生物资源、产地环境、面源污染、土地承载力等监测评估和预警分析等关键核心技术，构建集实时监测、远程诊断、分析预警、应急防控和指挥调度于一体的监测预警决策系统。加强基础设施建设，统一标准方法，建立健全耕地、草原、渔业水域、生物资源、产地环境以及农产品生产等重要农业资源动态监测台账制度，创新农业农村资源资产价值评估理论和方法，构建充分体现资源稀缺和损耗程度的生产成本核算机制，形成农业生态价值统计制度[36]。完善区域农业资源承载力和环境容量评估方法，充分利用遥感技术，搭建国家农业资源数据共享平台和数据中心，形成天空地一体化数字农业农村管理平台。

2.2 水土资源利用

2.2.1 前沿进展

近几年，中国节水农业快速发展，微喷灌、滴灌、涌泉根灌等精准灌溉新技术，以及渠道防渗与管道输水新技术取得重要进展，研发了一系列农业节水灌溉产品，建立了流域水资源管理决策支持系统，显著提升了水资源利用率。康绍忠等[37]创制的“控制性作物根系分区交替灌溉”新方法，能够减少棵间蒸发和作物蒸腾耗水，节水效果明显。在高标准农田建设、土地复垦与生态恢复、城乡统筹与节约用地以及土地整理信息化等方面提出了一系列新理论、新方法和新技术，有效提高了土地使用效率。

2.2.2 主攻方向

以提高农业水资源利用率为目标，研发作物需水信息采集、高效用水调控灌溉、高效用水分根区交替灌溉等技术装备，研发水平畦田灌溉、新型节能高效喷微灌等节水灌溉装备，研发土壤保水剂和表土结构改良剂，研发多功能作物蒸腾调控剂技术，建立“水-土-作物”协同调控技术体系，研究建立基于水资源承载能力、种植业布局及系列节水技术的高效节水模式；以提高土地资源利用效率为目标，以构建农田生态系统、耕地污染修复为重点，研发农田生态缓冲带构建、耕地质量评价、土地休耕轮作、土壤污染修复等工程技术。

2.3 农业投入品使用

2.3.1 前沿进展

在化肥减量提效方面，推进施肥方式转变和新型肥料技术应用，包括机械施肥、水肥一体化和适期施肥等技术模式，以及农作物高产高效施肥技术，速效与缓效、大量与中微量元素、有机与无机、养分形态与功能融合的新产品及装备，新产品推广以及高效施肥技术模式[38]。此外，大力推广秸秆粉碎还田、快速腐熟还田、过腹还田等秸秆养分还田技术，研发具有秸秆粉碎、腐熟剂施用、土壤翻耕、土地平整等功能的复式作业机具。在农药减量控害方面，研发应用生物防治、物理防治等绿色防控技术，研究推广了生物农药，创制了高效低毒低残留农药，研制了大中型高效药械，推行统防统治和精准科学施药[39]。

2.3.2 主攻方向

在化肥减施增效方面，重点研发智能化养分原位检测技术、基于化肥施用限量标准的化肥减量增效技术、基于耕地地力水平的化肥减施增效技术、新型肥料高效施用技术、无人机高效施肥施药技术，加快修订有机肥料行业标准，大力推广使用有机肥，研发炭基肥、液体肥和有机无机复混肥等新型肥料产品，提升水肥一体化技术装备水平，开发不同区域不同作物化肥减量增效技术集成模式。在农药减量控害方面，加强绿色制剂创新研究，减少生态环境风险；加快免疫透抗和性诱剂及调节剂产业化及应用技术研发，推动生态调控；研发高功效农药和航空新型制剂，研发菌药种肥新型产品。在农膜回收利用方面，研发可降解、加厚等新型农膜，研发农膜回收机械技术装备，提升机械化水平，开发残膜利用产品。

2.4 农业机械化

2.4.1 前沿进展

水稻生产已实现生产全程机械化，已研发出水稻直播穴播等一批轻减化高产高效水稻栽培技术，改无序撒播变为有序直播，变人工插秧为机械直播，大幅提升了水稻机播水平[40]。陈志[41]利用仿生原理，研发了不分行玉米割台技术及秸秆打捆技术和一系列玉米种植机械与播种机具，构建了玉米收获全程机械化作业体系，提升了玉米机收水平，大豆、花生等经济作物以及丘陵山区、牧草生产等机械化作业取得了创新性技术成果，畜禽养殖机械化及废弃物处理等综合机械化水平增长迅速。农机自动化水平不断提升，无人驾驶拖拉机、可控农机具等先后研发应用，农用飞机普遍采用了微农业遥感及农田作业精准化技术。以农机为载体，精量播种、化肥深施、高效植保、低损收获和秸秆还田等增产增效型技术迅速推广，保护性耕作和深松整地面积分别超过0.09亿hm2和0.11亿hm2，有效促进了藏粮于地、藏粮于技，增强了农业抗灾能力[42-43]。

2.4.2 主攻方向

以大田规模化种植、设施农业、经济作物和畜禽水产养殖等领域为重点，开展资源节约型农业机械、秸秆还田、智能农机装备传感器、农机导航和精准作业等方面研究。主要包括加强农业机械的能源结构、新型能源和节能减排技术的研究；开展秸秆覆盖、深翻、碎混还田与耕地质量提升技术装备研究，研制新型秸秆还田翻转犁、免耕播种机及大马力拖拉机等农机具；研制精准农业与无人驾驶机械，研发单人多机作业、遥控装卸物料、遥控挂接机具等无人驾驶拖拉机，提高遥控飞机的操控方便性、稳定性及承载能力。特别要重视加强与经济作物种植生产技术相匹配的农业机械的研发与推广，并针对畜牧水产养殖机械严重缺乏状况，进一步加大研发力度。

2.5 农业废弃物资源利用

2.5.1 前沿进展

近年来，中国学界围绕畜禽粪污、农作物秸秆等废弃物资源化利用，在理论体系创新、生物转化技术、评价方法和标准政策等方面开展了大量研究，取得了系列创新理论和技术成果，初步建立起以能值分析和全生命周期相结合的区域循环农业系统评价方法，研发了干法厌氧发酵、反应器式好氧发酵、热解炭气肥联产、秸秆膨化生物发酵饲料等系列新技术新装备，构建了农作物秸秆肥料化、能源化、基料化、饲料化和原料化技术模式，畜禽粪污肥料化、能源化技术模式[44]，建立了标准体系。通过构建以农业废弃物资源化利用为纽带的循环系统，实现种养结合、农牧结合、农渔结合，有效推动农业绿色发展。

2.5.2 主攻方向

开展农业废弃资源循环理论体系研究，包括种养结合循环系统中碳氮转化规律及调控途径研究；开展畜禽粪污、农作物秸秆、尾菜等农业废弃资源利用评价研究、土地承载力评价研究、技术先进性及适用性评价研究；开展生物转化及污染物消除机制研究，包括微生物种群演替特征、病原菌等生物灭活机制、抗生素、重金属、臭气等污染物变化规律及调控途径等研究；开展农作物秸秆还田腐熟、以及厌氧发酵、热解炭化、肥料化清洁生产、畜禽粪肥安全施用等技术装备研究，开展育苗基质与食用菌生产、饲料产品等研发，研究推广基于养分循环的区域种养结合技术模式；开展农业废弃资源收储运、资源化利用全链条关键技术标准及农业资源循环利用政策研究。

3 结论与建议

推进农业绿色发展，是一项系统工程。本文阐述了农业工程科技创新对农业绿色发展的促进作用，包括在农业资源高效利用、生态系统稳定、产地环境良好和产品质量安全等方面已经和将要发挥的重要作用。从全面统筹推进考虑，还亟需转变发展理念、整合资源、完善标准体系和加强政策支持。

1）强化农业绿色发展理念。推进农业绿色发展，对于降低资源环境利用强度、增加绿色优质农产品供给具有重要意义。目前，农业工程科技创新工作中，仍然存在重规模轻质量、重产量轻生态等问题。面对农业绿色发展的机遇和挑战，农业工程科技工作者要自觉承担起肩负的职责和使命，将生态优先、资源节约的理念贯穿科研工作始终，研发出更多先进实用的技术成果，不断推动农业发展提质增效。

2）加强农业工程科技创新资源整合，形成攻关合力。中国农业工程还存在理论研究多、实用技术少，单项技术多、集成模式少，简单技术多、核心技术少，分散研究多、联合攻关少等问题。面对绿色发展新形势、新任务、新要求，亟需整合农业工程科技创新力量，优化资源布局，加强农业工程科技创新与推广体系建设，不断提出适应不同区域、不同产业的农业绿色发展一揽子整体解决方案，大大增强农业工程绿色发展技术产出能力，为农业绿色发展提供技术支撑。

3）完善以农业绿色发展为导向的标准体系。中国农业工程相关标准还存在与农业绿色发展需求不衔接、不配套等问题，应坚持整体设计、重点突出、逐项突破，研究制定投入品减量化、生产清洁化、废弃物资源化、种养循环化、农业农村信息化等农业工程技术、产品、建设和管理相关标准，为推进农业绿色发展提供标准保障。

4）加强政策支持。要加大围绕绿色发展的农业工程科技创新与推广政策支持力度，对节水、节药、节肥、节地、节能、减损、环保等新技术和新装备的研发推广要重点投入，要支持建设一批农业工程实验室、成果转化基地，推动绿色生产技术和模式的快速建立，为促进农业绿色发展提供良好政策环境。

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Innovation in agricultural engineering and technology to accelerate green development of agriculture

Sui Bin1, Dong Shanshan1,2※, Meng Haibo1,2, Wang Jiarui1,2, Shen Yujun1,2, Ding Jingtao1,2, Zhou Haibin1,2, Feng Jing2

(1.100125; 2.100125)

Green development of agriculture is a profound revolution in the concept of agricultural development and the inevitable course to achieve sustainable development of agriculture in China. This study reviewed the roles and challenges of agricultural engineering and technology on green development of agriculture and proposed the near future directions. The level of protection and utilization of agricultural water and soil resources in China has gradually increased, and the utilization rate of agricultural waste such as crop straws, animal manure, and agricultural membranes has increased greatly. However, problems such as water shortages and arable land degradation are serious. The utilization rate of chemical fertilizers and pesticides for food crops has been increasing year by year. However, the problems of excessive application of pesticides, and external pollution still need to be resolved. In the field of agricultural ecological protection and construction, a series of projects such as soil and water conservation, returning farmland to forests and grasses had been carried out and results were delightful. However, high-intensity and extensive production methods have caused problems such as the structural imbalance in agricultural ecosystems and functional degradation. The level of quality and safety of agricultural products in China has gradually improved. However, issues such as pesticide residues, resistance gene residues, and heavy metal pollution in a few regions are still not optimistic. To resolve these problems, this paper proposed possible technological innovation in agricultural engineering serving green agrarian development: 1) In the field of agricultural resource monitoring, the further research should focus on core technologies of monitoring, evaluation, and early warning analysis of cultivated land quality, biological resources, production environment, non-point source pollution, and land carrying capacity so as to build decision-making systems that could integrate real-time monitoring, remote diagnosis, early warning, emergency prevention and control, and command and dispatch. 2) In the field of utilization of water and soil resources, the future study should enhance the use efficiency of agricultural water resources by developing water-saving equipments, establish efficient water-saving modes, improve the efficiency of land resource utilization by focusing on construction of farmland ecosystems and rehabilitation of farmland pollution. 3) In regard to agricultural inputs, the focus should be on the transformation of fertilization application methods, the application of new fertilizer technologies, as well as high-yield and efficient fertilization technologies for crops. In regard to pesticide reduction and control, the key was to develop in-situ intelligent nutrient detection, enhance fertilizer reduction and efficiency based on fertilizer application limit standards, accelerate the revision of organic fertilizer industry standards, promote the use of new fertilizer products, and develop fertilizer reductions for different crops in different regions. 4) In terms of agricultural mechanization, the main direction of the future research was to focus on fields such as large-scale field planting, facility agriculture, cash crops and aquaculture of livestock and poultry, and resource-saving agricultural machinery, straw return to the field, intelligent agricultural equipment sensors, agricultural machinery navigation, and precision operations. 5) In terms of agrarian waste resource utilization, the next work should explore the theoretical system of agricultural waste resources recycling, biological transformation and pollutant removal mechanisms, and develop equipments related to returning crop straws to the field, maturation of anaerobic fermentation, pyrolysis carbonization, and collection and storage of agricultural waste resources and so on. This paper put forward to policy suggestions from 4 aspects: strengthening the concept of green agricultural development, establishing a technological innovation and extension system, improving the construction of a standard order and strengthening policy support. It is hoped to provide meaningful guidance for further improving China's agricultural engineering technology innovation level and promoting green agrarian development.

agriculture; green development; agricultural engineering; technological innovation

隋 斌，董姗姗，孟海波，王佳锐，沈玉君，丁京涛，周海宾，冯 晶. 农业工程科技创新推进农业绿色发展[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：1－6.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001 http://www.tcsae.org

Sui Bin, Dong Shanshan, Meng Haibo, Wang Jiarui, Shen Yujun, Ding Jingtao, Zhou Haibin, Feng Jing. Innovation in agricultural engineering and technology to accelerate green development of agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 1－6. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001 http://www.tcsae.org

2018-09-10

2019-12-10

国家重点研发计划项目（2017YFD08000800）

隋 斌，研究员，农业农村部资源循环利用技术与模式学科群暨综合性重点实验室主任，国家“十三五”重点研发计划项目首席专家，主要从事农业工程管理、农业农村建设及资源循环利用研究。Email：suibin@agri.gov.cn

董姗姗，博士，主要从事农业废弃物资源化利用技术模式及评价研究。Email：dongshanshan@aape.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.001

S2

A

1002-6819(2020)-02-0001-06