沙漠农业机械的应用与发展趋势*

王祎璇，费叶琦，2，朱翔宇，康润炀，周志鹏

（1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，江苏 南京 210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037）

沙漠农业机械是专门为沙漠环境设计的农业装备，通过创新解决方案和技术，为沙漠农业生产提供支持。利用节水灌溉技术[1]、土壤改良措施以及自动化作业系统等，可以增加农作物产量，减少资源消耗，并有效减轻农民的劳动负担。当前沙漠农业机械发展的主要趋势是智能化、自动化和可持续化。先进的传感技术、数据分析技术[2]和智能控制系统的应用，能使沙漠农业机械实现精准管理和智能决策，提升农业生产效率和质量。理解沙漠农业机械的最新应用和发展趋势，对推动沙漠地区农业的现代化发展和可持续发展具有重大意义。因此，本文将深入探讨沙漠农业机械的应用领域和发展趋势，探寻其在推动沙漠地区农业发展方面的潜力和挑战。

1 国外沙漠农业机械

在全球气候变暖和人口增长的背景下，农业面临新挑战。农业机械技术不断成熟，种植领域应用广泛，自动化和智能化技术是农业发达国家的发展焦点。针对沙漠及其周边恶劣环境地区，利用滴灌技术建设种植基地和大棚已成为主流。

发达国家的农业机械已从手动种植器、半自动种植机械发展到了现如今推广的全自动种植机械的阶段，但半自动化产品仍然是目前发达国家最主要的农业机械[3]。国外对农业机械化的研究较早，以德国Grimme 公司的马铃薯种植机为例，国外研究者对种植机械进行多次改进，使其机械化程度不断提高，已形成了完整的种植体系，目前正朝着大型化、智能化、精量化和多功能联合化的方向发展。德国、意大利等发达国家生产的动力为2.94 kW～4.41 kW 的小型移栽机[3]，已经在各大中小型农场或家庭中得到了广泛应用；约翰迪尔生产的农业机械产品8R-3004[4]具备高度智能的自我诊断功能，可精确控制执行部件动作，区段控制系统可根据区段自动打开和关闭农机具，可以对作物进行精准定量的施肥和播种，实现作物产量的最大化；芬特公司[5]推出的农业机械为精准种植提供快速、精准、强大的高精度技术；专业级麦赛福格森MF 系列[6]是大马力产品中的标杆，包含MF 1804/2204/2404[7]，适应几乎所有场合；凯斯AFS 系统为农场主提供了更多的控制标准，通过全程自动化控制，可以全面提升生产力、作业效率和控制精度[8-9]。

2 国内沙漠农业机械

农业农村部发布的《关于加快推进设施种植机械化发展的意见》，标志着国家首次在推动设施种植机械化方面进行了系统部署，此举是推进农业机械化全面发展的重要行动。近年来，中国农业机械逐渐从简单机具向联合机械演进，复合型和智能型种植机械的发展已为乡村振兴和农业农村现代化提供了动力，同时也为农户提升收入提供了重要支持[10]。

2.1 自动化种植

沙漠农业机械自动化是目前国内研究的主要方向[11]。自动化机械设备在生产作业过程中能够进行实时监控，时刻对气候、温度、湿度的变化作出相应的决策，张鹏飞等[12]设计的植树机器人具有高度的功能集成化和作业自动化的特点，且在工作过程中可以动态调整工作参数。徐高兴等[13]开发的梭梭播种机可替代人工进行梭梭树的播种，具有操作简单、播种均匀、行距整齐、高效等优点。殷劲松等[14]设计的一种小型全自动植树机使用开源平台开发，以便后续的升级，在其单片机和上位机程序的特殊结构设计中为种植业发展提供了新的思路。关佳征[15]设计的戈壁沙漠植树机器人，加入了5G 及云计算技术，利用自动化技术实现了自主巡航，克服了恶劣环境下作业难度大的问题。亿利集团设计的无人机植树系统[16]能根据地形数据，绘制出需要造林地区的高分辨率3D 地图，并进行“精密植树”。杨冬冬[17]设计了一种气吸式油莎豆精量铺膜播种机，该播种机实现了开沟、播种、覆土、铺膜一次性完成，对提高播种质量、节省人工成本、降低经济投入具有重大意义。华东师范大学开展机器人集群项目，其中，松灵移动机器人底盘-SCOUT2.0 的使用，可以实现无人化、规模化、全天作业[18]。自动化技术的应用是现阶段沙漠农业机械发展的重要趋势，采用自动化元素的沙漠农业机械可以达到高效、精确、自主运作的目标，这对于沙漠地区的农业生产起着至关重要的作用。

2.2 多场景应用

沙漠农业机械的研究方向之一主要体现在使机械产品可面对不同场合。吴卓霖等[19]研究的沙漠地区植被种植一体化、自动化、智能化且可自动完成一系列植树行为的机器人，可以应用于沙土地植物的种植，并且可以针对不同的沙土地种植对应的植被以适应环境。电子科技大学中山学院设计的一种适用于沙漠种植的植树车[20]，主要解决了在荒漠地带分苗、栽苗的问题。亿利集团研发的容器苗植树造林技术，在不破坏土壤结构的情况下，能起到保墒作用，还能使容器苗密接土壤，多用于荒漠化地带缓解水土流失问题。宋代平[21]研发的生态植树机能极大地保护地表植被，能量消耗低、生产率高、植株成活率高，适用于脆弱的沙漠化地带。中国的沙漠地区差异明显，包括沙漠化程度、经济发展水平等多方面因素，使得普通的沙漠农业机械无法满足所有需求。因此，具备多场景适应能力的沙漠农业机械更具有经济效益和实用价值。

2.3 市场性发展

新疆盛世华强农业科技有限公司在经济新区的万亩沙漠里建设设施农业基地[22]，钵苗移栽在大棚中种植果蔬。马能俊团队响应内蒙古阿拉善当地防沙治沙产业政策，承包2 万亩沙地，进行规模化、规范化梭梭种植和肉苁蓉人工嫁接[23]。亿利集团搭建创新生态系统[24]，围绕沙漠生态产业链和价值链，与其他主体合作。巴林右旗恩泽农林科技发展有限公司打造沙之宝——沙漠治理公益事业平台[25]，聚集公益之力，实现了生态、经济和社会效益的共赢。在公共利益和政策支持的共同推动下，沙漠农业成功吸引了大量人才和投资，为地方经济带来了显著增长。这种现象不仅创造了就业岗位，还全方位地推动了沙漠地区的多元化发展。在未来国内沙漠农业机械的发展中，将见到更多传感器、自动控制系统和自适应算法的运用，这些技术能自动调节种植深度、密度和排列方式，进一步提升种植效率和作物产量。此外，为了减轻对环境的污染和破坏，沙漠农业机械将倾向于采用绿色能源和低碳技术，从而实现绿色机械化作业，为保护沙漠生态环境贡献力量。

3 我国沙漠农业机械存在的问题

随着沙漠土壤改良技术的进步、专门针对沙漠环境的作物的开发以及固沙防沙技术的提升，大规模应用沙漠农业机械的愿景逐渐成为可能。其中，沙漠种植机械在沙漠农业机械的系列产品中独树一帜。它能够实现一系列农业操作，如种植、养护以及收获，从而提升作物的生产效率和产量。然而，尽管沙漠农业机械在功能上具有优势，但其产品化和市场化进程在全球范围内仍显缓慢，我国在这方面还面临着诸多挑战。尤其是缺乏一个完整的农业体系和科研开发网络，这都对我国沙漠农业机械的进一步推广产生了阻力。

3.1 沙漠农业机械对能源依赖性较大

沙漠农业机械的运作通常对能源供应有着强烈的依赖性，主要包括燃料和电力。传统沙漠农业机械的动力主要来自燃料，如柴油或汽油。这些燃料驱动的农业设备可为各类农业活动提供必要的动力，如耕作、灌溉、收割以及运输等。然而，在许多沙漠地区，由于能源稀缺，燃料供应在一些地区可能受到限制，加上燃料价格的不稳定性，这可能会对依赖沙漠农业机械的农户造成经济负担。

3.2 沙漠农业机械领域存在人才断层

沙漠农业机械作为一个新兴的领域，许多国家在此领域中的专业人才储备显得匮乏。该领域对专业人才在沙漠环境和农业机械技术方面的综合理解和掌握有着较大需求和独特要求，然而，专业人才的匮乏对此领域的进步产生了限制性影响，缺少对农业机械进行研究、开发和创新的人才，会阻碍该领域的深度发展。因此，沙漠农业机械的研究与创新必须持续不断，致力于设备的持续优化与提升，以应对新的技术挑战。

3.3 沙漠农业机械面临后期维护挑战

沙漠农业机械在应对沙尘暴、极高温和高盐碱土壤等严苛环境时，遭遇了一些技术挑战。具体来说，沙尘的侵入可能导致内部机械部件的过早磨损或故障，危及设备的可靠性与稳定性；同时，极端高温环境可能对机械设备的散热效率和工作稳定性产生影响；另外，高盐碱土壤可能具有强烈的腐蚀性，这要求设备使用特别的耐腐蚀材料制造，或采取适当的防护措施。这些问题的存在使得沙漠农业机械的后期维护与维修面临着巨大的挑战。

3.4 固沙和绿化设备发展不平衡

固沙设备主要用于沙漠地区的沙丘稳定和防沙治理，而绿化设备则是针对植被重建和生态修复工作需要而设计的。广泛应用绿化设备能够在大规模植被重建和森林植树工程中发挥重要作用，从而增强生态系统的稳定性和生物多样性。然而，相对于固沙设备，绿化设备在某些地区的发展进程出现滞后的现象。在一些地区，由于缺乏对于固沙和绿化工作的深度理解以及相应的政策支持，可能导致这些机械设备的推广和应用存在阻碍。

4 沙漠农业机械未来研究方向

沙漠农业机械在沙漠治理与开发中担任着重要的角色，对于推动沙漠地区的可持续发展具有极其重要的影响。在制定未来沙漠农业机械的研究方向时，应着重考虑智能化、环保与可持续性、多元化与灵活性、人才培养与知识传承等关键因素，通过强化科技创新和人才引进，为沙漠治理和农业发展提供强大的科技支持。沙漠农业机械的研究和应用正在逐步发展成为解决沙漠化问题和保障粮食安全的关键领域。展望未来，沙漠农业机械的发展应聚焦于自动化、绿色化、市场化、集群化等核心方面，以期在挑战与机遇并存的沙漠环境中取得突破与进步。

4.1 发展智能化农业机械，打造自动化农业产业

通过引入前沿的传感器、机器视觉和人工智能等技术手段，对沙漠农业机械进行深入的智能化和自动化研究，可以显著提升农业生产的效率和精度。研究重点应聚焦于智能化植保机器人的开发、自动化灌溉和施肥系统的设计、农业数据分析和决策支持系统的应用等方面。同时，应建立一个以物联网为基础的通信网络，以实现本地农民与沙漠种植机械的广泛连接，进而推动智慧农业的发展。将这种智能化和自动化的农业生产模式应用于环境治理的各个环节中，可以实现沙漠农业的全面自动化。这种方法不仅可以提升农业生产效率和精度，而且可以为农业未来自动化和智能化发展奠定坚实基础。

4.2 促进国际合作交流，加速农业机械的发展

随着全球对沙漠农业关注度的逐渐提升，国际合作及经验共享在沙漠农业机械化研究领域的关键性作用日益显现。许多国家研究机构、农业企业以及国际组织持续加强协作，共同推动机械技术的创新研发，并在广大研究群体中分享成功的案例及经验。这种合作模式将推动沙漠农业机械的快速发展，进而推动全球沙漠农业的可持续发展。为实现农业科技创新成果的应用和普及，需要构建一个由高校、企业、政府三个主体参与的农业体系。借鉴以色列的科研机构技术转让公司的模式，可以通过市场化手段，将知名研究人员和学生的发明及专有技术从实验品转化为服务社会的商业产品。同时，企业需增大对沙漠农业的资金投入和产品推广力度，政府也需制定相应的沙漠农业政策并给予补贴。这些措施将为农业科技创新成果的实际应用铺平道路，从而让农业科技成果真正服务于农业发展。

4.3 构建集群化机器人，促进各领域交流合作

模块化设计方案是一种以现有沙漠固沙种植机械为基础，进一步发展绿化种植机械的战略方法，有助于实现集成优势。通过充分利用现有技术的共享性以及模块化部件的复用性，能够提升研发效率、降低成本，并加速绿化种植机械的研发和应用进程。沙漠固沙种植机械的研发和应用已经积累了一系列有价值的经验和技术，这包括沙漠植被种植技术、沙丘固定技术和防护网设计。通过模块化设计，可以将这些已有的技术和模块化部件直接引入绿化种植机械中，从而减少冗余的研发过程以及资源的浪费。这种方法不仅可以提升研发效率，还有助于在各领域中建立起一个积极互动的交流与合作网络，从而推动集群化机器人的发展。

5 总结

沙漠农业机械代表了一种新颖的沙漠治理策略，为我国在沙漠治理和农业发展领域提供了极具潜力的发展路径。相比于传统方法，沙漠农业机械尽管存在若干挑战，如能源依赖性、人力资源短缺、后期维护的复杂性、固沙与绿化双重目标的发展不均衡等。然而，沙漠农业机械有望为沙漠治理和农业发展提供可持续的解决方案，对于推动人类社会向绿色转型，将发挥不可估量的作用。展望未来，沙漠农业机械的发展趋势呈现出更多元化的特征：更高的自动化、智能化水平，更突出的环保理念，更为广泛的应用领域。这不仅是一种针对沙漠化问题的创新应对策略，更是全人类未来可持续发展道路上的重要一步。