农作物和农业机械论文

2022-04-19

农作物和农业机械论文篇1：

基于卷积神经网络的杂草快速识别研究

摘要图像识别是除草机器人的一项基础关键研究。为了能提高农作物和杂草的识别率以及便于识别物特征的提取，提出了基于卷积神经网络的识别方法。以农田中的杂草和农作物为试验对象设计了网络结构。该网络结构的参数较少，准确率达到了92.08%，且处理每张图片的时间仅为0.82 ms。

关键词除草;卷积神经网络;快速;图像识别

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.14.071

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Key words Weeding;Convolutional neural network;Fast;Image identification

作者简介张有春（1997—），男，云南大理人，从事计算机图像识别研究。

收稿日期 2018-12-25;修回日期 2019-02-18

除草是培养栽培植物必不可少的过程，目前除草工作已经摒弃了传统人工除草的方式，较为广泛使用的是化学除草。该方法可节省劳动力，降低除草成本，提高劳动生产力;但其弊端也是显而易见的，有时候会引起药害，甚至污染环境，破坏生态平衡。智能除草有利于生态环境保护且先进高效[1]，这也是被广泛研究的原因，如何快速有效地识别作物与杂草是除草机器人研究的关键技术。

如今，随着机器学习领域中深度学习的崛起，基于人工神经网络的各种识别方法被广泛用于各个领域[2]，深度学习模拟人脑进行分析，通过组合低层次特征形成更加抽象的高层次特征[3]。它通过提取农作物与杂草特征，以数据形式在预先设计好的模型中进行训练得到新的模型，从而实现农作物与杂草的识别。该方法准确率较高，且由于模型的特殊性包含参数较多，对于识别有很好的通用性。鉴于此，基于卷积神经网络的识别方法，笔者进一步研究了杂草图像快速识别。

1 卷积神经网络

卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）是一种有别于一般神经网络的新型网络，涉及图像识别、自然语言处理等领域，其研究趋势和发展前景较好。卷积神经网络由输入层、卷积层、池化层、激活函数、全连接层、输出层组成[4]。卷积层用于提取输入数据的特征，由许多卷积核组成，卷积核像一个筛子筛选有用的信息，而筛选的过程即为卷积运算过程;池化层在不破坏数据主要特征的情况下，减少训练数据中一些无关緊要的参数，在一定程度上能防止过拟合，更方便优化;激活函数是为了增加网络的表达能力，即非线性因素;全连接层则是把之前的局部特征全部组合在一起，从而实现对识别物的分类。

以经典模型LeNet-5为例，以野外采集的杂草图像为输入数据，计算机理解为若干向量矩阵（图1）。C1为卷积层，C1卷积之后通过激活函数得到S2，S2为池化层通过池化操作得到C3，C3也是卷积层，C3和S4通过和C1、S2相同操作后得到C5，进一步得到F6全连接层，F6中每个神经元与C5进行全连接。

2 网络结构设计

使用卷积神经网络算法进行识别研究的关键在于神经网络结构设计的合理性，好的网络结构往往是集性能和计算效率于一身。网络结构的结果好坏和学习效率与参数有密切关系，而卷积核大小直接影响参数的多少，设计时避免出现AlexNet[5]中11×11大小的卷积核，用较小尺寸的卷积核代替。斩获2014 ILSVRC挑战赛冠军的网络结构GoogLeNet[6]，一共有22层使用的卷积核大小，最大为5×5，不同尺寸卷积核搭配使用，达到减少参数的效果，从而提高了计算效率。参数的数量减少到AlexNet的1/12，但是其性能却优于AlexNet很多。受GoogLeNet启发，减少卷积核大小的同时适当增加网络的深度。

该研究以LeNet-5网络模型为基础改进卷积神经网络结构（图2），该网络的核心在于3个卷积层和3个池化层交替使用不同尺寸的卷积核，这有利于特征的提取，同时可减少处理时间。其中，C1使用5×5大小的卷积核，C2和C3都使用3×3大小的卷积核，由于图片信息量过大的因素，该研究选定池化操作为最大池化方法，池化层均采用2×2尺寸规格。每个卷积操作之后加入ReLu激活函数，引入非线性因素。图片的输入尺寸为56×56，网络结构可大致标记C52×52—P26×26—C24×24—P12×12—C10×10—P5×5，C表示卷积层，P表示池化层，字母后的数字表示特征图的大小。经过3次卷积操作和3次池化操作，进入全连接层F1，F1有84个节点，在进入F2全连接层之前再次使用ReLu函数激活，F2有10个节点，最后一层为输出层，输出样本的分类结果。

3 样本采集与试验处理

为了研究基于卷积神经网络的杂草识别方法，试验选取大白菜（图3a）及其伴生杂草作为实验对象，杂草样本主要是三叶草（图3b）和鼠曲（图3c）2种。使用手机在农作物田中采集图片最大分辨率为3 120×4 160，考虑到农作物和杂草的全局性采用垂直拍摄作为图片采集方式。为了适应不同环境下的杂草识别，分别从强光、一般、弱光3种不同光线强度进行图片采集，每个类别采集60张图片。

理论上可以直接把处理很少或未经处理的图片直接输入卷积神经网络中，但实际上为了避免计算量大、学习效率低下等问题的出现以及提高神经网络的鲁棒性和识别率，往往都会对采集到的图片进行预处理。因此，该研究对采集得到的图片进行预处理，预处理过程一般包括压缩图片、降低分辨率、灰度化、二值化和滤波等操作[7]。由于在采集样本时拍摄高度和范围不一致，为了符合实验需求将图片按1∶1比例裁剪后，统一分辨率为56×56;图像灰度化使用加权平均法，灰度化后的图片会存在一些噪声，从而会影响图像的识别，使用中值滤波法去除噪声后进行二值化处理，整个过程均借助MATLAB编程实现，处理结果如图4所示。为了减少过拟合，得到较稳定的网络结构，卷积神经网络训练时需要大量的数据，但是由于采集图片数量不是很多，所以对每张图片预处理之后进行各方位90°翻转，以此来增加样本数量。最后把经过预处理的图片做成样本集，一共有720张图片，其中每一类数量为240张。

4 样本采集与试验结果

神经网络的框架搭建和训练在Python的工具包-PyTorch环境下进行，整个试验过程使用的设备是msi游戏笔记本，其参数为：Intel（R） Core（TM）i7-7700HQ CPU@2.80GHZ，CUDA为8.0版本。在训练之前将样本集分为6份，按5∶1比例分为训练集和测试集，训练集中大白菜、鼠曲、三叶草各有200张，各类图集余下的40张则为测试集。网络迭代次数设定为60次，学习效率0.001，训练时随机不重复地从训练集中抽取数据，输入到神经网络中后，得到其均方差曲线（图5），曲线图表明训练次数至30次后误差速率下降比较平稳，继续训练曲线平稳过度趋于一条水平线，训练次数达到42次时误差最小，为0.280。

为了实时得到网络训练后的正确率和最佳迭代次数，每训练1次网络之后进行网络测试，得到其正确率曲线如图6所示。图6表明训练22次后，正确率高于80%，最高的识别率在迭代次数为45次时，达到91.82%，之后正确率基本保持在90.00%左右。

把该网络与众多学者研究使用的杂草识别方法进行比较，结果如表1所示。从表1可以看出，网络在识别率上并不弱于前2种方法，由于不需要人为提取特征，因此省去很多工作，此外每张图片平均0.82 ms的处理时间也具有优越性;基于立体视觉进行识别的方法虽然识别率较高，但对技术、设备的要求相对也较高。该研究使用的网络结构在运用于实际生产中时，并不需要对所有杂草进行识别，换种思路只需要识别出农作物便可以除草，所以实际效果更好。

5 结语

针对农作物中杂草的识别问题，该研究在基于卷积神经网络的识别方法的基础上构建了一个卷积神经网络框架，该网络识别杂草的正确率达92.08%，与其他方法相比，不仅在正确率上有所提高，每幅图0.82 ms处理时间也优于其他几种方式。有别于传统方法，该方法不需要人为提取特征，因此可以减少特征提取过程中的许多复杂运算，此外还有良好的泛化性，是一種较理想的田间杂草识别方法。

虽然使用卷积网络神经进行杂草识别试验取得不错的效果，但是也存在一些不足之处：

①试验的数据量并不是很充足，数据量的多少对网络结构的稳定性和准确性起着关键作用，因此下一步打算采集更多的数据进行试验;②卷积神经网络的设计结构不同，相应的效果也有所区别，因此下一步打算尝试构建更优的网络结构。

参考文献

[1] 邢占强.智能化除草机器人技术发展现状及趋势展望[J].农业科技与装备，2015（5）：37-38.

[2] 郭丽丽，丁世飞.深度学习研究进展[J].计算机科学，2015，42（5）：28-33.

[3] 周月鹏，卢喜利.深度学习技术在智慧校园建设中的应用研究[J].微型电脑应用，2018，34（12）：131-133，143.

[4] 李宗辰.基于卷积神经网络的文献分析[D].长春：长春工业大学，2017：16-20.

[5] 周曼，刘志勇，陈梦迟，等.基于AlexNet的迁移学习在流程工业图像识别中的应用[J].工业控制计算机，2018，31（11）：80-82.

[6] 王天兴.基于GoogLeNet网络结构的改进算法研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2018：18-20.

[7] 杨建姣.基于BP神经网络的田间杂草识别技术的研究[D].长春：吉林农业大学，2017：7-18.

[8] 乔永亮，何东健，赵川源，等.基于多光谱图像和SVM的玉米田间杂草识别[J].农机化研究，2013，35（8）：30-34.

[9] 吴兰兰，刘剑英，文友先，等.基于支持向量机的玉米田间杂草识别方法[J].农业机械学报，2009，40（1）：162-166.

[10] 王璨，李志伟.利用融合高度与单目图像特征的支持向量机模型识别杂草[J].农业工程学报，2016，32（15）：165-174.

作者：张有春

农作物和农业机械论文篇2：

芒市山区半山区农机化发展思考

摘要一直以来山区、半山区同坝区平原的农业发展差距很大，农机化水平低下，为更好地了解制约山区农业发展的因素，服务农业发展，促进山区同坝区人民携手奔小康，多方调研，对比分析后，发现基础设施落后、人员综合素质差及基层农机推广体系老化等是困扰其农业现代化发展的重大因素，提出了助力山区农业实现快速发展的措施建议：加大对山区基础设施的投入、提高农机从业人员整体素质、加快农机生产企业实用机具的开发。

关键词山区;半山区;农机化;农机推广;对策

云南省德宏州芒市作为一个以农业为支柱产业的地区，农业能否健康发展关乎地方经济发展的稳定性。党中央一直以来非常关心“三农”问题，出台了一系列扶持农业发展的政策方针，尤其是2004 年随着《中华人民共和国农业机械化促进法》的出台，2005年农机购置补贴政策的顺利实施，极大地推动了农机化的发展[1]。

芒市的农业机械在此东风的带动下发展迅速，全市农机装备水平有了明显提高，农机社会化服务组织得到长足的发展，农机拥有量在云南省排名一直名列前茅。但是特殊的地理环境及经济发展差异，制约了山区农业机械化技术的推广，导致目前芒市农机发展很不均衡，较大多数的机器分布在坝区平原，山区、半山区的农业农机无论是机型还是功率都处于劣势，农机或者农业合作社山区半山区更是少之又少，较大比例集中在坝区平原。

为促进农业发展，研究山区农业机械化发展现状及制约因素，特别是掌握主要农作物和特色产品生产过程面临的困难及对农机的需求，进而提出切实可行的推进措施和方法，对促进芒市经济均衡发展，促进农民增产增收，缩短城乡差距有着十分的重要意义。

1 芒市农机发展基本情况

芒市地处云南省西北部，是一个典型的高原丘陵山区农业城市，土地面积2 987 km2，其中山区占74%，坝区占26%，全市耕地面积4.31万公顷，其中水田1.94万公顷。种植的主要农作物品种有水稻、玉米、西瓜、马铃薯、甘蔗，茶叶等。2017年芒市农机拥有拖拉机25 339台，配套农具17 688部，水稻插秧机633台（其中高速乘坐式26台），田间管理机动喷雾机463台，联合收割机435台。从表1中，可以看出芒市的拖拉机、配套机具、插秧机及联合收割机80%分布在平原，土地面积广泛的山区仅占20%，在众多农业机械中，也仅仅有茶叶加工机这一机械类型在山区应用较多，农机分布差异化明显，这与全市的地理分布形成鲜明反差。

1.1 从业人员受教育程度对农业发展的影响

教育决定一个人的视野，进而影响其生活习惯。通过表2可以看到，从业人员文化素质方面差异很大，初中以上文化程度的农机手70%分布在平原，高中以上文化程度的农机手仅有30%分布在山区。调研中我们发现文化程度越高、接触社会时间相对长的群众对农业的发展前景，尤其是农机科技在未来农业生产中的积极作用给予充分肯定，认可在国家政策的多层保护下农业会越来越好，从事农业是个有奔头的行业。调研中发现初高中以上文化程度，无论在山区还是平原，年龄在35周岁以上的农户对农业的发展前景，90%持乐观态度，只有极少数家里农田不多，种植、养殖等农业生产收入占家庭总收入的比重不高（低于50%）的农户认为农业没有发展前途，也不愿意购买农业机械。在农村，目前高素质的年轻人外出是个普遍现象。多数年轻人即便是在城市挣不了多少钱，也不愿意回农村从事农业生产，这种情况在许多村庄很突出。留守在家的多为老人和妇女，这些人的文化程度往往不高，尽管经常参加农业生产劳动，对于可能用到的农机具的使用方式并不了解，购买或使用农业机械的积极性很差，导致就算有农机具，无人使用的状况也时有出现。

1.2 机具价格等对农机推广的影响

山区农机拥有的实际情况不容乐观，六成被访人员认为机具价格过高影响其购买。有些想购买一些农业机具，但部分机械定价过高，性价比差，一些机具补贴“变质变味”，甚至出现补贴后农户实际购机款更高的情况。

有两成的被访农户认为没有适合自己的机械。目前农机市场上适合丘陵山区应用的产品种类不够丰富，小型山地机械比较少，且机器适应性差，不能满足作业需求。市面上比较成熟的机型较多为大型、重型机械，价格又太高，一次性投入大，回收成本时间长。

以甘蔗为例，芒市的甘蔗种植面积长年保持在1.2万公顷，山区的种植面积在0.87万公顷上下。目前紧缺的甘蔗收获机，市场上存量多为大型联合收割机，价格动辄80万～90万元，且适合在坡度很小、田块很大的平原地方應用，在丘陵山区的作业适应性较差。小型收割机很少，且大多还是无证厂家，适应性、稳定性、安全性都很差。机器价格高，适应性差让农户望而生畏，直接影响推广效果。

1.3 资金缺乏、基础设施薄弱对机械化发展的影响

资金缺乏是影响山区农机机具推广应用的第一大问题。长期以来，各级政府对农机化发展的扶持对象主要是坝区和平原，各种优惠政策也主要向农业基础较好的地方倾斜;环境条件相对艰苦的山区半山区往往受到冷落，长期以来资金投入不足，农业基础设施建设相对落后，不方便农业机械的通行，更不要讲有效利用，致使农机化推广环境持续恶化。“要想富先修路”，基础设施的落后，间接导致绝大部分农民可支配收入较低等，走访中68.4%的群众认为家里没有多余资金购买农机，即便有的有购买的念头，使用成本高、效益低等原因，也时时刻刻左右他们购买农机的判断。芒市属于亚热带气候，山区特别适合种植坚果、核桃、茶叶、沙糖橘等经济作物，但地形复杂，加上田块相对分散，大多数农户是零星小规模种植，很多种植地坡多地陡，有果无路，加上管理不善，产量低，产值并不高，更是打击了农户购机的热情。

2 存在的主要问题

芒市山区、半山区地广人稀，人均土地面积多，且雨量充沛，适合甘蔗、坚果、核桃、咖啡、茶叶等多种农作物生长，拥有丰富的农业资源，具有优良的农业种植环境，但农业机械化进程十分缓慢。综合分析，农田道路等基础设施，农业从业人员素质、新机具性价比与回本效益以及基层农机推广体系等原因，导致农业生产落后，使得农民对农业机具望而兴叹，影响了农业机械化的深度发展，形成了机械化程度较低的现实背景。

2.1 基层农机推广力量薄弱，山区农机发展缺乏技术支撑

在乡镇农机推广站人事、财务和工作考核“三权”下放的时代背景下，尽管近年来国家加大资金投入，各地农机服务组织体系硬件建设得到了增强，但以人才为支撑的软件建设，一直处于百废待兴的境地，基层农机推广的职能没有能正常发挥。由于工作条件艰苦、待遇相对差、超编严重、没有空口等原因，大专院校专业对口的毕业生很少有从事基层农机行业的。当前许多乡镇农服中心工作人员老龄化现象严重，工作人员平均年龄在43岁以上，新老更新“堵塞”，推广能动力下降。同时，很多农服农机技术人员身兼数职，经常被乡镇抽调进行其他工作，无暇顾及本职工作。由于年龄结构不科学，工作安排不合理的问题，农机推广活动中推广不积极的现象经常出现，乡镇农机推广工作一度出现了“无人推广、无心推广、无力推广”的尴尬局面[2]。缺少了专业技术能手的帮助，没有了科技专家的规划和正确引导，本身基础就差的农户，搞不清楚农业农机的相关信息、政策，在小农经济思想主导，农业发展不得章法，经济效益低，求路无门，自己无心、无力购买农业机械。

2.2 基础设施滞后，阻碍农机化发展

在丘陵山区，由于坡度大，田块面积相对小，不集中，缺少政府资金支持，农田基础设施工程的建设较为滞后。很多地方无机耕道，即便有机耕道路，也多建设于20世纪70—80年代。因为建设年代过久，路又小又窄，现代农业机具根本不能正常通行。基础设施不完备，小路崎岖颠簸，田块零零碎碎，田埂较多，机器要经常转弯调头，作业难度较大，作业安全性相对差。一家一户的田地又过于分散，机具要频繁地转场，机械空运转时间长，作业效率低，作业成本增加，使机主不愿作业[3]。故有的农民购机后只耕作自家和亲戚朋友的一点田地，机具闲置率高，经济效益低，严重影响了农业机械效率和作用的发挥。

2.3 机具适应性差，农机农艺不配套，制约农机化的发展

市场上太多的农业机械是针对地势平整、面积较大的平原农业设计，机型尺寸大都庞大，机构复杂，没有考虑到山区半山区的农业耕作特点，导致这些机械在山区半山区的适应性太差。由于市场不重视，技术更新不足，国内一直以来农业装备的研发忽略了小型、轻便型农机具的研发[4]，国外的进口设备价格又太高，农民群众大多不能接受，推广不开。目前，国内从事山区农机具生产因研发能力有限，技术成熟度不高，推出的农机具多是质量差、技术落后、功能单一的产品，且适应性差，致使农机作业的质量波动影响大。长期以来，国内农业生产农机农艺不匹配的问题一直比较突出，在山区更为明显。农艺的角度强调精耕细作、高产高效、可持续发展;农机化生产的角度需要净作、大面积，便于机具作业[5]。农民种植的株距行距多种多样，往往和农机具不一致，比如芒市普遍种植的马铃薯行距就有70 cm、75 cm、80 cm，农机很难和农艺配套，机械不能很好的应用，作业效率没办法提高。

2.4 文化素质相对低，眼界受限

芒市山区群众的文化素质普遍不高，70%～80%的农户文化程度是小学及以下，极少部分是初中，高中以上文化程度少之又少。知识影响视野，眼界决定选择，进而影响实际生产生活。群众低下的文化素质束缚了他们的眼光，视野很不开阔。小农意识特别强，生产的东西能自给自足就很满意，不想着要扩大生产，提高产量。再有一部分人平日里贪图安逸，对农业生产时间精力投入不够，农作物管理不到位，常常是任由农作物听天由命，收成差，效益低，更看不到机具的好处，甚至觉得购买机具费钱，不值得。只有少部分的思想开明者，方才想着使用机具，提高劳动生产效率，进而提高产值。

3 对策与建议

农业机械化是现代农业的物质基础，是衡量农业现代化的重要标志。农业的根本出路在于机械化，党的十九大以来，中央政府多次强调在工业化、城镇化深入发展中同步推进农业现代化。“三农”问题每年作为中央一号文件的中心问题，可以说农业的发展牵动着政府和亿万老百姓的神经。借助国家重点推行美丽乡村建设的大背景，如何抓住机遇，加快丘陵山区农机化发展步伐，促进丘陵山区农民增收节支，共享改革成果，成为各级政府义不容辞的责任。

3.1 加大对山区基础设施的投入

农业基础设施的完善是实现机械化不可缺少的条件。农田水利等基础设施建设相对一般村寨农户来讲工程巨大，如果没有大量资金支持，很难能依靠群众力量自力更生完成，因此面对山区农业基础设施简陋的局面，可行的办法是政府主导主推，可以通过国家、集体、个人多方并举的方式畅通资金筹措渠道。目前，国家对农村改造的项目比较丰富，可以通过专项资金加大对山区农村基础设施的投入，重点改善农村机耕道、水利等基础设施，为山区农业机械化生产创造良好的条件。完善的基础设施进一步促进发展。通过土地整理，引导村民把原有的分散小块土地改造成较大地块以适宜机具作业，平整的土地可进一步促进土地流转，从而促进土地集中连片，为规模化经营提供先决条件。实行规模化经营后便于机具操作，从而能极大地提高农机的使用效率，节约开支，提高农民收入。

3.2 提高农机从业人员整体素质

借助各种培训手段和方式，加大培训力度，提高农机从业人员的整体素质。特别是加强对基层农机推广从业人员的技能提升培训，当前从业人员很多知识技能陈旧，自身的素质与时代脱节，目光相对短浅。通过有序的职业技能培训和业务交流，加强从业人员知识储备，同时又能开阔视野，转变工作思路方法，更好服务群众。另一方面，以云南省农机行业职业技能培训中心为平台，特别是依托全国劳动力技能提升阳光工程项目，加大对农机使用群众的政策宣传和培训力度，组织农村相关农机从业人员积极参与培训，全面提高农机管理、农技推广、农机操作、维修人员素质、让农民及时了解掌握国家政策并不断提高农民的操作技能，不断提升从业人员创新能力。同时，积极推动基层农机推广部门改革创新，完善部门人事、编制、财务体制机制，吸引鼓励新鲜力量的加入，增强内部造血、换血功能，积极促进基层农机推广部门人员更新流动，完善人员结构合理分配，保持农机推广部门的生机与活力，为农机推广健康良好发展提供基本人员素质保障。

3.3 加快农机生产企业实用机具的开发

没有万能的产品。适合大规模作业的机器到山区半山区作业，不仅大材小用，还可能出现水土不服。因为山区的作业环境和平原坝区不一样，对机具的作业要求也不同，平原集中连片讲究的是作业效率，而山区地势陡，田块分散，强调小巧灵活、可操作性强。因此，农机生产企业设计生产产品时不能一味的照抄照搬，设计山区用机具时应尽可能做到经济适用、功能多样、操作简单灵活。通过更换不同的作业配件实现一机多用，满足不同作业需求，提高机具的使用率，降低成本。比如早些年市場上销售的微耕机，只能进行旋耕作业，功能单一，还经常趴窝，一度推广不开。如今企业进行生产创新后，有多种配套旋耕刀具满足不同类型作业需求，通过更换刀具，能进行旋耕、起垄、开沟、覆土等作业项目，并且加装了紧急启停装置，更加安全可靠，目前单单芒市就已推广4 000多台。企业在新产品生产制造中，在创新的过程中，更要兼顾科学合理、经济适用的原则，才可实现山区农业的可持续发展。

总的来说，山区半山区农业发展缓慢是不争事实，产生的原因是复杂的，既有群众思想观念保守，眼界受限，接受新知识新技术能力差的因素，也有自然条件相对差，农田水利等基础设施不完善，太落后之痛，更有农机与农艺不协调，相互不匹配，农用机器质量差、功能单一，适应性差掣肘。农业要发展，农业机械化必须同步跟上。通过企业加大科技创新，政府改革不合时宜的体制机制，多举措加强对山区半山区农业发展的支持，山区人民实现同步小康，享受幸福果实将不再是梦想。

参考文献：

[1] 刘晶.如何加快丘陵山区农机化发展进程[J]农机科技推广，2012（6）12-14.

[2] 徐正华.山区农机化发展的思考与对策[J].基层农技推广，2015，3（8）：88-90.

[3] 钟卫稼.江西农村基础设施建设中存在的问题分析[J].农村经济，2011（4）：41-42.

[4] 张卓，刘杰.对我国农业保险产品创新的思考[J].决策参考，2007（2）：234.

[5] 许茂权.山区农机化发展的思考与对策探究[J]南方农业，2018（12）118-120. （责任编辑：敬廷桃）

作者：杜迁杨明丽杨丽芬蒋万兴许申寿闫培睿

农作物和农业机械论文篇3：

北京市作物秸秆利用现状及可持续发展研究

摘要：为了明确农村种植业废弃物的种类和数量，为农作物秸秆的综合利用提供参考，对北京市农作物秸秆资源进行全面调查，研究了各地区的秸秆资源量及利用现状，根据经济社会发展趋势对作物秸秆资源的分布特点以及利用途径进行了分析。结果表明，2012年北京地区农作物秸秆主要是玉米和小麦，占全部秸秆产量的94.9%，秸秆利用主要以秸秆还田为主。除家庭燃用、秸秆还田以及养畜等用途外，北京仍有10%的剩余秸秆资源。通过分析农作物秸秆的综合利用价值以及利用过程中存在的问题，提出了北京郊区作物秸秆综合利用的建议和对策。

关键词：农作物秸秆；利用方式；北京

Utilization Status of Crop Straws and Sustainable Development in Beijing

Zhao Chun

（Dongying Vocational College， Dongying 257091， Shandong， China）

Key words： Crops Straw； Utilization； Beijing

0 引言

中国是一个典型的农业国家，有着丰富的秸秆资源，作物秸秆是农作物生产系统中的一项重要生物质资源。近年来，一些城市郊区和粮食主产区农村经济发展迅速，加之秸秆的分布零散、体积大、收集运输成本高、利用的经济性差和产业化程度低等，导致剩余秸秆处理难[1-2]。研究农作物秸秆的综合利用不仅能够改善农业生态环境、促进农村经济可持续发展，同时对提高清洁能源的比重、增加资源化再利用率也大有裨益[3-4]。赵荷娟等[5]通过调查研究分析了南京市农作物秸秆综合利用存在的问题，提出了相应的发展建议；戴志刚等[6]对中国2009年主要农作物秸秆产量、养分总量进行评估，同时对秸秆还田配套措施进行了总结。目前对秸秆利用的研究主要集中在秸秆利用数量、利用方式分析以及培肥土壤的方面，而分析、评价典型地区秸秆利用现状以及技术发展的研究工作较少[7-9]。对于农业经济状况较好、现代农业技术发展较快的北京市而言，其秸秆资源利用状况及存在问题具有前瞻性和代表性，而对于这一方面缺乏技术集成与示范以及针对具体农村的实证和案例研究。因此，笔者通过调查研究提出了如何高效利用农作物秸秆资源，这对于中国农村废弃物综合利用具有重要的示范意义。

1 数据来源与估算方法

1.1 数据来源

通过农业局工作人员的带领与乡镇农业技术人员和村的主要干部进行访谈，所获信息可以充分反映和代表当地的总体发展情况。实地调查以问卷调查为主，共获得190份有效农户问卷调查表。资料收集来源于农业统计报表等，主要是2012年北京市农业统计数据、统计年鉴和国内外公开发表的文献资料。

1.2 农作物秸秆资源数量估算方法

作物秸秆是指其收割时丢弃的根、茎、叶、花。中国在研究作物秸秆资源时，将作物秸秆产量和经济产量的比值，均称为“草谷比”。草谷比通过查阅中国农业大学谢光辉《中国非禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数》[10]、《中国禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数》[11]和《可再生能源资源的系统评价方法及实例》[12]得到。农作物秸秆资源数量的计算方法是不同农作物的产量值与该种农作物对应的草谷比相乘，公式如式（1）。

Qi=Pi ×Ri…（1）

式中，Qi为农作物i的废弃物年估计总量（t），Pi为农作物i的年产量（t），Ri为农作物i的草谷比。

2 北京市农作物秸秆产生情况

对作物秸秆的调查总体上采取按单位面积进行随机抽样调查的方式[13]。农作物不同其秸秆总量的是不同的，在粮食作物中，统计计算包括了北京市主要种植作物，按照前述公式计算北京市2012年各种农作物秸秆资源的总量。

2.1 北京市作物秸秆主要类型及数量特征

表1中数据为北京市2012年农作物秸秆产生量。玉米和小麦是北京市栽培面积最大的农作物，分别占到总播种面积的66%和26%。根据草谷比计算，2012年全年农作物理论秸秆产生总量为150万t。其中主要以玉米为主，年产生总量达到111万t，占总量的73.69%；其次是小麦，为32万t，占总量的21.28%，这2种主要粮食作物的秸秆产量比率就达到94.97%。

2.2 农作物秸秆的利用价值

农作物秸秆含有大量的粗纤维、粗蛋白、粗脂肪等成分，不同作物秸秆的有机质组成和营养成分各不相同，因此在后续的开发利用中应根据各自的性质和组成加以区别[14-15]。不同作物秸秆中的营养成分如表2所示。

例如农作物秸秆是大型牲畜的主要饲料之一，用作饲料的秸秆其粗蛋白、粗脂肪的含量要高而纤维素、木质素和灰分的含量要低，玉米秸秆即为粗蛋白含量较多，营养成分含量较高的秸秆；农作物秸秆中含有丰富的有机物质，用于秸秆还田能够为土壤提供大量的养分，约占农业有机肥总养分的13%～19%；用作能源材料的秸秆要求其纤维素、木质素含量和热值要高而与蛋白质、脂肪的含量关系不大，农作物秸秆的热值相当于标准煤的50%，而含硫量远低于煤，是清洁能源的首选原料。

3 北京市秸秆综合利用现状分析

3.1 当前秸秆处置利用方式

农业生产每年都会产生大量的农作物秸秆，这些秸秆若不及时处理，会在农业生态环境中造成严重的堆积。调查研究结果表明，北京市主要有表3中的几种利用和处理方式。北京市机械化秸秆粉碎还田面积较大，由于小麦和玉米为大面积种植的粮食作物，方便实现直接还田，其中北京市小麦秸秆粉碎还田比例最大，达到90%以上，玉米的直接还田比例也达到了60%以上，而其他作物由于种植面积不集中，不利于大型机械作业，导致秸秆还田的比例较小。

对于用作饲料，玉米秸秆营养成分较高，利于集中收集，主要用于大型养殖场的饲料，利用率达到21.2%，其他作物（主要是豆类、薯类和花生）秸秆多用于饲喂家畜和家禽。北京市秸秆能源化比例较高，能源化的方式主要包括秸秆生产固体成型燃料、秸秆生产热解气、秸秆生产沼气等，玉米、小麦和其他作物（主要是稻草、棉花秆和油料作物秸秆）能源化比例分别达到了8.9%、5.8%和37.6%。焚烧还田和用作其他的比例较低。以玉米秸秆为例，2012年焚烧的秸秆达到 10万t以上，因此秸秆综合利用仍有很大的发展空间。

3.2 秸秆利用方式存在的问题

北京市“十二五”发展规划提出全力推进粮食生产全程机械化，到2015年北京市基本实现粮食生产全程机械化。2014年中共中央、国务院印发了《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化的若干意见》[16]也指出加快发展农业机械化。调查结果与当前的北京农村的政策扶持和能源结构有很大关系，目前大型农业机械普及，因此秸秆还田率较高，秸秆直接还田可增加土壤有机质含量、培肥土壤，对农业的可持续发展有重要意义，但还有很多问题尚未解决，如秸秆的碳氮比高，持续全量还田不利于土壤微生物降解，可能导致作物缺氮而生长不良，秸秆还可能传播部分病害，导致作物减产等。

选择利用秸秆喂牲畜的也比较多，主要是当地养殖企业收购，而且经过牲畜的过腹还田也会变成很好的有机肥料，但饲用秸秆蛋白质、可溶性碳水化合物、矿物质等含量偏低，粗纤维含量较高，因此消化率低、适口性差。利用秸秆沤制肥料存在纤维素的降解问题，收效很低，所以很少有人利用其快速沤肥和堆肥。

秸秆作为能源利用的主要方式是直燃发电和生产沼气、乙醇等。由于科技转化力度不够、实施成本太高，且这些方式大多适合规模化使用，不适合散户和个体农户使用，而大规模、工厂化利用农作物秸秆还需要在政策和技术等方面不断提升。目前秸秆生产沼气和气化技术已经在京郊部分乡村成功应用，机械压块也在推广应用中，但集中供气设备和网络并未覆盖到全北京的各个县区。

通过表3显示，京郊农户对秸秆的处理方式中选择直接在地里烧掉的也占一定比例，特别是经济相对发达的县区多数以天然气作为主要燃料，焚烧秸秆的情况尤为严重，但却忽视了对环境的影响。采取生物技术的手段利用秸秆发酵生产糠醛、苯酚、单细胞蛋白等也是秸秆的一大用途，但中国在这方面的技术研究和应用推广相对落后，且易造成环境污染和纤维素降解等技术难题。

4 北京市作物秸秆资源的利用建议

为加快推进农作物秸秆综合利用，指导各地秸秆规划的实施，2011年11月29日，国家发展改革委、农业部、财政部以发改环资[2011]2615号印发《“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案》[17]，大大推动中国农作物秸秆的利用水平。由于北京的秸秆利用率已经很高，进一步提高的空间受到限制，因此应重点突破秸秆的传统利用方式，追求处理技术高、综合利用潜力大的利用方式。

4.1 持续完善扶持政策

由于秸秆综合利用项目一次性投入较大、风险高，必须加大重要秸秆能源化技术的研发和产业化示范项目的投入力度以及秸秆发电、秸秆生产乙醇等生产企业的税收优惠政策和财政补贴。目前，秸秆饲料、秸秆还田都出台了具体的补贴政策，秸秆能源化利用还没有，不利于农村生活能源的发展，应继续实施《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》，而且还要加大秸秆补贴的范围和力度，例如在投资建设、设备购置、秸秆收集、加工、运输等方面，出台一些可操作性强的补贴政策，以鼓励企业及从业人员积极参与；地方政府更应做好当地配套政策，企业和市场才能有良性发展。建议政府部门妥善处理现存问题，区域层面科学规划综合利用途径、产业布局、处理规模和政策支持[18-20]。

4.2 秸秆能源化处理技术

农作物秸秆作为生物质能资源的主要来源，具有可再生和环境友好的双重属性，可以按任何规格加工、包装，真正实现生物质资源的有效收集、方便运送、高效燃烧和便捷利用，是国家重点鼓励发展领域之一，大力开发利用秸秆能够开拓新的能源途径，保证农业经济和农业生态环境的可持续发展。

4.2.1 秸秆压缩成型处理技术以农村的玉米秸秆、小麦秸秆、棉秆、花生壳等废弃物为原料，经粉碎加压增密成型和炭化工艺加工成燃料。成型产品的体积相当于原秸秆的1/10～1/15，能提高容重和热值，便于贮存和运输。秸秆压缩成型燃料可以代替煤炭、木柴、液化气等广泛用于各种类型家庭取暖炉、小型热水锅炉或是小型发电设施，是新型环保、清洁、再生能源，是农村地区充分利用秸秆等生物质资源替代煤炭的重要途径。

全面发展生物质成型燃料符合中国北方农村养殖集约化后农户禽畜粪便较少，冬季需要采暖，农业、林业废弃物较多，农村青壮年劳动力大量外出等现状。生物质成型燃料可以针对沼气工程不能采暖、受温度季节限制，运行维护复杂，产气量有限等不足形成有利的补充，进而逐步实现“以秸秆成型燃料为主、沼气为辅”的多能互补局面。北京市周边山区，经济相对欠发达，农户日常生活不舍得用燃气，而为美化、净化村容环境，要求禁止堆放柴堆和秸秆垛，可以使用这种技术实现秸秆的减量化。

4.2.2 秸秆沼气和气化技术在秸秆燃料方面多数研究者认为秸秆气化和沼气能源能够提高农作物秸秆的利用效率，解决“三料”竞争问题[21]。以农作物秸秆为主要原料，在严格的厌氧环境和一定的温度、水分、酸碱度等条件下，通过微生物的厌氧发酵，生产沼气和优质有机肥。秸秆沼气在一定程度上解决煤、石油等燃料的需求量，在缓解环境压力，推动社会可持续发展方面发挥重要作用。秸秆产气后剩余的沼渣可作为优质有机肥料还田，有效地改善土壤理化性质，增强保水保肥能力。因此加快沼液沼渣利用研究，才能实现秸秆的二次利用。

秸秆气化集中供气技术是中国农村能源建设推出的一项新技术。是以秸秆为原料经过热解和还原反应生成可燃性气体，产生的生物质炭和燃气可作为农户或工业用户的生产生活燃料。该项技术实现了秸秆资源的高效利用，不仅可生产家庭型、多功能型秸秆生物质气化炉灶，还可建秸秆生物质气化站，组织成百上千户居民集中供气，在煤、液化气价格居高不下的今天，秸秆气化技术的推广和应用具有广阔的市场发展前景。然而要实现秸秆气化工作的可持续发展，必须进行设备改进并加强后续的设备维护管理工作。

4.2.3 秸秆直燃发电技术秸秆直燃发电和常规燃煤发电机组结构和原理基本相同，是将经过粉碎、干燥等处理后的秸秆作为燃料直接送入锅炉中燃烧，产生高温高压蒸汽并推动汽轮发电机组发电。目前由国内自主设计的65T/H秸秆直燃锅炉以用于秸秆直燃发电，并作为新一代国产秸秆锅炉推向市场。一台25 MW的机组一年需要秸秆15万t～20万t，可以满足人口在15万～25万城镇的居民日常用电。因此秸秆直燃发电也面临着秸秆大规模收集、运输和跨季节储存等诸多未彻底解决的问题。但从当前技术成熟度和经济效益2个方面综合性能比较优，秸秆直燃发电技术是当前大规模利用秸秆资源的理想选择。

4.3 秸秆其他处理技术

农作物秸秆还有其他多种的综合利用技术。如通过微生物技术来提取农作物残体中的碳水化合物、蛋白质、醇类、醛、酮和有机酸等，丹麦、瑞典和美国等科技研究小组已研制出从秸秆所含纤维素中提取乙醇燃料的技术。秸秆的饲料化也是目前常用的提高秸秆利用率的方式，主要是利用营养成分较高的薯类藤蔓、玉米秸、豆类秸秆等加工制成青贮饲料，提高秸秆的营养价值。在这方面应提高农民采用秸秆现代化利用方式的积极性，增加秸秆利用的科技含量。调查发现农业科技培训班在农村非常受欢迎，培训内容包括秸秆的微贮、畜牧养殖以及市场分析等。

5 结语

2012年北京市郊农作物秸秆产生总量约为150万t，其中玉米和小麦秸秆占95%左右。由于不同种类的农作物秸秆营养成分含量不同，导致其利用途径也不尽相同，主要分为直接还田、饲料和能源等几种利用方式，基本上做到了二次利用，能够充分地发挥秸秆的价值。但秸秆焚烧仍占一定比例，不但没有实现秸秆的再利用，而且对区域环境造成了极大的污染。

北京市作为经济发达地区，作物秸秆综合利用率较高，各县区可因地制宜选择秸秆利用方式，根据本文调查结果农作物秸秆高效利用仍有很大的提升空间。应重点突破传统的秸秆还田和秸秆饲料的利用方式，追求秸秆现代化利用方式，增加秸秆利用的科技含量。尤其是作为清洁能源的利用，在当地政府的大力支持和资金投入下充分调动农民的积极性，可以更上一个台阶。国能新能[2014]14号国家能源局公布创建新能源示范城市（产业园区）名单（第一批），北京市昌平区居于首位，重点发展太阳能、地热能和生物质能，到2015年建设生物质气化、固体燃料和联村供气示范项目和高端园区新能源综合应用工程满足居民用能需求。

总之，秸秆作为可再生生物资源，具有多种用途，因此作为肥料、饲料、燃料和工业原料常存在一定的矛盾，在考虑秸秆资源综合利用时，如果只注重单一用途，就会顾此失彼。应根据不同秸秆的营养特征，将秸秆资源经过加工，分离出能源和养分以实现其综合利用；或是通过单项利用技术的技术集成，以减少污染，增加附加值，向综合利用和多级利用方向转化，使秸秆具有更高的资源利用效率，提高其社会、生态和经济效益。

参考文献

[1] 汪海波，秦元萍，余康.我国农作物秸秆资源的分布、利用与开发策略[J].国土与自然资源研究，2008（2）：92-93.

[2] 张永春，汪吉东，聂国书，等.不同量秸秆机械化还田对稻麦产量及土壤碳活性的影响[J].江苏农业学报，2008，24（6）：833-838.

[3] 李青松，胡红波，明乐乐，等.农村固体废弃物资源化利用潜力分析—以河南省鹿邑县任集乡为例[J].河南科学，2013，31（11）：2068-2072.

[4] 张海成，张婷婷，郭燕，等.中国农业废弃物沼气化资源潜力评价[J].干旱地区农业研究.2012，30（6）：194-199.

[5] 赵荷娟，魏启舜，王琳，等.南京市农作物秸秆综合利用现状及发展[J].江苏农业科学，2013，41（12）：384-386.

[6] 戴志刚，鲁剑巍，周先竹，等.中国农作物秸秆养分资源现状及利用方式[J].湖北农业科学，2013，52（1）：27-29.

[7] 劳秀荣，吴子一，高燕春.长期秸秆还田改土培肥效应的研究[J].农业工程学报，2002，18（2）：49-52.

[8] 王小彬，蔡典雄，张镜清，等.旱地玉米秸秆还田对土壤肥力的影响[J].中国农业科学，2000，33（4）：54-61.

[9] 武志杰，张海军，许广山.玉米秸秆还田培肥土壤的效果[J].应用生态学报，2002，13（5）：539-542.

[10] 谢光辉，王晓玉，韩东倩，等.中国非禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数[J].中国农业大学学报，2011，16（1）：9-17.

[11] 谢光辉，韩东倩，王晓玉，等.中国禾谷类大田作物收获指数和秸秆系数[J].中国农业大学学报，2011，16（1）：1-8.