摘要:近年来，我国的大豆播种面积和单位产量持续增加，但自给率一直较低，长期依赖进口。大豆产业亟需转变发展模式，在提高单产的同时，还要大幅降低生产成本。大豆的种植区域一般集中连片，规模较大，适合进行机械化生产。为此，针对黄淮海地区大豆生产机械化程度不高的问题，设计了一套大豆全程机械化生产技术，覆盖种子包衣、精量播种、药物喷施和联合收获4个生产环节。试验结果表明:全程机械化作业使投入的总成本减少了2820元/hm2，产值增加了270元/hm2，共带来3090元/hm2的综合效益，可为大豆产业的持续发展提供参考。
关键词:大豆;生产;全程机械化;成本;效益
0引言
大豆也称为黄豆，原产于中国，现在分布于世界各地。大豆种子中含有丰富的营养物质，具有很高的营养价值。在食用方面，大豆可以加工成豆腐、豆浆和腐竹等食品，或者经过压榨提炼大豆油。大豆提炼食用油后剩余的副产品为大豆饼粕，是各种家禽和家畜的优质饲料。大豆的种植可以丰富人们的食品种类，也为相关的加工业提供原料，在国民经济中占有重要地位。
目前，全球的大豆产量约为3.2亿t，产量最大的国家依次为美国、巴西、阿根廷和中国，其中美国生产的大豆约占世界总量的34%。大豆的最大出口国依次为巴西、美国和阿根廷，其中巴西出口的大豆约占世界出口总量的45%。近些年来，我国的大豆播种面积和单位产量持续增加，大幅提高了大豆的总产量，至2017年已经超过1400万t。由于国内的大豆需求量远超供应量，因此我国的大豆自给率一直较低，长期依赖进口。海关的统计数据表明:我国的大豆进口量持续增长，在2017年达到了9553万t，超过国内产量的6倍。此外，我国每年还要进口大量的豆油，这一现状在短时期内不会发生改变。
我国的大豆产能较为集中，主要分布在黑龙江、安徽、内蒙古和河南4省，其中黑龙江省的产量占全国的41%。为了缓解我国对进口大豆的依赖，除了开辟新的种植区域外，还需要加强现有的主产区建设，以保证大豆的稳定供应。当前的国际市场上农产品竞争激烈，我国大豆的竞争能力本身较弱，仅有的优势很快消失，价格已超过市场平均水平的20%。因此，大豆产业亟需转变发展模式，在提高单产的同时，大幅降低生产成本才能在国际市场占有一席之地[1]。
作物品种、生产工具及栽培技术是种植业的三大基本要素，大豆已经具有优良的品种和成熟的栽培技术，生产工具便成为影响产量的关键。各国的大豆生产模式都在发生变化，我国传统方式效率低和人力成本高的缺陷日益凸显，无法满足新时代的要求，须要在生产工具上进行改进。大豆的种植区域一般集中连片，规模较大，适合进行机械化生产。我国的大豆生产机械起步较晚，设计经验和总体性能与国外相比存在差距，须继续加强研究。
黑龙江垦区和黄淮海地区是我国大豆的主产区，机械化水平位于全国前列。黑龙江垦区的大豆生产已经实现了全程机械化，覆盖耕作、栽培、施肥和收获等各个环节，技术达到了国际先进水平[2]。黄淮海地区受地理条件的限制，大豆生产机械相对匮乏，与栽培措施配套使用没有取得理想的效果，暂时无法支持大豆的全程机械化生产[3]。针对上述的问题，广大研究人员在改进机械性能的同时，也加强了对配套栽培技术的完善，使机械的效能得到更好的发挥[4-7]。“深窄密”是目前与机械化配套且应用最广泛的大豆高产栽培技术。这项技术以矮秆品种为主体，通过消化吸收国外大豆的窄行密植技术，形成深松、窄行和密植的综合栽培方式，极大地提高了大豆单产。
根据自然条件的不同，大豆的栽培方式也各异，起垄的类型包括低地台田、高垄平台、大垄和三垄等，人们对相应的起垄方式和覆膜技术均进行了研究[8-11]。在大豆的机械化收获方面，韩宝珍等较早在大范围内的同一田块和时间模拟机械的联合收获和分段收获，得到了一些普遍性的规律，为降低收获的损失率提供了指导[12]。闫兴军等对黑龙江垦区大中小型大豆收割机并存的局面进行了浅析，提出了机械关键技术问题的解决方案[13]。本文针对黄淮海地区大豆生产机械化程度不高的问题，结合实际条件和栽培方式设计了一套大豆全程机械化生产技术，覆盖种子包衣、精量播种、药物喷施和联合收获4个生产环节。
1试验环境和栽培方式
试验在位于山西省长治市的本单位种植基地中进行，土壤类型为红黄壤。大豆品种为红丰11，在本地的产量可以达到2900kg/hm2。选择2个平整的田块，单个田块面积约为0.5hm2。在一个田块中按照本地的生产方式进行种植，另一个田块中进行全程机械化作业，覆盖种子包衣、精量播种、药物喷施和联合收获4个环节。
5月上旬播种大豆，采用与机械化配套的“深窄密”高产栽培模式，垄台宽度140cm，高度2.8cm。大豆种植的行距30cm，每公顷50万株，采用全程施肥方法，适当增加氮肥的比例。在盛花期喷施叶面肥植物动力2003，施用量为150g/hm2。
2机械化作业环节
2.1种子包衣
种子包衣机械为5B-5型种子包衣机，由农业部南京农业机械化研究所设计。5B-5型包衣机采用甩盘方式进行雾化，最大生产能力为5t/h，可以用于小麦、棉花和水稻等长粒型作物及玉米和大豆等圆粒型作物种子的包衣作业。5B-5型包衣机以固定的支架为支撑结构，作业系统由种子供给装置、种衣剂供给装置、混合装置、搅拌输送装置和电气控制系统5个部分组成。控制系统连接其它的4个部分，协调机械实现正常运行。电气控制系统以PLC为核心，以变频器为控制元件，此外还有操作显示屏及各型传感器和转换器等，整体结构如图1所示。包衣剂为30%的多克福，可以防治根腐病、包囊线虫病等病害，以及地老虎和金龟子等虫害。
包衣机开启后先进行系统初始化，然后设置生产率为4.5t/h，药种比1∶60，种子容重为800kg/m3，以此计算种子和种衣剂的供给量。机械开始运行后，变频器根据PLC的指令调节到相应的频率，控制各个电机的转速实现精确的药种配比。料位传感器和液压传感器实时监测物料的供应状况，反馈给PLC以便对变频器的频率及时进行修正。同时，PLC还根据物料的供应状况控制混液电机和输送电机保持合适的转速以保证作业的顺利进行。喂料室空仓后喂料电机停止，随后供液电机、混液电机和输送电机依次延时数秒后停止，便于物料的充分混合、搅拌和输送。作业结束后，调查结果为:实际生产率4.64.5t/h，种子破损率0.16%，包衣合格率98.3%，得到了理想的包衣效果。
2.2精量播种
大豆精量播种采用的是2BXY-12型播种机，由河北农哈哈集团根据大豆的特性设计制造。2BXY-12型播种机配套动力50kW，工作幅宽240cm，正好覆盖2行垄台。机械播种采用精量点播，深度4cm，株距20cm，行距可调，设置为30cm，一次可以播种8行。该机型结构紧凑，前后距离较短，田间边掉头和转移田块都比较灵活。防缠绕装置采用切碎刀片，具有较强的适应性。开沟器后安装两个对称的仿形轮，播种时镇压种沟两侧，使播种后的种沟下紧上松，有利于大豆破土出苗。播种装置上的开沟器交错排列，可以避免行距较小时产生的壅土现象。机械的行驶速度为8km/h，最大作业效率可达2hm2/h。
播种完成后调查机械的作业质量，实际播种株距为19.6cm，行距为29.3cm，符合设定值。大豆种子的初始发芽率为98.5%，纯净度为99.1%，最终的出苗率达到92.5%，获得了理想的播种效果。
2.3药物喷施
药物喷施采用基于计算机视觉的无人机精准喷药，喷药装置包括图像获取设备、图像传输设备、图像处理设备和精准喷药设备4个部分。无人机为极飞农业生产的P20型，最大药容量为6L，作业速度为5m/s，续航时间达到30min，一次作业的喷施面积为1.3hm2。由安装在无人机下方的尼康COOLPIXP60型数码相机拍摄获得大豆的图像，转换为数字信号后发送给地面站。地面站的计算机对图像进行视觉分析，提取图像中的大豆覆盖区域和空缺区域。特征图像被划分为4行×4列的网格，计算机根据每个方格内的大豆覆盖面积形成处方图，发送给无人机。
精准喷药设备包括药箱、微型隔膜泵、电动离心喷头和喷药控制器，每个喷头由1个电磁阀单独控制，采用脉冲宽度调制开启。每套喷药设备带有4个喷头，喷头间距0.15m，每个喷头对应处方图中的1列方格，1次喷洒可以覆盖0.6m的宽度。喷药控制器根据处方图控制喷头在飞行过程中的开启时机和程度，实现对网格内大豆的精准喷药，如图2所示。
试验结果表明:从拍摄图片到形成处方图仅耗时50ms，可以满足无人机快速飞行时的作业要求。在处方图中随着大豆覆盖面积比例的增加，喷洒的药液剂量也依次增大，可以实现精准喷药。作业速度为5m/s时，雾滴沉积量与处方图剂量呈明显的线性关系。但是，当作业速度超过6m/h，雾滴在下降过程受到气流的干扰，喷药的精准性开始降低，在实际应用中需要尽量避免。
2.4联合收获
大豆的收获采用联合收获的方式，机械型号为约翰·迪尔佳联公司生产的JDL3070型联合收割机。该机型的脱粒和分离功能由切流和横轴流组合装置完成，结构简单且可靠性高。清选装置为双鱼鳞筛，具有较大的清选面积。JDL3070型收割机针对大豆配置了挠性割台，在较大起伏的地面上也能保证割茬高度一致，控制在40cm左右。挠性割台减少了马耳夹漏割引起的损失，也可以防治割刀拥土造成大豆的“泥花脸”。
另外，JDL3070型收割机还将原有的复脱器半轴改为通轴，使内部的物体流更加通畅，提高了输送和清选的性能。变速装置为HK型无级变速带，赋予脱粒滚筒530～1200r/min的转速调节范围，大幅降低了收割引起的大豆破碎率，因此适合用于大豆的联合收获。
3试验结果与分析
与人工作业相比，全程机械化作业所需机械作业成本为395元/hm2，节省的人工成本、种子成本和药剂成本分别为3100、80、35元/hm2，因此投入的总成本减少了2820元/hm2，如表1所示。另外，全程机械化作业的田块增产大豆180kg/hm2，按照1.5元/kg的销售价格计算，则增加的产值为270元/hm2。因此，与常规的生产方式相比，大豆全程机械化生产可以增加3090元/hm2的综合效益。
4结论
针对黄淮海地区大豆生产机械化程度不高的问题，结合实际条件和栽培方式设计了一套大豆全程机械化生产技术，覆盖种子包衣、精量播种、药物喷施和联合收获4个生产环节。在实际应用中，全程机械化作业投入的总成本减少了2820元/hm2，而产值增加了270元/hm2，共带来了3090元/hm2的综合效益，可为大豆产业的持续发展提供技术支撑。
大豆生产全程机械化技术研究相关期刊推荐：《大豆科学》(双月刊)是黑龙江省农业科学院主办的大豆专业学术性期刊，作为我国大豆学术界的学报，现已被收入国内外重要数据库和文摘刊物收录文献源的重点核心期刊。主要刊登有关大豆遗传育种、品种资源育、生理生态、耕作栽培、植物保护、营养施肥、大豆生物技工术和大豆食品加工等方面的学术论文、科研报告、研究简报、国内外研究述评、学术活动简讯和新产品种介绍等。读者对象是从事大豆科学研究、生产的科技工作者和大专院校师生。
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