呂騰波

截至2020年，全球共有3227萬公頃的土地種植著棉花。這種被稱為“第一種全球化商品”的植物，不僅是國計民生不可或缺的基礎(chǔ)產(chǎn)品，而且在保證農(nóng)業(yè)和紡織工業(yè)平穩(wěn)發(fā)展、確保相關(guān)行業(yè)就業(yè)水平乃至交易創(chuàng)匯方面扮演著重要角色。此外，棉花在國防、醫(yī)藥、汽車工業(yè)等方面也有十分重要的用途，可以說，棉花的生產(chǎn)、流通、加工和消費都與國民經(jīng)濟的發(fā)展息息相關(guān)。我國已連續(xù)多年成為棉花第一生產(chǎn)國和消費國，在當前復(fù)雜的國際背景下，從源頭展開對棉花的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)相互融合，將是維持我國經(jīng)濟社會穩(wěn)定、提升國家經(jīng)濟競爭力、踐行可持續(xù)發(fā)展道路的重要一環(huán)。而具體到我國的“產(chǎn)棉大省”新疆，如何確保棉花高產(chǎn)量、高質(zhì)量地有序發(fā)展，推動棉花產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)方向轉(zhuǎn)變，也成了新疆相關(guān)領(lǐng)域科技工作者一直在思索的問題。

“沒到過新疆，不知道中國有多大?！痹诓痪们皹s獲2022年度“新疆最美科技工作者”榮譽的張立新眼中，遼闊的新疆大地煥發(fā)勃勃生機——無論是產(chǎn)量占據(jù)全國棉花總產(chǎn)量87%、世界棉花總產(chǎn)量20%左右的豐饒棉田，或是蘊藏著豐富可再生資源的獨特地理環(huán)境，都為新疆的發(fā)展提供了更多的可能性。對他來說，新疆不僅是滋養(yǎng)他成長的沃土，更是他奮斗拼搏的版圖。數(shù)十年如一日地工作在棉田一線，靶定精準農(nóng)業(yè)技術(shù)和新能源技術(shù)，張立新想得很簡單：他期待將自己的科研成果，助力新疆農(nóng)業(yè)及新能源產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，為新疆農(nóng)村振興的事業(yè)再添羽翼。

水肥故事

——棉田增產(chǎn)的科技密碼

當被問到如何實現(xiàn)棉田增產(chǎn)的問題時，張立新迅速給出了清晰的回答：選擇高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多抗廣適、品質(zhì)優(yōu)良的棉花品種，采用全程機械化復(fù)合型農(nóng)機裝備，以及運用包括合適的水肥策略在內(nèi)的農(nóng)業(yè)科技成果，是提高棉花品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵?！靶陆卮笪锊?，棉田面積很大，這為大規(guī)模的機械化運用提供了條件。在采用良種和運用機械化的基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆當?shù)氐木唧w情況，通過水肥一體化技術(shù)巧施肥水，將成為棉花豐收的關(guān)鍵密碼。”張立新說道。

從新疆的地理氣候出發(fā)，張立新進一步解釋了水肥在棉花生產(chǎn)過程中的重要性——深居內(nèi)陸的新疆，降水稀少、蒸發(fā)強烈、水資源匱乏，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉用水不足和水資源利用率過低是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展最突出的“瓶頸”。故而具體到棉花種植過程中，在保證棉花生產(chǎn)用水的同時，充分提高其利用率是灌溉過程中需要解決的核心問題。此外，區(qū)別于傳統(tǒng)施肥技術(shù)“盲目施肥、普遍濫施”的情況，根據(jù)棉花不同生長期所需的營養(yǎng)元素進行科學精準施肥，是棉花高產(chǎn)栽培措施中可起到30%～50%作用的有效手段。就此，張立新及其團隊圍繞棉花的灌溉施肥技術(shù)及裝備自動化和智能化領(lǐng)域展開研究，以期從水肥一體化技術(shù)和裝備入手，為棉花的增產(chǎn)增收提供新的發(fā)力點。

水肥一體化精準實施的難點是“感知”和“控制”。土地的溫度和濕度如何？土壤中營養(yǎng)成分的含量是多少？如何準確獲取這些信息？如何在獲得相關(guān)信息后及時準確地灌施水肥？這些成了擺在張立新面前的首要問題。針對這一問題，張立新團隊通過不同傳感器的實時監(jiān)測，采集了大量棉花生長參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，研究了灌施作業(yè)數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，制定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議和接口規(guī)范，構(gòu)建了灌施作業(yè)決策數(shù)據(jù)分析模型，融合了維護服務(wù)支持技術(shù)等，采集水肥一體化作業(yè)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，建立了水肥作業(yè)數(shù)據(jù)庫。經(jīng)測算，傳感器監(jiān)測覆蓋面積達85%以上，誤報率低于10%，數(shù)據(jù)更新延遲5分鐘以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，團隊結(jié)合農(nóng)藝技術(shù)、理論模型和農(nóng)戶經(jīng)驗，設(shè)計了對應(yīng)的控制算法和施灌模型，最終研發(fā)了一種基于Lora無線通信技術(shù)和GPRS技術(shù)結(jié)合的棉田智慧灌溉系統(tǒng)，這一系統(tǒng)借助土壤墑情傳感器監(jiān)測棉田土壤信息，通過研發(fā)的基于光伏的無線電動控制閥和渠首電機監(jiān)控系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成的智能網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)遠程控制施灌，保證了農(nóng)作物科學灌溉的質(zhì)量和效率。

針對現(xiàn)有施肥裝置存在施肥勞動強度大、自動化程度低、水肥均勻性較低等問題，張立新團隊以PLC、觸摸屏、變頻器、軟管泵、信息采集傳感器等電氣機械器件作為硬件裝置，結(jié)合模糊控制、PID等控制算法，搭建了由交流調(diào)壓供電子系統(tǒng)、PLC控制子系統(tǒng)、變頻調(diào)速子系統(tǒng)、信號采集和電動/電磁閥管路控制子系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了節(jié)水灌溉精準施肥控制，其中最為突出的創(chuàng)新成果即是軟管泵的研發(fā)和運用?！?011年開始，我和團隊就開始進行水肥一體化的相關(guān)研究，其中的‘肥還有一個有趣的變化過程。”張立新回憶道，“研究之初，我們的研究方向還是固態(tài)顆粒肥的變量撒施。等到了2017年，隨著新型肥料——液態(tài)肥的興起，我們通過對比發(fā)現(xiàn)，滴灌液態(tài)肥的肥料利用率和增產(chǎn)效果更好，相應(yīng)的研究重點也轉(zhuǎn)向了‘水+液態(tài)肥這一結(jié)合形式。而這個結(jié)合形式的難點，就是如何通過驅(qū)動裝置把液態(tài)肥按需精確注入流動的水中?！痹谠囉贸Ｒ?guī)的螺桿泵作為驅(qū)動裝置時，張立新很快發(fā)現(xiàn)，由于關(guān)鍵部件——螺桿與具有一定腐蝕性的肥料長期接觸，螺桿泵出現(xiàn)了較高的故障率，且在功能上須與流量計共同配置，成本較高，這將為未來技術(shù)推廣落地帶來一定的限制。故障率高、成本高的問題要如何解決呢？張立新想到了化工上另外一種常見的擠壓泵形式——軟管泵。借鑒這一形式，張立新團隊研發(fā)生產(chǎn)專門面向棉花灌溉施肥的軟管泵。相較于化工工程所用的軟管泵，張立新團隊所研發(fā)的軟管泵成本相對較低，并經(jīng)過“焊接式-鑄造式-板式?jīng)_壓焊接式-無縫鋼管式”的一系列技術(shù)迭代，使軟管泵的制造工藝不斷優(yōu)化，關(guān)鍵部件的工作強度和剛度得到強化。通過輕量化的優(yōu)化設(shè)計，他們研發(fā)的軟管泵具備了“又輕又好”“物美價廉”等突出優(yōu)勢，成為精準施肥系統(tǒng)的重要驅(qū)動裝置。以此為核心，張立新團隊研發(fā)的液態(tài)肥精準施肥系統(tǒng)及設(shè)備施肥精準率可達到99%，液態(tài)肥精準施肥系統(tǒng)施肥響應(yīng)時間≤2.7秒，每臺設(shè)備可提高20%～30%的工作效益，傳統(tǒng)棉花種植過程中出現(xiàn)的肥料利用率低、粗放施肥、過量偏施等突出問題也隨之迎刃而解。

與此同時，由于光伏產(chǎn)業(yè)在新疆廣闊的發(fā)展前景，張立新及其團隊又迅速投入分布式新能源微電網(wǎng)和新能源裝備在線檢測的研究領(lǐng)域。“在國家大力推進‘30·60目標的當下，新疆面臨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和大力發(fā)展新能源的巨大機遇和挑戰(zhàn)。新疆具有豐富的風能、太陽能等可再生資源，但由于其波動性、隨機性、間歇性的特性，新能源并網(wǎng)會沖擊電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以開展分布式新能源微電網(wǎng)和新能源裝備在線檢測分析研究與應(yīng)用，有利于以新能源為主導(dǎo)的新型電力系統(tǒng)運維的穩(wěn)定性。發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)（將太陽能發(fā)電、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植和高效設(shè)施農(nóng)業(yè)相結(jié)合）對于我國的農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型具有十分重要的意義，充分利用‘農(nóng)光互補優(yōu)勢，積極開展光伏+農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)與裝備研究，是我們團隊開展研究的一個新方向，也是不遠的將來促進新疆棉花產(chǎn)業(yè)升級的重要發(fā)力點。”張立新堅定地說。

踏遍阡陌

——讓產(chǎn)業(yè)升級成為現(xiàn)實

對于曾在石河子柴油機廠工作5年、隨后轉(zhuǎn)入石河子大學機電學院從事教研工作的張立新來說，“從實踐中來、到實踐中去”是他一直以來的從研思路，在企業(yè)一線的工作經(jīng)驗也為他將所研內(nèi)容轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。“跟企業(yè)打交道，講的就是腳踏實地、切實解決問題。企業(yè)并不希望我給他們講計算公式或是講一些什么原理，而是希望將研究成果切實應(yīng)用到企業(yè)或者農(nóng)戶的實際工作中?！闭劶敖陙砼c企業(yè)合作的經(jīng)驗，張立新侃侃而談，“以精準施肥系統(tǒng)為例，在推廣活動之前，不少企業(yè)對我們的產(chǎn)品并不信任。在他們看來，多年來沿襲的人工施肥也可以達到同樣的效果。然而在設(shè)備運行一年后，精準施肥系統(tǒng)改善了曾經(jīng)的施肥耗費大量人力物力、施肥效率差等問題，也迅速贏得了相關(guān)企業(yè)的‘芳心”。目前，基于PLC的水溶肥（液體肥）施肥裝置及控制系統(tǒng)已經(jīng)與多家公司達成積極合作，相關(guān)示范應(yīng)用效果良好，目前在進一步推廣應(yīng)用中。

張立新并未就此止步，他想要打通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“最后一公里”，將便捷有效的農(nóng)機農(nóng)技真正送到農(nóng)民手中。依托科技特派員服務(wù)團隊項目和三師圖木舒克市科技計劃項目，張立新及其團隊趕赴南疆第三師44團開展棉花液體肥精準施肥技術(shù)的示范推廣。這番到訪，張立新為自己和團隊立下了三個目標：其一，根據(jù)不同地區(qū)不同棉田種植情況，示范推廣節(jié)水灌溉精準施肥技術(shù)及裝備；其二，與當?shù)剞r(nóng)戶合作，逐步建立棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的節(jié)水灌溉精準施肥管理體系；其三，面向當?shù)剞r(nóng)戶展開階段性技術(shù)培訓及田間指導(dǎo)，幫助農(nóng)戶“吃透”相關(guān)技術(shù)、“弄懂”和“用好”相關(guān)設(shè)備，從而最終達到省工、節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)四重目標。

為了這個目標，張立新及其團隊到達圖木舒克后，即開始“知己知彼”的采樣工作。通過對當?shù)孛藁ǖ纳L狀況進行實地考察，張立新團隊對當?shù)孛藁ㄉL期時環(huán)境的溫度、光照、病蟲害情況及土壤情況進行了調(diào)查和檢測，并以此為依據(jù)制訂出合理的肥料配備方案。同時團隊積極了解農(nóng)戶的施肥需求，并結(jié)合設(shè)備放置的地形，根據(jù)棉田的實際情況定下設(shè)備安裝方案：設(shè)計并安裝所需要的管道與電線線路后，將設(shè)備程序載入控制系統(tǒng)，通過一次又一次的重復(fù)試驗，測量并記錄設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，依靠數(shù)據(jù)與擬合公式，計算出參數(shù)值并完成設(shè)備的精度校準……通過張立新團隊的努力，精準施肥系統(tǒng)得到了農(nóng)戶的一致認可：“施肥真的只要在屏幕上點幾下就好了，真省事！”而對當?shù)匾粚?0多歲的夫婦來說，精準施肥系統(tǒng)為他們提供的幫助遠不止“省事兒”這么簡單——“這對夫妻已經(jīng)50多歲，平時棉田的生產(chǎn)全靠家里的男主人。但是那一年家中的‘壯勞力生病了，家里的女主人獨自一人又很難全部承擔扛化肥、澆水、施肥這樣的繁重工作。這時候精準施肥系統(tǒng)正好為他們提供了一種便捷高效的解決方案。事后男主人和我們交流時曾激動地說道：‘即使我臥病在床，老伴兒去田里按一下按鈕，施肥澆水的工作就都做好了。有了這個系統(tǒng)，再也不怕耽誤農(nóng)時了。”張立新說，“以科技手段降低勞動強度和成本，助力南疆第三師44團發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，用農(nóng)業(yè)科技打贏脫貧攻堅戰(zhàn)，是我們工作的重要目標之一。”

此外，為了精準施肥系統(tǒng)在圖木舒克等地區(qū)的推廣應(yīng)用，確保農(nóng)戶獲得更好的使用體驗，降低設(shè)備的使用故障率，張立新及團隊積極開展關(guān)于棉花液體肥施用技巧和精準施肥系統(tǒng)操作方法的知識講座，詳細介紹了棉花液體肥精準施肥系統(tǒng)的工作原理、運行方式以及操作流程，通過知識講座等形式使農(nóng)戶進一步了解相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。培訓期間，張立新團隊與到場農(nóng)戶積極互動，并耐心詳細地解答農(nóng)戶的疑難問題百余次。提及與農(nóng)戶近距離交流的經(jīng)歷，張立新感慨地說：“農(nóng)戶是真正的生產(chǎn)第一線，我們要做的就是放下身段，第一時間去向農(nóng)戶請教，了解他們最迫切的需求。農(nóng)戶是非常樸實的，他們想要的不過就是解決當下實際問題的辦法。與企業(yè)合作不同，農(nóng)戶對于設(shè)備的需求，除了有用、好用之外，更要簡單可靠、皮實耐用。從這個意義出發(fā)，直接和便利，不僅成了團隊開發(fā)相關(guān)設(shè)備時的自我要求，也成為團隊開展培訓講座時的著力方向?！本痛?，“接地氣”的張立新團隊及其研發(fā)的技術(shù)和設(shè)備成果得到農(nóng)戶朋友們的高度認可，團隊的成員們干勁更大了。

以科技助力智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展、踐行脫貧攻堅使命，張立新及其團隊一直在路上。截至目前，張立新團隊研發(fā)的棉花精準施肥系統(tǒng)推廣應(yīng)用面積已達到3200公頃（4.8萬畝），在北疆推廣示范152臺套，南疆推廣示范9臺套，幫助烏斯曼、張廣亮等南疆農(nóng)戶節(jié)省勞動力2人/戶、成本3萬元/戶，減少12%的肥料使用量及15%的灌溉用水量。相關(guān)技術(shù)及裝備的應(yīng)用成為推進化肥減量增效和響應(yīng)國家“實現(xiàn)化肥零增長”政策的重要手段，有效促進了當?shù)鼐G色農(nóng)業(yè)、科技農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展?！皟H僅提供節(jié)水和灌溉施肥等功能是不夠的。在后續(xù)的研究中，我們將會引入環(huán)境監(jiān)測，跟蹤棉花生長全程中作物自身需求，讓各類機械和遠程操控參與到棉花生產(chǎn)的全過程中，最終實現(xiàn)智慧農(nóng)場、無人農(nóng)場的目標。我和團隊成員都希望能將前沿的技術(shù)運用到棉花產(chǎn)業(yè)中，為產(chǎn)業(yè)智能化貢獻我們自己的力量?！?/p>

傳承與合作

——賦能團隊發(fā)展新范式

自1995年入職石河子大學以來，張立新已經(jīng)在這里度過了近30年的時光。在這所由教育部和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團共建的邊陲高校中，張立新從懵懂新人逐漸成長為中流砥柱，承擔起越來越多的團隊職責。如今作為石河子大學機械工程學科、機械工程一級學科博士點負責人及石河子大學兵團能源發(fā)展研究院院長，張立新更是深知使命在肩，不容片刻懈怠。提及目前的工作，張立新用了“傳承”和“合作”來概括。

傳承兵團精神，提升育人成色。做好學生的引路人，是張立新為師以來不變的追求?！皠傔M入石河子大學的時候，我想的就是要把自己的教學搞好、把課講好，這是最基本的要求，也是教學的第一步。在學生習得知識之后，更重要的環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生將所學應(yīng)用于實踐的能力，這個時候就需要為學生提供更加廣闊的平臺來進行實踐。這個平臺可以細分為兩種，一種是可以提供先進科研儀器的科研平臺，另外一種就是讓學生得以深耕細作、持續(xù)發(fā)展的學科平臺?！睆埩⑿陆忉尩?。為此，自2009年起張立新就投入機械工程相關(guān)學位點的申請工作中。經(jīng)過團隊上下的一致努力，2010年石河子大學機械電氣工程學院即獲批機械工程領(lǐng)域?qū)I(yè)碩士學位授權(quán)點，2011年獲批機械工程一級學科碩士學位授權(quán)點，隨后在2017年年底又獲批機械工程一級學科博士學位授權(quán)點。統(tǒng)稿撰寫、全程參與的張立新不無感慨地說：“學科平臺的建設(shè)一方面為學生的精專發(fā)展提供了可能性，另一方面也給學科團隊的中青年老師提供了一個有力的發(fā)揮才華、施展才干的發(fā)展平臺。這對于學生和團隊的成長都有極大裨益?！痹谕瓿蓪W科建設(shè)的“升級”之后，張立新也積極謀劃科研平臺的建設(shè)。2014年，張立新牽頭申報新疆維吾爾自治區(qū)級機械工程實驗教學示范中心，并于同年成功獲批成立。自此，“雙平臺”成為石河子大學機械電氣工程學院機械工程學科前行的雙翼，帶動學院機械工程學科持續(xù)向前發(fā)展。

在此基礎(chǔ)上，張立新從自身經(jīng)驗出發(fā)，提出了培養(yǎng)研究生的“5個1”原則。所謂“5個1”，就是要完成一篇高水平并成功發(fā)表的小論文，要完成一個質(zhì)量很高的大論文，要跟隨團隊實際動手做出一臺樣機，要會寫發(fā)明專利、企業(yè)標準、行業(yè)標準，要會寫相應(yīng)的科研項目申報書?！凹埳系脕斫K覺淺，絕知此事要躬行。”打通實際工作的每一個環(huán)節(jié)，通過系統(tǒng)化的訓練，讓學生在畢業(yè)后就能勝任各項工作，是張立新培養(yǎng)學生的出發(fā)點和落腳點。對于學生在不同階段研究狀態(tài)的不同，張立新形象地用“兔子理論”予以解釋：“本科生階段就像是沿著一條筆直的路去山上抓看見的兔子，抓到了就是完成任務(wù)；碩士階段則是有好幾條路可以抓兔子，要從中找一條最簡便、最可靠、最快捷的路去把看見的兔子抓下來；等到了博士階段，沒有路，也沒看見山上有兔子，不知隱藏在哪兒。這就要他自己披荊斬棘、開辟一條路，去抓到那只藏在某處的兔子。對不同階段的學生要求是不同的，但是重視方法引導(dǎo)，鼓勵學生多經(jīng)歷、多實踐的初衷是不變的?！?/p>

基于特殊的地理位置，石河子大學積極參與到我國“一帶一路”建設(shè)中。在此過程中，同樣作為世界上主要棉花生產(chǎn)和出口國的蘇丹，也成為石河子大學的重要合作對象。蘇丹為粗放農(nóng)業(yè)，當?shù)馗珊等彼⑥r(nóng)業(yè)技術(shù)落后、水肥利用率亟待提高。因此將新疆地區(qū)的精準控制水肥一體化滴灌技術(shù)推廣至蘇丹產(chǎn)棉區(qū)，符合新疆及蘇丹精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的共同戰(zhàn)略需求，具有極為重要的戰(zhàn)略意義。2019年張立新申報石河子大學首次獲批科技部立項“發(fā)展中國家杰出青年科學家來華工作計劃”（簡稱“國際杰青計劃”），基于此張立新團隊就無線傳輸自動化節(jié)水灌溉施肥技術(shù)與裝備的研發(fā)與應(yīng)用同蘇丹科技大學團隊開展科學研究。通過一系列技術(shù)合作和“中國-蘇丹農(nóng)業(yè)合作開發(fā)區(qū)”應(yīng)用示范，雙方著力培養(yǎng)一批知識儲備豐富、技術(shù)過硬的專業(yè)人員；進而力求將兵團先進的棉花生產(chǎn)全程機械化技術(shù)及裝備引進推廣到蘇丹，推動國際產(chǎn)能合作，踐行“一帶一路”科技創(chuàng)新行動計劃。與此同時，張立新團隊對內(nèi)不斷推動新疆企業(yè)與國內(nèi)知名院校及研究機構(gòu)的“需求互補”，對外加強與英國地質(zhì)調(diào)查局、英國農(nóng)業(yè)中心等機構(gòu)的有效合作。乘著數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的東風，在精準施肥、節(jié)水灌溉層面不斷深耕，為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的目標持續(xù)賦能，是張立新團隊一直在做的事情。他說：“這是新疆乃至全球農(nóng)業(yè)都要思索和實踐的重要課題。能在這一過程中發(fā)揮作用，我和我的團隊感到十分榮幸?！?/p>

（責編：唐一白）