我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策

武軍　謝英麗　安丙儉

摘 要：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已在國際上形成了廣泛共識。本文闡述了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念和發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的意義，介紹了國內(nèi)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和技術(shù)實(shí)施方法，并就我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)；研究進(jìn)展；發(fā)展方向

中圖分類號：S-0文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2013）09-0118-04

我國農(nóng)業(yè)資源約束日益突出，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境退化加劇，化肥占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本25%以上，但利用率僅為30%～35%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的50%～60%，不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，更帶來了嚴(yán)重的地下水污染和生態(tài)環(huán)境破壞。國內(nèi)外研究表明，精準(zhǔn)變量施肥可使多種作物平均增產(chǎn)8.2%～19.8%，降低總成本約15%，化肥施用量減少約20%～40%，土壤理化性質(zhì)得到改善。因此，解決上述問題的最佳途徑是大范圍地推廣應(yīng)用按需變量施肥的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和測土配方施肥技術(shù)。

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及其在我國的實(shí)踐與發(fā)展

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1～5]又稱精細(xì)農(nóng)業(yè)，它以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)田間每一操作單元的具體條件，定位、定時(shí)、定量地調(diào)整土壤和作物的各項(xiàng)管理措施，最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入的量、質(zhì)和時(shí)機(jī)，以期獲得最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)兼顧農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)是基于信息技術(shù)、生物技術(shù)和工程裝備技術(shù)等一系列科學(xué)技術(shù)成果上發(fā)展起來的一種新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，由全球定位系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)等組成。其核心技術(shù)是“3S”（即RS、GIS、GPS）技術(shù)[6，7]及計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)。

遙感（RS）技術(shù)[8]的主要作用是農(nóng)作物種植面積檢測及產(chǎn)量估算、作物生長環(huán)境信息檢測（包括土壤水分分布檢測、水分虧缺檢測、作物養(yǎng)分檢測和病蟲害檢測）、災(zāi)害損失評估。地理信息系統(tǒng)（GIS）[9]是精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的核心。應(yīng)用該系統(tǒng)可以將土地邊界、土壤類型、地形地貌、灌溉系統(tǒng)、歷年土壤測試結(jié)果、化肥和農(nóng)藥使用情況、歷年產(chǎn)量等各種專題要素地圖組合在一起，為農(nóng)田管理提供數(shù)據(jù)查詢和分析，繪制產(chǎn)量分布圖，指導(dǎo)生產(chǎn)。應(yīng)用全球定位系統(tǒng)（GPS）可以精確定位水、肥、土等作物生長環(huán)境和病、蟲、草害的空間分布，輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的播種、灌溉、施肥、病蟲害防治工作。另外，農(nóng)機(jī)具上安裝GPS系統(tǒng)還可以進(jìn)行田間導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)。

我國在1994年就有學(xué)者進(jìn)行精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究。國家“十五”科技戰(zhàn)略重點(diǎn)將發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平作為重中之重，并首次在“863”計(jì)劃中支持研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新。目前一些地區(qū)已經(jīng)將精細(xì)農(nóng)業(yè)引入生產(chǎn)實(shí)踐中，在北京、上海、黑龍江以及新疆一些地區(qū)建立起一批精細(xì)農(nóng)業(yè)示范基地，并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 國內(nèi)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

從技術(shù)角度來看，完整的精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)由土壤及作物信息獲取、決策支持、處方生成、精準(zhǔn)變量投入四個(gè)環(huán)節(jié)組成（圖1）。信息獲取技術(shù)、信息處理與分析技術(shù)、田間實(shí)施技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不可或缺的組成部分，三者有機(jī)集成才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)。

圖1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（PA/PF）技術(shù)組成

2.1 土壤及作物信息獲取[10，11]

由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）獲得的定位信息、遙感系統(tǒng)（RS）獲得的遙感信息和基礎(chǔ)、動態(tài)信息構(gòu)成了農(nóng)業(yè)生物環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

2.1.1 土壤環(huán)境信息的獲取 （1）土壤養(yǎng)分信息的獲取：土壤養(yǎng)分的快速測量一直是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息采集的難題。目前主要的測量儀器一是基于光電分色等傳統(tǒng)養(yǎng)分速測技術(shù)的土壤養(yǎng)分速測儀，其穩(wěn)定性、操作性和測量精度雖然尚待改進(jìn)，但對農(nóng)田主要肥力因素的快速測量具有實(shí)用價(jià)值。如河南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的YN型便攜式土壤養(yǎng)分速測儀[12]，相對誤差為5%～10%，盡管每個(gè)項(xiàng)目測試所需時(shí)間仍在40～50 min，但較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)儀器分析在速度上提高了20倍。二是基于近紅外（NIR）多光分析技術(shù)、極化偏振激光技術(shù)、離子選擇場效應(yīng)晶體管（ISFET）集成元件[13，14]的土壤營養(yǎng)元素快速測量儀器，相關(guān)研究己取得初步進(jìn)展，有的已裝置在移動作業(yè)機(jī)上支持快速信息采集。

（2）土壤水分信息的獲取：土壤水分的測量是精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)施節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)。目前常用的水分測量方法有基于時(shí)域反射儀（TDR）原理的測量方法、基于中子法技術(shù)的測量方法、基于土壤水分張力的測量方法和基于電磁波原理的測量方法[15]。

（3）土壤電導(dǎo)率信息的獲取：土壤電導(dǎo)率能不同程度地反映土壤中的鹽分、水分、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)和孔隙率等參數(shù)的大小[16，17]。有效獲取土壤電導(dǎo)率值對于確定各種田間參數(shù)時(shí)空分布的差異具有重要意義。快速測量土壤電導(dǎo)率的方法有電流-電壓四端法和基于電磁感應(yīng)原理的測量方法。

（4）土壤pH值的獲取：目前適合精細(xì)農(nóng)業(yè)要求的pH值檢測儀器主要有光纖pH值傳感器和pH-ISFET電極[18～21]。光纖pH值傳感器雖然易受環(huán)境干擾，但在精度和響應(yīng)時(shí)間上基本能滿足田間實(shí)時(shí)快速采集的需要。基于pH-ISFET電極的測量方法具有良好的精度和較短的響應(yīng)時(shí)間，但易受溫度影響，需要溫度補(bǔ)償，且電極的壽命較短。

（5）土壤耕作層深度和耕作阻力：圓錐指數(shù)CI（Cone Index）可以綜合反映土壤機(jī)械物理性質(zhì)，表征土壤耕作層深度和耕作阻力[22]。圓錐指數(shù)CI是用圓錐貫入儀（簡稱圓錐儀）來測定的。圓錐儀的研制工作不斷發(fā)展，從手動貫入到機(jī)動貫入，從目測讀數(shù)到電測記錄，出現(xiàn)了多種多樣的圓錐儀。

2.1.2 作物生長信息的獲取 作物生長信息包括作物冠層生化參數(shù)（葉綠素含量、作物水分脅迫和營養(yǎng)缺素脅迫）、植物物理參數(shù)（如根莖原位形態(tài)、葉片面積指數(shù)）等。作物長勢信息是調(diào)控作物生長、進(jìn)行作物營養(yǎng)缺素診斷、分析和預(yù)測作物產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)和根據(jù)。主要方法有三種：一是從宏觀角度利用RS遙感的多時(shí)相影像信息研究植被生長發(fā)育的節(jié)律特征[23]。二是在區(qū)域或田塊的尺度上，近距離直接觀測分析作物的長勢信息。三是基于地物光譜特征間接測定作物養(yǎng)分和生化參數(shù)。

2.1.3 病蟲草害信息的采集 病蟲害和雜草是限制農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要因素，及時(shí)、準(zhǔn)確、有效檢測病蟲害的發(fā)生時(shí)間、發(fā)生程度是采取治理措施的基礎(chǔ)。目前，病蟲草害信息的自動快速采集主要是基于計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識別技術(shù)，以研究植株的根、莖、冠層（葉、花、果實(shí)）等的形態(tài)特征作為診斷判讀的目標(biāo)。主要分析方法有光譜特征分析法、紋理特征分析法、形狀特征分析法等[24～29]。

2.1.4 作物產(chǎn)量信息的獲取 獲取作物產(chǎn)量信息是實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)過程中變量管理的重要依據(jù)。國際上已商品化的谷物聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量監(jiān)視系統(tǒng)主要有美國CASE IH公司的AFS（advanced farming system ）系統(tǒng)、英國AGCO公司的FieldStar系統(tǒng)、美國John-Deree公司的Greenstar系統(tǒng)、美國AgLeader公司PF（precision farming）系統(tǒng)及英國RDS公司的產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)等[30]。這些系統(tǒng)具有功能較強(qiáng)的GIS綜合功能，能自動完成產(chǎn)量監(jiān)測和生成產(chǎn)量分布圖。我國谷物產(chǎn)量測產(chǎn)系統(tǒng)的研究起步較晚，目前尚在研制中。

2.2 決策支持與處方生成

分析決策系統(tǒng)[31]主要包括地理信息系統(tǒng)（GIS）、作物生產(chǎn)函數(shù)或生長模型和決策系統(tǒng)三部分，決定變量施肥效果[14]。

地理信息系統(tǒng)（GIS）用于描述農(nóng)田屬性的空間差異和建立土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情等空間信息數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行空間屬性數(shù)據(jù)的地理統(tǒng)計(jì)。它主要應(yīng)用于離線的處方控制方式中，而在實(shí)時(shí)控制模式中沒有使用的必要。

作物生產(chǎn)函數(shù)或生長模型是生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。它將作物、氣象和土壤等作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，應(yīng)用系統(tǒng)分析的原理和方法，綜合農(nóng)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)多個(gè)學(xué)科的理論和研究成果，對作物的生長發(fā)育與土壤環(huán)境的關(guān)系加以理論概括和數(shù)量分析，并建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。該模型描述了作物的生長過程及養(yǎng)分需求，是變量施肥決策的根本依據(jù)。

決策系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)業(yè)專家長期積累的經(jīng)驗(yàn)和知識或GIS與作物生長模型的組合分析計(jì)算[11]，這些存儲在GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)，最終生成具有針對性的優(yōu)化了的投入決策及對策圖，即進(jìn)行時(shí)、空、量、質(zhì)全方位的田間管理實(shí)施處方圖，得到施肥的處方圖（離線形式）或具體的施肥量（在線形式），并將其存入存儲卡或者數(shù)據(jù)庫中，供施肥作業(yè)使用。

2.3 變量投入技術(shù)

由配套農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備（ICS農(nóng)機(jī)裝備和VRT變量投入設(shè)備）組成調(diào)控實(shí)施系統(tǒng)，經(jīng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS定位，在田間管理處方圖的指導(dǎo)下實(shí)施精細(xì)控制，田間實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)是現(xiàn)代工程裝備技術(shù)，是“硬件”，其核心技術(shù)是“機(jī)電一體化”。田間實(shí)施技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物播種、施肥、化學(xué)農(nóng)藥噴灑、精準(zhǔn)灌溉和聯(lián)合收割機(jī)計(jì)產(chǎn)收獲等各個(gè)環(huán)節(jié)中。

3 國內(nèi)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展對策

3.1 宣傳普及，提升對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的認(rèn)識

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)本身能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會生態(tài)效益，同時(shí)對提高農(nóng)民收入、減少農(nóng)民勞動強(qiáng)度、改善環(huán)境質(zhì)量等有非常重要的作用。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應(yīng)用涉及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)本身的發(fā)展、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、農(nóng)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、農(nóng)民承擔(dān)生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的能力等，其中農(nóng)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)是推廣應(yīng)用過程中的關(guān)鍵。由于農(nóng)民獲得信息的渠道有限，只有通過農(nóng)業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，農(nóng)民才能認(rèn)識到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并在技術(shù)培訓(xùn)過程中掌握這項(xiàng)技術(shù)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)才能在生產(chǎn)實(shí)踐中大范圍地推廣應(yīng)用。

3.2 完善精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的配套技術(shù)

通過測土配方和相應(yīng)的變量施肥技術(shù)，改變農(nóng)民傳統(tǒng)施肥觀念，根據(jù)土地的肥力現(xiàn)狀按需變量配合施用肥料，提高肥料利用率，減少面源污染，增產(chǎn)增收。

做好精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)資料收集和信息標(biāo)準(zhǔn)化工作，應(yīng)用3S技術(shù)建立農(nóng)作物品種、栽培技術(shù)、病蟲害防治等技術(shù)信息網(wǎng)絡(luò)以及農(nóng)業(yè)科研成果、新材料等科研信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的社會化、產(chǎn)業(yè)化。

3.3 選準(zhǔn)適合國情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)項(xiàng)目

我國大部分地區(qū)尤其是較落后地區(qū)的農(nóng)村承包地普遍處于碎片化狀態(tài)，難以支撐起發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求，必須通過土地流轉(zhuǎn)達(dá)到規(guī)模經(jīng)營的效果。

另一方面，隨著農(nóng)村市場化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在墾區(qū)農(nóng)場（如黑龍江大型農(nóng)場、新疆建設(shè)兵團(tuán)）和大面積作物生產(chǎn)平原區(qū)建立“精確施肥”技術(shù)示范工程，或聯(lián)合一些高效益企業(yè)（煙草企業(yè)、中藥材企業(yè)等）帶動“精確施肥”的發(fā)展是結(jié)合中國國情發(fā)展精確施肥的有效途徑。

4 結(jié)束語

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展在我國尚處于起步階段，面臨諸多問題與困難。而且我國土地相對分散，技術(shù)落后，環(huán)保意識不強(qiáng)，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)仍然是小農(nóng)經(jīng)濟(jì)占主導(dǎo)成分。因此建立一個(gè)集資源化、信息化、知識化、生態(tài)化于一體的全方位生態(tài)系統(tǒng)，走具有中國特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中明確把農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)與信息化作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科技發(fā)展的優(yōu)先主題，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代科技水平具有重要作用，具有廣闊的發(fā)展前景。

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