農業裝備數智化提升糧食安全的機理及經濟效果

李啟平,李晏新聞

(1.常州大學 商學院; 2.常州信息職業技術學院 軟件和大數據學院,江蘇 常州 213164)

引言

農業穩而天下定。黨和政府高度重視糧食安全,中央一號文件連續22年聚焦農業。習近平同志多次指出,糧食安全是國家安全的重要基礎保障,糧食和重要農產品穩定安全供給始終是建設農業強國的頭等大事,要依靠科技和改革雙輪驅動加快建設農業強國。新時代中國糧食安全內涵得到拓展,從單一的數量安全延伸到數量質量生態三位一體的體系安全,形成新的糧食安全觀。穩定的耕地面積和土地質量是糧食安全的物質基礎。但嚴酷的現實給糧食安全帶來了挑戰[1],具體表現在:首先,非農用地持續擴張,土地肥力不斷流失,退耕還林、退耕還草在保護生態環境的同時也使得耕地面積有不斷減少的趨勢,造成糧食賴以必需的土地紅線壓力增大。其次,農村勞動力老齡化和大量的小農經營結構存在造成農業機械化效率低、成本高[2]。為提高農業全要素生產率,農業生產對農業裝備數字化和智能化提出了迫切要求。黨和政府準確把握農業現實,在《鄉村振興戰略規劃(2018-2022年)》中提出“牢牢把握糧食安全主動權,推進農業裝備轉型升級”戰略,積極促進農業裝備數字化和智能化。

當前,農業裝備面臨著化學農業向現代農業變革、全球糧食安全和氣候變化的機遇和挑戰。農業裝備技術進入以數智化引領變革的發展階段,在土壤信息快速采集、作物信息快速獲取和植物生長養分變量施用等關鍵技術方面取得了應用突破。這些技術進步為農業裝備數智化提供了技術支持,特別是在網絡差分、多源信息融合、協同導航作業、視覺識別以及工況檢測與智能控制等方面關鍵技術取得的成就,為農業生產過程中人機協同提供了現實條件[3]。傳統的“土地+機械”的農業生產范式雖然提高了農業生產率,將農村剩余勞動力轉移到非農部門,但糧食安全仍然沒有擺脫對土地資源和氣候條件的依賴。農業裝備數智化可以將農業生產中的勞動對象、勞動資料和勞動者進行有機組合,主動應對土地肥力狀況和氣候條件,做出最佳決策,最大限度地維護糧食安全,為數量質量生態三位一體的糧食安全體系提供技術保障。因而,其中的作用機理值得深入探討,產生的經濟效果值得深入分析。

一、農業裝備數智化和糧食安全政策的嬗變

政策嬗變降低了技術進步的制度成本。信息技術進步和數字革命成為農業裝備機械化內涵拓展的動能,農業裝備大型化、多功能化為智能化創造了條件[4]。我國農業裝備經歷了重點領域機械化、全過程機械化到智能化的演變,國家糧食安全觀在這一進程中不斷得到完善,其內容不斷得到拓展。糧食安全從數量安全到數量質量安全,再到數量-質量-生態安全三位一體轉變。這兩次轉變都是在國家政策引領下,順應經濟社會發展而轉變,也是農業現代化的應有之義。為了促進中國農業裝備轉型升級,保障國家糧食安全,國家的農業政策不斷進行修正和完善(見表1),調整農業生產要素之比,不斷降低石化要素比例,增加數字要素和信息要素的比例,走出了具有中國特色的農業現代化之路。具體路徑可以概括為以下三個方面:

表1 國家推動農業裝備數智化政策演變路徑

(一)提高農業裝備作業能力,保證糧食數量安全

為了糧食安全,在穩定糧食種植規模的前提下,農業機械化歷來受到黨和政府的高度重視,加強農業裝備研發和農機購買補貼,大規模推廣和使用農機。農業機械化一方面緩解了農村年輕勞動力不足的困境,其次重組農業生產要素,增加產出。2020年全國農業機械化發展統計公報顯示,全國農作物耕種收綜合機械化率達到71.25%。農戶通過引進農業機械、規模化經營來提高農業生產效率。進入新時代,黨和政府更加重視農業優先發展。2013年2月國家發改委發布了《產業結構調整指導目錄(2011年修訂)》,鼓勵100馬力以上大拖拉機的生產,對關鍵零部件組織攻關,克服供應鏈卡脖子問題。2015年2月,中共中央、國務院發布《關于加大改革創新力度加快農業現代化建設的若干意見》時指出,在環境資源硬約束條件下,為了保障糧食安全,必須在農機裝備領域取得突破。2015年5月國務院發布《中國制造2025》,提出農機裝備要重點發展,大宗糧食和戰略性經濟作物育種、耕種、管理、收割、運輸等主要生產過程使用先進農機裝備,到2020年,國產農機市場占有率90%以上,200馬力以上大型拖拉機和采棉機等高端產品市場占有率達到30%。在政府引導、企業參與、市場運作的協同下,到2022年底,全國農業機械化水平穩步提高,農作物耕種收機械化率超過72%,其中小麥耕種收綜合機械化率達到97%以上,基本實現全程機械化(《2023中國農業農村發展趨勢報告》)。從2013年起,中國糧食總產量長期穩定在60 000萬噸以上(見表2),農業機械化為糧食數量安全提供了物質技術支撐,實現了將糧食安全牢牢抓在自己手里的夢想。

表2 糧食產出、投入和就業情況

(二)拓展農業裝備機械化使用范圍,保障糧食數量質量安全

農業生產全過程機械化、全區域機械化一直是農業技術推廣的目標,是糧食安全的科技支撐。2013年國家發改委在《產業結構調整目錄(2011年修訂)》中提出標準化農田改造,為農業生產大規模機械化操作提供了基本條件。2018年9月發布的《鄉村振興戰略規劃(2018-2022)》提出要牢牢把握國家糧食安全主動權,加快推進主要農作物生產全程機械化。2018年12月,國務院《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》提出,力爭到2025年,農機裝備品類基本齊全,產品質量可靠性達到國際先進水平,著力推進主要農作物生產全程機械化。面對丘陵、山區等復雜地形地貌的不利因素,農業裝備小型化、個性化勢在必行,黨和政府不斷出臺相關政策予以支持。2019年1月發改委在《產業結構調整目錄(2019年修訂)》提出農業生產數字化改造和智慧農業工程兩項任務,促進農作物移栽機械化和農業收割機械化;2021年3月,全國人大通過的《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出農作物耕種收綜合機械化率達到75%;2023年中共中央、國務院《關于做好2023年全面推進鄉村振興重點工作的意見》提出加快糧食烘干、農產品產地冷藏、冷鏈物流設施建設,加快先進農機研發推廣,加緊研發大型智能農機設備、丘陵山區適用性小型機械和園藝機械。這一系列政策實現了大型農業裝備和小型農業裝備相結合,生產到銷售全流程機械化操作,拓展了農業裝備使用的廣度和深度,進一步夯實土地生產能力,提高了農產品質量。

(三)提高農業裝備數智化水平,保障糧食數量質量生態安全

隨著新一輪技術革命和產業結構調整的到來,提高農業機械化水平,為糧食安全培育潛在生產力成為可能,而農業裝備數智化是農業裝備機械化的拓展和升華。2013年,國家發改委在《產業結構調整指導目錄(2011年修訂)》中提出加強數字(信息)農業技術的開發和運用,為農業機械化進步提供路徑支持。《中國制造2025》提出提高農業裝備信息收集、智能決策和精準作業能力。2016年《國家信息化發展戰略綱要》提出推動信息技術和智能裝備在農業生產經營中的應用,確保國家糧食安全和農產品質量安全。2019年《數字鄉村發展戰略綱要》提出“推動農業裝備智能化”戰略,要求促進新一代信息技術與農業裝備制造業結合,研制推廣農業智能裝備;鼓勵農機裝備行業發展工業互聯網,提升農業裝備智能化水平;推動信息化與農業裝備、農機作業服務和農機管理融合應用。數智化農業裝備是在利用互聯網、物聯網、移動互聯、云計算、大數據等信息技術的基礎上,融合自主感知、智能決策、精準控制等技術,配合農業信息基礎設施建設開展信息服務,促進農業資源合理配置,提高農業生產率。2021年12月,農業農村部《“十四五”全國農業機械化發展規劃》指出,信息化、智能化、數字化技術加快普及應用,為農業裝備數智化發展注入持久的動力。農業裝備數智化可以推動糧食機械化生產環節減損提質,降低單位面積肥料和農藥的使用數量,提高肥料和農藥的使用效率(見表2),提升生態價值[5]。糧食生產數智化和耕地保護相得益彰,推動糧食數量-質量-生態三位一體的安全體系實現。

二、農業裝備數智化促進糧食安全的機理

根據柯布-道格拉斯生產函數Y=ALαKβ,農業產出(Y)的多少取決于生產條件和技術水平A、投入的勞動L和資本K。在一定的生產條件下,勞動和資本具有替代性,從而影響到勞動和資本的投入份額。農業生產條件包括農地數量、從事農業生產的經營管理水平、勞動者素質、農村基礎設施水平等。根據農業發展經驗,農業機械化水平提升可以減少勞動投入量,將農村剩余勞動力轉移出來,進入非農部門。盡管直接從事農業生產的人數減少了,土地也沒有增加,但糧食產量沒有減少,農業機械化為國家糧食安全提供了堅實基礎。

(一)勞動節約型技術進步促進糧食安全

圖1是傳統的農業技術進步路線圖,在既有的生產環境下,通過加大資本投入,提高農業生產機械化程度,保證在農業勞動投入不斷減少的情況下,維持產出不變。從圖1可以看出,曲線Y是一條等產量曲線,由于技術進步,等產量曲線從A點移到B點,投入的勞動從A1到B1,勞動投入減少量ΔL=A1-B1,但資本投入從A2到B2,資本投入增加ΔK=B2-A2。在生物技術欠發達的背景下,主要依靠農業生產機械化,提高農業生產裝備率,以確保糧食數量安全,保證糧食數量滿足社會需要成為首要目標。

圖1 勞動節約型技術進步產量曲線

(二)中性技術進步促進糧食安全

圖2是中性技術進步條件下等產量曲線圖。分子生物學技術進步為農業增產提供了內在支撐。如雜交水稻的研制成功,是一種中性技術進步。在農業裝備水平、農業組織形式等生產條件不變的情況下,化肥、農藥等投入增加,則要求勞動投入相應地增加。資本增加量ΔK=G2-H2,投入勞動增加量ΔL=G1-H1,由于產出是資本和勞動的生產函數,隨著投入增加,相應的產出也增加,即從產出Y1提升到Y2,保證社會需求的增長。這種技術進步也是糧食產量優先,由于化肥和農藥使用量的增加,給生態環境安全帶來不利影響。

圖2 中性技術進步等產量曲線

(三)土地投入增加和勞動節約型技術進步共同促進糧食安全

圖3是土地投入增加和勞動節約型技術進步等產量曲線。土地是糧食產出最基本的生產要素,在國土面積一定的條件下,隨著農業技術的進步和經濟社會發展,農業用地數量也會發生改變。一種是農用地絕對數增加。如鹽堿地轉變為耕地。二是農用地相對增加。如將平面種植轉換成立體種植,改年度內一次種植為多次種植。投入的農用土地無論是相對增加還是絕對增加,農業生產過程中的勞動投入相應地也要增加。但在農業機械化水平既定的條件下,機器可以替代勞動力,減少對體力勞動的需求,增加對腦力勞動的需求。由于農業機械化進程具有滯后性,土地投入的增加對勞動的需求量大于機器替代勞動的減少量。總體上勞動投入增加量ΔL=E1-F1。與圖1相比,總的勞動投入減少的數量較少,相應的增加了就業機會,同時農產品產量從Y1增加到Y2,保證了糧食安全,為新的糧食安全觀奠定了良好基礎。

圖3 土地投入增加和勞動節約型技術進步等產量曲線

(四)綜合性技術進步促進糧食安全

圖4是綜合性技術進步等產量曲線圖。綜合性的技術進步體現在農業裝備的數智化[6],是一種內生性技術進步[7]。它使得農業生產要素投入、組織形式、產業形態等發生質變,促進農村一二三產業的有機融合。綜合性技術進步既影響資本投入的數量和質量,也影響勞動投入的數量和質量。傳統生產要素和新的生產要素(信息、數據等)相結合,讓農業裝備自主感知農作物生態信息、農地營養成分信息、氣候變化等信息,對相關信息進行數字化采集、儲存、分類、加工和處理,進行自主控制和可視化分析,對肥料、農藥、水分的消耗做到精準化,減少無效投入和污染,既擴大農業用地規模,也提高了農業機械化效率。

圖4 綜合性技術進步等產量曲線

與圖2相比,綜合性技術進步提升農業裝備數智化水平,實現農業生產過程中的人機協同,代替以前的人機配合,降低對體力勞動、重復勞動等低技能勞動的依賴,增加對高技能勞動的需求,提高了就業質量。增加的勞動投入ΔL=C1-D1,即在保持資本投入增加的情況下保持高技能勞動投入的增加。由于投入數據、信息等新生產要素的邊際成本幾乎為零,可以實現農業規模收益增長,將糧食產量從Y1提升到Y2。同時,通過生產過程的智能化和數字化,降低化肥和農藥的消耗量,減輕化肥和農藥對生態環境的破壞,在確保糧食數量安全的前提下,實現糧食品質安全、生態環境安全和農業生產大數據安全。

三、農業裝備數智化促進糧食安全的經濟后果

農業裝備數智化在促進國家糧食安全的同時產生了溢出效應。一是農業裝備數智化提高了土地的產出韌性,拓展了農業生產的時空范圍,提高了農業生產率。二是農業裝備數智化加強了農業的根基作用,加快一二三產業的融合發展。三是農業裝備數智化可以有針對性地改善農產品品質,滿足國內對農產品消費的轉型和升級。四是農業裝備數智化以農業為基礎創造新業態,吸納勞動力轉移就業。

(一)拓展了農業生產的時空范圍,提高農業生產率

農業裝備數智化使得農業生產具有自主可控的特征,可以根據分子生物學特征和氣候環境的變化對植物的生長進行控制和管理,也可以根據自然環境屬性(土壤屬性、水質屬性等)匹配植物種植。通過數據分析自動調節肥料、養料的輸入和農藥的使用,消除過去憑經驗使用化肥和農藥的弊端,提高化肥、農藥的使用效率,降低單位面積消耗量。利用光控設施給植物照明,縮短生物生長時間。利用鹽堿地種植莊稼,增加了糧食種植面積。目前我國鹽堿地面積將近15億畝,針對不同類型鹽堿地進行關鍵技術攻關,圍繞“優種適土、改土利種”兩個維度,提高農業裝備數智化水平,擴大鹽堿地糧食播種面積。截止2022年底,我國耐鹽堿水稻種植面積已突破100萬畝。總體來說,農業裝備數智化既可在土地面積和時長不變的情況下,生產更多的糧食,又可以拓展耕地面積,增加糧食生產。農業裝備數智化讓投入農業生產過程中的勞動、機械、土地、數據、信息等要素深度協同,消除農業生產外部環境的不利影響,形成規模經濟效應[8],實現投入產出最大化,提高了全要素生產率,從而保障糧食安全。

(二)加速一二三產業融合發展

農業是一二三產業融合的根基。農業裝備數智化可以促進各類生產要素流向農業,在提高農業生產效率的基礎上優化各生產要素的配置,實現農業生產規模收益和第一產業為基礎的產業融合[9]。產業融合主要體現在:第一,農業裝備數智化促進農業生產過程專業化,將整個生產過程分為專業化育種、專業化種植、專業化養護、專業化收割、專業化運輸、專業化加工、專業化銷售等環節,像工業一樣變成一個組裝產業。第二,農業裝備數智化促進以農業為基礎的新業態發展。農作物生長信息數據分析、土壤肥力數據分析、農作物生長氣候條件分析,這些專業化的服務反過來推動糧食生產的精準化和效率化。第三,農業裝備數智化促進城鄉要素相互流動。傳統農業生產投資回收期長,不確定因素多,風險相對其他行業要大,很難吸引到優質要素。農業裝備數智化降低了農業生產風險,吸引城市資金、技術、人才到農村,讓城鄉產業高度融合。第四,農業裝備數智化促進農業多功能實現。隨著中國社會從站起來、富起來到強起來的轉變,農業的社會功能和生態功能日益受到重視,以此為基礎誕生的新業態日益增多[10]。據農業農村部統計,2015年全國休閑農業和鄉村旅游接待游客超過22億人次,營業收入超過4 400億元。2018年全國接待游客超過30億人次,營業收入超過8 000億元,營業收入4年復合增長率為16.12%。

(三)有效滿足國內對農產品消費的轉型和升級

農業裝備數智化保證糧食安全,其中生態安全成為農產品消費轉型升級的核心要素。一是保證農業生產的原汁原味特色,適當改善、促進農產品品質的提高。農業生產與工業生產相比,顯著的區別在于地理標志特色。帶有地理標志的農產品不僅與當地的自然因素密切相關,也與當地的人文因素密不可分,具有濃郁的地域特色。標注地理標志的農產品受到法律保護,在產品市場上具有顯著的區分度,可以引導農產品消費升級。二是保護農業生產的多功能屬性。相比城市,農村最大的優勢在于生態優勢和宜居環境優勢。農業除了為工業提供原材料,為全社會提供農產品,還可以提供生態產品。隨著人民生活水平的提高,農村生態產品越來越受到消費者的青睞。農村自然景觀受到自然條件的影響,其原生態屬性尤其受到富起來的中國人民的喜愛。以農村景觀直播的線上消費和農事體驗、鄉村旅游為代表的線下消費拓展了農產品消費的外延和內涵。《中國農產品行業發展狀況與消費者行為調研數據》顯示,2017年農產品網絡零售額為1 723億元,2022年攀升至5 293億元,5年復合增長率為25.17%。當前,農耕文化傳承和保護、農業生態旅游、農業景觀直播、農業品牌營銷等產業大量興起,實現了從物質消費到精神消費、心里消費的轉型升級。

(四)創造新業態吸收農村勞動力轉移就業

第七次全國人口普查數據顯示,2020年全國城鎮化率達到63.89%,鄉村人口為50 979萬人。2022年國民經濟和社會發展統計公報顯示鄉村人口49 104萬人。這說明鄉村勞動力數量依然龐大,農村勞動力就業依然是中國政府的優先事項。在城市吸納勞動力就業非常緩慢的殘酷事實面前,農業新業態就成為農村勞動力非農就業的主戰場。農村剩余勞動力遷移領域一般是從農業到工業、服務業,也就是從農業領域轉移到非農領域就業,遷移地點是從鄉村到城市。農業裝備數智化可以大幅度降低農業生產過程中體力勞動的消耗,對勞動力的體力和年齡的要求降低,有利于多功能農業發展,引起農業形態的改變。數字農業、智慧農業、景觀農業、生態農業等新型農業大量涌現,對農業生產過程進行分割和重組,促進了農業生產的專業化和分工。除了傳統的運輸服務、租賃服務、農產品收割等就業崗位外,與農業相關的信息服務、數據分析、景觀直播、農業保險、農業會展、品牌營銷等新就業形態被大量創造出來。這不僅可以緩解農村年輕勞動力就業難的問題,也可以適當解決年長勞動力就業難的問題。在鄉村圍繞直播衍生的內容創作生態和電商生態,帶動生態鏈上下游產業人員就業。在短視頻快手平臺,每天有數十萬名電商活躍在田間地頭,新型農業盤活了農村沉睡已久的各種資源。這種資源要素與新的生產要素相結合,可以釋放無窮的力量,改變以往農村的就業模式。農忙時回鄉務農、農閑時外出就業的就業形式逐步減少,新業態成為農村勞動力轉移就業的主渠道。

四、促進農業裝備數智化保障糧食安全的對策

農業裝備數智化在農業生產過程中嵌入信息和數字資源,重組生產要素配置,實現生產過程人機協同,通過自主感知、自適應環境,削減農藥和化肥的投入,修復和保護生態環境,維護農業多功能屬性,提高農業生產效率,保障國家糧食安全。同時,促進一二三產業融合發展,有效滿足國內對農產品消費的轉型和升級,創造新業態吸收農村勞動力轉移就業。高素質勞動力是農業裝備數智化的核心,完善的農業基礎設施是農業裝備數智化的基礎,產學研結合是農業裝備數智化的保障,三者構成農業裝備數智化保障糧食安全的有機體系。基于此,提出如下三方面建議:

(一)建立高素質勞動力培訓體系,為糧食安全提供人力資本基礎

農村勞動力老齡化給糧食安全帶來隱患,低技能勞動者難以適應新型農業職業需求。農業裝備數智化改變了農業生產的場景,引起農業組織變革、生產流程變革和商業模式變革[11],在具體實踐中,需要高素質的人力資本支撐。近年來,隨著農業現代化工作的推進,農業科技支撐作用進一步強化,依據中國情境成長起來的數字農業、智慧農業、景觀農業、生態農業等新型農業成為中國農業現代化的現實選擇。促進新型農業的發展,農業裝備數字智能化是提升生產效率的核心因素。隨著數智化農業裝備逐步投入市場,傳統農業裝備將逐步被取代,農業將迎來數字化轉型升級。為適用新型農業對高素質勞動力的需求,政府應該加大扶持和資金投入,加強宣傳力度,提高農民對農業裝備數智化的認識。強化農民數字素養與技能的培訓,培養新型農民,促進人機協同,為糧食安全提供人力資本基礎。

(二)完善農村基礎設施建設,夯實糧食安全物質基礎

充分發揮數智化農業裝備的效能,是智慧農業、數字農業等新型農業順利發展的必要條件。農業裝備是新型農業發展的技術基礎。新型農業深度融合了信息技術和數字技術[12],其發展有賴于良好的基礎設施建設和運行。完善的基礎設施是保證數據傳遞無梗阻、信息交流無障礙的物質條件。但目前無論是傳統基礎設施還是新一代基礎設施,在城鄉之間以及鄉村內部之間均存在不平衡、不充分現象,這為農業裝備數智化的推廣和應用帶來嚴重困難。因此,政府要繼續加強高標準農田、水利設施、物流設施、道路設施、儲存設施等傳統基礎設施建設,形成適度規模經營的物質條件;同時依據數智化要求加快5G、物聯網、大數據、云計算等新一代基礎設施建設[13],讓硬件基礎設施和軟件基礎設施有機結合起來,加快農村數字中心建設,實現生產要素互聯互通,最大化數智化農業裝備生產功效。

(三)構建產學研合作平臺,擴大糧食安全技術基礎

中國國土面積位于世界前列,地形地貌復雜,對農業裝備數智化要求存在差別。平原地區使用的大型數智化農業裝備較多,而山地丘陵居多的地理條件制約了大型農業裝備的使用,并且農業機械化和數智化融合程度相對較低。除此之外,農作物的種類和生產環節對農業裝備數智化提出了不同要求,中國鄉村振興戰略和數字鄉村建設為農業裝備設施提供了巨大的發展空間,因此農業裝備數智化的便利途徑就是契合農業需求。基于此,有必要構建產學研結合平臺,鼓勵和引導理論工作者、工程師、農民企業家等不同領域的人才投身到高端農業智能機械領域的研發和制造,確保關鍵設備安全自主可控,保障產業鏈供應鏈安全。利用國內市場超大規模優勢,降低數智化農業裝備試錯成本,設計和制作多場景數智化農業裝備,加快推廣數字化智能化農業裝備在農業生產中的應用,幫助更多農業從業者提升生產效率;加大智慧農業示范項目建設投入,打造不同區域和作物類型的產業示范基地,提高農業綜合生產能力[14],落實“藏糧于地、藏糧于技”,為實施鄉村振興戰略保駕護航。