“二十連豐”中的智慧農業(yè)

｜文/李菲

??江蘇南通通州區(qū)十總鎮(zhèn)的圓宏萬嘉智慧農場的技術員在給番茄苗“盤頭”（圖片來源：新華社）

“江蘇徐州總產連續(xù)五年超100 億斤！”“安徽阜陽糧食總產量537.2 萬噸！”去年，全國多地糧食生產迎來“二十連豐”。

過去，“看天、看地、看莊稼”，耕種管收全憑農作經驗，新手種田超不過“老把式”；如今，農業(yè)穩(wěn)增穩(wěn)產靠的是“藏糧于技”，智慧農業(yè)讓科學種田從夢想照進現(xiàn)實。

糧食安全乃“國之大者”，倉廩殷實是國家之福、百姓之盼。隨著作物生產方案精確設計技術、生長指標精確診斷技術、產量品質動態(tài)預測技術、農田管理變量作業(yè)技術等核心技術的成功研發(fā)，農田精確作業(yè)智能裝備的示范應用，農田高產優(yōu)產喜訊不斷。智慧農業(yè)賦能國家糧食安全，正在農田沃野上繪就一幅雄渾壯美的豐收圖景。

農田監(jiān)測，大田環(huán)境也有“明眸慧眼”

風光旖旎的東廬山腳下，坐落著江蘇南京國家農業(yè)高新技術產業(yè)示范區(qū)。

“我們利用遙感和GIS 技術給每塊田編號，通過錄入氣象資料、土壤特性、品種特征、種植管理、歷史產量等信息，田地就有了‘身份證’，實現(xiàn)‘一地一碼’管理。”南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心高級實驗師邱小雷說。

走進技術展廳，大屏幕上不僅實時展示著200 公里外江蘇興化現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)園的空氣溫濕度、風速、降水量、氣壓、土壤溫濕度及土壤肥力等信息，還提供實時感知獲得的作物長勢信息。

“這些數(shù)據(jù)為作物種植管理提供了科學依據(jù)。”邱小雷說，他們按照地塊管理作物、土壤、氣象等多維度實時和歷史基礎信息，并通過多模型耦合，設計當前地塊的精確管理“處方”，預測可能的作物產量與品質，在智慧農作管理云平臺上實現(xiàn)種肥水藥收全流程數(shù)字化管理。

智慧農業(yè)，收集農田屬性數(shù)據(jù)、構建基礎數(shù)據(jù)庫是首要任務。南京農業(yè)大學智慧農業(yè)研究院院長曹衛(wèi)星教授說，“智慧農作技術體系要實現(xiàn)‘五個一’目標，即基礎數(shù)據(jù)一個庫、農田監(jiān)測一張網、農作處方一套圖、農田作業(yè)一條鏈、智慧服務一片云。”

在位于江蘇南京國家農業(yè)高新技術產業(yè)示范區(qū)內的南京農業(yè)大學白馬教學科研基地，開闊平整的田壟邊緣矗立著一排整齊的“長臂”。每只“長臂”經由兩次90 度轉彎，伸出一條朝向地面作物的“小手臂”，其末段小小的黑盒子格外引人注意。

“可別小看它！數(shù)據(jù)離不開它的智慧監(jiān)測。”南京神農智慧農業(yè)研究院院長湯亮教授說，作物—大氣—土壤信息無線采集終端的傳感器能有效采集各項特征數(shù)據(jù)。“有了它，農民不用跑到田間地頭，在家就能知道作物長得好不好！”湯亮說，以傳感器為內核做成的作物長勢監(jiān)測儀可以固定在田間，也可以搭載到無人機、無人車上，連上農田物聯(lián)網，數(shù)據(jù)就傳到了智慧農作平臺。

“除了小田地，農業(yè)科技園、大型農場以及全省主要農作物的長勢情況，都需要智能化、高精度的農情感知技術。因此，近20 年來我們重點圍繞農情遙感監(jiān)測關鍵技術進行攻關。”南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心教授姚霞介紹。

“過去，人們逐個田塊或逐個品種（種質資源）手工獲取農情信息，準確率和效率都不高；現(xiàn)在，通過光譜和點云等手段進行農情監(jiān)測，可以快速高效地獲取田地里成百上千種農作物的形態(tài)結構、生理生化、抗逆性和生產力等重要農情參數(shù)。”姚霞說，“就像給人做B 超或者CT，通過光譜和點云等感知手段，快速、非破壞性地獲取農作物的長勢和表型信息，為變量施肥、節(jié)水灌溉、病蟲草害防治、規(guī)模化育種等提供實時、準確、高通量的信息支撐。”

“智慧農業(yè)要想走入尋常農戶還必須大大降低成本。目前傳感器、巡田機器人和無人機在人力、物力上均價格不菲。而衛(wèi)星遙感則經濟實惠得多，最新的亞米級國產商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)只需平均每畝1 角錢的成本。通過‘天空之眼’，可以輕松低廉地回溯每塊田的歷史，通過所建立的智能分析模型，精確診斷當前作物的長勢，定量預測未來的產量和品質等。”南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心教授江沖亞告訴筆者，衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)可以“智慧繪制”每塊田的昨天、今天和明天。

模型設計，“智慧”解鎖豐收“糧”方

農民想豐收，田地要種足、作物得種好。“但作物受到氣候、土壤、技術、品種等影響，時空變異性很大。限制當?shù)刈魑锔弋a穩(wěn)產的主要因素是什么？適合當?shù)馗弋a穩(wěn)產的適宜栽培管理方案是什么？作物模型作為智慧農作的‘大腦’，能回答好上述問題。”南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心教授劉蕾蕾說。

“過去，農民根據(jù)經驗判斷作物的播栽期、施肥量、灌溉量等。現(xiàn)在，把氣象、土壤等數(shù)據(jù)及作物品種的遺傳特性等數(shù)據(jù)輸入到作物模型中，就可以預測作物的生育進程、長勢和產量品質情況，幫助農民篩選適宜種植的品種，推薦適宜的播栽期，因時因地制宜地為作物制定‘營養(yǎng)膳食菜單’等。”劉蕾蕾介紹道。

糧食生產規(guī)模擴大，田塊面積變化，如何留住好“豐”景？“我們將作物模型與地理信息系統(tǒng)、遙感相耦合，就可以實現(xiàn)從點到面、從小田塊到大區(qū)域的模擬決策。”劉蕾蕾說。

近年來，全球氣候變化給農業(yè)生產帶來挑戰(zhàn)。“人冷了穿衣服、熱了吹空調，但是作物不行。當出現(xiàn)極端高、低溫事件時，作物自身的溫度響應機制被抑制，生長發(fā)育受到影響，最終將影響產量和品質。”劉蕾蕾說，目前國際上常用的作物模型對極端氣候的響應存在較大不確定性，模型在極端氣候條件下的預測能力有待進一步提升，南京農業(yè)大學國家信息農業(yè)工程技術中心近年來取得了豐碩成果。劉蕾蕾說，“作物生長模型結合未來氣象數(shù)據(jù)，可預測未來30 年甚至50 年的糧食生產情況。”基于模型提前預知作物對未來氣候的響應，就可以通過調整播栽方案、優(yōu)化水肥運籌、培育新品種等方法，緩解未來氣候變化對糧食生產帶來的負面影響。

隨著科技發(fā)展，人們生活方式的轉變，智慧種田也更加便利。“傳統(tǒng)種田靠經驗、看天吃飯，現(xiàn)在智慧種田，只需打開手機小程序，在地圖上點一點自家的田塊，就知道適合種什么作物。”江蘇省信息農業(yè)重點實驗室副主任劉小軍教授展示了團隊開發(fā)的移動端小程序“農田眼”。

“這相當于把一個移動的智能化栽培專家送到了種植戶身邊！”劉小軍說，用戶在小程序上輸入交互數(shù)據(jù)就可以得到精確的作物管理決策方案。

“作物長得太旺，就說明營養(yǎng)太多，得‘減減肥’；要是長得又弱又小，就要施肥或灌水。”劉小軍舉例道，“比如追肥主要在作物拔節(jié)、孕穗等關鍵生育期，要是后期過量施肥，容易帶來作物貪青遲熟、倒伏風險加劇等不利影響。”

據(jù)了解，近年來，他們研發(fā)的“小麥綠色智慧施肥技術”“水稻無人機智慧施肥技術”分別入選農業(yè)農村部農業(yè)主推技術，“水稻全程綠色智慧施肥技術”入選2023 年農業(yè)重大引領性技術。

精確作業(yè)，農機裝備有了“智慧大腦”

耕種管收一條鏈，機械化的農機設備如何學“慧”種田？

“小麥、水稻是老百姓的口糧，通過智慧農業(yè)來播種、移栽、施肥、灌水、噴藥、收獲，單位面積的糧食產量更高、質量更好。”湯亮告訴筆者，“智慧大腦”在作物生長的每個重要時間節(jié)點都施展著“聰明才智”，“智慧之手”在耕、種、管、收全流程實現(xiàn)農田管理精確化作業(yè)，保障著作物產量、實現(xiàn)了顆粒歸倉。

面向農業(yè)生產中播栽、施肥、灌溉、噴藥、收獲的各個環(huán)節(jié)，南京農業(yè)大學智慧農業(yè)團隊與農機企業(yè)合作，研制了一批智能化、精確化的農田作業(yè)裝備，讓科技惠之于農、用之于農。

“傳統(tǒng)的農機裝備不具備變量作業(yè)功能，現(xiàn)在智慧農業(yè)需要實現(xiàn)基于空間差異的自動變量。”湯亮表示，農田作業(yè)裝備的智能化需要對現(xiàn)有農機裝備進行升級改造，在傳統(tǒng)農機裝備的基礎上增加數(shù)字化、智能化的功能。

走進智慧農場的車庫，精確播種機、精確施肥機、智能除草機，智能無人機、智能收割機等一應俱全。筆者發(fā)現(xiàn)，這些有了“智慧”加持的農機設備造型獨特——有的是方向盤下一根粗線連上車載小屏幕，有的車上多了雙翼，末段還有“小眼睛”。

“過去的農機大多采用定制化底盤，通用性差、結果不準，難以大面積推廣；現(xiàn)在是在通用輪式底盤的基礎上設計可自動調節(jié)的傳感器搭載平臺，融合多源傳感器數(shù)據(jù)，一畝地幾分鐘就能完成作業(yè)，又快又好！”湯亮感慨道，如今田間巡檢機器人不僅“身手矯捷”，而且傳感器的感知范圍、設備的通用性、監(jiān)測結果的準確性等都有了大大的提高。

“以前收割作業(yè)的智能化水平低，現(xiàn)在嵌入了可以監(jiān)測作物產量和品質的傳感器，農民在收割時就知道谷物的產量水平和品質等級。”據(jù)湯亮介紹，這些尺寸小、便于攜帶的谷物產量品質傳感器，既可用于田間地頭谷物籽粒品質的直接檢測，也可以搭載在收獲機上實現(xiàn)谷物品質的實時在線檢測。

車庫的大液晶屏上顯示著拖拉機、插秧機、收割機的數(shù)量，它們執(zhí)行作業(yè)的航向、速度、時長、面積等信息也一目了然。

“冬天農閑，它們就在車庫保養(yǎng)‘待命’；農忙時需要大量人力，而農機手費用高、人也難找，這時只需在智慧農作管理云平臺上點點鼠標，它們就能根據(jù)指令出庫行動。”湯亮說。

“從天空地立體化農田監(jiān)測，到農作處方數(shù)字化設計，再到農田管理精確化作業(yè)，三大技術板塊銜接構成一條完整的技術鏈條，為智慧農業(yè)提供了全流程管理以及相應的解決方案。”曹衛(wèi)星介紹道。

“智慧農業(yè)的技術創(chuàng)新與工程實踐，為現(xiàn)代作物生產提供了關鍵技術支持和全方位數(shù)字化服務，開辟了我國作物精確栽培新領域，促進了農業(yè)生產管理的定量化和智能化發(fā)展，提升了農作系統(tǒng)的綜合生產力和核心競爭力。”南京農業(yè)大學副校長朱艷說。

這里只是中國農業(yè)的一個縮影，智慧農業(yè)正在廣袤的土地上大顯身手。“智慧農業(yè)是加快實現(xiàn)我國農業(yè)科技自立自強的重要支撐。”曹衛(wèi)星說，“要以國家戰(zhàn)略需求為導向，面向農業(yè)農村的實際應用場景，創(chuàng)新關鍵技術，創(chuàng)制核心裝備，創(chuàng)建應用模式，推動農業(yè)科教產融合，助推傳統(tǒng)農業(yè)向智慧化、綠色化、規(guī)模化轉型升級，真正實現(xiàn)‘頂天立地’！”