精細農業實踐與農業科技創新論文

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21世紀，人類將逐步進入知識經濟的時代，迅速發展與普及的信息技術將推動人們在科學利用資源潛力，發展節本增效生產方式，改善和保護生態環境，實現基于信息和知識的生產過程管理決策方面，突破許多傳統的模式和觀念，開拓出一批具有創新意義的技術體系，以支持社會經濟的可持續發展。在實踐當今新的農業科技革命中，九十年代初以來在一些發達國家開展的“精細農業”技術體系的研究與實踐，就是一種具有創新意義的技術思想，已經引起一些國家政府和科技決策部門的重視。美國國家研究委員會（NationalResearchCouncil）為此曾專門立項組織了一批多學科著名專家對有關發展研究進行了評估，研究報告經過由美國科學院，工程院和醫學科學院院士組成的評估組進行審議后，于1997年發表了“PrecisionAgricultureinthe21stCentury－GeospatialandInformationTechnologiesinCropManagement”研究專著，全面分析了美國農業面臨的壓力、信息技術為改善作物生產管理決策和改善經濟效益提供的巨大潛力，闡明了“精細農業”技術體系研究的發展現狀，面臨的問題及其支持技術產業化開發研究的機遇。近兩年來，我國科技界在研究推進新的農業科技革命中，對國外這一技術體系的發展趨勢，引起了廣泛的關注。新聞媒體陸續有了一些報導，有的單位已開展了有關研究和試驗示范工程準備工作,國內外的學術交流與合作聯系開始活躍，國外有關產業界開始向我國推薦其技術產品，密切關注中國走向21世紀實現農業現代化、信息化中這一巨大的潛在技術市場。可以預言：“精細農業”技術體系的試驗示范及其相關技術產品的開發研究，將在世紀之交成為推進我國新的農業科技革命中的重要研究課題。信息技術革命為農業生產現代化發展提供了新機遇，在開拓新的前沿科技應用研究領域中，發達國家和一些發展中國家的起跑線拉近了距離，時間上的差距在縮小。在某些重要領域實現技術發展上的跨越，將是機遇性的挑戰。主席1998.9在安徽考察工作時的講話中指出：“現在一些發達國家，已經把基因育種工程、電子信息互聯網絡、衛星地面定位系統等高新技術應用于農業。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”。“精細農業”技術體系是農學、農業工程、電子與信息科技，管理科學等多種學科知識的組裝集成，其應用研究發展必將帶動一批直接面向農業生產者服務的電子信息高新技術與工程裝備技術的研究與開發，對推動我國基于知識和信息的傳統農業現代化，具有深遠的戰略性意義。“精細農業”，即國際上已趨于共識的“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming”學術名詞的中譯。國內科技界及媒體報導中目前尚有各種不同的譯法和對其內涵的理解。如譯為“精準農業”、“精確農業”、“精細農業”等。實際上，目前國外關于PrecisionAgriculture的研究，主要是集中于利用3S空間信息技術和作物生產管理決策支持技術（DSS）為基礎的面向大田作物生產的精細農作技術，即基于信息和先進技術為基礎的現代農田“精耕細作”技術。因此，作者認為采用“精細農業”或“精細農作”譯名來表達當前實踐的這一技術思想的內涵可能更為確切。誠然，當今實踐的“精細農作”技術思想，應該擴展到設施園藝、集約養殖、產品加工及農業系統的精細經營管理方面，而形成為完整的“精細農業”技術體系。“精細農業”技術是直接面向農業生產者服務的技術，這一技術體系的早期研究與實踐，在發達國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農學家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家系統應用研究與實踐中進一步揭示的農田內小區作物產量和生長環境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入，或稱“處方農作”而發展起來的；在農業工程領域，自七十年代中期微電子技術迅速實用化而推動的農業機械裝備的機電一體化、智能化監控技術，農田信息智能化采集與處理技術研究的發展，加上八十年代各發達國家對農業經營中必需兼顧農業生產力、資源、環境問題的廣泛關切和有效利用農業投入、節約成本、提高農業利潤、提高農產品市場競爭力和減少環境后果的迫切需求，為“精細農業”技術體系的形成準備了條件。海灣戰爭后GPS技術的民用化，使得它在許多國民經濟領域的應用研究獲得迅速發展，也推動了“精細農業”技術體系的廣泛實踐。使得近20年來，基于信息技術支持的作物科學、農藝學、土壤學、植保科學、資源環境科學和智能化農業裝備與田間信息采集技術、系統優化決策支持技術等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個新的精細農作技術體系和開展了試驗實踐。迄今支持“精細農業”示范應用的基本技術手段已逐步研究開發出來，在示范應用中預示了良好的發展前景。近五、六年來，已有數千計的研究成果，實驗報告見諸于國際學術會議或學術刊物；每年都舉辦專題“國際精細農業學術研討會”和有關裝備技術產品展示會；在萬維網上設置有多個專題網址，可以及時查詢到有關研究發展信息；美、英、澳、加等國一些著名大學設立了“精細農業”研究中心，開設了有關博士、碩士研究方向及培訓課程；日、韓等國近年來已加快開展研究工作，并得到了政府部門和相關企業的大力支持。國際上對這一技術體系的發展潛力及應用前景有了廣泛的共識，將成為世紀之交發展農業高新技術應用研究的重要課題。“精細農作”技術思想的核心，是獲取農田小區作物產量和影響作物生長的環境因素（如土壤結構、地形、植物營養、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區產量差異的原因，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，區別對待，按需實施定位調控的“處方農作”。正是信息技術革命為這一技術思想的實踐，提供了先進的技術手段。千百年來的作物生產，都是以地區或田塊為基礎，在區域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理，如利用統一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農藝措施，滿足于獲得區域、農場或田塊的平均產量的認識水平，很少顧及對農田的盲目投入及過量施肥施藥造成的生產成本增加和環境污染后果。傳統的農業技術推廣模式，也是在區域尺度上進行品種選擇、土肥監測，通過地區試驗積累的適于當地的栽培管理措施向農戶推薦使用。實際上，即使在同一農田內，地表上、下影響作物生長條件和產量的明顯時空分布差異性，包括農田內作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區發生，再逐步按時空變化蔓延的特性，早已為人們所認識。幾世紀前，農民把土地劃分為小田塊來耕作經營，正是受到對作物生長環境和產量空間變異的感性知識的影響。我國農民幾千年來在小塊土地上經過勞動密集的投入和積累的豐富生產管理經驗而形成的“傳統精耕細作”技術，也可以在小塊農田內達到很好的經濟產量，只是沒有現代科學方法的定量研究和現代工程手段的支持來形成大規模的生產力。本世紀初期，科學家就研究報告過作物產量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學C.M.Linsley和F.C.Bauer發表文章勸告農戶應繪制自己田區內的土壤酸度分布圖和按小區需求使用石

灰的建議。

之后，一直都有關于農田土壤和收獲量空間變異性研究的報導。八十年代以來，關于在農田中實施土壤肥力、植保和作物生產定位管理（SiteSpecificCropManagement）的技術研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產量傳感器的現代谷物聯合收獲機，已可以在收獲過程中自動采集以12-15m2為單元的小區產量與對應地理坐標位置的數據，并進一步通過模糊聚類分析軟件自動生成農田內作物產量分布圖。多年的試驗實踐表明，田區內小區平均產量的最大差異可以超過100％。由于作物生產還受到氣候變異的影響，經連續多年對同一田區積累的數據表明，同一小區年際間的產量差異性也可能是十分明顯的。田區內產量上述明顯的時空分布差異性，顯示了農田資源利用存在的巨大潛力。現代農學技術與電子信息技術的發展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實施基于知識和現代科技的分布式調控，達到田區內資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經濟產量成為可能。圖1是精細農作技術思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統和產量傳感器的聯合收獲機每秒自動采集田間定位及對應小區平均產量數據→通過計算機處理，生成作物產量分布圖→根據田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數的空間數據分布圖，作物生長發育模擬模型，投入、產出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖→根據處方圖采用不同方法與手段或相應的處方農業機械按小區實施目標投入和精細農作管理。由圖1可以看出，這一技術思想是通過多次循環的實踐，來不斷改善農田資源環境，積累知識，逐步達到作物生產管理精細化的過程。由于大田作物生產受到眾多時空變化因素的影響，利用生產潛力的處方措施，還需要兼顧生產力、經濟性、環境后果的優化目標，因此，其技術思想并不是單純追求技術措施的“準確”。事實上，目前應用于獲取小區產量數據的空間尺度為12-15m2,獲取農田土壤信息的尺度大多還只可能精細到60m左右。在實際操作上，對獲取的空間信息還需要通過模糊聚類處理，生成技術上可行、經濟上合理的處方圖來指導處方農作，因而還談不到“精準”的操作。而且隨著技術的不斷進步，特別是農田土壤、作物苗情、病蟲草害信息實時快速采集技術的突破，農業處方操作也將愈益精細化。上述精細農作技術體系在許多發達國家的試驗和應用表明，可以顯著提高耕地的生產潛力，節約良種、化肥農藥和能源投入，獲得良好的經濟效益，受到農戶的歡迎。

“精細農作”是基于田間小區作物生長條件的空間差異性，為實現優化作物生產系統的目標而提出的。但工程支持技術的開發研究，對實現這一技術思想起著重要的作用。如：農田信息采集與處方農作的空間定位，需依靠全球衛星差分定位系統（DGPS）；地理空間信息管理和數據處理，需要應用地理信息系統(GIS)；未來大量地理空間數據的更新，需要遙感技術(RS)的支持；作物產量計量與小區產量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產量和對應地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數據處理和產量圖自動生成軟件技術；田區空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術與信號處理技術；按小區實施自動處方農作、調控目標投入需要變量處方農業機械；制定科學的農作處方需要農學知識和計算機作物管理輔助決策支持系統的支持；作為一個能協調運作的智能化系統需要有高效的信息集成以及有關信息傳輸、標準化技術的研究等等。

迄今“精細農業”在發達國家也不過五、六年的應用試驗歷史，部分支持技術手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關的應用基礎研究還比較薄弱。“精細農業”應用實踐可根據不同國家、不同地區的社會、經濟條件，圍繞提高生產、節本增效、保護環境的目標，采用不同的技術組裝方式，逐步提高作物生產管理的科學化與精細化水平。其中，獲取農田小區產量空間分布的差異性信息是實踐“精細農作”的基礎。有了小區產量分布圖，農戶既可以根據自己的經驗知識，分析小區產量差異的原因，選擇經濟適用的對策，在現實可行條件下采取適當措施實施調控；也可以根據技術經濟發展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農業機械實現生產過程的自動調控。

“精細農業”研究的革命性的意義是提出了一種經營現代農業的新技術思想并付諸于實踐，發展前景已在國際上具有廣泛的共識。1998.1美國副總統戈爾第一次提出要建立以1米分辯率的“數字地球”的概念，在地理信息學術界引起了廣泛的反響，它為認識世界科技進步對未來人類生存方式的影響提出了全新的觀念。“精細農業”的實踐將在下一世紀開發“數字地球”的實踐中占有十分重要的地位。我國農業仍處于傳統農業向現代農業轉化的歷史過程中，全面實踐這一新技術體系的路程還很遙遠。但啟動這一新技術的示范與實踐研究，將有利與推動實現我國農業生產知識化與信息化進程，改變傳統技術思想，追蹤科技進步，有利于推動基于信息和知識的農用先進支持技術產品制造業、服務業的發展。在“精細農業”技術體系的實踐中，也將可開發出一系列適用新技術產品。

為支持當前的“科技興農”服務。在發展研究中，個人認為需要重視如下問題：

加強對國際有關發展信息和經驗的研究，提出符合國情的發展戰略。九十年代以來，國外許多單位已經積累了一大批示范試驗數據與支持技術產品開發研究成果。可以采取引進技術思想與部分裝備技術和自主創新相結合。找準切入點，注重其支持技術產品的國產化及產業化開發。“精細農作”的技術思想在國際科技界共識的基礎上有其特定的涵義，即認識農田內小區產量和影響作物生長條件的空間差異性，實施定位處方農作。它是適應集約化、規模化程度高的作物生產系統可持續發展目標而提出的，在我國可先在規模化農場、部分大城市郊區和農業高新技術綜合開發試驗區，力求在農田小區的尺度上進行研究與實踐。我國廣大農村農田經營規模小，生產手段仍較落后，實現廣域的現代農田精細經營尚需有較長的發展過程，有條件的地區可先以村片、農田的尺度上對精細農作的技術思想進行示范試驗研究，并可著重結合發展農村社會化服務方式創新中，開拓出新的服務領域。這樣，既可以使我國的研究實踐與國際上的研究發展趨勢相接軌，又可以探索形成具有國情特色、有利于在農村逐步推廣先進的農作技術體系。