我国精准农业实施的路径其方向选择

[摘 要]精准农业是以信息为基础,利用传感器及现代先进的监测技术,完整、准确、及时地了解土地和作物的详细数据,结合精确时空统计分析,及时迅速地做出决策的一种农业管理系统.遥感技术、地理信息系统、全球定位系统的广泛应用,为精准农业的发展创造了条件.该文从我国传统农业与精准农业的区别入手,系统地介绍了国外精准农业的基本内涵,结合实际分析了我国传统农业落后的原因,提出了我国精准农业的发展方向及实施的路径.

[关 键 词]精准农业“3S”技术发展方向

1精准农业的内涵和技术组成

1.1精准农业的内涵

所谓精准农业,是指按照田间每一操作单元的环境条件和作物产量的时空差异性,精细准确地调整各种农艺措施,最大限度地优化水、肥、种子、农药等的量、质和时机,以期获得最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源.实现三个精确：一是定位的精确,精确确定灌溉、施肥、杀虫等的地点；二是定量的精确,精确地确定水、肥、药、种子等的使用量；三是定时精确,精确确定各种农艺措施实施的时间,从而精确地进行施肥、播种、灌溉、杀虫、除草、收获等.

1.2精准农业的技术组成

精准农业技术由10个子系统组成,即全球定位系统（GPS）、农田信息采集系统、农田遥感监测系统（RS）、农田地理信息系统（GIS）、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统.其核心是“3S”（GPS,GIS,RS）技术.

农田遥感监测系统(简称RS)指的是从不同高度的平台上使用不同的传感器,收集地球表层各类地物的电磁波信息,并对这些信息进行分析处理,提取各类地物特征,以探求和识别各类地物的综合技术.卫星遥感具有覆盖面大、周期性强、波谱范围广、空间分辨率高等优点,是精准农业农田信息采集的主要数据源.

地理信息系统(简称GIS)是精准农业的技术核心,应用该系统可以将土地边界、土壤类型、地形地貌、灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产量结果做成各自的地理信息系统图管理起来.通过历年产量图的分析,可以看出田间产量变异情况,找出低产区域,然后通过产量图与其他因素图层的比较分析,找出影响产量的主要限制因素,在此基础上制定出该地块的优化管理信息系统,用于指导当年的播种、施肥、除草、防治病虫害、中耕、灌水等管理措施.

全球定位系统(简称GPS)是精准农业的关键技术之一,是确定作业者或机器的瞬间位置,并将此信息转变成计算机可接受的格式.GPS在精准农业中的主要作用有：（1）精确定位水、肥、土等作物生长环境的空间分布.（2）精确定位作物长势和病、虫、草害的空间分布.（3）精确绘制作物产量分布图.（4）自动导航田间作业机械,实现变量施肥、灌溉、喷药等作业.

2我国农业发展的制约因素

2.1土地资源约束

2.1.1人均土地资源少：国土面积960万hm2,实际耕地面积约18亿亩,有林地面积19亿亩,草地面积约60亿亩.人均又是一个资源小国.中国人均占有耕地1.39亩,仅为世界平均数的1／4；人均草地4.6亩,为世界平均数的1／2；人均有林地1.46亩,仅为世界平均数的1／6.

2.1.2农业过度分散经营：已严重妨碍中国农业的现代化之路.城乡和区域的经济社会发展不平衡,农业稳定和农民增收难度加大,其主要因素就是农业组织化程度不高,分散的生产经营和势单力薄的农业经济难以在市场经济条件下与大规模的工业和商业进行平等竞争,带来农业整体效益低、风险大,发展不稳定.

2.1.3复种指数高：复种指数高是对土地的不科学利用,连续在同一块地上种植同一种作物,土壤里的病菌、病毒会越来越多,而且害虫的生育发展得到了很好的延续,害虫就会越来越多,抗药性也会越来越强,进而使用越来越多的农药.

2.2水资源短缺：我国陆面平均年降水总量约6.19亿m3,实际利用率不到10%.水资源短缺是我国许多地区农业生产的主要制约因素.当前我国农业灌溉用水面临的主要问题是灌溉农区面积约5000hm2,多属粗放型灌溉模式,水分亏缺部分全靠超采地下水来弥补,地下水位连年下降.

2.3化肥、农药投入量过大：农业生产过程中化肥、农药、农膜等的大量使用已经造成了严重的大气、土壤和水污染.具体表现在：温室气体不断增多；重金属、硝态氮在土壤中累积；土壤板结肥力下降；地表水出现富营养化,地下水则受到硝酸盐、亚硝酸盐污染.

2.4我国农业机械化水平低：精准播种、精准灌溉、精准施肥、精准收获的实施都要依靠农业技术装备.目前精准农业的发展不能满足实践的要求,开发的装备应适合中国地形复杂、土地变化性较大的特点,以及不规则的小地块操作.

3我国精准农业的发展方向

3.1选择符合中国国情的精准农业发展模式

我国是一个发展中国家,幅员辽阔,气候条件复杂,不同地区的经济发展水平差异较大,农业资金缺乏.可采用以下两种模式：一是要利用GIS技术,在空间定位数据框架下将每个地块的土壤类型、质地、pH值、有机质含量、地下水平均水位等相对静态的数据,事先输入系统数据库中,构建接收各种定位动态数据的接口,为定位定量施肥灌溉准备条件.在包产到户和农业高度集约化的农区,以GIS为基础、操作单位为小地块的精准农业.二是将信息技术与现有农业机械设施结合起来,将定位、定量灌溉、施肥、撒药落实到实处,使之成为一整套切实可行的精确农业生产技术、推动农业现代化进程.

3.2研究与开发精准农业管理决策支持系统

精准农业管理决策支持系统集GIS、数据库、模型库、知识库、多媒体技术和农业专家系统为一体,通过GIS、作物生长模型、ES对GPS数据、人工采集数据、遥感数据等多源、多维、多时空数据的分析决策,给出具体空间可视化的变量施肥、变量灌溉病虫害管理等作业方案,以获得最大的经济效益和最小的环境污染.

3.3建立精准农业示范基地

我国在精准农业领域的研究刚刚起步,因此应加强精准农业的研究与开发,尽快建立信息技术与农业生产相结合的精准农业示范基地和样板.例如不同地域各种农作物、特色农业精确种植、精确加工示范基地、不同地域特色精确养殖示范基地等.精确种植方面,应进行优势产业带优质农作物精确种植技术体系的研究、集成及其示范,研制开发能实际应用的优质农作物精确种植信息处理技术系统,评价实施优质农作物精确种植的经济和环境影响.

4我国精准农业研究现状及问题

精准农业在美国等发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业,上世纪90年代初进入生产实际应用,目前还处在研究发展阶段,部分技术和设备已经成熟和成型,但还没有形成系统.国际上对这一技术体系的发展潜力及应用前景有了广泛共识,并将成为发展农业高新技术应用的重要内容.精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域,它是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合,其核心技术是“3S”（GPS,GIS,RS）技术.精准农业就是通过“3S”技术的应用,按照田间每一操作单元的具体条件,精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施,最大限度地优化使用各项农业投入,以获取最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境、保护土地等农业自然资源.国家在863计划中已列入了精准农业的内容,中科院也把精准农业列入知识创新工程计划.在总体上,我国精准农业仍处于试验示范阶段和孕育发展过程,与发达国家相比,仍存在着较大差距,主要表现为：

4.1设施简陋,操作难以达到精准.中国资源有限,人地矛盾突出,自然灾害频繁,而且旱、瘠、盐碱地较多,因而整体上农业生产条件较差.中国以塑料暖棚和节能日光温室为主体设施农业已达近20万hm2,规模上居世界第一位,在设施生产的整体水平与发达国家相比仍有相当大的差距,表现为设施简陋,技术含量低,光温调控能力差,特别是计算机管理仍难以配套,因而总体上还不能算是精准农业.

4.2专用品种及肥料的开发滞后.中国至今仍未开发出适应于工厂化生产的专用品种和肥料,也少进行专门的立项研究.在肥料上主要是以大田生产肥料代替,杂质较多,影响配方施肥的准确度.由于设施、品种和肥料等方面的差距,造成产量、质量和效益方面相当大的差距.以番茄生产为例,荷兰选育的品种采收期长达8~10个月,平均单产为45万kg/hm2以上,而中国温室栽培的平均单产仅为9万kg/hm2,约为荷兰的1/5.

4.3经营管理水平较低.主要表现为没有统一的行业质量标准,产品市场定位和针对性不明确,没有专门的营销配送网络.而且,计算机管理尚未配套,离准确性和及时性的要求仍有相当大的差距.

4.4缺乏完善的核心技术怎么写作体系.中国至今仍未开发出具有自主知识产权的适合于农业上应用的3S技术怎么写作体系,精准农业的关键技术仍依赖从国外引进,不但受制于人,而且成本高,针对性也较差.

5我国精准农业实施的路径

5.1明确发展思路

在中国发展“精准农业”要比美国、西欧国家复杂得多,难度也大得多,这是由于中国农田类型多样,农业基础薄弱,农村贫困,在相当长的时期内仍然是小农经济占主导成分.因此,发展精准农业,实现农业信息化在科学上、技术上和农业基础建设上需要做出更大努力,付出更多的代价,以探索一条适合中国特点的发展道路.因此,中国发展精准农业必定是一个渐进过程,一定要分阶段循序进行.第一阶段为引进、试验、示范阶段.从根本上讲,最重要的是引进精准农业的概念.要根据中国实际,引进必要的技术和装备,建立试验示范点,探索精准农业规律和技术,摸索经验.第二阶段将试验示范工作扩展到大型国营农场和小型农户,特别要在小型农户中实施精准农业的概念和方法,进一步探索规律和积累经验.第三阶段在多点试验示范基础上,形成中国特色的“精准农业模式”,并在部分地区形成实用化和产业化.

5.2加强精准农业技术交流

通过举行精准农业技术研讨会,邀请国内精准农业研究单位、精准农业试验示范单位参加,同时邀请美国精准农业科研、教学和有关企业等参加交流.采取“请进来”与“走出去”相结合的办法,加强人才培养和技术培训.加强与国外精准农业研究机构和精准农业机械设备企业在精准农业技术和经贸方面的合作；国内高校、科研机构、生产企业等单位之间也应进行技术合作,优势互补,协同攻关.

5.3选准适合国情的精准农业项目

更多地开展节水、节肥、控制杂草与病虫害的节约农药措施的试验研究,以积累经验,为全面实施精准农业提供科学基础.中国是个贫水国家,又是水资源浪费严重的国家,农田灌溉水的有效利用率只有45%,而先进国家达50%~70%.根据田间土壤水分情况实施精确灌溉,最大程度地提高田间水分利用率是中国农业资源利用的重要方向.中国化肥利用率也相当低,仅在30%~40%,氮肥损失率高达70%~80%,浪费十分严重,还造成环境问题.实施精准农业,根据田间土壤养分的变异,精确施肥,将会大大节省肥的用量,减少投入.

5.4加强精准农业基础资料数据库建设

做好精准农业资料收集、信息格式标准化工作.充分利用垦区原有的土地普查资料、规划资料、地块航拍资料、卫星遥感资料、作物种植资料、病虫害资料、农田水利规划资料、农机田间作业资料、垦区气象资料、垦区林业规划资料等,要充分利用垦区多年来投资建立的数据资料,实现垦区数据资料的共享,建立以农业地理信息为平台的农垦农业生产管理数据库.

5.5加强精准农业试验示范工作

在精准农业试验示范点,重点加强对引进技术的消化吸收,研制适合中国国情的变量施肥播种机、变量喷药机、变量灌溉设备等加强软件系统建设,如农业地理信息系统、农业生产管理数据库、农业生产信息网络建设等,促进精准农业技术的发展.