我國精準農業實施的路徑及其方向選擇

[摘要] 精準農業是以信息為基礎， 利用傳感器及現代先進的監測技術， 完整、準確、及時地了解土地和作物的詳細數據， 結合精確時空統計分析，及時迅速地做出決策的一種農業管理系統。遙感技術、地理信息系統、全球定位系統的廣泛應用，為精準農業的發展創造了條件。該文從我國傳統農業與精準農業的區別入手，系統地介紹了國外精準農業的基本內涵，結合實際分析了我國傳統農業落后的原因，提出了我國精準農業的發展方向及實施的路徑。

[關鍵詞] 精準農業 “3S” 技術 發展方向

1 精準農業的內涵和技術組成

1.1 精準農業的內涵

所謂精準農業，是指按照田間每一操作單元的環境條件和作物產量的時空差異性，精細準確地調整各種農藝措施，最大限度地優化水、肥、種子、農藥等的量、質和時機，以期獲得最高產量和最大經濟效益，同時保護農業生態環境，保護土地等農業自然資源。實現三個精確：一是定位的精確，精確確定灌溉、施肥、殺蟲等的地點；二是定量的精確，精確地確定水、肥、藥、種子等的使用量；三是定時精確，精確確定各種農藝措施實施的時間，從而精確地進行施肥、播種、灌溉、殺蟲、除草、收獲等。

1.2 精準農業的技術組成

精準農業技術由10個子系統組成，即全球定位系統（GPS）、農田信息采集系統、農田遙感監測系統（RS）、農田地理信息系統（GIS）、農業專家系統、智能化農機具系統、環境監測系統、系統集成、網絡化管理系統和培訓系統。其核心是“3S”（GPS，GIS，RS）技術。

農田遙感監測系統(簡稱RS)指的是從不同高度的平臺上使用不同的傳感器，收集地球表層各類地物的電磁波信息，并對這些信息進行分析處理，提取各類地物特征，以探求和識別各類地物的綜合技術。衛星遙感具有覆蓋面大、周期性強、波譜范圍廣、空間分辨率高等優點，是精準農業農田信息采集的主要數據源。

地理信息系統(簡稱GIS) 是精準農業的技術核心，應用該系統可以將土地邊界、土壤類型、地形地貌、灌水系統、歷年的土壤測試結果、化肥和農藥等使用情況以及歷年產量結果做成各自的地理信息系統圖管理起來。通過歷年產量圖的分析，可以看出田間產量變異情況，找出低產區域，然后通過產量圖與其他因素圖層的比較分析，找出影響產量的主要限制因素，在此基礎上制定出該地塊的優化管理信息系統，用于指導當年的播種、施肥、除草、防治病蟲害、中耕、灌水等管理措施。

全球定位系統(簡稱GPS)是精準農業的關鍵技術之一，是確定作業者或機器的瞬間位置，并將此信息轉變成計算機可接受的格式。GPS在精準農業中的主要作用有：（1）精確定位水、肥、土等作物生長環境的空間分布。（2）精確定位作物長勢和病、蟲、草害的空間分布。（3）精確繪制作物產量分布圖。（4）自動導航田間作業機械，實現變量施肥、灌溉、噴藥等作業。

2 我國農業發展的制約因素

2.1土地資源約束

2.1.1人均土地資源少：國土面積960萬hm2，實際耕地面積約18億畝，有林地面積19億畝，草地面積約60億畝。人均又是一個資源小國。中國人均占有耕地1.39畝，僅為世界平均數的1／4；人均草地4.6畝，為世界平均數的1／2；人均有林地1.46畝，僅為世界平均數的1／6。

2.1.2 農業過度分散經營：已嚴重妨礙中國農業的現代化之路。城鄉和區域的經濟社會發展不平衡，農業穩定和農民增收難度加大，其主要因素就是農業組織化程度不高，分散的生產經營和勢單力薄的農業經濟難以在市場經濟條件下與大規模的工業和商業進行平等競爭，帶來農業整體效益低、風險大，發展不穩定。

2.1.3復種指數高：復種指數高是對土地的不科學利用，連續在同一塊地上種植同一種作物，土壤里的病菌、病毒會越來越多，而且害蟲的生育發展得到了很好的延續，害蟲就會越來越多，抗藥性也會越來越強，進而使用越來越多的農藥。

2.2水資源短缺：我國陸面平均年降水總量約6.19億m3，實際利用率不到10%。水資源短缺是我國許多地區農業生產的主要制約因素。當前我國農業灌溉用水面臨的主要問題是灌溉農區面積約5000 hm2，多屬粗放型灌溉模式，水分虧缺部分全靠超采地下水來彌補，地下水位連年下降。

2.3化肥、農藥投入量過大：農業生產過程中化肥、農藥、農膜等的大量使用已經造成了嚴重的大氣、土壤和水污染。具體表現在：溫室氣體不斷增多；重金屬、硝態氮在土壤中累積；土壤板結肥力下降；地表水出現富營養化，地下水則受到硝酸鹽、亞硝酸鹽污染。

2.4我國農業機械化水平低：精準播種、精準灌溉、精準施肥、精準收獲的實施都要依靠農業技術裝備。目前精準農業的發展不能滿足實踐的要求，開發的裝備應適合中國地形復雜、土地變化性較大的特點，以及不規則的小地塊操作。

3 我國精準農業的發展方向

3.1 選擇符合中國國情的精準農業發展模式

我國是一個發展中國家，幅員遼闊，氣候條件復雜，不同地區的經濟發展水平差異較大，農業資金缺乏。可采用以下兩種模式：一是要利用GIS 技術，在空間定位數據框架下將每個地塊的土壤類型、質地、pH 值、有機質含量、地下水平均水位等相對靜態的數據，事先輸入系統數據庫中，構建接收各種定位動態數據的接口，為定位定量施肥灌溉準備條件。在包產到戶和農業高度集約化的農區，以GIS為基礎、操作單位為小地塊的精準農業。二是將信息技術與現有農業機械設施結合起來，將定位、定量灌溉、施肥、撒藥落實到實處，使之成為一整套切實可行的精確農業生產技術、推動農業現代化進程。

3.2 研究與開發精準農業管理決策支持系統

精準農業管理決策支持系統集GIS、數據庫、模型庫、知識庫、多媒體技術和農業專家系統為一體，通過GIS、作物生長模型、ES 對GPS 數據、人工采集數據、遙感數據等多源、多維、多時空數據的分析決策，給出具體空間可視化的變量施肥、變量灌溉病蟲害管理等作業方案，以獲得最大的經濟效益和最小的環境污染。

3.3 建立精準農業示范基地

我國在精準農業領域的研究剛剛起步，因此應加強精準農業的研究與開發，盡快建立信息技術與農業生產相結合的精準農業示范基地和樣板。例如不同地域各種農作物、特色農業精確種植、精確加工示范基地、不同地域特色精確養殖示范基地等。精確種植方面，應進行優勢產業帶優質農作物精確種植技術體系的研究、集成及其示范，研制開發能實際應用的優質農作物精確種植信息處理技術系統，評價實施優質農作物精確種植的經濟和環境影響。

4 我國精準農業研究現狀及問題

精準農業在美國等發達國家已經形成一種高新技術與農業生產相結合的產業，上世紀90年代初進入生產實際應用，目前還處在研究發展階段，部分技術和設備已經成熟和成型，但還沒有形成系統。國際上對這一技術體系的發展潛力及應用前景有了廣泛共識，并將成為發展農業高新技術應用的重要內容。精準農業是近年來國際上農業科學研究的熱點領域，它是現有農業生產措施與新近發展的高新技術的有機結合，其核心技術是“3S”（GPS，GIS，RS）技術。精準農業就是通過“3S”技術的應用，按照田間每一操作單元的具體條件，精細準確地調整土壤和作物的各項管理措施，最大限度地優化使用各項農業投入，以獲取最高產量和最大經濟效益，同時保護農業生態環境、保護土地等農業自然資源。國家在863計劃中已列入了精準農業的內容，中科院也把精準農業列入知識創新工程計劃。在總體上，我國精準農業仍處于試驗示范階段和孕育發展過程，與發達國家相比，仍存在著較大差距，主要表現為：

4.1 設施簡陋，操作難以達到精準。中國資源有限，人地矛盾突出，自然災害頻繁，而且旱、瘠、鹽堿地較多，因而整體上農業生產條件較差。中國以塑料暖棚和節能日光溫室為主體設施農業已達近20萬hm2，規模上居世界第一位，在設施生產的整體水平與發達國家相比仍有相當大的差距，表現為設施簡陋，技術含量低，光溫調控能力差，特別是計算機管理仍難以配套，因而總體上還不能算是精準農業。

4.2 專用品種及肥料的開發滯后。中國至今仍未開發出適應于工廠化生產的專用品種和肥料，也少進行專門的立項研究。在肥料上主要是以大田生產肥料代替，雜質較多，影響配方施肥的準確度。由于設施、品種和肥料等方面的差距，造成產量、質量和效益方面相當大的差距。以番茄生產為例，荷蘭選育的品種采收期長達8~10個月，平均單產為45萬kg/hm2 以上，而中國溫室栽培的平均單產僅為9萬kg/hm2，約為荷蘭的1/5。

4.3 經營管理水平較低。主要表現為沒有統一的行業質量標準，產品市場定位和針對性不明確，沒有專門的營銷配送網絡。而且，計算機管理尚未配套，離準確性和及時性的要求仍有相當大的差距。

4.4 缺乏完善的核心技術服務體系。中國至今仍未開發出具有自主知識產權的適合于農業上應用的3S技術服務體系，精準農業的關鍵技術仍依賴從國外引進，不但受制于人，而且成本高，針對性也較差。

5 我國精準農業實施的路徑

5.1 明確發展思路

在中國發展“精準農業”要比美國、西歐國家復雜得多，難度也大得多，這是由于中國農田類型多樣，農業基礎薄弱，農村貧困，在相當長的時期內仍然是小農經濟占主導成分。因此，發展精準農業，實現農業信息化在科學上、技術上和農業基礎建設上需要做出更大努力，付出更多的代價，以探索一條適合中國特點的發展道路。因此，中國發展精準農業必定是一個漸進過程，一定要分階段循序進行。第一階段為引進、試驗、示范階段。從根本上講，最重要的是引進精準農業的概念。要根據中國實際，引進必要的技術和裝備，建立試驗示范點，探索精準農業規律和技術，摸索經驗。第二階段將試驗示范工作擴展到大型國營農場和小型農戶，特別要在小型農戶中實施精準農業的概念和方法，進一步探索規律和積累經驗。第三階段在多點試驗示范基礎上，形成中國特色的“精準農業模式”，并在部分地區形成實用化和產業化。

5.2 加強精準農業技術交流

通過舉行精準農業技術研討會，邀請國內精準農業研究單位、精準農業試驗示范單位參加，同時邀請美國精準農業科研、教學和有關企業等參加交流。采取“請進來”與“走出去”相結合的辦法，加強人才培養和技術培訓。加強與國外精準農業研究機構和精準農業機械設備企業在精準農業技術和經貿方面的合作；國內高校、科研機構、生產企業等單位之間也應進行技術合作，優勢互補，協同攻關。

5.3 選準適合國情的精準農業項目

更多地開展節水、節肥、控制雜草與病蟲害的節約農藥措施的試驗研究，以積累經驗，為全面實施精準農業提供科學基礎。中國是個貧水國家，又是水資源浪費嚴重的國家，農田灌溉水的有效利用率只有45%，而先進國家達50%~70%。根據田間土壤水分情況實施精確灌溉，最大程度地提高田間水分利用率是中國農業資源利用的重要方向。中國化肥利用率也相當低，僅在30%~40%，氮肥損失率高達70%~80%，浪費十分嚴重，還造成環境問題。實施精準農業，根據田間土壤養分的變異，精確施肥，將會大大節省肥的用量，減少投入。

5.4 加強精準農業基礎資料數據庫建設

做好精準農業資料收集、信息格式標準化工作。充分利用墾區原有的土地普查資料、規劃資料、地塊航拍資料、衛星遙感資料、作物種植資料、病蟲害資料、農田水利規劃資料、農機田間作業資料、墾區氣象資料、墾區林業規劃資料等，要充分利用墾區多年來投資建立的數據資料，實現墾區數據資料的共享，建立以農業地理信息為平臺的農墾農業生產管理數據庫。

5.5 加強精準農業試驗示范工作

在精準農業試驗示范點，重點加強對引進技術的消化吸收，研制適合中國國情的變量施肥播種機、變量噴藥機、變量灌溉設備等加強軟件系統建設，如農業地理信息系統、農業生產管理數據庫、農業生產信息網絡建設等，促進精準農業技術的發展。

參考文獻

[1] 黎香蘭，趙文祥，焦喜東. 我國精準農業的研究應用現狀和發展對策[J]農業圖書情報學刊，2002，(5): 1-4.

[2] 刁承軍，胡偉. 關于精準農業發展的探討[J].農機市場，2003，(8): 16-18.

[3] 劉金銅，陳謀詢，蔡虹. 我國精準農業的概念、內涵及理論體系的初步構建[J].農業系統科學與綜合研究， 2001， 17(3):180-182.

[4] 戎愷，楊星衛，段項鎖. 精準農業的研究應用現狀和發展趨勢[J].上海農業學報，2001， 16(3): 5-8.

[5] 梁紅.我國“精準農業”現狀及發展對策[J]. 農業與技術，2002， 22(3):55-59.

[6] 汪懋華. “精細農作” ——知識經濟時代的農田精耕細作技術， 紀念中國科協成立40周年“科學技術面向新世紀”學術年會，“科技進步與學科發展”論文集上冊：296-299. 周光召主編， 中國科學技術出版社， 1998.

[7] 汪懋華.“精細農業”研究的發展與農業裝備科技創新[R]. 中國農業機械學會第六次全國代表大會暨學術年會論文集，上海，1998.11.

[8] 曹海軍. 精準農業——一種綜合生產方式[J]. 農機科技推廣， 2003，(2).

[9] 高孝安， 楊再勝. 發展精準農業 加快墾區農業現代化進程[J]. 中國農墾經濟， 1999，(6).

[10] 我國加快發展精準農業和信息農業[J]. 糧食科技與經濟 ， 2000，(2).