美國工程農業發展現狀及其對我國三峽庫區的啟示

摘 要 美國工程農業采用工程技術、現代機械設備、科學管理模式，實現了農業的規模化、標準化經營，產生了巨大的經濟和生態效益。其新興的精準工程農業、信息工程農業、城市工程農業正在磅礴發展。在我國《全國農業現代化規劃》發布背景下，借鑒美國工程農業理論與實踐，有利于我國農業現代化水平的提高。在三峽庫區這個典型農村貧困地區，推動土地經營權流轉，實施適度規模化生產，大力發展工程農業技術，促進有限耕地集約化經營，能夠有效促進庫區安穩致富和生態保護，也能為我國其他地區推進農業現代化提供借鑒。

關鍵詞 工程農業；精準農業；規模化；標準化；三峽庫區

中圖分類號：S2；F327 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.31.010

工程農業（Agricultural Engineering）是指利用工程化手段和技術進行農業生產和管理，是嶄新的農業生產方式，它綜合利用現代裝備設施、先進信息技術、科學管理模式，高效利用土地、資源、肥料等各種生產要素進行生產，具有低耗高產、生態友好、知識技術密集、資本密集的特征。工程農業涉及多學科，包括機械工程、土壤科學（作物營養和肥料等）、環境科學（排水和灌溉）、生物工程、植物生物學、動物科學、工程管理科學等。

美國擁有世界先進的工程技術，其工程農業也很發達。美國工程農業發展到一定階段后，逐步提出和發展了精準工程農業、信息工程農業、都市工程農業、垂直工程農業，逐步實現了農業的規模化和標準化生產。

2016年10月，中國國務院發布了《全國農業現代化規劃》，提出要構建現代農業產業體系、現代農業生產體系、現代農業經營體系，依靠科技創新，調整農業生產結構，提高機械化、信息化，實行農業的標準化、產業化發展……。筆者認為，借鑒美國工程農業發展理論與實踐，對我國加快農業現代化建設具有積極意義，三峽庫區是我國典型落后貧困地區，農業占據主導地位，探討美國工程農業在這一落后農業地區的應用具有典型意義。

1美國工程農業發展現狀

1.1概況

美國在實現城鎮化和工業化后，以工廠化方式和工程化手段發展工程農業，著力推進農業生產的科技化、標準化和規范化[1]。為了提高農業生產率，美國制定和實施了優惠政策推動工程農業的發展。美國很多大學也設立了生物工程和工程農業系或學院，比如密西根州立大學、德克薩斯AD大學、普魯大學等。

通過發展工程農業，形成了中等規模或大規模農業生產，使其農業從業人口大量減少，生產力水平和效率大幅提升，農產品貯藏期限和品質都有了很大提高。在美國，只有5%的人口從事農業生產，卻保證了全國的糧食安全，還能出口糧食。而在工程農業發展滯后的非洲，多達70%的人口在從事農業生產，卻還不能保證本國的基本糧食需求。

在發展中國家，工程農業似乎就是拖拉機化。然而，美國工程農業活動遠不止于此，它涉及的設備與技術包括機器人、電腦成像技術、GPS技術、科學管理、氣候預測技術、環境控制技術等。工程農業活動包括：農場電力和機械化、農產品貯藏時間延長、農產品附加值提升、機械化合作生產、食品加工、農產品加工與營銷、工程農業咨詢服務、工程農業項目合同簽訂、土壤工程技術保護、水資源保護、農村電氣化、生物工程技術利用、生態保護，等等。工程農業工程師可能需要設計和維修維護設備，或者為拖拉機等農業設備開發生物柴油；農場主生產越來越多的小麥，而工程技術可以把小麥變成替代燃料；農場主建有果類標準種植園、菜類標準種植園、畜牧標準養殖場、家禽標準養殖場、水產標準養殖場等。

隨著美國工程農業的發展以及科技進步，美國隨后提出和發展了精準工程農業。

1.2精準工程農業

精準工程農業（Precision Agriculture） 也稱作逐塊區別管理（Site Specific Crop Management）、精準農作（Precision Farming）、變量投入技術（VRT—Variable Rate Management）。精準工程農業是一種新的管理理念，它觀察、測量和搜集農場內或農場之間的水土、產量差異，從而因地制宜、因時制宜決定肥料、農藥的噴灑量與時間，從而做到精準投入，同時提高產量和減少環境污染。

精準工程農業于20世紀80年代中后期起源于美國、加拿大、澳大利亞及西歐。目前，僅有少數農民采用了精準工程農業，他們在已有農業機械設備基礎上，增加了控制器和GPS，根據地理空間差異進行耕作。精準工程農業著眼于用系統的方法重組整個農業體系，以謀求低投入、高產出、農業可持續發展[2]。精準工程農業主要采用的技術與設備包括： 全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）、小型電腦模塊、自動控制、田間遙感、移動計算、先進的信息處理、遠程通訊[3]。

在精準工程農業中，控制中心搜集和處理實時數據，以幫助農民在種植、施肥和收割時做出最佳決定。傳感器安置在田間，用于檢測土壤、周圍空氣的溫度和濕度；衛星和機器人裝備則對田野拍照，根據歷時圖片監控種植物的成熟度；同時，通過天氣預測模塊，能精準預測48 h以內的生長條件。傳感器和控制系統保證了田間操作的精確性，節約了種子、肥料和殺蟲劑，從而也保證了生態環境效益。

舉例來說，在河流附近種植時，最好選擇肥料需求少的種子，以減少污染。種子種下以后，關于施肥、灌溉等各種莊稼維護活動的時間性就很敏感了，天氣也是重要影響因素，而精準農業能根據這些變量進行精準耕種。

經過這些年的發展，精準工程農業有了更廉價和便利的技術與設備，但是，精準工程農業的應用主要在于根據田野或農場差異，實施逐塊差異化施肥。同時，精準工程農業需要搜集和處理作物、地理、天氣、產量等方面的大量信息，所以信息工程農業逐漸得到發展。

1.3信息工程農業

信息工程農業隨精準工程農業發展而來，它通過傳感器和GPS測量和搜集葉綠素水平、植物水含量、多譜衛星圖像、超譜衛星圖像、作物數據、地理信息、天氣信息、產量數據、有機物質、濕度、氮含量、酸堿度、 乙基纖維素、鎂含量、鉀含量，等等，從而形成地理信息系統、信息管理系統、產量信息圖系統、農業工程師決策系統。

隨著工程農業數據越來越多，農業信息系統逐漸出現，人們開始將數據和文檔進行標準化處理。在移動設備上，有必要把數據流動和交換的方式進行標準化，Auernhammer （1993）提出了標準化數據庫[4]。ISO 11787標準是農業數據交換標準，農業文檔和數據根據該標準得以標準化，從而得以廣泛使用。目前，ISO技術分委員會正在開發有關拖拉機和其附屬設備的數據庫標準，制定出來的ISO 11783標準將會有11部分，并有望于近年發布。

隨著這2個標準的發布，農業信息也將能在傳感器、加工設備、控制裝置、不同數據采集者和軟件系統之間進行自由和有效交流。目前，市場也開發出了商業化的信息管理系統，比如 Kemira公司的LORIS系統、 Farmade公司的AMAIS系統、 Claas公司的Agromap系統。這些系統可以稱作地理信息殼，它們能方便信息的進進出出，同時能控制和展示各個層級的數據。按標準化要求，開發各種模塊，整合專家系統，從而把多渠道信息結合在一起，充分利用農業信息是美國信息工程農業當前的發展關鍵。

信息工程農業利用大量數據，精確計算了每個田塊的肥料、化學物質、種子、灌溉資源需求，實行田塊的個性化投入和生產。整合和解讀大量的空間差異數據需要按著一定程序進行處理，以便產生個性化的信息農業耕作方案，或為工程農業經理提供決策支持。越來越多的人意識到，田野地形和地理屬性對莊稼種植與管理有很大影響[5]。信息工程農業不僅有利于提高土地的農業貢獻，也有利于生態環境的可持續發展。

隨著工程農業在鄉村的發展，近些年來，城市農業也出現了新形式的工程農業。

1.4城市工程農業

直到20世紀六七十年代，美國社區農業和后院花園農業才重新出現。當時，美國反文化運動發展得如火如荼，反文化運動反對消費主義、反對相似與趨同、反對工業，同時這一時期民眾環保意識不斷增強、通貨膨脹和失業加劇，這些因素促使美國人民的意識形態發生了巨大變化，經濟上也不得不依賴于自己種植農作物，這一趨勢持續了幾十年。城市農業也由最初的自給自足，慢慢地發展為農產品本地購買。城市農業也是環境和社會可持續發展的必然選擇，社區花園農業也給個人和社會帶來了一系列額外好處，比如個人精神健康得到改善、人際交往得到加強、社區歸屬感加強[6-7]。其中，出現了以下2種工程農業。

1）屋頂工程農業。在美國，屋頂工程農業是最近才出現的一種城市工程農業形式。盡管屋頂農業還很新奇，但已經存在一定商業規模，也有服務于社區的工程農業項目以及滿足家庭需要的屋頂花園農業。目前，有關綠色屋頂工程農業生產的文獻很少，大部分文獻集中于屋頂農業的熱和能量效益、減少暴風雨水沖洗、生物多樣性影響、空氣污染減輕[8]。屋頂工程農業的知識和經驗還很少，其原因在屋頂實施精細種植很困難。大多數綠色屋頂面積較大，栽培基質層淺。屋頂農業的種植成本高，維護難度大，種植物重量受限。其種植物種也有所局限，所選物種必須抗干旱、根淺、水灌溉要求低、栽植基質深度要求低、重量輕。屋頂農業種植環境惡劣，包括高強度日照、機動車輛的化學排放物、工業化學排放物、強風、極端溫度，這也進一步要求所選物種硬度大，或者要求對物種基因進行調整。屋頂工程農業收割困難，缺乏實施指南，這阻礙了綠色屋頂大面積用于城市農業生產。

2）垂直農作。最近，美國出現了一種有趣的技術概念，這一技術與城市農業的未來走向有關，那就是垂直農作，也稱天空農作。垂直農作基于這樣的理念，可以創建農作物最好的生長環境，而不是農作物去適應自然環境。這一理念避免為了提高單產而導致環境惡化。目前，紐約哥倫比亞大學Despommier教授是垂直農作理論的主要倡導者和捍衛者。當然，其他國家也出現了垂直農業現象，但是主要是少數網站介紹一些概念層面的設計[9]，或者有些網站發布了民眾從事垂直農業的故事。

目前，只有Germer 等（2011）闡述了垂直農業的技術優勢和其理論局限性；他們基于天空水稻種植的可能性，建立了一個討論框架。目前，天空種植及其可持續性的局限在于缺少水和營養物、孤立性不夠、溫度和濕度難控制、害蟲盛行以及能量供應不穩定[10]。因此，有學者建議，可以采用LED照明系統，結合建筑物結構，根據不同階段的照明需要，來提供充足照明和能量。相比于土壤系統和水培法，構想中的氣培法能提供霧化營養和水分，因而能減少重量問題。他們的研究還致力于優化傳統水稻作物的能源和營養要求。

在這樣無菌和密封環境中，產生的高溫濕度需要加以處理，以避免冷凝和潛在的真菌疾病。基因改造是改變目前技術困境的有效措施，水稻基因通過改造，從而只需要最低程度的濕度以及生長葉表面，這種葉表面能最大限度減少真菌生長，使得水稻得以適應氣培法環境。但是，衡量天空種植的經濟效益還很困難，這需要對其全生長過程成本進行分析。生命周期分析也能處理外部環境因素，比如碳排放量、用于建筑水泥的水成本，照明用的能量成本、農業生態環境服務能力減弱成本。

2美國工程農業發展現狀對我國三峽庫區發展工程農業的啟示

三峽庫區主要是貧窮落后的鄉村，農業生產力落后，經濟社會發展與環境保護之間的矛盾尖銳沖突，而且各種社會矛盾交織在一起。借鑒美國工程農業理論與實踐有利于加快三峽庫區農業現代化水平的提高，促進庫區安穩致富。

2.1放活土地經營權，實施適度規模化、機械化農業生產

美國地廣人稀，土地要素、機械設備、GPS等設備成本較低，現代物資投入量大、科技含量高、市場化程度高。而在我國三峽庫區，不像美國那樣，多為平原，三峽庫區農村耕地多為山地，耕地不適宜發展大規模、機械化耕種。但是，可以實施適度的規模化、機械化生產。2016年11月，國家印發了《關于完善農村土地所有權承包權經營權分置辦法的意見》。這意味著，在堅持農村土地集體所有前提下，進行“三權分置”，即集體所有權、承包權、經營權分立，加快放活了土地經營權。這有利于庫區農村土地集中，農民在享有承包權的前提下，可以將土地經營權轉移給專業種植大戶或者農業生產公司，從而促進土地適度集中，有利于采用現代農業機械設備與工程技術，實施適度規模化農業生產，高效利用土地，提高土地單產，促進庫區居民安穩致富。

2.2發展精準農業

應開發三峽庫區工程農業信息管理系統，探索精準管理和生產；鼓勵龍頭企業采用精準工程農業技術，做到因時因地制宜，提高土地單產；通過精準適度施肥、因地制宜精準耕種，促進庫區生態保護，緩解庫區生態保護與經濟發展之間的矛盾。

2.3因地制宜，多采用和發展農業工程技術

三峽庫區經濟社會發展較落后，庫區人多地少，地形復雜，以山地為主，農業耕種條件惡劣，有些地方甚至無農業耕地[11]。在這些不能推行規模化、機械化生產的地方，應鼓勵社會資本、農業龍頭企業來實施集約化耕作，發展生物工程技術，拓寬農業生產的深度和廣度。畜牧業、園藝農業也要充分利用工程農業理論與技術。在無地可用的庫區農村，甚至可以發展高空農業和屋頂農業，并引入市場化運作機制，健全工程農業投融資機制，保證農業資本投入。

3結語

美國通過發展工程農業大大提高了農業單產，同時大大降低了農業從業人口。在我國大力實施農業現代化，實施農村耕地制度創新背景下，借鑒美國工程農業發展理論與實踐，對我國廣大農村以及三峽庫區農業發展具有重要意義。鑒于工程農業具有資本密集、信息密集、技術成本高等特征，我們要結合國情，因地制宜地推動精準工程農業在我國農業發展中的應用。

此外，我國經過多年粗放式發展后，能源資源消耗嚴重，生態環境遭到嚴重破壞。因此迫切需要堅持綠色發展、共享發展原則。三峽庫區生態脆弱，生態保護任務艱巨，是整個長江流域的生態屏障，在庫區發展工程農業，因地制宜耕種、精準施肥、精準投放農藥，能減少生態破壞，符合三峽庫區生態保護和發展需要。三峽庫區的案例也能為我國其他地區推動農業生產現代化提供借鑒。

進入信息經濟時代以來，發展中國家采用新興科技的滯后時間已經大大減少[12]。可以預測，工程農業技術將會較快地在我國農業現代化中得到廣泛應用。

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