德國精準農業做法及啟示
——以百年農場Gut Derenburg為例

陳章全，吳 勇，陳世雄，邊全樂，曹崇建，陳 宇，尹昌斌，尤 飛，易小燕，尚 斌，朱 崗，王遠吉

(1.農業部發展計劃司，北京 100125； 2.全國農業技術推廣服務中心，北京 100026；3.中國農學會，北京 100026； 4.農業部工程建設服務中心，北京 100081；5.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081； 6.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；7.新疆維吾爾自治區農業廳，烏魯木齊 830049； 8.寧夏農牧廳農業資源區劃辦公室,銀川 750002)

·國外農業·

德國精準農業做法及啟示
——以百年農場Gut Derenburg為例

陳章全1，吳 勇2※，陳世雄1，邊全樂3，曹崇建4，陳 宇4，尹昌斌5，尤 飛5，易小燕5，尚 斌6，朱 崗7，王遠吉8

(1.農業部發展計劃司，北京 100125； 2.全國農業技術推廣服務中心，北京 100026；3.中國農學會，北京 100026； 4.農業部工程建設服務中心，北京 100081；5.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081； 6.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；7.新疆維吾爾自治區農業廳，烏魯木齊 830049； 8.寧夏農牧廳農業資源區劃辦公室,銀川 750002)

[目的]通過分析德國Gut Derenburg農場推進精準農業的做法和思路，以期對我國發展精準農業提供借鑒。[方法]采用實證研究法，介紹德國百年農場Gut Derenburg發展精準農業的基本情況，剖析其在改良土壤、底施磷鉀肥和有機肥、變量追施氮肥和生長調節劑、農機作業等方面實施精準管理的應用實例，并總結其成功經驗。[結果]Gut Derenburg農場的主要做法：(1)通過建立詳實的土壤空間數據庫和屬性數據庫，來實現對基肥施用(磷鉀肥、有機肥)和土壤改良(應用堆肥和石灰調控土壤pH)的分區精準管理； (2)通過近紅外光譜實時測定葉片營養狀況、群體長勢等實現中后期氮肥的變量精準施用和作物生長調節控制； (3)基于車載Telematics系統實現多農機同時高效作業的精準管理。[結論]Gut Derenburg農場對當前中國發展精準農業的啟示：(1)以提高經濟效益為前提； (2)以專業化服務為依托； (3)以提高資源利用效率為核心； (4)以規模經營為基礎； (5)以提升勞動力素質為支撐。

德國 精準農業 土壤數據庫 分區管理

0 引言

德國精準農業發展在推動德國農業的現代化進程中發揮了重要作用。筆者于2016年11月到德國薩克森-安哈爾特州哈爾茲縣的Gut Derenburg農場，學習該農場發展精準農業的做法和經驗，詳細了解了農場發展精準農業過程及主要內容、取得的進展和成效，并實地參觀了農場相關機械設施、采樣檢測設備、儲糧倉庫和田間作業現場等。Gut Derenburg農場從解決自身實際問題出發，循序漸進推進精準農業的做法和思路對我國有很好的借鑒意義。

1 農場精準農業發展歷程

1.1 農場的基本情況

Gut Derenburg農場是由Münchhoff家族經營超過190年的家庭農場，位于薩克森-安哈爾特州中部肥沃的馬格德堡平原。農場總經營面積1068hm2，其中耕地972hm2，耕地地塊平均面積32hm2。近10年平均降雨量575mm，年平均氣溫9.1℃。種植制度為一年一熟的雨養農業。2016年主要種植475hm2冬小麥， 295hm2冬油菜，其他還有冬大麥、豌豆和青皮蘋果。

經營這樣規模的農場，雇員卻很少。除了農場主，主要有1個秘書， 4個外貿員工， 2個收獲幫工(7月15日至9月30日)，以及耕地、施肥、播種、追肥等作業時若干臨時雇工，平均100hm2只需要0.48個勞動力，換算成長期雇員整個農場的經營、管理、銷售等只有約20人。如此高的勞動生產率，得益于大型機械的應用。農場擁有4臺帶有GPS自動導航系統的拖拉機，總動力達到1009馬力； 一臺145馬力伸縮臂式裝卸車，卷揚高度9 m，最大卷揚重量4.5 t； 2臺Lexion770聯合收割機， 10.50 m切割寬度，帶有產量制圖系統和GPS導航； 2臺HAWE 28m3轉運拖車、1臺Horsch UW160轉運拖車； 1個36m噴幅的拖掛噴灑器，桶容量6000L，其前端配備近紅外光譜儀； 1臺36m寬幅的Rauch AGT撒肥機，其前端配備近紅外光譜葉片氮測定儀(N-Sensor)； 1臺4.8m松土機； 1臺4m寬條播機。

1.2 發展精準農業的動因

2000年前后農場采用了帶有產量制圖系統的收割機，實時記錄產量數據并形成產量空間分布圖，發現不同地塊間產量差異很大，同樣的耕作管理，產量差異達到25%～30%。分析原因：一是不同地塊土壤肥力存在很大差異，卻采取了相同的養分管理措施，沒有根據土壤肥力差異區別施肥導致產量損失嚴重。二是作物生長發育存在個體差異，苗情長勢有壯弱之分，生育進程有快慢之別，沒有針對不同苗情采取相應的調節措施。收獲時弱苗產量低，生育進程慢的地塊小麥尚未成熟，灌漿不飽滿。除了減產，還存在施肥效率不高、貪青晚熟難以收割脫粒、小麥蛋白質含量波動大等問題。

為解決以上問題，農場主決定對整個農場在科學分區的基礎上進行精準管理。一是在充分了解農場土壤性質空間變異的基礎上進行科學分區，針對土壤肥力差異進行區別施肥和有針對性的土壤改良措施。二是在作物不同的生育階段針對不同的苗情有區別的追施氮肥及生長調節劑，使其生長發育成熟盡量一致。

除了產量差異，農場機械多作業效率不高的問題也亟待解決。小麥收割、脫粒和轉運等作業，往往需要收割機、轉運拖車、汽車列車、卡車等10多臺不同機械同時作業。要高效管理這些機械，將會面臨很多問題，如：每臺機械什么時候需要補充柴油？如何合理分配油罐車？收割機往轉運拖車卸料的合理地點？卸料需要多長時間？如何確定轉運拖車向汽車列車/卡車卸糧的合理地點？如何減少機械的無效運行？等等，需要實時了解每臺機械的位置和狀態，對機械作業做出合理的安排，實現機械作業的精準高效管理。

1.3 精準農業發展現狀

Gut Derenburg農場從2002年開始逐步實施不同的精準農業應用項目，當年實施精準追肥氮肥， 2003年實施精準施用基肥(有機肥、磷鉀肥)， 2004年實施精準施用生長調節劑，此后陸續實現精準的土壤改良(調整土壤pH值)、農機精準作業等，以及現在正在研究的精準播種。實踐證明，精準農業的發展大幅提升農場管理水平，在節約投入成本、增加作物產量、改良酸性土壤、提高農機作業效率等方面都取得了非常明顯的成效。

2 精準農業的主要做法

Gut Derenburg農場實施精準農業主要做了3個方面工作：一是通過建立詳實的土壤空間數據庫和屬性數據庫，來實現對基肥施用(磷鉀肥、有機肥)和土壤改良(應用堆肥和石灰調控土壤pH)的分區精準管理； 二是通過近紅外光譜實時測定葉片營養狀況、群體長勢等實現中后期氮肥的變量精準施用和作物生長調節控制； 三是基于車載Telematics系統實現多農機同時高效作業的精準管理。

2.1 基于土壤數據庫的分區精準管理

2.1.1 建立土壤數據庫

為實現精準的分區管理，首先要詳細了解農場土壤性質的空間變異，建立包含農場空間位置、地塊分布、形狀、高程等信息的空間數據庫，以及土壤各種物理、化學、生物等信息的屬性數據庫。空間數據來源于衛星圖、鳥瞰圖、地形圖、地質圖、土壤等級圖等，可以通過購買、網絡共享等途徑獲取。土壤屬性數據需要進行實地取樣測試，通過以20m等距進行網格狀土壤取樣，進行理化性狀分析，包括土壤類型、土壤質地、pH值、土壤電導率、土壤含水量、田間持水量、陽離子交換量、氮磷鉀及中微量養分元素含量等。

土壤屬性數據中，土壤電導率、土壤含水量是通過汽車牽引土壤掃描儀在田間行走的同時連續測定，在1.5m的土壤深度內分5層測量，可得到不同層次的電導率和土壤含水量。其他土壤屬性如土壤質地、田間持水量、養分數據等通過田間取樣到實驗室測定。

將空間數據和土壤屬性數據疊加，即可得到土壤類型圖、土壤質地圖、可用田間持水量圖、土壤pH值圖、土壤電導率圖、土壤各種養分含量圖等。再根據各土壤屬性值進行空間分區，針對不同的分區可采取有針對性的措施。如圖1為可用田間持水量分區圖，每一個圖斑(地塊)都標注了不同的顏色和數字，表示該地塊土壤接納、存儲天然降水并提供作物利用的能力。數字越高、顏色越綠表示該能力越強，不易受干旱影響。紅色地塊114.56，表示在575mm的年降水中，只有114.56mm的水量能被土壤存儲用于作物生長，表示該地塊抵御干旱的能力非常弱。

圖1 可用田間持水量分區(mm)

圖2 土壤pH值分區

2.1.2 分區精準實施酸性土壤改良

農場根據土壤pH值分區圖(圖2)對酸性土壤進行了改良。在pH值小于6.1的區施用堆肥，增加土壤緩沖能力。在pH值小于4.2的區每公頃每次施用4t石灰，pH值在4.3～5.6的區每公頃每次施用3t石灰，分別于2004年秋季和2006年春季施用2次。pH值高于5.6的區不施用石灰。2007年再次測定，結果所有酸性地塊pH值均明顯上升，增幅為0.5～1.7，土壤酸性得到明顯好轉，如表1。

表1 酸性土壤精準改良后土壤pH值變化情況

地塊編號年份pH值變化34820045 65 6=>6 120076 134920044 54 5=>6 320076 335020044 44 4=>5 820075 835120043 93 9=>5 320075 335220044 14 1=>5 520075 535320044 54 5=>5 620075 635420044 44 4=>6 120076 1

2.1.3 分區精準施用磷鉀肥

根據土壤有效磷(圖3)和速效鉀含量分區圖(圖4)，有針對性地對每一個分區進行區別施肥。每公頃節約17～35kg過磷酸鈣(45%P2O5)，節約11～39kg鉀肥(40%K2O)。每公頃節約購肥費用29.5歐元，其中:磷肥節約19歐元，鉀肥節約10.5歐元。由于累積相關數據和制作相關軟件、改造施肥機械等，每公頃施肥作業成本增加1.95歐元。最后每公頃每年節約成本27.55歐元。920hm2耕作面積每年節約2.53萬歐元，從2002年開始實施該項目， 15年在分區精準施用磷鉀肥上共節約超過30萬歐元成本。

圖3 土壤有效磷含量分區 圖4 土壤速效鉀含量分區

圖5 安裝在施肥機械上前方的近紅外光譜氮素測定儀N-Sensor(左)和氮肥施用量實時推薦(右)

圖6 氮測定儀(N-sensor)測定的作物葉片營養狀況分布，冬小麥， 2008-04-22注：顏色越深代表營養狀況好群體旺

圖7 基于葉片氮營養測定的氮肥精準變量施用，2008-04-22注：顏色越藍代表施肥量越少

2.2 基于近紅外光譜快速測定的精準應用

2.2.1 基于近紅外光譜葉片氮素快速測定的氮肥精準施用

該應用是在施肥機械的前部上方安裝氮素測定儀(N-Sensor，圖5)，實時掃描作物葉片，通過近紅外光譜法快速測定葉片營養狀況(圖6)，根據測定結果有針對性地實時追施不同用量的氮肥(圖7～9)。圖6 中顏色深的地塊代表營養狀況好群體旺，要少施氮肥，相應在圖7中表現為藍色，氮肥使用量20～24kg/hm2。反之則如果顏色淺(淺綠或淺黃)代表營養狀況不佳群體不好，需要增施氮肥，在圖7中表現為黃色或紅色，氮肥施用量達到30～43kg/hm2。該方法有3個特點：一是實現連續變量精準施肥，根據葉片營養狀況實時改變施肥量，真正實現了精準施肥。二是反應快速，即測即施。三是施肥量的多少依據作物的營養狀況決定，針對作物而非土壤，對作物調控作用更加直接。

通過有針對性地精準施用氮肥，不但氮肥成本最小化，而且小麥群體更均勻，成熟度更加一致利于機械收割脫粒，小麥蛋白質含量的波動幅度更小。實施結果：平均每公頃節約尿素13.04kg， 900hm2小麥每年節約11.74t尿素，每t尿素320歐元，每年節約3755歐元。

脫粒時作物群體更均勻，平均每667m2產量增加10%， 900hm2面積相當于增加90hm2的產量，每公頃產8t小麥，增產720t，每噸小麥約150歐元，增收10.8萬歐元。

圖8 配備近紅外氮素測定儀的撒肥機(精準變量施用顆粒尿素) 圖9 配備近紅外氮素測定儀的施肥機(精準變量噴施尿素硝銨溶液)

2.2.2 基于近紅外光譜作物快速測定的生長調節劑精準施用

生長調節劑精準施用的原理和做法與氮肥一致，根據噴灑機前部上方的近紅外測定儀，實地實時掃描作物群體，通過近紅外光譜法快速測定作物群體大小和長勢情況，根據測定結果即時追施不同用量生長調節劑。生長調節劑精準施用場景見圖10。

據農場主介紹， 2004年開始應用該項技術，當年種植冬小麥650hm2。之前沒有應用該項技術，大約有10%的小麥會因為長勢不一致、成熟期延后等因素減產25%。2004年應用該項技術減少小麥損失130t，減少損失1.95萬歐元，平均每公頃減損30歐元。

圖10 配備近紅外光譜快速測定儀的噴灑機正在精準施用生長調節劑 圖11 收割機停車及轉運拖車卸糧的合理安排

2.3 基于車載Telematics系統的農機作業精準管理

圖12 收割機運行時間分析

多種類型多臺農機同時作業，僅靠人工很難實現高效精準管理。農場所有的農機都通過車載Telematics系統進行管理。Telematics系統通過內置在農機上的計算機系統、無線通信技術、衛星導航系統以及互聯網來提供服務。簡單地說就是通過無線網絡將配備電腦、衛星導航、無線通信等設備的農機接入互聯網，提供信息和管理服務。

運用車載Telematics系統，通過車載計算機實時記錄農機狀態，如位置、速度、工作狀態、能耗、油箱油量、收割機儲糧倉狀態等，通過無線連接互聯網查看農場地圖、道路位置、行駛路線、其他農機位置等，能實時了解每臺農機的位置和狀態，對農機作業做出合理規劃安排，實現農機作業的動態、協同和高效精準管理。

以2016年8月9日Stadtfeld地塊小麥收獲轉運為例。地塊面積85hm2， 2臺Lexion 600收割機、2臺HAWE 28m3轉運拖車、1臺Horsch UW160轉運拖車， 2輛汽車列車， 4輛卡車，共11臺農機同時作業。通過Telematics系統，實時監控每臺機械油箱油量，合理安排油罐車在合理的位置補充柴油； 實時監測收割機儲糧倉狀態，及時安排轉運拖車在合理的地點卸糧(圖11)，并預料卸糧的時間； 根據轉運拖車和卡車的相對位置，合理安排拖車向卡車卸糧的合理地點。通過以上措施減少農機的空駛、繞路、怠車、等待等消耗，提高農機作業效率，并能對農機實際作業效率進行客觀記錄和分析(圖12)。

3 發展精準農業的經驗與啟示

精準農業是農業科技精準應用的前沿，是多學科協同作用、科技含量較高、綜合性較強的現代農業生產管理技術。其應用實踐，將充分挖掘農田生產潛力、合理利用水肥資源、減少環境污染，推進農業現代化，實現資源、經濟、生態的可持續利用和發展。當前中國農業正面臨轉型升級的關鍵時刻，通過發展精準農業，全面提升勞動生產率、土地產出率、水土肥藥資源利用率，是轉變農業發展方式、推進綠色發展的關鍵舉措。從德國農場推進精準農業看，要確保其生命力，須注重解決好以下問題。

3.1 以提高經濟效益為前提

Gut Derenburg農場實施的每一項精準管理措施都是以能提高經濟效益為前提。節約投入成本、增加作物產量、提高農機運行效率，這些都體現在節約成本和增加收益上。分區施用堆肥和石灰以調整土壤pH值等措施改良土壤，最終也體現在產量水平的提高上來。當前，我國很多地方也在探索發展精準農業，但個別地方把精準農業當形象工程，看上去高大上，卻不能真正發揮作用解決實際問題，不能幫老百姓增加收入。唯有錢可賺，有利可圖，老百姓才有動力有意愿投入精準農業，才能充分發揮農民的主觀能動性。

3.2 以專業化服務為依托

Gut Derenburg農場發展精準農業，其技術、設備、軟件等服務支持，都是通過市場化的手段，依托相關專業公司完成，涉及咨詢服務公司、農業技術公司、肥料公司、農機公司、軟件公司、計算機公司等。單純依靠農場主自己是無法發展精準農業的。當前中國農村涌現出來的家庭農場、專業合作社、種養大戶等是從以前的小農生產中脫胎而來，對發展精準農業所需要的思維方式、知識結構、管理能力等準備不足，更加需要專業公司的服務和支持。近年來隨著現代傳感、通信、物聯網等技術的逐漸成熟，在農業領域的應用逐漸增多，相關企業在技術、人才、經驗等方面有了積累，為發展精準農業提供了有利條件。

3.3 以提高資源利用效率為核心

德國農場的人工勞動效率非常高， 100hm2只需要0.48個勞動力。相對的，土地、肥料、燃油等資源產出效率還有很大的提升空間。分區精準施用磷鉀肥、變量精準噴施氮肥和生長調節劑、分區土壤改良等措施能減少投入品施用，增加作物產量，最終提高土地及肥料等投入品的產出效率。農機車載Telematics系統管理也是為了減少農機的空駛、繞路、怠車等消耗，提高農機燃油效率、農機工作效率。當前我國農業的勞動生產率、土地產出率、水肥油等投入品利用效率都很低，畝均農機動力、畝均水肥藥等投入品施用量都高于世界平均水平，與德國差距更大，更加需要以發展精準農業為突破口，推進農業資源的高效利用，推進綠色生產和農業可持續發展。

3.4 以規模經營為基礎

Gut Derenburg農場經營面積1068hm2，其中耕地972hm2。德國農場平均規模是58.6hm2，適度的經營規模為發展精準農業提供了有利條件。隨著我國農村承擔土地“三權分置”改革推進，以及國家對家庭農場、種養大戶、專業合作社等新型經營主體的支持，農村土地經營權集中和規模經營的趨勢將會越來越明顯。因此，加快推進農村土地確權工作，鼓勵和引導承包土地的“三權分立”，支持面向市場、規模經營的農業生產主體，將為我國精準農業發展創造歷史條件。

3.5 以提升勞動力素質為支撐

Gut Derenburg農場主人Christian Münchhoff先生是農業大學本科畢業，與相關研究機構、農業公司保持長期的合作研究，具有較高的專業能力和管理水平，這是保障精準農業項目順利實施的有利條件之一。當前中國農村仍然是小農生產為主，農業勞動者整體的生產經驗、業務能力不能適應發展精準農業的需要。當前農村新型經營主體具有主動采用新技術新方法的開放意識和相對較高的業務能力，因此，應以新型經營主體為主要對象開展相關培訓，為發展精準農業提供人才支持。

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《中國農業資源與區劃》雜志(月刊)是中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所、全國農業資源區劃辦公室、中國農業資源與區劃學會聯合主辦的指導性與學術性相結合的綜合性刊物，主要宣傳農業資源開發利用與保護治理、農業計劃、農業發展規劃、農業投資規劃、農村區域開發、商品糧基地建設等方面的方針政策；介紹農業資源調查、農業區劃、區域規劃、區域開發、農村產業結構布局調整、農村經濟發展戰略研究、持續農業等方面的經驗、成果和國外動態，以及新技術、新方法的應用，探討市場經濟發展和運行機制與農業計劃、農業資源區劃的關系和影響，推動農業計劃和農業資源區劃學術理論發展，普及有關基礎知識。本刊面向從事農業資源調查和區劃、農業發展計劃、規劃的干部、科技人員、大專院校師生及廣大農村干部。

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Email: quhuabjb@caas.cn。郵發代號：2-732，投稿網址：www.cjarrp.com

THE PRACTICE AND ENLIGHTENMENT OF PRECISION AGRICULTURE IN GERMAN——TAKING GUT DERENBURG FARM FOR EXAMPLE

Chen Zhangquan1, Wu Yong2※, Chen Shixiong1, Bian Quanle3, Cao Chongjian4,Chen Yu4, Yin Changbin5, You Fei5, Yi Xiaoyan5, Shang Bin6, Zhu Gang7, Wang Yuanji8

(1. Department of Development and Planning, Ministry of Agriculture Beijing 100125, China; 2. National Agricultural Technology Extension Service Center, Beijing 100026, China; 3. Chinese Agricultural Society, Beijing 100026, China; 4. Engineering Construction Service Center, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 5. Institute of Agricultural Resources and Agricultural Planning of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 6. Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 7. Department of Agriculture, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830049, China; 8. Agricultural Resources Division Office, Ningxia Department of Agriculture and Pastoral, Yinchuan 750002, China).

To provide a reference for the development of precision agriculture in China, this paper introduced the basic situation of the development of precision agriculture in Gut Derenburg farm, existed one hundred in Germany, analyzed management practices in soil improvement, the application of phosphorus and organic fertilizer, and agricultural machinery operation, and summarized the successful experience. The results showed that the main methods in Gut Derenburg farm included (1) through the establishment of detailed soil spatial and attribute database, to implement the basal fertilizer (phosphorus and organic fertilizer) and soil improvement (application of compost and lime to control soil pH) partition precision management;(2) by near infrared spectrum real-time measuring leaf nutritional status to control the variable precision of nitrogen fertilization and crop growth;(3) based on vehicle Telematics system to achieve more accurate and efficient operations of agricultural machinery. The enlightenments were: (1) to improve the economic benefit as the prerequisite,(2) to rely on professional service;(3) to improve resource utilization efficiency;(4) to support scale operation;(5) to improve labor quality.

precision agriculture; soil database; partition management; Germany

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170534

2017-05-02

陳章全(1962—)，男，四川眉山人，本科、副研究員。研究方向：農業遙感應用。※通訊作者：吳勇(1978—)，男，四川達州人，高級農藝師。研究方向：節水農業、旱作農業、水肥一體化等。Email：wuyong@agri.gov.cn

F31

A

1005-9121[2017]05222-08