都市農業氣象信息服務研究進展

李明 王鐵 黎貞發 楊信廷

摘 ? ?要：通過總結文獻報道，結合實地訪談等，從學科、技術、產業3個角度，對都市農業氣象信息服務進展，包括生產、生活、生態等方面進行了綜述。首先介紹了都市農業小氣候學、農業信息學、氣象信息技術的相關學科與主要團隊，然后提出今后應充分利用移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等先進技術，再調動大城市強大的科技和資本優勢，以都市農業氣象服務中心為突破口，形成一個功能主導開放共享的都市農業氣象服務合作機制，旨在通過多學科相互協作，研發一批需求引領靶向定位的都市農業氣象服務產品，打造一個智慧融合移動互聯的都市農業氣象服務平臺，建成一套學科互補產業協調的都市農業氣象服務研發體系。

關鍵詞：都市氣候;氣象服務;農業

中圖分類號：S16 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.02.003

Reseach and Progress on Meteorology and Information Services for Urban Agriculture

LI Ming1，3，WANG Tie2，3，LI Zhenfa2，3，YANG Xinting1，3

（1. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture/ National Engineering Research Center for Information Technology in Agriculture/ National Engineering Laboratory for Agri-product Quality Traceability/ Key Laboratory of Agri-informatics， Ministry of Agriculture， Beijing 100097; 2. TianjinClimateCenter， Tianjin， 300074; 3. Meteorological Service Center for Urban Agriculture， China Meteorological Administration-Ministry of Agriculture and Rural Affairs， PR. China， Tianjin 300074， China）

Abstract： Urban agriculture， with production， life， ecology， culture and other multi-function， so there needs precision services of meteorological information to support. By summarizing the literature reports at home and abroad with query in field， this paper introduced the related disciplines and main teams of agricultural microclimate， agricultural informatics and meteorological information technology from three angles of science， technology and industry. The paper summarized the progress of urban agrometeorology， agricultural informatics， agrometeorological information technology in Beijing and Tianjin firstly， and then put forward the mobile internet， IoT， cloud computing， big data and artificial intelligence and other advanced technologies， to coordinate the strong scientific and technological and capital advantages of large cities. Taking the urban agrometeorological service center as a breakthrough， there needs the formation of a function leading open and share urban agricultural meteorological service cooperation mechanism. Through multidisciplinary cooperation， we can research and develop a number of demand-led target positioning of urban agricultural meteorological service products， to create an urban agricultural meteorological service platform with smart integration plus mobile connection， and build a research and development system of urban agricultural meteorological services with coordination of complementary industries.

Key words： metropolis; climate; meteorology service; agriculture

當今超過50%的世界人口居住在都市，預計2050年將增長到70%，這對都市及周邊地區新鮮食物的供給和獲取是一個巨大挑戰，還將帶來食品營養安全、環境和自然資源退化等問題。都市本身對于克服這些挑戰能力有限，但是都市農業系統可以影響土地利用、食物生產、環境管理、運輸分配、市場、消費和廢棄物管理[1]。20世紀上半葉，都市農業率先出現于歐美等發達國家和地區，是指處于城市化和半城市化地區邊緣的一種綜合性農業，是與都市功能相契合，以都市需求為導向，以都市科技、裝備為支撐，以現代產業體系和新型經營模式為載體，以職業農民為主體的融生產、生活、生態、示范等多種功能于一體的現代大型農業系統[1]。一個可持續的都市農業系統將減少城市廢棄物、保護生物多樣性、改進空氣質量和小氣候，并降低食物運輸和存儲導致的環境效應，這些都需要氣象服務。農業是對天氣和氣候變化反應最為敏感的行業之一，都市農業也不例外，雖然高端可控設施是都市農業的典型特征，但室內外小氣候的聯動關系，更需要精細化的氣象信息服務作支撐。都市型現代農業的價值已從滿足人們對“胃”的需求，上升到對生態服務、生活參與、文化教育等隱性價值的追求[3]。因此，氣象服務具有深層次、多維度的發展空間。

作為現代農業的組成部分，我國都市農業的實踐始于20世紀90年代初期的城郊農業，最早將都市農業納入城市發展規劃的是北京、上海、深圳等一些經濟發達的大城市。近年來，中西部地區，特別是成渝地區將推進城鄉一體化和都市農業發展有機結合，充分發揮特大城市的輻射功能。筆者將從科學、技術、產業3個角度，介紹農業小氣候學、農業信息學、氣象信息技術的相關學科與主要團隊，綜述京津地區都市農業氣象信息服務進展，并對發展前景進行展望。

1 都市農業氣象信息服務學科現狀

2019年國家自然科學基金指南中，農業氣象學與農業信息學、農業物料學、農藝農機學、農業生物環境工程學等共同組成了農學基礎學科。作物系統和農作制度對全球氣候變化的響應與適應、農業氣象災害鏈理論與斷鏈防控技術研究、作物生產和產業鏈中的農業信息學研究，被列入國家自然科學基金委員會和中國科學院“2011—2020年中國學科發展戰略”農業科學中的重大交叉研究領域。

在農業科技發展方面，以京津地區為例（表1），國家級及市屬科研院所和專業科研機構101個，農業科研人員達到6 957人，研發經費支出每年接近32億元，在農業科研人員數量、經費數量等方面具備較強實力。

京津地區聚集了大量都市農業氣象服務科研教育機構，現列舉部分代表性研究機構（表2）。

2 都市農業氣象信息服務技術發展現狀

本部分重點對人工智能、大數據、物聯網等技術在都市農業氣象信息服務上的應用做綜述。

2.1 農業氣候區劃與災害評估

2014年，原農業部發布了《日光溫室發展的適宜地區及優型結構參數》。按照適宜日光溫室發展的環境要求，我國適宜日光溫室發展的區域被認為在32°N以北地區。按照建筑氣候區劃，屬于嚴寒地區和寒冷地區的18個省、市、自治區，其核心區被認為在34～43°N地區。具體可劃分為東北溫帶、黃淮海及環渤海暖溫帶、西北溫帶干旱及青藏高寒3個日光溫室蔬菜重點區的9個亞區。其中最適宜地區是黃淮海及環渤海地區，特別是山東北部、華北中北部（除大城市周邊）、東北西南部、西北的東北部地區冬半年日照百分率在60%左右，最低溫度在-10～

-25℃，空氣濕度較低，是我國北方最好的冬季日光溫室蔬菜生產基地。

陳思寧等[5]采用GIS開展了日光溫室氣候資源區劃和低溫冷害風險區劃工作。氣候資源區劃以天津近30年（1981—2010）冬季氣溫、日照、風速、相對濕度等氣候資源為基礎數據，通過不同氣象因子的空間變化，對天津冬季影響日光溫室生產的主要氣候資源進行簡要介紹。同時選取兩種在天津有代表性的溫室，依據自然災害風險原理，分別從災害強度、災害損失和防災抗災能力3個方面，對天津近10年（2005—2014年）日光溫室黃瓜種植的低溫冷害風險進行區劃。張明潔等[6]通過對我國北方地區影響日光溫室生產的主要氣候因素進行分析，從光、溫、風、雪4個方面選取了冬季總輻射、日光溫室生產季（10月至翌年4月）陰天日數、年極端最低氣溫、冬季平均氣溫、生產季月最大風速均值、年最大積雪深度均值6個因子作為氣候適宜性區劃指標，采用加權指數求和的評價方法，在GIS技術支持下，對區劃指標按照層次分析法確定的權重進行疊加，得到北方地區日光溫室發展的氣候適宜性區劃圖，為該地區合理利用氣候資源、避免不利氣候條件對溫室的影響以及科學規劃溫室發展布局提供了參考依據。

2.2 都市農業氣象信息服務與生產

農業生產氣象信息服務是以農業生產與氣象技術裝備為手段，通過集成不同的信息技術，實現農業生產全過程氣象監測、預警、控制信息化，達到農業高效、低耗、少污染的目標。農業生產信息化關鍵技術與系統主要包括生產環境信息及生長信息的采集與處理技術、生產過程預警技術、生產過程環境控制技術等。

生產環境信息與生長信息的采集、處理、存儲、積累與服務正在向數字化、網絡化方法發展，已經形成多種形式的農業服務機構和云服務平臺，以及多種網絡傳輸互相支持的格局。例如黎貞發等[7]集成開發一套包括日光溫室小氣候與生態環境監測網絡、數據實時采集與無線傳輸、低溫災害監測與預警發布、遠程加溫控制于一體的技術方法，實現溫室內外氣象環境實時自動監測，并在本市設施農業園區中的應用示范。綠云格平臺，可面向農業專業合作社、農業種植企業、農業生產基地等用戶對象提供托管式農業生產環境遠程管理服務，為用戶提供24小時不間斷的農業生產現場監控和管理服務;可實現綠云格智能監測站在全國分布的三維虛擬場景展示，區域部署的綠云格智能監測站統計分析，用戶部署設備農業生產環境的實時監測、報警服務和輔助決策[8]。

生產過程預警技術是以農業氣象模型為基礎，以災害疫病監測預警、肥料飼料投喂施用決策、農獸漁藥使用智能提示等為核心的技術。這方面報道較多的有：李明等[9]建立了“預警理論-監測體系-模型構建-系統研發”為主線的研究思路，重點圍繞日光溫室黃瓜和蘋果病蟲害開展研究。提出了果蔬氣象災害及病蟲害風險分析和預警框架[10]，建立了病蟲[11]-寄主[12-14]-設施內外環境[15-17]-生產履歷[18]四面體監測技術體系，提出了實時數據驅動的植物病蟲害預警模型構建策略[19]，研發了溫室蔬菜病蟲害監測預警系統[20]。王曉蓉等[21]運用物聯網技術實現對日光溫室黃瓜的生長環境包括空氣溫濕度與土壤溫濕度和白粉病發病狀況進行了實時動態監測和采集，并采取Logistic回歸模型建立了日光溫室黃瓜白粉病預警模型。徐寧[22]基于多元回歸統計方法建模，開發了塑料大棚黃瓜霜霉病和白粉病預測系統。進入21世紀以來，隨著高性能計算機、無線傳感器網絡等溫室環境信息采集與分析技術的發展和成本不斷降低，溫室環境時空模擬與分析逐漸成為研究熱點[23]，大量采用計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）、Matlab等計算仿真工具[24-26];國內也開展了相關研究，包括室內輻射模擬和分布[27-29]、溫濕度模擬模型[30-32]、墻體材料對日光溫室溫度環境影響分析[33-34]、日光溫室葉片濕潤時間監測方法和模型[15-16]、溫度及相對濕度估測機理模型等[35]。

生產過程控制技術主要是針對設施農業，包括小氣候、營養、脅迫、栽培管理等[36]。最近的綜述有：杜尚豐等[37-38]系統總結了國內外研究學者在溫室環境控制系統領域中取得的成果、存在的問題、以及未來的發展動態控制技術。無土栽培在日光溫室蔬菜栽培中應用越來越普遍，當前研究大多是基于環境因子的灌溉模式，如最近報道的基于ET和水量平衡方法的實時精準灌溉決策及控制系統[39]，輻射累積量控制的灌溉模式下溫室番茄生長與水肥利用研究等[40];也有基于葉片數增長動態的營養液供給策略[41];并有較多智能灌溉[42]及水肥一體化裝備的報道[43-44]。目前，在設施蔬菜病蟲害防治上，化學防治仍然是主要方法，我國用于設施蔬菜施藥的機具類型主要有：背負式手動（電動）噴霧器、靜電噴霧器、背負式動力噴霧機、擔架（推車）式機動噴霧機及常溫煙霧機等[45]。生態調控、生物防治、物理防治及農業防治方法正在迅速發展，如設施蔬菜病蟲害綠色防控系統（多功能ZHI保機），采用高壓放電法制取臭氧，基于臭氧消毒濃度與釋放時間、設施溫室環境溫濕度的關系模型，根據應用實際需求進行動態調整，為設施蔬菜物理防控提供了一種方便的殺菌除蟲方法[46]，以及基于粘蟲板誘捕的溫室害蟲自動監測裝置[11]，未來也可用于物理防治。

2.3 都市農業氣象信息服務與生活

隨著旅游服務行業的不斷發展，多地政府已將當地特色、成規模植物開花盛放時節開發成特色旅游項目之一，隨之對花期氣象服務的需求逐年增多，市場需求的不斷擴大，使得氣象旅游預報和服務產品日益增加[47]。近年來，植物學、農學、氣象學者們對各種植物花期的特征和預報進行了大量的分析和研究[48-50]，明確了影響植物物候期的主要生態氣象因子是光和溫度，利用溫度與植物物候期的相關關系可以進行開花等物候期的預報[51]。在此基礎上，北京、天津、上海、廣州、重慶等多地氣象局逐步開展了花期預報的服務工作，但國內大部分花期預報服務及產品多處于初步試探階段，預測精度、廣度及深度，和國外的成熟花期預報產品和服務的傳播相比，仍然相差較大。尤其是“櫻花三月中下旬””、“牡丹三月底至四月初”這些關于時間的表述，相比日本知名氣象預報網站Weather Map對全國各地精確到天的櫻花預報確實有很大差距[52]。

針對日益擴大的氣象旅游預報服務需求，建議以特色農業氣象服務中心為試點，統一同時對全國多個站點進行花期預報，側重預報結果在服務應用中的轉化，對花期預報服務產品的深度和廣度進行延伸。在新媒體快速發展和公眾需求不斷增長的時代，針對網絡、電視、手機等各自媒體的傳播特點和表現形式，與旅游、農業等部門聯動，從內容角度分層次進行科普、分析、挖掘花期及其相關旅游預報等服務產品。

2.4 都市農業氣象信息服務與生態

氣候品質既是對農產品品質的認定，也是對當地保持優美生態環境最好的肯定[53]。自 2007年起，瑞典開始倡導食品氣候認證，主要特征如下：一是該認證與氣候密切相關。依據農產品品質與氣候的密切關系，通過相關數據的采集收集、實地調查、試驗對比分析等技術手段方法，設置認證氣候條件指標，建立認證模式，綜合評價確定氣候品質等級。二是認證具有較強的時效性，只針對當年批次的農產品，第二年的農產品的品質等級要根據第二年的氣候條件重新申請和認證。瑞典氣候認證體系是建立在已經存在的生態食品生產標準的基礎上，而且只能和其他認證體系結合起來使用[54]。

浙江省是中國最早開始實施農產品氣候品質認證試點工作的省份，也是覆蓋的農產品較多的省份。北京市主要由北京市氣候中心和市園林綠化部門等對昌平紅富士蘋果、平谷大桃、懷柔板栗、門頭溝京白梨、房山釀酒葡萄等進行了果品氣候品質認證。四川、陜西、安徽等很多省份也都開展了氣候品質認證工作，但全國尚無統一的管理方法和實施方案，造成認證標準、規范等不統一，影響到氣候品質認證工作的后續開展。這需要開展果實品質監測、模擬與氣象預報研究模型研究，如陜西紅富士蘋果氣候品質指標模型[55]，以及李明等[12]綜合考慮溫度、光照等果實發育關鍵影響因素，構建了生理發育時間驅動的蘋果縱橫徑估計模型。

農產品氣候品質認證正處于起步階段，尚未融入我國農產品質量認證體系。國際通行的農產品質量安全認證包括產品認證和體系認證。產品認證是對終端產品質量安全狀況進行評價，體系認證是對生產條件保證能力進行評價。二者相近而又不同，產品認證突出檢測，體系認證重在過程考核，一般不涉及產品質量的檢測。國外主要以體系認證為主，目前主要包括GAP（Good Agricultural Practice，良好農業生產規范）、GMP（Good Manufacturing Practice，良好生產規范）和HACCP（Hazard Analysis of Critical Control Point，危害分析與關鍵控制點）。我國目前主要還是以產品認證為主，主要包括無公害農產品、綠色食品和有機食品標志認證;2017年起，農業農村部開展了食用農產品合格證管理試點工作，之后在全國范圍內逐步推廣食用農產品合格證制度。2019年起，農業農村部農產品質量安全中心結合國家良好農業規范GAP認證技術模式，開展全國農產品全程質量控制技術體系（CAQS-GAP）試點。上述改革動向反映了我國將以推動農產品質量安全全程管理和實時展示農產品良好生產經營行為，科學指導農產品規范化生產和正確引導農產品健康消費，氣候品質認證技術，也應當為推動農產品質量安全水平提升、名特優新農產品品牌培育和農產品安全優質營養化高品質發展做出貢獻。

3 都市農業氣象信息服務產業現狀

長期以來，氣象部門是都市型現代農業氣象服務主要的供給主體，商業性氣象服務發展較慢，但近年來，氣象服務行業社會化程度日益提升。截至2017年，在北京氣象部門備案的氣象信息服務企事業單位40余家，其中有7家公司向涉農企業、種養殖行業、農村合作社等提供氣象服務[56]。北京氣象學會、北京減災協會等社會組織也是都市型現代農業氣象服務的提供主體。

為深入貫徹落實2017年中央一號文件精神，提高各地農業氣象災害監測預報預警水平，服務特色農產品優勢區建設，中國氣象局和農業部決定聯合推進特色農業氣象服務中心創建工作。在長期合作基礎上，都市農業氣象服務中心于2017年12月27日獲批，都市農業氣象服務中心的依托單位為天津市氣候中心和天津市設施農業研究所。其主管部門分別為天津市氣象局和天津市農村工作委員會。該中心辦公室設在天津市氣候中心，負責中心的日常管理工作。該中心的成員單位包括：北京農業信息技術研究中心、北京市氣候中心、上海市氣候中心、重慶市氣象科學研究所和廣州市氣候與農業氣象中心。

都市農業氣象服務中心主要面向大城市的生產農業、生態農業和生活農業開展服務，服務產品的主要的形式和內容包括：（1）為政府以及農業、園林或其他部門提供都市農業氣候區劃、都市農業園區氣候可行性分析、都市農業氣象防災減災等決策氣象服務。（2）為市民、城郊農戶、農業合作社組織、農業企業等提供旅游觀光農業、城市小菜園、城市景觀綠化林木發育期等公共氣象服務。（3）為企業、科研機構、特定用戶等提供農業氣象金融、科技農業氣象數據等專業氣象服務。

4 展 望

4.1 科學研究展望

動植物及微生物生長發育、各尺度天氣—土壤系統與都市農業供應鏈的模擬及其結合，將共同成為構建都市農業氣象信息學的重要基礎，并將進一步與移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能技術等融合，推動智能育種、栽培/養殖、收獲加工、物流的縱深發展，成為現代都市農業技術體系的重要科學支撐。

目前特別需要加強動植物生長發育與形態結構的耦合模擬、動植物病蟲害早期監測方法及流行預測模型、都市農業小氣候模擬及氣象災害預警模型的研究。

4.2 技術發展方向

目前農業信息技術處于4.0階段，相比前3個階段，農業信息技術的研究主體主要是高校和科研機構，這一階段最大的變化在于企業，除了傳統農業企業，從事計算機和信息通訊技術等非農領域的企業也開始向農業信息技術領域進軍。根據科技部《“十三五”數字農業領域國內外技術競爭綜合研究報告》，中國除“農業傳感器與物聯網技術”和“動植物生命與環境信息感知技術”達到了與國際并行的水平外，絕大多數的智能農業關鍵技術處于跟蹤階段，總體發展水平與國際領先水平平均相差12年，都市農業氣象信息服務技術也是如此。

面向世界都市農業氣象服務信息技術發展前沿，面向國內都市農業發展的重大需求，未來一段時間，都市農業氣象信息技術的發展應以提高勞動生產率、資源利用率和土地產出率，促進農業發展方式轉變為目標，加強人工智能技術與動植物工廠、生鮮農產品冷鏈物流、農業電子商務等領域融合發展，創制高附加值、智能自動化程度高的軟硬件產品，加強標準規范制定，盡快建立關鍵技術集成應用示范基地。

4.3 產業政策建議

根據國內典型都市現代農業的生產特點，建議緊扣各地農業生產實際情況，圍繞大城市特有的高投入生產農業、高效益生態農業和高品質生活農業，充分利用移動互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等先進技術，調動大城市強大的科技和資本優勢，組織都市農業氣象服務技術開發與應用推廣，推進農業、氣象部門的服務改革，加強立項支持，形成立足本地、覆蓋區域、輻射全國的都市農業氣象服務體系。通過多學科相互協作，研發一批需求引領靶向定位的都市農業氣象服務產品，打造一個智慧融合移動互聯的都市農業氣象服務平臺，建成一套學科互補產業協調的都市農業氣象服務研發、推廣、應用體系，形成一個功能主導開放共享的都市農業氣象服務合作機制。

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