一體化智慧灌溉系統在四川地區的可行性分析

王荻 姚帥君 胡雨 黃夢潔 譚積楊

Feasibility Analysis of the Integrated Smart Irrigation System in Sichuan Region

WANG Di， YAO Shuai-jun， HU Yu， HUANG Meng-jie， TAN Ji-yang

【摘? 要】黨的“十三五”規劃提出發展節水型農業，并且積極推進農業的發展轉型。農業的轉型自然離不開科技的助力，通過一體化智慧灌溉技術和設備的引入可以改變傳統農業的灌溉方式，通過應用精準灌溉的施肥技術可以改善農業種植技術，提高水肥利用率進而提高農業生產率。論文從技術分析、地域分析和經濟效益分析等多角度全面分析了在四川地區投資建設一體化智慧灌溉系統的可行性，為智慧農業和康養農業的項目投資者、從業者以及相關部門的政策制定者提供了行動基礎和依據。

【Abstract】The "13th Five-Year" Plan of the Party proposes to develop water-saving agriculture and actively promote the development and transformation of agriculture. The transformation of agriculture must be inseparable from the help of science and technology. Through the introduction of integrated smart irrigation technology and equipment， traditional agricultural irrigation methods can be changed. Through the application of precise fertilization technology for irrigation， agricultural planting technology can be improved， water and fertilizer utilization can be improved， and then agricultural productivity can be improved. This paper comprehensively analyzes the feasibility of investment and construction of integrated smart irrigation system in Sichuan region from the perspectives of technology analysis， regional analysis， economic benefit analysis and so on， which provides the action basis and basis for the project investors， practitioners and policy makers of relevant departments of smart agriculture and healthy agriculture.

【關鍵詞】智慧灌溉;農業投資;康養農業;可行性分析

【Keywords】smart irrigation; agricultural investment; healthy agriculture; feasibility analysis

【中圖分類號】TV93? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0183-04

1 引言

我國是世界上的農業大國，但又是耕地嚴重不足的國家。目前，我國人均耕地面積排名世界第126位，僅占有世界人均耕地面積的40%。一方面，我國水資源持續緊張，總量不足并且空間分布不均，嚴重制約了農業的發展;另一方面，農業管理卻仍處于粗放型模式，沒有合理有效利用水肥資源，導致生產率低下，遠遠低于發達國家水平，這也對我國農業向現代化轉型升級提出了極大挑戰。因此，應用一體化智慧灌溉系統（以下簡稱智慧灌溉系統）具有長遠和現實意義。

智慧灌溉系統能夠提高灌溉管理水平，改變人為操作的隨意性，智能調控農藥化肥用量，降低管理成本，顯著提高效益，同時，也可以減少對生態的影響。因此，推廣實施智慧灌溉，改變目前普遍采用的粗放灌溉方式，提高水肥利用率，是有效解決灌溉節水問題和提高水肥生產率的必要措施之一，是農業順利轉型、促進農業綠色可持續發展的必由之路[1]。

四川省作為西南地區地理環境復雜省份之一，既有“天府之國”美譽之稱的成都平原，也有地形復雜的丘陵、山地、高原等地貌，且農業資源豐富，光是影響作物種植的土壤就有25種類別，但近些年來自然災害及施肥后化合物對土壤的侵蝕，生態環境破壞嚴重。四川是農業大省，但農村人口空心化現象嚴重，勞動力缺乏嚴重制約了農業的發展。因此，以四川省為例作為一體化智慧灌溉設備的可行性分析，更具代表意義及示范推廣作用。也為智慧農業、康養農業的項目投資者、從業者以及相關產業規劃部門提供了行動基礎和依據。

2 行業發展現狀

國外對農業一體化智慧灌溉系統的研究比較早，目前的技術已經比較成熟。其中，以色列在該領域中一直處于世界領先地位。該國作為一個嚴重缺水的國家，高度重視農業一體化灌溉系統的研究和應用技術開發。目前，以色列應用一體化灌溉技術的農田面積占比約80%，水肥利用率高達95%[2]。該國已順利實現了將一體化灌溉系統中對作物環境信息、水肥信息等實時監控數據的遠程傳輸，并通過計算機模型處理信息并生成水肥灌溉指令，對農作物的施肥灌溉進行遠程操作。此外，美國、澳大利亞、加拿大等西方發達國家以及日韓等亞洲經濟強國的一體化智慧灌溉技術均快速發展并日益成熟完善，廣泛應用于農業領域。同時，結合日臻成熟的物聯網技術，國外學者將自動控制、模糊邏輯控制、人工神經網絡控制和自適應神經模糊控制等智能決策系統應用到一體化灌溉系統中，已實現對農作物水肥灌溉的精準智能調控和遠程操控。

我國對一體化灌溉系統的研發起步較晚，從21世紀初開始才開始針對這套系統進行研發和應用，近年來，我國在該領域的技術研究上有了長足進步。我國目前的技術主要利用可編程邏輯控制器（簡稱PLC）實現對農作物灌溉的模糊自動控制。隨著物聯網技術、電子通訊技術和自動化技術在我國的迅猛發展，我國當前的技術可以實現對農作物所處環境的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等主要參數進行實時監控、歷史查詢和異常報警，用戶通過物聯網技術和Web網絡技術遠程查看農作物各項數據并實現遠程灌溉操作。近幾年，國內學者一直致力于提升一體化灌溉系統的智慧性和精準性，將模糊控制算法等智能決策控制方法應用于該系統，實現真正的農業遠程一體化智慧灌溉。結合前瞻產業研究院發布的《中國互聯網+智慧農業趨勢前瞻與產業鏈投資戰略分析報告》[3]可知，智慧農業關鍵技術包括智能農業監控系統、農場標準化綜合管理系統、基于物聯網的農業感知技術、基于大數據的農業分析技術、基于云計算的數據處理技術等都是農業與科技結合發展的必然。目前，我國一體化智慧灌溉系統的研發正處于高速發展時期，但是實踐應用卻仍停留在依靠人工設定和操控層面，對于智能化和遠程化操作還需進一步提升和深入推廣。

3 農業結構和技術改革

農業供給側結構性改革的根本目標是提高農業綜合效益和競爭力，需要破解的基本難題是資源錯配、供需脫節、市場扭曲的矛盾，核心就是要優化農業資源配置，減少無效供給，改善農業結構調整難和農民增收難的兩難困境的現實狀況，解決的三大突破點旨在促進農業發展轉型，重視發展現代化農業和科技型農業。一是強化農業經營體系建設、創新農田基本建設模式，倡導加強對農場、農民和技術人員的隊伍建設，強調規模化和從業人員的素質化;二是優化農業支持政策，提高財政支農政策的精準性和有效性，有效提高財政資金投資效率，強調資金對農業科技的支持作用;三是建立農業綠色發展機制，強調農業發展效率的重要性和農業生態環境的綠色持續性。

此外，基層農業技術推廣站這幾年發展緩慢，很難擔當起對農業發展轉型科技支持的排頭兵作用，究其原因如下：一是鄉鎮農技部門隸屬于鄉鎮政府，很多專業技術人員被借調到其他部門，從事和農業技術推廣無關的工作，其專業知識白白浪費，很多鄉鎮甚至沒有專業技術人員;二是一直以來由于試驗、示范、推廣的經費不足，致使農業技術推廣工作發展緩慢，大部分高新技術只是停留在市級以上的試驗示范和研究;三是基層農業技術推廣隊伍人員少、知識老化，不能及時再更新新知識、新技術;四是近年來，農村青壯年外出務工人員多，在家從事農業生產的群眾多數是老年人，其思想意識落后，對學習新技術、使用新技術的積極性不高，對高新的經濟作物種植技術更難以接受。因此，基層農業技術推廣站的改革迫在眉睫，如果民間資本對灌溉系統等農業科技進行投入則可以盡快解決農業技術水平低下的難題和困境。

與此同時，農村要實現鄉村振興，關鍵在于深化土地“三權”分置改革，引導和促進資本向農村農業集中，實現農業生產規模化、專業化、現代化和農業產業的結構優化，促進與二三產業融合發展，切實提升土地產出效益和抗風險能力，因此，迫切需要資本對智慧農業系統的投資從而推動農業的規模化和專業的技術化。

面對此種情況，早在2016年中央一號文件便指出要大力推進“互聯網+現代農業”，應用物聯網、云計算、大數據、移動互聯等現代信息技術，推動農業全產業鏈改造升級。針對該文，農業部后續出臺《推進水肥一體化實施方案（2016-2020）》，強調提高水肥利用率，通過重點區域試點并利用一體化灌溉技術的推廣，提高農業生產率。其中，文件特別針對以四川為代表的西南地區實際情況，提出推廣實施高效補灌水和水肥一體化結合的系統模式。上述文件的出臺，從政策上為一體化灌溉系統的推廣提供了重要的制度保證和輿論宣傳效果，也促進了該系統的技術研發進程和實踐應用。

4 四川省各區域分析

4.1 地理環境分析

四川盆地氣候溫度適宜大多數農作物生長，尤其水資源豐富，平均降雨量充足，但時空分布不均的特點也十分明顯，季節性干旱問題突出，迫切需要一體化灌溉系統對自然資源進行綜合調配和有效利用。以成都平原以例，主要以平壩為主，利于規模化的種植。區域內屬四川盆地中亞熱帶濕潤氣候區，歷年平均氣溫16.5℃，年均降水量977.2mm，年平均相對濕度為81%，歷年平均日照時數1032.9h，年平均風速1m/s，風向多為偏北風為46%，年平均無霜期297天。農作物種植時間長且溫度適宜，區域內水系屬長江水系支流岷江和沱江水系的支流，地表水及地下水充足，適宜灌溉設備的引入。

盆地東部年均氣溫17.6℃，年日照時數1192.7h，年降水量1026mm，年平均降雨日數147.7天，無霜期314天，屬亞熱帶季風性氣候區。境內河道屬長江流域，流域面積廣闊，但沒有大的江河過境，只有沱江、涪江水系的支流，水量充足，適宜果蔬種植，例如，區域內檸檬、橘子的種植，如果引入和建設灌溉系統則可以大大提高支流水資源的綜合調用率和有效利用率。

盆地西南邊緣以淺丘為主，兼有深丘、山地、平壩等多種地貌特征。以該區域的蒲江縣為代表，境內主要為岷江水系，境內地表水天然資源4.65億m3，主要由降水產生，年平均降水總量7.56億m3。地下水總儲量2.84億m3，可開采總量5522.8萬m3。該縣是著名的水果產區，特色水果生產已形成產業規模，現代農業產業園總面積316.28m2，合計47.44萬畝，占全縣轄區面積的54%，良種化、設施化、機械化率分別達95%、70%、75%。農業物聯網、土壤大數據、農產品電商等技術在生產、加工、流通等領域已開始進行應用，一體化智慧灌溉系統的投入更能促進該地區農產品生產的效率提升，提升經濟效益和生態效益。

四川除了盆地外，還有高原山地地區。地形更加復雜，海拔較高，以攀西地區為代表，日照充足，晝夜溫差大，支流較多，水資源豐富，適宜水果種植，例如，鹽源蘋果、攀枝花杧果。該地區水果種植已經趨于產業化，但是地區降雨時節和作物需水時間不同步情況經常發生。更為重要的是，由于山地地形復雜，嚴重制約了農民日常的灌溉施肥程度工作，增加了日常生產成本，對自然天氣的依賴程度也很高，同時，對于病蟲害也不好實時監控和治療，如果大量使用農藥，又會對生態環境帶來不良影響，難以保證農產品的綠色有機品質。而一體化智慧灌溉系統的投入則可以在空間、時間和地形上幫助農民提高水肥利用率從而提高產量，并且實時監控有關參數，提出預警并幫助預防病蟲害的發生。

4.2 社會經濟環境分析

四川省積極發展基礎設施建設，為新型農業技術的推廣尤其是系統項目的投資建設提供了基礎和便利。以道路交通為例，省內的各縣市之間的互通基本普及，全省自十八大以來致力于建設交通樞紐，尤其是扶貧通道的建設，新建高速公路近3200km，高速公路總里程達7520km，居全國第二。同時，全省各縣市都頒布了有關于農業科技園發展、農業機械化發展等方面的優惠政策。一些是直接根據每家每戶的種植面積、種植情況等給予相應資金和補貼;一些是鼓勵集中生產，提高信息化、機械化水平的優惠政策，同時，還鼓勵技術應用，提倡發展規模化、標準化、設施化的特色農業和生態農業。另外，康養產業的興起，也對農業的發展提出了新的要求。隨著我國健康問題和老齡化問題的不斷嚴重，對綠色、有機農產品的市場需求越來越大，國家和地方各級政府紛紛出臺多項文件，制定政策鼓勵和促進康養農業的發展。四川作為人口大省和農業大省，人口老齡化的影響也更為突出，對養老、健康產品的需求也尤為明顯。因此，一體化智慧灌溉技術將有助于綠色農業、康養農業的發展，并具有廣闊的市場應用前景。

5 成本效益分析

長期以來智慧灌溉技術的推廣應用一直進展得相當緩慢，這主要是因為一般農業生產者和參與者在計算成本和效益上，都比較注重短期效益或者未進行精確的成本收益分析。有關設備和服務的成本表面上看起來很高，一般農民或小型農場經營者無法一次性負擔或者不愿意一次性投入這筆費用，但智慧灌溉系統實際上能提供全新的方式改變其對土地的投入和其從土地中獲得的收益，在成本不變的情況下經營管理更多的土地。美國工程與生物系統學專家指出，“使用更先進的智慧農業工具能夠節約更多的費用，約為每英畝15美元;使用指導系統和智慧農業基本技術可使每英畝節約2至8美元不等”。另外，研究顯示智慧灌溉技術在不影響產量的情況下可以減少至少10%的化肥使用量。

5.1 成本分析

傳統農作物或經濟作物的種植基本上都依靠人力，從育壤、播種、育苗、施肥、除蟲、灌溉到最后的收割都需要大量勞動力的投入。同時，各項勞作的精細準確度很大程度上都是依靠父輩流傳的經驗進行。當面對具有突發性和泛濫性的病蟲災害和惡劣天氣的影響時，這樣的經驗式勞作具有極大的局限性，畢竟不同的區域有著不同的自然地理環境，尤其自然災害存在不可預見性，因此，產出效果非常有限而且具有很大不確定性，智慧灌溉系統的投入可以很好地解決這個問題，提高產出并保證產量的穩定性。從人工成本角度來看，智慧灌溉設備通過傳感器、數據控制臺等技術進行自動精準灌溉、施肥，在很大程度上減少了對勞動力的依賴，對于大型的農場經營者而言降低了大批勞動力成本支出。雖然灌溉設備的引入會增加設備的前期投入和以后設備的維護費等，但從長遠來看，設備的投入支出可以通過后期提高了的利潤中收回。

5.2 效益分析

農作物及經濟作物的盈利點主要是依靠規模化種植降低成本以及品質提升提高價格優勢。農業經濟的規模化已成為大勢所趨，同時，也是我國剛性勞動力減少的迫切要求。智慧灌溉設備的引入可以通過基于精準的農業傳感器進行實時監測，利用云計算、數據挖掘等技術進行多層次分析，并將分析指令與各種控制設備進行聯動完成農業灌溉、管理。這種智能機械代替人的農業勞作模式，不僅解決了農業勞動力日益緊缺的問題，而且實現了農業生產高度規模化、集約化、工廠化，可以顯著提高生產效率。此外，結合網絡服務體系和通訊技術，農業相關人員足不出戶就能夠獲取農作物實時信息、進行遠程灌溉操控甚至是機器智能進行灌溉調控，專家系統也可以遠程指導農業生產，改變了單純依靠經驗進行農業生產的經營模式。此外，智能灌溉設備還能實時監控并及時預防農業生產過程中出現的災害，提供對策幫助解決突發性的災害問題進而降低風險的影響減少損失。同時，系統的精準分析可以有效地降低種植農作物帶來的生態環境污染風險，有效促進綠色農業、康養農業的發展。

6 結語

推廣一體化智慧灌溉系統既順應了國家大力發展節水型農業、智慧型農業和康養農業的號召，也是人口紅利消失背景下進行規模化經營的迫切需要。在技術上我國目前已經可以實現水肥的一體化精準灌溉、遠程化控制甚至是智能操控。從經濟角度分析，該系統適應現代農業的規模化生產，可以節約人力成本和農資成本，提高水肥利用率和生產效率，預防自然災害風險減少損失，提高農業生產利潤。同時，該系統有助于綠色、有機農產品的生產和監控，推動綠色農業和康養農業的發展。該系統的推廣既有政策支持，也有市場需求空間，因此，在四川的推廣應用具有可行性。

當前，四川省的農業自然條件比較復雜，推廣基礎條件也不一致。對于經濟發達、城市化程度高的地方，可以在農業規模經營的基礎上進行智慧農業試驗，推廣智慧農業技術，而對于經濟發展緩慢、城市化進程緩慢的地區可針對性地進行局部試驗和推廣。

包括四川在內的我國西部地區，水資源在地理和時空上分布嚴重不平衡，但現階段水資源開發利用方式不合理，灌溉方式不當引起的環境惡化問題嚴重。智慧灌溉系統可大大節約水資源利用率并遏制環境惡化。智慧灌溉系統在四川的大力推廣，可以為該系統在西部地區的深入實踐起到示范作用，進而推進農業現代化、普及現代信息技術和打造新型智慧農業，從而改變我國西部農業落后面貌。

【參考文獻】

【1】農辦農〔2016〕9號.推進水肥一體化實施方案（2016—2020年）[Z].

【2】呂途.基于物聯網的水肥一體化智能灌溉系統研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2019.

【3】前瞻產業研究院.中國互聯網+智慧農業趨勢前瞻與產業鏈投資戰略分析報告[EB/OL].https：//bg.qianzhan.com/report/detail/e9c83de158844432.html.