基于我國智慧農業發展及土壤總氮檢測方法研究

王鈺瀅，劉凱凱，劉晶茹，龔玉娜，曹思函，徐宏偉

(大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

1 引言

中國要強農業必須強，中國要美農村必須美，中國要富農民必須富。自改革開放以來，我國經濟飛速發展，但是農業發展卻止步不前，我國大部分的農業種植以老年人為主，年輕勞動力流向城鎮，農業發展缺少科技型人才，耕地設備老化，耕地效率過低，土地利用率低等問題對我國農業的發展產生很大的阻礙。同時，我國耕地面積在逐年減少，土地沙漠化，土地鹽堿化等問題也帶來了很大的挑戰。本文在綜合智慧農業及土壤檢測

研究文獻的基礎上，進行總結，深入分析當今農業的發展，并對土壤中氮的檢測方法進行深入研究。

2 農業發展現狀

隨著科學技術的發展和社會的進步，我國農業生產開始不受季節制約，但傳統農業生產仍存在很多問題[1]。我國對農業建設投入過少，同時也缺少發展現代化農業的科學技術型人才；由于土地分配政策導致土地分配到每個農戶身上，土地分散，機械利用率很低，導致農產品的生產成本很高；由于急功近利想更快獲得農產品，使用某些化學產品催熟，我國農產品健康安全也存在嚴重問題，農產品的法律制度不完善，質量安全檢測也不過關。由于不注意可持續性利用土地，過度使用化肥農藥，導致土地沙漠化、鹽堿化，土地可使用的質量在逐年下降同時也嚴重污染了土地[2]。氮是土壤的重要組成部分，通過一系列化學變化，為農作物提供所需養分，所以氮的監測對農作物產量及土壤保護方面都起著至關重要的作用。利用“智慧農業”對氮進行亟需提上日程。農業現代化信息化正在發展，但仍沒有得到有效推廣，還有很大發展空間，我國部分地區農業還未走近信息化，信息化與智慧農業并沒有達到完全融合，信息技術并未真正改變農村粗放型農業現狀[3]。但在“智慧農業”的發展模式下，我國糧食產量正逐年增加(表1)，基于我國農業發展現狀,“智慧農業”是我國現代農業發展的最好模式。為了減輕土地沙漠化、鹽堿化的現象，構建了氮的檢測方法模型。

表1 2011～2019年中國糧食的產量情況

3 智慧農業模型及氮的檢測方法模型的構建

中國社會經歷了農業革命和工業革命兩個階段，現在正在進行智能革命[4]。智慧農業就是智能革命的一種表現形式，智慧農業包括三個方面：第一，是智慧生產，智慧生產是用現代傳感器技術對種植地里的數據進行收集，通過互聯網技術和物聯網平臺對數據進行分析，來實現農業的智能化,提高土地利用率和農作物生產率，同時也可改善生態環境提高農作物品質?？梢栽诜N植現場安置網路攝像頭進行視頻數據的收集，安置控制傳感器用來控制數據，用空氣傳感器，土壤傳感器，光照傳感器和化學傳感器來發現農業所出現的問題[5，6],最后以終端控制中心來操控。傳統農業在進行智慧農業轉型后，可以通過RS 遙感技術、GPS 全球衛星定位系統、GIS 地理信息系統實現自動翻隴、播種、灌溉、施肥、除草、驅蟲等功能[7]。在農業生長生產階段使用物聯網及大數據分析，獲得農作物生產周期的數據共享[2]。還可以構建共享平臺進行數據共享，當農作物的生長出現問題時，可以開發app用于診斷病蟲害。第二，是智慧經營，智慧經營是利用互聯網進行銷售，拓寬農產品的銷售渠道。讓電子商務在農作物買賣上發揮其作用。讓農產品在類似淘寶的網站上銷售，這樣可以讓農民更好地把農產品賣出去，減少了作物爛地里沒人收購的情況，同時，作物的運輸也是一大問題。農產品的運輸難度也大，運輸成本太高，運輸過程保鮮困難?？梢岳谩盎ヂ摼W+農業”為核心的運輸方式，電商平臺介入農產品的銷售為其帶來多樣化的銷售方式，促進了我國智慧農業的發展[8]。第三，是智慧服務，智慧服務是農戶可在網上查找各種作物的最新價格，可結合自身情況定下這季的播種作物，方便去查找各類的信息。利用人工神經網絡算法構建智能預測模型，預測下一季度種植農作物。避免農民出現盲目跟風種植的情況，農產品的生產量超過了消費者的所需量，導致通貨膨脹，農產品賣不出它的價值，農戶損失嚴重，為避免這種情況的發生，可以利用人工神經網絡算法進行智能預測[8，9]智慧農業信息服務是將大數據、云計算、云儲存等互聯網技術應用到農業生產上面來，使信息轉化為生產力的過程?？梢杂棉r業信息服務來幫助農民把握市場需求與價格。以上智慧生產，智慧經營，智慧服務是智慧農業模型的三個方面。近些年，我國為了提高農產品產量，進行了過度施肥，這不僅是對資源的浪費、對人身體健康有害，并且對土壤也是一種污染。農藥的過度使用顯然不符合我國的可持續發展理念，對于土壤中各種微量元素的檢測來衡量農藥的需求量是農業發展解決的一個重要問題。而衡量土壤肥力大小的重要指標是土壤中氮含量的多少，最常用的氮的檢測方法是利用近紅外(NIR)光譜檢測技術通過土壤反射光譜特性獲取土壤的有機物含量(圖1)，它可直接快速的檢測土壤中化學成分組成不需要其他化學試劑，操作簡單方便。近紅外(NIR)光譜檢測技術不僅應用于農業方面，在食品、制藥等行業也有廣泛的應用，利用近紅外(NIR)光譜檢測技術可快速精準地對土壤中含氮等有機物質進行精確的測量。國內外對氮的檢測儀器主要有三種，一是便攜式土壤養分速測儀，它的原理是基于光電比色等養分快速測量技術，缺點是沒有辦法在農田中在線對氮的含量進行檢測；二是利用離子選擇場效應晶體管(ISFET)集成元件的土壤中有機物含量測量儀器；三是利用近紅外(NIR)光譜檢測技術通過土壤反射光譜特性來獲取土壤中有機物的含量。目前應用最多的是用近紅外(NIR)光譜檢測，其技術較為成熟，操作較為簡單，容易實現。

圖1 電磁輻射頻譜

4 機遇、挑戰及建議

4.1 機遇與挑戰

隨著現代信息技術的飛速發展，帶來了眾多機遇和挑戰。政府大力支持我國現代化農業色發展，促進了傳統農業向智慧農業的轉型。黨的“十八大”作出了有關農業現代化的戰略部署，農業現代化逐漸被重視起來[9]。同時，人工神經網絡算法、嵌入式、云計算、物聯網、大數據、人工智能等現代信息化技術日益成熟，特別是物聯網技術，我國農業物聯網技術水平較以前已經有了很大突破，走在了世界的前端[10]，在研究土壤含氮量的檢測方面小有成就，在這個趨勢下，化肥過度使用問題會得以解決，土壤的質量也會得到質的飛躍。

但是在面臨機遇的同時也面臨著很多挑戰。我國農業專用傳感器落后，研發農業傳感器數量少，穩定性差[11]。在農業物聯網方面沒有形成“感知—傳輸—處理—控制”的應用鏈條。我國農業發展規格較小，土壤有機養的檢測存在設備落后，缺乏信息技術人員的支持，還沒有形成可持續發展的生產體制，需要政府的大力支持和引導[9]。

4.2 建議

各級政府應重視并執行由傳統農業向智慧農業的轉型[9]。讓物聯網技術在智慧農業的發展中充分發揮它的作用，提高農民農業生產效率，促進可持續發展[12]。政府對“智慧農業”的發展應予以大力支持[13]，加強“智慧農業”基礎設施的建設，近紅外(NIR)光譜檢測技術及設備不太成熟，需要提高技術，來減少制造成本。建立并完善智慧農業生產體系，運用大數據知識去解決農業生產上的問題，實現農業生產的數字化、智能化、信息化、生態化、低碳化、集約化，加強建設智慧農業的裝備，大數據、云計算和云存儲技術運用到智慧農業模型的構建中來提高農業設施的智能化。推廣環境感知、實時監測、自動控制的智能監測農業環境控制系統，提高設施的數字化、精準化和自動化。提高農業生產信息化、標準化水平，利用衛星定位系統、遙感系統、自動控制系統、無線射頻識別系統等現代信息技術，提高農業生產設備的數字化水平，綜合利用GIS技術、互聯網技術和物聯網技術等，將種植、生產、加工、儲存、物流、營銷、質量安全等結合，使農業資源得到合理的使用，降低了生產精力，同時也使食品安全也得到了保證，對生態環境也有一定的保護?？茖W技術是第一生產力，加強農業大學的建設，培養對發展智慧農業的人才，加強對科技術學的研發，鼓勵引導廣大青年參與到智慧農業中來[14，15]。完善相關法律制度，對于發展智慧農業給予好的政策待遇，在農產品質量安全方面也應制定相關法律制度來加以保證。提高全國人民對智慧農業的認識，鼓勵大家加入到智慧農業的建設中來。

5 結論與展望

為了提高現代化農業發展水平，政府制定了一系列土地管理政策[16]，推動農業由傳統農業向現代化農業轉型，現代化農業的發展離不開“智慧農業”，智能革命在逐漸改變我國農業，在未來將成為農業生產的主力軍，在現代化農業的發展進程中，糧食問題應擺在首要地位，因此土壤的健康情況成為了人們日益關注的問題，土壤的肥力狀況與土壤健康息息相關，而土壤中的氮磷等有機物是土壤肥力的重要組成目標，土壤利用互聯網技術和物聯網平臺對數據進行分析，利用近紅外(NIR)光譜檢測技術等對土壤含氮量進行檢測[18]，我國多位科學家對近紅外光譜在檢測土壤肥力上的應用進行了大量檢測[19]，發現在技術逐步成熟的同時仍存在很多問題[20]，未來應改善農業上存在的問題，將數據轉化為生產力，培養高校智能化農業人才，促進我國新興智慧農業的發展。