我國農業生產的發展方向：從機械化到智慧化

羅錫文 ，廖娟 ，臧英 ，區穎剛 ，汪沛

（1.華南農業大學工程學院，廣州 510642；2.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

一、前言

農業是人類的衣食之源和生存之本，農業生產直接關系著人類的生存、發展和社會穩定。農業生產的發展大致可分為4個階段：一是農業社會時期，以人力和畜力作業為主的傳統農業生產時代，稱為農業1.0；二是工業社會時期，以機械化作業為主的機械化農業生產時代，稱為農業2.0；三是信息化社會時期，以自動化作業為主的自動化農業生產時代，稱為農業3.0；四是智慧社會時期，以無人化作業為特征的智慧化農業生產時代，稱為農業4.0。實現食物安全供給是我國農業生產和發展的首要任務。到2050年，我國對大米和小麥的需求仍將持續增長，肉、蛋、奶等農畜產品的需求也將大幅增長。具體來看，水產品和奶制品的需求量將是目前的3倍以上，水果、畜產品、飼料用糧、食用油和纖維的需求量將是目前的1.5~1.6倍，食糖、蔬菜的需求量將分別增長100%、75% [1]。目前，由于食物需求的增長以及食物消費結構的改變，對農業生產提出了更高的要求，為保障我國糧食安全，需進一步發揮科技進步的支撐作用并加快推進農業生產方式的轉變。

改革開放以來，我國農業生產機械化水平有了顯著提升，為促進我國農業勞動生產率、土地產出率、資源利用率的提高和保障食物安全作出了重要貢獻。當前，隨著科技革命和產業變革的加速發展，傳統的農業生產方式已經無法適應現代社會發展的需求，“誰來種地，怎樣種地”是中國和全世界農業領域面臨的共同問題。智慧農業生產以智能農機裝備為基礎，以數據和知識為核心要素，將現代先進技術與農業深度融合，可大幅提高勞動生產率、土地產出率和資源利用率，是實現農業生產過程中的數字化感知、精準化作業、智能化決策和智慧化管理的先進農業生產力，也是社會發展的必然趨勢。

本文以水稻生產為例（主要包括耕整、種植、田間管理、收獲和干燥5個環節），介紹我國農業生產的發展現狀，分析我國農業生產向智慧化生產轉變的社會需求、面臨的機遇與挑戰，提出今后的發展方向與發展路線，并提出我國農業生產向智慧化方向轉變的對策建議。

二、我國農業生產的發展現狀

隨著蒸汽機的發明，人類進入了工業社會，農業生產也進入了機械化時代。我國農業生產進入機械化時代的時間略晚，改革開放四十多年來，我國農業生產已逐步向機械化轉變。為深入了解我國農業生產的現狀，將以水稻生產為切入點進行分析。

（一）耕整

當前，鏵式犁、旋耕機、深松機和激光平地機等耕整機械逐漸代替了人力和畜力耕整。激光平地技術已得到較廣泛應用，可有效節水30%~50%，土地利用率提高約9%，在大幅提高土地精細平地作業效率的同時，使產量增加20%~30%，取得了良好的經濟效益 [2]。水田耕整的一般要求是“寸水不過田”，即水田田面高差不超過3.3 cm，這對于人力和畜力作業來說很難實現，而我國相關科研單位研制的激光平地機已成功實現這一要求 [3~5]。另外，水準儀、全站儀、地面激光掃描儀和無人機載激光掃描儀的使用可以快速采集農田平整度信息，如基于全球導航衛星系統（GNSS）的農田三維地形實時采集系統可以在平整作業過程中，快速精準獲取田面的平整度信息 [6]。

目前，我國耕整機械創新能力不強，80%以上的關鍵核心技術來源于國外，重大裝備關鍵核心技術對國外技術的依存度高達90%以上，產品配套比例偏低。另外，大中型耕整地機械少，小型耕整地機械多；復合耕整地機械少，單一功能耕整地機械多；高品質耕整地機械少，中低品質耕整地機械多。為此，需加強耕整機械自主創新，優化調整耕整機械配套比例，研發具備整體結構大型化、聯合整地以及通過液壓系統調整機具參數、可改變作業狀態的裝備與技術。

（二）種植

水稻種植機械化是水稻生產機械化的重要方面，目前常規稻的機械化栽插技術與裝備已較為完善。機械直播是一種輕簡高效的栽培方式，與人工移栽方式相比可節省人工約95%以上，與機械移栽相比可節省人工約70%以上 [7]，同時直播稻具有分蘗節位低、不傷根和沒有返青期等優勢，顯著提高了生產效率，提高了水稻產量，稻米品質較優。當前，普遍使用的“三同步”水稻精量直播技術在直播機作業時，先在田面開出蓄水溝，并同時在兩條蓄水溝的壟面上開出播種溝，排種器以穴播方式將稻種均勻地播在播種溝中，實現了行距可選、穴距可調和播量可控。該項技術已在全國26個省（市）和國外6個國家得到推廣應用，取得了顯著的社會效益和經濟效益。當前我國水稻種植環節的智能機械化水平仍然較低，作物和區域發展不平衡、不充分問題仍然比較突出，需加強研究適用于南方丘陵地區和蔬菜等經濟作物的智能化種植機械。

（三）田間管理

田間管理主要是對水、肥、藥的管理。目前，滴灌和微噴灌系統、同步播種施肥機、變量施肥機、地面和航空噴霧系統等田間管理機械和技術已在農業生產中普遍推廣和應用，顯著提高了水、肥、藥的利用率，節約了資源，減少了環境污染。在精準灌溉方面，在土壤中埋置傳感器以精確獲取土壤中的含水量，根據作物不同生長期的需水規律，實現了精準灌溉和水、肥、藥一體化灌溉 [8,9]。在精準施肥方面，采用自動配肥施肥機，可實現多種肥料的實時在線配比 [10]；變量施肥系統可滿足實際生產需要，將淺層和深層排肥量的最大誤差降低，相比傳統施肥方式，可減少施肥量約12% [11]。在精準施藥方面，噴霧壓力和噴霧流量可調等先進技術已廣泛應用于地面施藥機械和航空植保機械 [12]。

由于我國農作物種類繁多，種植方式各有不同，現有的灌溉系統、施肥與施藥機械難以適應不同地區、不同作物施肥和施藥的需求，需研究可以實現全面（作物和區域）智能灌溉、施肥和施藥作業的機械與技術。

（四）收獲

水稻收獲機代替了人工收獲方式，部分收獲機已開始安裝產量、含水率、流量、損失率和含雜率傳感器，提高了智能化水平。目前，我國已研制開發出實用化的大型智能化糧食收割機，并通過自動化、智能化控制等先進技術，打破了國外的技術壟斷和市場壟斷，可用于收獲水稻、小麥、大豆等糧食作物，如多功能谷物智能聯合收獲機 [13]。基于GNSS開發的遠程精準服務系統，可以實現收獲機故障遠程實時診斷和維修指導。

目前，我國水稻收獲機械的智能化程度還不高，作業效果不理想，針對馬鈴薯、茶葉、花生、蔬菜等作物的機械化收獲水平還較低甚至是空白。需針對我國農作物種植模式，自主研發適用于不同作物和不同地區的收獲機械，實現規模化和標準化生產，提高收獲機械的智能化水平。

（五）干燥

稻谷烘干是水稻生產全程機械化的最后一個關鍵環節，是保證稻谷貯藏品質的必要技術手段。目前，熱風干燥、真空干燥、微波干燥、熱泵干燥和遠紅外干燥，以及兩種干燥技術結合的技術，如熱風微波干燥、微波真空干燥、熱泵遠紅外干燥等是我國主要的稻谷干燥技術。受技術、成本、場地等因素限制，熱風干燥是目前國內應用最為廣泛的稻谷干燥技術。稻谷干燥系統可將稻谷含水率從28.4%降至13.6%，系統工作效率為14.13 t/h，成本為15.16元/t [14]；稻谷變溫熱風干燥系統將傳統的恒溫47 ℃干燥改為以5 ℃和10 ℃為變溫幅度的變溫干燥工藝，干燥后稻谷顆粒的爆腰指數分別降低了20%和10%，整精米率分別提高了12.6%和7.7%，達到安全貯藏含水率（14.5%）所需的時間分別節約了 30 min 和 60 min [15]，顯著提升了稻谷的品質。

隨著我國農業現代化的大力推進，稻谷機械烘干技術應實現更加低碳、智能、高效，為確保糧食顆粒歸倉發揮更大作用。

三、農業生產向智慧化方向轉變的社會需求

（一）提高勞動生產率的需要

1952年，我國的總人口為5.75億，其中農業勞動力人口為1.73億，即1個農業勞動力的勞動產出可以滿足3.32個人的實際糧食需要；2019年，我國總人口數為14億，農業勞動力人口為1.94億，1個農業勞動力的勞動產出可以滿足7.2個人的實際糧食需要 [16]；到2050年，我國的總人口約為13.65億，但農業勞動力人口占比將低于10% [1]。2003—2019年，我國農作物綜合機械化率每提高1個百分點，城市化率會提高0.53個百分點，而農業勞動力在社會總勞動力中的占比則降低0.64個百分點 [17]，這表明農業機械化可大幅度提高勞動生產率，實現以更少的農業勞動力養活更多的人口。到2050年，我國1個農業勞動力需要養活至少10個人，為此，需要進一步發展農業機械化，實現智慧農業生產，提高勞動生產率。

（二）提高土地產出率的需要

1949年，我國水稻、小麥和玉米三大糧食作物的單產分別為 1892.29 kg/hm2、642.10 kg/hm2和961.66 kg/hm2；隨著農業機械化技術和良種良法等先進農業科學技術的采用，2020年，三大作物的單產分別提高至 7043.22 kg/hm2、5742.09 kg/hm2和6317.74 kg/hm2，分別是1949年的3.7倍、8.9倍和6.6倍。當前，我國人均耕地面積僅為0.86 hm2/人 [18]，且隨著工業化和城鎮化的發展，我國農業用地將更為緊張，因此，通過智慧農業生產提高土地產出率是實現用有限的耕地養活眾多的人口的根本途徑之一。

（三）提高資源利用率的需要

1991—2020年，通過采用精準灌溉技術，我國灌溉水有效利用系數從0.358提高至0.56；通過采用精準施肥技術，節約肥料約15%~40% [19]；通過采用精準施藥技術，節約農藥約40%~60% [20,21]。2020年，我國水稻、玉米和小麥三大糧食作物的化肥、農藥和農田灌溉用水利用率分別為40.2%、40.6%、55.9% [22]，而歐洲和美國等發達國家和地區在小麥、玉米等糧食作物生產過程中的化肥、農藥、農田灌溉用水的利用率為50%~65%。總體來看，我國農業生產的資源有效利用率不高，與發達國家還存在一定的差距。為此，需深入大面積推廣精準農業生產技術，提高水、肥、藥等農業資源的有效利用率。

（四）農業綠色化發展的需要

農業是全球主要的溫室氣體排放源之一，全球農業領域每年CO2排放量占總溫室氣體排放量的21%~25% [23]。據預測，如不采取減排措施，2050年，農業領域CO2排放量將會再增加30% [24]，嚴重影響全球碳減排目標的實現。1978年以來，我國農業碳排放量以5%的年均速度持續增長 [25]，我國農業溫室氣體排放量約占全國溫室氣體總量的17% [26]。農業綠色化發展是實現我國碳達峰、碳中和目標的重要內容。關于農業綠色生產，一是要求農機裝備生產過程綠色化，即在制造和生產農機裝備的過程中不產生或少產生污染；二是要求農機裝備使用過程的綠色化，即農業機械在使用過程中盡量減少燃料消耗和尾氣排放，降低對土壤的壓實和破壞；三是要求農機裝備實現綠色化作業，即采用農機裝備進行精準施肥、精準施藥和精準灌溉作業，提高水、肥、藥等資源的有效利用率，減少生產成本并降低對環境的污染 [27]。

四、我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇與挑戰

（一）我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇

1.鄉村振興戰略的實施

鄉村振興是黨的“十九大”提出的重大戰略部署，我國確立了推進農業農村優先發展，促進農業農村現代化發展的重要方針，并取得了歷史性成就。鄉村振興戰略實施以來，我國農業農村現代化發展取得了突破性進展，農業基礎設施明顯改善，高產穩產的高標準農田建設成效顯著，脫貧攻堅取得決定性成就，產業扶貧政策覆蓋率達到了98%。我國農民人均收入增速連續10年高于城鎮居民，2020年我國農民人均可支配收入達到1.71萬元 [28]。鄉村振興戰略的實施改善了農業基礎設施建設，提高了農民收入，使農民有能力購買農業機械，為農業生產朝智慧化生產轉變提供了支撐。

2.財政支農政策的完善

當前，我國財政支農政策不斷完善，財政支農結構不斷改善，財政支農力度不斷加大，將有力助推農業智慧化生產，為農業生產方式轉變奠定堅實的經濟基礎。據統計，我國財政支農總額由1952年的2.69億元增長到2020年的23 903.62億元 [29,30]。

3.機械制造領域的不斷發展

我國機械制造領域的不斷發展為農機裝備智能化提供了物質基礎。我國實施制造強國戰略以來成效顯著，主要表現在：突破了一批關鍵核心技術和產品，技術攻關能力和創新能力顯著增強；突破了一批重點領域核心環節瓶頸短板問題，基礎研發能力和創新能力穩步提升；智能化制造加快推進，涌現出一批智能制造新模式和新產業，信息技術與制造業深度融合，使制造業加速向網絡化、數字化和智能化方向發展。我國機械制造技術的進步為我國農機裝備制造向智能化方向發展提供了支撐。

4.信息技術賦能

信息化與農業的深度融合是農業生產方式從機械化向智慧化方向發展的關鍵之一 [31]。農業機械信息化指將物聯網、第五代移動通信技術、傳感技術、云計算、人工智能等現代信息技術與農業生產方式相融合，使農業機械運行更安全、更可靠、更高效。相比傳統農業機械，信息化農業機械在保證作業質量的同時，可提高作業效率約50%~60%[32]。以信息技術為基礎，在農機裝備上配備智能化系統，為研制具有精準播種、施肥、施藥、除草和收獲功能的智能農機裝備，發展智慧農業提供了有力支撐。

（二）我國農業生產向智慧化發展面臨的挑戰

1.智慧農業生產基礎設施落后

目前，我國大部分地區發展智慧農業生產的基礎設施較為落后，部分農村地區網絡基礎設施建設滯后，農村寬帶和光纖設施覆蓋率遠遠不能滿足智慧農業發展的需要。智慧農業生產裝備成本較高，而我國農民的實際收入較低，難以購置開展智慧農業生產所需的機械設備，限制了智慧農業生產裝備的推廣應用。

2.智慧農業信息化水平較低

信息技術是智慧農業生產方式發展的核心要素之一。目前，我國多數農業生產地區信息化水平較低，主要體現在以下方面：一是我國智慧農業信息數據標準化程度低、準確性不高、覆蓋面不足；二是缺乏農業信息數據共享機制，歸屬于不同部門的信息數據無法共享；三是我國農業信息平臺較少，針對農業生產建立的信息應用網站、數據分析平臺規模較小、信息準確度較低，農業類信息平臺數據分析的精準性和時效性不高。以上問題導致我國農業信息數據對我國智慧農業生產的支撐作用低，致使我國智慧農業生產難以推進。

3.智慧農業人才匱乏

智慧農業生產集成了農業科學化生產技術、信息化技術以及智能農機裝備技術等，需要大量既掌握農業知識又了解現代化信息技術的高素質技術人員、運維人員和系統管理人員進行智慧農業系統的使用、維護和管理，以充分發揮智慧農業生產的效能。但目前，我國農業從業人員受教育程度普遍偏低，尤其是在偏遠的農村地區，農民文化水平整體較低，對于農業機械化、互聯網技術等新興事物的接受能力與應用能力不強，不利于我國智慧農業的發展與推廣應用。

五、我國農業生產的發展方向與發展路線

（一）我國農業生產的發展方向

我國農業生產將朝著智慧化方向發展，即在傳統農業生產方式的基礎上，將物聯網、衛星定位、傳感技術和智能控制等信息技術應用于傳統的農機裝備，從而實現農業生產過程的數字化感知、智能化決策、精準化作業和智慧化管理。

1.數字化感知

農業傳感技術和物聯網技術是數字化感知的核心技術。發展重點是研發可靠性和穩定性高、成本低，適用于各種農業生產環境的高精度傳感器；開發集多種參數感知于一體的多用途小型化傳感器，如微機電系統（MEMS）、微電子機械、仿生及生物傳感器等新型傳感器。

廣泛采用自主研制的農業無線傳感器網絡，提高農情數據信息的實時性和可靠性是數字化感知的發展方向之一。加快實現農機裝備傳感器的智能化和信息檢測及數據分析，實現土壤-作物-機器-環境傳感器協調下的智能決策與精準作業；利用MEMS技術，研制新一代農機裝備傳感器，在實現農機傳感器小型化的同時提高檢測精度和穩定性；加快發展新型仿生和生物傳感器，以適用于不同的農機應用場景；加快推進基于機器視覺、實時全球定位系統（RTK-GNSS）、慣性技術融合的傳感器在農業中的應用，提高大田無人化作業和畜牧水產智慧養殖的自動化水平，推動形成新型的種植模式和養殖模式。

2.智能化決策

智慧農業基于農業生產的時空特性，可為農業生產過程提供智能化決策，在適宜的時間、適宜的地點以適宜的方式投入適宜的生產資料，通過合理利用農業生產資料，降低農業生產成本，獲得最佳的經濟、社會和環境效益。例如，根據水稻的生長情況和土壤中的水分及養分情況，依據水稻不同生長階段的水分和養分需求，為水稻生長提供智能化決策。隨著遙感技術、地理信息系統、全球定位系統等技術的不斷發展，農情信息快速采集技術不斷成熟。今后智能化決策系統的發展方向應以相關技術的開發和應用為技術支撐，以數據為驅動，采用知識和數據相結合的決策模型，將精準農業決策與智能計算方法有效關聯，基于數據庫、因果關系和時間序列，對農業生產進行評判和預測，為農業生產提供智能化決策。

3.精準化作業

以糧食作物、園藝作物和經濟作物耕、種、管、收的高效智慧生產為重點，根據北方旱作、南方水田和丘陵山區等不同區域的高效生產需求，研制精準耕整、精準種植、精準施肥、精準施藥、精準灌溉和精準收獲等智能作業裝備，形成面向智慧化農業生產的精準化作業方案。圍繞新一代人工智能技術發展趨勢以及智慧農業生產的需求，開展遠程增強現實（AR）操控作業系統、中大型農業機器人自主作業系統以及微小型農業機器人集群與協同作業系統的研發；開展通信及安全控制、高精度靶向識別及路徑規劃、人機物交互系統（HCPS）、高速高精度驅動及末端作業機構研究。開展畜禽養殖環境構建及調控、動物個體及群體識別與感知、智能飼喂系統研發；開發動物生長及養殖環境自動巡檢機器人和糞污高效處理系統。

4.智慧化管理

通過信息技術提高農業機械的智能管理水平，包括遠程調度、機具監控、故障預警和遠程維修指導等。①在遠程調度方面，利用GNSS技術等，遠程實時獲取農業機械的作業位置和作業軌跡，并根據生產需求，按最短轉移路徑原則進行農機調度，提高農機效率。②在機具監控方面，利用各種傳感器技術，在農機作業時實時采集關鍵部件作業參數，并發送至農機生產企業和農機管理部門。③在故障預警和遠程維修指導方面，根據實時獲取的機具狀態和作業質量信息，為農機生產企業和農機管理部門判斷機具作業狀態提供支撐。例如，在機具發生故障時，可以遠程指導駕駛員進行維修；對于一些駕駛員無法排除的故障，則通知距離故障農機最近的農機維修人員前去維修。

（二）我國農業生產發展路線

我國農業生產發展路線如圖1所示。總體目標為：到2025年，我國主要農作物生產基本實現全程機械化；到2035年，我國農業生產實現全面機械化，并向智能化方向發展；到2050年，農業生產實現智能化，并向智慧化方向發展。

圖1 我國農業生產發展路線圖

六、對策建議

（一）加強農機裝備研發和創新體系建設

一是要加強各級農機裝備創新平臺建設。對已建立的各級農機裝備創新平臺要進一步明確定位，強化責任，提高產出。同時，根據現代農業建設需要，新增“動物-環境-設施”等一批重點實驗室和工程中心。二是要加強“產學研”融合創新。國家和有關部門要進一步出臺相關政策，支持農機裝備企業加大科技創新力度，使農機裝備企業逐步成為我國農機裝備技術創新的主體。三是要創新科研項目立項和管理機制。要切實改變過去科研立項時小而散、立項后各干各的局面。

（二）加強農機推廣體系建設

一是加強農機推廣隊伍建設。加強農機推廣體系建設，因地制宜建設鄉鎮農機服務站，建立農機推廣人員培訓機制。二是切實解決好農機推廣的經費問題。按照《中華人民共和國農業技術推廣法》，各級人民政府應將農機推廣經費納入本級財政預算中，并按國家規定給予補貼，設立鼓勵農機企業創新新技術和新機具的推廣機制和推廣經費。三是加強農機推廣體系管理和服務創新。省級農機推廣機構應根據國家農機發展規劃和各省農機發展需求，制定發展規劃和年度重點工作，明確目標，落實措施。

（三）加強農機社會化服務體系建設

一是加強政府的引導作用。各省、市、縣農業主管部門應根據本地的資源稟賦，制定本地區農機社會化服務體系建設規劃和相關政策。二是加強政策支持。對農機社會化服務組織購買農機給予更多的購機補貼和貸款；對農機社會化服務組織的機庫、機棚等基礎設施建設給予用地和貸款等支持；對農機社會化服務建設所需的啟動經費、事后補助和保險等提供支持；對農機社會化服務人員的學歷提升、人才培訓和隊伍建設等提供支持。三是指導和推動農機社會化服務組織管理和服務創新。規劃與建設區域性農業生產性服務平臺，建立健全規章制度，加強農機社會化服務組織與各類新型經營主體的聯合與合作，創新服務模式，加強農機社會化服務信息平臺建設。

（四）加快智慧農業示范區建設

一是探索建立多元主體共建模式。加快智慧農業示范區創建，加快編制智慧農業示范區創建規劃，確定國家級、省市級布局方案。二是加強智慧農業關鍵技術研發。重點攻克農業專用傳感器，加強農業虛擬現實、人工智能和區塊鏈等新技術研發；實施農機裝備智能化改造升級工程；構建智慧農業大數據平臺，強化個性化、智能化、精準化的生產管理服務。三是建立健全示范區管理運營機制。創新示范區管理體制和投資、建設、運營方式，通過政府購買服務、貸款貼息、政府和社會資本合作以及風險基金等方式，鼓勵更多金融和社會資本投入示范區建設。