智慧農場技術在上海農場的集成應用與示范

姜忠旭 陳芳芳 許更文 袁婷婷 馬里超 沈麗麗

摘 要 通過農業新技術的應用，上海農場改變了傳統農業領域種、管、收等環節生產效率低的問題，降低了勞動成本，提高了生產效率。介紹了上海農場在智慧農場建設中應用的智能化灌溉系統、農機實時監測系統等新技術及其取得的階段性成果，分析了新技術的優勢所在，指出了目前智慧農場中突出的問題與難點。

關鍵詞 智慧農場;水肥一體化;現代化機械;智能灌溉

中圖分類號：S126 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.05.046

智能化、信息化、機械化的推進是農業發展的必然方向，有助于保障農業生產的順利開展，能夠加快促進農業標準化生產的達成。運用信息化技術能夠提高農場的建設質量，開展智慧農場，改變農場的發展方式，提高農場的經濟收入，促使農場在人們的生活中發揮出其獨有的特點[1]。智能農業強調的是通過在機器上運用各類電子技術和控制技術，提高機器裝備對農業各環節的智能化操控水平[2];數字農業是通過將農業全要素、全系統、全過程數字化，進而實現農業科學決策和數字化管理[3-7];精準農業強調的是基于農業動植物和空間環境等信息的變化而采取的精細投入管理[8-10]。

上海農場致力于打造集農業機械化、智能化、信息化于一體的智慧農業示范區，而智慧農場的推廣與應用可提高生產效率，減少農業對勞務用工的依賴，提高生產管理者的種植水平，節約水資源，降低人力監管成本，提高農業生產效益。同時，還能資源化利用沼液，減少化肥的投入，使農業生產向種植標準化、精量化方向發展。闡述上海農場在智慧農場建設過程中“緩控釋肥+沼液或液體肥”的水肥一體化應用、現代化機械的研制及應用、智能化灌溉系統、農機實時監測系統、智能精準監測系統及農業數字化平臺的應用等。

1技術應用

1.1緩控釋肥及水肥一體化技術

緩釋肥料能減緩養分釋放速率，施用緩釋肥能實現作物一次性施肥，從而簡化施肥技術，降低施肥勞動強度，減少施肥成本，提高肥料利用率，并減輕養分流失造成的環境污染。水稻播種前施用的底肥為每667 m2施紅四方控釋肥25 kg（氮、磷、鉀含量28∶6∶6）+緩釋尿素17.5 kg（氮含量為43%），播種后的苗肥及孕穗肥不再使用常規尿素及復合肥，主要通過水肥一體化進行操作。水肥一體化主要是通過肥水，如沼液或液體肥（尿素硝酸銨溶液，N含量32%），與灌溉水充分混合自然流入田間，以補充中后期氮肥的供用，不再用人工施肥或機械拋肥，減少了水稻生長季的施肥次數，減少田間踩踏或碾壓。整體肥效較好且均勻一致，水稻長勢良好，較好地滿足了水稻生長需求。

1.2現代化的機械應用及自主研制農機裝備

上海農場農業生產已實現全程機械化，僅有少量需要進行人工輔助。為進一步減少勞務用工、節本增效，推廣應用無人機飛防代替原來的自走式噴藥機，對原有的機械裝備進行優化改進，研發水田開溝機、水田筑埂機、種肥裝卸一體機等新裝備，減少了勞動生產力的投入，提高了生產效率。

1.2.1示范全程使用無人機飛防

無人機飛防省時、省藥、精準高效，已成為上海農場農業植保的主流趨勢。示范全程使用無人機飛防對水稻全生育期內的病蟲草害進行防治，防治效果好，與自走式噴藥機防效相近。無人機飛防可操作性強、飛行軌跡穩定、霧化均勻、不碾壓作物、不破壞土壤物理結構、不影響作物后期生長且飛防后無需人工筑田埂。根據2021年9月中旬對飛虱數量的調查可看出，示范區內蟲量為18萬～36萬頭/667 m2，常規條田超過60萬頭/667 m2，分析原因可能是無人機飛防有下旋的風力，藥液能夠直達水稻基部;飛防不碾壓田埂，田間保水性能較好，更利于提高對飛虱的防效。此外，無人機飛防還避免了機械作業對水稻的碾壓（平均碾壓面積4%～5%）。因此，示范區內全程無人機飛防不僅對病蟲草害有較好的防治效果，還能提高稻田土地利用率，有增產的優勢。

1.2.2推廣應用自主研發的農機裝備

根據農業生產實踐的需求，在現有農機設備的基礎上進行自主改進或研發，如種肥裝卸一體機、水田壓溝機、水田動力筑埂機和寬幅水稻側深施肥直播機等機械，在智慧農場建設的示范區內得到了廣泛的應用，有效解決了勞務用工短缺、老齡化及工作效率低的問題。

1.3智能灌溉系統

示范區內配套智能灌溉管理設備，利用互聯網信息技術將整套設備系統與集成管理平臺智能終端相連，通過手機遠程控制，實現智能進排水、實時監測農田土壤環境及干渠水情、記錄灌溉歷史，形成數據積累。目前，示范區內66.67 hm2農田實現智能遠程控制進排水，完全取代人工進排水，實現每667 m2節水20%、節電7.2 kW·h，省時、省力、省本，效果較為顯著，實現了人均管水面積的躍變。

1.4示范應用信息化技術

鑒于當下糧食作物生產成本逐年上升、從事農業生產的工人老齡化嚴重及一線專業技術人員不足等因素的疊加影響，農業生產效率低下的問題日益突出，在植保無人機、智能灌溉系統、水肥一體化技術的基礎上，結合農業數字化平臺、智能農機、智能精準監測系統形成一套易操作、高效率、可復制推廣的智慧農場生產模式勢在必行。

1.4.1農機實時監測及無人駕駛系統

上海農場中現有定位監測系統10套，主要用于實時監測農機位置、行走軌跡、作業時長、作業面積、重/漏情況及作業深度等;作業現場實時圖像監測10套，主要用于監測收割機的作業質量和秸稈粉碎拋撒質量。

在紐荷蘭T1554及T1804拖拉機的基礎上，集成聯適無人駕駛系統，技術人員在作業前將機車駕駛至田間，操縱機車按照預先設定地塊和作業項目進行作業，車輛作業全程可不需要人參與，自動化地完成路徑規劃、路徑跟蹤、自動調頭及農具自動控制等動作。技術人員對多臺設備完成作業設定后則離開地塊，通過后臺監管，作業完成后再由技術人員駕駛機車回到機隊，該作業模式可實現一人操作多臺機車作業，大大解放了勞動力。2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1

1.4.2智能精準監測系統

1）衛星遙感和氣象數據。實現了公里級別格點的氣象預警信息、積溫積雨和作物環境預警信息的檢測與發布;構建了精準化、屬地化氣象平臺，可實時提供示范區域5 km×5 km范圍內的氣象預報;遙感自動分析與解析作物全生育期的長勢，遙感影像分辨率為3 m級，基于遙感的持續診斷實現巡田的精準化管理及可視化展示。2）建立環境信息采集系統。在大田內布設空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、水位傳感器及攝像機等信息采集設備及傳感器節點等傳輸設備，以獲取大田環境數據。3）建立無人機巡田系統。通過無人機“巡查”田間土地平整、作物長勢等情況，進行科學生產調度和決策。4）農情信息采集系統。基于手機、平板電腦等移動智能終端的農情信息采集APP，在田間即可錄入株高、葉齡、苗數及病蟲草害發生動態等農情信息。

1.4.3搭建農業數字化平臺

利用現代信息技術對作物、環境和全過程進行可視化表達、數字化設計、信息化管理。1）通過農田精準氣象與遙感監測，對農田種植大數據進行宏觀分析與積累;2）建設智慧農機管控平臺，實現農機智慧調度、農機作業實時動態監測、農機深松與深翻作業質量自動分析、農機作業報表核算與作業量統計、農機作業地塊識別及作業重/漏情況自動分析，實現耕、種、管、收農機作業全過程覆蓋;3）積累農田大數據，因地制宜地提供農事操作建議，提高管理效率，降低生產成本，減少種植風險，實現標準化種植管控。

2成效

在智慧農場應用“數字化+智能化”技術系統，以實現對農作物生長環境信息的定期獲取，生成動態空間信息系統，解決農業生產中勞務用工多、土地利用率低等問題，降低生產成本，改善生態環境，為農產品的產量提升和品質提高提供了保障。

2.1提高土地利用率，增產明顯

在水稻播種后，示范區內全程無機車拋肥、施藥，避免了機械作業對水稻造成的碾壓和蹭刮傷害，經多次行走后田間自走式噴藥機的一條輪胎印寬度約0.5 m，經測算碾壓面積達4%～5%。2020年，平均667 m2產量智慧農場示范區為639 kg，常規田為601 kg，增產38 kg，較為顯著。

2.2降低成本，解決用工難的問題

糧食作物生產成本逐年上升、從事農業生產的工人老齡化嚴重、勞務用工短缺及效率低下等問題直接影響農業生產進度。與常規田相比，示范區施肥次數減少4次，每667 m2節省機械拋肥費用12元，減少了拋肥時的人工輔助，節約了生產成本。常規條田施肥、打藥會對田埂造成破壞，需要人工及時修筑，以免竄水竄肥，而示范區不需要人工修筑田埂，減少了筑埂的勞務用工。水稻收獲前，常規田需清理車輪印內的積水，示范區不需要，可減少清理水的勞務用工。

2.3不破壞田塊土壤結構，提高了下茬作物的播種質量

因常規條田的施肥和打藥極易形成較寬、較深的輪胎印，且其內有較多的積水，不易排出，需要人工清理，否則會影響麥子的播種質量，還會對下茬作物出苗不利，即使出苗也會僵苗不發，嚴重影響下茬作物的產量。而示范區無機車碾壓，不破壞土壤結構，不需要清理積水，且整塊田的土壤墑情一致，秋播質量有很大提高。

2.4飛防作業時間靈活，防效穩定

無人機飛防因有航線設定，晚上也可進行噴藥，而自走式的機械夜晚不能進行噴藥。從示范區病蟲草害的防治效果看，在2021年稻縱卷葉螟、褐飛虱、葉瘟大發生的情況下，無人機的防治效果能夠堪比自走式噴藥機，且飛防不碾壓田埂，田間保水性能較好，更利于提高藥效。

3存在的問題

3.1水肥一體化技術不夠精量化

目前，沼液排放方式較為粗放，由于每批次的沼液養分含量差異較大，難以精準確定排放量，淌灌沼液量與水稻所需養分難以精確匹配，沼液養分含量的不同及沼液量等因素直接影響大田生產需求。在生產中還需補充液體肥料，液體肥料及緩釋尿素的價格較高，一定程度上增加了水稻肥料成本。此外，水肥一體化的智能控制裝備不夠成熟，不能精準地根據沼液或液體肥的濃度控制與農田灌溉水的混合比例。

3.2無人機飛防漂移嚴重，除草劑使用風險大

在水稻種植季，承包戶在田埂上一般會種植黃豆，提高土地的利用率，既能增加承包戶的經濟效益，又能有效控制旱田雜草向水田蔓延與擴散。因無人機飛防漂移較自走式噴藥機嚴重，且無人機飛防兌水量少，使用高濃度的除草劑飛防時極易造成田埂黃豆或林帶作物死亡。

3.3無人機飛防對風力的敏感度極大

風力大小直接影響無人機飛防的作業效果與效率。風力越小，防效越穩定;風力越大越易漏防，造成團、片狀防效差異;一般風力超過4級，不宜再進行飛防。

4結語

近年來，上海農場通過研發多功能機械、應用高科技方式、采用智能化手段，實現了從會種田到“慧”種田的轉變，朝著無人農場的方向不斷邁進。智慧農場的創建將引領未來現代農業的發展，而應用信息化技術是智慧農場建設的必經之路。未來應不斷地將信息化與農機化相融合，探索精準精量播種技術;利用遙感監測，實現無人機變量施肥、測產;利用農業AI技術，實現植保精準防治。

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（責任編輯：劉寧寧 ?丁志祥）2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1