基于加快農業現代化建設的智慧農業發展思考

李云菲，林艷輝

(吉林農業科技學院 經濟管理學院，吉林 吉林 132000)

1 引言

中華民族自古是農耕民族，農業是我國家最重要的核心產業，糧食安全也影響著我國14億多人口的生活水平。改革開放以來，農業產業發生了翻天覆地的變化，向市場化方向發展，推動農村經濟快速發展，為推動我國經濟高速增長打下了堅實的基礎。當前，發展智慧農業逐漸成為了農業產業中的研究熱點，本文進行了相關探討，以期提供參考。

2 農業現代化建設面臨的挑戰

2.1 土地資源特別是耕地資源不足

我國可利用耕地資源較少，耕地總面積12786.19萬hm2(191792.79萬畝)。其中園地2017.16萬hm2(30257.33萬畝)、林地28412.59萬hm2(426188.82萬畝)、草地26453.01萬hm2(396795.21萬畝)、濕地2346.93萬hm2(35203.99萬畝)、城鎮及工礦用地3530.64萬hm2(52959.53萬畝)、交通運輸用地955.31萬hm2(14329.61萬畝)、水利設施用地3628.79萬hm2(54431.78萬畝)[1]。我國人均土地面積1.4畝，在世界各國中排在110位之后，除耕地面積排在126位之后外，草地面積排在76位之后，森林面積排在107位之后[2]。

2.2 耕地質量退化

水土流失致使土地質量不斷下降，耕地退化嚴重，造成農作物減產。我國水土流失按分布區域劃分，西部地區因為氣候原因，植被覆蓋率低，水土流失最為嚴重，流失面積為225.92萬km2，占國土面積的33.04%；中部地區水土流失較緩，流失面積為29.24萬km2，占國土面積的17.64%；東部地區水土流失面積最少，為14.11萬km2，占總面積的13.19%。2020年全國水土流失面積269.27萬km2，占國土面積的28.15%[3]。

2.3 規模化經營人員較少

據第三次全國農業普查數據調查，農業生產經營人員全國有31422萬人，根據調查全國規模農業經營戶農業生產經營人員1289萬人，農業經營單位農業生產經營人員1092萬人。按區域來看，東部地區規模農業經營戶農業有382萬人，農業經營單位有341萬人，西部地區規模農業經營戶411萬人，農業經營單位358萬人，東北地區作為重要的糧食產地，規模農業經營戶農業生產經營人員僅有217萬人，農業經營單位農業生產經營人員僅有128萬人[4]。我國農業勞動力人口居多，但是規模化經營人員占比較少，農業生產方面很難實現規模經營，直接影響農產品商品率和勞動生產率的提高。

2.4 農業生產技術落后

地少人多是我國的基本國情，改革開放后實行的小規模家庭經營，極大地限制了創新科學技術手段在農業領域的運用，制約了農業生產水平的提高。目前我國一些地區農業技術的運用仍較為落后，無法大規模投入到農業生產過程中，農業產量受到制約。大多數地區仍然沿用傳統的農業耕作技術—精耕細作，機械化應用水平低，勞動生產率低，在生產過程中化肥使用不當，灌溉不合理，病蟲害治理不夠專業，導致優良品種推廣有限，良種產量受到限制。

2.5 水資源缺乏和水污染嚴重

據《中國生態環境狀況公報》顯示，我國不同水系受到不同程度的污染，這嚴重阻礙了農業發展。全國水域內總體水質Ⅳ類和Ⅴ類占12.3%，劣Ⅴ類占0.2%[5]，而造成污染最主要的原因是工業污廢水、農業廢水、生活污水[6]。人類工業化生產過程中的廢棄物的排放不達標，農業生產過程中不合理的使用化肥、農藥等化學品，化學物質溶于水中造成水污染，生活中各種廢水的不合理排放，污水的不合理處理方式[7]，嚴重污染水資源，導致灌溉系統受到影響，用水效率低下，制約農業發展。

3 發展智慧農業的作用與意義

在信息化、現代化高速發展的今天，傳統農業的生產方式受到阻礙，無法保證我們國家的糧食安全。目前農產品市場，普遍存在農產品價格低廉，流通速度低，流通領域也是最低階段，農民收益遠遠低于投入成本。傳統的生產方式產出的農產品產量不足，質量不佳，價格遠遠低于“精品”農產品。農民收入難以提高，則會阻礙鄉村經濟發展，不利于鄉村振興政策的推行。物聯網等創新技術的應用，能夠緩解傳統農業“靠天吃飯”的現狀，充分利用有限的資源，把科技轉化為生產力。其中，“智慧農業”是一個農業全產業鏈優化的過程，實現農業智能化管理，將現代信息技術和物聯網技術等應用于農業生產中，通過控制農業生產的各個環節，對農業進行智能管理、遠程監測、生產決策，災害預警等管理，對農業進行管控，使農業更加“智能”[8]。目前，出現了專門用于農業生產作業的機器人設備，例如可以完成大棚作物的種植和修剪任務的機器人[9]。也有可以通過線上APP來操作小型播種機器人，具有質量輕、耗能低、靈活度高、云端智能控制等優點。如比利時一家公司設計和制造了一種能摘草莓的機器人，運用視覺科技，使用機器視覺算法來判斷草莓是否成熟，之后自主導航、檢測和定位成熟的草莓，然后用3D打印的軟觸手把草莓摘下來。速度雖然不及人類(機器人5 s一顆，人類3 s一顆)，但它可降低水果的損傷率，且可以一直工作。

用最少的資源，科學合理地種、養出最優質的農產品；用最低的成本和時間，將農產品以最快的運輸速度送到銷售地，這應當是“互聯網+”或“智慧+”在整個農業行業的深度運用[10]。因此，為了保證國家糧食安全，實現鄉村振興，發展智慧農業，推動農業產業轉型升級是必然趨勢。

4 智慧農業相關技術及應用分析

4.1 技術領域

4.1.1 基于物聯網的農業感知技術

(1)WiFi技術。WiFi技術是物聯網技術在智能農業中應用的基礎，在智能農業應用中承擔了信息感知的任務，在信息感知方面，傳感器收集到的溫度、氣候、水分及其他信息，并將收集到的信息相互交換，傳輸給應用分析層面，這個過程中需要WiFi技術使其高效而安全地進行[11]。

(2)RFID技術。RFID技術即射頻識別，可利用無線電訊號感知監測目標并進行數據的記錄，是通信技術的一種。其運行過程是：閱讀器檢測信號后通過天線將信號發出，應用軟件系統接收信號,進行信息處理，設備內部將儲存的信息傳輸出去，閱讀器再次接收信號進行數據分析處理，傳輸給后臺操作系統，對信息數據進行控制[11]。

(3)傳感網技術。傳感網技術就是在需要進行信息采集與傳輸的區域將集成傳感器，數據處理單位部件以及通信部件進行隨機分布，相互聯系形成網絡結構，即為傳感網[12]。傳感網技術是物聯網技術的核心所在，其在物與物之間相互連接，進行信息交換與傳輸的方面起到十分重要的作用[13]。

4.1.2 基于大數據的農業分析技術

大數據技術應用突破了傳統分析對于結構化數據管理的限制，繼承了統計學的優點，對數量巨大的數據進行統計性地搜索、比較、聚類和分類歸納分析，更多地關注數據與業務間的關聯，關注多媒體、復雜數據的挖掘分析和歷史相關數據的比較分析[14]。

4.1.3 基于云計算的數據處理技術

云計算體現出來的集約化建設、按需動態分配資源等優勢在農業發展中，更適合應用于集約化建設農業共性技術支撐平臺[14]。

4.2 檢測領域

信息化智慧農業是一套適用于農業環境的分層異構傳感器網絡監測系統，主要應用在農田、大棚、溫室、果園、倉庫等農業環境中進行農業環境監測，最常見的有3種檢測技術。

4.2.1 土壤狀況監測

通過物聯網傳感器對土壤狀況進行監測，農民可以收到有關土壤的水分、鹽分、氮磷鉀等營養指標含量的警報。還會檢測到土壤溫度和空氣溫度，這些指標可以為農民規劃澆水時間，預防病蟲害提供參考。

4.2.2 氣象監測

農業氣象監測是物聯網最常用的應用領域之一。在農作物種植中，受到環境的直接或間接影響[15]。氣象監測可以提醒農民注意溫度、降水、濕度、太陽輻射和風速等因素的變化情況，使其能夠立即采取措施，穩住產量[16]。

4.2.3 溫室大棚系統

溫室自動化智慧農業主要運用遙感技術。遙感技術會感知溫室大棚中的小氣候環境，也有助于維持良好的小氣候條件，并管理照明、濕度、二氧化碳和溫度。通過這些監測，可以有效提高農作物，包括花卉、水果等的產量和質量，提高效率，增加農民收入，保障糧食安全。

4.3 智慧農業系統領域

結合以上3種監測模式建立的智慧農業系統有很多類型，如病蟲害防治系統、智能灌溉系統。

4.3.1 病蟲害防治系統

傳統的蟲害防治方法通常為大規模播撒農藥，嚴重污染環境，食品安全也無法保障。智慧農業中采用智能化的病蟲害防治系統，相比于傳統噴灑農藥方式，更加環保，精準，對食品安全有保證。如在農田中安裝檢測器等設備，監控農場中害蟲密度，并將信息傳輸到中央系統[17]。當害蟲密度超過警戒密度時，系統就會通過安裝在農田中的裝置噴灑信息素(非農藥)，這些信息素可以干擾昆蟲的交配，從而達到控制蟲害的效果[18]。

4.3.2 智能灌溉系統

以東北地區的農業種植特點為例，當地種植時選擇的灌溉方式是大水漫灌。這種灌溉方式不僅浪費水資源，且效率較低。大部分水都在空氣中蒸發，造成耕地鹽堿化，土地質量下降。智能灌溉系統則是利用物聯網，實時監控生產現場的狀態，并通過互聯網傳輸信息。在線就可以遠程查看并控制生產現場設備的運轉，實現遠程化管理[19]。

4.4 應用領域

4.4.1 無人機噴灑農藥

隨著科技的發展，民用無人機逐漸走進人們的視野。用無人機噴灑農藥能夠有效解決水稻、玉米等農作物人工機械化種植的難題，也為農業“機械換人”提供了可靠途徑。同時，實現了人藥分離，減少人與農藥的直接接觸，從而降低施藥人員中毒的幾率，提高施藥安全性[20]。據統計，在等量用藥的情況下，一臺無人機可以噴灑田地60～80畝/h，而以人工方式則最多噴灑10畝，而且無人機采用的噴霧噴灑方式至少可節約90%的用水量，較大程度上降低了人工、時間等資源成本。同時，無人機因為可以遠距離操控、不受地形限制、噴灑的效率高，而且安全等優點，已經成為一款相當實用又不失高科技成分的農業植保途徑。

4.4.2 無土栽培技術

無土栽培是用基質和營養液灌溉栽培的技術，人工創造良好的根際環境來代替土壤環境，有效防止土壤連作病害及土壤鹽分積累造成的生理障礙，充分滿足作物對礦質營養、水分、氣體等環境條件的需要，栽培用的基本材料又可以循環利用，因此具有省水、省肥、省工、高產優質等特點[21]。最常見的無土栽培模式包括水培、基質培、循環式巖棉培、開放式巖棉培，霧培等。

4.4.3 農產品質量追溯

農產品追溯體系基于一個追溯云端數據中心和生產者、監管部門、消費者三大模塊，結合大數據、云計算以及物聯網技術搭建一個云數據處理中心，把生產者、監管部門以及消費者連接起來[22]。

4.4.4 智能溫室

智能溫室是通過智能的方式進行大棚管理，相比較傳統大棚，其在各方面的設施和建設要求更高。智能溫室要有可移動天窗、遮陽系統、保溫系統、升溫系統、濕窗簾/風扇降溫系統、噴滴灌系統或滴灌系統、移動苗床等自動化設施，而且由信號采集系統、中心計算機、控制系統三大系統來控制這些自動化設備，從而使得對作物生長起關鍵作用的溫度、濕度、光照、土壤溫度和含水量等充分合理發揮作用，最終得到優質的作物果實。

4.4.5 自動水肥一體

自動水肥一體是通過智能化控制，實時檢測土壤的水分等相關參數，反饋給系統并自動控制灌溉模式，從而達到無需手動即能自動灌溉的目的。

5 結論與展望

本文主要對現有的農業生產中的弊端和農業發展方面的數據，以及現有智慧農業技術分析，通過對比，突出智慧農業發展的重要性，農業要擺脫資源和環境的束縛，有效保證國家的糧食安全，發展智慧農業是必然的轉型趨勢。智慧農業將科學技術和物聯網更好的結合，是農業發展的高級階段，加快發展智慧農業，推進農業數字化、智能化改造，使各要素全面優化配置、上下游供求信息交換、實現治理精準、高效，促進生產節約，更好地服務于鄉村振興戰略和農業農村現代化發展，推動農業農村發展的質量變革、效率變革和動力變革[23]。2014年我國提出“智慧農業”概念，2016年“智慧農業”首次被寫入“中央一號文件”[24]，在“十四五”規劃中提到，以鄉村振興和新基建為契機，在國家《數字鄉村發展戰略綱要》框架下，加強農村地區信息化建設，大力發展以數據為關鍵要素的農業生產性服務業[25]。目前國家也提出了未來智慧農業發展的愿景，從技術攻關(2019)，到產品研發(2020)，再到集成應用(2021)，引領農業(2022)，直到培育產業(2025)。隨著政策的不斷加碼，國家會加強在農業各個領域的研究，擴大智慧農業的應用領域，使其更加適合我國各個地區的農業發展情況。