基于ONAP 的馬鈴薯區塊精準栽培

柳永強，胡新元，謝奎忠，孫小花，羅愛花，張世文，何 音

（1.甘肅省農業科學院馬鈴薯研究所 蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院 蘭州 730070；3.定西市安定區農業技術推廣服務中心 甘肅定西 743000；4.定西銘源農業有限責任公司 甘肅定西 743000）

馬鈴薯區塊精準栽培是基于現代ONAP 開放管控平臺體系，將云計算、區塊鏈、北斗導航、5G 傳輸、智能農機設備與馬鈴薯現代栽培技術優化融合產生的精準管控模式，是馬鈴薯栽培智能信息化的產物[1]。馬鈴薯區塊精準栽培不是指栽培區域的分塊化，而是為適應智能信息化栽培流程和智慧管控策略指令的可實踐可操作，將現代馬鈴薯機械栽培中零散、分裂、重復、低效率、復雜、人工密集的技術模式，通過優化、整合，集合成為能夠利用智能農機復式作業的特定工作區塊。區塊精準栽培實現了基于ONAP 控制的智慧農機設備進行無人（少人）作業、精準完成馬鈴薯從生產種植到市場供應的全程化。在馬鈴薯區塊精準栽培中，北斗系統、5G傳輸、云計算、生物特征識別、機器視覺、人機交互、角度傳感等現代工信技術得到廣泛應用，并成為馬鈴薯區塊精準栽培實踐的基本保障[2-4]，是現代馬鈴薯產業發展的標桿。筆者結合馬鈴薯栽培體系智能信息化過程中存在的問題、需求和實現基礎，依據大量調研數據、栽培經驗、試驗結果及研究成果，提出了區塊精準栽培概念，從技術原理、技術特點、區塊作業、趨勢與展望等方面闡述了馬鈴薯區塊精準栽培技術，旨在為現代農業智能信息化發展提供數據支撐與技術導向。

1 馬鈴薯區塊精準栽培技術原理

1.1 區塊精準栽培原理

馬鈴薯區塊精準栽培是基于現代ONAP 體系，通過高效精確的作物實時生長監測和預測預報系統，將特定時期馬鈴薯種植區域的氣候、氣象、土壤、品種、水肥、生長、病蟲害等測定數據傳輸到ONAP 平臺，然后將這些實時信息與種植特點、經驗和研究成果等數據要素歸納、整理、分析處理，形成區塊化的生產策略和指令，由指令和導航系統制導智能生產端的農業機械或設備精準作業（圖1）。在基于ONAP 的馬鈴薯區塊精準栽培中，從事機械或設備操作的人工及作業輔助人員被數字指令替代，智能機械設備與栽培技術流程融合的方式也隨之變化，為便利農機設備的高效作業，將傳統機械栽培中零散、分裂、重復、低效率、復雜、人工密集的技術流程進行優化整合，創建了適合現代馬鈴薯智能信息化作業的區塊栽培技術[3]。與馬鈴薯全程機械化栽培相比，馬鈴薯區塊精準栽培的特征是區塊化、精準化、信息化、智能化、少人化（無人化）和集約化，區塊精準栽培是馬鈴薯全程機械化在人工智能和信息化基礎上高度發展的必然產物。

1.2 區塊精準栽培的特點

區塊化：馬鈴薯區塊精準栽培是結合現代農業技術信息化和機械設備智能化作業需要，對現代機械化栽培流程的優化發展，對繁雜、低效、分散和碎片化的流程及可同期一體化操作的流程進行合并簡化，根據當時的智能機械化水平而集約整合成不同的管理區塊，便于ONAP 平臺指令智能農機進行復式作業。

精準化：區塊精準作業指令依據地域、氣候、氣象、土壤、品種、水肥、生長、病蟲預警預報、種植參數、生產經驗、研究成果等大量數據歸納、整理、聚類、分析，形成精準指令，其執行時間確定、操作參數確定、工作流程確定，使整個栽培流程精準化。

信息化：基于ONAP 的馬鈴薯栽培體系，將氣象參數、生長環境、生長情況、病蟲預測、土壤水肥等數據監測與收集通過傳感、遙感技術獲取并快速傳輸到數據中心，ONAP 中心依據收集的信息綜合分析形成管控策略[3]，即區塊精準栽培指令的形成過程是信息化的過程。

智能化：智能化機械與設備是區塊精準栽培的關鍵，北斗定位、機械視覺、人機交互、邊輪定位、遙感與傳感等現代智能技術在馬鈴薯種植機械中的應用，使馬鈴薯栽培操作在很小的誤差范圍內進行[6-7]。區塊栽培實現了智能機械進行自主復式作業、北斗定位與機械視角制導的農業機械路徑自主化。

少人化：馬鈴薯栽培智能信息化是ONAP 平臺代替機械設備操作工人、AI 機械代替田間作業的農民和農機具的過程，由北斗制導機械路徑、WIFE 傳輸操作指令、機器傳感器控制作業工藝精度，在區塊化精準栽培中，從事體力勞動的人工基本被完全替代，從事機械操作或栽培技術控制的人工也被逐步取代，使馬鈴薯種植生產過程實現無人化或少人化[8-9]。

集約化：隨著新型合作社的發展，優質高效低成本成為馬鈴薯行業競爭的核心，區塊精準栽培在保持馬鈴薯栽培標準的基礎上進行生產優化、智能管控、人工替代，是馬鈴薯產業降低成本的現代化高效模式，是規模種植和農場種植可持續發展的必然選擇。

2 馬鈴薯區塊精準栽培技術流程

馬鈴薯區塊精準栽培分為三大區塊（圖2），耕作區塊、生產區塊、貯運區塊。

圖2 精準栽培技術模塊與流程Fig.2 The technical module and process of precision cultivation

2.1 耕作區塊

土壤清理：馬鈴薯覆蓋壟作栽培中，殘膜會嚴重污染土壤，破壞土壤生態，馬鈴薯秸稈大量殘留，引起有害雜菌大量繁殖，造成翌年病害流行[1]。因此，馬鈴薯收獲后，必須清理土壤中殘留的秸稈與地膜，減少農田污染，提高土壤質量。土壤清理用1MFJS-125A 耙齒式地膜清理機，地膜清理可與立式深耕同期一體完成。

立式深耕：立式深耕技術是完成土壤休整與修復的重要方式，是適應馬鈴薯集約化生產、提高土壤可持續利用的保障[10]。深耕用1GZL-220 B 履帶自走式鏵式犁，實現智能化無人操作。時間設定在土壤封凍前期，深度設定40 cm 以上，深耕使土塊立體分層越冬，經過凍融交替，優化土壤。

旋耕耙耱：春季土壤解凍后，旋耕耙耱，使立式深耕產生的土塊細化，土地平整。旋耕深度設定為28 cm，旋耕耙耱采用1GZ-180 履帶自走式旋耕機，旋耕耙耱一體化完成。

2.2 生產區塊

播種：區塊精準栽培中，馬鈴薯播種用GL34KG 全懸掛種植機或UP3760 型種植機，一體完成開溝、起壟、施藥、施肥、播種和覆土。播期依據ONAP 收集的土壤溫度參數（≥5 ℃）設定，設定播深10 cm，密度60 000 株·hm-2，邊輪距125 cm，壟高25 cm，覆土3 cm。播期施肥施藥為多菌靈與鹽酸馬胍酮質量比2∶1 復混，20 kg·hm-2；基礎肥料N、P2O5、K2O、有機肥、微量元素、生物菌肥按質量比20∶10∶15∶60∶1∶2 比例復混，3000 kg·hm-2[11]。

灌溉：區塊精準栽培中，應用YN-BXE 智能水肥一體滴灌系統，將水溶性肥料和農藥在專用裝置注入、攪拌、增壓、過濾后隨水滴灌，實現灌溉、施肥與防控的一體化，也適用壟膜下滴灌栽培模式。具體操作與控制主要依據ONAP 平臺指令，參數設定一般為：現蕾期水肥藥一體灌溉1 次，灌水量為200 m3·hm-2，灌施肥料量為90.0 kg·hm-2（N、P2O5、K2O 質量比例1.0∶0.8∶1.2），農藥灌溉防治參考量為58%甲霜靈·錳鋅3.0 kg·hm-2+40%菌核凈4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2混合復配；塊莖膨大期水肥一體灌溉1 次，灌水量為300 m3·hm-2，灌溉肥料量為120.0 kg·hm-2；淀粉積累期水肥一體灌溉1 次，灌水量為150 m3·hm-2，灌溉肥料量為90.0 kg·hm-2。

中耕：中耕是馬鈴薯區塊精準栽培中防治草害發生的關鍵措施，中耕用1GZ-180 履帶自走式中耕機，中耕培土厚度6 cm，時間設置在現鈴期。中耕使行間雜草機械化清除，加強壟上黑膜對雜草的抑制與生長，使其在培土后黃化腐爛。

防控：在馬鈴薯規模化種植中，病蟲防控采用拌種、滴灌和航化相結合的植保方案。拌種結合種薯處理完成；滴灌防控主要針對地下害蟲和根莖病害精準防控；航化仍然是現代智能信息化防控的關鍵，其依據主要是病害流行期或田間預警啟動。航化用T16 無人植保飛機，電磁計量，RTK 精準定位，智能引擎，實現區塊化精準防控。全生育期航化防控5 次，真菌性和細菌性病害防控采用58%甲霜靈·錳鋅3.0 kg·hm-2+40%菌核凈4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2復配；蚜蟲與病毒性病害防控采用32%核苷·溴·嗎啉胍4.5 kg·hm-2+氯氫菊酯3.0 kg·hm-2復配，防治時期依據ONAP 平臺預警參數指示確定。

收獲：馬鈴薯收獲前進行機械殺秧，殺秧后晾曬地塊3 d 至地表半干，收獲時用VENTOR4150 自走式馬鈴薯收獲機收獲。收獲后薯塊放置通風處，晾曬3～5 d，表皮充分老化后可進行貯藏。

2.3 貯運區塊

保鮮貯藏：馬鈴薯保鮮貯藏采用現代智能貯藏系統，主要由各種探測元件收集貯藏窖指標、傳感器實現貯藏窖實際溫度、濕度、CO2濃度、有害氣體濃度等信息的收集與傳輸；ONAP 依據參數分析和保鮮貯藏需求指令溫濕度調控系統、CO2脫除系統和乙烯脫除裝置的運行，自動調控貯藏窖溫度、濕度、CO2濃度、有害氣體濃度在設定范圍[1，10]。在馬鈴薯智能保鮮貯藏中，貯藏窖參數設定通常為：溫度2 ℃，濕度70%，CO2濃度（體積分數）3.5%，有害混合氣體質量分數0.06 mg·kg-1。

冷鏈物流：馬鈴薯現代冷鏈物流系統是生鮮食品供應體系HACCP 結合馬鈴薯供應端（農場、合作社）、ONAP、物流運輸設備為一體的現代供求系統，是一種科學、合理、過程控制的馬鈴薯產品供應體系。冷鏈物流環節質量控制和預防措施是現代智能化冷鏈物流的重要手段，保證馬鈴薯及加工產品在運輸環節保持在規定的環境，以最佳的物流手段保證質量，降低損耗，具有整個物流過程的可追溯性，保障馬鈴薯及產品在生產、冷藏、運輸、裝卸、配送等物流環節的質量安全[11]。

3 實踐與展望

精準農業不但可以最大限度提高農業現實生產力，而且是促進農業優質、高產、低耗、環保、可持續發展的有效途徑[6-7]。近年來，甘肅省定西市借助國家對馬鈴薯產業政策的扶持，率先探索性開展馬鈴薯智能信息化精準栽培，包括智能檢測、病蟲預警、生長監測、智能作業、精準滴灌、無人機植保、智能化耕作等技術的應用與實踐。2019－2022 年，馬鈴薯智能信息化技術在定西市安定區國家現代農業產業園實施，年度平均試行面積約5000 hm2。與常規機械化栽培相比，區塊化精準栽培優勢主要在于對人工的智能替代方面，替代量為75 工次·hm-2，節本1.125 萬元·hm-2，基于預測預報的精準防控，馬鈴薯生育期病蟲防治減少2 次，節本0.15 萬元·hm-2，區塊化精準栽培經濟效益提升21.25%（按照區域平均產量37.5 t·hm-2，市場價格0.16 萬元·t-1計算）。

栽培流程區塊化和栽培參數精準化成為智能機械設備高效作業和融合的基礎。信息技術和人工智能的高速發展促使一種新穎的農業生產管理思想的誕生，農作物實施定位監管和精準管控的思想逐步在生產實踐中應用，精準農業是基于空間信息管理和變異分析的現代農業管理策略和操作技術體系[4，9]。區塊精準栽培根據對作物本身及所處環境的精準檢測與生長需求分析，在充分了解大田生產力的空間變異的基礎上，以平衡地力、提高產量為目標，實施定位、定量的精準田間管理，實現高效利用各類農業資源和環境友好的目標[3，8]。馬鈴薯區塊精準栽培的應用和不斷優化，將充分挖掘農田最大的生產潛力、合理利用水肥資源、減少環境污染、大幅度提高馬鈴薯產量和品質。精準區塊技術可能是解決由傳統機械化向現代智能信息化發展轉變的技術基礎，它在農業生產提效、種植結構優化、資源高效利用等方面具有前瞻性，將成為作物種植技術發展的新方向。