航天技術助力 智慧農業

文 | 郭銳

陜西省航天育種工程技術研究中心

一、前言

農業是國民經濟發展和社會穩定的基礎，“三農”工作始終被視為國家工作的重點，擺在治國理政的重要位置。從2004 年起中央一號文件持續聚焦農業，既體現了國家對農業和農村的重視，也體現農業和農村的重要性。全面建設社會主義現代化國家，最艱巨最繁重的任務仍然在農村。農業農村農民問題是關系國計民生的根本性問題，面對21世紀新的情況和新的局面，中央政府提出實施鄉村振興戰略。通過推進鄉村產業、人才、文化、生態和組織等方面的振興，實現鄉村社會經濟文化整體繁榮興旺。

航天農業應用技術是目前最具有科技含量的農業新興應用技術，是世界農業領域中尖端的科學技術課題之一。航天農業的誕生與發展為我國現代化農業的發展提供了一條高新科技的道路，實現航天科技對生產力的有效轉化，解決了農村產業和農民就業問題，確保群眾長期穩定增收、安居樂業，推動鄉村產業振興。

二、航天農業及其特點

航天農業是集航空航天技術（高空探測火箭、航天育種、無人機技術等）、衛星應用技術（遙感技術、衛星通信、衛星定位、氣象衛星等）、互聯網+技術（物聯網、大數據、云計算等）、生物技術、農業種植技術等一系列最新科技于一體的新型高科技農業。

航天農業，用航天技術服務、改造、提升中國農業，全面提高農業生產技術含量、提高生產效率，以降低成本，增加農業國際競爭力，實現可持續發展，保證穩定產出和供給，為國民經濟穩定發展提供堅實基礎。

航天農業時代，隨著越來越多更具科技含量的新技術新設備新設施應用到農業領域，農業的生產模式、運營模式、組織管理模式等必將會發生重大的變化。

航天農業相較傳統農業有以下特點。

1）空間生物技術：通過航天搭載誘變，分子生物技術和傳統技術相結合，定向培養優質、抗逆、高產植物新品種和特異性品質。

2）航天航空技術：根據火箭增雨作業的原理和火箭飛行速度和高度的關系分析技術，確定作業目標、時機和部位；依靠農業無人機對農業進行農田藥物噴灑、農田信息監測等應用，提高效益和安全性。

3）衛星應用技術：將衛星遙感技術與農學各學科及其技術相結合，利用遙感技術進行土地資源的調查；利用衛星作為中繼站來轉發無線電波，實現衛星通信；利用北斗定位導航技術建立農業農田管理數據庫、定位土壤取樣檢測，合理施肥灌溉；建立氣象無線傳感器網絡，實現農田精確的天氣預報，根據大數據的統計數據，對一系列影響農作物正常生長的災變采取預防措施。

4）可持續發展：未來農業生產更注重生產的可持續性，任何竭澤而漁的手段都會給未來生產埋下毀滅的種子；未來農業生產分工更細，各個生產環節和專業之間的協作將更加緊密，高度的商業化才能促進整個產業的協調發展，利潤均衡，和諧共贏。

5）建立與航天農業相適應的政府宏觀調控機制：未來農業生產的規模更大，市場經濟的盲目性對農業生產造成的危害也會更大，建立與之相適應的宏觀調控機制，補齊農業生產發展的短板是必要和必須的。

三、航天技術與農業生產深度融合

衛星遙感、空間科學試驗、衛星通信、衛星定位等航天技術跟未來農業的生產息息相關，可以深度地參與農業生產的全部過程（圖1）。

圖1 航天技術參與農業生產全過程

1.農業資源調查

國民經濟的發展先要制定規劃，制定規劃的前提是了解“家底”，衛星遙感技術已經深度參與到這個過程中，定期的國土資源調查就是了解“家底”的過程，隨著遙感技術的進步，目前可以利用各類專項遙感數據快速而精準地完成這一過程。農業生產是先進遙感技術的受益者，未來農業的生產將是：資源調查→國土空間規劃→土地利用規劃→基本農田紅線→農業發展規劃→作物種植布局→作物種植計劃。

森林大多分布于山地區域內，人跡罕至，進行森林資源調查是十分艱難的工作。利用衛星遙感結合無人機遙感，則可以比較輕松迅速地以較小的代價完成對森林資源的調查，從而制定合理利用和培育計劃。

隨著未來農業規模化發展，農業生產再也不能像過去一樣跟風種植，“什么東西效益好，迅速無限擴張；什么東西效益差，迅速萎縮”。利用先進的衛星遙感技術，及時了解種植趨勢變化，制定合理的種植布局和支持與引導政策，可以合理平衡各類農作物的種植規模，避免無序擴張帶來的“谷賤傷農”事件，也避免各類農產品供給的大起大落，保障社會平穩發展。

隨著社會經濟的不斷發展，對于農業資源的信息需求逐漸增大，通過不斷發展的遙感技術和地理信息系統等技術，利用深度學習和多種遙感圖像分類方法開展多平臺、多時期、多類型農業資源遙感監測，可以隨時掌握農業資源利用動態。利用遙感技術，可根據地形、作業狀態和路徑，自動調節播種孔道或噴灑流量避免漏播，減少重復播種的面積，同時能最大限度地為用戶節省時間和燃油，提高經濟收益。

2.農業氣象監測

農業生產與氣象緊密相關，長中短期天氣預報、長期氣象監測、災害性天氣預警與監測、森林火險預警與監測等方面衛星遙感比傳統地面監測更加準確、快捷。尤其是局部短期災害性天氣的氣象監測則更能避免巨大的財產損失。

在地面氣象觀測獲得的數據中，可以將有用的信息編制成為氣象信息數據庫。將這些數據與農業生產相結合，可以為農業生產提供相應的氣象信息服務（圖2）。對農業生產的氣象信息可以進行精準的預報，幫助農民提高農作物的生產，以及農作物的播種、收獲的時間安排。幫助農戶預警可能出現的對農業生產不好的天氣情況，使農戶可以提前預知并進行防范和解決。例如在高溫天氣中，根據氣候高溫持續時間的長短選擇對農作物進行及時的灌溉，完善氣候災害的預測和解決措施，使農作物在生長過程中可以趨利避害，為農業生產提供可靠的保障。

3.農業生產過程中的不間斷監測

農業生產中農作物的健康生長離不開環境的支持，對土、溫、光、水、氣、肥等進行實時監測，掌握其變化情況，做出有效的應對措施，可以促進農作物的健康生長，為獲得豐收奠定基礎。

利用衛星遙感技術可以快速大面積地對土壤墑情、肥力、污染、溫度進行監測從而判定作物生長環境；利用衛星遙感技術根據覆蓋度、葉面積、葉綠素含量等多項指標進行監測從而判定農作物的生長情況；利用衛星遙感技術可以快速大面積準確獲取農作物病蟲害尤其是傳播性病蟲害的發生區域及擴散速度從而制定合理經濟的應對措施；綜合多項監測結果則可以準確預估農作物的產量從而提前布局應對期貨市場的變化，保障市場供應的平穩。

監測技術的應用，能夠全面地掌握每一臺機器的具體位置以及每一臺農業機械當前工作狀態，通過計算機整理，分析整體農業機械的應用情況，保證農業機械作業的可靠性，相關技術人員也能夠第一時間獲知農業機械出現的故障問題，以便迅速進行處理和解決。實時監測技術的發展，實現農業自主導航、精準施肥、精準播種、智能灌溉等功能，農業生產將實現智能化、數字化、自動化。不僅提高了農業生產和管理的效率，還降低了勞動力成本和環境污染。

4.航天育種

航天育種是指將植物種子、微生物或試管種苗送到太空，利用太空特殊的、地面無法模擬的環境（高真空、宇宙高能離子輻射、宇宙磁場、高潔凈）誘變作用，使種子產生變異，再返回地面選育新種子、新材料、培育新品種的作物育種新技術。航天育種具有：變異多、變幅大、穩定快以及高產、優質、早熟、抗病力強等特點。其變異率較普通誘變育種高3～4 倍，育種周期較雜交育種縮減少一半，由8代左右縮短至4代左右。圖3為航天育種原理流程圖。

圖3 航天育種原理流程圖

華航一號水稻是我國首個通過國家農作物品種審定的“太空新品種”（圖4），通過該品種再繁育，具備豐產、抗稻瘟病、矮稈等種質的新水稻品種超過四十個。

圖4 華航一號

2020 年11 月24 日，搭乘嫦娥五號登月，歷時約23 天的一批“航二代”稻種，其父本母本均為航天育種成果，分別名為華航31 號和航恢1508。此次搭載是全世界獨一無二的繞月深空誘變研究，實現了水稻種子深空搭載的首次突破。

魯原502 是由山東省農業科學院原子能農業應用研究所和中國農業科學院作物科學研究所以航天突變系9940168 為母本、濟麥19 為父本經田間系譜法選育而成的小麥品種。魯原502 年推廣面積超過1500 萬畝。目前，魯原502 小麥累計推廣面積超1 億畝，成為我國三大主推小麥品種之一。

自1987 年以來，我國利用航天育種技術已經誘變育成一系列高產、優質、多抗的作物新品種、新品系及新種質（圖5），其中不少屬于具有突破性影響的優良突變。實踐證明，航天育種是培育優良新品種的有效途徑，能夠為促進農作物育種開拓新的思路和辦法。

圖5 航天育種新品種

截至2022 年，利用航天育種技術先后培育出水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花、花生、芝麻、番茄、青椒、蓮藕、苜蓿等較為成熟、大量推廣的作物新品種。目前已通過國家級或省級審定的新品種或新組合有260 多個，培育成了一批高產、優質、多抗的糧食作物、蔬菜作物、觀賞植物、藥用植物與其他經濟作物等具有多種優勢的新品系、新品種，為我國糧食安全做出了巨大貢獻。

5.精準農業

精準農業采用3S（GNSS、GIS 和RS）等高新技術與現代農業技術相結合，按照田間每一塊操作單元上的具體條件，通過“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”，可以更好地利用耕地資源潛力、科學精準合理利用物資投入，以提高農作物產量和品質、降低生產成本、減少農業活動帶來的污染和改善環境質量。相對于傳統農業的最大特點是：以高新技術投入和科學管理換取對自然資源的最大節約和對農業產出的最大索取。

3S 等高新技術在現代農業生產活動中應用，能夠充分體現其諸多方面的功能，發揮優勢作用。北斗導航技術在農業中的應用首先能夠節省農業生產勞動成本，實現農業機械的無人駕駛，有效地代替人工操作，減少人力勞動強度，降低人力成本（圖6）。減少農業機械受到自然環境因素的影響，提高農業生產作業效率，并能夠對農業機械進行適時的調整，保證農業作業質量與作業精度。

圖6 從3S 技術到精準農業

6.無人駕駛農機

農業生產都在野外，條件相對略差。隨著以衛星導航為基礎的無人駕駛技術的成熟，無人駕駛農機已經在許多地方出現，未來的農業生產可以完全由無人駕駛農機來實現，從而提高效率和解放勞動力。

四、結語

未來的農業生產將是航天農業的時代，隨著未來航天技術的發展和應用，結合其他科學技術的進步，必將進一步服務未來農業。航天技術在農業生產中應用，必須向更加實用的方向發展，農業機械朝著自動化、無人化、智能化運行方向發展。航天技術應用于農業生產，從多方面推動我國農業現代化、智能化、科技化發展，對提升農業生產效率、作業質量有著重要的影響，推進鄉村振興的具體落實，真正實現產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富裕。