智慧農業在馬鈴薯生產中的應用研究進展

摘" 要：當前我國物聯網、智能裝備、遙感監測與人工智能等現代信息技術與農業產業正處于深度融合、加快迭代進程中，同時智慧農業也被視為新時代、新征程加快農業現代化的一項重要工作。黑龍江省深入落實“藏糧于技”發展戰略加強智慧農業關鍵技術攻關，推動信息技術在農業領域的應用，開展高產高效可持續的綠色種植、養殖技術研究，鞏固提升農業綜合生產能力。該文就物聯現代技術在智慧農業中的應用進行梳理歸納，總結分析智能技術在馬鈴薯各生產環節中的應用和優勢。

關鍵詞：馬鈴薯；智慧農業；生產應用；發展現狀；研究分析

中圖分類號：S532" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）10-0021-05

Abstract： At present， China's modern information technology and agricultural industry， such as the Internet of Things， intelligent equipment， remote sensing monitoring and artificial intelligence， are in a deep integration and speed up the iterative process. At the same time， smart agriculture is also regarded as an important task of accelerating agricultural modernization in a new era. Heilongjiang Province will deeply implement the development strategy of \"storing grain in technology\"， strengthen the key technologies of smart agriculture， promote the application of information technology in the field of agriculture， and carry out research on high-yield， high-efficiency and sustainable green planting and aquaculture technology. consolidate and enhance the comprehensive production capacity of agriculture. This paper summarizes the application of IoT-based modern technology in smart agriculture， summarizes and analyzes the application and advantages of intelligent technology in each link of potato production.

Keywords： potato; smart agriculture; production and application; development status; research and analysis

我國是馬鈴薯的生產和消費大國，近年來隨著配套產業和政策發展，對馬鈴薯及其加工副產品的品質方面提出了新的需求，馬鈴薯具有用途的多樣性、營養價值的豐富性以及加工方式的多維性。依照國家統計局2017—2021年數據來看，我國馬鈴薯種植面積和產量都有所增加，在產量方面增加了8.75%，而在種植面積方面增加了2.23%，當前在我國耕地面積無法增加的背景下，馬鈴薯種植面積和產量都實現增長，更加突出了其在糧食安全和種植結構調整中的重要地位[1]。黑龍江省是我國主要的北方馬鈴薯種薯、商品薯生產基地，馬鈴薯同時也是黑龍江五大主要糧食作物之一，馬鈴薯產業被列為省委、省政府“十四五”重點支持發展的產業，具有廣闊的市場前景[2]。隨著數字經濟在各主要領域的快速發展，智慧農業已成為發展現代化農業的必經之路。“民族要振興，鄉村必振興，農業必先行”，現代農業的發展直接關系鄉村振興大局進程；智慧農業作為推動農業現代化發展的重要手段，對進一步實現鄉村全面振興具有十分重大的意義。那么，何為智慧農業？從農業產業發展角度來講分析，智慧農業就是將智能信息化視為核心的一種高級形態化農業，其基本特征是在各農業生產環節中實現“四化”：數字化、自動化、精準化和智能化[3]。現階段的農業發展要想與時俱進，要想進入新時代發展的快車軌道，就必然需要有智慧農業大力支撐，使其發揮良好的推動作用[4]。黨的二十大提出“全面推進鄉村振興……堅持農業農村優先發展”“加快建設農業強國”，該項政策明確指出了我國未來農業的發展方向，那么通過將互聯網、物聯網、大數據和人工智能等現代信息技術與農業深度融合，形成信息化感知、定量決策、智能控制、精準投入和個性化服務的全新農業生產方式，就使得農業發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段[5]。此外，國務院于2018年印發的《鄉村振興戰略規劃（2018—2022）》中指明了要加大傳統農業向數字農業的轉型力度，要扎實推進“互聯網+現代農業”，重點實施智慧農業工程，并發揮其載體功能，依靠先進科技，順應時代趨勢，助力現代農業發展，以此提升我國農業智能化、信息化及專業化水平[6]。綜合我國馬鈴薯發展現狀及國家在智慧農業發展的相關政策分析，就智慧農業在馬鈴薯生產應用方面等研究進行梳理歸納，為今后馬鈴薯高水平、高質量發展提供理論依據和參考。

1" 我國智慧農業發展現狀

智慧農業作為實現農業農村現代化的重要因素之一，集移動物聯網、大數據、云計算為一體，具有效率高、耗能低的特點，以及高產、優質的精準生產與經營模式[7]。自2012年起，在每年的“中央一號”文件中都體現了有關智慧農業創新發展的政策導向。具體表現為2012年提出要進一步加快推進精準農業技術的應用和研發；2013—2014年則在農業信息化方面更加側重建設發展；2015—2016年，文件提出要重點突破智能農業領域技術，著力推進“互聯網+現代農業”；2017—2019年，主攻方向為推動智慧農業技術研發創新；2020—2021年，國家提出要加速推進農業與現代信息技術的深度融合與利用，構建農業農村大數據系統[8]。隨著人工智能技術和技術的不斷進步，它已逐漸成為激發農業潛能，進行農業科技創新和農業革命的主要力量。AI機器人在智能農業（農田作業）中的應用主要是自動化除草機、自動化農藥噴霧機、自動化收割機等，使農產品的產量得到了極大的提高，而且還能極大地減少需要的勞動力和農產品的生產成本。在智能農業領域， AI可以運用到施肥、灌溉、噴藥和種子等生產過程中，其中最常用的就是無人機，采用無人機進行噴灑一方面可以節省人員，另一方面也可以防止由于近距離暴露而導致的人類健康風險。二是利用智能化，定點、精確施藥，與常規施藥模式相比，既高效又環保。另外， AI的實時數據監控也是基于計算機生成的可視化結果來獲得農業生產的相關數據，為相關的農業規劃和生產工作提供科學和準確的數據支持。對農田進行周期性的無人機遙感觀測，能夠獲取農田病蟲害的發生情況，農作物長勢，農田土壤水分等信息。通過對作物生長發育情況的分析，實現對作物生長發育情況的快速、高效、準確的認識，為制定相應的防治策略提供精確的數據依據[9]。以美國為代表的近代農業強國，在其工業化進程中，普遍采用了機械化手段，以提升農業生產力與農產品產出。美國于1982年研制出無人駕駛型拖拉機，開創智能農業時代。英國政府在2013、2017和2019年先后發布了《農業技術戰略》《農業和糧食安全戰略框架》《產業戰略白皮書》。《農業新技術推廣計劃》建議制定一系列改革舉措和政策，推廣應用全新的科技，包括大數據、機器人和人工智能，并建立相應的監管機制。闡明了智能與精細科技在農業發展中的運用，以及精細科技在農業生產中的優先選擇與導向。并對無人機、機器人、環境監控等方面的發展進行了深入論述；推廣和推行新科技，如畜牧管理和生產管理[10]。由此我們得出，根據國內外智慧農業發展動態及政策導向在農業各研究領域開展廣泛研究。

2" 智慧農業在馬鈴薯氣象觀測中應用分析

作為國家智能農業的一項重要內容，其重點是開展適合于農業氣象的科技示范和普及研究。目前，我國的農業氣象監測多是通過自動化或智能化的手段監測作物生長發育情況、局地氣候狀況和土壤肥力狀況。農業氣象信息可以使農業部門更好地把握過去的天氣演變規律及氣候特點，從而制訂出一套較為科學、合理的對策，為農戶進行更專業的引導[11]。在此基礎上，提出了一種創新性較強、有針對性的預測方法，以此來評價和預警服務需要讓農民們能夠在短時間內了解到天氣災害的警報信息，并學會如何應對緊急情況，從而在遭遇災難的時候，能夠在最短的時間內完成搶險救災工作，保障后續工作[12]。張佳瑩等[13]研究表明，中國北部地區的馬鈴薯生產季節（4—9月），其適宜的降雨、氣溫等氣候環境是影響其產量及質量的重要因素。但由于栽培季節的水分和溫度存在明顯的差別，因此，在整個生產過程中，氣溫、日照和降雨是決定馬鈴薯質量的重要因素。詹鑫[14]研究發現，影響我國馬鈴薯生產的氣象因子主要包括氣溫、降雨和光照時間，潛在蒸散和太陽輻射等。其課題組前期研究發現，由于氣溫升高，我國北方地區的馬鈴薯生長期明顯減少，對其產量的形成產生了明顯的影響。董越[15]在呼倫貝爾市進行氣候災害對馬鈴薯生產的作用與防護研究時，認為呼倫貝爾市是一個多風、多沙、多雨、多季節變化的地區，容易引起干旱和干旱。該地區的氣候特點是：冬季氣溫偏低，容易出現寒害，對馬鈴薯的生長發育不利。針對這一問題，在依托新一代的智能農業技術（衛星云圖、天氣雷達）背景下，強化對氣象災害的監測、預測和預警，同時在馬鈴薯生產基地設立了自動氣象站，對馬鈴薯全生育期的氣象因素進行追蹤觀察，為農民進行科學的耕作引導，使廣大農民及早做好防范工作，減少損失。吳炫柯等[16]對馬鈴薯各個生長階段的適宜氣溫和氣象參數進行了相關性分析，得出了馬鈴薯的生產水平與種植區域的天氣狀況有著很大的關系，由于不同的氣候背景，以及不同的季節、地理緯度和海拔，導致不同區域的馬鈴薯生長季節的適溫有較大差別。王萍等[17-18]提出，隨著全球變暖，馬鈴薯田間產量會受到溫度、降雨和日照等因素的顯著影響，對黑龍江省克山縣、黑河市等主要地區的研究表明，馬鈴薯的塊莖品質與其播種-出芽期日照時間呈顯著正相關關系，而花期溫度和降水則對其產量產生負向作用。

3" 智慧農業在馬鈴薯田間管理中應用分析

為了獲得優質、高效的作物生長，需要有較好的土壤環境，在馬鈴薯的田間備耕中，要進行淺耕除茬、深松和耙耕；通過深耕整地、鎮壓整地、平整整地等措施，可以有效地改良土壤表層的土層結構和內在生態環境，提高土壤水分和養分，使得地溫維持恒定狀態，有利于馬鈴薯的正常生長發育。劉尼尼[19]指出，提高智能設備的水平可以推動農業生產的機械化，同時也給發展智慧農業創造了良好機遇，以便于農產品的生產、運輸和儲存，從而高效確保農產品的品質。以智慧農業為依托，要發揮智能設備、高科技的優點，掌握好作物品種的選擇，挑選良好的種薯進行切塊，同時掌握精準高效栽培技術，以此來實現優質、豐產。在馬鈴薯部分田間試驗研究中，依托智能化的探測裝置，可以精確探測到土壤水分、土壤肥力和有機質種類，從而選擇適合馬鈴薯生長的地塊。在品種的挑選上，利用智慧農業平臺，可以將各種馬鈴薯種類的資料儲存在農業數據庫中，方便從業人員能夠利用該數據庫來了解當前市面上該農作物的類別特點，并按照對應的需要來挑選出合適的馬鈴薯種質資源。在馬鈴薯的栽培環境中，可以利用物聯網裝置，對田間的光照、氣溫、濕度進行監測；利用高分辨率攝像機，對馬鈴薯塊進行現場動態觀測，了解馬鈴薯塊的長勢情況，對馬鈴薯塊的精細化栽培具有重要的意義。另外，在田間害蟲和病情發生控制上，相比于常規人工操作，在智慧農業的大環境下，使用相應的馬鈴薯機械化裝備，從而使施藥工作更加及時高效。大田植株生物量是監測作物生長狀況、病害狀況等的一個重要指標，是衡量作物生長狀況和產量的一個重要指標，也是作物生長模式等研究的一個重要指標[20]。岳學軍等[21]研究表明，目前農田中常規的人工取樣監測方法存在效率不高、主觀性強、特征單一等問題，而農田中的農作物快速監測與信息獲取與處理方法則是當前的熱點問題。現階段已有采用高光譜成像儀、熱紅外相機，以及遙感衛星、農業無人機等多種監控設備和技術手段，獲得相應的觀測資料。比如， PatchMatchStereo技術可以實現植株的3D重構，進而獲得植株的高度、葉長等表型數據。該技術是利用高頻率的射頻信號探測植物的生長情況，利用PlantEye500植株表型儀對植株進行三維掃描與多波段圖像處理，獲取植株葉面積指數、脅迫程度及地上部生物量等指標。此外，在農田的施肥和水資源管理中，也可以將智慧農業技術推廣到其他領域，相關技術人員可以利用物聯網技術、土壤監控技術來實現肥料的施用。通過該網絡監測，可以實現作物肥料作業、灌溉作業的自動化管理。在此基礎上，提出了一種基于遙感影像的農田生態系統模型[22]。在智慧農業的工作中，可以用智能化、自動化的設備代替常規的人工補水操作，該設備可以通過對土壤含水量的在線監測，以及預設馬鈴薯需要用水量來調節灌水設備的通斷。提高對水分的控制精度。如在苗期對水分的需求較少，可以依據氣候條件及干旱情況適量澆水，以維持其水分含量。在馬鈴薯結薯階段需要大量的水，應加大澆水的頻率，以滿足其對水的需求。在馬鈴薯成熟時，應注意田間排水，改善土壤透氣性，防止馬鈴薯腐爛[23]。

4" 智慧農業在土壤動態監測中應用分析

智慧土肥的研發是指通過對土壤與水分環境的智能傳感、智能分析、智能預警和智能決策，實現農田土壤、肥料、水環境的智能監測；相關物聯網會有技術人員為農民的施肥等提供準確的技術支持，通過對土壤養分、水分及作物生長狀況的精細調控，可大幅提升作物水分利用率及產量[24]。構建一套現代化的農田土壤質量動態監控體系，對于推進我國生態環保農業的發展具有十分重要的意義。例如，廣東省引進了“測土配方”“施肥醫生”“土地水分診斷”等，并在全國范圍內建設了“大數據中心”，實現了對農田肥料結構的有效調整；為農戶提供科學、合理的施肥方案，指導農戶合理施肥[25]。王超等[26-27]研究表明，基于氣象智能的農田土地經營可改善農田土壤生產率、實現作物-水平衡、溫室氣體減排、維持物質與能源平衡，在應對極端天氣時，也能及時為農產品的生產提供保障。該項應用的理論基礎為有效提升土壤固碳、減少溫室氣體排放、改良地力、提升農田生產率，提高土壤速效含水量，促進營養恢復。研究結果表明，該區域的植被恢復具有重要意義。同時，對農田進行實時的監測和管理，有助于了解農田的動態狀況，增加農田的碳匯功能，增加農田的綜合恢復力。通過增加農田利用，增加農田固碳，根據當地實際情況合理調整種植模式，降低冬閑、裸地等，提升農田生態系統固碳的作用。為實現農業可持續發展，必須加強農業生產。通過對不同類型的作物進行不同類型的作物生長試驗，研究智慧農業對作物生長的影響。采用生物有機肥代替人工施肥、有機肥與無機肥協同施肥，實現對土壤養分狀況的有效調節，實現N2O等溫室效應的減排。雷妍等[28]指出，利用物聯網技術構建的智能農業生態環境監控體系，對促進中國農業的發展具有重大意義。通過對農田土壤水分、溫度、pH等指標的實時檢測與分析，根據作物的生長狀況，確定灌溉還是通風。三重式土壤傳感器可用于農田中的濕度、溫度、pH等參數的測定，具有工作穩定、靈敏度高、響應迅速的特點；產量平穩，適合精細農業、溫室大棚、節水灌溉，適用于植物栽培和土壤水分監測。基于田間濕度觀測需求，研制了一套基于多層結構的水分遙感監測裝置，能夠在長時間尺度上對土壤水分進行動態、分梯度的動態監測。通過將分層土壤墑情監測儀與傳統的插針式傳感器進行比較，監測精度和穩定性均有所提高[29]。

5" 展望

綜上所述，有關部門應進一步加大對馬鈴薯育種科研的支持力度，加快推進種薯監管，著重強化地方政府的引導作用，精準實施馬鈴薯綠色增效行動，優化馬鈴薯加工品結構等。通過在技術進步的背景加持下，使得馬鈴薯單產有所增加、進一步可持續調整其生產模式，品種結構加快更新，促進馬鈴薯產業振興與發展。

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