中国精准农业研究现状与展望

中国精准农业研究现状与展望

1正确管理的内涵和技术组成1.1生态精准化正确农业是指正确的农业或正确的农业。这是美国明尼苏达大学的土壤科学家在20世纪90年代倡导环境保护农业的共同概念。所谓精准农业,是指按照田间每一操作单元的环境条件和作物产量的时空差异性(TemporalandSpatialVariability),精细准确地调整各种农艺措施,最大限度地优化水、肥、种子、农药等的量、质和时机,以期获得最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源[1~3]。精准农业要求实时获取地块中每个小区(1~100m2)土壤、水、农作物、光、热等信息,以诊断作物长势和产量空间上存在的差异,并按每个小区做出决策,实现3个精确:一是定位的精确,精确确定灌溉、施肥、杀虫等的地点;二是定量的精确,精确地确定水、肥、药、种子等的使用量;三是定时精确,精确确定各种农艺措施实施的时间,从而精确地进行施肥、播种、灌溉、杀虫、除草、收获等。1.2现代信息技术在精准农业上的应用精准农业技术实际上就是一种以信息为基础的农业管理系统,它利用传感器及监测技术可以方便、准确、及时、完整地获得当时土地的必要数据,再根据各因素在控制作物生长中的作用及其相互关系,迅速做出恰当的管理决策,进而控制对作物的投入和作业,针对大面积的土地决策,用卫星或飞机遥测,遥感图像技术可能更经济适用。现代信息技术在精准农业上的应用路径是:应用地理信息系统将土壤和作物信息资料整理分析,制成具有时效性和可操作性的田间管理信息系统,在此基础上通过全球定位系统、遥感技术以及计算机自动控制技术,按每一地块的具体条件,调节资源的投入量,达到增加产量、减少投入、保护农业资源和环境质量的目的;在农田经营管理决策上可根据不同情况选择以单纯获取高产、以适量投入,获取较好经营利润”、“减少资源消耗,保护生态环境”等多种不同优化目标。精准农业技术是现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术在最新成果的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式。它由10个系统组成,即全球定位系统(GPS)、农田信息采集系统、农田遥感监测系统(RS)、农田地理信息系统(GIS)、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是“3S”(即GPS,GIS,RS)技术和计算机自动控制系统。精准农业技术体系的构成如图1所示。1.2.1遥感监测作物养分的应用(1)农作物长势监测和产量估算。作物在生长发育的不同阶段,其内部成分、结构和外部形态特征等都会存在一系列的变化。叶面积指数(LAI)是综合反映作物长势的个体特征与群体特征的综合指数。遥感具有周期性获取目标电磁波谱的特点,因此通过建立遥感植被指数(VI)和叶面积指数(LAI)的数学模型,就能够监测作物长势和估测作物产量。(2)土壤水分含量和分布监测。在植被条件和非植被条件下,热红外波段都对水分反应非常敏感,所以利用热红外波段遥感监测土壤和植被水分十分有效。研究表明,不同热惯量条件,遥感光谱间的差异性表现得最明显,所以通过建立热惯量与土壤水分间的数学模型,就能够监测土壤水分含量和分布。(3)作物水分亏缺监测。干旱时,作物供水不足,一方面作物的生长受到影响,植被指数降低,另一方面由于缺水,没有足够的水分供给植物蒸腾蒸发,迫使叶片关闭部分气孔,导致植物冠层温度升高,因此通过遥感植被指数和作物冠层间数学模型的建立,能够监测作物水分的亏缺。(4)作物养分监测。作物养分供给的盈亏对叶片叶绿素含量有明显的影响,通过遥感植被指数与不同营养素(N、P、K、Ca、Mg等)数学模型的建立,能估测作物营养素供给状态。研究表明,遥感监测作物氮素营养水平的精度比监测其他营养素的精度高。(5)农作物病虫害监测。应用遥感手段能够探测病虫害对作物生长的影响,跟踪其发生演变状况,分析估算灾情损失,同时还能监测虫源的分布和活动习性。地理信息系统在精准农业中的具体应用有:(1)对GPS和传感器采集的各种离散性空间数据进行空间差值运算,形成田间状态图,如土壤养分分布图、土壤水分分布图、作物产量分布图等。(2)对点、线、面不同类型的空间数据进行复合叠置,为决策者提供数字化和可视化分析依据。如,不同作物由于其不同的生物特性对土壤类型、土壤养分、耕作层深度、水分条件、光热条件、有效积温等均有不同的要求,在进行作物种植规划和布局时,只需将上述各专题图层利用GIS的叠加功能,就可以快速、准确地确定出各种作物的最佳生物布局,如果再将市场、运输等社会经济条件专题图与最佳生物布局图叠加,就可进一步规划出作物的最佳经济布局。(3)利用GIS的缓冲区分析功能,能直观地显示分析灌排系统的控制范围、水肥的有效渗透区域、病虫害的扩散范围以及周围环境对作物生长的影响范围等。(4)利用GIS的路径分析功能,能够快捷地确定出农道、水系、机井等各种农业基础设施的最佳空间布局和机械喷施农药、化肥以及收获作物的最佳作业路线。(5)与专家系统和决策支持系统相结合,生成作物不同生育阶段生长状况“诊断图”(Diagnosismaps)和播种、施肥、除草、中耕、灌溉、收获等管理措施的“实施计划”(Actionplan)。(6)利用GIS的数字高程模型(DEM),计算作业区的面积、周长、坡度、坡向、通视性等空间属性数值。地理信息系统在精准农业技术中主要用于建立农田土地管理、土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等,为分析差异性和实施调控提供处方信息。1.2.3gps技术的应用精准农业的关键技术之一是确定作业者或机器的瞬间位置,并将此信息转变成计算机可接受的格式,其中最好的系统就是GPS。全球定位系统是1973年美国为改进原有的海军导航卫星系统而研制的,它能准确地回答“我在哪里”这个简单的问题,其精度可精确到一颗玉米的距离,每一点采点时间只需5s。全球定位系统采用了多星、高轨、高频、测时-测距体制,实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时导航定位,能够为用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS在精准农业中的主要作用:(1)精确定位水、肥、土等作物生长环境的空间分布。(2)精确定位作物长势和病、虫、草害的空间分布。(3)精确绘制作物产量分布图。(4)自动导航田间作业机械,实现变量施肥、灌溉、喷药等作业。2精准农业是21世纪最先进的农业技术精准农业是信息技术在现代农业生产中的直接应用,已被公认为21世纪最先进的农业技术。精准农业是当前全球农业发展的潮流和方向,也是一个国家农业核心竞争力的关键所在。借鉴国外发达国家的先进经验,中国精准农业应重点从以下几方面发展。2.1精细农业模式中国是个发展中国家,面积辽阔,气候条件复杂,而且,不同地区经济发展水平差异较大,农业资金缺乏。相比较而言,以大田精确播种、精确管理和精确收割为特征的美国式精准农业需要资金量大,机械化、自动化要求程度高,因此在中国的应用与推广有较大的局限性。以以色列、荷兰为代表的小型工厂化精确农业模式比较适用于中国沿海发达地区农村和大中城市郊区。由于这些地区经济基础和商业环境较好,农产品市场化程度高,并可充分运用城市现成的流通渠道和商业中介组织,发展小型工厂化精确农业有较大的潜力。以新西兰为代表的数字农业、精准农业模式,由于具有投资不多,对现有设施要求不高,适宜精耕细作生产等特点,因而在中国农村则具有广泛推广的价值。目前,精准农业在中国的发展可采用以下两种模式:一是要充分利用GIS技术,在空间定位数据框架下将每个地块的土壤类型、质地、pH值、有机质含量、地下水平均水位等相对静态的数据,事先输入系统数据库中,构建接收各种定位动态数据的接口,为定位定量施肥灌溉准备条件。在包产到户和农业高度集约化的农区,开展以GIS为基础、操作单位为小地块的精准农业。二是将信息技术与现有农业机械设施结合起来,将定位、定量灌溉、施肥、撒药落实到实处,使之成为一整套切实可行的精确农业生产技术、推动农业现代化进程。2.2库、从环境数据到空间数据的应用精准农业管理决策支持系统是精准农业的核心所在,它集GIS、数据库、模型库、知识库、多媒体技术和农业专家系统为一体,通过GIS、作物生长模型、ES对GPS数据、人工采集数据、遥感数据等多源、多维、多时空数据的分析决策,给出具体空间可视化的变量施肥、变量灌溉、病虫害管理等作业方案,以获得最大的经济效益和最小的环境污染。2.3建立精准农业示范基地目前,中国在精准农业领域的研究刚刚起步,还没有大面积应用在农业生产上,因此应加强精准农业的研究与开发,尽快建立信息技术与农业生产相结合的精准农业示范基地和样板。例如不同地域各种农作物、特色农业精确种植、精确加工示范基地、不同地域特色精确养殖示范基地等。精确种植方面,应进行优势产业带优质农作物精确种植技术体系的研究、集成及其示范,研制开发能实际应用的优质农作物精确种植信息处理技术系统,评价实施优质农作物精确种植的经济和环境影响。3中国精准农业技术的发展现状精准农业在美国等发达国家已经形成一种高新技术与农业生产相结合的产业,已被广泛承认是可持续发展农业的重要途径,并无疑是21世纪领先的农业生产技术。美国20世纪80年代初提出精准农业的概念和设想,90年代初进入生产实际应用,目前还处在研究发展阶段,部分技术和设备已经成熟和成型,但还没有形成系统,美国实施精准农业是根据需要、经济、实用的原则来进行的,很少有把所有的技术都全套应用。除此,在英国、德国、荷兰、法国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家都有开展精准农业研究和应用的报道。日本、韩国等国家近年来已加快开展精准农业的研究工作,并得到政府部门和相关企业的大力支持。国际上对这一技术体系的发展潜力及应用前景有了广泛共识,并将成为发展农业高新技术应用的重要内容。精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域,它是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合,其核心技术是地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感技术和计算机自动控制系统。精准农业就是通过地理信息系统、全球卫星定位系统、遥感技术等自动化控制技术的应用,按照田间每一操作单元的具体条件,精细准确地调整土壤和作物的各项管理措施,最大限度地优化使用各项农业投入,以获取最高产量和最大经济效益,同时保护农业生态环境、保护土地等农业自然资源。专家认为,精准农业是建立在高新技术基础上的新型农业,将在未来10年里实现。中国科学家在1994年就提出在中国进行精准农业研究应用的建议,由于当时条件所限,没有引起政府有关部门的重视。近几年信息技术飞速发展,信息技术在农业上的应用也提到了重要的议事日程。国家计委刘江副主任访美后,认为应该跟踪国际农业生产技术的前沿领域,开展“精准农业”的研究应用。科技部徐冠华副部长在谈发展“数字地球”时认为,精准农业是中国“数字地球”发展战略的切入点之一。国家在863计划中已列入了精准农业的内容,国家计委和北京市政府共同出资在北京搞精准农业示范区。中科院也把精准农业列入知识创新工程计划,另外,新疆、黑龙江也在争取立项。总体上,中国精准农业仍处于试验示范阶段和孕育发展过程,与发达国家相比,中国的精准农业在技术水平、经营管理和经济效益等方面,仍存在着较大差距,还面临着技术支持不足、信息收集系统不全、专家系统未完善,因而“精准”程度不高的现状。主要表现为:(1)设施简陋,操作难以达到精准。中国资源有限,人地矛盾突出,自然灾害频繁,而且旱、瘠、盐碱地较多,因而整体上农业生产条件较差。中国以塑料暖棚和节能日光温室为主体设施农业已达近20万hm2,规模上居世界第一位,然而中国设施生产的整体水平与发达国家相比仍有相当大的差距,表现为设施简陋,技术含量低,光温调控能力差,特别是计算机管理仍难以配套,因而总体上还不能算是精准耕作。(2)专用品种及肥料的开发滞后。中国至今仍未开发出适应于工厂化生产的专用品种和肥料,也少进行专门的立项研究。目前在品种上主要是引进国外的杂种F1代种子,生产成本较高。虽然近年来国内有些单位也选育了一批替代品种,但其生产力与国外品种相比仍有较大差距。在肥料上主要是以大田生产肥料代替,杂质较多,影响配方施肥的准确度。由于设施、品种和肥料等方面的差距,造成产量、质量和效益方面相当大的差距。以番茄生产为例,荷兰选育的品种采收期长达8~10个月,平均单产为45万kg/hm2以上,而中国温室栽培的平均单产仅为9万kg/hm2,约为荷兰的1/5。(3)经营管理水平较低。主要表现为没有统一的行业质量标准,产品市场定位和针对性不明确,没有专门的营销配送网络。而且,计算机管理尚未配套,离准确性和及时性的要求仍有相当大的差距。(4)中国至今仍未开发出具有自主知识产权的适合于农业上应用的3S技术服务体系,精准农业的关键技术仍依赖从国外引进,不但受制于人,而且成本高,针对性也较差。4中国特色农业应对措施4.1注重阶段坚持在中国发展“精准农业”要比美国、西欧国家复杂得多,难度也大得多,这是由于中国农田类型多样,农业基础薄弱,农村贫困,在相当长的时期内仍然是小农经济占主导成分。因此,发展精准农业,实现农业信息化在科学上、技术上和农业基础建设上需要做出更大努力,付出更多的代价,以探索一条适合中国特点的发展道路。因此,中国发展精准农业必定是一个渐进过程,一定要分阶段循序进行。第一阶段为引进、试验、示范阶段。从根本上讲,最重要的是引进精准农业的概念。要根据中国实际,引进必要的技术和装备,建立试验示范点,探索精准农业规律和技术,摸索经验。第二阶段将试验示范工作扩展到大型国营农场和小型农户,即抓一大一小,大小并举,特别要主要在小型农户中实施精准农业的概念和方法,进一步探索规律和积累经验。第三阶段在多点试验示范基础上,形成中国特色的“精准农业模式”,并在部分地区形成实用化和产业化。4.2研究单位通过举行精准农业技术研讨会,邀请国内精准农业研究单位、精准农业试验示范单位参加,同时邀请美国精准农业科研、教学和有关企业等参加交流。采取请进来走出去的办法,加强人才培养和技术培训。4.3农田灌溉水资源量低,导致环境差更多地开展节水、节肥、控制杂草与病虫害的节约农药措施的试验研究,以积累经验,为全面实施精准农业提供科学基础。中国是个贫水国家,又是水资源浪费严重的国家,农田灌溉水的有效利用率只有45%,而先进国家达50%~70%。根据田间土壤水分情况实施精确灌溉,最大程度地提高田间水分利用率是中国农业资源利用的重要方向。中国化肥利用率也相当低,仅在30%~40%,氮肥损失率高达70%~80%,浪费十分严重,还造成环境问题。实施精准农业,根据田间土壤养分的变异,精确施肥,将会大大节省肥的用量,减少投入。4.4机械企业在农业和经贸方面的合作加强与国外精准农业研究机构和精准农业机械设备企业在精准农业技术和经贸方面的合作;国内高校、科研机构、生产企业等单位之间也应进行技术合作,优势互补,协同攻关。4.5垦区资料利用做好精准农业资料收集、信息格式标准化工作。充分利用垦区原有