中国发展精准农业耕作的基本分析及设计，本文主要内容关键词为：精准论文,中国论文,农业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F303.3文献标识码：A
精准农业耕作（Precision Farming ）是一种把科学的精确性引进农田耕作生产的方法。它根据田间作物生长条件和产量状况等差别，应用地理信息系统技术（GIS）全球卫星定位系统（GPS）、智能农机技术进行农业生产信息管理及农田投入的调节与控制，从而达到提高效益、避免资源浪费、减少环境污染的目的。
纵观世界近代农业发展史，20世纪中期以前，工业经济发达国家要由工业经济不发达国家进口粮食和农产品，而到20世纪后期，工业经济发达国家却出口大量粮食和农产品到工业经济不发达国家。20世纪中，发达国家耕地面积并无明显增加，主要靠科技、包括逐步发展起来的精准农业技术的投入，不断提高农业劳动生产率和农资利用率，在大力挖潜、降低成本同时减少了农业化学物资（化肥、农药、石油）对环境的污染，达到经济效益、生态效益、社会效益兼顾，实现了农业的可持续发展。
中国是世界上最主要的农业国家，用占世界7 %的耕地解决了世界22%人口的温饱问题，取得了举世瞩目的成就。但是人口增长和土地资源减少的矛盾不可逆转，与世界各国相比，中国的人均耕、牧地面积明显不足（表1）。为了满足经济发展和人民生活水平日益提高的要求， 必须保持农业的持续发展。然而，我国耕地面积已不可能大幅度增加，解决问题的根本出路在于增效、挖潜[1]，积极启动精准农业试验示范，寻求发展高效农业的新途径。
表1 世界部分主要国家农田基本状况对比*
Table 1
The comparison of the basic farmland／situation ofsome contraies in the world（hm[2]／人）
地区 耕地 牧地
世界 0.23 0.59
美国 0.71 0.91
加拿大1.54 0.95
印度 0.18 0.01
俄罗斯0.88 0.59
澳大利亚 2.63 23.21
德国 0.15 0.06
法国 0.32 0.26
英国 0.10 0.19
巴西 0.27 11.43
南非 0.32 1.96
日本 0.03 0.05
中国 0.08 0.26
*国际统计年鉴1997中国统计出版社
1 精准农业技术基本内容
精准农业即计算机辅助农业，它应用“三S”技术， 即地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）和全球卫星定位系统（GPS），把科学的精确性引进农业生产过程中。
精准农业的目标是在尽量不减产量的情况下，降低农业生产成本，尤其是降低因施肥对地下水造成的污染。其主要措施是根据地块的不同，精确计算出每一块地的灌水量、化肥使用量及杀虫剂的投入量，然后进行精确的“按需分配”。
精准农业目前主要在三方面把全球卫星定位信息和计算机技术结合起来：
1）产量监测 用联合收割机进行收获时， 有两台独立的仪器收集数据，计算农作物的产量。与此同时，从全球卫星定位系统接收器得到农作物的精确位置，把结果绘成产量分布图。
2）土样采集 用一种适于农田行走的车辆， 装置土壤信息自动测试仪，采集土壤样品并将数据测试系统送入计算机，从接收器获取采集这一样品的位置，绘成土壤状态图。
3）投入控制系统 通过产量和土壤状态的比较， 决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态图装入带有全球卫星定位系统设备的喷施器中，精确地给农田地块施肥、喷药，施用的化学物质种类和数量受计算机控制。
2 精准农业的发展过程
精准农业是在现代农业机械化条件下，由于卫星遥感定位技术的发展而兴起。精指数量的精细，准表示对空间位置的标定。美国作为卫星遥感定位技术的先进国家，于80年代发射成功第二代用于确定地面位置的全球定位卫星系统（GPS），首先用于军事， 逐步开放面向民用市场，成为精准农业的先行者。美国精准农业于80年代起步，盛行于90年代后期。这一技术的早期研究与实践，始于从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫害管理人员在进行作物栽培模拟模型、作物管理与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的、农田内以米为单位的小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位，按需变量投入，或称处方农业耕作而发展起来的；在农业工程领域，自70年代中期微电子技术迅速实用化而推动的农业机械装备的机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究的发展，加上80年代各发达国家对农业经营中必须兼顾农业生产力、广泛关注资源、环境问题和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为精准农业耕作技术体系的形成准备了条件。基于信息技术支持的、农学、资源环境科学、智能化农机技术、系统优化决策支持技术等组装集成，形成和完善了精准农业技术体系，并在实践中逐步趋于成熟，显示出良好的发展前景。这一技术发展趋势，引起世界各国科技决策部门和科学界的高度重视，在各国政府的支持下，美国、澳大利亚、日本、欧洲等有关大学和科研部门纷纷立项，结合各自国情开展精准农业耕作技术试验推广。我国科学家也于90年代初提出跟踪研究精准农业（或称精确农业等）技术，倡导结合中国国情开展试验示范[1，2]。
3 中国发展精准农业耕作的需求
3.1 中国农业发展的需求
根据中国农业经济专家对中国农业未来发展趋势的预测分析，农业的历史可以划分为4个阶段。在实现农业现代化以后， 是继续走向农业信息化；在建成现代化农业以后，是继续建设信息农业。中国将在21世纪30年代完成农业现代化，进入农业信息化建设的新时代（表2）。 农业信息化是中国农业全面发展的必然趋势，农业信息化主要包括三个方面内容：农业基础设施装备信息化——智能节水灌溉系统；农业技术操作全面自动化——农田精准机械作业；农业经营管理信息网络化——决策管理信息系统。精准农业是农业信息化的主要内容，农业科技发展和我国农业生产需求为精准农业技术提供了广阔的应用前景。
表2 中国农业发展的基本状况和趋势*
Table 2 The basic situation and development trend ofagriculture in China
阶段 农田灌溉率 农业机械化
农业现代化起步阶段(1978～
1995)47%～52%22%～33%
初步现代化(2000)55% 50%
基本现代化(2020～2030)66%～80% 80%
农业现代化、信息化(2040)95%
*梅方权.从农业现代化走向农业信息化.1999.
3.2 中国农业全面进入国际市场竞争的要求
通过示范，可在中国推广应用农业先进技术，促进农业产业化及相关产业（如农机）发展、实现农业规模经营、提高智能农业机械使用效率、降低技术成本，降低劳动力和物质投入成本，通过提高产品质量加强农产品市场竞争力，实现农产品价值[3]，为我国进入WTO做重要支持。
3.3 中国农业及社会经济可持续发展的要求
减少农业化学物质投入，保护农田环境及生态环境，是实现农业及社会经济可持续发展的必由之路。农药、化肥等农业化学物质的大量投入，已经对生态环境和人体健康造成严重危害[4]， 科学界和社会各界长期关注和研究对策，精准农业耕作技术为农田环境及生态环境保护提供了良好的技术支持。
3.4 实现国家21世纪发展目标的要求
适应社会经济的发展，通过提高智能农业机械使用率，增加农业生产中技术含量，降低成本，形成农业规模经营，促使农业劳动力向其它产业的转移，方能在以农业为基础的中国实现国家21世纪发展目标[5]。
4 中国发展精准农业耕作的基本条件
1）通过作物遥感估产、农情速报、导航电子地图、 资源环境信息系统建立等重大项目的开展和完成，实现了科技队伍、实验条件及相关技术的贮备[6，7]。
精准农业技术的基本构成为RS、GIS、GPS、智能农业机械技术。其中GPS技术用于农田信息准确定位获取，GIS技术用于农业信息的分析处理，RS技术用于农田信息的快速获取，智能农业耕作机械实现精准农田耕作作业。多年来中国遥感信息系统技术应用研究的开展成为中国发展精准农业耕作相关技术的贮备。精准农业耕作的主要智能机械有：差分GPS测试仪——DGPS、土壤水分状况测试仪——TDR时域反射仪、土壤肥力自动定位采样测试仪、作物产量自动定位测试记录仪、农药、化肥及水自动控制喷洒仪、定量定位自动控制播种机，这些方面研制也得到中国政府和农业机械工程技术专家的关注，正在积极开展[8，9]。
2）中国科学院东北农业重大项目的开展和创新工程项目、 国家农业综合开发农业高新技术应用示范项目中有关精准农业耕作技术应用示范项目的启动，为精准农业耕作试验示范提供了良好契机。
中国科学院与国家各有关部委十分重视精准农业技术试验示范，其中中国科学院于“九·五”期间设立的东北农业和国家农业综合开发重大项目相结合，广泛开展区域农业开发及农业新技术推广应用，为精准农业耕作的开展奠定了良好基础。中国科学院创新工程重大项目“建设东北地区稳定商品粮基地的农业技术集成与高新技术研究”之三“以精准农业为目标的信息农业技术应用研究”，国家农业开发高新技术示范项目“吉林省榆树市大坡镇农业开发示范项目”之六“现代农业管理信息化技术及精准农业技术示范”的启动使精准农业耕作试验示范得到有力支持。
3 ）中国重点产粮区之一的东北地区从土地资源和农业生产条件来看，为精准农业耕作的开展提供了良好基础[10，11]。
我国疆域辽阔，不同区域农业自然条件差异较大，农业生产方式、内容各异，但精准农业耕作的降低投入，增加效益、保护环境的价值取向具有广适性。各地可结合区域特色和条件开展综合或侧重的试验示范研究取得经验，并逐步推广。其中东北地区作为我国重点产粮区和玉米大面积高产稳产区，为世界三大著名黑土带和玉米带之一，人均耕地占有水平高，属波状平原。其中台地面积大，海拔180～200m， 相对高差20～40m，土壤以黑土为主，地表水和地下水资源丰富，利于规模化、 机械化农业生产，自然条件和农业经济基础适宜开展精准农业耕作技术试验示范工作（表3）。
表3 我国主要平原省区耕地状况*
Table 3 The situation of farmland in the major provinceswith plains in China
地区 人/hm[2]
水田(%) 旱田%
广东省0.055 14.0 5.3
浙江省0.062 17.5 5.4
江苏省0.087 36.1 17.3
山东省0.106
1.1 49.1
河南省0.103
3.1 45.9
河北省0.130
0.4 34.9
辽宁省0.188
8.1 28.7
吉林省0.253
3.9 27.7
黑龙江省 0.399
2.1 27.8
*参考中国农业统计年鉴.北京：中国统计出版社，1997
5 中国发展精准农业耕作的基本设计
根据精准农业耕作的基本要求和中国国情、技术储备等条件，参考我国科学家多年来倡导的技术路线和国外经验，设计探讨中国发展精准农业耕作的基本内容和试验示范方法如下：
5.1 精准农业技术试验示范内容
农田信息采集系统、智能节水灌溉系统、农田作业信息系统、农业决策管理GIS、农业技术信息系统、农业基础信息系统。
5.1.1 农业基础信息系统研究
在收集示范区土地资源、水资源、气候与地貌条件、土地利用现状与动态变化、土壤养分状况与动态变化、基础设施建设现状与规划的基础上，建立农业基础信息系统，实现对农业基础信息的存贮、查询、操作、显示、输出、分析、预测等方面的功能。
5.1.2 农业技术信息系统研究
用现代信息系统技术实现农业生产技术信息（种子、农药、化肥）管理。主要包括种类、配方、施用方法等，为精准耕作的实现提供技术服务。
5.1.3 农业管理决策信息系统研究
收集示范区农业生产和农业经济信息，建立决策支持模型，进行农业生产和农村经济动态分析，为政府机构进行农业政策制订、农业结构调整、农业规划等提供决策支持。
5.1.4 农田信息采集技术应用
利用全球定位系统，按地块水平定位采集产量和土壤信息。在收获过程中，采集定位的产量数据，并馈入计算机存储和处理，土壤信息实时采集则利用土壤信息采集器在播种前和收获后采集土壤质地、养分状况、酸度、持水量以及杂草等信息，实时馈入计算机农田地理信息系统，形成各种分布图。
5.1.5 农田生产作业信息系统
该项系统是将农业生产过程用计算机进行管理，建立农田地理信息系统——导耕电子地图。按存贮的产量和土壤空间定位信息，通过计算机构成有关地图和实施方案，指导计算机和机械控制自动化定位定量施用或由人工操作。
5.1.6 智能化节水灌溉管理技术应用
该系统包括三个组成部分：一是田间土壤水分自动测定系统；二是设施灌溉系统；三是计算机自动控制系统。核心技术是计算机自动控制。主要功能是通过连续监测土壤墒情变化，结合特定作物的需水规律，准确地确定灌溉时间或灌溉定额，达到充分节水和满足作物需水的双重目的。
5.2 精准农业耕作的研究与示范
根据精准农业耕作的基本内容，可将其分为以下两方面进行。
1）农业信息技术应用研究方法 搜集、 整理各种不同类型农业信息，包括文字、数据、图片、图件等，将信息输入计算机，按技术标准建立信息系统；建立数学模型，进行信息处理分析；运行信息系统，全面实现数据存贮、查询、操作、显示、输出、分析、预测等功能，提供决策咨询。
2）精准农业耕作技术示范方法
由于精准农业技术尚处于起步阶段，智能农业装备需大量资金，采取分步实施的办法，在先期阶段采用农田措施方案和地图；利用常规农业装备，在全球定位系统和人工介入的情况下精确定位定量投入，建立人机结合精确定位的可变施肥系统。根据我国国情逐步推进，使精准农业技术日趋完善。根据试验示范的需要，逐步引进产量定位采集仪、土壤状况定位采集仪等设备。
6 结语及讨论
目前我国化肥及农药的利用率均在30%左右，降水利用率不足35%，仅是发达国家的一半。我国低产田占耕地的60%，其单产不及高产田的1／2。而在中、高产田本身来说，就在同一块地里，土壤肥力和墒情等条件在不同部位往往存在很大差异，杂草、虫害、病害的发生也不是均匀的。施肥不足或施用除草剂、杀虫剂、农药不及时固然会造成减产，但施用过量不仅是一种浪费，也将造成环境污染或农业产品残留毒害。灌溉、排水、中耕及其它农事作业也都应该根据具体情况加以控制，才能收到更好的农业效益、经济效益和环境效益（注：邝朴生编.精确农业.1998.）。
精准农业不只是一种简单的方法，它随当地的现有条件而变化，必须考虑当地的精确控制能力及当地农业产出及耕作水平，充分了解农业的投入能力，才能达到某一特定的目标。这是在环境因素的制约下实现农业产出最大，产生最大的经济效益。精准农业技术和可持续土地管理是分不开的，可持续发展要求对现有自然资源的储量不产生负面的影响及不增加对现有环境的污染力。精准农业包含了为后代维持土地的职责、为更多的用途而保存潜力的重要性等概念，精准农业这种可持续土地管理的含义比仅仅保持产出更为重要。
精准农业耕作技术应用的主要问题是：购置智能机械一次投入经费较大，但从时间和空间折旧核算比较经济。尤其随着劳动力价格上升和农业机械价格下降，前景乐观，目前需示范引导；国内农业智能机械尚待开发，国家已经予以考虑，加之市场需求拉动，发展会很快；科技力量不足，须通过项目启动加速培养。此举目前国内尚无经验，应考虑国情积极示范。
精准农业耕作有利于提高农产品产量，高效利用资源，降低投入成本，减少对环境的污染。因此，在21世纪它将成为不仅在发达国家、而且在发展中国家也得到广泛应用的现代农业技术[13～15]。
收稿日期：1999—08—14；修订日期：1999—10—25