第11講由“精細(xì)農(nóng)作”到“精細(xì)農(nóng)業(yè)”

第11講由“精細(xì)農(nóng)作”到“精細(xì)農(nóng)業(yè)”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心汪懋華“精細(xì)農(nóng)作”是基于信息和知識(shí)進(jìn)行作物生產(chǎn)管理的現(xiàn)代農(nóng)田精耕細(xì)作技術(shù)。它是綜合應(yīng)用現(xiàn)代信息高新科技和農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)、作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境管理決策等多種先進(jìn)科技成果，實(shí)踐大田作物生產(chǎn)管理科技思想的革命。其基本技術(shù)思想，是要揭示農(nóng)田內(nèi)小區(qū)作物生長(zhǎng)條件的空間分布差異性，實(shí)施定位處方農(nóng)作(Site-SpecificCropManagement)，達(dá)到提高土地資源利用潛力、有效利用投入、增加產(chǎn)量、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益、減少環(huán)境后果的優(yōu)化目標(biāo)。大田作物生產(chǎn)，特別是主要糧食作物生產(chǎn)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的主體，它利用著絕大部分的國(guó)土、水、能源、裝備等自然和物質(zhì)資源，保障著人類的食物安全和生存的基礎(chǔ)。過(guò)去20多年來(lái)，盡管在世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整在加速進(jìn)行，如加快了設(shè)施園藝業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品和食品加工業(yè)的集約化、現(xiàn)代化進(jìn)程和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，但這一發(fā)展趨勢(shì)，都以提高大田作物生產(chǎn)的集約化、規(guī)?；潭?，提高其技術(shù)裝備水平和不斷改善作物生產(chǎn)管理技術(shù)，發(fā)展更高效益與更富競(jìng)爭(zhēng)力的作物生產(chǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。這就是為什么當(dāng)今世界各國(guó)進(jìn)行PrecisionAgriculture的研究與實(shí)踐，都優(yōu)先集中在優(yōu)化利用耕地資源和改善大田作物生產(chǎn)科學(xué)管理方面，或采用了PrecisionFarming的學(xué)術(shù)名詞。從中文譯名意義上，本講座采用“精細(xì)農(nóng)作”一詞，也是意欲比較確切地反映集中于介紹基于信息和知識(shí)實(shí)踐按農(nóng)田小區(qū)空間差異性進(jìn)行大田作物生產(chǎn)科學(xué)管理這一新的技術(shù)思想及其支持技術(shù)的發(fā)展。迄今在“精細(xì)農(nóng)作”的研究實(shí)踐中，雖然對(duì)其支持技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和技術(shù)體系的構(gòu)建，已經(jīng)有了一個(gè)比較完整的思路，但就整體來(lái)看，仍然處于發(fā)展的初期。多數(shù)農(nóng)戶的實(shí)踐，是本著因地制宜、講究效益、采用不同程度的技術(shù)組裝方式，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)有效管理和更好的經(jīng)營(yíng)效益為目標(biāo)。接受這一技術(shù)的用戶，主要是知識(shí)文化層次較高的農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)推廣咨詢服務(wù)部門。對(duì)“精細(xì)農(nóng)作”技術(shù)體系比較完整的實(shí)踐，仍主要集中在大學(xué)的研究中心，試驗(yàn)區(qū)和設(shè)備供應(yīng)商的試驗(yàn)示范農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。農(nóng)戶的應(yīng)用實(shí)踐方案，是利用迅速普及的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)、空間信息處理應(yīng)用軟件，帶產(chǎn)量監(jiān)視器或作物產(chǎn)量分布圖自動(dòng)生成系統(tǒng)的聯(lián)合收割機(jī)，獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量的空間分布圖。基于產(chǎn)量與農(nóng)田土壤肥力等空間分布的差異性信息和作物生產(chǎn)科學(xué)管理知識(shí)，制定不同方式的定位處方管理決策。目前，實(shí)施定位處方農(nóng)作的氣流輸送可控精密谷類作物播種機(jī)已有較好的商品化產(chǎn)品；實(shí)施可控配方定位定量施肥、施藥的專用商品化機(jī)械尚待繼續(xù)完善；適應(yīng)精細(xì)處方農(nóng)作的固態(tài)、液態(tài)糞肥和灌溉水的定位施灑和農(nóng)田除草劑對(duì)靶施用的機(jī)械已在試驗(yàn)使用中。在支持精細(xì)農(nóng)作的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)創(chuàng)新中，應(yīng)用發(fā)展最快的當(dāng)屬帶產(chǎn)量監(jiān)視器的谷物聯(lián)合收割機(jī)，其中的部分用戶進(jìn)一步裝備了衛(wèi)星定位系統(tǒng)和產(chǎn)量分布圖自動(dòng)生成系統(tǒng)可選件。世界幾大聯(lián)合收割機(jī)制造商都已可提供這些裝備，用戶在采購(gòu)聯(lián)合收割機(jī)時(shí)，可以選用其中部分或全套支持產(chǎn)量信息采集和處理的軟硬件并獲得供應(yīng)商良好的培訓(xùn)服務(wù)。作者上月在美考察中了解到，目前Case和JohnDeere公司在北美生產(chǎn)的谷物聯(lián)合收割機(jī)，超過(guò)50-70%產(chǎn)品已帶有谷物流量傳感器、產(chǎn)量監(jiān)視器和谷物含水量在線測(cè)量傳感器。同時(shí)帶有DGPS口產(chǎn)量自動(dòng)生成系統(tǒng)的機(jī)器約占其中的 1/3o近年來(lái)，這一比例已有快速增加的趨勢(shì)。谷物聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量監(jiān)視器系統(tǒng)的價(jià)格約占機(jī)器成本價(jià)格的2.5-3%帶DGP舔口產(chǎn)量分布圖自動(dòng)生成系統(tǒng)的可選件價(jià)格，約占機(jī)器本體價(jià)格的7-10%因而易于為有較高知識(shí)水平和對(duì)技術(shù)進(jìn)步敏感的農(nóng)戶選用。澳大利亞大農(nóng)場(chǎng)很大比例的谷物聯(lián)合收割機(jī)，均已采用了帶DGPS的產(chǎn)量分布圖自動(dòng)生成系統(tǒng)。最近，Case公司宣布已研發(fā)成功基于近紅外技術(shù)，可裝備在聯(lián)合收割機(jī)上實(shí)現(xiàn)收獲谷物蛋白質(zhì)含量和油脂含量在線分析的傳感器及其空間分布圖生成系統(tǒng)，計(jì)劃從明年起作為聯(lián)合收割機(jī)可選件供應(yīng)市場(chǎng)。這為更精細(xì)地實(shí)踐基于信息和知識(shí)來(lái)調(diào)控作物產(chǎn)品品質(zhì)提供了新的思路。雖然迄今比較成熟的收獲機(jī)械產(chǎn)量監(jiān)視器及產(chǎn)量圖自動(dòng)生成系統(tǒng)仍然集中在主要谷類作物，如小麥、玉米、大豆、水稻等方面，但由于主要谷類作物生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步可獲的經(jīng)濟(jì)效益常低于非谷類作物，因而近幾年來(lái)，對(duì)非谷類作物收獲機(jī)械產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)引起了廣泛的關(guān)注。已經(jīng)有了棉花、土豆、甜菜、甘蔗、牧草、葡萄、柑橘等的產(chǎn)量計(jì)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究成果在歐、美及澳洲試驗(yàn)使用，但尚未形成批量商品化產(chǎn)品，這將是今后幾年農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)創(chuàng)新的重要方向。近幾年，“精細(xì)農(nóng)作”技術(shù)實(shí)踐在巴西有了較快發(fā)展，日本、南朝鮮已獲政府和企業(yè)的支持加快了試驗(yàn)實(shí)踐。在廣大發(fā)展中國(guó)家，包括中國(guó)大陸在內(nèi)，大田作物生產(chǎn)系統(tǒng)仍然處于勞動(dòng)力密集，經(jīng)營(yíng)規(guī)模較小，機(jī)械化裝備水平和經(jīng)濟(jì)效益較低的發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展正在加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整進(jìn)程，以作物生產(chǎn)解決初級(jí)谷物供給為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)思想，正在向農(nóng)、林、牧、副、漁全面發(fā)展的大農(nóng)業(yè)思想轉(zhuǎn)變。尤其在發(fā)展設(shè)施園藝、集約化養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工方面、可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益和具備吸收先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的活力。因此，基于信息和知識(shí)經(jīng)營(yíng)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效和環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)思想，應(yīng)該擴(kuò)展到大田作物生產(chǎn)以外的其他農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、大力推動(dòng)將先進(jìn)的信息高新技術(shù)、智能化控制的農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)和相關(guān)的先進(jìn)農(nóng)藝技術(shù)的適度組裝集成，實(shí)現(xiàn)“精細(xì)園藝”、“精細(xì)養(yǎng)殖”、“精細(xì)加工”和“精細(xì)經(jīng)營(yíng)”，將“精細(xì)農(nóng)作”的技術(shù)思想擴(kuò)展為全面推動(dòng)基于信息和知識(shí)的“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的發(fā)展。實(shí)際上基于信息和知識(shí)有效地管理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的早期實(shí)踐，在七十年代后期已優(yōu)先在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的奶牛場(chǎng)管理信息系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。眾所周知,基于奶牛編號(hào)自動(dòng)識(shí)別器的個(gè)體產(chǎn)奶量定量配料和飼養(yǎng)管理系統(tǒng)，自八十年代初已開(kāi)始在歐美各國(guó)農(nóng)場(chǎng)中推廣使用。奶牛個(gè)體編號(hào)電子自動(dòng)識(shí)別器作為自動(dòng)鑒別動(dòng)物個(gè)體編號(hào)的基礎(chǔ)，于七十年代中期即研制成功商品化產(chǎn)品。早期推廣應(yīng)用的一種奶牛編號(hào)自動(dòng)識(shí)別器，是長(zhǎng)期掛在脖子上的小型密封無(wú)源信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，一個(gè)固定的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器通過(guò)發(fā)射天線依次地發(fā)射出一串不同頻率的高頻電磁波，掛在牛脖子上的每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器經(jīng)過(guò)調(diào)諧，只對(duì)其中的兩種頻率作出響應(yīng)，從而給轉(zhuǎn)發(fā)器中的轉(zhuǎn)發(fā)振蕩器提供功率，并使其振蕩器先后轉(zhuǎn)發(fā)出兩個(gè)固定頻率的時(shí)序信號(hào)被接收機(jī)接收，經(jīng)過(guò)解碼，判斷出牛的編號(hào)。八十年代后期，一種直徑約2cm,厚度0.8cm,重量不到10克，單價(jià)在5美元左右的微小信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，它可永久性地植入牛、豬耳朵皮下，信號(hào)接收距離在60cm以內(nèi)；更微型的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器制成園筒型，可通過(guò)注射針管植入皮下，在牛、豬出生后即植入體內(nèi)，使整個(gè)生長(zhǎng)、養(yǎng)殖過(guò)程，直至交售時(shí)的稱重、屠宰均納入自動(dòng)信息管理系統(tǒng)。近幾年，一種養(yǎng)豬場(chǎng)推廣應(yīng)用的耳掛針扦式、塑料密封、重量小于5克的微型個(gè)體編號(hào)識(shí)別無(wú)源信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，不僅可用于按個(gè)體發(fā)育和健康狀況進(jìn)行定量自動(dòng)配料，建立動(dòng)物個(gè)體管理信息檔案，自動(dòng)監(jiān)測(cè)體重增長(zhǎng)、母畜發(fā)情期、健康指標(biāo)自動(dòng)診斷等。與手?jǐn)y式數(shù)據(jù)采集器結(jié)合，還適用于不同規(guī)模的牲畜科學(xué)飼養(yǎng)管理。英國(guó)八十年代后期研制的平養(yǎng)肉雞場(chǎng)雞群體重信息采集系統(tǒng)，支持了根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格信息控制飼養(yǎng)成長(zhǎng)增重規(guī)律，予測(cè)最佳上市日期和最好經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化目標(biāo)。這些都是基于個(gè)體或小群信息和科學(xué)管理決策知識(shí)的“精細(xì)養(yǎng)殖”的典型實(shí)例。九十年代以來(lái)，這些已成熟應(yīng)用的計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)，正在新的信息技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)上拓寬其高新技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域，如：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)用于動(dòng)物行為監(jiān)視、識(shí)別；擠奶機(jī)器人的應(yīng)用；基于體形圖象分析評(píng)價(jià)優(yōu)良品種選育與動(dòng)物體重評(píng)估；動(dòng)物飼養(yǎng)管理多媒體知識(shí)咨詢系統(tǒng)等都已逐步實(shí)用化，展示了信息時(shí)代“精細(xì)養(yǎng)殖”的廣闊前景?！霸O(shè)施園藝”是近幾年來(lái)迅速發(fā)展的農(nóng)業(yè)高新技術(shù)領(lǐng)域，它集成了園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)、材料、裝備、控制、農(nóng)藝、管理決策等多種先進(jìn)科技于一體，實(shí)現(xiàn)高投入、高產(chǎn)出、高效益的優(yōu)化目標(biāo)。電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)施設(shè)施園藝環(huán)境參數(shù)和植物生長(zhǎng)狀態(tài)精細(xì)檢測(cè)，調(diào)控和基于知識(shí)的過(guò)程管理決策提供了方便條件。近幾年來(lái)設(shè)施園藝中節(jié)約投入，降低成本，限制水土環(huán)境污染的問(wèn)題正在推進(jìn)著這一產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，歐洲已經(jīng)提出了加速向無(wú)土、封閉式營(yíng)養(yǎng)栽培系統(tǒng)過(guò)渡的明確發(fā)展方向。園藝栽培過(guò)程將逐步向采用基于單株或小群分區(qū)監(jiān)測(cè)調(diào)控，實(shí)踐優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，高效，低污染精細(xì)管理模式發(fā)展，智能化控制和裝備技術(shù)適應(yīng)先進(jìn)農(nóng)藝的要求，將推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展。農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)收獲后工藝和產(chǎn)品加工品質(zhì)提出了很高的要求。這一領(lǐng)域的技術(shù)滯后尤其成為發(fā)展中國(guó)家農(nóng)業(yè)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。電子信息與農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)已在發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)產(chǎn)品加工中得到廣泛應(yīng)用。如農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的快速檢測(cè)、產(chǎn)品品質(zhì)分級(jí)評(píng)價(jià)、儲(chǔ)藏加工過(guò)程參數(shù)的精細(xì)調(diào)控、市場(chǎng)需求的決策支持分析等。基于信息和知識(shí)的高新技術(shù)集成系統(tǒng)已迅速應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品收獲后工藝與加工工程領(lǐng)域，如基于新的物理原理的農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)與品質(zhì)檢測(cè)先進(jìn)傳感技術(shù)，基于機(jī)器視覺(jué)和圖象信息處理的生物對(duì)象模式識(shí)別，遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論與新方法的應(yīng)用，專家系統(tǒng)支持的輔助決策與控制等。基于信息和知識(shí)的“精細(xì)加工”調(diào)控與管理決策支持系統(tǒng)，豐富了“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的內(nèi)涵，正在成為農(nóng)業(yè)高新技術(shù)應(yīng)用研究和裝備技術(shù)創(chuàng)新研究的新領(lǐng)域。21世紀(jì)人類將逐步進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，探索基于信息和知識(shí)的融合多種學(xué)科知識(shí)建立集成管理決策系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用，將使人類愈益精細(xì)化地利用自然資源和物質(zhì)資源，減小浪費(fèi)，降低成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)?！熬?xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系將逐步完善，并不斷推動(dòng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理決策科學(xué)技術(shù)思想的革命。本講座包括11個(gè)專題。梗概地介紹了“精細(xì)農(nóng)作”的基本技術(shù)思想，支持技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，相關(guān)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)創(chuàng)新和“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的發(fā)展趨勢(shì)。資料主要來(lái)源于國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)，支持產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)界的報(bào)導(dǎo)，試驗(yàn)研究報(bào)告等。其中也包含作者本人的理解和認(rèn)識(shí)。近幾年來(lái)，國(guó)外“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的發(fā)展已引起我國(guó)農(nóng)業(yè)科技界和政府部門的重視，估計(jì)在世紀(jì)之交，我國(guó)一些地區(qū)的試驗(yàn)示范工程將陸續(xù)啟動(dòng)，“精細(xì)農(nóng)業(yè)”在國(guó)外的實(shí)踐與應(yīng)用仍然處于初期發(fā)展階段，通過(guò)幾年的試驗(yàn)實(shí)踐，已提出了要著力加強(qiáng)有關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)與技術(shù)開(kāi)發(fā)研究的任務(wù)。這也為推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)創(chuàng)新提供了良好的機(jī)遇。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)“精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心”經(jīng)過(guò)近兩年多來(lái)的研究工作積累，已對(duì)其主要支持技術(shù)方面開(kāi)展了積極的研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，與國(guó)外各主要精細(xì)農(nóng)業(yè)研究中心和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)建立了廣泛的聯(lián)系，可以為我國(guó)同行提供有關(guān)工程項(xiàng)目規(guī)劃，技術(shù)方案選擇，支持技術(shù)選型，有關(guān)技術(shù)知識(shí)培訓(xùn)、咨詢服