我國(guó)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要性與應(yīng)用前景

靳雙珍，劉國(guó)順，閆新甫，史宏志，程 龍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家煙草栽培生理生化研究基地，河南 鄭州 450002;2.國(guó)家煙草專賣局科教司，北京 100045;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州 450002)

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出與概念

1.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的提出

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先發(fā)展起來(lái)的21世紀(jì)農(nóng)業(yè)模式，它是現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的產(chǎn)物。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)首次提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念和設(shè)想，并在1992年4月召開(kāi)了第1次精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)，此后精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用［1］。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)最富吸引力的前沿課題之一，代表了21世紀(jì)全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向［2］，是農(nóng)業(yè)的一場(chǎng)革命，面向21世紀(jì)農(nóng)業(yè)的新技術(shù)。

1.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念及技術(shù)體系

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) (precision agriculture)也稱精細(xì)農(nóng)業(yè)或精確農(nóng)業(yè)，是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目的的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和技術(shù)體系［3］。它是在定位、導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，根據(jù)管理單元的土壤特性和作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，管理作物的每一個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程及各種農(nóng)業(yè)物資的投放(如肥料、除莠劑、殺蟲(chóng)劑、種子等)，最大限度地發(fā)揮土壤和作物的潛力，做到既滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，又減少農(nóng)業(yè)物資的投入，從而降低物資消耗、增加利潤(rùn)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施與高新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它由10個(gè)系統(tǒng)組成，即全球定位系統(tǒng)(GPS)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、農(nóng)田遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、智能化農(nóng)機(jī)具系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)和培訓(xùn)系統(tǒng)。其核心技術(shù)是地理信息系統(tǒng) (GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)［4］。

2 我國(guó)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要性

以精準(zhǔn)施肥為例。

2.1 精準(zhǔn)施肥的概念

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，精準(zhǔn)施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)［5］。簡(jiǎn)言之，精準(zhǔn)施肥技術(shù)就是結(jié)合田間每一操作單元的具體條件，在土壤養(yǎng)分管理方面，將土壤類型、土壤生產(chǎn)潛力、不同肥料的增產(chǎn)效應(yīng)、不同作物的施肥模式、歷年施肥和產(chǎn)量情況等相關(guān)信息輸入計(jì)算機(jī)，形成資料齊全的土壤養(yǎng)分信息化管理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的指導(dǎo)下，采用裝有現(xiàn)代通訊接收裝置的田間施肥機(jī)，具體完成施肥作業(yè)。

2.2 精準(zhǔn)施肥的作用及意義

傳統(tǒng)施肥方式因土壤肥力在地塊不同區(qū)域差異較大，所以在平均施肥的情況下，土壤肥力低而其它生產(chǎn)性狀好的區(qū)域往往施肥量不足，而某種養(yǎng)分含量高而豐產(chǎn)性狀不好的區(qū)域則導(dǎo)致過(guò)量施肥。精準(zhǔn)施肥則是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，分析作物的需肥規(guī)律，調(diào)節(jié)肥料的投入 (包括施肥量、比例和時(shí)期)，充分利用土壤生產(chǎn)力，以最少的肥料投入達(dá)到較高的收入，從而提高化肥利用率，改善農(nóng)田環(huán)境，增加農(nóng)業(yè)種植效益。目前，我國(guó)化肥的當(dāng)季利用率較低，氮肥當(dāng)季利用率一般為30%～35%，鉀肥利用率為35% ～50%，磷肥當(dāng)季利用率最低，一般為10%～20%?；适寝r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投資最大的物質(zhì)，化肥支出約占生產(chǎn)支出的50%。當(dāng)季未利用的氮肥大部分隨徑流沖失或氣態(tài)逸失，鉀肥被土壤吸附或淋失，磷肥則大多被土壤固定［6］。肥料利用不完全造成資源的浪費(fèi)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的增加，同時(shí)導(dǎo)致農(nóng)田環(huán)境污染。實(shí)施精準(zhǔn)施肥，將會(huì)大大節(jié)省化肥用量，減少農(nóng)業(yè)投入，增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，減少肥料對(duì)環(huán)境的污染。

3 國(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)已成為國(guó)際農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)工程高新技術(shù)應(yīng)用研究富有吸引力的領(lǐng)域之一，每年有相當(dāng)規(guī)模的“國(guó)際精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)”。國(guó)外的許多大學(xué)開(kāi)設(shè)了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)專門課程，美國(guó)的一些大學(xué) (如明尼蘇達(dá)大學(xué))建立了“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究中心”。

美國(guó)作為世界上實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)最早的國(guó)家之一，經(jīng)多年發(fā)展，一些技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)成熟定型，但尚未系統(tǒng)化，總體還處于研究發(fā)展階段。美國(guó)有200多萬(wàn)個(gè)農(nóng)場(chǎng)，其中8%是年收入25萬(wàn)美元以上的大農(nóng)場(chǎng)，占整個(gè)農(nóng)場(chǎng)耕地面積的37%，有60%～70%的大農(nóng)場(chǎng)采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的采用給農(nóng)場(chǎng)主帶來(lái)了明顯的節(jié)約效應(yīng)和規(guī)模效益。1993－1994年，美國(guó)明尼蘇達(dá)州農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)試驗(yàn)，取得了巨大成功，用GPS指導(dǎo)施肥的作物產(chǎn)量比傳統(tǒng)平衡施肥作物產(chǎn)量提高30%，而且減少了化肥施用量，經(jīng)濟(jì)效益大大提高［7］。

此外，加拿大、澳大利亞等國(guó)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)也非常重視，巴西、馬來(lái)西亞等國(guó)廣泛開(kāi)始了試驗(yàn)示范應(yīng)用。以色列的氣候干旱、水資源緊張，采用了先進(jìn)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，根據(jù)作物生長(zhǎng)階段和氣候條件等因素，定時(shí)、定量、定位供水，大大地提高了水利用率，水肥利用率達(dá)到90%［8］。目前，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)踐已涉及到配方施肥、精量播種、病蟲(chóng)害防治、雜草清除、收獲作業(yè)和水分管理等相關(guān)領(lǐng)域，諸如荷蘭的無(wú)土栽培切花生產(chǎn)、日本的水培蔬菜生產(chǎn)、美國(guó)的生菜生產(chǎn)、歐共體國(guó)家和北美國(guó)家的計(jì)算機(jī)管理奶牛場(chǎng)等均已基本實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化［9］。

3.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

1994年我國(guó)開(kāi)始對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用，分析研討了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和信息農(nóng)業(yè)在國(guó)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)以及在我國(guó)的應(yīng)用前景，并將其納入863計(jì)劃及國(guó)家引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù) (948)項(xiàng)目“精確農(nóng)業(yè)技術(shù)體系研究”中［10］。

為探索適合我國(guó)國(guó)情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式及技術(shù)，不少地區(qū)針對(duì)“精準(zhǔn)”差距來(lái)調(diào)整和改進(jìn)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，引進(jìn)、消化和吸收國(guó)際上精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)和設(shè)備。吉林省結(jié)合其省農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)開(kāi)發(fā)了“萬(wàn)維網(wǎng)地理信息系統(tǒng) (GIS)”;北京密云縣用GIS技術(shù)建立了縣級(jí)農(nóng)業(yè)資源管理信息系統(tǒng);在智能技術(shù)方面，國(guó)家“863計(jì)劃”在全國(guó)20個(gè)省市開(kāi)展了“智能化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用示范工程”［5］。2004年以來(lái)廣西武宣縣實(shí)施了“智能化精準(zhǔn)施肥技術(shù)示范推廣”項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)兩年示范，成功探索出了一條促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)支增收的新路子。智能化精準(zhǔn)施肥技術(shù)在武宣縣實(shí)施2年來(lái)取得了顯著成效。一是促進(jìn)了作物產(chǎn)量的增加:水稻平均增產(chǎn)445.5 kg·hm－2，增長(zhǎng) 7.35%;玉 米 平 均 增 產(chǎn) 600 kg·hm－2，增長(zhǎng) 5.00%;甘蔗平均增產(chǎn) 9.23 t·hm－2，增長(zhǎng)12.30%。二是促進(jìn)了農(nóng)民節(jié)本增效:水稻平均節(jié)約化肥投入26.25 kg·hm－2(折純，下同)，節(jié)支105元·hm－2;玉米平均節(jié)約化肥投入18 kg·hm－2，節(jié)支72元·hm－2;甘蔗平均節(jié)約化肥投入 37.5 kg·hm－2，節(jié)支 114元·hm－2。三是促進(jìn)了農(nóng)民施肥觀念的轉(zhuǎn)變:使“糞大水勤，不用問(wèn)人”的傳統(tǒng)施肥觀念逐步改變［11］。2006年，在北京市實(shí)施的“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)高科技農(nóng)業(yè)示范工程”項(xiàng)目中采用了國(guó)際先進(jìn)的農(nóng)田耕作技術(shù)。這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用為我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，這對(duì)打破我國(guó)人多地少的農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸及農(nóng)業(yè)走可持續(xù)發(fā)展之路具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從國(guó)內(nèi)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已形成高新技術(shù)和農(nóng)業(yè)結(jié)合的新興產(chǎn)業(yè)且發(fā)展迅速，我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展剛剛起步，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的管理方式的研究與應(yīng)用的步伐正在加快，結(jié)合我國(guó)的國(guó)情探索建立具有中國(guó)特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)運(yùn)作方法已成當(dāng)務(wù)之急。

4 我國(guó)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)存在的問(wèn)題

雖然我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但尚處于不成熟階段，仍然存在許多問(wèn)題。

4.1 地形復(fù)雜，機(jī)械化和集約化水平不高

我國(guó)各地的自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差異明顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大，農(nóng)業(yè)集約化總體水平較低。我國(guó)農(nóng)耕地面積雖大，但旱瘠、鹽堿地較多，自然災(zāi)害頻繁。農(nóng)業(yè)人均耕地面積少，僅為世界平均水平的1/5，低于印度、日本，同美國(guó)相差甚遠(yuǎn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，每1萬(wàn)hm2拖拉機(jī)擁有量?jī)H為世界平均水平的34.7%，甚至低于印度［6］。

4.2 信息技術(shù)及其裝備薄弱

農(nóng)業(yè)設(shè)施的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距，表現(xiàn)為設(shè)施簡(jiǎn)陋，技術(shù)含量低，特別是計(jì)算機(jī)管理仍難以配套，離準(zhǔn)確性和及時(shí)性的要求仍有相當(dāng)差距，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)實(shí)效性、應(yīng)用性不高，智能化較差。

4.3 缺乏獨(dú)立自主性

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)仍依賴從國(guó)外引進(jìn)，不但受制于人，而且儀器、設(shè)備、裝置等的成本投入相對(duì)過(guò)高，針對(duì)性也較差。

4.4 缺乏相關(guān)知識(shí)人才

我國(guó)目前對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理論和實(shí)踐掌握的還不夠，了解相關(guān)知識(shí)的人才欠缺。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究與推廣，需要做好精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理念的普及與教育。

5 我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展前景

我國(guó)高能耗工業(yè)產(chǎn)品投入維持產(chǎn)出的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)雖大幅度提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，但受條件和環(huán)境的制約，在某種意義或某些不足的方面顯然會(huì)逐漸被精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)這一新型農(nóng)業(yè)模式所取代。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在美、英等國(guó)已形成一種高新技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)，且被廣泛承認(rèn)是發(fā)展持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要途徑。在我國(guó)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，可顯著提高土肥水資源的利用效率，減少環(huán)境污染，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和增加農(nóng)民收入。同時(shí)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的系列化、機(jī)械化操作可以促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程，解放農(nóng)村勞動(dòng)力，跨越農(nóng)民科學(xué)技術(shù)水平低的限制，使農(nóng)業(yè)以較快的速度進(jìn)入現(xiàn)代化行列。我國(guó)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用目前與國(guó)際水平差距并不是很大，而且精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，不同的地區(qū)和不同基礎(chǔ)可以采用不同的方法。美國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也是根據(jù)自己的實(shí)際情況采用不同的發(fā)展模式。因此，學(xué)習(xí)美國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和管理理念，開(kāi)展適合我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系研究和應(yīng)用，目前是一個(gè)比較好的時(shí)機(jī)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)信息技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械制造技術(shù)的高度融合，是在發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模經(jīng)營(yíng)和機(jī)械化操作條件下發(fā)展形成的新的技術(shù)體系。而我國(guó)農(nóng)村自然條件差異大，現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，勞動(dòng)力資源豐富但素質(zhì)較低，經(jīng)營(yíng)單位小而分散，機(jī)械化水平低。因此，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可能僅適用于我國(guó)規(guī)?；?jīng)營(yíng)的大型農(nóng)場(chǎng)和較發(fā)達(dá)的地區(qū)，而在以家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制為主要經(jīng)濟(jì)形式的分散經(jīng)營(yíng)的大部分農(nóng)村則難以應(yīng)用。但是，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)的技術(shù)路線和原則是在充分了解土地資源和作物群體變異情況的條件下，因地制宜地根據(jù)田間每一操作單元的具體情況，精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項(xiàng)管理措施和各項(xiàng)物資投入的量，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。這些原則適用于任何形式和任何規(guī)模的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)追求降低生產(chǎn)成本、提高利潤(rùn)、提高農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與避免污染的觀念同樣適合中國(guó)的國(guó)情。

我們應(yīng)在充分了解精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的原則和有關(guān)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)理念和經(jīng)驗(yàn)，裝配一定的設(shè)備，建立試驗(yàn)示范點(diǎn)，嚴(yán)格地進(jìn)行精確化和科學(xué)化管理，用現(xiàn)代化信息技術(shù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，研究發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，走有中國(guó)特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。

［1］Kitchen N R，Snyder C J，F(xiàn)ranzen D W，et al.Educational Needs of Precision Agriculture ［J］.Precision Agriculture，2002(3):341－351.

［2］盧珊，王平，劉湘南.論精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)建設(shè)的地理信息技術(shù)關(guān)鍵 ［J］.地球信息科學(xué)，2001(1):38－42.

［3］趙凱.從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)看當(dāng)代農(nóng)學(xué)思想的發(fā)展 ［J］.中國(guó)科技信息，2006(1):142.

［4］趙春江，薛緒掌.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的研究進(jìn)展與展望［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19(4):7－12.

［5］林紹光，黃繼慶.精準(zhǔn)施肥技術(shù)推廣實(shí)踐與探討 ［J］.廣西農(nóng)學(xué)報(bào)，2005(4):11－14.

［6］李亞芹，夏峰.我國(guó)發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必要性 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2006，6(6):8－13.

［7］刁承軍，胡偉.關(guān)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的探討 ［J］.農(nóng)機(jī)市場(chǎng)，2003(8):16－18.

［8］戎愷，楊星衛(wèi)，段項(xiàng)鎖.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ［J］.上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2000，16(3):5－8.

［9］梁紅.我國(guó)“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策 ［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2002，22(3):55－59.

［10］金繼運(yùn)，白由路.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的回顧與展望 ［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2004(4):3－11.

［11］廖尚春.智能化精準(zhǔn)施肥技術(shù)的推廣應(yīng)用 ［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，14(9):216.