基于“藏糧于技”的糧食生產(chǎn)實(shí)施策略

郭恬 高志強(qiáng)

[摘要]糧食安全關(guān)乎民生和國(guó)家安全，“藏糧于地，藏糧于技”是維護(hù)我國(guó)糧食安全的基本戰(zhàn)略。其中“藏糧于技”必須通過(guò)科技創(chuàng)新解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的難題，提高糧食生產(chǎn)領(lǐng)域的科技貢獻(xiàn)率。同時(shí)，必須前瞻性地加速數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐和智慧農(nóng)業(yè)探索，奠定我國(guó)糧食生產(chǎn)領(lǐng)域生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新;數(shù)字農(nóng)業(yè);精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);智慧農(nóng)業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：S15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202003

進(jìn)入新世紀(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)的主要矛盾已經(jīng)從糧食總量不足轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z食結(jié)構(gòu)性矛盾，糧食安全形勢(shì)依舊相當(dāng)嚴(yán)峻。無(wú)農(nóng)不穩(wěn)、無(wú)糧則亂，糧食安全事關(guān)基本民生和國(guó)家安全。中國(guó)農(nóng)業(yè)面臨“四面夾擊”的困局，主要表現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格居高不下、生產(chǎn)成本增加、農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策逼近WTO約束“黃線(xiàn)”、資源環(huán)境亮起了“紅燈”，中國(guó)農(nóng)業(yè)面臨著前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是一個(gè)不斷創(chuàng)新不斷完善的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，當(dāng)代中國(guó)必須走產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。目前，黨和國(guó)家全力推進(jìn)數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐，中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展方向應(yīng)該是兼具生態(tài)思維和人工智能的生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)。

1 加速農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新

農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新是由農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系研發(fā)的科技創(chuàng)新成果，再通過(guò)農(nóng)業(yè)科技推廣體系應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提升農(nóng)業(yè)科技貢獻(xiàn)率，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提升。我國(guó)的農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，包括涉農(nóng)高等院校、農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)和社會(huì)力量，高等農(nóng)業(yè)院校、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、省級(jí)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、地市級(jí)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所是農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的主力軍，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)、農(nóng)民專(zhuān)業(yè)合作社等社會(huì)力量也參與農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供新品種、新技術(shù)、新材料、新工藝、新模式，全面提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技貢獻(xiàn)率。種質(zhì)資源應(yīng)用基礎(chǔ)研究涉及面廣，包括種質(zhì)資源保存技術(shù)、遺傳多樣性與遺傳演化、種質(zhì)資源精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、優(yōu)異基因資源挖掘、優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)新利用等[1]。農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系培育的新品種在生產(chǎn)方面發(fā)揮了極大的作用，目前新品種選育引入市場(chǎng)機(jī)制，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)在這方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大。面向現(xiàn)代作物生產(chǎn)，作物栽培學(xué)與耕作學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家，為糧食生產(chǎn)提供了大量新技術(shù)、新模式、新工藝，實(shí)現(xiàn)糧食豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、增效。農(nóng)業(yè)新材料的研發(fā)在整個(gè)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新過(guò)程中相當(dāng)重要，研發(fā)過(guò)程順應(yīng)新材料信息化、智能化、低碳、高循環(huán)、綠色等發(fā)展趨勢(shì)，有效推動(dòng)了特色資源新材料的可持續(xù)發(fā)展[2]。此類(lèi)新材料具有更好的工作性能，同時(shí)也順應(yīng)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生態(tài)化發(fā)展趨勢(shì)。

2 加速數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)進(jìn)程

數(shù)字農(nóng)業(yè)依托農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)采集、積累農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)資源，奠定精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)是相對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)而言的，具有數(shù)據(jù)體量巨大、更新速度快、數(shù)據(jù)真實(shí)可靠、多樣化、低價(jià)值密度和高應(yīng)用價(jià)值等特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域采集的大數(shù)據(jù)資源，包括資源環(huán)境大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生物大數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)大數(shù)據(jù)。通過(guò)融合農(nóng)業(yè)的地域性、周期性等自身特征，收集、鑒別、標(biāo)識(shí)各類(lèi)有用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常難以應(yīng)用普通方法得以處理。對(duì)此，要進(jìn)行數(shù)據(jù)歸類(lèi)，并且建立數(shù)據(jù)集，通過(guò)更為復(fù)雜的高標(biāo)準(zhǔn)模型與參數(shù)來(lái)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)、優(yōu)化組合類(lèi)型，把系統(tǒng)多樣、極為復(fù)雜的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，使之更利于處理與分析，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)更方便決策者做出農(nóng)業(yè)決策，并可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的部分自動(dòng)化控制與操作。農(nóng)業(yè)信息化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域充分利用信息技術(shù)的方法、手段和最新成果的過(guò)程。農(nóng)民需要測(cè)量和了解諸多數(shù)據(jù)，如天氣數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、土壤細(xì)節(jié)、種子、化肥和作物藥劑等，這些數(shù)據(jù)與他們的耕作質(zhì)量與產(chǎn)量關(guān)系密切。獲得數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)按照一定的關(guān)系模型歸類(lèi)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，再進(jìn)一步整理出有序、有效的數(shù)據(jù)對(duì)土地進(jìn)行短期模擬和長(zhǎng)期管理，在模擬與管理期間嚴(yán)格按照分析的優(yōu)化組合方法種植，以期實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量和利潤(rùn)的最大化。除農(nóng)戶(hù)外，有關(guān)農(nóng)業(yè)工具制造商、種子和肥料以及藥劑的供應(yīng)商也對(duì)這些數(shù)據(jù)有很大的需求，通過(guò)采用專(zhuān)業(yè)算法，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，得出標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)，從而制造出最實(shí)用的農(nóng)業(yè)工具，構(gòu)造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)分析決策平臺(tái)，為農(nóng)民提供盡可能優(yōu)化的解決方案和服務(wù)。

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，智能溫室已具有很成熟的技術(shù)體系，大田物聯(lián)網(wǎng)也開(kāi)始發(fā)揮作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已初步形成以多樣化的農(nóng)業(yè)傳感器、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和智能信息處理系統(tǒng)等共性關(guān)鍵技術(shù)研究為重點(diǎn)，以采集和積累農(nóng)業(yè)資源環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)施、農(nóng)業(yè)生物等大數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)以農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備作業(yè)調(diào)度和自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量全程追溯、服務(wù)平臺(tái)集成、標(biāo)準(zhǔn)體系制定等方面為重要應(yīng)用發(fā)展領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)格局[3]。采用這種新興的系統(tǒng)獲取各類(lèi)信息，經(jīng)過(guò)傳感器數(shù)據(jù)分析可斷定土壤適合栽培的作物種類(lèi)，采用氣候環(huán)境傳感器能夠?qū)崟r(shí)收集作物成長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)分析得出具體的適宜氣候條件，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)栽培。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與多個(gè)領(lǐng)域、多種技術(shù)緊密聯(lián)系，是新一代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成和綜合運(yùn)用，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展具有重要引領(lǐng)作用，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)向智能化、精細(xì)化方向轉(zhuǎn)變[4]。但由于需要以硬件設(shè)備的投資和聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，因此投資額較大，在普通農(nóng)戶(hù)種植過(guò)程中推廣仍存在問(wèn)題，目前主要用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理和操作。

遙感技術(shù)利用人造衛(wèi)星、飛機(jī)等運(yùn)載采集數(shù)據(jù)信息的遙感器，對(duì)田間種植情況與區(qū)域分布進(jìn)行整體識(shí)別，利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布的地物光譜反射或輻射信息。還可以在不同的作物生長(zhǎng)期內(nèi)實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間定性、定位分析，為選擇農(nóng)作物的種植種類(lèi)與規(guī)模提供大量有效信息[5-6]。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用空間，包括農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、種植面積遙感監(jiān)測(cè)、遙感估產(chǎn)、病蟲(chóng)害遙感監(jiān)測(cè)、土地資源利用情況遙感監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。GIS能監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤養(yǎng)分、水分、蟲(chóng)害等的變化情況，根據(jù)獲取的農(nóng)田信息的實(shí)際情況繪制地形圖、農(nóng)田信息分布圖，制定施肥、噴灑農(nóng)藥、灌溉等科學(xué)管理方案，做出田間的智能決策[7]。GPS即全球定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它是由24顆覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通常可以利用GPS進(jìn)行土壤養(yǎng)分調(diào)查、分布區(qū)域調(diào)查等，取得大量的信息與數(shù)據(jù)資源，為田間精確管理和農(nóng)作物增產(chǎn)提供可行的方式。

3 推進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)探索實(shí)踐

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)也稱(chēng)為精確農(nóng)業(yè)，核心在于“精準(zhǔn)”二字，摒棄傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗放式作業(yè)和模糊式經(jīng)營(yíng)，積極開(kāi)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐探索，是當(dāng)代農(nóng)業(yè)科技工作者的肩頭重任。國(guó)外學(xué)者將農(nóng)業(yè)時(shí)代的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)稱(chēng)為農(nóng)業(yè)1.0，將工業(yè)時(shí)代的機(jī)械化集約農(nóng)業(yè)稱(chēng)為農(nóng)業(yè)2.0，將基于資源節(jié)約、環(huán)境友好和投入品高效利用的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)稱(chēng)為農(nóng)業(yè)3.0，將基于人工智能的未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)稱(chēng)為農(nóng)業(yè)4.0。農(nóng)業(yè)3.0是正在探索的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，重視資源節(jié)約和環(huán)境友好，關(guān)注投入品的使用效率和效益。

所謂精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，是以信息技術(shù)為支撐，根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施農(nóng)事操作與管理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理體系。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)資源環(huán)境本底數(shù)字信息資源為基礎(chǔ)，根據(jù)農(nóng)業(yè)生物生長(zhǎng)發(fā)育需求，精量、準(zhǔn)確使用農(nóng)業(yè)投入品，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境友好和資源高效利用。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)目標(biāo)狀態(tài)，可以概括為營(yíng)養(yǎng)供給精量化、環(huán)境控制精準(zhǔn)化、過(guò)程控制精細(xì)化、農(nóng)事作業(yè)高效化。

在營(yíng)養(yǎng)供給精量化方面，植物生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)土壤養(yǎng)分供給情況和農(nóng)業(yè)植物的需求情況，研發(fā)精準(zhǔn)播種、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)灌溉、水肥一體化技術(shù)等。養(yǎng)殖領(lǐng)域則應(yīng)研發(fā)根據(jù)動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育階段的差異化配方和差異化日糧標(biāo)準(zhǔn)，或研發(fā)能自動(dòng)生成個(gè)性化配方及日糧標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)家系統(tǒng)。

當(dāng)環(huán)境因子處于生物需要的最適狀態(tài)時(shí)，生物生長(zhǎng)發(fā)育就能達(dá)到最佳狀態(tài)，從而達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制精準(zhǔn)化，并在智能溫室和設(shè)施養(yǎng)殖方面得到較為充分的應(yīng)用。通過(guò)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制精準(zhǔn)化，智能溫室可將溫度、濕度、光照等環(huán)境要素控制在植物生長(zhǎng)發(fā)育的最佳范圍。露地生產(chǎn)依托傳感技術(shù)、遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地理信息技術(shù)，實(shí)施基于環(huán)境狀態(tài)精準(zhǔn)調(diào)控的農(nóng)藝措施。

任何生物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，對(duì)環(huán)境條件和營(yíng)養(yǎng)供給的要求都不同，過(guò)程控制精細(xì)化就是根據(jù)生物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程和資源環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)時(shí)生成基于精細(xì)化過(guò)程控制的農(nóng)藝措施并自動(dòng)實(shí)施，同時(shí)根據(jù)實(shí)施效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，實(shí)施隨動(dòng)精準(zhǔn)化調(diào)控優(yōu)化方案。

目前，農(nóng)事作業(yè)高效化主要從以下三個(gè)方向開(kāi)展研究與實(shí)踐：一是輕簡(jiǎn)化栽培，適當(dāng)減少效率較低的農(nóng)事作業(yè)，既可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)消耗，又能減輕對(duì)農(nóng)業(yè)生物的物理?yè)p傷。二是靶標(biāo)化作業(yè)，害蟲(chóng)防治領(lǐng)域的靶標(biāo)施藥可省工、省藥，提高防治效果，靶標(biāo)施肥也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要研究方向。三是農(nóng)事作業(yè)一體化，基于滴灌設(shè)施的水肥一體化技術(shù)已基本成熟，播種覆膜一體化作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械也已推廣[8]。

4 生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)前景展望

人工智能將不斷改變?nèi)祟?lèi)的生產(chǎn)行為和生活方式，能夠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化賦予巨大能量，展現(xiàn)了未來(lái)智慧農(nóng)業(yè)的美好圖景。機(jī)器學(xué)習(xí)和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)，使計(jì)算機(jī)具備了類(lèi)似人類(lèi)的學(xué)習(xí)能力;語(yǔ)音識(shí)別、視覺(jué)識(shí)別、自然語(yǔ)言處理使計(jì)算機(jī)具備了一定的交流互動(dòng)能力;依托數(shù)學(xué)模型、專(zhuān)家系統(tǒng)、機(jī)器推理和多層感知器技術(shù)，計(jì)算機(jī)的形象思維和邏輯思維已表現(xiàn)出較高水平，計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新思維能力方面的研究也取得了一些基礎(chǔ)性成果;機(jī)器的自主決策能力提供了多樣化的實(shí)現(xiàn)途徑，遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制是目前的應(yīng)用領(lǐng)域，未來(lái)的機(jī)器人將具備完全獨(dú)立的自主作業(yè)和自主行為能力，類(lèi)似于具有完全民事行為能力的社會(huì)人。從感知智能到認(rèn)知智能，進(jìn)而發(fā)展到通用智能，體現(xiàn)著從弱人工智能到強(qiáng)人工智能發(fā)展的基本技術(shù)路線(xiàn)和研發(fā)實(shí)踐。智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的農(nóng)業(yè)機(jī)器人可能具有多樣化的表現(xiàn)形式，主流方向應(yīng)該是研發(fā)面向?qū)ｍ?xiàng)任務(wù)的多樣化智能機(jī)器。

生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)就是高度體現(xiàn)生態(tài)思維和人工智能的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新范式，遵循客觀事物的變化發(fā)展規(guī)律，農(nóng)業(yè)發(fā)展演化過(guò)程也是一種從低級(jí)到高級(jí)的遞進(jìn)式發(fā)展過(guò)程，未來(lái)發(fā)展是在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上的提升或升級(jí)。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、多功能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域已取得了很多優(yōu)秀成果，數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐、智慧農(nóng)業(yè)探索也初具規(guī)模，未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展不可能只考慮某一方面的因素，而應(yīng)該整合基于現(xiàn)代信息技術(shù)支撐的智慧農(nóng)業(yè)，與基于可持續(xù)發(fā)展理念和生態(tài)思維的生態(tài)農(nóng)業(yè)，走生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。

5 結(jié) 論

“藏糧于技”的實(shí)施策略，不僅依靠傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新體系，為現(xiàn)代糧食生產(chǎn)提供新品種、新技術(shù)、新工藝、新材料、新模式，為國(guó)家糧食安排提供技術(shù)支撐和技術(shù)儲(chǔ)備，更重要的是，還要主動(dòng)適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的最新發(fā)展格局，全面推進(jìn)數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)，夯實(shí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的大數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)。同時(shí)要加速精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)探索實(shí)踐，堅(jiān)持資源節(jié)約、環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向，在人工智能技術(shù)迅速發(fā)展的新形勢(shì)下，加速智慧農(nóng)業(yè)的共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，融合生態(tài)思維與人工智能，探索生態(tài)智慧農(nóng)業(yè)核心技術(shù)和運(yùn)行模式。

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