智慧農(nóng)場技術(shù)在上海農(nóng)場的集成應(yīng)用與示范

姜忠旭 陳芳芳 許更文 袁婷婷 馬里超 沈麗麗

摘 要 通過農(nóng)業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，上海農(nóng)場改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域種、管、收等環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率低的問題，降低了勞動(dòng)成本，提高了生產(chǎn)效率。介紹了上海農(nóng)場在智慧農(nóng)場建設(shè)中應(yīng)用的智能化灌溉系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)等新技術(shù)及其取得的階段性成果，分析了新技術(shù)的優(yōu)勢所在，指出了目前智慧農(nóng)場中突出的問題與難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)場;水肥一體化;現(xiàn)代化機(jī)械;智能灌溉

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.05.046

智能化、信息化、機(jī)械化的推進(jìn)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然方向，有助于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利開展，能夠加快促進(jìn)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的達(dá)成。運(yùn)用信息化技術(shù)能夠提高農(nóng)場的建設(shè)質(zhì)量，開展智慧農(nóng)場，改變農(nóng)場的發(fā)展方式，提高農(nóng)場的經(jīng)濟(jì)收入，促使農(nóng)場在人們的生活中發(fā)揮出其獨(dú)有的特點(diǎn)[1]。智能農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是通過在機(jī)器上運(yùn)用各類電子技術(shù)和控制技術(shù)，提高機(jī)器裝備對農(nóng)業(yè)各環(huán)節(jié)的智能化操控水平[2];數(shù)字農(nóng)業(yè)是通過將農(nóng)業(yè)全要素、全系統(tǒng)、全過程數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學(xué)決策和數(shù)字化管理[3-7];精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)的是基于農(nóng)業(yè)動(dòng)植物和空間環(huán)境等信息的變化而采取的精細(xì)投入管理[8-10]。

上海農(nóng)場致力于打造集農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化、信息化于一體的智慧農(nóng)業(yè)示范區(qū)，而智慧農(nóng)場的推廣與應(yīng)用可提高生產(chǎn)效率，減少農(nóng)業(yè)對勞務(wù)用工的依賴，提高生產(chǎn)管理者的種植水平，節(jié)約水資源，降低人力監(jiān)管成本，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。同時(shí)，還能資源化利用沼液，減少化肥的投入，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向種植標(biāo)準(zhǔn)化、精量化方向發(fā)展。闡述上海農(nóng)場在智慧農(nóng)場建設(shè)過程中“緩控釋肥+沼液或液體肥”的水肥一體化應(yīng)用、現(xiàn)代化機(jī)械的研制及應(yīng)用、智能化灌溉系統(tǒng)、農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、智能精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺(tái)的應(yīng)用等。

1技術(shù)應(yīng)用

1.1緩控釋肥及水肥一體化技術(shù)

緩釋肥料能減緩養(yǎng)分釋放速率，施用緩釋肥能實(shí)現(xiàn)作物一次性施肥，從而簡化施肥技術(shù)，降低施肥勞動(dòng)強(qiáng)度，減少施肥成本，提高肥料利用率，并減輕養(yǎng)分流失造成的環(huán)境污染。水稻播種前施用的底肥為每667 m2施紅四方控釋肥25 kg（氮、磷、鉀含量28∶6∶6）+緩釋尿素17.5 kg（氮含量為43%），播種后的苗肥及孕穗肥不再使用常規(guī)尿素及復(fù)合肥，主要通過水肥一體化進(jìn)行操作。水肥一體化主要是通過肥水，如沼液或液體肥（尿素硝酸銨溶液，N含量32%），與灌溉水充分混合自然流入田間，以補(bǔ)充中后期氮肥的供用，不再用人工施肥或機(jī)械拋肥，減少了水稻生長季的施肥次數(shù)，減少田間踩踏或碾壓。整體肥效較好且均勻一致，水稻長勢良好，較好地滿足了水稻生長需求。

1.2現(xiàn)代化的機(jī)械應(yīng)用及自主研制農(nóng)機(jī)裝備

上海農(nóng)場農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，僅有少量需要進(jìn)行人工輔助。為進(jìn)一步減少勞務(wù)用工、節(jié)本增效，推廣應(yīng)用無人機(jī)飛防代替原來的自走式噴藥機(jī)，對原有的機(jī)械裝備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，研發(fā)水田開溝機(jī)、水田筑埂機(jī)、種肥裝卸一體機(jī)等新裝備，減少了勞動(dòng)生產(chǎn)力的投入，提高了生產(chǎn)效率。

1.2.1示范全程使用無人機(jī)飛防

無人機(jī)飛防省時(shí)、省藥、精準(zhǔn)高效，已成為上海農(nóng)場農(nóng)業(yè)植保的主流趨勢。示范全程使用無人機(jī)飛防對水稻全生育期內(nèi)的病蟲草害進(jìn)行防治，防治效果好，與自走式噴藥機(jī)防效相近。無人機(jī)飛防可操作性強(qiáng)、飛行軌跡穩(wěn)定、霧化均勻、不碾壓作物、不破壞土壤物理結(jié)構(gòu)、不影響作物后期生長且飛防后無需人工筑田埂。根據(jù)2021年9月中旬對飛虱數(shù)量的調(diào)查可看出，示范區(qū)內(nèi)蟲量為18萬～36萬頭/667 m2，常規(guī)條田超過60萬頭/667 m2，分析原因可能是無人機(jī)飛防有下旋的風(fēng)力，藥液能夠直達(dá)水稻基部;飛防不碾壓田埂，田間保水性能較好，更利于提高對飛虱的防效。此外，無人機(jī)飛防還避免了機(jī)械作業(yè)對水稻的碾壓（平均碾壓面積4%～5%）。因此，示范區(qū)內(nèi)全程無人機(jī)飛防不僅對病蟲草害有較好的防治效果，還能提高稻田土地利用率，有增產(chǎn)的優(yōu)勢。

1.2.2推廣應(yīng)用自主研發(fā)的農(nóng)機(jī)裝備

根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需求，在現(xiàn)有農(nóng)機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主改進(jìn)或研發(fā)，如種肥裝卸一體機(jī)、水田壓溝機(jī)、水田動(dòng)力筑埂機(jī)和寬幅水稻側(cè)深施肥直播機(jī)等機(jī)械，在智慧農(nóng)場建設(shè)的示范區(qū)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，有效解決了勞務(wù)用工短缺、老齡化及工作效率低的問題。

1.3智能灌溉系統(tǒng)

示范區(qū)內(nèi)配套智能灌溉管理設(shè)備，利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)將整套設(shè)備系統(tǒng)與集成管理平臺(tái)智能終端相連，通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)智能進(jìn)排水、實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)田土壤環(huán)境及干渠水情、記錄灌溉歷史，形成數(shù)據(jù)積累。目前，示范區(qū)內(nèi)66.67 hm2農(nóng)田實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制進(jìn)排水，完全取代人工進(jìn)排水，實(shí)現(xiàn)每667 m2節(jié)水20%、節(jié)電7.2 kW·h，省時(shí)、省力、省本，效果較為顯著，實(shí)現(xiàn)了人均管水面積的躍變。

1.4示范應(yīng)用信息化技術(shù)

鑒于當(dāng)下糧食作物生產(chǎn)成本逐年上升、從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工人老齡化嚴(yán)重及一線專業(yè)技術(shù)人員不足等因素的疊加影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下的問題日益突出，在植保無人機(jī)、智能灌溉系統(tǒng)、水肥一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺(tái)、智能農(nóng)機(jī)、智能精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)形成一套易操作、高效率、可復(fù)制推廣的智慧農(nóng)場生產(chǎn)模式勢在必行。

1.4.1農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測及無人駕駛系統(tǒng)

上海農(nóng)場中現(xiàn)有定位監(jiān)測系統(tǒng)10套，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)機(jī)位置、行走軌跡、作業(yè)時(shí)長、作業(yè)面積、重/漏情況及作業(yè)深度等;作業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測10套，主要用于監(jiān)測收割機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和秸稈粉碎拋撒質(zhì)量。

在紐荷蘭T1554及T1804拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上，集成聯(lián)適無人駕駛系統(tǒng)，技術(shù)人員在作業(yè)前將機(jī)車駕駛至田間，操縱機(jī)車按照預(yù)先設(shè)定地塊和作業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行作業(yè)，車輛作業(yè)全程可不需要人參與，自動(dòng)化地完成路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、自動(dòng)調(diào)頭及農(nóng)具自動(dòng)控制等動(dòng)作。技術(shù)人員對多臺(tái)設(shè)備完成作業(yè)設(shè)定后則離開地塊，通過后臺(tái)監(jiān)管，作業(yè)完成后再由技術(shù)人員駕駛機(jī)車回到機(jī)隊(duì)，該作業(yè)模式可實(shí)現(xiàn)一人操作多臺(tái)機(jī)車作業(yè)，大大解放了勞動(dòng)力。2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1

1.4.2智能精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)

1）衛(wèi)星遙感和氣象數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了公里級(jí)別格點(diǎn)的氣象預(yù)警信息、積溫積雨和作物環(huán)境預(yù)警信息的檢測與發(fā)布;構(gòu)建了精準(zhǔn)化、屬地化氣象平臺(tái)，可實(shí)時(shí)提供示范區(qū)域5 km×5 km范圍內(nèi)的氣象預(yù)報(bào);遙感自動(dòng)分析與解析作物全生育期的長勢，遙感影像分辨率為3 m級(jí)，基于遙感的持續(xù)診斷實(shí)現(xiàn)巡田的精準(zhǔn)化管理及可視化展示。2）建立環(huán)境信息采集系統(tǒng)。在大田內(nèi)布設(shè)空氣溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、水位傳感器及攝像機(jī)等信息采集設(shè)備及傳感器節(jié)點(diǎn)等傳輸設(shè)備，以獲取大田環(huán)境數(shù)據(jù)。3）建立無人機(jī)巡田系統(tǒng)。通過無人機(jī)“巡查”田間土地平整、作物長勢等情況，進(jìn)行科學(xué)生產(chǎn)調(diào)度和決策。4）農(nóng)情信息采集系統(tǒng)?；谑謾C(jī)、平板電腦等移動(dòng)智能終端的農(nóng)情信息采集APP，在田間即可錄入株高、葉齡、苗數(shù)及病蟲草害發(fā)生動(dòng)態(tài)等農(nóng)情信息。

1.4.3搭建農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺(tái)

利用現(xiàn)代信息技術(shù)對作物、環(huán)境和全過程進(jìn)行可視化表達(dá)、數(shù)字化設(shè)計(jì)、信息化管理。1）通過農(nóng)田精準(zhǔn)氣象與遙感監(jiān)測，對農(nóng)田種植大數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀分析與積累;2）建設(shè)智慧農(nóng)機(jī)管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)智慧調(diào)度、農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、農(nóng)機(jī)深松與深翻作業(yè)質(zhì)量自動(dòng)分析、農(nóng)機(jī)作業(yè)報(bào)表核算與作業(yè)量統(tǒng)計(jì)、農(nóng)機(jī)作業(yè)地塊識(shí)別及作業(yè)重/漏情況自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)耕、種、管、收農(nóng)機(jī)作業(yè)全過程覆蓋;3）積累農(nóng)田大數(shù)據(jù)，因地制宜地提供農(nóng)事操作建議，提高管理效率，降低生產(chǎn)成本，減少種植風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植管控。

2成效

在智慧農(nóng)場應(yīng)用“數(shù)字化+智能化”技術(shù)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境信息的定期獲取，生成動(dòng)態(tài)空間信息系統(tǒng)，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞務(wù)用工多、土地利用率低等問題，降低生產(chǎn)成本，改善生態(tài)環(huán)境，為農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量提升和品質(zhì)提高提供了保障。

2.1提高土地利用率，增產(chǎn)明顯

在水稻播種后，示范區(qū)內(nèi)全程無機(jī)車拋肥、施藥，避免了機(jī)械作業(yè)對水稻造成的碾壓和蹭刮傷害，經(jīng)多次行走后田間自走式噴藥機(jī)的一條輪胎印寬度約0.5 m，經(jīng)測算碾壓面積達(dá)4%～5%。2020年，平均667 m2產(chǎn)量智慧農(nóng)場示范區(qū)為639 kg，常規(guī)田為601 kg，增產(chǎn)38 kg，較為顯著。

2.2降低成本，解決用工難的問題

糧食作物生產(chǎn)成本逐年上升、從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工人老齡化嚴(yán)重、勞務(wù)用工短缺及效率低下等問題直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度。與常規(guī)田相比，示范區(qū)施肥次數(shù)減少4次，每667 m2節(jié)省機(jī)械拋肥費(fèi)用12元，減少了拋肥時(shí)的人工輔助，節(jié)約了生產(chǎn)成本。常規(guī)條田施肥、打藥會(huì)對田埂造成破壞，需要人工及時(shí)修筑，以免竄水竄肥，而示范區(qū)不需要人工修筑田埂，減少了筑埂的勞務(wù)用工。水稻收獲前，常規(guī)田需清理車輪印內(nèi)的積水，示范區(qū)不需要，可減少清理水的勞務(wù)用工。

2.3不破壞田塊土壤結(jié)構(gòu)，提高了下茬作物的播種質(zhì)量

因常規(guī)條田的施肥和打藥極易形成較寬、較深的輪胎印，且其內(nèi)有較多的積水，不易排出，需要人工清理，否則會(huì)影響麥子的播種質(zhì)量，還會(huì)對下茬作物出苗不利，即使出苗也會(huì)僵苗不發(fā)，嚴(yán)重影響下茬作物的產(chǎn)量。而示范區(qū)無機(jī)車碾壓，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，不需要清理積水，且整塊田的土壤墑情一致，秋播質(zhì)量有很大提高。

2.4飛防作業(yè)時(shí)間靈活，防效穩(wěn)定

無人機(jī)飛防因有航線設(shè)定，晚上也可進(jìn)行噴藥，而自走式的機(jī)械夜晚不能進(jìn)行噴藥。從示范區(qū)病蟲草害的防治效果看，在2021年稻縱卷葉螟、褐飛虱、葉瘟大發(fā)生的情況下，無人機(jī)的防治效果能夠堪比自走式噴藥機(jī)，且飛防不碾壓田埂，田間保水性能較好，更利于提高藥效。

3存在的問題

3.1水肥一體化技術(shù)不夠精量化

目前，沼液排放方式較為粗放，由于每批次的沼液養(yǎng)分含量差異較大，難以精準(zhǔn)確定排放量，淌灌沼液量與水稻所需養(yǎng)分難以精確匹配，沼液養(yǎng)分含量的不同及沼液量等因素直接影響大田生產(chǎn)需求。在生產(chǎn)中還需補(bǔ)充液體肥料，液體肥料及緩釋尿素的價(jià)格較高，一定程度上增加了水稻肥料成本。此外，水肥一體化的智能控制裝備不夠成熟，不能精準(zhǔn)地根據(jù)沼液或液體肥的濃度控制與農(nóng)田灌溉水的混合比例。

3.2無人機(jī)飛防漂移嚴(yán)重，除草劑使用風(fēng)險(xiǎn)大

在水稻種植季，承包戶在田埂上一般會(huì)種植黃豆，提高土地的利用率，既能增加承包戶的經(jīng)濟(jì)效益，又能有效控制旱田雜草向水田蔓延與擴(kuò)散。因無人機(jī)飛防漂移較自走式噴藥機(jī)嚴(yán)重，且無人機(jī)飛防兌水量少，使用高濃度的除草劑飛防時(shí)極易造成田埂黃豆或林帶作物死亡。

3.3無人機(jī)飛防對風(fēng)力的敏感度極大

風(fēng)力大小直接影響無人機(jī)飛防的作業(yè)效果與效率。風(fēng)力越小，防效越穩(wěn)定;風(fēng)力越大越易漏防，造成團(tuán)、片狀防效差異;一般風(fēng)力超過4級(jí)，不宜再進(jìn)行飛防。

4結(jié)語

近年來，上海農(nóng)場通過研發(fā)多功能機(jī)械、應(yīng)用高科技方式、采用智能化手段，實(shí)現(xiàn)了從會(huì)種田到“慧”種田的轉(zhuǎn)變，朝著無人農(nóng)場的方向不斷邁進(jìn)。智慧農(nóng)場的創(chuàng)建將引領(lǐng)未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，而應(yīng)用信息化技術(shù)是智慧農(nóng)場建設(shè)的必經(jīng)之路。未來應(yīng)不斷地將信息化與農(nóng)機(jī)化相融合，探索精準(zhǔn)精量播種技術(shù);利用遙感監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)變量施肥、測產(chǎn);利用農(nóng)業(yè)AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)植保精準(zhǔn)防治。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳金良，馬舒筠，陳徽岳.智慧農(nóng)場及云服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)與示范[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（19）：60-61.

[2] 陳一飛.智能農(nóng)業(yè)：“十二五”期間我國農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步前瞻[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2010，12（6）：1-4.

[3] 阮俊虎，劉天軍，馮曉春，等.數(shù)字農(nóng)業(yè)運(yùn)營管理：關(guān)鍵問題、理論方法與示范工程[J].管理世界，2020，36（8）：222-233.

[4] 鐘文晶，羅必良，謝琳.數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的國際經(jīng)驗(yàn)及其啟示[J].改革，2021（5）：64-75.

[5] 承繼成，易善楨.數(shù)字農(nóng)業(yè)：數(shù)字地球的應(yīng)用之一[J].地球信息科學(xué)，2000（1）：15-19.

[6] 李樹君，方憲法，南國良，等.數(shù)字農(nóng)業(yè)工程技術(shù)體系及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003（5）：157-160.

[7] 趙春江.對我國未來精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的思考[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2010（4）：5-8.

[8] CASSMAN K G. Ecological intensification of cereal production systems：Yield potential， soil quality， and precision agriculture[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 1999， 96（11）： 5952-5959.

[9] MULLA D J. Twenty five years of remote sensing in precision agriculture： key advances and remaining knowledge gaps[J]. Biosystems Engineering， 2013， 114（4）： 358-371.

[10] 李世發(fā)，劉元英，范立春，等.緩釋肥對水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）：38-43.

（責(zé)任編輯：劉寧寧 ?丁志祥）2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1