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“精細農(nóng)業(yè)”的實踐與農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新
21世紀，人類將逐步進入知識經(jīng)濟的時代，迅速發(fā)展與普及的信息技術(shù)將推動人們在科學(xué)利用資源潛力，發(fā)展節(jié)本增效生產(chǎn)方式，改善和保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)基于信息和知識的生產(chǎn)過程管理決策方面，突破許多傳統(tǒng)的模式和觀念，開拓出一批具有創(chuàng)新意義的技術(shù)體系，以支持社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在實踐當今新的農(nóng)業(yè)科技革命中，九十年代初以來在一些發(fā)達國家開展的“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的研究與實踐，就是一種具有創(chuàng)新意義的技術(shù)思想，已經(jīng)引起一些國家政府和科技決策部門的重視。美國國家研究委員會（National Research Council）為此曾專門立項組織了一批多學(xué)科著名專家對有關(guān)發(fā)展研究進行了評估，研究報告經(jīng)過由美國科學(xué)院，工程院和醫(yī)學(xué)科學(xué)院院士組成的評估組進行審議后，于1997年發(fā)表了“Precision Agriculture in the 21st Century－Geospatial and Information Technologies in Crop Management” 研究專著，全面分析了美國農(nóng)業(yè)面臨的壓力、信息技術(shù)為改善作物生產(chǎn)管理決策和改善經(jīng)濟效益提供的巨大潛力，闡明了“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系研究的發(fā)展現(xiàn)狀，面臨的問題及其支持技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究的機遇。近兩年來，我國科技界在研究推進新的農(nóng)業(yè)科技革命中，對國外這一技術(shù)體系的發(fā)展趨勢，引起了廣泛的關(guān)注。新聞媒體陸續(xù)有了一些報導(dǎo)，有的單位已開展了有關(guān)研究和試驗示范工程準備工作, 國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流與合作聯(lián)系開始活躍，國外有關(guān)產(chǎn)業(yè)界開始向我國推薦其技術(shù)產(chǎn)品，密切關(guān)注中國走向21世紀實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化中這一巨大的潛在技術(shù)市場�？梢灶A(yù)言：“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的試驗示范及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)研究，將在世紀之交成為推進我國新的農(nóng)業(yè)科技革命中的重要研究課題。信息技術(shù)革命為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展提供了新機遇，在開拓新的前沿科技應(yīng)用研究領(lǐng)域中，發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家的起跑線拉近了距離，時間上的差距在縮小。在某些重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)發(fā)展上的跨越，將是機遇性的挑戰(zhàn)。江澤民主席1998.9在安徽考察工作時的講話中指出：“現(xiàn)在一些發(fā)達國家，已經(jīng)把基因育種工程、電子信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)等高新技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”。 “精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系是農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、電子與信息科技，管理科學(xué)等多種學(xué)科知識的組裝集成，其應(yīng)用研究發(fā)展必將帶動一批直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者服務(wù)的電子信息高新技術(shù)與工程裝備技術(shù)的研究與開發(fā)，對推動我國基于知識和信息的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，具有深遠的戰(zhàn)略性意義。 “精細農(nóng)業(yè)”，即國際上已趨于共識的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”學(xué)術(shù)名詞的中譯。國內(nèi)科技界及媒體報導(dǎo)中目前尚有各種不同的譯法和對其內(nèi)涵的理解。如譯為“精準農(nóng)業(yè)”、“精確農(nóng)業(yè)”、“精細農(nóng)業(yè)”等。 實際上，目前國外關(guān)于Precision Agriculture的研究，主要是集中于利用3S空間信息技術(shù)和作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)（DSS）為基礎(chǔ)的面向大田作物生產(chǎn)的精細農(nóng)作技術(shù)，即基于信息和先進技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)田“精耕細作”技術(shù)。因此，作者認為采用“精細農(nóng)業(yè)”或“精細農(nóng)作”譯名來表達當前實踐的這一技術(shù)思想的內(nèi)涵可能更為確切。誠然，當今實踐的“精細農(nóng)作”技術(shù)思想，應(yīng)該擴展到設(shè)施園藝、集約養(yǎng)殖、產(chǎn)品加工及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的精細經(jīng)營管理方面，而形成為完整的“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系�！熬氜r(nóng)業(yè)”技術(shù)是直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者服務(wù)的技術(shù)，這一技術(shù)體系的早期研究與實踐，在發(fā)達國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農(nóng)學(xué)家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家系統(tǒng)應(yīng)用研究與實踐中進一步揭示的農(nóng)田內(nèi)小區(qū)作物產(chǎn)量和生長環(huán)境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入，或稱“處方農(nóng)作”而發(fā)展起來的；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，自七十年代中期微電子技術(shù)迅速實用化而推動的農(nóng)業(yè)機械裝備的機電一體化、智能化監(jiān)控技術(shù)，農(nóng)田信息智能化采集與處理技術(shù)研究的發(fā)展，加上八十年代各發(fā)達國家對農(nóng)業(yè)經(jīng)營中必需兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、資源、環(huán)境問題的廣泛關(guān)切和有效利用農(nóng)業(yè)投入、節(jié)約成本、提高農(nóng)業(yè)利潤、提高農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力和減少環(huán)境后果的迫切需求，為“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的形成準備了條件。海灣戰(zhàn)爭后GPS技術(shù)的民用化，使得它在許多國民經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得迅速發(fā)展，也推動了“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的廣泛實踐。使得近20年來，基于信息技術(shù)支持的作物科學(xué)、農(nóng)藝學(xué)、土壤學(xué)、植保科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)和智能化農(nóng)業(yè)裝備與田間信息采集技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化決策支持技術(shù)等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個新的精細農(nóng)作技術(shù)體系和開展了試驗實踐。迄今支持“精細農(nóng)業(yè)”示范應(yīng)用的基本技術(shù)手段已逐步研究開發(fā)出來，在示范應(yīng)用中預(yù)示了良好的發(fā)展前景。近五、六年來，已有數(shù)千計的研究成果，實驗報告見諸于國際學(xué)術(shù)會議或?qū)W術(shù)刊物；每年都舉辦專題“國際精細農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會”和有關(guān)裝備技術(shù)產(chǎn)品展示會；在萬維網(wǎng)上設(shè)置有多個專題網(wǎng)址，可以及時查詢到有關(guān)研究發(fā)展信息；美、英、澳、加等國一些著名大學(xué)設(shè)立了“精細農(nóng)業(yè)”研究中心，開設(shè)了有關(guān)博士、碩士研究方向及培訓(xùn)課程；日、韓等國近年來已加快開展研究工作，并得到了政府部門和相關(guān)企業(yè)的大力支持。國際上對這一技術(shù)體系的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有了廣泛的共識，將成為世紀之交發(fā)展農(nóng)業(yè)高新技術(shù)應(yīng)用研究的重要課題。 “精細農(nóng)作”技術(shù)思想的核心，是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控的“處方農(nóng)作”。正是信息技術(shù)革命為這一技術(shù)思想的實踐，提供了先進的技術(shù)手段。千百年來的作物生產(chǎn)，都是以地區(qū)或田塊為基礎(chǔ)，在區(qū)域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理，如利用統(tǒng)一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)藝措施，滿足于獲得區(qū)域、農(nóng)場或田塊的平均產(chǎn)量的認識水平，很少顧及對農(nóng)田的盲目投入及過量施肥施藥造成的生產(chǎn)成本增加和環(huán)境污染后果。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣模式，也是在區(qū)域尺度上進行品種選擇、土肥監(jiān)測，通過地區(qū)試驗積累的適于當?shù)氐脑耘喙芾泶胧┫蜣r(nóng)戶推薦使用。實際上，即使在同一農(nóng)田內(nèi)，地表上、下影響作物生長條件和產(chǎn)量的明顯時空分布差異性，包括農(nóng)田內(nèi)作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區(qū)發(fā)生，再逐步按時空變化蔓延的特性，早已為人們所認識。幾世紀前，農(nóng)民把土地劃分為小田塊來耕作經(jīng)營，正是受到對作物生長環(huán)境和產(chǎn)量空間變異的感性知識的影響。我國農(nóng)民幾千年來在小塊土地上經(jīng)過勞動密集的投入和積累的豐富生產(chǎn)管理經(jīng)驗而形成的“傳統(tǒng)精耕細作”技術(shù)，也可以在小塊農(nóng)田內(nèi)達到很好的經(jīng)濟產(chǎn)量，只是沒有現(xiàn)代科學(xué)方法的定量研究和現(xiàn)代工程手段的支持來形成大規(guī)模的生產(chǎn)力。本世紀初期，科學(xué)家就研究報告過作物產(chǎn)量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學(xué)C.M. Linsley和F.C.Bauer 發(fā)表文章勸告農(nóng)戶應(yīng)繪制自己田區(qū)內(nèi)的土壤酸度分布圖和
按小區(qū)需求使用石灰的建議。
之后，一直都有關(guān)于農(nóng)田土壤和收獲量空間變異性研究的報導(dǎo)。八十年代以來，關(guān)于在農(nóng)田中實施土壤肥力、植保和作物生產(chǎn)定位管理（Site Specific Crop Management）的技術(shù)研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產(chǎn)量傳感器的現(xiàn)代谷物聯(lián)合收獲機，已可以在收獲過程中自動采集以12-15m2為單元的小區(qū)產(chǎn)量與對應(yīng)地理坐標位置的數(shù)據(jù)，并進一步通過模糊聚類分析軟件自動生成農(nóng)田內(nèi)作物產(chǎn)量分布圖。多年的試驗實踐表明，田區(qū)內(nèi)小區(qū)平均產(chǎn)量的最大差異可以超過100％。由于作物生產(chǎn)還受到氣候變異的影響，經(jīng)連續(xù)多年對同一田區(qū)積累的數(shù)據(jù)表明，同一小區(qū)年際間的產(chǎn)量差異性也可能是十分明顯的。田區(qū)內(nèi)產(chǎn)量上述明顯的時空分布差異性，顯示了農(nóng)田資源利用存在的巨大潛力�，F(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實施基于知識和現(xiàn)代科技的分布式調(diào)控，達到田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經(jīng)濟產(chǎn)量成為可能。圖1是精細農(nóng)作技術(shù)思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收獲機每秒自動采集田間定位及對應(yīng)小區(qū)平均產(chǎn)量數(shù)據(jù) → 通過計算機處理，生成作物產(chǎn)量分布圖 → 根據(jù)田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數(shù)的空間數(shù)據(jù)分布圖，作物生長發(fā)育模擬模型，投入、產(chǎn)出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統(tǒng)，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖 → 根據(jù)處方圖采用不同方法與手段或相應(yīng)的處方農(nóng)業(yè)機械按小區(qū)實施目標投入和精細農(nóng)作管理。由圖1可以看出，這一技術(shù)思想是通過多次循環(huán)的實踐，來不斷改善農(nóng)田資源環(huán)境，積累知識，逐步達到作物生產(chǎn)管理精細化的過程。由于大田作物生產(chǎn)受到眾多時空變化因素的影響，利用生產(chǎn)潛力的處方措施，還需要兼顧生產(chǎn)力、經(jīng)濟性、環(huán)境后果的優(yōu)化目標，因此，其技術(shù)思想并不是單純追求技術(shù)措施的“準確”。事實上，目前應(yīng)用于獲取小區(qū)產(chǎn)量數(shù)據(jù)的空間尺度為12-15 m2, 獲取農(nóng)田土壤信息的尺度大多還只可能精細到60 m左右。在實際操作上，對獲取的空間信息還需要通過模糊聚類處理，生成技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的處方圖來指導(dǎo)處方農(nóng)作，因而還談不到“精準”的操作。而且隨著技術(shù)的不斷進步，特別是農(nóng)田土壤、作物苗情、病蟲草害信息實時快速采集技術(shù)的突破，農(nóng)業(yè)處方操作也將愈益精細化。上述精細農(nóng)作技術(shù)體系在許多發(fā)達國家的試驗和應(yīng)用表明，可以顯著提高耕地的生產(chǎn)潛力，節(jié)約良種、化肥農(nóng)藥和能源投入，獲得良好的經(jīng)濟效益，受到農(nóng)戶的歡迎。
“精細農(nóng)作”是基于田間小區(qū)作物生長條件的空間差異性，為實現(xiàn)優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)的目標而提出的。但工程支持技術(shù)的開發(fā)研究，對實現(xiàn)這一技術(shù)思想起著重要的作用。如：農(nóng)田信息采集與處方農(nóng)作的空間定位，需依靠全球衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)（DGPS）；地理空間信息管理和數(shù)據(jù)處理，需要應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)；未來大量地理空間數(shù)據(jù)的更新，需要遙感技術(shù)(RS) 的支持；作物產(chǎn)量計量與小區(qū)產(chǎn)量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產(chǎn)量和對應(yīng)地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)量圖自動生成軟件技術(shù)；田區(qū)空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術(shù)與信號處理技術(shù)；按小區(qū)實施自動處方農(nóng)作、調(diào)控目標投入需要變量處方農(nóng)業(yè)機械；制定科學(xué)的農(nóng)作處方需要農(nóng)學(xué)知識和計算機作物管理輔助決策支持系統(tǒng)的支持；作為一個能協(xié)調(diào)運作的智能化系統(tǒng)需要有高效的信息集成以及有關(guān)信息傳輸、標準化技術(shù)的研究等等。
迄今“精細農(nóng)業(yè)”在發(fā)達國家也不過五、六年的應(yīng)用試驗歷史，部分支持技術(shù)手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還比較薄弱�！熬氜r(nóng)業(yè)”應(yīng)用實踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會、經(jīng)濟條件，圍繞提高生產(chǎn)、節(jié)本增效、保護環(huán)境的目標，采用不同的技術(shù)組裝方式，逐步提高作物生產(chǎn)管理的科學(xué)化與精細化水平。其中，獲取農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量空間分布的差異性信息是實踐“精細農(nóng)作”的基礎(chǔ)。有了小區(qū)產(chǎn)量分布圖，農(nóng)戶既可以根據(jù)自己的經(jīng)驗知識，分析小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，選擇經(jīng)濟適用的對策，在現(xiàn)實可行條件下采取適當措施實施調(diào)控；也可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動調(diào)控。
“精細農(nóng)業(yè)”研究的革命性的意義是提出了一種經(jīng)營現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新技術(shù)思想并付諸于實踐，發(fā)展前景已在國際上具有廣泛的共識。1998.1美國副總統(tǒng)戈爾第一次提出要建立以1米分辯率的“數(shù)字地球”的概念，在地理信息學(xué)術(shù)界引起了廣泛的反響，它為認識世界科技進步對未來人類生存方式的影響提出了全新的觀念�！熬氜r(nóng)業(yè)”的實踐將在下一世紀開發(fā)“數(shù)字地球”的實踐中占有十分重要的地位。我國農(nóng)業(yè)仍處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的歷史過程中，全面實踐這一新技術(shù)體系的路程還很遙遠。但啟動這一新技術(shù)的示范與實踐研究，將有利與推動實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識化與信息化進程，改變傳統(tǒng)技術(shù)思想，追蹤科技進步，有利于推動基于信息和知識的農(nóng)用先進支持技術(shù)產(chǎn)品制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的發(fā)展。在“精細農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的實踐中，也將可開發(fā)出一系列適用新技術(shù)產(chǎn)品。
為支持當前的“科技興農(nóng)”服務(wù)。在發(fā)展研究中，個人認為需要重視如下問題：
加強對國際有關(guān)發(fā)展信息和經(jīng)驗的研究，提出符合國情的發(fā)展戰(zhàn)略。九十年代以來，國外許多單位已經(jīng)積累了一大批示范試驗數(shù)據(jù)與支持技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)研究成果。可以采取引進技術(shù)思想與部分裝備技術(shù)和自主創(chuàng)新相結(jié)合。找準切入點，注重其支持技術(shù)產(chǎn)品的國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。“精細農(nóng)作”的技術(shù)思想在國際科技界共識的基礎(chǔ)上有其特定的涵義，即認識農(nóng)田內(nèi)小區(qū)產(chǎn)量和影響作物生長條件的空間差異性，實施定位處方農(nóng)作。它是適應(yīng)集約化、規(guī)�；潭雀叩淖魑锷a(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標而提出的，在我國可先在規(guī)�；r(nóng)場、部分大城市郊區(qū)和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)綜合開發(fā)試驗區(qū)，力求在農(nóng)田小區(qū)的尺度上進行研究與實踐。我國廣大農(nóng)村農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，生產(chǎn)手段仍較落后，實現(xiàn)廣域的現(xiàn)代農(nóng)田精細經(jīng)營尚需有較長的發(fā)展過程，有條件的地區(qū)可先以村片、農(nóng)田的尺度上對精細農(nóng)作的技術(shù)思想進行示范試驗研究，并可著重結(jié)合發(fā)展農(nóng)村社會化服務(wù)方式創(chuàng)新中，開拓出新的服務(wù)領(lǐng)域。這樣，既可以使我國的研究實踐與國際上的研究發(fā)展趨勢相接軌，又可以探索形成具有國情特色、有利于在農(nóng)村逐步推廣先進的農(nóng)作技術(shù)體系。
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