淺析我國精細(xì)農(nóng)業(yè)常用的一些基本理論

鄧興華

摘要：我國人多地少，面對人口日益增加的巨大壓力，對于資源的有效利用和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，因此，研究和發(fā)展適合我國國情的精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，也是機(jī)遇性的挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)引起我國農(nóng)業(yè)科技界的高度重視。本文首先介紹了國內(nèi)外“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)應(yīng)用情況，而后對精細(xì)農(nóng)業(yè)的一些基本理論進(jìn)行總結(jié)，以供參考。

關(guān)鍵詞:精細(xì)農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)全球定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)

0 引言

“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的核心指導(dǎo)思想就是要利用現(xiàn)代地球空間信息技術(shù)獲取農(nóng)田內(nèi)影響作物的生長和產(chǎn)量的各種因素的時空差異，避免因?qū)r(nóng)田的盲目投入所造成的浪費和過量施肥施藥造成的環(huán)境污染。具體而言，就是利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)對采集的農(nóng)田信息進(jìn)行空間定位；利用遙感技術(shù)獲取農(nóng)田小區(qū)內(nèi)作物生長環(huán)境、生長狀況和空間變異的大量時空變化信息；利用地理信息系統(tǒng)建立農(nóng)田土地管理、自然條件(土壤、地形、地貌、水分條件等)、作物產(chǎn)量的空間分布等的空間數(shù)據(jù)庫，并對作物苗情、病蟲害、墑情的發(fā)生發(fā)展趨勢進(jìn)行分析模擬，為分析農(nóng)田內(nèi)自然條件、資源有效利用狀況、作物產(chǎn)量的時空差異性和實施調(diào)控提供處方信息；在獲取上述信息的基礎(chǔ)上，利用作物生產(chǎn)管理輔助決策支持系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)控，合理地進(jìn)行施肥、灌溉、施藥、除草等耕作措施，以達(dá)到對田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的產(chǎn)量。精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)是運(yùn)用全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、傳感器及檢測系統(tǒng)、計算機(jī)控制器及變量執(zhí)行設(shè)備等信息技術(shù)，對大田農(nóng)作物生產(chǎn)和畜牧生產(chǎn)實施監(jiān)控，從而提高作物和畜牧產(chǎn)量和質(zhì)量，最大限度地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 國內(nèi)外“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的應(yīng)用情況

1.1 國外“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的應(yīng)用情況 在北美、歐洲和澳大利亞等地“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)主要用于土地資源的詳查及監(jiān)測，農(nóng)作物生長狀況的監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測，災(zāi)害性天氣、旱情、澇情和水情的監(jiān)測，農(nóng)作物病蟲害的監(jiān)測與精細(xì)防治和大地號農(nóng)田的優(yōu)化施肥等方面。

到了八十年代和九十年代，由于遙感技術(shù)(RS)、全球定位系統(tǒng)( GPS ) 和地理信息系統(tǒng)(GIS)的應(yīng)用， 進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測已達(dá)到更加精確的程度，所用設(shè)備的數(shù)量和精度都在提高。目前全球已有20000 臺“產(chǎn)量監(jiān)測器”投入了使用，有的就裝在收獲機(jī)械上。

目前，在一些國家“可變比率灑施機(jī)”的試用引起了人們的極大興趣。該機(jī)器的設(shè)計者試圖借助于RS、GIS和GPS等技術(shù)獲取田間信息(包括土壤參數(shù)和病蟲害情況等)，同時機(jī)器自動控制農(nóng)藥、化肥和種子的施入量。由于優(yōu)化施肥，農(nóng)場主從中可能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

另一種“可變比率灑施機(jī)”名為“實時閉循環(huán)系統(tǒng)”(Real-time closed-loop System)，其設(shè)計者是想盡可能地擺脫對3S技術(shù)的依賴，田間信息直接由安在灑施機(jī)上的探測設(shè)備獲取，并立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并自動控制農(nóng)藥、化肥和種子的施入量。這種機(jī)器保證了所測得信息與所采取措施的地點的一致性。

1.2 國內(nèi)“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的應(yīng)用情況 我國是個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件十分復(fù)雜，自然災(zāi)害頻繁，因此“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說是非常重要的。

我國利用地球資源技術(shù)衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行土壤和水文調(diào)查開始于七十年代末和八十年代初，山西、內(nèi)蒙等省(區(qū))的土壤調(diào)查和農(nóng)業(yè)區(qū)劃工作就利用了衛(wèi)星遙感資料。

1984-1986年，我國在京、津、冀地區(qū)，進(jìn)行了大規(guī)模的冬小麥衛(wèi)星遙感試驗，取得了一定成果。1985和1986年小麥產(chǎn)量預(yù)報準(zhǔn)確率分別為92％和95％。

可見，我國“精細(xì)農(nóng)業(yè)”基本上還停留在衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)和產(chǎn)量預(yù)測方面。

2 “精細(xì)農(nóng)業(yè)”的技術(shù)思想

精細(xì)農(nóng)業(yè)其核心思想是通過對農(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、土壤含水量、植物營養(yǎng)、病蟲害、雜草等)實際存在的空間和時間差異性的分析，確定影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對待，按需實施定位調(diào)控，以充分利用資源，實現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)、最合理的投入，獲得經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上的最大效益。精細(xì)農(nóng)業(yè)之所以引起全世界廣泛的關(guān)注，首先是因為它能顯著提高產(chǎn)量，提高耕地資源利用潛力和保護(hù)環(huán)境；其次，是因為精細(xì)農(nóng)業(yè)研究的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展本身的范圍，它提供的技術(shù)思想和改造客觀世界的認(rèn)識思維方式，其影響更是深遠(yuǎn)的。

3 精細(xì)農(nóng)業(yè)的技術(shù)構(gòu)成

3.1 GPS——全球定位系統(tǒng) 推動精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是在20世紀(jì)70年代末開始建立的全球定位系統(tǒng)。它是一種高精度、全天候、全球性的無線電導(dǎo)航、定位、定時系統(tǒng)，它可提供連續(xù)、定位和原子時鐘信息。

3.2 GIS——地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟、硬件的支持下，對有關(guān)空間數(shù)據(jù)按地量坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行預(yù)處理、輸入、存儲、查詢、檢索、運(yùn)算、分析、顯示、更新和提供應(yīng)用、研究，并處理各種空間實體和空間關(guān)系。它有如下特征：具有采集、管理、分析和輸出多種空間信息的能力；具有空間分析、多要素信息分析和預(yù)測預(yù)報的能力，可為宏觀決策管理服務(wù)；能實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的空間分析和動態(tài)監(jiān)測研究。將GIS用于精細(xì)農(nóng)業(yè)中，可對農(nóng)田小區(qū)的作物產(chǎn)量和各種影響因素進(jìn)行存儲、分析和管理。

3.3 RS——遙感技術(shù) 遙感技術(shù)可根據(jù)對遙感資料的解譯，獲得所研究區(qū)域內(nèi)有關(guān)信息，具有宏觀、快速、動態(tài)等特點。

不同含水量的土壤具有不同的地表溫度，因而具有不同的熱紅外特性和熱輻射特性。農(nóng)作物不同生長期和不同生長情況均有不同的光譜反射曲線，所以結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)抽樣調(diào)查的資料和GIS數(shù)據(jù)庫，并依靠有關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，利用RS可獲得土壤含水量、作物長勢和產(chǎn)量等重要資料。

3.4 DSS——決策支持系統(tǒng) 決策支持系統(tǒng)是根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和專家在長期生產(chǎn)中獲得的知識，建立作物栽培與經(jīng)濟(jì)分析模型、空間分析與時間序列模型、統(tǒng)計趨勢分析與預(yù)測模型和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，利用GPS、RS獲得的各種信息及GIS建立的數(shù)據(jù)庫，針對小區(qū)內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境和生長條件時間和空間上存在的差異作出分布式投入決策，即生成田間投入處方圖。決策支持系統(tǒng)DSS綜合了專家系統(tǒng)ES(expert system)和模擬系統(tǒng)SS(simulation system)，因而能為精細(xì)農(nóng)業(yè)的實施提供正確的決策支持。

3.5 ST——信息采集與處理技術(shù) 信息采集與處理技術(shù)是獲取各種信息的重要手段。精細(xì)農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)首先在于認(rèn)識農(nóng)田小區(qū)內(nèi)農(nóng)作物生長環(huán)境和生物情況的差異而這必須依賴于各種先進(jìn)的傳感器。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種非接觸快速測量傳感器和智能化傳感器為精細(xì)農(nóng)業(yè)提供了全新的技術(shù)支持。

3.6 IAM——智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械 智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械IAM是實現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要設(shè)備。智能化農(nóng)一機(jī)械首先必須利用DGPS技術(shù)實現(xiàn)精確定位，然后必須根據(jù)田間處方圖生成的智能控制軟件，針對農(nóng)田小區(qū)存在的差異自動執(zhí)行分布式投入決策。

我國人多地少，面對人口日益增加的巨大壓力，對于資源的有效利用和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，因此，研究和發(fā)展適合我國國情的精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)，推動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，也是機(jī)遇性的挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)引起我國農(nóng)業(yè)科技界的高度重視。