智慧土肥內(nèi)涵、特征、技術(shù)構(gòu)成及發(fā)展前景探討

劉 彬，王勝濤，王維瑞，顏 芳，王伊琨

（北京市土肥工作站，北京 100029）

進(jìn)入21世紀(jì)，我國農(nóng)業(yè)面臨的主要問題是如何在有限的耕地資源上滿足日益增長的人口對農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量需求，在努力提高單位面積產(chǎn)量的同時(shí)還要保持對生態(tài)環(huán)境的友好。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，必須提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料可持續(xù)利用的科技管理水平，用高效精準(zhǔn)的生產(chǎn)方式替代傳統(tǒng)大水大肥的粗放生產(chǎn)管理方式。借助互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)集成，提升改良傳統(tǒng)生產(chǎn)管理方式已成為必然選擇。在此情況下有必要對土肥與信息技術(shù)的全面融合發(fā)展開展深入研究，智慧土肥就是信息技術(shù)在土肥技術(shù)推廣領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

1 智慧土肥是土肥技術(shù)發(fā)展的必然趨勢

我國當(dāng)代土肥技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：一是化肥起步應(yīng)用階段，在20世紀(jì)50—80年代初。在這一階段，生產(chǎn)上開始增加使用化肥，來達(dá)到高產(chǎn)目標(biāo)。主要是推廣尿素為代表的單質(zhì)肥，技術(shù)依托田間試驗(yàn)示范。二是平衡施肥發(fā)展階段，在20世紀(jì)80—90年代中期。這一階段開始注意提高化肥營養(yǎng)的均衡供給，根據(jù)土壤供肥能力、作物目標(biāo)產(chǎn)量及肥料效應(yīng)，進(jìn)行平衡施肥技術(shù)推廣，開始出現(xiàn)復(fù)合肥。三是20世紀(jì)90年代中期到現(xiàn)在，進(jìn)入營養(yǎng)診斷與專用肥料推廣階段，這一階段針對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整出現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)糧作、蔬菜、飼草、藥材、果樹及其他經(jīng)濟(jì)作物，采取“測、配、產(chǎn)、供、施”一條龍方式。產(chǎn)量已不是唯一指標(biāo)，開始考慮產(chǎn)品品質(zhì)、效益、生態(tài)環(huán)境等非產(chǎn)量指標(biāo)和耕地質(zhì)量保護(hù)。同時(shí)積極推動(dòng)企業(yè)開發(fā)作物配方專用肥、緩釋肥、沖施肥等肥料。這一階段還發(fā)展了快速簡便的速測技術(shù)與專家推薦咨詢系統(tǒng)。

目前在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)出現(xiàn)土肥信息化管理，通過大量引入信息技術(shù)，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、專家決策系統(tǒng)、人工智能等加強(qiáng)對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)和信息的分析挖掘，全程控制水肥使用，使土、水、肥管理更加具有科學(xué)性、可控性、穩(wěn)定性和高效率，同時(shí)提高肥料利用率、農(nóng)業(yè)資源的產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

土肥信息化大體可分為3個(gè)層次：

第一層次：專業(yè)化應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。利用觀測、化驗(yàn)等常規(guī)技術(shù)，建立田間檔案數(shù)據(jù)庫，通過技術(shù)專家對數(shù)據(jù)的處理建立施肥模型和技術(shù)方案來指導(dǎo)施肥。

第二層次：土肥數(shù)字化管理。數(shù)字土肥是指運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，包括各種遙感、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息技術(shù)等獲取大尺度、高精度的農(nóng)田生長環(huán)境和生長狀況的信息，利用作物生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)對作物生產(chǎn)進(jìn)行養(yǎng)分資源測算、施肥模型集成和肥料因地調(diào)控，促進(jìn)生產(chǎn)單元土壤和肥料資源有效、合理地利用。

第三層次：智慧土肥管理。在數(shù)字化基礎(chǔ)上，采用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)，動(dòng)態(tài)感知、分析、整合生產(chǎn)系統(tǒng)水肥光熱關(guān)鍵信息，適時(shí)對生產(chǎn)環(huán)境、生長狀態(tài)智能響應(yīng)和精準(zhǔn)調(diào)控，保障高質(zhì)優(yōu)良產(chǎn)品生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

可見，智慧土肥是當(dāng)前土肥信息化發(fā)展的最高水平，是未來土肥現(xiàn)代化發(fā)展的重要方向。

2 智慧土肥的內(nèi)涵及特征

2.1 智慧土肥的內(nèi)涵

智慧土肥是土肥技術(shù)信息化的高級階段，集互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點(diǎn)（獲取環(huán)境溫濕度、土壤水分、土壤養(yǎng)分、圖像等信息）和無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能分析、智能預(yù)警，對包括監(jiān)測預(yù)警、水肥調(diào)控、環(huán)境協(xié)調(diào)等在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)和智能決策，使水肥管理更加切合作物發(fā)展的需要，為土肥生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化服務(wù)、可視化管理以及智能化決策。

技術(shù)上將現(xiàn)有單項(xiàng)農(nóng)業(yè)與信息技術(shù)進(jìn)行綜合組裝配套，實(shí)現(xiàn)高層次的科技創(chuàng)新，而且可以方便快捷地大面積推廣應(yīng)用；產(chǎn)業(yè)發(fā)展上引導(dǎo)農(nóng)業(yè)從簡單提供農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)向提供旅游、休閑、生態(tài)和生活等多元服務(wù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 智慧土肥的特征

全面感知：采用多種類型的傳感器、音視頻采集器以及定位、射頻、條碼識(shí)別的各種傳感技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理各方面進(jìn)行監(jiān)測，感知信息及數(shù)據(jù)。

泛在連接：應(yīng)用大容量、高寬帶、快速的有線或無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、人與人所需信息的互聯(lián)、互通、互動(dòng)；利用任何電子信息設(shè)備可以隨時(shí)隨地感知、測量、捕獲、傳遞、儲(chǔ)存和分析設(shè)備、系統(tǒng)或流程信息。

數(shù)據(jù)融合：使用數(shù)據(jù)挖掘和分析工具、科學(xué)模型和功能強(qiáng)大的運(yùn)算系統(tǒng)，對全面感知形成的海量、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、多源的信息資源，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行入庫、分析、挖掘，高效整合分散在各系統(tǒng)或設(shè)備上的信息資源，實(shí)現(xiàn)最大程度地利用。

智慧決策：智慧土肥與數(shù)字土肥最大的區(qū)別在于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的自我學(xué)習(xí)和自我修正機(jī)制，即利用智能模糊識(shí)別技術(shù)對生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷和預(yù)測，形成控制指令庫。在專家系統(tǒng)外，還運(yùn)行學(xué)習(xí)系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果對專家系統(tǒng)進(jìn)行校正和改善。舉例來講，在水肥管理中，數(shù)字型系統(tǒng)只會(huì)按照預(yù)設(shè)的方案進(jìn)行水肥管理，而智慧型系統(tǒng)不再僅僅執(zhí)行專家系統(tǒng)，會(huì)通過對預(yù)設(shè)的專家系統(tǒng)與人干預(yù)行為的比較分析，進(jìn)行學(xué)習(xí)，對專家系統(tǒng)進(jìn)行修正。表現(xiàn)為隨天氣變化自動(dòng)改變控制，在陰雨條件下減少水肥，在晴熱條件下增加灌溉。

智能服務(wù)：廣義的智慧土肥不僅限于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還包括了對整個(gè)生態(tài)環(huán)境的智能響應(yīng)。如對耕地質(zhì)量監(jiān)測、耕地培肥、推薦施肥、面源污染預(yù)警、肥料投入品源頭控制等信息進(jìn)行完整利用，滿足部門資源數(shù)據(jù)共享和信息服務(wù)的要求，真正實(shí)現(xiàn)信息共享。搭建涉及土肥的各業(yè)務(wù)部門應(yīng)用系統(tǒng)和有效地集成，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。

3 智慧土肥的技術(shù)體系

3.1 感知獲取技術(shù)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的感知獲取技術(shù)指獲取不同尺度的農(nóng)業(yè)對象（動(dòng)植物、環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品）與各過程（生長、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、流通）實(shí)時(shí)信息的技術(shù)和方法。

智慧土肥是將目標(biāo)區(qū)域（主要是農(nóng)田）作為傳感節(jié)點(diǎn)，布設(shè)傳感器，監(jiān)測收集土壤的溫度、濕度、養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)以及作物的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括光照、風(fēng)速、作物長勢等，并通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息實(shí)時(shí)、精確地傳輸。

3.2 場景信息傳輸技術(shù)

通過射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息終端設(shè)備，按約定的協(xié)議，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷交蜣D(zhuǎn)換方式，把感知對象與網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。廣泛基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)傳輸，已成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要支撐，即當(dāng)前普遍采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

3.3 智能決策與控制系統(tǒng)

指基于數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)和模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理和決策控制，如時(shí)序控制、模型控制、模型+專家系統(tǒng)、智能裝備精準(zhǔn)控制系統(tǒng)等。

數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點(diǎn)匯集后，系統(tǒng)對匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后根據(jù)作物的生長特點(diǎn)、需肥規(guī)律和管理者的生產(chǎn)目標(biāo)，確定某一區(qū)域和某一地塊的施肥方案（施肥數(shù)量、施肥種類），幫助生產(chǎn)者有針對性地投放生產(chǎn)資料，從而實(shí)現(xiàn)耕地資源的合理高效利用和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理。

3.4 土肥信息服務(wù)云系統(tǒng)

指以網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組織、管理、挖掘。包括對原始感知數(shù)據(jù)和用戶與網(wǎng)絡(luò)交互過程中抽取出來的中間數(shù)據(jù)，如訪問記錄、代理服務(wù)器日志記錄、瀏覽器日志記錄、用戶簡介、注冊信息、用戶對話或交易信息、用戶提問方式等。通過用法挖掘，了解用戶網(wǎng)絡(luò)行為所具有的意義；通過用戶行為分析實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理、科學(xué)決策和人性化服務(wù)。

3.5 智能裝備

用以支撐以上各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的具備信息接收和處理能力的物理設(shè)備。智能裝備是實(shí)現(xiàn)智慧土肥的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是引領(lǐng)高端裝備與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)結(jié)合的紐帶。

感知環(huán)節(jié)有各類監(jiān)測土、肥、水實(shí)時(shí)數(shù)值的傳感器、攝像頭、射頻識(shí)別設(shè)備等；數(shù)據(jù)傳輸和處理環(huán)節(jié)有計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、無線傳輸設(shè)備；控制水肥施用環(huán)節(jié)有直接應(yīng)用于生產(chǎn)的信息控制和反饋設(shè)備，如變量噴頭、變量水泵、電磁閥門等。

4 智慧土肥發(fā)展前景

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展過程中，從農(nóng)業(yè)硬件設(shè)施到新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣落地，信息技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用?，F(xiàn)代信息技術(shù)、農(nóng)業(yè)知識(shí)和智力資源正在逐步成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長的戰(zhàn)略性資源，智慧農(nóng)業(yè)是三者結(jié)合的產(chǎn)物。智慧土肥則是智慧農(nóng)業(yè)在土肥方面的具體體現(xiàn)，將在以下幾方面發(fā)揮積極的作用。

4.1 農(nóng)田遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能服務(wù)

利用3S（GPS、RS、GIS）系統(tǒng)建立農(nóng)田自然條件、土壤狀況、作物種植時(shí)空分布等數(shù)據(jù)庫；獲取不同尺度的農(nóng)田基礎(chǔ)時(shí)空信息；在獲取上述信息的基礎(chǔ)上，對土壤墑情、作物苗情、病蟲害的發(fā)生發(fā)展趨勢進(jìn)行分析模擬和預(yù)測預(yù)報(bào)；通過網(wǎng)絡(luò)使應(yīng)用終端（手機(jī)、PC、平板電腦等）與發(fā)布服務(wù)系統(tǒng)保持信息聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與技術(shù)服務(wù)實(shí)時(shí)反饋交流，優(yōu)化指導(dǎo)農(nóng)田決策管理，并對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，精準(zhǔn)調(diào)控生產(chǎn)過程，促進(jìn)區(qū)域及田塊內(nèi)資源有效、合理地利用。

4.2 耕地質(zhì)量及其智慧管理

耕地質(zhì)量是耕地綜合產(chǎn)出能力、產(chǎn)銷效率、生態(tài)價(jià)值指標(biāo)的綜合體現(xiàn)。耕地質(zhì)量智慧管理是通過對耕地質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的評價(jià)指標(biāo)，包括土壤營養(yǎng)指標(biāo)、物理指標(biāo)、生物指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果，掌握耕地質(zhì)量變化趨勢，提前發(fā)現(xiàn)耕地質(zhì)量退化征兆、發(fā)出預(yù)警，及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)控。例如發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量下降，就要根據(jù)分析模型分析其形成原因，對下降的幅度和前景進(jìn)行預(yù)測，提出解決方案并對實(shí)施結(jié)果進(jìn)行評價(jià)。

4.3 智慧水肥管理

根據(jù)不同作物、不同生長階段以及不同環(huán)境下作物的水肥需求規(guī)律，對水肥施用進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。綜合運(yùn)用土壤自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、作物生長監(jiān)測技術(shù)、作物需肥需水建模技術(shù)、設(shè)施控制技術(shù)、智能控制設(shè)備等，對土、肥、水統(tǒng)一控制，保證作物生長的需求和資源的高效利用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、精準(zhǔn)、高效、節(jié)約管理，特別是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)中水肥的智能化精準(zhǔn)管理具有較強(qiáng)的可行性與廣闊的應(yīng)用前景。

4.4 輔助宏觀決策

建立大數(shù)據(jù)分析模型，通過對土肥監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境感知數(shù)據(jù)、行為模式數(shù)據(jù)、市場信息數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的建模分析，為宏觀管理決策者提供所需信息、評價(jià)結(jié)果；通過人機(jī)交互功能、分析比較和判斷、提供備選方案等，為正確決策提供智能支持。

決策支持系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識(shí)庫、工具庫、參考案例庫等組成，為決策者提供輔助，使農(nóng)業(yè)宏觀測報(bào)為農(nóng)業(yè)合理規(guī)劃、高效管理和可持續(xù)發(fā)展提供更為準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)。

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