精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 提高作物產(chǎn)量

肖優(yōu)明

現(xiàn)如今，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對粗放式耕作方式的逐步改造，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)運而生。它屬于農(nóng)業(yè)管理的范疇，是一個與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相對的概念。這種新型的耕作方式不講究所謂的經(jīng)驗積累，采用的是高新科技，要求在生產(chǎn)和資源利用上做到“精”，管理發(fā)展上堅持“準(zhǔn)”。利用繪圖工具和數(shù)據(jù)分析軟件，全方位觀察和監(jiān)測目標(biāo)領(lǐng)域內(nèi)農(nóng)作物的生長和變異狀況。在不增加勞動力的情況下，對農(nóng)田進行定制化耕作。電腦系統(tǒng)能將每一株植物的實時數(shù)據(jù)分析成像，在帶來農(nóng)作物產(chǎn)量攀升的同時，還能減少資源浪費。

10項尖端技術(shù)引領(lǐng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。自從20世紀(jì)90年代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域引入該系統(tǒng)以來，操作人員和生產(chǎn)商通過多種不同方式將其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機結(jié)合起來，使田間工作變得更加簡便精確。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包括中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國全球定位系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)和歐洲伽利略系統(tǒng)，它們是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認(rèn)定的供應(yīng)商。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械控制中的應(yīng)用主要包括變量施肥播種機、聯(lián)合收割機和無人駕駛拖拉機等，還可用于精準(zhǔn)噴藥和精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)等。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可實現(xiàn)農(nóng)田信息的數(shù)字化和可視化管理應(yīng)用。技術(shù)人員利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)手持機，獲得農(nóng)田的地理位置信息，快速、高效、準(zhǔn)確地量算出作業(yè)面積等參數(shù)。然后與田間的各種信息結(jié)合，形成肥力分布圖、病蟲害分布圖等專題圖和處方圖，用于農(nóng)作物科學(xué)施肥、病蟲害防治和估產(chǎn)等。

移動設(shè)備。專家指出，如果沒有移動設(shè)備的發(fā)展，當(dāng)今世界將完全是另一番景象。移動設(shè)備已經(jīng)延伸發(fā)展出包括智能手機和平板電腦在內(nèi)的多個品種，總量達到72.5億部，比全球約72億的人口總數(shù)還要高。2016年，大多數(shù)涉足移動設(shè)備市場的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)商把大部分精力用于擴展這些產(chǎn)品的功能上。他們在將信息提供給種植者的過程中尊崇“20分鐘法則”，即用戶在收到數(shù)據(jù)后20分鐘內(nèi)，如果無法將技術(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到可以用于生產(chǎn)的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，這款產(chǎn)品很可能就會變得無人問津。

機器人技術(shù)。農(nóng)業(yè)機器人承擔(dān)多項重任，例如種植大棚作物和修剪葡萄園等，取得了不同程度的成功。遠程控制技術(shù)最大限度地推動了自動設(shè)備的發(fā)展，例如可以連接任何拖拉機的谷物車系統(tǒng)，能夠自動地在大田中以一定的安全距離跟隨聯(lián)合收割機前進。再如一種新開發(fā)的引領(lǐng)- 跟隨技術(shù)，通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號和無線電技術(shù)連接兩臺機器，由一個駕駛員進行控制。還有移動農(nóng)業(yè)機器人集群，具有質(zhì)量輕、節(jié)能、高度靈活、云端控制等特點。操作員只需要在大田外面，通過平板電腦的APP來進行管理。它們可以不停工作，而且維護簡便，是農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展方向。

精準(zhǔn)灌溉。干旱、地下水下降以及水配給等問題導(dǎo)致的水資源短缺，使得灌溉技術(shù)的創(chuàng)新變得更加重要。美國科學(xué)家最新的一項研究成果是新型遙感勘測系統(tǒng)，種植者可以利用它遠程監(jiān)視并控制灌溉系統(tǒng)的幾乎每個方面，包括節(jié)約水資源、時間和能源以及降低對設(shè)備的磨損。未來還可以將土壤濕度監(jiān)測、氣象數(shù)據(jù)和變量灌溉整合到這個系統(tǒng)。精密移動滴灌系統(tǒng)是另一項重大的發(fā)明，噴施線通過中間樞紐或者線性移動灌溉系統(tǒng)在大田中被推動前進，整合的噴施器可以噴出統(tǒng)一的形狀，均勻覆蓋整個灌溉目標(biāo)區(qū)域，直接將水噴到土壤表面，消除了蒸發(fā)和刮風(fēng)引起的漂移等因素，使更多的水到達作物根部。

物聯(lián)網(wǎng)。它的簡單定義就是通過一個進入互聯(lián)網(wǎng)（或者互相連接）的開關(guān)連接所有設(shè)備，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中互相連接的部件包括大田探測器和用于大田監(jiān)測的空中/衛(wèi)星圖像，其中大田探測器用于記錄實時氣象、土壤濕度以及溫度數(shù)據(jù)。它們的交流可應(yīng)用于調(diào)度程序、銷售互動工具以及其他的商業(yè)管理。最近，一些農(nóng)業(yè)創(chuàng)業(yè)公司和部件提供商正在用低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)替代或者補充無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，旨在將小容量數(shù)據(jù)在長距離范圍中進行內(nèi)部傳輸。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)能使設(shè)備溝通時耗能較小，電池壽命更長，具有極大的成本優(yōu)勢。

無線感應(yīng)器。它們在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中用途廣泛，可采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)、土壤緊實程度、土壤肥力、環(huán)境溫度、葉片面積指數(shù)、作物水分狀態(tài)、當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)、病蟲草害感染等信息。特別是土壤濕度和降雨感應(yīng)器，可能是迄今為止水資源管理方面最廣泛使用的先進技術(shù)。美國水資源枯竭和對水資源使用法規(guī)的日趨嚴(yán)格，進一步推動這類感應(yīng)器的發(fā)展。在加利福尼亞州，越來越多的種植者使用土壤濕度和降雨感應(yīng)器，幫助進行灌溉規(guī)劃。另外，車載活動式感應(yīng)器能夠?qū)崟r提供作物健康情況，也變得愈加重要。

變量播種技術(shù)。種植者很關(guān)注影響種子生長的因素，希望通過各種方法提升產(chǎn)能。與變量施肥略有不同，變量播種需要依賴種植者獲取精確數(shù)據(jù)的能力，對種子本身有所了解。美國早在20世紀(jì) 90年代中期就開始使用，如今實施該技術(shù)的種植區(qū)域仍然只有5%～10%。但可喜的是種植者收集數(shù)據(jù)用于變量播種的能力取得長足進展，使用這項實用技術(shù)的人數(shù)有望增加。

氣象模型。對農(nóng)業(yè)而言，也許沒有像氣象這種既重要而又完全無法預(yù)測的變量。如果擁有高級的氣象模型，開發(fā)的許多重要技術(shù)將變得更加有價值。美國創(chuàng)建的一種氣象模型，擴展到水利用、土壤性狀以及作物生長等其他領(lǐng)域。例如，美國北部平原一個馬鈴薯種植者發(fā)現(xiàn)，在某個特定溫度下收獲作物可以使其質(zhì)量和完整性保持最佳狀態(tài)。他以前要到大田里靠手動探測器探測土壤溫度，然后再讓收割設(shè)備來工作。但是現(xiàn)在使用這種氣象模型后，可以遠程獲得土壤數(shù)據(jù)，收割的效率比以前高出許多。

氮模型。盡管從20世紀(jì)90年代中期起就開始使用變量技術(shù)施肥，然而氮周期的復(fù)雜性以及如何保持其恒定性使得對氮的管理非常困難。美國2014年推出氮模型Adapt-N，已經(jīng)成為合理使用氮的重要依據(jù)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，環(huán)保壓力會越來越重。大部分種植者想通過簡單的方法來解決這些問題，這就是Adapt-N和其他氮模型的重要意義所在。

標(biāo)準(zhǔn)化。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求不同生產(chǎn)商提供的設(shè)備產(chǎn)品能進行兼容，變得易于上手使用，為此制定了ISOBUS標(biāo)準(zhǔn)。美國8年前成立了由170多家公司、聯(lián)合體和協(xié)會組成的農(nóng)業(yè)行業(yè)電子設(shè)備基金會，試圖通過積極合作使這個標(biāo)準(zhǔn)更好地發(fā)揮作用。

實踐綠色環(huán)保種植理念

世界人口的不斷增長，要求生產(chǎn)出越來越多的糧食。然而有限的耕地面積無法滿足不斷飆漲的需求，結(jié)果引發(fā)食品安全問題，甚至有可能演變成為造成區(qū)域性乃至全球性不穩(wěn)定局勢的根源。為了更好地利用水土資源，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可避免的經(jīng)濟和安全風(fēng)險，越來越多的大型農(nóng)場采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種植法。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在節(jié)省人力和時間，減少水和化學(xué)藥劑的使用，生產(chǎn)出更健康的作物，也讓作物產(chǎn)量變得更高，所有這些都有利于實踐綠色環(huán)保種植理念。

在美國，許多初創(chuàng)公司都在開發(fā)能夠幫助種植者精耕細作的新軟件、傳感器設(shè)備和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫等。著名的孟山都、約翰迪爾、拜耳、陶氏和杜邦等大公司也都投資入股，積極參與，許多美國大學(xué)開設(shè)了這一主題的相關(guān)課程。

美國宇航局支持高光譜遙感在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，1999年發(fā)射的地球軌道一號BO一1高光譜衛(wèi)星共有220個波段，大氣校正儀 LAC具有 256個波段。作為新興學(xué)科，高光譜遙感已成為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)手段之一，用于遙感監(jiān)測作物葉面積指數(shù)、生物量和葉綠素含量，監(jiān)測作物養(yǎng)分及水分狀況，對農(nóng)作物長勢監(jiān)測和估產(chǎn)。

為了進一步推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，英國哈珀亞當(dāng)斯大學(xué)的一個研發(fā)團隊創(chuàng)建全了全球第一家“無人農(nóng)場”，在沒有任何人進入農(nóng)田的情況下由機械自動完成從翻地、播種、噴灑、灌溉直至收獲的全部流程。他們開發(fā)的自動拖拉機由種植者在控制室操作，能夠按照預(yù)先設(shè)定好的程序，在無人駕駛的情況下進行各項工作。要了解作物生長情況，不需要種植者親自去農(nóng)田觀察，全部利用無人機監(jiān)控，進行空中評估。

研發(fā)團隊指出，農(nóng)業(yè)機械近年來越來越大型化，工作效率一直在提高。然而這些大型機械也存在不少問題，例如，無法實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，造成土壤“板結(jié)”，導(dǎo)致土壤肥沃度降低，妨礙植物生長。而多種小型自動化機械進入耕地，可減少土壤板結(jié)度。自動化將創(chuàng)造一個可持續(xù)系統(tǒng)，促進高分辨率精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，細到對不同的農(nóng)田甚至可能是某一株作物，都能加以區(qū)別對待。優(yōu)化農(nóng)田耕種不但能夠提升土地整體質(zhì)量，而且可以大大降低生產(chǎn)成本。研發(fā)團隊對“無人農(nóng)場”充滿信心，認(rèn)為它代表了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的未來，對現(xiàn)行農(nóng)業(yè)模式產(chǎn)生革命性的影響。

盡管精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)優(yōu)勢明顯，可是推廣起來并非易事。究其原因，一是不少技術(shù)開發(fā)商和電腦硬件制造商對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)認(rèn)識不到位，采取謹(jǐn)慎觀望的態(tài)度。二是這種高效率的生產(chǎn)模式?jīng)]有被種植者們普遍接受，主要是先進設(shè)備成本太高，要把最新的農(nóng)業(yè)技術(shù)擴展到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，需要數(shù)額巨大的經(jīng)費，除非是農(nóng)業(yè)集團，否則種植者個人難以承擔(dān)日常開銷。

對第三世界國家從事小規(guī)模農(nóng)耕的種植者來說，運用高端科學(xué)技術(shù)做出種植、收獲、灌溉、施肥和打農(nóng)藥等相應(yīng)的耕作決策，或許還是一個有些遙遠的未來，但是操作簡便并且價格便宜的技術(shù)肯定會受到歡迎。像悉尼大學(xué)科學(xué)家日前推出的一種精簡且低成本的監(jiān)控系統(tǒng)，僅僅依靠太陽能和手機便能帶來不少種植便利，因此在印度尼西亞成功地投入生產(chǎn)實踐。低成本使一些年長的種植者免去了后顧之憂，敢于嘗試新技術(shù)，與此同時也培養(yǎng)了后代依靠科技進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的意識。

編輯：成韻 chengyunpipi@126.com