智慧農(nóng)場技術在上海農(nóng)場的集成應用與示范

姜忠旭，陳芳芳，許更文，袁婷婷，馬里超，沈麗麗

（光明食品集團上海農(nóng)場有限公司種植業(yè)中心，江蘇大豐 224151）

智能化、信息化、機械化的推進是農(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，能夠加快促進農(nóng)業(yè)標準化生產(chǎn)的達成。運用信息化技術能夠提高農(nóng)場的建設質(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)濟收入，促使農(nóng)場在人們的生活中發(fā)揮出其獨有的特點[1]。智能農(nóng)業(yè)強調(diào)的是通過在機器上運用各類電子技術和控制技術，提高機器裝備對農(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，進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學決策和數(shù)字化管理[3-7]；精準農(nóng)業(yè)強調(diào)的是基于農(nóng)業(yè)動植物和空間環(huán)境等信息的變化而采取的精細投入管理[8-10]。

上海農(nóng)場致力于打造集農(nóng)業(yè)機械化、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)場的推廣與應用可提高生產(chǎn)效率，減少農(nóng)業(yè)對勞務用工的依賴，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，還能資源化利用沼液，減少化肥的投入，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向種植標準化、精量化方向發(fā)展。闡述上海農(nóng)場在智慧農(nóng)場建設過程中“緩控釋肥+沼液或液體肥”的水肥一體化應用、現(xiàn)代化機械的研制及應用、智能化灌溉系統(tǒng)、農(nóng)機實時監(jiān)測系統(tǒng)、智能精準監(jiān)測系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺的應用等。

1 技術應用

1.1 緩控釋肥及水肥一體化技術

緩釋肥料能減緩養(yǎng)分釋放速率，施用緩釋肥能實現(xiàn)作物一次性施肥，從而簡化施肥技術，降低施肥勞動強度，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)尿素及復合肥，主要通過水肥一體化進行操作。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，以補充中后期氮肥的供用，不再用人工施肥或機械拋肥，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)代化的機械應用及自主研制農(nóng)機裝備

上海農(nóng)場農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已實現(xiàn)全程機械化，僅有少量需要進行人工輔助。為進一步減少勞務用工、節(jié)本增效，推廣應用無人機飛防代替原來的自走式噴藥機，對原有的機械裝備進行優(yōu)化改進，研發(fā)水田開溝機、水田筑埂機、種肥裝卸一體機等新裝備，減少了勞動生產(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飛防

無人機飛防省時、省藥、精準高效，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飛防對水稻全生育期內(nèi)的病蟲草害進行防治，防治效果好，與自走式噴藥機防效相近。無人機飛防可操作性強、飛行軌跡穩(wěn)定、霧化均勻、不碾壓作物、不破壞土壤物理結構、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飛防有下旋的風力，藥液能夠直達水稻基部；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，無人機飛防還避免了機械作業(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 推廣應用自主研發(fā)的農(nóng)機裝備

根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐的需求，在現(xiàn)有農(nóng)機設備的基礎上進行自主改進或研發(fā)，如種肥裝卸一體機、水田壓溝機、水田動力筑埂機和寬幅水稻側(cè)深施肥直播機等機械，在智慧農(nóng)場建設的示范區(qū)內(nèi)得到了廣泛的應用，有效解決了勞務用工短缺、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備，利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術將整套設備系統(tǒng)與集成管理平臺智能終端相連，通過手機遠程控制，實現(xiàn)智能進排水、實時監(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)田實現(xiàn)智能遠程控制進排水，完全取代人工進排水，實現(xiàn)每667 m2節(jié)水20%、節(jié)電7.2 kW·h，省時、省力、省本，效果較為顯著，實現(xiàn)了人均管水面積的躍變。

1.4 示范應用信息化技術

鑒于當下糧食作物生產(chǎn)成本逐年上升、從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工人老齡化嚴重及一線專業(yè)技術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、智能灌溉系統(tǒng)、水肥一體化技術的基礎上，結合農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺、智能農(nóng)機、智能精準監(jiān)測系統(tǒng)形成一套易操作、高效率、可復制推廣的智慧農(nóng)場生產(chǎn)模式勢在必行。

1.4.1 農(nóng)機實時監(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，主要用于實時監(jiān)測農(nóng)機位置、行走軌跡、作業(yè)時長、作業(yè)面積、重/漏情況及作業(yè)深度等；作業(yè)現(xiàn)場實時圖像監(jiān)測10套，主要用于監(jiān)測收割機的作業(yè)質(zhì)量和秸稈粉碎拋撒質(zhì)量。

在紐荷蘭T1554 及T1804 拖拉機的基礎上，集成聯(lián)適無人駕駛系統(tǒng)，技術人員在作業(yè)前將機車駕駛至田間，操縱機車按照預先設定地塊和作業(yè)項目進行作業(yè)，車輛作業(yè)全程可不需要人參與，自動化地完成路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、自動調(diào)頭及農(nóng)具自動控制等動作。技術人員對多臺設備完成作業(yè)設定后則離開地塊，通過后臺監(jiān)管，作業(yè)完成后再由技術人員駕駛機車回到機隊，該作業(yè)模式可實現(xiàn)一人操作多臺機車作業(yè)，大大解放了勞動力。

1.4.2 智能精準監(jiān)測系統(tǒng)

1）衛(wèi)星遙感和氣象數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了公里級別格點的氣象預警信息、積溫積雨和作物環(huán)境預警信息的檢測與發(fā)布；構建了精準化、屬地化氣象平臺，可實時提供示范區(qū)域5 km×5 km 范圍內(nèi)的氣象預報；遙感自動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，基于遙感的持續(xù)診斷實現(xiàn)巡田的精準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等信息采集設備及傳感器節(jié)點等傳輸設備，以獲取大田環(huán)境數(shù)據(jù)。3）建立無人機巡田系統(tǒng)。通過無人機“巡查”田間土地平整、作物長勢等情況，進行科學生產(chǎn)調(diào)度和決策。4）農(nóng)情信息采集系統(tǒng)?；谑謾C、平板電腦等移動智能終端的農(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)生動態(tài)等農(nóng)情信息。

1.4.3 搭建農(nóng)業(yè)數(shù)字化平臺

利用現(xiàn)代信息技術對作物、環(huán)境和全過程進行可視化表達、數(shù)字化設計、信息化管理。1）通過農(nóng)田精準氣象與遙感監(jiān)測，對農(nóng)田種植大數(shù)據(jù)進行宏觀分析與積累；2）建設智慧農(nóng)機管控平臺，實現(xiàn)農(nóng)機智慧調(diào)度、農(nóng)機作業(yè)實時動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)機深松與深翻作業(yè)質(zhì)量自動分析、農(nóng)機作業(yè)報表核算與作業(yè)量統(tǒng)計、農(nóng)機作業(yè)地塊識別及作業(yè)重/漏情況自動分析，實現(xiàn)耕、種、管、收農(nóng)機作業(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，減少種植風險，實現(xiàn)標準化種植管控。

2 成效

在智慧農(nóng)場應用“數(shù)字化+智能化”技術系統(tǒng)，以實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境信息的定期獲取，生成動態(tài)空間信息系統(tǒng)，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中勞務用工多、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)全程無機車拋肥、施藥，避免了機械作業(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的一條輪胎印寬度約0.5 m，經(jīng)測算碾壓面積達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)的工人老齡化嚴重、勞務用工短缺及效率低下等問題直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進度。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)省機械拋肥費用12 元，減少了拋肥時的人工輔助，節(jié)約了生產(chǎn)成本。常規(guī)條田施肥、打藥會對田埂造成破壞，需要人工及時修筑，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用工。

2.3 不破壞田塊土壤結構，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，否則會影響麥子的播種質(zhì)量，還會對下茬作物出苗不利，即使出苗也會僵苗不發(fā)，嚴重影響下茬作物的產(chǎn)量。而示范區(qū)無機車碾壓，不破壞土壤結構，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)時間靈活，防效穩(wěn)定

無人機飛防因有航線設定，晚上也可進行噴藥，而自走式的機械夜晚不能進行噴藥。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，無人機的防治效果能夠堪比自走式噴藥機，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)中還需補充液體肥料，液體肥料及緩釋尿素的價格較高，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 無人機飛防漂移嚴重，除草劑使用風險大

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

3.3 無人機飛防對風力的敏感度極大

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

4 結語

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