智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地建設初探
——以湖南省賀家山原種場為例

方杰 邵澤毅 李建彬 譚旭生 姜守全 曾躍華 郭文高 李智謀 郭君

（湖南省賀家山原種場，湖南 常德 415123；第一作者：275688710@qq.com；*通訊作者：582655580@qq.com）

智慧農(nóng)業(yè)，智引未來。智慧農(nóng)業(yè)是將先進的技術、理念融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、經(jīng)營、管理和服務等全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，形成以數(shù)字化、精準化和智能化為基本特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展新形態(tài)，引領現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展新方向[1-2]。從國際來看，世界主要發(fā)達國家都將智慧農(nóng)業(yè)作為戰(zhàn)略重點和優(yōu)先發(fā)展方向，相繼出臺了“農(nóng)業(yè)發(fā)展4.0 框架”[2]、“農(nóng)業(yè)技術戰(zhàn)略”[3]和“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃”[4]等戰(zhàn)略，構筑新一輪農(nóng)業(yè)革命新態(tài)勢。

近年來，我國不斷對智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展作出戰(zhàn)略部署。2019 年，《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019—2025 年）》強調(diào)，要利用遙感技術、物聯(lián)網(wǎng)設施等提升水稻等農(nóng)作物生產(chǎn)管理信息化水平，建設農(nóng)業(yè)病蟲害測報監(jiān)測網(wǎng)絡和數(shù)字植保防御體系，實現(xiàn)病蟲害智能化識別和防控；提出要推動智能感知、智能分析、智能控制技術與裝備在大田種植和設施園藝上的集成應用，建設農(nóng)機智能作業(yè)、環(huán)境控制、水肥藥精準施用、精準種植、智能決策等系統(tǒng)，發(fā)展智能“車間農(nóng)業(yè)”，推進水稻等農(nóng)作物生產(chǎn)經(jīng)營智能管理。2020 年，農(nóng)業(yè)有關“十四五”規(guī)劃明確提出，“提高農(nóng)業(yè)質(zhì)量效益和競爭力，深入實施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，強化農(nóng)業(yè)科技和裝備支撐，建設智慧農(nóng)業(yè)”[5-8]，體現(xiàn)了黨中央、國務院對發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的高度重視。智慧農(nóng)業(yè)已成為鄉(xiāng)村振興的重要抓手，推動著中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設。

湖南省賀家山原種場作為國家級水稻原種場，深入貫徹落實習近平總書記關于“我們的飯碗應該主要裝中國糧”的指示要求和省委“三高四新”戰(zhàn)略，主動擔當，積極作為，打造湖南智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地，破解“藏糧于技”難題，力爭在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展上實現(xiàn)“彎道超車”，為湖南農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、中國農(nóng)業(yè)新革命和國家糧食安全等方面貢獻新力量。

1 賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地建設現(xiàn)狀

2021 年湖南省賀家山原種場與中聯(lián)智慧農(nóng)業(yè)股份有限公司共建聯(lián)創(chuàng)平臺，充分發(fā)揮雙方在智能農(nóng)機、數(shù)字模型、農(nóng)業(yè)科研、技術服務體系、農(nóng)田水利設施等方面的優(yōu)勢，高標準、高質(zhì)量建設賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地。開展“早專晚優(yōu)”“頭季+再生”“高檔優(yōu)質(zhì)一季稻”三種水稻種植模式的科研示范，率先掀起了湖南省智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）發(fā)展新途徑。如圖1 所示，基地主要依托智能農(nóng)機、數(shù)字農(nóng)藝、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術，構建天、空、地、人、農(nóng)機“五位一體”全程種植數(shù)據(jù)采集體系，從“育、種、管、收、標、品”實現(xiàn)水稻生產(chǎn)全過程機械化、數(shù)字化、智能化，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實時獲取，大數(shù)據(jù)平臺智能決策與智能農(nóng)機自動作業(yè)聯(lián)動，利用水肥藥精準施用、病蟲害綠色高效防控、作物長勢分析、產(chǎn)量預測、農(nóng)藝數(shù)據(jù)分析利用等技術手段，打造賀家山原種場智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）品牌，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)資源一張圖”“生產(chǎn)經(jīng)營一張網(wǎng)”和“管理服務一朵云”，為全國智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）標準體系搭建、核心標準研制輸出湖南經(jīng)驗與成果樹立了樣板。

1.1 主要成效

數(shù)字化水稻種植與傳統(tǒng)種植相比優(yōu)勢明顯，通過投入與產(chǎn)出分析及數(shù)字農(nóng)業(yè)科研示范基地的專家驗收數(shù)據(jù)分析，主要成效體現(xiàn)如下。

1.1.1 降本增產(chǎn)

智慧農(nóng)業(yè)水稻種植示范以農(nóng)業(yè)智慧云為依托，實現(xiàn)農(nóng)藝與農(nóng)機的深度融合，運用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等高科技手段，達到節(jié)本、增收、增效的目的。如表1 所示，相比普通水稻種植，綜合成本每hm2節(jié)約3 000余元，增產(chǎn)14.5%；稻米中鎘等重金屬含量明顯低于國家標準，稻米品質(zhì)優(yōu)、營養(yǎng)價值高、口感好，備受市場青睞，稻米附加值高，經(jīng)濟效益好。

表1 水稻數(shù)字化種植與傳統(tǒng)種植成本分析

1.1.2 節(jié)肥減藥

通過分析土壤肥力、結(jié)合作物模型制定的數(shù)字化施肥方案比依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗施肥，有效減少了氮肥用量。同時利用衛(wèi)星平地+草害分析、病蟲害風險分析及預報，改變多次除草及病蟲害風險等級防控方法，精確管理，保證防效，降低病蟲草危害風險，減少農(nóng)藥使用，降低了農(nóng)業(yè)面源污染。如表1 所示，數(shù)字化種植在水稻全生育期氮肥、磷肥和農(nóng)藥分別減少21.8%、14.3%和29.5%。

1.1.3 區(qū)塊鏈可追溯

如圖2 所示，通過建設“以追溯為中心”的區(qū)塊鏈追溯體系，覆蓋水稻從種植、加工、儲存、銷售全生產(chǎn)鏈，持續(xù)、高效對種植生產(chǎn)實現(xiàn)管控，實現(xiàn)數(shù)字大米“生產(chǎn)可記錄、信息可查詢、流向可跟蹤、質(zhì)量可追溯”。

1.2 主要經(jīng)驗

1.2.1 智能測報儀器裝備（圖3）

圖3 智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）設備體系

由中聯(lián)智慧農(nóng)業(yè)股份有限公司牽頭負責完成了核心示范基地環(huán)境監(jiān)控站、水位傳感器、土壤傳感器、自動蟲情測報燈YFCB-IV、氣象站、高清攝像頭等設備的安裝及日常的維護保養(yǎng)、監(jiān)測監(jiān)管。

1.2.2 建立多維度、低成本數(shù)據(jù)采集體系（圖3）

一是完成核心基地試驗田塊土壤養(yǎng)分、重金屬等指標檢測；二是科學規(guī)范做好全生育期各項農(nóng)事操作、農(nóng)藝性狀田間記載；三是通過無人機遙感測繪、衛(wèi)星環(huán)境等實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、建立天、空、地、人、農(nóng)機“五位一體”數(shù)據(jù)采集體系，實現(xiàn)低成本、全方位數(shù)據(jù)采集。

1.2.3 建立大數(shù)據(jù)驅(qū)動的水稻標準化種植體系

將水稻種植過程分成播種、插秧等13 個環(huán)節(jié)、49個關鍵決策點，將其分類整合至10 個算法模塊，對應23 類算法，將每個環(huán)節(jié)的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行云計算，建立、調(diào)優(yōu)和驗證土壤分析模型、作物長勢分析模型、病蟲害分析模型、農(nóng)事智能決策模型等，支持種植者在最佳時間做出最佳決策，通過數(shù)據(jù)化實現(xiàn)標準化種植。

1.2.4 建立數(shù)字農(nóng)業(yè)管家系統(tǒng)

圖4 和圖5 分別為智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）PC 端和移動端圖樣。智慧農(nóng)業(yè)管家系統(tǒng)覆蓋了智慧農(nóng)場的數(shù)據(jù)采集、智能決策、精準作業(yè)、農(nóng)場經(jīng)營4 個板塊。目前管家系統(tǒng)提供種植季規(guī)劃、農(nóng)事記錄、巡田記錄、投入產(chǎn)出記錄分析、農(nóng)機看板、農(nóng)機調(diào)度、田間設備看板等7 種農(nóng)場管理基礎功能；實現(xiàn)育秧、施肥、長勢、灌溉、病蟲、收獲、農(nóng)事日歷、農(nóng)業(yè)氣象8 個關鍵功能點的半自動決策，同時提供管理駕駛艙功能，幫助農(nóng)場主總覽農(nóng)場情況，簡單直白地指導農(nóng)戶在何時應該做何種農(nóng)事操作以及農(nóng)事操作的標準是什么，是連接水稻數(shù)字化種植體系、數(shù)字水稻模型與科研基地建設以及未來“數(shù)字大米”推廣的橋梁和工具。

圖4 智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）農(nóng)業(yè)管家系統(tǒng)PC 端

圖5 智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）農(nóng)業(yè)管家系統(tǒng)移動端

1.2.5 打造智能農(nóng)機

由中聯(lián)農(nóng)機提供水稻種植全程機械化解決方案，開展全面升級人工智能技術、推進多系列產(chǎn)品技術覆蓋、建立智能農(nóng)機數(shù)據(jù)庫試驗。全面測試智能駕駛、衛(wèi)星平地、機插拋秧、變量施肥、變量噴藥、收割測產(chǎn)等功能，提升農(nóng)機作業(yè)智能化。

1.2.6 數(shù)字化機拋農(nóng)藝研究

與湖南農(nóng)業(yè)大學唐啟源教授團隊合作，開展了“雙季稻機拋秧密肥互作”試驗，探索最佳農(nóng)藝。

2 差距分析

賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地建設在湖南省是一個全新領域，沒有現(xiàn)成經(jīng)驗可學，還處在初級階段，基地建設還存在一些薄弱環(huán)節(jié)，是未來一段時間工作重心。

2.1 信息化建設水平與智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求還有差距

智能控制是智慧農(nóng)業(yè)追求的目標。對智能控制而言，算法是大腦，系統(tǒng)集成是神經(jīng)系統(tǒng)[7]，需建設智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)控制中心，用于大數(shù)據(jù)分析決策、控制作業(yè)和數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)的集成；傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能制造等新一代信息技術的感知層，是萬物互聯(lián)的重要基礎[8]，需配置具有傳感精度高、連續(xù)監(jiān)測時間長、環(huán)境穩(wěn)定性好的智能傳感儀器、農(nóng)情自動監(jiān)測等設施設備。

2.2 農(nóng)業(yè)智能裝備水平還需進一步提升

基地雖然裝備了一定數(shù)量的農(nóng)業(yè)機械，排灌設施也比較齊備，但這僅能滿足普通種植需求，與智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展還有較大差距。缺乏智能化、數(shù)字化排灌設施設備，還需要對農(nóng)機裝備進行智能化改造，配備精準耕地、智能排灌、養(yǎng)分自動管理和智能施肥施藥等設施設備。

2.3 智慧農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新能力還不夠強

基地農(nóng)業(yè)科研技術力量比較雄厚，但與智慧農(nóng)業(yè)相關的科研機制、理論體系建設、技術培訓等還處于起步階段，缺乏既具備農(nóng)業(yè)科技研發(fā)能力又擁有一定信息化知識的復合型人才。

3 賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略目標與重點任務

3.1 戰(zhàn)略目標

綜合國家發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)與智能農(nóng)機戰(zhàn)略需求以及“十四五”規(guī)劃等因素，賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地戰(zhàn)略目標為：打造一個湖南省乃至全國領先的數(shù)字化水稻種植技術科研高地；建設一個湖南省乃至全國領先的智慧農(nóng)業(yè)示范與培訓高地；培育一個國家級智慧農(nóng)業(yè)標準與規(guī)范科研應用高地；培育一個多元化的高素質(zhì)數(shù)字農(nóng)業(yè)科研隊伍，打造一個湖南省智慧農(nóng)業(yè)專業(yè)人才高地；建設一個湖南省主糧（水稻）產(chǎn)業(yè)與作物、作業(yè)信息管理監(jiān)控中心；建設一個集科研、示范、產(chǎn)業(yè)化應用、參觀、培訓于一體的綜合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)示范與無人（少人）智慧農(nóng)場示范高地。

3.2 重點任務

3.2.1 深入研究省級數(shù)字化水稻種植品種與技術體系

3.2.1.1 全面開展數(shù)字化種植技術科研 結(jié)合湖南省種業(yè)高地與糧食安全戰(zhàn)略相關規(guī)劃要求，對湖南省各類地形、地貌及土壤環(huán)境進行充分調(diào)研、分析，與“洞庭香米”產(chǎn)業(yè)集群相關項目開展深度融合研究，搭建湖南省智慧大米體系。

3.2.1.2 分步實施數(shù)字化種植技術研究 按照“環(huán)洞庭湖”區(qū)域及“丘陵、山地”區(qū)域兩大類，結(jié)合現(xiàn)有的水稻品種分析，甄選主推戰(zhàn)略品種，分別制定科研計劃，在賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地分步實現(xiàn)模型搭建及平臺實現(xiàn)。

3.2.1.3 逐步輸出各類作業(yè)規(guī)程與標準 研制數(shù)字化水稻種植管理與技術、“數(shù)字大米”高端農(nóng)作物管理與技術監(jiān)督、全省水稻數(shù)字化種植體系等相關地方標準和技術規(guī)程。同時，針對“無人農(nóng)場”“智慧農(nóng)場”建設與運營等方面建立示范，制定行業(yè)標準。

3.2.2 開展省級“數(shù)字大米”區(qū)域品牌科研基地建設

3.2.2.1 搭建湖南省智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研基地平臺 與中聯(lián)智慧農(nóng)業(yè)、華智生物等科技創(chuàng)新、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的龍頭企業(yè)實現(xiàn)跨學科交叉融合，強調(diào)信息技術與農(nóng)業(yè)的學科交叉、跨界融合、跨機構合作，通過加強信息技術人員與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)科技人員相互協(xié)作、共同攻關，在技術、數(shù)據(jù)、方法、服務等層面實現(xiàn)開放、合作、共享、共贏[9]。

3.2.2.2 搭建湖南省智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）檢測與鑒定基地平臺 集中資源、技術、設備等優(yōu)勢，承接湖南省“數(shù)字大米”成品檢測與鑒定，并提供技術指導等相關工作。

3.2.2.3 搭建湖南省智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）戰(zhàn)略資源整合與共享基地平臺 策劃智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）高端農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)集群。對接“洞庭香米”產(chǎn)業(yè)集群，實現(xiàn)對湖南省區(qū)域內(nèi)數(shù)字大米技術管理、品質(zhì)管理、品牌策劃、推廣戰(zhàn)略服務等。

3.2.2.4 搭建湖南省智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）培訓基地平臺 一是通過梳理新型職業(yè)農(nóng)民對生產(chǎn)經(jīng)營、專業(yè)技能、社會服務等素質(zhì)要求，行政管理部門對鄉(xiāng)村振興、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等政策法規(guī)方面的宣貫安排，整合行業(yè)內(nèi)優(yōu)質(zhì)講師資源，搭建高素質(zhì)的職業(yè)農(nóng)民培訓體系。二是根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）推進需求，將技術資源與項目推進高度融合，培育一支集農(nóng)藝、農(nóng)技、信息化技術于一體的湖南省數(shù)字化水稻種植高技能人才隊伍。

3.2.3 建設湖南省主糧（水稻）產(chǎn)業(yè)與作物、作業(yè)信息管理監(jiān)控中心

3.2.3.1 建設一個湖南省主糧作物（水稻）專項監(jiān)督管理子平臺 實現(xiàn)數(shù)字化技術（含精準技術、通用信息）覆蓋區(qū)域的水稻全程數(shù)字化管理與監(jiān)督平臺，包括實際種植面積、種植品種、作物長勢、產(chǎn)量、農(nóng)機具種類、數(shù)量、作業(yè)面積等，為全省的主糧作物農(nóng)業(yè)信息集約化管理建立基礎。

3.2.3.2 建設一個無人（少人）智慧農(nóng)場管理平臺 根據(jù)小批量產(chǎn)業(yè)化管理要求，建設專有的科研信息平臺及農(nóng)場管理平臺，實現(xiàn)對農(nóng)場管理范圍內(nèi)的作物信息、作業(yè)信息的管理和監(jiān)控，以及農(nóng)機指揮調(diào)度的功能。

4 賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地建設的對策建議

4.1 加強組織領導，強化資金保障

充分發(fā)揮政府主導作用，積極研究國家相關政策，落實省委省政府、省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳關于開展智慧農(nóng)業(yè)建設文件精神，提高對智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）發(fā)展戰(zhàn)略地位的認識，切實加強頂層設計和組織領導，借鑒先進的成功經(jīng)驗，大膽創(chuàng)新，優(yōu)化內(nèi)設機構組織，制定落實支持政策，加大財政投入力度。專題研究部署智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范基地建設工作，重點支持關鍵核心技術突破性創(chuàng)新和功能體系應用集成創(chuàng)新，并將智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）工作納入相關部門年度績效考核，形成齊抓共管的工作格局，集中力量解決賀家山智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科研示范的重大需求問題。

4.2 打造創(chuàng)新聯(lián)盟，深化交叉合作

圍繞智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）科技創(chuàng)新發(fā)展需求，秉持開放創(chuàng)新、合作共贏的態(tài)度，充分發(fā)揮湖南省賀家山原種場作為國家級水稻原種場在農(nóng)業(yè)科研、新技術推廣示范的優(yōu)勢，聯(lián)合國內(nèi)一流的農(nóng)業(yè)各領域合作伙伴（華智生物、中聯(lián)農(nóng)機、中信農(nóng)業(yè)、岳麓山種業(yè)創(chuàng)新中心等），充分發(fā)揮生物育種、數(shù)字農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)技、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、農(nóng)技推廣等方面的優(yōu)勢，深度交叉合作，集聚技術集成和模式創(chuàng)新，謀劃建立產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新服務平臺等產(chǎn)學研合作組織，實現(xiàn)研究、示范、應用、轉(zhuǎn)化、服務等科技創(chuàng)新全鏈條整合。

4.3 重視空間布局，完善功能體系

從頂層謀劃設計入手，上下聯(lián)動，加強基礎數(shù)據(jù)的收集和整合，建立健全智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）大數(shù)據(jù)平臺，一邊對接國家、部委、省廳相關標準數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)互聯(lián)互通、信息共享，一邊與多品種的農(nóng)機設備、物聯(lián)網(wǎng)設備、農(nóng)田數(shù)字化設備實現(xiàn)高效連接，提升系統(tǒng)擴展性和靈活性，同時匹配設計物聯(lián)網(wǎng)集成系統(tǒng)、智慧農(nóng)事管理系統(tǒng)、遙感監(jiān)測分析系統(tǒng)、農(nóng)機智能化作業(yè)系統(tǒng)、數(shù)字大米智能育種評價系統(tǒng)、區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)、智能種植決策系統(tǒng)和大屏實時展示系統(tǒng)，打造智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）智慧“大腦”。

4.4 培養(yǎng)人才團隊，完善創(chuàng)新機制

加強智慧農(nóng)業(yè)（數(shù)字大米）創(chuàng)新團隊建設和人才培養(yǎng)，制定長期人才引進培養(yǎng)計劃，引進與培養(yǎng)并舉，形成人才梯隊，著力打造一批特色與實力兼?zhèn)涞膭?chuàng)新團隊，培養(yǎng)一批跨學科、復合型的戰(zhàn)略人才、領軍人才、創(chuàng)新骨干。加強與省內(nèi)外高等院校、農(nóng)業(yè)科技公司和科研院所合作，打造智慧農(nóng)業(yè)科研、實踐培訓基地。