基于ONAP 的馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培

柳永強(qiáng)，胡新元，謝奎忠，孫小花，羅愛花，張世文，何 音

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蘭州 730070；3.定西市安定區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心 甘肅定西 743000；4.定西銘源農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司 甘肅定西 743000）

馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培是基于現(xiàn)代ONAP 開放管控平臺(tái)體系，將云計(jì)算、區(qū)塊鏈、北斗導(dǎo)航、5G 傳輸、智能農(nóng)機(jī)設(shè)備與馬鈴薯現(xiàn)代栽培技術(shù)優(yōu)化融合產(chǎn)生的精準(zhǔn)管控模式，是馬鈴薯栽培智能信息化的產(chǎn)物[1]。馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培不是指栽培區(qū)域的分塊化，而是為適應(yīng)智能信息化栽培流程和智慧管控策略指令的可實(shí)踐可操作，將現(xiàn)代馬鈴薯機(jī)械栽培中零散、分裂、重復(fù)、低效率、復(fù)雜、人工密集的技術(shù)模式，通過優(yōu)化、整合，集合成為能夠利用智能農(nóng)機(jī)復(fù)式作業(yè)的特定工作區(qū)塊。區(qū)塊精準(zhǔn)栽培實(shí)現(xiàn)了基于ONAP 控制的智慧農(nóng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行無人（少人）作業(yè)、精準(zhǔn)完成馬鈴薯從生產(chǎn)種植到市場(chǎng)供應(yīng)的全程化。在馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培中，北斗系統(tǒng)、5G傳輸、云計(jì)算、生物特征識(shí)別、機(jī)器視覺、人機(jī)交互、角度傳感等現(xiàn)代工信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，并成為馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培實(shí)踐的基本保障[2-4]，是現(xiàn)代馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的標(biāo)桿。筆者結(jié)合馬鈴薯栽培體系智能信息化過程中存在的問題、需求和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，依據(jù)大量調(diào)研數(shù)據(jù)、栽培經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果及研究成果，提出了區(qū)塊精準(zhǔn)栽培概念，從技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)、區(qū)塊作業(yè)、趨勢(shì)與展望等方面闡述了馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培技術(shù)，旨在為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能信息化發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)導(dǎo)向。

1 馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培技術(shù)原理

1.1 區(qū)塊精準(zhǔn)栽培原理

馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培是基于現(xiàn)代ONAP 體系，通過高效精確的作物實(shí)時(shí)生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將特定時(shí)期馬鈴薯種植區(qū)域的氣候、氣象、土壤、品種、水肥、生長(zhǎng)、病蟲害等測(cè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆NAP 平臺(tái)，然后將這些實(shí)時(shí)信息與種植特點(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)和研究成果等數(shù)據(jù)要素歸納、整理、分析處理，形成區(qū)塊化的生產(chǎn)策略和指令，由指令和導(dǎo)航系統(tǒng)制導(dǎo)智能生產(chǎn)端的農(nóng)業(yè)機(jī)械或設(shè)備精準(zhǔn)作業(yè)（圖1）。在基于ONAP 的馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培中，從事機(jī)械或設(shè)備操作的人工及作業(yè)輔助人員被數(shù)字指令替代，智能機(jī)械設(shè)備與栽培技術(shù)流程融合的方式也隨之變化，為便利農(nóng)機(jī)設(shè)備的高效作業(yè)，將傳統(tǒng)機(jī)械栽培中零散、分裂、重復(fù)、低效率、復(fù)雜、人工密集的技術(shù)流程進(jìn)行優(yōu)化整合，創(chuàng)建了適合現(xiàn)代馬鈴薯智能信息化作業(yè)的區(qū)塊栽培技術(shù)[3]。與馬鈴薯全程機(jī)械化栽培相比，馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培的特征是區(qū)塊化、精準(zhǔn)化、信息化、智能化、少人化（無人化）和集約化，區(qū)塊精準(zhǔn)栽培是馬鈴薯全程機(jī)械化在人工智能和信息化基礎(chǔ)上高度發(fā)展的必然產(chǎn)物。

1.2 區(qū)塊精準(zhǔn)栽培的特點(diǎn)

區(qū)塊化：馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培是結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)信息化和機(jī)械設(shè)備智能化作業(yè)需要，對(duì)現(xiàn)代機(jī)械化栽培流程的優(yōu)化發(fā)展，對(duì)繁雜、低效、分散和碎片化的流程及可同期一體化操作的流程進(jìn)行合并簡(jiǎn)化，根據(jù)當(dāng)時(shí)的智能機(jī)械化水平而集約整合成不同的管理區(qū)塊，便于ONAP 平臺(tái)指令智能農(nóng)機(jī)進(jìn)行復(fù)式作業(yè)。

精準(zhǔn)化：區(qū)塊精準(zhǔn)作業(yè)指令依據(jù)地域、氣候、氣象、土壤、品種、水肥、生長(zhǎng)、病蟲預(yù)警預(yù)報(bào)、種植參數(shù)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、研究成果等大量數(shù)據(jù)歸納、整理、聚類、分析，形成精準(zhǔn)指令，其執(zhí)行時(shí)間確定、操作參數(shù)確定、工作流程確定，使整個(gè)栽培流程精準(zhǔn)化。

信息化：基于ONAP 的馬鈴薯栽培體系，將氣象參數(shù)、生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)情況、病蟲預(yù)測(cè)、土壤水肥等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與收集通過傳感、遙感技術(shù)獲取并快速傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，ONAP 中心依據(jù)收集的信息綜合分析形成管控策略[3]，即區(qū)塊精準(zhǔn)栽培指令的形成過程是信息化的過程。

智能化：智能化機(jī)械與設(shè)備是區(qū)塊精準(zhǔn)栽培的關(guān)鍵，北斗定位、機(jī)械視覺、人機(jī)交互、邊輪定位、遙感與傳感等現(xiàn)代智能技術(shù)在馬鈴薯種植機(jī)械中的應(yīng)用，使馬鈴薯栽培操作在很小的誤差范圍內(nèi)進(jìn)行[6-7]。區(qū)塊栽培實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)械進(jìn)行自主復(fù)式作業(yè)、北斗定位與機(jī)械視角制導(dǎo)的農(nóng)業(yè)機(jī)械路徑自主化。

少人化：馬鈴薯栽培智能信息化是ONAP 平臺(tái)代替機(jī)械設(shè)備操作工人、AI 機(jī)械代替田間作業(yè)的農(nóng)民和農(nóng)機(jī)具的過程，由北斗制導(dǎo)機(jī)械路徑、WIFE 傳輸操作指令、機(jī)器傳感器控制作業(yè)工藝精度，在區(qū)塊化精準(zhǔn)栽培中，從事體力勞動(dòng)的人工基本被完全替代，從事機(jī)械操作或栽培技術(shù)控制的人工也被逐步取代，使馬鈴薯種植生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)無人化或少人化[8-9]。

集約化：隨著新型合作社的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)高效低成本成為馬鈴薯行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心，區(qū)塊精準(zhǔn)栽培在保持馬鈴薯栽培標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化、智能管控、人工替代，是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)降低成本的現(xiàn)代化高效模式，是規(guī)模種植和農(nóng)場(chǎng)種植可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

2 馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培技術(shù)流程

馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培分為三大區(qū)塊（圖2），耕作區(qū)塊、生產(chǎn)區(qū)塊、貯運(yùn)區(qū)塊。

圖2 精準(zhǔn)栽培技術(shù)模塊與流程Fig.2 The technical module and process of precision cultivation

2.1 耕作區(qū)塊

土壤清理：馬鈴薯覆蓋壟作栽培中，殘膜會(huì)嚴(yán)重污染土壤，破壞土壤生態(tài)，馬鈴薯秸稈大量殘留，引起有害雜菌大量繁殖，造成翌年病害流行[1]。因此，馬鈴薯收獲后，必須清理土壤中殘留的秸稈與地膜，減少農(nóng)田污染，提高土壤質(zhì)量。土壤清理用1MFJS-125A 耙齒式地膜清理機(jī)，地膜清理可與立式深耕同期一體完成。

立式深耕：立式深耕技術(shù)是完成土壤休整與修復(fù)的重要方式，是適應(yīng)馬鈴薯集約化生產(chǎn)、提高土壤可持續(xù)利用的保障[10]。深耕用1GZL-220 B 履帶自走式鏵式犁，實(shí)現(xiàn)智能化無人操作。時(shí)間設(shè)定在土壤封凍前期，深度設(shè)定40 cm 以上，深耕使土塊立體分層越冬，經(jīng)過凍融交替，優(yōu)化土壤。

旋耕耙耱：春季土壤解凍后，旋耕耙耱，使立式深耕產(chǎn)生的土塊細(xì)化，土地平整。旋耕深度設(shè)定為28 cm，旋耕耙耱采用1GZ-180 履帶自走式旋耕機(jī)，旋耕耙耱一體化完成。

2.2 生產(chǎn)區(qū)塊

播種：區(qū)塊精準(zhǔn)栽培中，馬鈴薯播種用GL34KG 全懸掛種植機(jī)或UP3760 型種植機(jī)，一體完成開溝、起壟、施藥、施肥、播種和覆土。播期依據(jù)ONAP 收集的土壤溫度參數(shù)（≥5 ℃）設(shè)定，設(shè)定播深10 cm，密度60 000 株·hm-2，邊輪距125 cm，壟高25 cm，覆土3 cm。播期施肥施藥為多菌靈與鹽酸馬胍酮質(zhì)量比2∶1 復(fù)混，20 kg·hm-2；基礎(chǔ)肥料N、P2O5、K2O、有機(jī)肥、微量元素、生物菌肥按質(zhì)量比20∶10∶15∶60∶1∶2 比例復(fù)混，3000 kg·hm-2[11]。

灌溉：區(qū)塊精準(zhǔn)栽培中，應(yīng)用YN-BXE 智能水肥一體滴灌系統(tǒng)，將水溶性肥料和農(nóng)藥在專用裝置注入、攪拌、增壓、過濾后隨水滴灌，實(shí)現(xiàn)灌溉、施肥與防控的一體化，也適用壟膜下滴灌栽培模式。具體操作與控制主要依據(jù)ONAP 平臺(tái)指令，參數(shù)設(shè)定一般為：現(xiàn)蕾期水肥藥一體灌溉1 次，灌水量為200 m3·hm-2，灌施肥料量為90.0 kg·hm-2（N、P2O5、K2O 質(zhì)量比例1.0∶0.8∶1.2），農(nóng)藥灌溉防治參考量為58%甲霜靈·錳鋅3.0 kg·hm-2+40%菌核凈4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2混合復(fù)配；塊莖膨大期水肥一體灌溉1 次，灌水量為300 m3·hm-2，灌溉肥料量為120.0 kg·hm-2；淀粉積累期水肥一體灌溉1 次，灌水量為150 m3·hm-2，灌溉肥料量為90.0 kg·hm-2。

中耕：中耕是馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培中防治草害發(fā)生的關(guān)鍵措施，中耕用1GZ-180 履帶自走式中耕機(jī)，中耕培土厚度6 cm，時(shí)間設(shè)置在現(xiàn)鈴期。中耕使行間雜草機(jī)械化清除，加強(qiáng)壟上黑膜對(duì)雜草的抑制與生長(zhǎng)，使其在培土后黃化腐爛。

防控：在馬鈴薯規(guī)?；N植中，病蟲防控采用拌種、滴灌和航化相結(jié)合的植保方案。拌種結(jié)合種薯處理完成；滴灌防控主要針對(duì)地下害蟲和根莖病害精準(zhǔn)防控；航化仍然是現(xiàn)代智能信息化防控的關(guān)鍵，其依據(jù)主要是病害流行期或田間預(yù)警啟動(dòng)。航化用T16 無人植保飛機(jī)，電磁計(jì)量，RTK 精準(zhǔn)定位，智能引擎，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊化精準(zhǔn)防控。全生育期航化防控5 次，真菌性和細(xì)菌性病害防控采用58%甲霜靈·錳鋅3.0 kg·hm-2+40%菌核凈4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2復(fù)配；蚜蟲與病毒性病害防控采用32%核苷·溴·嗎啉胍4.5 kg·hm-2+氯氫菊酯3.0 kg·hm-2復(fù)配，防治時(shí)期依據(jù)ONAP 平臺(tái)預(yù)警參數(shù)指示確定。

收獲：馬鈴薯收獲前進(jìn)行機(jī)械殺秧，殺秧后晾曬地塊3 d 至地表半干，收獲時(shí)用VENTOR4150 自走式馬鈴薯收獲機(jī)收獲。收獲后薯塊放置通風(fēng)處，晾曬3～5 d，表皮充分老化后可進(jìn)行貯藏。

2.3 貯運(yùn)區(qū)塊

保鮮貯藏：馬鈴薯保鮮貯藏采用現(xiàn)代智能貯藏系統(tǒng)，主要由各種探測(cè)元件收集貯藏窖指標(biāo)、傳感器實(shí)現(xiàn)貯藏窖實(shí)際溫度、濕度、CO2濃度、有害氣體濃度等信息的收集與傳輸；ONAP 依據(jù)參數(shù)分析和保鮮貯藏需求指令溫濕度調(diào)控系統(tǒng)、CO2脫除系統(tǒng)和乙烯脫除裝置的運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)控貯藏窖溫度、濕度、CO2濃度、有害氣體濃度在設(shè)定范圍[1，10]。在馬鈴薯智能保鮮貯藏中，貯藏窖參數(shù)設(shè)定通常為：溫度2 ℃，濕度70%，CO2濃度（體積分?jǐn)?shù)）3.5%，有害混合氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06 mg·kg-1。

冷鏈物流：馬鈴薯現(xiàn)代冷鏈物流系統(tǒng)是生鮮食品供應(yīng)體系HACCP 結(jié)合馬鈴薯供應(yīng)端（農(nóng)場(chǎng)、合作社）、ONAP、物流運(yùn)輸設(shè)備為一體的現(xiàn)代供求系統(tǒng)，是一種科學(xué)、合理、過程控制的馬鈴薯產(chǎn)品供應(yīng)體系。冷鏈物流環(huán)節(jié)質(zhì)量控制和預(yù)防措施是現(xiàn)代智能化冷鏈物流的重要手段，保證馬鈴薯及加工產(chǎn)品在運(yùn)輸環(huán)節(jié)保持在規(guī)定的環(huán)境，以最佳的物流手段保證質(zhì)量，降低損耗，具有整個(gè)物流過程的可追溯性，保障馬鈴薯及產(chǎn)品在生產(chǎn)、冷藏、運(yùn)輸、裝卸、配送等物流環(huán)節(jié)的質(zhì)量安全[11]。

3 實(shí)踐與展望

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)不但可以最大限度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，而且是促進(jìn)農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[6-7]。近年來，甘肅省定西市借助國家對(duì)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)政策的扶持，率先探索性開展馬鈴薯智能信息化精準(zhǔn)栽培，包括智能檢測(cè)、病蟲預(yù)警、生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、智能作業(yè)、精準(zhǔn)滴灌、無人機(jī)植保、智能化耕作等技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐。2019－2022 年，馬鈴薯智能信息化技術(shù)在定西市安定區(qū)國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園實(shí)施，年度平均試行面積約5000 hm2。與常規(guī)機(jī)械化栽培相比，區(qū)塊化精準(zhǔn)栽培優(yōu)勢(shì)主要在于對(duì)人工的智能替代方面，替代量為75 工次·hm-2，節(jié)本1.125 萬元·hm-2，基于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)防控，馬鈴薯生育期病蟲防治減少2 次，節(jié)本0.15 萬元·hm-2，區(qū)塊化精準(zhǔn)栽培經(jīng)濟(jì)效益提升21.25%（按照區(qū)域平均產(chǎn)量37.5 t·hm-2，市場(chǎng)價(jià)格0.16 萬元·t-1計(jì)算）。

栽培流程區(qū)塊化和栽培參數(shù)精準(zhǔn)化成為智能機(jī)械設(shè)備高效作業(yè)和融合的基礎(chǔ)。信息技術(shù)和人工智能的高速發(fā)展促使一種新穎的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理思想的誕生，農(nóng)作物實(shí)施定位監(jiān)管和精準(zhǔn)管控的思想逐步在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是基于空間信息管理和變異分析的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理策略和操作技術(shù)體系[4，9]。區(qū)塊精準(zhǔn)栽培根據(jù)對(duì)作物本身及所處環(huán)境的精準(zhǔn)檢測(cè)與生長(zhǎng)需求分析，在充分了解大田生產(chǎn)力的空間變異的基礎(chǔ)上，以平衡地力、提高產(chǎn)量為目標(biāo)，實(shí)施定位、定量的精準(zhǔn)田間管理，實(shí)現(xiàn)高效利用各類農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境友好的目標(biāo)[3，8]。馬鈴薯區(qū)塊精準(zhǔn)栽培的應(yīng)用和不斷優(yōu)化，將充分挖掘農(nóng)田最大的生產(chǎn)潛力、合理利用水肥資源、減少環(huán)境污染、大幅度提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)。精準(zhǔn)區(qū)塊技術(shù)可能是解決由傳統(tǒng)機(jī)械化向現(xiàn)代智能信息化發(fā)展轉(zhuǎn)變的技術(shù)基礎(chǔ)，它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提效、種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、資源高效利用等方面具有前瞻性，將成為作物種植技術(shù)發(fā)展的新方向。