新疆數字棉花技術＋收入保險新模式及應用前景分析

胡艷萍，張立禎，孫帥，王森，王雪姣，朱明成，帕爾哈提·買買提，巴特爾·巴克*

（1.新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，烏魯木齊 830091；2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002；4.新疆農業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002；5.中國太平洋財產保險股份有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830092；6.國家棉花工程技術研究中心，烏魯木齊 830000）

2020—2021 年“中央一號文件”[1-2]中4 次直接提及棉花，重點關注供給安全、生產用地保障、棉花目標價格政策等內容。 目前，作為中國優(yōu)質棉花生產基地的新疆， 對棉花生產的管理要求也越來越高。 如何提高植棉效益，并提高農民植棉過程中應對氣候和價格風險的能力，已成為當前新疆棉花高質量發(fā)展中亟待解決的問題之一。

推動數字經濟與農業(yè)深度融合已成為全球農業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的一大重要趨勢，有望改善農業(yè)中的各個薄弱環(huán)節(jié)[3]。 最近幾年，隨著鄉(xiāng)村振興和數字鄉(xiāng)村等國家戰(zhàn)略的不斷推進，數字技術開始加速融合到我國農業(yè)產業(yè)的各個環(huán)節(jié)中，數字農業(yè)已經逐漸成為我國“三農”領域的熱門話題。 為在2035 年基本實現中國農業(yè)現代化的目標，需要充分發(fā)揮資源稟賦優(yōu)勢和產業(yè)基礎，推動數字經濟在農業(yè)發(fā)展中的作用[4-5]。 近年來我國大力支持發(fā)展智慧農業(yè)，建立農業(yè)農村大數據體系，推動新一代信息技術與農業(yè)生產經營深度融合[6-7]，包括：加強數字農業(yè)技術創(chuàng)新，培育數字農業(yè)生態(tài)系統，推動數字農業(yè)多維運作，整合多層機制，以促進農業(yè)保險發(fā)展[8]；加強農業(yè)保險法規(guī)建設，重視區(qū)域差異性，滿足不同農業(yè)經營主體需求，并加強信息化平臺建設等工作[9]，從而增加土地產值和農民收入， 緩解能源緊缺，達到經濟、生態(tài)和社會效益多贏[10-11]。通過一體化農田監(jiān)測、實時數據分析、云平臺大數據計算與作物模型模擬相結合，形成可以提供精準診斷與調優(yōu)栽培方案的數字化棉花精準管理系統，因地制宜推廣應用，能夠克服傳統農業(yè)經營管理方式的不足，提高棉花的智能化管理水平，推動新疆棉花綠色可持續(xù)發(fā)展[12-14]。

農業(yè)收入保險是農業(yè)風險管理工具，也是穩(wěn)定棉花產量、增加農業(yè)效益的關鍵措施之一。 美國農業(yè)收入保險經歷了漫長的發(fā)展階段[15]，雖然較為完善，但依然存在一定的問題，例如難以精準研判農產品價格趨勢。而且美國與我國農業(yè)保險在具體運行機制和投保人主體認定標準等方面存在差異。國內學者關于農業(yè)保險定價等的研究主要集中于糧食作物[16-17]。 新疆棉花單產水平高，但生長期內低溫、高溫、大風和冰雹等氣象災害頻發(fā)，棉花價格受國際棉花市場影響波動很大。雖然在新疆已經廣泛探索了氣象災害風險等農業(yè)險種，然而對于價格變動導致的棉花收入不穩(wěn)仍然沒有很好的解決辦法。因此，基于數字化棉花精準管理系統應用，建立符合我國實際的棉花收入保險體系，促進我國農業(yè)保險高質量發(fā)展，對保障我國棉花安全具有重要的實踐意義[18-21]。

1 新疆棉花生產現狀及問題

新疆棉花的纖維長度、馬克隆值、品級等品質指標均居全國前列[22]。 據國家統計局關于2022 年棉花產量的公告：2022 年新疆棉花產量為5.391×106t，占全國棉花總產量（5.977×106t）的90.2%，比2021 年的占比提高了0.7 百分點。 此外，在我國主產棉區(qū)中，新疆棉花單產最高。 但新疆棉花生產主要存在如下問題。

一是植棉成本高，收益不穩(wěn)。 植棉成本高主要是由于種植過程中需要耗費大量的人力、機械、肥料、農藥等資源，且需維護相關機器設備等，而這些成本近年來不斷上漲。由于棉花市場價格受到多種因素的影響，在棉花生產成本上升的趨勢下，新疆植棉收益不穩(wěn)[23]。 如新疆地方2019—2021 年平均666.7 m2物化成本為1 426.64 元，表觀人工費用為620.46 元，表觀固定成本為84.33 元，表觀間接成本為271.49 元；2019 年、2020 年和2021 年新疆地方 籽 棉 售 價 分 別 為6.23、7.08 和10.50 元·kg—1，666.7 m2純收益分別為2.96、487.32、1 015.84 元[24]。

二是自然災害頻發(fā)，生產環(huán)境逐漸惡化。 新疆棉花生產受到自然災害頻發(fā)的影響，每年旱、澇、冰雹、風、冷害等的受災面積占20%以上，造成大面積棉田經濟損失[25-26]。此外，新疆棉花生產中存在病蟲害頻發(fā)及其防治不規(guī)范不及時， 長期使用地膜、農藥濫用、過量施肥導致環(huán)境污染加劇等問題[27-30]。

三是新疆尤其是新疆地方植棉亟待向數字化精準管理轉型。 目前，天空地一體化農田長勢遙感監(jiān)測技術和作物模型在農業(yè)上的應用日趨完善，農田監(jiān)測裝備不斷更新，能夠實現田間管理自動化和智能化。通過數字化技術推進植棉的轉型與高質量發(fā)展變得愈加迫切[31]。 新疆棉花機械化采收的需求較大，機采棉對品種、株行配置、種植密度等都有較高要求，通過數字棉花技術，塑造機采棉理想群體結構，能夠較大幅度提高棉花產量和品質，是推動棉花自動化、精準化、變量化作業(yè)的有效手段[32]。

綜上所述， 新疆棉花生產物化和勞動力投入大，在近年棉花價格波動較大、災害頻發(fā)和生產環(huán)境惡化等情況下，棉農收入不穩(wěn)定；加之區(qū)域經濟發(fā)展不均衡，農民收入普遍較低[23]，當地對農業(yè)（棉花）收入保險和精準數字化植棉技術的需求較強烈，需要政策性保障。

2 數字棉花技術發(fā)展現狀和存在的問題

數字棉花技術是指融合現代信息技術和數字化手段的現代化棉花種植管理技術。當前新疆開始探索示范應用數字棉花技術，結果顯示通過農田大數據分析和作物模型決策可提高產量和種植效率[33]。但是仍存在自主技術不足、體系發(fā)展緩慢，相關軟硬件建設和裝備投入有限，缺乏產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)數據的互聯互通機制等問題， 需要在技術研發(fā)、示范應用和產業(yè)鏈融合等多個方面進行深入探討完善。

一是數字棉花物聯網技術仍待提高。數據收集所需的棉花生長和土壤水分、養(yǎng)分等指標的監(jiān)測傳感器國產化水平較低，有效性和精準度不高；國外產品的質量較好，但成本較高。 如何提高數字棉花物聯網裝備的質量仍是當然面臨的挑戰(zhàn)之一。 此外，棉花智能化自動灌溉技術需要進一步完善。 目前智慧農業(yè)的實踐中，普遍存在重裝備、輕決策的問題，雖然能夠提高植棉生產效率，但是尚未實現真正的智能化管理。 在未來的數字棉花技術的生產應用中，需要整合科技創(chuàng)新，為農民提供個性化精準信息服務、配套產品解決方案，大幅度提高棉花生產效率和植棉效益， 實現植棉區(qū)致富和鄉(xiāng)村振興[34]。

二是數字棉花技術配套軟硬件建設不能滿足其推廣需要。目前數字棉花技術主要應用在一些大型棉花種植專業(yè)戶和合作社，在小農戶棉花生產中應用還存在一定難度。 棉農文化水平普遍不高，對新生事物的理解和接受能力有限，相關技術推廣和知識培訓不足，導致數字棉花技術全面推廣的資源和軟硬件條件不充分。 如鄉(xiāng)村網絡覆蓋率不高、信息傳輸不穩(wěn)定等問題，對推廣數字棉花技術帶來了很多困難[35]。 因此，需要相關政策支持和合理機制設計， 以確保數字棉花技術的廣泛應用和可持續(xù)發(fā)展。

三是數字技術需融入棉花全產業(yè)鏈。雖然數字棉花技術有著廣泛的應用前景，但是當前數字棉花技術主要關注棉花生產過程，還沒有覆蓋產前農資服務和產后加工等產業(yè)鏈[36]。 目前應用數字棉花技術的企業(yè)較少，在生產準備、種植管理、加工、銷售等環(huán)節(jié)的數字化和統籌協調上還存在不少問題。為了推動數字棉花產業(yè)的發(fā)展，需要從多個方面加強相關工作，如加大技術研發(fā)力度、拓寬服務渠道、優(yōu)化資源配置、推進品牌建設，逐步完善數字棉花產業(yè)鏈[37]。

3 棉花保險現狀及貸款難點問題

現有的棉花保險產品種類較為單一，缺乏針對不同地區(qū)、不同種類棉花制定的靈活的保險政策。棉花保險的數字化和信息化水平較低，導致部分棉農在面對保險理賠時經常遭遇困難，保險需求與具體保險產品種類、覆蓋范圍不匹配。 保險公司的理賠流程相對繁瑣，直到棉農遭受損失時才開始啟動理賠流程，往往耗時很長。另外，農民的農業(yè)風險管理意識比較淡薄，因此經常受到較大經濟損失。 目前， 農業(yè)保險主要是針對生產過程中的自然災害等， 不能覆蓋棉農由于價格波動造成的收益損失。數字棉花技術不但能夠提高棉農的生產管理水平，提高棉花產量和品質，而且能夠基于數字化模型在生長早期較準確地預測棉花產量，使保險公司可以在棉花生產早期通過期貨市場進行價格風險管理，是支撐農業(yè)保險改革和創(chuàng)新的一種新舉措[38]。

隨著土地流轉價格上漲和土地標準化建設要求的提高，以及受到種子、農藥、肥料等農資費用上漲等因素的影響， 新疆棉花種植需要投入大量資金；因此，對于貧困地區(qū)的農民來說，如果沒有相應的貸款支持，可能會面臨較大困難[39]。 對于棉花種植大戶或合作社而言，棉花生產和購買棉花保險的資金壓力也很大。然而，基于棉花生產需求，利用數字棉花技術設計合理方案，能夠將棉農、保險公司和銀行有機地結合在一起，提高貸款業(yè)務的精準性和多元性， 實時進行棉花收入保險的經濟分析[40]，可有效解決農村金融中的棉花貸款擔保和風險等難題。此外，因為棉花生長過程中需要考慮天氣、病蟲害等自然因素的影響，農民貸款風險往往較高[41]。所以，通過數字化的精準管理可大幅提高棉花產量和品質，節(jié)水增效，有利于保障棉農等經營主體的收入，降低貸款風險。

4 新疆數字棉花技術＋收入保險模式分析

4.1 數字棉花技術＋收入保險管理系統與新模式構架

中國農業(yè)大學2014 年開發(fā)了國際上首個棉花功能與結構模型Cotton XL。 它是在棉花生理生態(tài)模型理論下構建的形態(tài)可視化模型。該模型可模擬一系列管理措施情景下的棉花生長發(fā)育、 形態(tài)結構、葉面積指數、果枝數、果節(jié)數的變化，以及產量和品質的形成等過程；能夠精確量化不同種植方式下可見光和遠紅外光等在冠層的分布，預測葉枝的發(fā)生和蕾鈴的發(fā)育，每日預測棉花產量和碳匯量[42]。基于該模型的模擬， 可構建基于Web 的棉花氣象服務系統[43]。本團隊通過將Cotton XL、氣象和土壤數據庫與物聯網融合集成，建立了數字棉花管理系統（圖1）。

圖1 基于云平臺的數字棉花管理系統架構

數字棉花管理系統功能結構為基礎層、 應用層和領域層（圖2）。 基礎層主要包括應用程序接口（application programming interface, API）網關輸入、模型分析和物聯網監(jiān)測的數據庫管理。 應用層是將衛(wèi)星、氣象、傳感器等的數據應用到生產管理中，實時發(fā)布服務信息。 領域層是在將棉花功能與結構模型的多源數據融合后，進行模擬分析，從而實現棉花生產的精準化管理。該系統是將數字棉花模型、物聯網監(jiān)測數據和數據庫等在云平臺上進行部署融合，用頁面超文本預處理器（page hypertext preprocessor, PHP）語言實現邏輯層和數據庫之間的信息傳遞。 通過前端輸入控制數據、地理信息、田間管理信息等參數，將輸入參數和物聯網監(jiān)測氣象數據結合驅動棉花模型的模擬分析，可實現遠程操控輔助管理、預測判別、智能處理以及可視化模擬等多項功能。

圖2 數字棉花管理系統功能結構流程

該系統可通過云服務為不同角色對象提供數字化服務，包括針對政府決策的指揮艙、針對農場（合作社） 技術人員的農場管理和針對農戶的種植客戶端。 該系統運用電腦客戶端和手機小程序（APP） 端， 可實現棉花全程智能化分析和精準到“日”的棉田管理，包括間作耗水特征和灌溉量的監(jiān)測、產量預測、栽培管理措施優(yōu)化、精準化學調控（化調）、智能教學等；支持用戶定制化開發(fā)，為管理決策提供需要的復雜數據和開發(fā)相應的應用模塊，如氣象災害、病害、蟲害預警，延遲型冷害對產量的影響，災后補救措施評估等[43]。 值得一提的是，它還能夠模擬氣候、品種、播期和打頂時間等不同條件下的棉花產量和纖維品質形成，從而在種植前針對不同生態(tài)區(qū)條件，提出品種選擇、精準化調、株行配置和密度優(yōu)化的策略[44-49]。此外，該系統通過運用數字孿生技術，形成棉花的形態(tài)特征庫，使輸出的不同環(huán)境、密度和品種下的三維單株和群體結構較為真實[50]。

為實現棉花全程數字化種植管理和保險管理的融合，本團隊在該系統基礎上擴展開發(fā)了基于數字棉花的收入保險監(jiān)測和預警系統（圖3），為數字棉花技術＋收入保險模式提供技術支持。數字棉花賦能收入保險，有助于解決棉農的后顧之憂，可通過風險預警和過程監(jiān)測降低種植、價格和人為因素等方面的風險。產業(yè)科技平臺等可利用該系統為保險公司提供風險管理的數字化服務，實時對生產管理、棉花產量、市場變化等進行風險評估和預測，從而提出對應的保障策略，并可針對不同的棉農群體提供不同的收入保險方案。數字棉花技術＋收入保險模式還有利于棉農等生產經營主體、 保險公司、產銷企業(yè)等參與方的利益共享。

4.2 新模式的社會經濟效益

在保險的杠桿作用下，推行數字棉花技術＋收入保險新模式將實現政府、銀行、保險、新型經營主體等合作共贏的局面，可有效地化解新疆棉花產業(yè)發(fā)展面臨的困境， 有助于棉花產業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展[51]。各地政府可借助金融保險的風險共擔機制，為棉農提供收入兜底保障，從而提高植棉積極性。 新模式能夠實現以下目標：一是節(jié)約成本。 數字棉花技術可提高棉花產量，減少人工種植成本；收入保險可以幫助農民減少應對災害的成本，提高農民的實際收入。二是可以通過更精準的決策為棉農提供災害風險管理方案，利于規(guī)避自然災害和價格波動導致的棉花收入降低風險。 三是能整合農村金融業(yè)務，重塑以需求為導向的具有競爭性的農村金融體系，通過“收入保險”棉花金融綜合服務模式實現雙方互惠互利，提高金融服務效率。四是可以極大地提高農業(yè)現代化水平，推動農村設施和環(huán)境改善。數字棉花技術＋收入保險新模式將成為農業(yè)現代化的重要發(fā)展方向，政府在新模式中發(fā)揮市場引導、宏觀調控的作用，有利于服務性政府職能的建立。數字棉花技術＋收入保險新模式可鏈接棉花產業(yè)鏈多方， 有良好的預期效益，將推動農村經濟多元化和現代化，促進農業(yè)經濟轉型，為鄉(xiāng)村振興保駕護航。

5 前景及展望

5.1 數字棉花技術＋收入保險新模式面臨的挑戰(zhàn)

準確和科學的棉花生長模型是數字棉花技術的“大腦”，也是新模式成功的關鍵，其建立離不開大量的田間試驗和數據積累。目前國內數字棉花技術的研究雖然已有10 多年的工作基礎， 但仍需要在不同生態(tài)區(qū)和品種條件下進行更多的試驗研究，調整棉花模型參數并驗證，使之更適應新疆的種植管理條件。高質量的物聯網傳感器和監(jiān)測數據是模型運行和準確管理的數字基礎，需要利用實時監(jiān)測數據和歷史觀測數據相結合的方法[52-53]，進行多元數據融合，作物模型模擬、物聯網和遙感（無人機）技術相結合，形成“天—空—地”和“點—線—面”一體化的數字化管理策略。相應的服務平臺為保險公司提供數字化保障的同時，還要和銀行放貸、資金流向追溯，以及產品二維碼追溯、線上農機訂單服務等相結合， 為棉花生產提供全方位的數字化、智能化服務。

5.2 可解決的生產和科學難點

數字棉花技術＋收入保險新模式可以有效解決當前棉花生產中的一些關鍵問題，但是，也存在一些生產和科學難點，在促進區(qū)域經濟水平提升的同時，也容易使農戶陷入“數據海洋”的泥潭中。 因此，將科學理論和實踐相結合、硬件與軟件相結合、科技企業(yè)與科研院所相結合就非常重要。在棉花精準管理的基礎上，提高專業(yè)化服務以及規(guī)?；洜I水平是重中之重。數字化決策與自動化有機融合能夠較大幅度降低人工成本，但需要提高決策的準確度和可靠性，如在與肥水一體自動聯動方面，需要綜合多種決策方案，減小決策過程中的系統誤差。

5.3 前景展望和政策建議

為確保數字棉花技術＋收入保險新模式的可持續(xù)發(fā)展，相關政策措施也應配套支持，實現經濟、生態(tài)和文化價值的融合，促進農戶、消費者收入以及鄉(xiāng)村經濟的全面提高。新模式從設備自動化到數據收集和分析， 建立數字化平臺， 形成政府—企業(yè)—用戶全產業(yè)鏈的數字化服務系統，能夠通過數字化技術真正為農民增收和棉花產業(yè)發(fā)展質量提升提供優(yōu)質、可靠、可復制的支撐。