航天技術(shù)助力 智慧農(nóng)業(yè)

文 | 郭銳

陜西省航天育種工程技術(shù)研究中心

一、前言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，“三農(nóng)”工作始終被視為國(guó)家工作的重點(diǎn)，擺在治國(guó)理政的重要位置。從2004 年起中央一號(hào)文件持續(xù)聚焦農(nóng)業(yè)，既體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的重視，也體現(xiàn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的重要性。全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家，最艱巨最繁重的任務(wù)仍然在農(nóng)村。農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的根本性問(wèn)題，面對(duì)21世紀(jì)新的情況和新的局面，中央政府提出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。通過(guò)推進(jìn)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)、人才、文化、生態(tài)和組織等方面的振興，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化整體繁榮興旺。

航天農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)是目前最具有科技含量的農(nóng)業(yè)新興應(yīng)用技術(shù)，是世界農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中尖端的科學(xué)技術(shù)課題之一。航天農(nóng)業(yè)的誕生與發(fā)展為我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一條高新科技的道路，實(shí)現(xiàn)航天科技對(duì)生產(chǎn)力的有效轉(zhuǎn)化，解決了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民就業(yè)問(wèn)題，確保群眾長(zhǎng)期穩(wěn)定增收、安居樂(lè)業(yè)，推動(dòng)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興。

二、航天農(nóng)業(yè)及其特點(diǎn)

航天農(nóng)業(yè)是集航空航天技術(shù)（高空探測(cè)火箭、航天育種、無(wú)人機(jī)技術(shù)等）、衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)（遙感技術(shù)、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位、氣象衛(wèi)星等）、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等）、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)種植技術(shù)等一系列最新科技于一體的新型高科技農(nóng)業(yè)。

航天農(nóng)業(yè)，用航天技術(shù)服務(wù)、改造、提升中國(guó)農(nóng)業(yè)，全面提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)含量、提高生產(chǎn)效率，以降低成本，增加農(nóng)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保證穩(wěn)定產(chǎn)出和供給，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

航天農(nóng)業(yè)時(shí)代，隨著越來(lái)越多更具科技含量的新技術(shù)新設(shè)備新設(shè)施應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式、運(yùn)營(yíng)模式、組織管理模式等必將會(huì)發(fā)生重大的變化。

航天農(nóng)業(yè)相較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)有以下特點(diǎn)。

1）空間生物技術(shù)：通過(guò)航天搭載誘變，分子生物技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，定向培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、抗逆、高產(chǎn)植物新品種和特異性品質(zhì)。

2）航天航空技術(shù)：根據(jù)火箭增雨作業(yè)的原理和火箭飛行速度和高度的關(guān)系分析技術(shù)，確定作業(yè)目標(biāo)、時(shí)機(jī)和部位；依靠農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行農(nóng)田藥物噴灑、農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，提高效益和安全性。

3）衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)：將衛(wèi)星遙感技術(shù)與農(nóng)學(xué)各學(xué)科及其技術(shù)相結(jié)合，利用遙感技術(shù)進(jìn)行土地資源的調(diào)查；利用衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信；利用北斗定位導(dǎo)航技術(shù)建立農(nóng)業(yè)農(nóng)田管理數(shù)據(jù)庫(kù)、定位土壤取樣檢測(cè)，合理施肥灌溉；建立氣象無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田精確的天氣預(yù)報(bào)，根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)一系列影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的災(zāi)變采取預(yù)防措施。

4）可持續(xù)發(fā)展：未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更注重生產(chǎn)的可持續(xù)性，任何竭澤而漁的手段都會(huì)給未來(lái)生產(chǎn)埋下毀滅的種子；未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)分工更細(xì)，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)作將更加緊密，高度的商業(yè)化才能促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，利潤(rùn)均衡，和諧共贏。

5）建立與航天農(nóng)業(yè)相適應(yīng)的政府宏觀調(diào)控機(jī)制：未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模更大，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的盲目性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的危害也會(huì)更大，建立與之相適應(yīng)的宏觀調(diào)控機(jī)制，補(bǔ)齊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的短板是必要和必須的。

三、航天技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)深度融合

衛(wèi)星遙感、空間科學(xué)試驗(yàn)、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位等航天技術(shù)跟未來(lái)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)息息相關(guān)，可以深度地參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全部過(guò)程（圖1）。

圖1 航天技術(shù)參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程

1.農(nóng)業(yè)資源調(diào)查

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展先要制定規(guī)劃，制定規(guī)劃的前提是了解“家底”，衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)深度參與到這個(gè)過(guò)程中，定期的國(guó)土資源調(diào)查就是了解“家底”的過(guò)程，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，目前可以利用各類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)遙感數(shù)據(jù)快速而精準(zhǔn)地完成這一過(guò)程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是先進(jìn)遙感技術(shù)的受益者，未來(lái)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)將是：資源調(diào)查→國(guó)土空間規(guī)劃→土地利用規(guī)劃→基本農(nóng)田紅線→農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃→作物種植布局→作物種植計(jì)劃。

森林大多分布于山地區(qū)域內(nèi)，人跡罕至，進(jìn)行森林資源調(diào)查是十分艱難的工作。利用衛(wèi)星遙感結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感，則可以比較輕松迅速地以較小的代價(jià)完成對(duì)森林資源的調(diào)查，從而制定合理利用和培育計(jì)劃。

隨著未來(lái)農(nóng)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)再也不能像過(guò)去一樣跟風(fēng)種植，“什么東西效益好，迅速無(wú)限擴(kuò)張；什么東西效益差，迅速萎縮”。利用先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)，及時(shí)了解種植趨勢(shì)變化，制定合理的種植布局和支持與引導(dǎo)政策，可以合理平衡各類(lèi)農(nóng)作物的種植規(guī)模，避免無(wú)序擴(kuò)張帶來(lái)的“谷賤傷農(nóng)”事件，也避免各類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品供給的大起大落，保障社會(huì)平穩(wěn)發(fā)展。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于農(nóng)業(yè)資源的信息需求逐漸增大，通過(guò)不斷發(fā)展的遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，利用深度學(xué)習(xí)和多種遙感圖像分類(lèi)方法開(kāi)展多平臺(tái)、多時(shí)期、多類(lèi)型農(nóng)業(yè)資源遙感監(jiān)測(cè)，可以隨時(shí)掌握農(nóng)業(yè)資源利用動(dòng)態(tài)。利用遙感技術(shù)，可根據(jù)地形、作業(yè)狀態(tài)和路徑，自動(dòng)調(diào)節(jié)播種孔道或噴灑流量避免漏播，減少重復(fù)播種的面積，同時(shí)能最大限度地為用戶(hù)節(jié)省時(shí)間和燃油，提高經(jīng)濟(jì)收益。

2.農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣象緊密相關(guān)，長(zhǎng)中短期天氣預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期氣象監(jiān)測(cè)、災(zāi)害性天氣預(yù)警與監(jiān)測(cè)、森林火險(xiǎn)預(yù)警與監(jiān)測(cè)等方面衛(wèi)星遙感比傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、快捷。尤其是局部短期災(zāi)害性天氣的氣象監(jiān)測(cè)則更能避免巨大的財(cái)產(chǎn)損失。

在地面氣象觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)中，可以將有用的信息編制成為氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)。將這些數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供相應(yīng)的氣象信息服務(wù)（圖2）。對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象信息可以進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)，幫助農(nóng)民提高農(nóng)作物的生產(chǎn)，以及農(nóng)作物的播種、收獲的時(shí)間安排。幫助農(nóng)戶(hù)預(yù)警可能出現(xiàn)的對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不好的天氣情況，使農(nóng)戶(hù)可以提前預(yù)知并進(jìn)行防范和解決。例如在高溫天氣中，根據(jù)氣候高溫持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短選擇對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行及時(shí)的灌溉，完善氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)測(cè)和解決措施，使農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中可以趨利避害，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠的保障。

3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的不間斷監(jiān)測(cè)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)離不開(kāi)環(huán)境的支持，對(duì)土、溫、光、水、氣、肥等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握其變化情況，做出有效的應(yīng)對(duì)措施，可以促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)，為獲得豐收奠定基礎(chǔ)。

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以快速大面積地對(duì)土壤墑情、肥力、污染、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而判定作物生長(zhǎng)環(huán)境；利用衛(wèi)星遙感技術(shù)根據(jù)覆蓋度、葉面積、葉綠素含量等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)從而判定農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況；利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以快速大面積準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物病蟲(chóng)害尤其是傳播性病蟲(chóng)害的發(fā)生區(qū)域及擴(kuò)散速度從而制定合理經(jīng)濟(jì)的應(yīng)對(duì)措施；綜合多項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果則可以準(zhǔn)確預(yù)估農(nóng)作物的產(chǎn)量從而提前布局應(yīng)對(duì)期貨市場(chǎng)的變化，保障市場(chǎng)供應(yīng)的平穩(wěn)。

監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠全面地掌握每一臺(tái)機(jī)器的具體位置以及每一臺(tái)農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前工作狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算機(jī)整理，分析整體農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用情況，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的可靠性，相關(guān)技術(shù)人員也能夠第一時(shí)間獲知農(nóng)業(yè)機(jī)械出現(xiàn)的故障問(wèn)題，以便迅速進(jìn)行處理和解決。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)播種、智能灌溉等功能，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化。不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的效率，還降低了勞動(dòng)力成本和環(huán)境污染。

4.航天育種

航天育種是指將植物種子、微生物或試管種苗送到太空，利用太空特殊的、地面無(wú)法模擬的環(huán)境（高真空、宇宙高能離子輻射、宇宙磁場(chǎng)、高潔凈）誘變作用，使種子產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種子、新材料、培育新品種的作物育種新技術(shù)。航天育種具有：變異多、變幅大、穩(wěn)定快以及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗病力強(qiáng)等特點(diǎn)。其變異率較普通誘變育種高3～4 倍，育種周期較雜交育種縮減少一半，由8代左右縮短至4代左右。圖3為航天育種原理流程圖。

圖3 航天育種原理流程圖

華航一號(hào)水稻是我國(guó)首個(gè)通過(guò)國(guó)家農(nóng)作物品種審定的“太空新品種”（圖4），通過(guò)該品種再繁育，具備豐產(chǎn)、抗稻瘟病、矮稈等種質(zhì)的新水稻品種超過(guò)四十個(gè)。

圖4 華航一號(hào)

2020 年11 月24 日，搭乘嫦娥五號(hào)登月，歷時(shí)約23 天的一批“航二代”稻種，其父本母本均為航天育種成果，分別名為華航31 號(hào)和航恢1508。此次搭載是全世界獨(dú)一無(wú)二的繞月深空誘變研究，實(shí)現(xiàn)了水稻種子深空搭載的首次突破。

魯原502 是由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究所和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所以航天突變系9940168 為母本、濟(jì)麥19 為父本經(jīng)田間系譜法選育而成的小麥品種。魯原502 年推廣面積超過(guò)1500 萬(wàn)畝。目前，魯原502 小麥累計(jì)推廣面積超1 億畝，成為我國(guó)三大主推小麥品種之一。

自1987 年以來(lái)，我國(guó)利用航天育種技術(shù)已經(jīng)誘變育成一系列高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的作物新品種、新品系及新種質(zhì)（圖5），其中不少屬于具有突破性影響的優(yōu)良突變。實(shí)踐證明，航天育種是培育優(yōu)良新品種的有效途徑，能夠?yàn)榇龠M(jìn)農(nóng)作物育種開(kāi)拓新的思路和辦法。

圖5 航天育種新品種

截至2022 年，利用航天育種技術(shù)先后培育出水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花、花生、芝麻、番茄、青椒、蓮藕、苜蓿等較為成熟、大量推廣的作物新品種。目前已通過(guò)國(guó)家級(jí)或省級(jí)審定的新品種或新組合有260 多個(gè)，培育成了一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的糧食作物、蔬菜作物、觀賞植物、藥用植物與其他經(jīng)濟(jì)作物等具有多種優(yōu)勢(shì)的新品系、新品種，為我國(guó)糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。

5.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采用3S（GNSS、GIS 和RS）等高新技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合，按照田間每一塊操作單元上的具體條件，通過(guò)“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，可以更好地利用耕地資源潛力、科學(xué)精準(zhǔn)合理利用物資投入，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本、減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)帶來(lái)的污染和改善環(huán)境質(zhì)量。相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的最大特點(diǎn)是：以高新技術(shù)投入和科學(xué)管理?yè)Q取對(duì)自然資源的最大節(jié)約和對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的最大索取。

3S 等高新技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用，能夠充分體現(xiàn)其諸多方面的功能，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用。北斗導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用首先能夠節(jié)省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的無(wú)人駕駛，有效地代替人工操作，減少人力勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人力成本（圖6）。減少農(nóng)業(yè)機(jī)械受到自然環(huán)境因素的影響，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)效率，并能夠?qū)r(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，保證農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)精度。

圖6 從3S 技術(shù)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

6.無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都在野外，條件相對(duì)略差。隨著以衛(wèi)星導(dǎo)航為基礎(chǔ)的無(wú)人駕駛技術(shù)的成熟，無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)已經(jīng)在許多地方出現(xiàn)，未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以完全由無(wú)人駕駛農(nóng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高效率和解放勞動(dòng)力。

四、結(jié)語(yǔ)

未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將是航天農(nóng)業(yè)的時(shí)代，隨著未來(lái)航天技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，結(jié)合其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，必將進(jìn)一步服務(wù)未來(lái)農(nóng)業(yè)。航天技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，必須向更加實(shí)用的方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械朝著自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化運(yùn)行方向發(fā)展。航天技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從多方面推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化、科技化發(fā)展，對(duì)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、作業(yè)質(zhì)量有著重要的影響，推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的具體落實(shí)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富裕。