農業(yè)新技術精確發(fā)展思考
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提要精確農業(yè)是超前性的農業(yè)新技術。由于精確農業(yè)充分地利用了作物、土壤和病蟲害的空間和時間變化量來進行耕作和田間管理，因而，取得的經濟和環(huán)境邊際效益非常顯著。結合我國國情，研究發(fā)展適用的精確農業(yè)技術體系、應用體系不僅是必要的，而且是可能的。精確農業(yè)的研究與發(fā)展將有助于我國人口、資源與環(huán)境方面重大問題的解決，有助于農業(yè)資源的高效利用和農業(yè)環(huán)境保護。為了適應精確農業(yè)應用，作為核心技術的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術也應在界面、功能、可操作性、信息源、實時性和處理速度等方面進行改進，深入研究多層次集成系統(tǒng)。
關鍵詞精確農業(yè)地理信息系統(tǒng)現(xiàn)狀對策
國際農業(yè)的發(fā)展經歷了原始農業(yè)（游耕、游牧等）、傳統(tǒng)農業(yè)和現(xiàn)代農業(yè)3個主要發(fā)展階段[1]。本世紀以來，石油農業(yè)的發(fā)展在取得成就的同時，帶來了嚴重的環(huán)境問題。對此，人們提出了一系列的替代農業(yè)對策，如回歸型農業(yè)、生態(tài)農業(yè)、有機農業(yè)、集約農業(yè)、立體農業(yè)、持續(xù)型農業(yè)（持續(xù)農業(yè)、低投入農業(yè)、低熵農業(yè)）、生態(tài)經濟農業(yè)、綜合農業(yè)、精久農業(yè)等農業(yè)發(fā)展模式[2]。這些設想的主要目的都是為了充分地利用資源，降低不必要的投入，減少環(huán)境污染和取得最大的社會經濟
效益[3、4]。
80年代后期和90年代初以來，隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、連續(xù)數(shù)據(jù)采集傳感器（CDS）、遙感（RS）、變率處理設備（VRT）和決策支持系統(tǒng)（DSS）等技術的發(fā)展[5]，精確農業(yè)(Precisionagriculture)在美國、英國、德國、荷蘭、意大利等西方發(fā)達國家勃然興起[6～8]。
1國際上精確農業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢
1.1精確農業(yè)的定義和現(xiàn)狀
精確農業(yè)(Precisionagriculture，Precisionfarming，Site-specificcropmanagement或Prescriptionfarming)是利用重要的作物參數(shù)和知識在適當?shù)某叨壬蟽?yōu)化生產系統(tǒng)管理[7]，是根據(jù)特定地塊的作物潛在生產能力控制不同的投入水平（如肥料、殺蟲劑、除草劑等）[9]。精確農業(yè)包含3個實施階段：確定田間管理事件、制定對策和實施對策[6]。精確農業(yè)的核心是對變化因素進行精確管理，變化因素包括：空間因素、時間因素和預測因素[10]。空間因素反映地域變化；時間因素反映年度變化；預測因素反映預測與實際值之間的差異。
國外精確農業(yè)實踐表明：精確農業(yè)不僅具有重要的經濟效益，而且其獲取的詳細耕作信息推演出和有助于解決許多未知問題[6]。精確農業(yè)的根本效益體現(xiàn)在降低作物的生產成本和過量施用農化產品的污染風險[9]。如以施肥為例，傳統(tǒng)的施肥方式是在一片地塊內使用一個平均施肥量。但實際上土壤肥力在不同的地塊（像元大小為0.5～2hm2）、不同時段（上一茬殘留肥力和消耗）差別較大，所以平均施肥就會造成部分地區(qū)肥力不足而部分地區(qū)肥力過量。精確農業(yè)實現(xiàn)了因土、因作物、因時全面平衡施肥，因此，有明顯的經濟和環(huán)境效益①。1994年，明尼蘇達大學在明尼蘇達州漢斯卡農場實驗研究表明：傳統(tǒng)農業(yè)每公頃施肥為119.8kg，而精確農業(yè)施肥平均為82kg。明尼蘇達的扎卡比森甜菜農場采用精確變率施肥技術減少了氮肥用量，肥料投入每公頃平均減少1552美元，收益平均每公頃增加358.32美元。又如在產量預測預報方面，精確農業(yè)對投入、產出能按不同地塊、不同時間進行詳細記錄，對預測產量和耕作決策有著極其重要的意義。在英國夏托沃斯農場，聯(lián)合收割機上裝的GPS和產量測定儀，每隔1.2秒，GPS測量記錄一次。這樣，在收割完成的同時，就可以產生當季準確的產量分布圖[11]。再如在提高水資源利用率方面，精確農業(yè)技術也具有極大的作用。在以色列，用水管理已實現(xiàn)高度的自動化，全國已全部實施節(jié)水灌溉技術，其中25%為噴灌，75%為微灌（滴灌和微噴灌）。所有的灌溉都是由計算機控制，實現(xiàn)了因時、因作物、因地用水和用肥自動控制。1989年，以色列水分利用率為每立方米產糧食2.32kg，與技術使用前（1949年）相比，平均提高了0.68kg／m3；到2000年，計劃提高到4.31kg／m3[12、13]。
但是，精確農業(yè)的邊際效益(marginaleffect)與農場的規(guī)模成正比[8]。發(fā)達國家較小的農場精細耕作程度較高，精確農業(yè)產生效益的可能性就小得多；而大農場，精細耕作程度較低，很大的一塊田（地）采用一樣的管理方式，因而，實施精確農業(yè)產生邊際效益就大。
精確農業(yè)的應用已涉及到施肥、植物保護、播種、耕作、水分管理等相關領域。精準農業(yè)已漸漸為各農場經營者了解和熟悉。歐洲的一項調查表明：歐洲大約2/5的農場主知道精確農業(yè)技術[8]。
1.2精確農業(yè)的發(fā)展趨勢
從大趨勢看，精確農業(yè)將向著完全的時間和空間變量管理和決策支持方向發(fā)展。Blackmore在展望歐洲精確農業(yè)發(fā)展時，指出了三種技術應用水平與相應的耕作管理戰(zhàn)略[14]：①無任何信息技術（IT)組成的傳統(tǒng)方式；②管理信息系統(tǒng)（MIS）、咨詢方式（whatifmodel）和簡單機械化；③空間信息技術的充分應用和自動處理：自動數(shù)據(jù)收集、集成MIS／DSS技術支持系統(tǒng)。不同的應用水平將包含不同的IT組成，產生不同的環(huán)境和操作效應及達到不同的經濟效果。支持精確農業(yè)的專用硬件和設施系統(tǒng)將在不遠的將來實現(xiàn)，而相應的決策支持軟件將會得到不斷的、長期的開發(fā)和完善[14]。隨著相應技術的進一步發(fā)展，精確農業(yè)將很快從試驗應用走向推廣應用。可以預計，21世紀的農業(yè)可以說是計算機輔助管理的精確農業(yè)時代[12]。
2我國的農業(yè)現(xiàn)狀和存在的問題
2.1我國的農業(yè)現(xiàn)狀
我國農業(yè)正由傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展，但從全局來看，仍處于半自給半商品、半經驗半科學、半人畜半機械的狀況，并未完全脫離傳統(tǒng)農業(yè)的范圍[1]。農民僅初步溫飽，生活水平較低。1995年，全國農業(yè)人口人均收入僅為780元，約8000萬農民尚處于貧困之中[1]。
在農業(yè)資源利用方面，中國農業(yè)在精耕細作、多層次利用、生態(tài)農業(yè)等高效利用農業(yè)資源方面獨樹一幟[12]。各地已總結出許多具有區(qū)域特色的耕作技術和農業(yè)模式，如間、套、連作的多熟制、基塘農業(yè)、立體山地農業(yè)、有機物還田等等。這些技術對提高我國光能、土地、水、肥力等資源的利用率發(fā)揮著重要的作用。農業(yè)新技術研究與開發(fā)也開始起步。例如，灌溉（如噴灌、滴灌、微灌、滲灌、膜上灌等）、施肥（如配方施肥、復混肥技術、多元素平衡施肥等）、植保、水土保持（如坡地農業(yè)）等方面的先進技術和措施已在研究或部分應用之中。農業(yè)資源監(jiān)測技術也取得了較大的進展，遙感與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術成功地應用于作物長勢、種植面積、產量、災害、水土流失等方面的監(jiān)測[15～17]。國內農業(yè)專家系統(tǒng)日益深入，主要包括啟發(fā)式專家系統(tǒng)、實時專家系統(tǒng)、專家數(shù)據(jù)庫、模型專家系統(tǒng)、問題專用殼等
五類[18]。全國人工農情信息網絡為農業(yè)決策部門提供生產形勢和對策分析服務方面，發(fā)揮著日益重要的作用[16]。全國農業(yè)科技信息網絡已開始著手建設[19]，所有這些進步和發(fā)展都標志著我國農業(yè)信息化建設正在邁出重要的一步。
目前，我國政府正在推行的“高產、優(yōu)質、低耗、高效”的資源節(jié)約型農業(yè)
政策[12]，社會主義市場經濟體制的確定，經濟增長方式的迅速轉變?yōu)槲覈_農業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術支撐和政策保障。
2.2我國農業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
（1）有限農業(yè)資源的高效利用我國人口眾多，人均資源少。目前，人均耕地、草地、林地和水資源分別不到世界平均水平的1／3、1／3、1／8和1／4[1]。進入下一世紀中葉，中國人口將增至15～16億[12]。人地矛盾和人糧矛盾會進一步嚴峻。而另一方面，我國的資源利用效益很低。如我國灌溉水有效利用率約為40%，糧食作物用水產出效益（即單位耗水量的農作物產量）少于1kg／m3x，遠低于發(fā)達國家水平（約為50%～70%）[20、12]。又如我國化肥的當季利用率，氮為30%～35%，磷為10%～20%，鉀為35%～50%，大大低于美國和日本的氮素利用率（可達60%～70%），而地域和養(yǎng)分不平衡又進一步減少了肥效[12、21、22]。因此，充分有效地利用有限的資源，發(fā)展以節(jié)地、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)糧為目標的農業(yè)將是當前與未來中國農業(yè)必須關注的重點問題。
（2）農業(yè)環(huán)境污染的有效控制我國部分地區(qū)因施肥不當已引起環(huán)境污染，出現(xiàn)了地表水富營養(yǎng)化，地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標等問題[21]。水土流失面積占國土總面積的1／5；沙漠化的土地達到3330hm2，且以每年120萬hm2左右速度
增加[1]。旱、澇、鹽、堿、風等災害又威脅著我國2000萬hm2耕地[1]。如何在當前與未來能在不加劇或減少環(huán)境污染的前提下謀求發(fā)展是我國農業(yè)面臨的另一重要問題。
當前國際公認的精確農業(yè)的好處就在于其完善的管理、資源的高效利用和環(huán)境保護效益[23]。因此，我國很有必要進行精確農業(yè)的研究與試驗。
3我國的精確農業(yè)行動對策
精確農業(yè)是具有超前性的農業(yè)高技術，代表了當前國際上農業(yè)發(fā)展的新趨勢，對我國農業(yè)的發(fā)展將發(fā)揮日益重要的推動作用。因此，我們應開展精確農業(yè)的研究，加強我國農業(yè)信息化的建設，示范和實踐適用的精確農業(yè)體系。
3.1開展多種集成水平的精確農業(yè)研究和實踐
按技術集成水平和機械化程度，精確農業(yè)至少可劃為三類：無機械化精確農業(yè)、半機械化精確農業(yè)和全自動化、信息化的精確農業(yè)。無機化精確農業(yè)指無任何VRT機械設備，對某項或某幾項因子的時間、空間變化利用GIS進行查詢和輔助決策。這是一種最簡單而有效的精確農業(yè)，適合我國絕大部分地區(qū)應用和發(fā)展，尤其是丘陵和山區(qū)。半機械化精確農業(yè)指部分采用VRT機械化設備，用于收割、播種、施肥或灌溉，部分設備實現(xiàn)了自動控制和監(jiān)測，其余部分仍由GIS進行查詢，然后人工實施。這可能適合我國北方平原已形成了規(guī)模化經營、機械化已達一定程度的大農場。全自動化、信息化的精確農業(yè)指全部采用VRT機械化設備，GIS提供決策基礎，DSS輔助決策，GPS／DGPS定位，自動控制耕作全過程和建立建全田間管理檔案。這在我國實現(xiàn)和應用還會有相當大的難度，但作為研究，仍可重點選擇和支持一個試驗點，以便研究高度集成化的精確農業(yè)技術系統(tǒng)。
針對各種不同的精確農業(yè)實現(xiàn)水平，我們應建立相應的試驗示范農場。這樣，我們才能在實踐中研究精確農業(yè)技術、系統(tǒng)集成方法、信息分析和決策方法、自動控制、效益（經濟、環(huán)境和社會效益）等，總結出適合我國發(fā)展的精確農業(yè)體系，指導我國農業(yè)的發(fā)展。
3.2農業(yè)信息基礎設施的建設
精確農業(yè)可以說就是農業(yè)信息化的典型產物。農業(yè)資源信息和農情信息是精確農業(yè)的信息基礎，是決定精確農業(yè)效益的關鍵。因此，必須加強農業(yè)信息基礎設施建設，建立和制定信息共享和數(shù)據(jù)更新的機制、技術規(guī)范、標準和政策法規(guī)，促進我國國產化設備和軟件的設計和應用。農業(yè)信息基礎設施最基本的是要以各級農業(yè)部門為依托，建設中央—省—市—縣信息骨干網絡系統(tǒng)[24]。即全國以國家農業(yè)部信息中心為核心，以各省（市）為樞紐，縣（市）為網點，并與其它網絡互聯(lián)，形成全方位的農業(yè)資源和經濟信息網絡系統(tǒng)。
3.3精確農業(yè)推廣系統(tǒng)的建立
農業(yè)推廣系統(tǒng)實質是人才的培養(yǎng)，包括政府管理決策人員、研究人員、教學人員、經營企業(yè)、農民等的培養(yǎng)和教育[25]。精確農業(yè)推廣系統(tǒng)的目標就是要培養(yǎng)一支多層次的隊伍，使精確農業(yè)的研究、管理、應用得以實現(xiàn)。其中，社會咨詢意識的培養(yǎng)尤其重要[26]，它關系著精確農業(yè)是否能在我國真正得到應用。農業(yè)信息化和精確農業(yè)要求勞動者具有更高的知識和技術水平[27]。
3.4多學科聯(lián)合研究體系的建立
精確農業(yè)是一多學科技術系統(tǒng)集成的具體化。它需要多學科、多層次的專業(yè)人員的合作。因此，為促進合作和交流，建議：①成立一全國性專業(yè)學會；②每年組織1～2次專業(yè)討論會；③建立一供管理人員和研究人員參加國際專業(yè)學術交流會和展示會的基金；④在英特網上設立一論壇和精確農業(yè)圖書館，為多學科研究者提供交流和信息共享的現(xiàn)代機制。
4GIS在精確農業(yè)中的作用和行動對策
GIS在精確農業(yè)中作用較大，是精確農業(yè)集成系統(tǒng)的關鍵技術。GIS是人們在計算機硬、軟件環(huán)境里，使大量描述客觀事物、關系和過程的各種數(shù)據(jù)，按照它們的地理坐標或袖章位置，輸入編輯、存貯更新、量測運算、查詢檢索、分析處理、模型應用、動態(tài)模擬、決策支持、模型應用、顯示制圖和報表輸出，從而幫助人們實現(xiàn)認識、利用和改造客觀世界的某種或某些任務目標的一種信息系統(tǒng)[28]。
4.1GIS在精確農業(yè)中的作用
GIS在精確農業(yè)中的作用主要體現(xiàn)在提供數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、決策和變率施用處理等方面[5]。在美國的一項咨詢調查結果表明[5]：美國精確農業(yè)工作者使用GIS軟件人數(shù)高達60%，基礎軟件普遍為ARC／INFO、GRASS和IDRISI。
（1）GIS的管理功能GIS工具軟件為精確農業(yè)技術系統(tǒng)提供了人機對話界面、數(shù)據(jù)獲取和記錄功能、編輯功能、查詢功能、遠程數(shù)據(jù)調用（ODBC）等輸入與輸出功能[29～31]。GIS的管理功能已不僅局限于二維數(shù)據(jù)，而且已擴展到了三維（如數(shù)字高程模型及相關地形分析[30]），甚至四維（如動態(tài)監(jiān)測分析、預測分析、動態(tài)模擬
等[31]）。GIS的業(yè)務化也將使其管理功能加強[32]。
（2）GIS的信息產品GIS目前已不僅是指其工具，而且也包括大量的空間信息產品[33]。農業(yè)資源信息和農情信息將是精確農業(yè)決策的基礎。GIS與RS的集成系統(tǒng)將不斷地為精確農業(yè)提供及時、準確的數(shù)據(jù)。
（3）GIS的決策功能GIS是一個在問題求解中包含空間信息的決策支持
系統(tǒng)[34]。在精確農業(yè)中，GIS將作為空間決策工具，提供決策模型[35]、VRT和GPS集成決策系統(tǒng)。
4.2GIS行動對策
通用GIS軟件和產品在精確農業(yè)中的應用存在著一定的障礙。美國Usery等的問卷式調查結果顯示[5]，精確農業(yè)GIS用戶要求通用GIS軟件在以下方面進行改善：①更完善的用戶界面；②支持更多的統(tǒng)計和經濟函數(shù)；③支持更多的經驗模型；④易學易用；⑤聯(lián)接更多、更好的數(shù)據(jù)庫資源；⑥和GPS的實時連接；⑦更快的操作速度。
我國的精確農業(yè)將有自己的特點：咨詢與決策GIS將是關鍵技術系統(tǒng)。因此，我們應跟蹤國際上GIS的集成發(fā)展趨勢，加強各種集成系統(tǒng)的研究（GIS與RS，GIS與GPS，GIS與CDS，GIS與DSS等[30、35、36]）；瞄準模擬與建模這個基本點，在原有的一些應用方向上繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展②；提高實用性，促進GIS產業(yè)五化（技術成果商品化、系統(tǒng)運行業(yè)務化、結構配置網絡化、信息服務社會化和科學知識普及化）[28]；方便各級用戶學習和使用，促進GIS軟件的國產化[37]。
5結語
精確農業(yè)是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的必然結果，是超前性的農業(yè)新技術，是信息農業(yè)的重要組成部分[11]。結合我國國情，研究發(fā)展適用的精確農業(yè)技術體系、運用體系是必要的。精確農業(yè)的研究與發(fā)展將有助于我國人口、資源與環(huán)境方面重大問題的解決，有助于農業(yè)資源的高效利用和農業(yè)環(huán)境保護。GIS作為精確農業(yè)的核心技術，也應適應精確農業(yè)需要，作技術上的改進與深入。
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