第六課、現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)及我國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向

　　農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言的，其實質(zhì)體現(xiàn)了當代科學技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的綜合應用，它是一個歷史的、動態(tài)的概念。在經(jīng)歷了原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、工業(yè)化農(nóng)業(yè)(石油農(nóng)業(yè)或機械化農(nóng)業(yè))后，農(nóng)業(yè)正在進入以知識高度密集為主要特點的知識農(nóng)業(yè)發(fā)展階段，將現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)和工程裝備技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(PrecisionAgriculture)，已成為發(fā)達國家面向21世紀的現(xiàn)代知識農(nóng)業(yè)的重要生產(chǎn)形式。

　　1、精準農(nóng)業(yè)

　　農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的某種形態(tài)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織形式(農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系)所決定。影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式的主要外界因素有農(nóng)業(yè)自然資源保障系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)及農(nóng)村勞動力資源、農(nóng)業(yè)自然條件和農(nóng)村經(jīng)濟條件及社會生產(chǎn)力水平4個方面。

　　傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率較低，大量勞動力被束縛在農(nóng)業(yè)上。通過大量高能耗工業(yè)產(chǎn)品(機械、化肥、農(nóng)藥、燃油、電力等)的投入來維持系統(tǒng)的產(chǎn)出。機械化農(nóng)業(yè)的主要優(yōu)勢是大幅度地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，但也遇到了許多問題：如土地壓實、水土流失、地下水及地表水污染，農(nóng)藥的使用導致了嚴重的公共衛(wèi)生和環(huán)境方面的問題，品種基因單一化的危害、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的下降，水土資源及能源制約等。這種農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境的壓力促使科學家和農(nóng)民努力尋求一種在繼續(xù)維持并提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的同時，又能有效利用有限資源、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的新的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，并進行了多種探索，提出了多種解決途徑，如自然農(nóng)業(yè)、有機農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，等等。90年代以來，隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、農(nóng)業(yè)應用電子技術(shù)和作物栽培有關(guān)模擬模型以及生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)(DDS)技術(shù)研究的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)已成為合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。

　　2、精準農(nóng)業(yè)的技術(shù)體系

　　精準農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)**新成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其核心技術(shù)是地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計算機自動控制技術(shù)。精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個綜合性很強的復雜系統(tǒng)，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)低耗、高效、優(yōu)質(zhì)、安全的重要途徑。

　　2.1現(xiàn)代信息技術(shù)

　　精準農(nóng)業(yè)從90年代開始在發(fā)達國家興起，目前已成為一種普遍趨勢，英美法德等國家紛紛采用先進的生物、化工乃至航天技術(shù)使精準農(nóng)業(yè)更加精準。美國把曾在海灣戰(zhàn)爭中運用過的衛(wèi)星定位系統(tǒng)應用于農(nóng)業(yè)，這項技術(shù)被稱為精準種植，即通過裝有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的裝置，在農(nóng)戶地里采集土壤樣品，取得的資料通過計算機處理，得到不同地塊的養(yǎng)分含量，精準度可達1-3m2。技術(shù)人員據(jù)此制定配方，并輸入施肥播種機械的電腦中。這種機械同樣裝有定位系統(tǒng)，操作人員進行施肥和播種可以完全做到定位、定量。還可將衛(wèi)星定位系統(tǒng)安裝在聯(lián)合收割機上，并配置相連的電子傳感器和計算機，收割機工作時可自動記錄每平方米農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤濕度和養(yǎng)分等的精數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)代信息技術(shù)的特點是應用地理信息系統(tǒng)將土壤和作物信息資料整理分析，制成具有時效性和可操作性的田間管理信息系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)以及計算機自動控制技術(shù)，根據(jù)空間每一操作單元的具體條件，通過調(diào)整資源投入量，達到增加產(chǎn)量、減少投入、保護農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境質(zhì)量的目的。同時在農(nóng)田經(jīng)營管理決策的環(huán)節(jié)上，可根據(jù)不同情況選擇單純獲取高產(chǎn)，以適量投入，獲取較好經(jīng)營利潤或減少資源消耗、保護生態(tài)環(huán)境等多種不同優(yōu)化目標。這項技術(shù)的構(gòu)成包括空間定位的農(nóng)作物產(chǎn)量信息采集技術(shù)和土壤信息定時采集技術(shù)、農(nóng)田地理信息系統(tǒng)定時更新技術(shù)及空間定位的農(nóng)業(yè)投入控制系統(tǒng)等。

　　2.2生物技術(shù)

　　現(xiàn)代生物技術(shù)從廣義上講主要包括基因工程、細胞工程和微生物工程等，**富有生命力的核心技術(shù)是基因工程?，F(xiàn)代生物技術(shù)**顯著的特點是打破了遠緣物種不能雜交的禁區(qū)，即用新的生物技術(shù)方法開辟一個世界性的新基因庫源泉，用新方法把需要的基因組合起來，培育出抗病性更強、產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好、營養(yǎng)更豐富，且生產(chǎn)成本更低的新作物、新品種；另外還具有節(jié)約能源、連續(xù)生產(chǎn)、簡化生產(chǎn)步驟、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染等功效。如美國把血紅蛋白轉(zhuǎn)移到玉米中，不僅保持了玉米的高產(chǎn)性能，而且提高了它的蛋白含量。抗轉(zhuǎn)基因水稻、玉米、土豆、棉花和南瓜等已在美國、阿根廷、加拿大數(shù)百萬公頃土地上試種。1998年，全世界利用原生質(zhì)體培養(yǎng)技術(shù)已成功地開發(fā)了100多種再生植物，轉(zhuǎn)基因牛、羊、豬和魚也培育成功。美國是采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)**多的國家，1998年轉(zhuǎn)基因作物播種面積達2050萬hm2，是1997年的2.5倍；目前其轉(zhuǎn)基因種子播種面積已占大豆播種面積的36%，占玉米播種面積的45%。阿根廷是繼美國之后大量采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)的國家，1998年轉(zhuǎn)基因作物播種面積達550萬hm2，是1997年的4倍，其中75%的大豆播種面積采用經(jīng)過改變基因的豆種。加拿大轉(zhuǎn)基因作物播種面積從1997年的130萬hm2，增加到1998年的280萬hm2；50%的大豆和玉米播種面積采用了經(jīng)過基因處理的種子。

　　微生物農(nóng)業(yè)是以微生物為主體的農(nóng)業(yè)。微生物在合成蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、各種酶方面的能力比動物、植物高上百倍；微生物還可利用有機廢棄物，變廢為寶、保護生態(tài)環(huán)境。利用有益微生物，不僅可獲得大量生物量，用于制作食用蛋白質(zhì)以及脂肪、糖類等專門食品，而且在生物防治、土壤改良方面也有突出表現(xiàn)。日本研制的EM(含80余種微生物的生物制劑)，被稱為可以挽救地球的有效微生物群。施用EM可少用或不用化肥、農(nóng)藥和抗生素藥物，凈化環(huán)境。

　　2.3工程裝備技術(shù)

　　現(xiàn)代工程裝備技術(shù)是精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的重要組成部分，是硬件，其核心技術(shù)是機電一體化技術(shù)；在現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)中，應用于農(nóng)作物播種、施肥、灌溉和收獲等各個環(huán)節(jié)。

　　精準播種。將精準種子工程與精準播種技術(shù)有機結(jié)合，要求精準播種機播種均勻、精量播種、播深一致。精準播種技術(shù)既可節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)種子，又可使作物在田間獲得**佳分布，為作物的生長和發(fā)育創(chuàng)造**佳環(huán)境，從而大大提高作物對營養(yǎng)和太陽能的利用率。

　　精準施肥。要求能根據(jù)不同地區(qū)、不同土壤類型以及土壤中各種養(yǎng)分的盈虧情況，作物類別和產(chǎn)量水平，將N、P、K和多種可促進作物生長的微量元素與有機肥加以科學配方，從而做到有目的地肥，既可減少因過量施肥造成的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，又可降低成本。要求有科學合理的施肥方式和具有自動控制的精準施肥機械。

　　精準灌溉。在自動監(jiān)測控制條件下的精準灌溉工程技術(shù)，如噴灌、滴灌、微灌和滲灌等，根據(jù)不同作物不同生育期間土壤墑情和作物需水量，實施實時精量灌溉，可大大節(jié)約水資源，提高水資源有效利用率。

　　精準收獲。利用精準收獲機械做到顆粒歸倉，同時可根據(jù)一定標準確分級。

　　3、我國精準農(nóng)業(yè)的重點發(fā)展方向

　　我國各地的自然條件、社會經(jīng)濟條件差異明顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平差距較大，農(nóng)業(yè)集約化總體水平較低。表2示出1994年中印日美4國農(nóng)業(yè)集約化程度及世界的平均水平。可以看出，我國農(nóng)業(yè)具有以下特點：1)農(nóng)業(yè)人口人均耕地面積小，僅為世界平均水平的1/5；低于印度、日本，同美國相差甚遠。2)農(nóng)業(yè)機械化水平低。每萬公頃拖拉機擁有量，僅約為世界平均水平的34.7%，甚至低于印度的水平。3)化肥投入水平高。每公頃化肥投入量是世界平均水平的3.37倍，高于美國，但低于日本。

　　同農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)集約化水平較低，要實現(xiàn)現(xiàn)代化，是繼續(xù)走農(nóng)業(yè)發(fā)達國家已走過的以犧牲土質(zhì)、環(huán)境及使用對人類健康有不良影響的大量依靠農(nóng)藥、化肥的石油農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，還是利用現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)和工程裝備技術(shù)發(fā)展具有中國特色的精準農(nóng)業(yè)，答案是不言而喻的。應根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的資源環(huán)境問題，走具有中國特色的精準農(nóng)業(yè)發(fā)展之路，實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　3.1重點發(fā)展節(jié)水、節(jié)肥精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系

　　1)實現(xiàn)精準灌溉，提高水資源利用率。

　　水資源短缺是我國許多地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素。據(jù)測算，我國全年降水量約為6.19萬億m3，其中約55%消耗于陸面蒸發(fā)，只有45%轉(zhuǎn)徑流和地下水，實際利用率不到10%(約5000億m3)。

　　當前我國農(nóng)業(yè)灌溉用水面臨的主要問題是灌溉農(nóng)區(qū)面積約5000hm2，其中渠灌面積較大，多屬粗放型灌溉模式。在華北井灌區(qū)特別是華北平原地區(qū)，自從將兩年三熟制改為一年兩熟制后，水分虧缺部分全靠超采地下水來彌補，地下水位連年下降，給北方灌溉農(nóng)業(yè)造成嚴重威脅。

　　同時我國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。我國渠灌面積約3900hm2，井灌面積1100多萬hm2，合計約5000萬hm2。渠水灌溉的利用率約為0.3，井水灌溉利用率約為0.5，兩者加權(quán)平均值為0.35左右，與發(fā)達國家0.7-0.9的利用率相比，差距巨大。有關(guān)部門測算，如將農(nóng)業(yè)用水(按4000億m3計算)的利用率提高0.2，即達到0.55，則可節(jié)水800億m3。

　　山東海陽引進以色列技術(shù)，建成約33hm2(約500畝)果園自動化控制微噴工程，采用微機控制。根據(jù)土壤吸水能力、蘋果生產(chǎn)階段和氣候條件等因素，定時、定量、定位給果樹供水。據(jù)有關(guān)專家測算，糧田自動化噴灌可節(jié)水30%-40%；省地1.5%-2.0%；果園和菜園的微灌可節(jié)水50%-60%；防滲渠道與土渠相比可節(jié)水約50%。

　　有研究認為，北京市耕地面積與以色列耕地面積基本相同，但北京市水資源總量和農(nóng)業(yè)用水量都約為以色列的2.4倍，如采用精準農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略，以管道灌溉、噴灌、滴灌和滲灌等方式取代大水漫灌，在產(chǎn)量上達到以色列現(xiàn)水平，可節(jié)水約2/3，即約18億m3。

　　2)實施精準施肥，提高化肥資源利用率

　　據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，化肥對糧食的貢獻率約占40%。我國能以占世界7%的耕地養(yǎng)活占世界22%的人口，應該說化肥在其中起了重要作用；但同時也發(fā)現(xiàn)，從1980-1995年的十幾年間，化肥施用總量增加了183.1%，年均遞增率達7.2%。1995年化肥總施用量約達3600萬t，而同期糧食總產(chǎn)只增加了46.6%，年均遞增率僅為2.7%。期間化肥投入所生產(chǎn)的糧食由31.5kg.kg-1下降至17.70kg.kg-1。我國化肥施用的突出問題是結(jié)構(gòu)不合理，利用率低。據(jù)大量試驗資料統(tǒng)計，平均單產(chǎn)6500kg.hm-2的谷物，1季產(chǎn)量從土壤中帶走100.5-169.5kg，P2O549.5-75.0kg，K2O120.0-175.5kg，N，P，K

　　比例為1：0.45：1。我國許多省區(qū)都存在過量施用氮磷化肥，鉀肥施用不足的問題。1995年我國N，P，K實際施用比例為1：0.43：0.17。由于農(nóng)田復種指數(shù)和作物產(chǎn)量的大幅度提高，有機肥施用量下降，化學鉀肥投入不足，我國土壤缺鉀面積日益擴大。

　　國外文獻報道，氮肥平均利用率可達50%-60%，當季利用率磷一般為10%-30%，鉀為20%-60%。據(jù)我國有關(guān)學者的研究，我國N，P，K平均利用率分別為35.0%，19.5%和47.5%，可見我國氮素化肥利用率低于世界平均水平，不僅浪費了資源、增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且未被作物吸收利用的氮素向大氣揮發(fā)、向水體淋溶，形成對環(huán)境的污染。

　　近年來我國農(nóng)田微量元素缺乏面積不斷擴大，而目前施用微量元素肥料的面積僅約1600萬hm2，為缺乏微量元素面積的11.3%。

　　在我國通過實施精準施肥技術(shù)，不但可以提高化肥資源利用率，還可以降低成本，提高作物產(chǎn)量。

　　3.2發(fā)展精細設施農(nóng)業(yè)

　　所謂設施農(nóng)業(yè)是指應用某些特制的設施來改變動植物生產(chǎn)發(fā)育的小氣候，達到人為控制其生產(chǎn)效果的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。設施農(nóng)業(yè)主要有：1)設施種植業(yè)，如溫室栽培、塑料大棚栽培、無土栽培；2)設施畜牧業(yè)，如畜禽舍、養(yǎng)殖場及草場建設等。利用現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)和工程裝備技術(shù)，進行設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，即為精細設施農(nóng)業(yè)。

　　設施農(nóng)業(yè)在國外發(fā)展較早，目前已達相當高的水平。在歐洲，多數(shù)國家以溫室生產(chǎn)為主，其中荷蘭和英國的溫室主要是玻璃溫室，用來生產(chǎn)蔬菜和花卉。荷蘭生產(chǎn)的蔬菜80%用于出口，花卉出口達世界出口量的71%(1987)。日本溫室栽培蔬菜和果樹的技術(shù)十分發(fā)達，幾乎所有品種的蔬菜在很大程度上都依賴于溫室生產(chǎn)。

　　我國設施農(nóng)業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。目前世界塑料大棚和溫室面積約36.576萬hm2，其中我國面積**大，達15.67萬hm2，占42.8%。設施農(nóng)業(yè)同普通農(nóng)業(yè)相比，產(chǎn)業(yè)化程度高，效益好，接受新技術(shù)的能力強。

　　在我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快的地區(qū)推廣、應用精準設施農(nóng)業(yè)可以達到增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)約水、肥資源，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的。

　　1)精準農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)**新成就基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的理代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。其核心技術(shù)是地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計算機自動控制技術(shù)。

　　2)在我國建立現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應從開始就將現(xiàn)代信息技術(shù)、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等各方面的專家有機組合在一起，協(xié)同攻關(guān)，逐步建立起具有中國特色的現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。

　　3)我國農(nóng)業(yè)仍屬于高耗、低效型農(nóng)業(yè)，農(nóng)田灌溉水的有效利用率只有30%-40%(發(fā)達國家已達50%-70%)，化肥當年利用率僅30%，因此，近期應重點發(fā)展節(jié)水、節(jié)肥的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。

　　4)在我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展較快的地區(qū)，研究、應用、推廣適合我國特點的精準設施農(nóng)業(yè)技術(shù)，對增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，節(jié)約水、肥資源，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。

　　5)同農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)集約化總體水平較低，但可在一些重點糧棉生產(chǎn)基地，如黑龍江大型國營農(nóng)場、新疆建設兵團農(nóng)場等土地經(jīng)營規(guī)模大、農(nóng)業(yè)機械化程度高、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)較好，且職工素質(zhì)較高的地區(qū)或生產(chǎn)單位，進行現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實踐。

 

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