農(nóng)村研究論文-精細(xì)農(nóng)業(yè)的技術(shù)組織、決策分析及在我國的應(yīng)用實(shí)踐.doc

農(nóng)村研究論文-精細(xì)農(nóng)業(yè)的技術(shù)組織、決策分析及在我國的應(yīng)用實(shí)踐摘要“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的核心是用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，在機(jī)械化基礎(chǔ)上，將地理信息系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、傳感技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)，其結(jié)果必然會(huì)引起一場新的農(nóng)業(yè)科技革命，也必將會(huì)對(duì)我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。因此，在充分了解“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)組成的基礎(chǔ)上，探討了“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的應(yīng)用范圍，尤其是結(jié)合我國國情，提出了在我國逐步實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)方案。關(guān)鍵詞精細(xì)農(nóng)業(yè)；地理信息系統(tǒng)；定位系統(tǒng)；決策支持系統(tǒng)；傳感技術(shù)本世紀(jì)后半期世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物遺傳育種技術(shù)的進(jìn)步，耕地和灌溉面積的擴(kuò)大以外，基本上是在化肥與農(nóng)藥等化學(xué)品的大量增加和機(jī)械動(dòng)力與礦物能源大量投入的條件下獲得的。由此引起的農(nóng)業(yè)水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，已經(jīng)引起國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，并成為實(shí)踐農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。所謂可農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展是指在農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境的持續(xù)支撐下的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長。即有效利用農(nóng)業(yè)資源，提高農(nóng)業(yè)利潤，減少農(nóng)業(yè)污染。中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，用占世界7的耕地解決了世界22人口的溫飽問題，取得了舉世矚目的成就。但是，我國面對(duì)的“人多地少，資源短缺，環(huán)境惡化，人增地減”的趨勢不可逆轉(zhuǎn)。保證21世紀(jì)我國16億人口的食物安全，關(guān)鍵在于推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技的進(jìn)步。正如江澤民同志所指出的“中國的農(nóng)業(yè)問題，糧食問題要靠中國人自己解決。這就要求我們的農(nóng)業(yè)科技必須要有一個(gè)大的發(fā)展，必然要進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)科技革命”?？v觀世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，一個(gè)新的農(nóng)業(yè)科技革命的序幕已經(jīng)拉開。以生物技術(shù)、信息技術(shù)為先導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用，為世界各國農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇?！熬?xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)正是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，成為農(nóng)業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支。其核心是用現(xiàn)代高新技術(shù)特別是信息技術(shù)來改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，在機(jī)械化的基礎(chǔ)上，把地理信息系統(tǒng)（GIS）、定位系統(tǒng)（GPS）、決策支持系統(tǒng)、傳感技術(shù)進(jìn)行集成，使作物生產(chǎn)更加科學(xué)，減少投入，提高產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)高效利用各種農(nóng)業(yè)資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。目前，我國化肥和農(nóng)藥的利用率都在30左右，農(nóng)業(yè)灌溉水利用率不足35，僅及發(fā)達(dá)國家的一半。以施用化肥為例，1978年到1995年，全國化肥用量增長了97，而糧食僅增長了36，糧食產(chǎn)量每增長1，化肥施用量差不多要增長3。這種化肥施用量遞增和過低的利用率，造成化肥報(bào)酬遞減和對(duì)土壤、地下水、谷物的嚴(yán)重污染。如果化肥利用率提高10個(gè)百分點(diǎn)，每年即可節(jié)約1000多萬噸化肥，相當(dāng)于節(jié)約近100億元人民幣。據(jù)有關(guān)國外報(bào)道，“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)將會(huì)使目前化肥和農(nóng)藥的施用量減少50甚至更多。1“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)組成1.1數(shù)據(jù)采集技術(shù)“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)是通過產(chǎn)量測量、作物監(jiān)測以及土壤采樣等方法來獲取數(shù)據(jù)，以便了解整個(gè)田塊的作物生長環(huán)境的空間變異特性。1)產(chǎn)量數(shù)據(jù)采集帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量測量的谷物聯(lián)合收割機(jī)（如美國JohnDeree和英國MesseyFerguson等），在收獲的同時(shí)，每隔1.2秒記錄當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)量，記錄數(shù)據(jù)以文本形式（經(jīng)度、緯度、產(chǎn)量和谷物含水量）存儲(chǔ)在磁卡中，然后讀入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。影響產(chǎn)量精度的主要原因是GPS（或DGPS）定位精度、產(chǎn)量傳感器的測量精度、實(shí)際割幅和前進(jìn)速度的準(zhǔn)確性。2)土壤數(shù)據(jù)采集土壤信息一般包括土壤含水量、土壤肥力、SOM、PH、土壤壓實(shí)、耕作層深度等。利用GPS在田間定位，采集土樣。由于采集的土樣一般還要送到實(shí)驗(yàn)室處理分析，耗資費(fèi)時(shí)，成為實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐的瓶頸。目前商品化的土壤養(yǎng)分快速測試儀器還是基于傳統(tǒng)化學(xué)分析技術(shù)，其可操作性和測量精度有待于改進(jìn)。國外基于TDR技術(shù)的土壤水分測量儀器、基于MR技術(shù)的多光譜SOM測試儀器已經(jīng)商品化，但其價(jià)格昂貴，不適于大面積推廣使用。3)苗情、病蟲草害數(shù)據(jù)采集利用機(jī)載GPS或人工攜帶GPS，在田間行走中隨時(shí)可定位，記錄位置，并記錄作物長勢或病蟲草害的分布情況。如監(jiān)測病蟲草害分布，一般人為可定性分為輕、較輕、中、較重、重，以1、2、3、4、5代表。該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于人的判斷能力。近年來，由于NIR視覺技術(shù)、圖象模式識(shí)別、多光譜識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)苗情、雜草識(shí)別快速監(jiān)測儀器不久將研制出來，并投入使用。4)其它數(shù)據(jù)采集地形邊緣測量，一般利用帶GPS的機(jī)動(dòng)車或人工攜帶GPS在田間邊界循環(huán)行走一圈，就能將邊界上的點(diǎn)記錄下來，經(jīng)過平滑形成邊界圖。另外，還要獲取近年來輪作情況、平均產(chǎn)量、耕作情況、施肥情況，作物品種、化肥、農(nóng)藥、氣候條件等有關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)用于進(jìn)行決策分析。數(shù)據(jù)分析一般采集的數(shù)據(jù)都是以文本表形式表示，需要利用一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，生成分布圖。1)產(chǎn)量數(shù)據(jù)分布圖由于產(chǎn)量數(shù)據(jù)是通過連續(xù)采樣獲得的，一般使用平滑技術(shù)（實(shí)際上是一種低通濾波方法）。通常使用移動(dòng)平均法來平滑數(shù)據(jù)曲面，它能消除采樣測試誤差，清晰地顯示區(qū)域性分布規(guī)律和變化趨勢。通過聚類分析生成具有不同產(chǎn)量區(qū)間的產(chǎn)量分布圖。2)土壤數(shù)據(jù)分布圖由于土壤采樣是非連續(xù)的采集土樣，需要估計(jì)采樣點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，這種估計(jì)過程稱為插值。即用已知采樣點(diǎn)的土壤數(shù)據(jù)估計(jì)相鄰未采樣點(diǎn)的土壤數(shù)據(jù)的一種方法。常用的插值方法有：最近相鄰、局部平均、距離倒數(shù)加權(quán)、等高線和克里格等。當(dāng)土壤采樣點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，克里格方法是最好的插值方法。該方法利用半方差圖確定土壤數(shù)據(jù)變化程度和合理的采樣間距。當(dāng)實(shí)際采樣間距大于合理的采樣間距時(shí)，就不能保證插值精度，這時(shí)可用其它方法處理。3)苗情、病蟲害分布圖由于該數(shù)據(jù)采樣即不象產(chǎn)量測量連續(xù)采樣，也不象土壤采樣以柵格采集土樣，而是在行走中，人為定點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)處理一般采用趨勢面分析，即用某種形式的函數(shù)所代表的曲面來逼近該信息的空間分布。趨勢面分析從總體上反映了苗情、病蟲草害的空間變化性趨勢。未來的發(fā)展趨勢是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)一起來，將田間觀測者的地理位置和田間觀測數(shù)據(jù)，通過便攜PC和天線發(fā)往辦公室PC，利用軟件自動(dòng)生成田間數(shù)據(jù)分布圖。決策分析“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)是根據(jù)田間采集到的不均衡空間分布數(shù)據(jù)及有關(guān)作物其它信息，經(jīng)過決策分析，來控制投入方式和施用量。決策分析是“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的核心，直接影響“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的實(shí)踐效果。GIS用于描述農(nóng)田空間上的差異性，而作物生長模擬技術(shù)用來描述某一位置上特定生長環(huán)境下的生長狀態(tài)。只有將GIS與模擬技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，才能制定出切實(shí)可行的決策方案。二者結(jié)合可按以下三種形式操作：一是GIS和模擬模型單獨(dú)運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)文件進(jìn)行通訊。二是建立一個(gè)通用接口，實(shí)現(xiàn)文件、數(shù)據(jù)的共享和傳輸。三是將模擬模型作為GIS的一個(gè)分析功能。GIS作為存儲(chǔ)、分析、處理、表達(dá)地理空間信息的計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，其空間決策分析一般包括網(wǎng)絡(luò)分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析等。作物生長模擬技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)程序模擬在自然環(huán)境條件下作物生長過程。作物生長環(huán)境除了不可控制的氣候因素外，還有土壤肥力、墑情等可控因素。GIS提供田間任一小區(qū)、不同生長時(shí)期的時(shí)空數(shù)據(jù)，利用作物生長模擬模型，在決策者的參與下，提供科學(xué)的管理方法，形成田間管理處方圖，指導(dǎo)田間作業(yè)?？刂茖?shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的目的是科學(xué)管理田間小區(qū)，降低投入，提高生產(chǎn)效率。作為支持“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，除了帶有定位系統(tǒng)和產(chǎn)量測量的聯(lián)合收割機(jī)外，按處方圖進(jìn)行作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械還有：帶有定位系統(tǒng)和處方圖讀入設(shè)備，控制播深和播量的谷物精密播種機(jī)；控制施肥量的施肥機(jī)；控制劑量的噴藥機(jī)；控制噴水量的噴灌機(jī)；控制耕深的翻耕機(jī)等。例如，當(dāng)駕駛拖拉機(jī)在田間噴施農(nóng)藥時(shí)，駕駛室中安裝的監(jiān)視器顯示噴藥處方圖和拖拉機(jī)所在的位置。駕駛員監(jiān)視行走軌跡的同時(shí)，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)處方圖上的噴藥量，隨時(shí)向噴藥機(jī)下達(dá)命令，控制噴灑。2“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)應(yīng)用2.1“精細(xì)農(nóng)業(yè)”具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)提高收益按照土壤特性、作物需求，實(shí)施灌溉、施肥、播種和病蟲草害防治，即能降低用水、肥料、種子、農(nóng)藥的投入，也能增加作物產(chǎn)量。2)保護(hù)環(huán)境根據(jù)農(nóng)田作物定點(diǎn)需求，控制化學(xué)物品的施用量，即能降低土壤、地下水、作物品質(zhì)的污染，也能保護(hù)生態(tài)環(huán)境。3)提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量根據(jù)作物的實(shí)際需求，即能避免因過量施用化肥、農(nóng)藥、水帶來的副作用，造成作物減產(chǎn)，品質(zhì)下降，也能改善因缺少養(yǎng)分造成的減產(chǎn)和降低作物品質(zhì)。4)提供更多有用信息由于可以獲取農(nóng)田更多的信息，能夠使作物生產(chǎn)管理人員制定出更準(zhǔn)確、合理的管理決策。2.2實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐，一般需要滿足的條件1)農(nóng)田大小農(nóng)田大小的概念主要取決于外部環(huán)境。不同國家，適于“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐的農(nóng)田大小不一樣。一般需要一個(gè)全面的經(jīng)濟(jì)分析，可以計(jì)算出一個(gè)國家適于“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐的最小農(nóng)田范圍。根據(jù)國外一篇文章報(bào)道，以小麥?zhǔn)┓蕿槔?，根?jù)產(chǎn)量分布圖顯示，若按均一施肥200kg/ha，平均產(chǎn)量為6.85t/ha，保守提出一個(gè)產(chǎn)量目標(biāo)7t/ha，假定)由于農(nóng)田起頭土壤壓實(shí)度較大，使得20的農(nóng)田平均產(chǎn)量為5t/ha或更低，通過三年的深耕，可改善土壤壓實(shí)，使小麥產(chǎn)量提高10（0.5t/ha）。)有15農(nóng)田產(chǎn)量為6t/ha，由于土質(zhì)問題，不會(huì)達(dá)到7t/ha，因此，連同上面的20的農(nóng)田，再少施30kg/ha氮。)20農(nóng)田能夠提高產(chǎn)量到8t/ha，因此，再多施40kg/ha氮，可將7t/ha提高到8t/ha。根據(jù)當(dāng)前小麥、氮的時(shí)價(jià)，深耕費(fèi)用，DGPS服務(wù)費(fèi)用，辦公軟件費(fèi)用，帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量測量的聯(lián)合收割機(jī)和定位變量施肥機(jī)的使用費(fèi)用，利息等，通過費(fèi)用利益分析，適于“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐的最小面積約為85.6ha。2)農(nóng)機(jī)化程度農(nóng)田可大可小，但是，農(nóng)業(yè)作業(yè)若不是機(jī)械化，“精細(xì)農(nóng)業(yè)”就無法實(shí)施。如聯(lián)合收割機(jī)、播種機(jī)、施肥機(jī)、噴藥機(jī)、噴灌機(jī)等。另外，還需要GIS、GPS（DGPS）；信息采集、分析設(shè)備；隨農(nóng)業(yè)機(jī)械配備的定位系統(tǒng)、控制設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備等?？傊?，機(jī)械化、自動(dòng)化程度越高，越利于實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐。3)農(nóng)田差異一般來說，作物生長沒有空間差異的農(nóng)田，實(shí)施“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐，是不會(huì)有經(jīng)濟(jì)效益的。農(nóng)田的空間差異首先表現(xiàn)在產(chǎn)量的空間差異上。產(chǎn)量的差異可能是由于土壤墑情、土壤肥力、病蟲草害分布等因素的差異性造成的。但是，一塊農(nóng)田出現(xiàn)差異并不意味著有益于“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)實(shí)踐。首先，必須確定田間存在的差異有多大；其次，能否尋找到作物生長空間差異與作物產(chǎn)量空間差異之間的關(guān)系；再次，根據(jù)目前的作業(yè)條件，能否解決這些差異問題。2.3開展適合