精准农业的概念.docx

1、精准农业的概念精准农业的概念精准农业的概念精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。 精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机

2、具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。 精准农业的发展历史海湾战争后GPS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成为可能。1993-1994年，精准农业技术思想首先在美国明尼苏达州的两个农场进行试验。结果用GPS指导施肥的产量比传统平衡施肥的产量提高30%左右，而且减少了化肥施用总量，经济效益大大提高。精准农业的试

3、验成功，使得其技术思想得到了广泛发展。 近五年来，世界上每年都举办相当规模的“国际精细农作学术研讨会”和有关装备技术产品展览会，已有上千篇关于精细农作的专题学术报告和研究成果见诸于重要国际学术会议或专业刊物。在万维网上设有多个专题网址，可及时检索到有关精细农作研究的最新信息。美、英、澳、加、德等国的一些著名大学相继设立了精细农作研究中心，开设了有关博士、硕士的培训课程。在发达国家，精细农作技术体系已实验应用于小麦、玉米、大豆、甜菜和土豆的生产管理上。1995年美国约有5%的作物面积不同程度的应用了精细农作技术，近年来又有了更为迅速的发展。在美、加、澳、欧等国，精准农业的实验研究以涉及小麦、玉米

4、、大豆、甜菜、土豆等作物生产。不仅发达国家对精细农作的技术实践非常重视，巴西、马来西亚等国亦已开始了试验示范应用。 精准农业技术体系的实践与发展，已经引起一些国家科技决策部门的高度重视。美国国家研究委员会（National Research Council）为此专门立项对有关发展战略进行研究，经过由美国科学院、美国工程院院士组织评估，于1997年发表了一份“Precision Agriculture in the 21st Century-Geospatial and Information Technologies in Crop Management”研究报告，全面分析了美国农业面临的压力

5、、信息技术为改善作物生产管理决策和改善经济效益提供的巨大潜力，阐明了“精准农业”技术研究的发展现状以及为信息产业和支持技术开发研究提供的机遇。精准农业在美国、英国等发达国家已经形成为一种高新技术与农业生产结合的产业，且已被广泛承认是发展持续农业的重要途径。 育出抗病性更强、产量更高、品质更好、营养更丰富，且生产成本更低的新作物、新品种；另外还具有节约能源、连续生产、简化生产步骤、缩短生产周期、降低生产成本、减少环境污染等功效。如美国把血红蛋白转移到玉米中，不仅保持了玉米的高产性能，而且提高了它的蛋白含量。抗虫害转基因水稻、玉米、土豆、棉花和南瓜等已在美国、阿根廷、加拿大数百万公顷土地上试种。微

6、生物农业是以微生物为主体的农业。微生物在合成蛋白质、氨基酸、维生素、各种酶方面的能力比动物、植物高上百倍；微生物还可利用有机废弃物，变废为宝、保护生态环境。利用有益微生物，不仅可获得大量生物量，用于制作食用蛋白质以及脂肪、糖类等专门食品，而且在生物防治、土壤改良方面也有突出表现。日本研制的EM（含80余种微生物的生物制剂），被称为可以挽救地球的有效微生物群。施用EM可少用或不用化肥、农药和抗生素药物，净化环境。3、工程装备技术现代工程装备技术是精准农业技术体系的重要组成部分，是“硬件”，其核心技术是“机电一体化技术”；在现代精准农业中，应用于农作物播种、施肥、灌溉和收获等各个环节。精准播种。将

7、精准种子工程与精准播种技术有机结合，要求精准播种机播种均匀、精量播种、播深一致。精准播种技术既可节约大量优质种子，又可使作物在田间获得最佳分布，为作物的生长和发育创造最佳环境，从而大大提高作物对营养和太阳能的利用率。精准施肥。要求能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况，作物类别和产量水平，将N，P，K和多种可促进作物生长的微量元素与有机肥加以科学配方，从而做到有目的地科学施肥，既可减少因过量施肥造成的环境污染和农产品质量下降，又可降低成本。要求有科学合理的施肥方式和具有自动控制的精准施肥机械。精准灌溉。在自动监测控制条件下的精准灌溉工程技术，如喷灌、滴灌、微灌和渗灌等，根据不

8、同作物不同生育期间土壤墒情和作物需水量，实施实时精量灌溉，可大大节约水资源，提高水资源有效利用率。精准收获。利用精准收获机械做到颗粒归仓，同时可根据一定标准准确分级。 精确施肥1、 精确农业的概念及简介 20世纪后半期世界农业的高速发展，除了依靠生物技术的进步和耕地面积、灌溉面积的扩大外，基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下获得的。但由此引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体富营养化等生态环境问题，已经引起了国际社会的广泛关注，并推动了农业可持续发展和精确农业理论的产生和发展。精确农业是Precision Agriculture、Precision Farm

9、ing、Site-specific Farming(Agiculture)等名词的中译。4精确农业是现代信息技术（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技术，农业工程装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式和管理模式，其核心思想是获取农田小区作物产量和影响作物生产的环境因素（如土壤结构、土壤肥力、地形、气候、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行，经济上有效的调控措施，改变传统农业大面积、大样本平均投入的资源浪费作法，对作物栽培管理实施定位，按需变量投入。它包括精确播种，精确施肥，精确灌溉，精确收获这几个环节。而精确农业的

10、兴起对合理施肥提出了新的理论和技术要求。从化肥的使用来看，化肥对粮食产量的贡献率占40%，然而即使化肥利用率高的国家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，钾60%左右，肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸盐含量过高等环境问题。总之施肥与农业产量、产品品质、食品和环境污染等问题密切相关。精确施肥的理论和技术将是解决这一问题的有效途径。 2、 精确施肥（变量处方施肥）2.1精确施肥的必要性 土壤-作物-养分间的关系十分复杂。虽然我们已确定了作物生长中必不可少的大量元素和微量元素，但作物需求养分的程度因植物的种类不同而有差别。即使是同一种作物，不同的生长期

11、对各种养分的需求程度差别也很大。苗期是作物的营养临界期，虽然在养分数量方面要求不多，但是要求养分必须齐全和速效，而且数量足够。很多作物在营养最大效率期对某种养分需求数量最多，营养效果最好，同一作物不同养分的最大效率期不同，不同作物同一养分的最大效率期也不同。不同养分具有养分不可替代性即作物的产量主要受最少养分含量那个养分所限制，而这个最少的养分不能被其它养分所代替。为消除最小养分率的限制，大量的使用化肥，而这又造成一系列的环境问题。所以为取得良好的经济效益和环境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，变量处方施肥是我们未来施肥的发展方向。 2.2精确施肥 我们认为精确施

12、肥是将不同空间单元的产量数据与其他多层数据（土壤理化性质、病虫草害、气候等）的叠合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的变量处方施肥理论和技术。精确施肥是信息技术（RS，GIS，GPS），生物技术，机械技术和化工技术的优化组合。按作物生长期可分为基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分为耕施和撒施。按精施的时间性分为实时精施和时后精施。3、理论及技术体系 3.1土壤数据和作物营养实时数据的采集对于长期相对稳定的土壤变量参数，象土壤质地、地形、地貌、微量元素含量等，可一次分析长期受益或多年后再对这些参数做抽样复测，在我国可引用原土壤普查数据做参考。对于中短期土壤

13、变量参数，象N，P，K，有机质、土壤水分等，这些参数时空变异性大，应以GPS定位或导航实时实地分析，也可通过遥感（RS）技术和地面分析结合获得生长期作物养分丰缺情况。这是确定基肥、追肥施用量的基础。20世纪90年代以来，土壤实时采样分析的新技术、新仪器有了长足的发展进步。 3.1.1基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营养元素测定仪，在我国已有若干实用化的产品推广。3.1.2基于近红外（NIR）多光谱分析技术、半导体多离子选择效应晶体管（ISFET）的离子敏传感技术的研究已取得了初步的进展和研究成果5,6。3.1.3基于近红外（NIR）光谱技术和传输阻抗变换理论的土壤水分测量仪在我国已经研制成

14、功7,8。 3.1.4基于光谱探测和遥感理论的作物营养监测技术研究也取得了一定的进展。用植物光谱分析方法诊断植物营养水平具有快速、自动化、非破坏性等优点，但诊断专一性不够，解译精度也有待提高。在作物N营养与作物光谱特性方面，无论是多光谱被动遥感，还是激光荧光雷达主动遥感的研究和应用都已较为成熟9,10,11，在外观未发现缺氮症状时，已能区分作物的N素营养水平。日本首先研制了叶绿素计应用于田间作物氮素营养水平诊断及指导施肥，取得了较好的效果，据日农机新闻1999年又报道了一种自动化施肥装置，在水稻生长期间，可根据其叶子进行判断，自动调节施肥量，用分光传感器分析水稻生长情况，同时用GPS系统导航，

15、任何人都能进行操作。但植物中P、K和微量元素的营养水平与作物光谱特性的关系研究较少。国内外研究发现基于现在的仪器设备条件下，在严重缺磷时，光谱分析才能用作物磷营养诊断12；钾只能区分34级营养水平13。但随着一系列地球观测卫星的将在近几年发射，卫星影像空间分辨率和光谱分辨率的提高，遥感技术将在作物营养监测的中扮演重要的角色。3.2差分全球定位系统（DGPS） 无论是田间实时土样分析，还是精确施肥机的运作，都是以农田空间定位为基础的。全球定位系统（GPS）为精确施肥提供了基本条件。GPS接收机可以在地球表面的任何地方、任何时间、任何气象条件下至少获得4颗以上的GPS卫星发出的定位定时信号，而每一

16、卫星的轨道信息由地面监测中心监测而精确知道，GPS接受机根据时间和光速信号通过三角测量法确定自己的位置。但由于卫星信号受电离层和大气层的干扰，会产生定位误差，美国提供的GPS定位误差可达100米，所以为满足精确施肥或精确农作需要，须给GPS接受机提供差分信号即差分定位系统（DGPS）。DGPS除了接收全球定位卫星信号外，还需接收信标台或卫星转发的差分校正信号。这样可使定位精度大大提高。我们在实验中用的美国GARMIN公司的GPS12XL 接受机，接收差分输入后可达到15的定位精度。现在民用DGPS已完全能满足精确施肥的需要。现在的研究正向着GPS-GIS-RS一体化，GPS-智能机械一体化方向

17、发展。日本最近实验利用GPS定位插秧机、GPS定位自动施肥机，误差在10cm以内14,15。 3.3决策分析系统 决策分析系统是精确施肥的核心，直接影响精确施肥的技术实践成果。决策分析系统包括地理信息系统（GIS）和模型专家系统二部分。GIS用于描述农田空间属性的差异性；作物生长模型和作物营养专家系统用于描述作物的生长过程及养分需求。只有GIS和模型专家系统紧密结合，才能制定出切实可行的决策方案，这也使现在国内外GIS集成的研究热点。在精确施肥中，GIS主要用于建立土壤数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库和进行空间属性数据的地理统计、处理、分析、图形转换和模型集成等。作物生长模型是将作物及

18、气象和土壤等环境作为一个整体，应用系统分析的原理和方法，综合大量作物生理学、生态学、农学、土壤肥料学、农业气象学等学科的理论和研究成果，对作物的生长发育、光合作用、器官建成和产量形成等生理过程与环境和技术的关系加以理论概括和数量分析，建立相应的数学模型。它是环境信息与作物生长的量化表现。通过作物生长模型我们可以得出任意生长时期作物对土壤生长环境的要求，以便采取相关的措施。在这方面美国的科学家们综合考虑大气-土壤-作物之间的相互作用，早在20世纪70年代研制出大型作物模拟模型CERES（覆盖了玉米、小麦、高粱、大豆、花生等12种作物），国内高亮之等系统的完成了水稻模型RICEMOD16。但这些模

19、型在生理生态模拟方面仍比较简单，其机理性、适用性有待于进一步发展和提高。我国20世纪80年代就就开发了作物营养专家系统，但无论是作物肥料效应函数模型为基础的专家系统，还是测土施肥目标产量模型，都属于统计模型，不同的统计模型计算的施肥量相差3倍以上16。以作物生理机理为基础的作物营养模拟模型有待于进一步发展和提高。3.4控制施肥 现在有二种形式，一是实时控制施肥。根据监测土壤的实时传感器信息，控制并调整肥料的投入数量，或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量18,19。二是处方信息控制施肥。根据决策分析后的电子地图提供的处方施肥信息，对田块中肥料的撒施量进行定位调控。4.理论技术存在的问题和未

20、来发展方向 土壤数据采集仪器价格昂贵，性能较差，不能分析一些缓效态营养元素的含量，而遥感由于空间分辨率和光谱分辨率问题，使遥感信息和土壤性质、作物营养胁迫的对应关系很不明确，不能满足实际应用的需要。随着高分辨率遥感卫星服务的提供（13m），加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将是近几年精确施肥研究的热点和重点。 DGPS的定位精度已完全能满足精确施肥的技术需要，虽DGPS导航自动化施肥或耕作机械已有研究，但DGPS与GIS数据库结合进行自动化机械施肥还有待于进一步发展，同时GPS-RS-GIS也正趋向于一提化。 作物模型和专家系统方面，除进一步加强作物营养机理和生理机理研究外，

21、模型的适用性和通用性方面应于精确施肥紧密结合，因为现在许多模型需要的变量过多或普通方法难以测定，即模型需要进一步简单化和智能化。 5.中国发展精确施肥的思考精确施肥在中国的必要性。我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加了肥料的投入成本。20我国肥料平均利用率较发达国家低10%以上，氮肥为30-35%，磷肥为10-25%，钾肥为40-50%。肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且是环境污染特别是水体富营养化的直接原因之一，众所周知的太湖、滇池的富营养化，其中来自肥料面源污染负荷高达1/3-1/2。随着人们环境意识的加强和农产品由数

22、量型向质量型的转变，精确施肥将是提高土壤环境质量，减少水和土壤污染，提高作物产量和质量的有效途径。 精确农业是为适应集约化、规模化程度高的作物生产系统可持续发展而提出的，其边际效应与经营规模成正相关，据报道，以小麦施肥为例，进行经济效益的分析得出，适用于精确农作技术实践的经济可行的最小面积约为85.6hm2。而我国农田经营规模小，农业机械化水平低，实施广域的精确施肥技术实践尚需较长的发展过程。随着农村市场化和产业结构的调整，在垦区农场（如黑龙江大型农场，新疆建设兵团）和大面积作物生产平原区建立精确施肥技术示范工程，或联合一些高效益企业（烟草企业、中药材企业等）来带动精确施肥的发展是结合中国国情

23、发展精确施肥的有效途径。精准农业应用前景广阔精准农业是在信息科学发展的基础上，以3S（GIS、GPS、RS）为核心技术引发的一场新的农业技术革命，它必将会对我国农业技术的发展产生重大影响。从形式上看，精准农业是在发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展形成的新的技术体系，可能仅适用于我国规模化经营的大型国营农场和较发达的地区，而在以家庭联产承包责任制为主要经济形式的分散经营的大部分农村则难以应用。但是，我们必须看到，精准农业发展的最基础的技术路线和原则是在充分了解土地资源和作物群体变异情况的条件下，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整各项管理措施和各项物资投入的量，获取最大

24、的经济效益。这些原则适用于任何形式和任何规模的农业生产。 目前，计算机和信息技术突飞猛进发展，已逐渐深入到社会生产和生活的各个层面，也必将会对我们的农业技术革命产生重大影响。我们应该抓住这一机遇，结合我国具体情况，研究发展适用于中国农业的精准农业技术体系，以推动我国农业生产持续稳定发展。在土壤养分管理和施肥技术方面，我们与发达国家存在很大差距。如美国，已经将土壤类型、土壤质地、土壤养分含量、历年施肥和产量情况等有关信息输入计算机，形成了资料齐全的土壤养分和肥料信息系统。那里的许多地区和农场，已将此类信息制成GIS土壤养分或肥料使用GIS图层，形成了信息农业和精准农业的技术支持体系，并在此基础上

25、发展形成了精准农业变量施肥技术，在田间任何位点上（或任何一个操作单元上）均实现了各种营养元素的全面平衡供应，使肥料投入更为合理，使肥料利用率和施肥增产效益提高到较理想的水平。在这种管理水平下，氮肥当季利用率可达60以上。 但是在我国，测土推荐平衡施肥这一初级技术尚未真正落实，在土壤养分状况、养分管理和施肥技术方面研究基础更是薄弱。现有的有限资料也分散在各单位，没能真正用于生产发挥作用，以致于农民在施肥上存在很大盲目性；氮、磷、钾肥施用比例不合理；中、微量元素缺乏的情况没有得到及时纠正；肥料利用率低，氮肥当季利用率平均仅为30左右，肥料的增产效益没能充分发挥。目前应在充分了解国际上精准农业发展的

26、理论基础和技术原则的基础上，结合我国具体情况，从养分管理和施肥技术入手，研究发展适合我国情况的精准农业技术体系。为此，金继运博士建议：一是在规模化经营地区选点建立以GIS、GPS和RS为核心技术的精准农业试验示范区，引进国外先进技术，建立健全田间管理档案，应用GIS收集整理现有资料，逐渐建立起以土壤养分管理和施肥为主体的信息系统。引进GPS技术，改进现有施肥机具，研制适用的GIS施肥指导系统和自动调节变量施肥机具。在此基础上，建立23个规模化经营的精准农业试验示范农场。 二是针对家庭联产承包分散经营体制，在主要农业 自然经济区选点研究不同生产条件下土壤养分状况、变化规律和变异情况，研究不同种植

27、制度下土壤和植物体系内各种养分的循环规律和变化特征。应用GIS研究形成适用于当地条件的土壤养分地理信息系统，对农田系统中各种养分迁移规律、土壤中各养分状况和变化特征进行图形化描述和信息化管理。在此基础上，以县或乡为单位，研究建立适合当地生产条件的区域性土壤养分信息系统和养分信息化动态管理模式，分区指导当地的养分管理和肥料合理施用，逐步建立起适合小规模分散经营体制下的精准农业养分信息化管理模式。 三是在宏观上，逐步建立全国性的土壤肥力和肥料信息系统，以县为单位收集土壤类型、土壤肥力、肥料使用、作物类型及产量等有关信息，在GI S平台上建立包括全国2370个县的土壤肥力与养分资源信息系统，将分散的

28、数据收集整理，随时了解全国肥力状况和施肥变化的时空特征，为国家主管决策部门服务。 四是在上述规模化和家庭承包分散经营试验区内，组织土肥、植保、栽培、农机等各领域专家的联合攻关，将精确农业从养分管理逐渐扩展到其他领域，最终形成按照当地条件精细准确调整各项土壤和作物管理措施的精准农业技术体系。精确农业进农庄 凯瑟琳格林曼对于农场主来说，收获季节到来前的几个月总会令人感到焦虑不安，因为在这段时间里，天气和土壤情况的变化以及害虫将会造成多大损失等不确定的因素都是无法预知的。虽然农场主们主要依靠以往的经验和谨慎的推测来判断情况的变化，但是也有很多人正在着手实践一种被称为精确农业的生产方式，即利用技术手段

29、应付可能会对他们的农作物造成危害的不确定因素。精确农业技术 几年前可能还在整个种植区大面积施用统一的肥料或杀虫剂的农场主，现在也许己经在利用标有精确位置数据的土壤和作物分析结果，将适当剂量的化学制品送到合适的地点了。他们现在还可以利用安装在联合收割机上的数字式产量监视器来追踪某块土地的表现，实际上他们可以获得每一排作物的产量数据。 大部分的精准农业技术需要依靠各种全球定位。系统装置和可以将天气模式、土壤性质和虫害控制等方面的信息在地图上用一个个点表示出来的软件。农场主们可以利用这些信息来指挥能够根据种植区的每个部分需要多少肥科和杀虫剂来调整施用量的可变速率喷洒器。目前精确农业技术在美国中西部地

30、区应用得最为广泛，主要用于甜菜、玉米和大豆等作物的种植。 使用了精确农业技术的农场主认为这种种植方法给他们提供了一些新的方式来分析他们对土地的投入和他们从土地中获得的回报之间的关系，并且使他们可以在成本不变的情况下管理更多的土地。但是精确农业技术的推广应用一直进展得相当缓慢，这主要是因为有关设备和服务的成本太 高，小型农场是无法负担这笔费用的，还有一个原因就是精确农业技术带来的好处并不总是十分明确的。明尼苏达大学精确农业研究中心负责人皮埃尔罗伯特博士指出南北达科他和蒙大拿州的小麦生产者现在发现，根据目前的国际市场价格，要想通过种植小麦来获取利润确实非常困难。如果你没有取得利润，你就没有额外的资

31、金购买和使用新技术。 另一个问题是设法使各种不同的农业软件和全球定位系统数据格式协同工作不仅会使人感到沮丧而且会让人望而生畏。在伊利诺伊州的尚佩恩经营一个面积为1800英亩的玉米和大豆种植农场的约翰赖夫斯特克指 出：大多数农场主并不想整天坐在计算机前。 大多数购买精确种植技术的农业生产者都承认,如果想在激烈的竞争中取得胜利,精确农业技术的各个组成部分都是必不可少的。设在罗切斯特的阿格里林克食品合作组织的副主席托马斯.费瑟 指出:对精确农业技术有抵触请绪的人将无法在竞争中生存下来。 精确农业生产过程 纽约勒罗伊(位干罗切斯特西南大约50英里处)的M-B农场的主人肯马丁利就正在使用精确种植方法。M-B农场的总面积为2000英亩,其中900英亩用于种植甜玉米。在播种之前，马丁利先生委托农业咨询服务公司(设在罗切斯特的一家农作物顾问公司)对其农场各个不同部分的土壤进行分析以便确定每个部分需要多少肥料。 农业咨询服务公司派遣理查德.怀尔德曼到马.丁利先生的农场提取了400份土壤样品，每份样品代表4至5英亩大小的区域。农业咨询服务公司对土壤样品中的大约15种成分进行了分析，其中包括磷酸钙和氮的浓度。怀尔德曼随后将土壤分析结果与根据上年的收获情况绘制的产量地图进行了比较。 上个月某一天清晨的田间，马丁利先生正与怀尔德曼和JD.巴克利父子公司 (纽约斯