农业信息技术与精确农业的发展 美国明尼苏达大学土壤、水及气候系 彭望禄 Ｐｉｅｒｒｅ Ｒｏｂｅｒｔ 程惠贤 摘 要 介绍了美国精确农业发展现状及当前进行的主要工作，阐述精确农业就是信息农业的概念。着重介绍SSCM（根据田间具体情况作物管理系统）系统和YieldMap产量图在精确农业发展中的作用及GIS与精确农业的不可分关系。 关键词 精确农业 SSCM 产量图GIS 一、美国的农业信息化革命 美国的精确农业在70年代起步，开始注意土壤和农作物条件的变化与改善管理的关系，1992年明尼苏达大学土壤系在程惠贤教授指导下开始使用“Precision Agriculture”一词，并为学校、公司、政府机构普遍接受。但实际上早在20世纪80年代初商业已有精确农业概念的商业化应用，1995年美国明尼苏达州、华盛顿州开发了商品性变量投入技术（VRT-Variable Rate Technology）应用设备。例如当时有：可按不同位置喷洒不同量的杀剂喷洒设备，用计算机控制的变量投入农业装备；利用GIS和SSCM（Site-Specific Crop Management）构成电子地图的种植业生产管理系统，利用传感器、GPS、GIS采集和处理空间数据并形成决策支持系统的成套设备等商品问世。此后精确农业迅速发展成新的农业工业，并在世界范围内形成了科学的新的农业发展道路。精确农业是信息技术革命，它不只是引入新技术，它更是由于引入新技术而引发的一场信息革命。 一系列的数字说明，精确农业目前仍处于幼年阶段。Pierre等认为“一般新技术发展都有兴奋、混乱、再生3个阶段，精确农业目前仍处第一阶段，但它是下一次农业革命的基础”。精确农业是一个整体的系统概念，目前已应用的只是其中的少部分。1998年Akridge和Whipker曾做过抽样调查对比，PA在美国中西部以农业为主地区发展较好，在那里以PA为基础服务的机械、种子、肥料、电子产品等的销售商很多。所以将调查分为两类：一类是针对以PA为基础提供服务的，主要在中西部地区；另一类针对美国全国，销售商为农业提供一般性服务，其中包括为PA提供服务部分。 从调查中可以发现，农民采用PA原则指导生产与销售商提供的PA技术服务之间仍然有很大差距，销售商提供的服务还不到30%，而农民采用PA原则不到15%。其阻力有经济、技术和条件等多方面的原因，但相当大部分（41%和38%）正向精确农业方向调整，这需要通过学习、宣传、培训等多种途径。1998年发表的Deberkow和Mcbride另一项调查进一步表明在未采用PA的一组人群中主要是由较低教育水平、无计算机、少经验、少时间、少土地的农民组成，可见PA的发展和应用需要经历一个较长的时间，特别需要投入的是发展和教育。 二、精确农业的重要发展 （一）实现SSCM（Site-specific Crop Management根据田间具体情况作物管理系统） 可以认为SSCM是PA的精髓，Site-Specific就是强调田间不同地点之间的差异性，克服肥料、种子等使用的不合理性。SSCM就是在田间不同地点根据土壤等条件的差异实行有区别的管理。在这一概念的基础上近年来出现了一些新名词，如Farming by Soil(按土耕作)，Spatially Prescription Farming(按空间差异处方耕作)，Farming by Satellite(依靠卫星信息耕作)，High-tech Sustainable Agriculture(高科技可持续农业)等等。最早SSCM指的是按土区别作物管理系统（Soil-specific Crop Management），只是针对不同的土壤条件实行区别管理，随着农业科学技术进步，逐渐向系统工程研究方面发展，不仅针对土壤，还包括水文、气候等条件的时空变化，在作业管理中实行“按需投入”的原则，变均匀投入为变量投入，优化作业操作。自1994年起SSCM所代表的已是Site-specific Crop Management。微机、GPS、GIS、RS技术和自动化机械的发展为实现这一原则提供了条件。SSCM就是适应田间各种因素的时空变化实现作业整体的微观管理系统，它的基础是土壤学、种植学、信息技术、管理工程科学和经济学的一体化。 目前SSCM还刚刚起步，今后将会在此基础上出现效益更高的可持续，可在食物生产和土、水等资源和环境保护方面找到合理的平衡。 （二）产量图（Yield Map）及其解读技术 利用GPS及自动化机械采集田间不同位置的产量数据，并利用GPS绘制产量图，对于实现作物科学管理有重要意义，可以将不同地块、不同位置、不同年份的产量进行对比，并与土壤灌溉与排水、施肥、种子、杂草、虫害等因素的信息结合起来分析，从而选择管理策略。 PA的核心是信息，对大规模高技术农田可实现信息化，小规模低技术农田也可以实现信息化，关键是要重视科学的信息。 （三）GIS在PA中的应用 PA强调各种与作物生长有关因素的空间差异性，如土壤的N、P、K、石灰、Ph值等，通常将GPS接受设备安装在采样车或施肥机械、农药喷撒机械、收割机等设备上，GIS的作用是将用GPS配合采集的各种信息按空间位置叠加起来（overlay），这种叠加分析是PA不可缺少的技术手段。Noel Anderson提出影响作物生长的因素有近40种之多。这些因素有些与空间位置有关，如土壤条件等，有些与时间有关，如气象条件等。有些因素与变量技术（VRT）的应用有联系，如N、P、K含量等。进行产量图分析时还可以结合土壤背景数据及利用航测信息绘制的地面信息资料图确定土地施肥方式。 农民由采用PA技术获得了显著的经济效益。明州玉米每英亩增加4.45～29.15美元，蒙大纳州春小麦每英亩增加12美元，华盛顿州冬小麦每英亩增加3.39～14.80美元，明州甜菜每英亩增加48～75美元，爱达荷州马铃薯每英亩竟增加368.17美元。由于上述原因，美国已有一些为PA服务的GIS软件开发公司，如AGRIS Corporation, Farm Works Software, Farmers Software, SST Development Group等。 三、精确农业推广及研究工作 1995年明尼苏达大学在由程惠贤教授领导的土壤、水和气候系内成立了精确农业中心，Pierre Robert任主任。中心的任务是研究、推广、教育，研究项目与许多学校、工业部门、政府合作，近年已扩展到国际合作和培训，现在PA的研究及应用涉及土壤、气候、病虫害、地理统计、地貌模型（DEM）、GPS、RS、GIS等等与PA有关的各个方面。1999年4月Pierre Roert主编的第一期国际精确农业学报（Precision Agriculture-An International Journal on Advances in Preculture Agriculture）出版，这是以SSCM为中心内容的专门学术性期刊。 目前具体研究主要有：获取小麦及其它植被特征数据的实时传感器；探测土壤及作物条件和管理信息的遥感技术；PA对环境影响的定量比；取样过程协议的发展；PA实践的经济评估；自然资源时空变化的定量化；数据分析及解读方法；产量、自然条件与投入变化之间的相关性；开发应用PA技术的作物管理模型；改进空间数据分析方法；开发产量传感器；研究SSCM的方法学；PA教育项目。 美国农业的经营规模、自然条件和社会、经济条件与中国有很大差别，在中国的有些地方，如南方在农业管理方面已经很精细，但又如何做到精确呢?关键是要把握精确农业的基础概念，既要注意高新技术的推广应用，也不能一味追求高新，要开发适合中国不同地区条件的农业机械、方法及软件。 （摘自２００１年第２期《农业工程学报》） |