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    精準農業:機遇與挑戰

    • 日期:2018-08-09 08:35
    • 作者:曾志宏 智慧農業生態鏈互益平臺
    • 瀏覽數:446

    地球人口2050年將達到97億(從目前增長接近40%),要解決這些貪婪的人口,目前的農業產出至少還要增加70%,如何在無法增長甚至可能減少的耕地上喂飽這些日益增長的嘴巴,如何滿足這些越來越“刁”的胃口,我們只能依靠科技—精準農業,智慧農場,這就是農業的未來。


    精準農業(或精準農業)作為一個術語,描述通過技術的使用,以便在特定地點更好地測量和控制作物生產,以提高效率。這些改進包括:

    l  更有效地投入(種子,肥料等)

    l  更有效地利用耕作設備

    l  改進作物和田間測量

    l  更好的農場管理決策

    雖然計算機和電子產品自20世紀70年代以來一直用于農作物生產,但從20世紀90年代中期開始,GNSS一直是精準農業的關鍵技術(GNSS的全稱是全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的衛星導航系統,包括全球的、區域的和增強的,如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統,以及相關的增強系統,如美國的WAAS(廣域增強系統)、歐洲的EGNOS(歐洲靜地導航重疊系統)和日本的MSAS(多功能運輸衛星增強系統)等,還涵蓋在建和以后要建設的其他衛星導航系統—百度)。

    精準農業循環

    從歷史上看,作物生產過程一直是一個“開環”過程,該過程如圖1所示。



    種植者通常使用他們可獲得的最佳信息,包括他們農場的作物歷史(例如,作物輪作);有關可用種子類型的信息;目前的肥料,種子,燃料和勞動力等投入成本;他們所在地區的氣候歷史;和他們所在地區的近期天氣。這些信息用于制定基本的農場管理決策,例如在每個田地種植哪種作物,使用哪種種子,何時種植,使用多少肥料,如何到地面,以及使用哪種種植模式和間距場。這些決策的目標是優化農場的運營并最大化農場的作物產量。不幸的是,還有一些影響作物生產的主要外部因素 - 特別是天氣和雜草和蟲害。

    隨著精準農業的引入,包括電子,計算機,軟件和傳感器的進步,種植者現在擁有更好的工具來管理他們的作物生產。 這些工具在圖2中以藍色顯示,并在下面更詳細地描述。



    產量測量

    在聯合收割機中使用水分和顆粒流量傳感器來測量產量的做法是第一個被廣泛采用的精確農業實踐。 雖然在20世紀80年代引入了測量產量的做法,但1994年產量測量與全球導航衛星系統的整合是一場革命。 基于GNSS的產量監測器為農民提供了一種工具,用于收集有關其作物生產的特定地點信息,并生成顯示其農場的田間產量變異性的地圖。 今天,幾乎所有在北美制造和銷售的聯合收割機都包括一臺產量監測器。

    土壤養分測量

    氮,磷,鉀和其他土壤養分對植物健康至關重要。 幾千年來,種植者已經意識到土壤養分的重要性,并且在種植前使用有機肥來修復土壤。 最近,科學家和農藝師已經更多地了解了作物的特定化學需求,并開發了專門的肥料來直接針對這些需求。

    今天,種植者可以獲得從他們的田地收集土壤樣品的服務,將這些樣品郵寄到化學實驗室,并提供顯示種植者田地內特定地點營養水平的地圖。 不幸的是,這個過程緩慢,季節性很強,而且勞動強度大。

    作物健康測量

    種植者現在能夠在季節中更好地衡量作物的健康狀況。使用GNSS的野外偵察技術在北美變得越來越流行,種植者開始利用來自具有多光譜成像相機的衛星或飛機的遠程圖像。 近乎實時的作物健康感知可以推動季節性管理決策,如農藥施用和季節內養分管理。


    作物選擇

    雖然與計算機,電子設備或傳感器沒有直接關系,但作物選擇正成為種植者管理的最重要變量之一。 種子選擇對投入成本和產量有顯著影響。 因為它們如此有效,轉基因種子已在美國被廣泛采用。 這些種子被設計用于諸如更高產量,抗蟲性和除草劑抗性的特征。 這些結果對種植者來說非常明顯,經濟價值令人信服。

    高效田間栽培

    除了允許在現場進行現場特定測量外,GNSS還實現了農場設備的機器人自動化。 2000年推向市場的產品使拖拉機,噴霧器和收割機能夠通過現場操縱,無需手動操作,精度達到英寸級別。

    自動轉向為種植者帶來了明顯的好處。 它允許設備在白天,夜晚或霧中晝夜不停地運行 - 無論能見度如何。 與人駕駛車輛相比,精密轉向車輛的通道重疊減少8%至10%,從而降低燃油,勞動力和投入成本。 此外,較少的重疊導致單位時間內完成的更多,而且導致更高的產量。

    種子和肥料管理

    除了控制農用車輛的轉向外,GNSS還提供可以在特定地點控制現場輸入應用的解決方案。 現在,種植者可以使用強大的工具,實現種子和肥料率的實時調整。 這些比率由軟件“處方”確定,軟件“處方”是基于各種數據創建的,包括上述產量監測和土壤養分數據。

    與轉基因種子和自動轉向相比,采用這些技術的速度相對較慢,主要是因為土壤養分測量過程緩慢而乏味,而且執行這些可變速率應用技術的結果難以衡量,而且作物產量的其他變量(如天氣)太大。

    今天精準農業的挑戰

    種子遺傳和精確轉向的采用率在幾個地區市場已經超過50%,因為它們具有明顯和引人注目的價值。然而,種植者對種子和肥料管理的采用仍然滯后。

    由于幾個原因,首先,肥料成本正在上升,有效地田間投入 - 特別是氮肥 - 是必不可少的。在美國,化肥銷售現在每年超過180億美元,占大多數農場小麥和玉米生產成本的30-50%。此外,全球化肥的使用量正在增加。在全球范圍內,氮的使用率超過了人口和耕地的增長速度。主要由肥料徑流引起的過量氮和磷水平引發的氧氣消耗正成為嚴重問題。美國國家工程院將“管理氮循環”列為21世紀14大工程挑戰之一。


    當克服三個關鍵挑戰時,采用精準農業進行種子和肥料管理將會有所改善:

    l  提高GNSS信號可用性

    l  提高土壤測量效率

    l  分析多個服務器場的數據

    提高GNSS信號可用性

    在許多農場環境中,僅GPS不能提供足夠的現場覆蓋。 丘陵或山地地形可能是問題,但樹木林是一個常見問題,如圖5所示。信號的可靠性一直是美國西南部地區采用的障礙。 10年前美國的大多數種植者都不熟悉GPS。 今天,許多種植者在GNSS中受到足夠的教育,他們了解信號的可用性和重新獲取情況。

    在北美銷售的大多數高精度系統現在都提供GLONASS功能,以增強GPS的信號可用性。 隨著更多衛星空間信號可用,在這些困難環境中可用性將繼續提高,更多種植者將GNSS視為滿足其需求的可靠解決方案。

    提高土壤測量效率

    如上所述,目前的土壤養分測量技術緩慢,昂貴且不準確。為了降低成本,許多種植者采用“區域”采樣技術,其中基于土壤質地區域在整個區域(通常為80至160英畝)中收集一至五個樣品。實施“高密度”采樣的種植者通常在每2.5英畝一個樣本的網格上采集樣本。研究表明,考慮到土壤養分的空間相關性,需要對每英畝至少一個樣本進行取樣,以準確地插入田間的營養水平。

    不幸的是,在田間施用額外肥料的經濟成本明顯低于由肥料施用不足引起的潛在產量減少。如果種植者不能夠以近乎實時的方式(尤其是氮,水溶性和高度時間依賴性)以經濟實惠的方式測量營養成分,他們將繼續過度施肥以確保高產量。

    多個農場的數據分析

    如上所述,許多變量影響作物產量。 這些包括降雨,溫度,濕度,風,土壤類型和耕作方法等等。

    不幸的是,今天,農場是信息的“孤島”。 對于一個農場來說,收集足夠的信息來衡量新農業實踐或特定種子雜交所創造的價值需要很多年。 單個農場無法生成足夠的數據來提供有意義的統計顯著性。


    當信息可以跨多個農場相關時,數據分析的顯著改進是可能的。 用于實現此類分析的無線數據連接和軟件工具現在正在農場中實施。 一旦這些做法變得更加普遍,精準農業的價值將變得對種植者更加清晰,并且這些做法的采用將會增加。

    概述

    精準農業可以幫助種植著更有效地投入(種子,肥料),更有效地利用耕作設備,改進作物和田間測量,以及更好的農場管理決策。隨著電子,計算機,軟件和傳感器的進步,種植者現在擁有更好的工具來管理他們的作物生產。

    在美國,由于其高可見性和極具吸引力的價值,其中一些技術(如種子遺傳學和精確轉向)的采用率非???。然而,種植者對種子和肥料管理的采用仍然滯后。這是一個嚴重的問題,因為不適當地使用肥料對于種植者來說在經濟上是浪費的,并且還對水道和地下水源造成傷害。

    所以,當克服三個關鍵挑戰時,采用精準農業種子和肥料管理將得到改善:(1)提高GNSS信號可用性,(2)提高土壤測量效率,(3)種植者采取時跨多個服務器場執行數據分析的能力的優勢。

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