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精确农业与作物栽培PrecisionAgricultureandCropPlanting杨武德(山西农业大学）精确农业产生的背景精确农业的原理及意义精确农业的技术体系精确农业的发展前景精确农业与作物栽培1精确农业产生的背景千百年来的作物栽培管理，都是在区域或田块的尺度上进行的，即把区域或田块看作是具有均匀的作物生长条件进行管理。但实际上，人们早已认识到，即使在同一农田内，地表上、下存在着作物产量和作物生长条件明显的时空分布差异，农田内作物病、虫、草害总是先以斑块形式在小区发生，再逐步按时空变化蔓延的。本世纪初期，科学家就研究报告过作物产量和田间土壤特性，如N、P、K、SOM含量、pH值等在田间分布具有明显的差异性。如1929年，Illinois大学C.M.Linsley和F.C.Bauer发表文章劝告农户应绘制自己田区内的土壤酸度分布图和按小区需求使用石灰。此后，一直都有关于农田土壤和收获量空间变异性研究的报道。田区内作物产量及其因子明显的时空分布差异性，预示了农田资源利用存在的巨大潜力。近十多年来，欧美一些发达国家为了医治资源危机、能源危机、农产品高成本和环境污染等石油农业弊病，试图寻求一种以提高资源利用效率、降低生产成本和减少因过量施用农化产品而带来的环境污染为主攻目标的农业替代模式，于是纷纷开展了精确农作的研究和实践。其思路是利用作物产量及其因子存在的空间差异，根据当时当地测定的作物实际需要确定对作物的投入。现代农学技术与电子信息技术的发展，为定量获取这些影响作物生长因素及最终收成的空间差异性信息，实施基于知识和现代科技的分布式调控，达到田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的经济产量成为可能。2精确农业的原理及意义精确农业是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，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，区别对待，按需实施定位调控。实施过程可描述为：带定位系统和产量传感器的联合收获机自动采集田间定位及对应小区平均产量数据→通过计算机处理，生成作物产量分布图→根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图→根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精细农作管理。实行精确农业技术可提高资源利用率、降低生产成本、减少环境污染。精确农业技术过程3精确农业技术体系3.1全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）精确农业作业的关键技术之一是确定作业者或机器的瞬时位置，并将此信息转变成计算机可接受的格式，这就需要利用全球定位系统（GPS）。3.2地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对有关空间数据按地理坐标或空间位置进行处理、输入、存贮、查询、检索、运算、分析、显示、更新和提供应用、研究，并处理各种空间实体及空间关系为主的技术系统。GIS可比做精确农业的大脑。通过传感器或监测系统采集的数据随时输入GIS，带有持久性的数据可以一次事先存入或定期存入，专家系统及其它决策支持系统也事先存在GIS中。GIS对这些信息进行加工处理，绘制信息电子地图，做出决策，绘制作业执行电子图。再通过计算机控制器控制变量执行设备，实现投入量或作业操作的调整。Grid-basedMapDataVisualizationThematicMappingDisplayandDataTypesLatticeversusGrid2DMapversus3DSurfaceDiscrete(Qualitative)versusContinuous(Quantitative)Elevation(Soils)YieldVisuallyComparingMappedDataWhatdifferencesdoyousee?“Howdifferentarethemaps?”“Howaretheydifferent?”“Wherearetheydifferent?”MUSThaveacommonlegendClass5Class4Class3Class2Class1DISCRETEintegervalues1-5CONTINUOUSratiovalues2.33–295.00240-300Class5180-240Class4120-180Class360-120Class20-60Class1…youdon’t“see”thedatavalues–justtheCOLORSImportantfootnote:Modernmapsarenumbersfirst,pictureslaterVisualizingSpatialRelationshipsInterpolatedSpatialDistributionPhosphorous(P)Whatspatialrelationshipsdoyousee?…dorelativelyhighlevelsofPoftenoccurwithhighlevelsofKandN?…howoften?…where?IdentifyingUnusualAreas…locationsthataremorethanonestandarddeviationabovethemeanareidentifiedasunusuallyhigh(statistically)3.3遥感（Remotesensing，简称RS）RS能为精确农业提供农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异信息的技术支持。近30多年来，RS技术在大面积作物产量预测，农情宏观预报等方面作出了重要贡献。农田和作物多光谱图像信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。RS获得的时间序列图像，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在同一季节中不同时间采集的图像，可用于确定作物长势和环境条件的变化。NIR(R)Red(G)Green(B)(Beyondoursight)ColorInfraredPKphetc.RSImageryasGISDataLayersRemotesensingimagesarecomposedofnumbers,justlikeanyothermapinagrid-basedGIS…“Map-ematicalProcessing”148522644432577.24634573127.5ARSimageisjusta“shishkebabofnumbers”likeanyothergridmap(raster)Image估产区土地利用面积大红为冬小麦1的分布区域，浅蓝是冬小麦2的分布区域，浅绿是冬小麦3的分布区域。冬小麦分类图3.4田间变量信息采集与处理技术快速、有效地采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息，是实现精确农业的重要基础。已经商品化的产品有土壤含水量快速测量仪、土壤快速肥力分析仪、基于近红外技术通过间接叶面反射光谱特性进行农田氮肥肥力水平快速评估仪、基于电磁场测量土壤电导率用于评价土层深度分布图的仪器等。目前田间信息快速采集技术的研究远远落后于支持精细农作的其它技术发展，已成为国际上众多单位攻关研究的重要课题。开发基于新的物理原理的快速信息采集技术仍然是精确农作科技工作者面临的艰巨任务。3.5作物生产管理辅助决策支持系统(DecisionSupportSystems，简称DSS)精细农业实践中，DSS根据作物生长、作物栽培、经济分析、空间分析、时间序列分析、统计分析、趋势分析以及预测分析等模型，综合土壤、气候、农用物资及作物生长有关的数据进行决策，结合农业专家知识，对不同的决策目标分别给出最优方案，用以指导田间操作。作物生产管理辅助决策支持系统主要包括支持作物生产管理数据资源的数据库；用于提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟等模型的模型库；支持模型计算的算法库；提供作物生产管理知识和经验的知识库以及提供决策者参与的人机友好接口。3.6智能化处方农作机械装备技术目前支持精确农业的主要农机装备包括带产量图自动生成的作物联合收获机和实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械,如安装有DGPS定位系统及处方图读入装置的，可按处方图调节播量和播深的谷物精确变量播种机；可自动选择调控多种化肥配比的自动定位施肥机和自控喷药机；可分别控制喷水量的定位喷灌机等，这些机械均已有商品化产品，并在继续完善。精密播种机示意图装备有GPS的施肥机精细灌溉设备精细变量喷药机4精确农业的发展前景精确农业是现代农学技术和电子信息技术结合的产物，它所提供的技术思想和思维方式，使人们对作物生产管理和农业资源利用的观念与模式将发生深刻的变革，它将预示着一场新的农业技术革命。精确农业被列为二十一世纪对人类生产和生活产生重大影响的十大科技之一，发展前景已在国际上具有广泛的共识。中国是人口大国，资源相对贫国，人口增长和土地资源减少的矛盾不可逆转，为了满足经济发展和人民生活水平日益提高的要求，必须保持农业的可持续发展，解决问题的根本出路在于增效、挖潜。因此，实施精确农作就显得尤为必要。就我国农业资源利用而言，目前化肥及农药的利用率都在30%左右，降水利用率不足35%。中低产田占耕地60%，其单产仅为高产田的几分之一。同一田块，土壤肥力、墒情、草害、虫害、病害的不均匀性普遍存在，所以，实行精确农业，潜力巨大。我国农业正处于传统农业向现代农业转化的历史过程中，全面实施精确农业这一新的技术体系还不现实，但启动精确农业技术的示范与实践研究，将有利于推动我国作物生产的知识化与信息化进程。另外在作物栽培的局部环节引进精确农作技术思想，进行精确化管理，也具有非常重要的意义。5精确农业与作物栽培精确农业即精确农作，产生于作物栽培实践。精细农业是基于现代电子信息技术、作物栽培管理辅助决策支持技术和农业工程装备技术等集成组装起来的作物生产精细经营技术。精确农业的大脑部分，特别作物生产管理辅助决策支持系统需要作物栽培专家发挥重要作用。作物生产强烈的地域性，研究建立适宜不同生态区域的精确农业大脑部分就显得尤为必要。拓宽作物栽培学的研究视野。组装多学科研究成果。为了作物栽培学的发展，呼吁作物栽培学同行互相支持，手下留情！调整项目评价尺度，因为解决区域作物生产问题的不可代替；稳定人才队伍；四姨太现象。山西农业大学作物栽培学与耕作学学科的发展承蒙兄弟单位的大力支持，恳求大家继续支持，非常感谢！2008.8.20于南京