第11讲由“精细农作”到“精细农业” 中国农业大学精细农业研究中心汪懋华 “精细农作”是基于信息和知识进行作物生产管理的现代农田精耕细作技术。 它是综合应用现代信息髙新科技和农业装备技术、作物生产和农业资源环境管理 决策等多种先进科技成果,实践大田作物生产管理科技思想的革命。其基本技术 思想,是要揭示农田内小区作物生长条件的空间分布差异性,实施定位处方农作 (Site- Specific crop management),达到提高土地资源利用潜力、有效利用 投入、增加产量、降低成本、提高经济效益、减少环境后果的优化目标。大田作 物生产,特别是主要粮食作物生产,是农业生产活动的主体,它利用着绝大部分 的国土、水、能源、装备等自然和物质资源,保障着人类的食物安全和生存的基 础。过去20多年来,尽管在世界范围内农业生产结构的调整在加速进行,如加 快了设施园艺业、畜牧养殖业、农产品和食品加工业的集约化、现代化进程和农 业劳动力的转移,但这一发展趋势,都以提高大田作物生产的集约化、规模化程 度,提高其技术装备水平和不断改善作物生产管理技术,发展更高效益与更富竞 争力的作物生产系统为基础。这就是为什么当今世界各国进行 Precision Agriculture的研究与实践,都优先集中在优化利用耕地资源和改善大田作物生 产科学管理方面,或采用了 Precision Farming的学术名词。从中文译名意义 上,本讲座采用“精细农作”一词,也是意欲比较确切地反映集中于介绍基于信 息和知识实践按农田小区空间差异性进行大田作物生产科学管理这一新的技术 思想及其支持技术的发展。迄今在“精细农作”的研究实践中,虽然对其支持技 术的研究开发和技术体系的构建,已经有了一个比较完整的思路,但就整体来看, 仍然处于发展的初期。多数农户的实践,是本着因地制宜、讲究效益、采用不同 程度的技术组装方式,实现作物生产有效管理和更好的经营效益为目标。接受这 技术的用户,主要是知识文化层次较高的农户和农业推广咨询服务部门。对“精 细农作”技术体系比较完整的实践,仍主要集中在大学的研究中心,试验区和设 备供应商的试验示范农场进行。农户的应用实践方案,是利用迅速普及的全球卫 星定位系统,地理信息系统、空间信息处理应用软件,带产量监视器或作物产量 分布图自动生成系统的联合收割机,获取农田小区作物产量的空间分布图。基于 产量与农田土壤肥力等空间分布的差异性信息和作物生产科学管理知识,制定不 同方式的定位处方管理决策。目前,实施定位处方农作的气流输送可控精密谷类 作物播种机已有较好的商品化产品;实施可控配方定位定量施肥、施药的专用商 品化机械尚待继续完善;适应精细处方农作的固态、液态粪肥和灌溉水的定位施 洒和农田除草剂对靶施用的机械已在试验使用中。在支持精细农作的农业机械装 备技术创新中,应用发展最快的当属带产量监视器的谷物联合收割机,其中的部 分用户进一步装备了卫星定位系统和产量分布图自动生成系统可选件。世界几大 联合收割机制造商都已可提供这些装备,用户在采购联合收割机时,可以选用其 中部分或全套支持产量信息采集和处理的软硬件并获得供应商良好的培训服务 作者上月在美考察中了解到,目前Case和 John Deere公司在北美生产的谷物 联合收割机,超过50-70%产品已带有谷物流量传感器、产量监视器和谷物含水 量在线测量传感器。同时带有DGPS和产量自动生成系统的机器约占其中的1/3 近年来,这一比例已有快速增加的趋势。谷物联合收割机产量监视器系统的价格
第 11 讲 由“精细农作”到“精细农业” 中国农业大学精细农业研究中心 汪 懋 华 “精细农作”是基于信息和知识进行作物生产管理的现代农田精耕细作技术。 它是综合应用现代信息高新科技和农业装备技术、作物生产和农业资源环境管理 决策等多种先进科技成果，实践大田作物生产管理科技思想的革命。其基本技术 思想，是要揭示农田内小区作物生长条件的空间分布差异性，实施定位处方农作 （Site-Specific Crop Management），达到提高土地资源利用潜力、有效利用 投入、增加产量、降低成本、提高经济效益、减少环境后果的优化目标。大田作 物生产，特别是主要粮食作物生产，是农业生产活动的主体，它利用着绝大部分 的国土、水、能源、装备等自然和物质资源，保障着人类的食物安全和生存的基 础。过去 20 多年来，尽管在世界范围内农业生产结构的调整在加速进行，如加 快了设施园艺业、畜牧养殖业、农产品和食品加工业的集约化、现代化进程和农 业劳动力的转移，但这一发展趋势，都以提高大田作物生产的集约化、规模化程 度，提高其技术装备水平和不断改善作物生产管理技术，发展更高效益与更富竞 争力的作物生产系统为基础。这就是为什么当今世界各国进行 Precision Agriculture 的研究与实践，都优先集中在优化利用耕地资源和改善大田作物生 产科学管理方面，或采用了 Precision Farming 的学术名词。从中文译名意义 上，本讲座采用“精细农作”一词，也是意欲比较确切地反映集中于介绍基于信 息和知识实践按农田小区空间差异性进行大田作物生产科学管理这一新的技术 思想及其支持技术的发展。迄今在“精细农作”的研究实践中，虽然对其支持技 术的研究开发和技术体系的构建，已经有了一个比较完整的思路，但就整体来看， 仍然处于发展的初期。多数农户的实践，是本着因地制宜、讲究效益、采用不同 程度的技术组装方式，实现作物生产有效管理和更好的经营效益为目标。接受这 一技术的用户，主要是知识文化层次较高的农户和农业推广咨询服务部门。对“精 细农作”技术体系比较完整的实践，仍主要集中在大学的研究中心，试验区和设 备供应商的试验示范农场进行。农户的应用实践方案，是利用迅速普及的全球卫 星定位系统，地理信息系统、空间信息处理应用软件，带产量监视器或作物产量 分布图自动生成系统的联合收割机，获取农田小区作物产量的空间分布图。基于 产量与农田土壤肥力等空间分布的差异性信息和作物生产科学管理知识，制定不 同方式的定位处方管理决策。目前，实施定位处方农作的气流输送可控精密谷类 作物播种机已有较好的商品化产品；实施可控配方定位定量施肥、施药的专用商 品化机械尚待继续完善；适应精细处方农作的固态、液态粪肥和灌溉水的定位施 洒和农田除草剂对靶施用的机械已在试验使用中。在支持精细农作的农业机械装 备技术创新中，应用发展最快的当属带产量监视器的谷物联合收割机，其中的部 分用户进一步装备了卫星定位系统和产量分布图自动生成系统可选件。世界几大 联合收割机制造商都已可提供这些装备，用户在采购联合收割机时，可以选用其 中部分或全套支持产量信息采集和处理的软硬件并获得供应商良好的培训服务。 作者上月在美考察中了解到，目前 Case 和 John Deere 公司在北美生产的谷物 联合收割机，超过 50-70%产品已带有谷物流量传感器、产量监视器和谷物含水 量在线测量传感器。同时带有 DGPS 和产量自动生成系统的机器约占其中的 1/3。 近年来，这一比例已有快速增加的趋势。谷物联合收割机产量监视器系统的价格
约占机器成本价格的2.5-3%,带DGPS和产量分布图自动生成系统的可选件价 格,约占机器本体价格的7-10%。因而易于为有较高知识水平和对技术进步敏 感的农户选用。澳大利亚大农场很大比例的谷物联合收割机,均已采用了带DGPS 的产量分布图自动生成系统。最近,Case公司宣布已研发成功基于近红外技术 可装备在联合收割机上实现收获谷物蛋白质含量和油脂含量在线分析的传感器 及其空间分布图生成系统,计划从明年起作为联合收割机可选件供应市场。这为 更精细地实践基于信息和知识来调控作物产品品质提供了新的思路。 虽然迄今比较成熟的收获机械产量监视器及产量图自动生成系统仍然集中在主 要谷类作物,如小麦、玉米、大豆、水稻等方面,但由于主要谷类作物生产技术 进步可获的经济效益常低于非谷类作物,因而近几年来,对非谷类作物收获机械 产量计量系统的研究与开发引起了广泛的关注。已经有了棉花、土豆、甜菜、甘 蔗、牧草、葡萄、柑橘等的产量计量系统开发硏究成果在欧、美及澳洲试验使用 但尚未形成批量商品化产品,这将是今后几年农机装备技术创新的重要方向 近几年,“精细农作”技术实践在巴西有了较快发展,日本、南朝鲜已获政府和 企业的支持加快了试验实践。在广大发展中国家,包括中国大陆在内,大田作物 生产系统仍然处于劳动力密集,经营规模较小,机械化装备水平和经济效益较低 的发展阶段,经济的发展正在加快农业产业结构的调整进程,以作物生产解决初 级谷物供给为主的传统农业经营思想,正在向农、林、牧、副、渔全面发展的大 农业思想转变。尤其在发展设施园艺、集约化养殖、农产品加工方面、可以获得 更高的经济效益和具备吸收先进技术改造传统产业的活力。因此,基于信息和知 识经营高产、优质、高效和环境友好的农业系统的技术思想,应该扩展到大田作 物生产以外的其他农业领域、大力推动将先进的信息高新技术、智能化控制的农 业装备技术和相关的先进农艺技术的适度组装集成,实现“精细园艺”、“精细 养殖”、“精细加工”和“精细经营”,将“精细农作”的技术思想扩展为全面 推动基于信息和知识的“精细农业”技术体系的发展 实际上基于信息和知识有效地管理农业生产的早期实践,在七十年代后期己优先 在欧美发达国家的奶牛场管理信息系统中得到成功应用。众所周知,基于奶牛编 号自动识别器的个体产奶量定量配料和饲养管理系统,自八十年代初已开始在欧 美各国农场中推广使用。奶牛个体编号电子自动识别器作为自动鉴别动物个体编 号的基础,于七十年代中期即研制成功商品化产品。早期推广应用的一种奶牛编 号自动识别器,是长期挂在脖子上的小型密封无源信号转发器,一个固定的激励 信号发生器通过发射天线依次地发射出一串不同频率的高频电磁波,挂在牛脖子 上的每一个转发器经过调谐,只对其中的两种频率作出响应,从而给转发器中的 转发振荡器提供功率,并使其振荡器先后转发出两个固定频率的时序信号被接收 机接收,经过解码,判断出牛的编号。八十年代后期,一种直径约2cm,厚度0.8cm, 重量不到10克,单价在5美元左右的微小信号转发器产品进入市场,它可永久 性地植入牛、猪耳朵皮下,信号接收距离在60cm以内;更微型的信号转发器制 成园筒型,可通过注射针管植入皮下,在牛、猪出生后即植入体内,使整个生长、 养殖过程,直至交售时的称重、屠宰均纳入自动信息管理系统。近几年,一种养 猪场推广应用的耳挂针扦式、塑料密封、重量小于5克的微型个体编号识别无源 信号转发器,不仅可用于按个体发育和健康状况进行定量自动配料,建立动物个 体管理信息档案,自动监测体重增长、母畜发情期、健康指标自动诊断等。与手
约占机器成本价格的 2.5–3 %，带 DGPS 和产量分布图自动生成系统的可选件价 格，约占机器本体价格的 7–10 %。因而易于为有较高知识水平和对技术进步敏 感的农户选用。澳大利亚大农场很大比例的谷物联合收割机，均已采用了带 DGPS 的产量分布图自动生成系统。最近，Case 公司宣布已研发成功基于近红外技术， 可装备在联合收割机上实现收获谷物蛋白质含量和油脂含量在线分析的传感器 及其空间分布图生成系统，计划从明年起作为联合收割机可选件供应市场。这为 更精细地实践基于信息和知识来调控作物产品品质提供了新的思路。 虽然迄今比较成熟的收获机械产量监视器及产量图自动生成系统仍然集中在主 要谷类作物，如小麦、玉米、大豆、水稻等方面，但由于主要谷类作物生产技术 进步可获的经济效益常低于非谷类作物，因而近几年来，对非谷类作物收获机械 产量计量系统的研究与开发引起了广泛的关注。已经有了棉花、土豆、甜菜、甘 蔗、牧草、葡萄、柑橘等的产量计量系统开发研究成果在欧、美及澳洲试验使用， 但尚未形成批量商品化产品，这将是今后几年农机装备技术创新的重要方向。 近几年，“精细农作”技术实践在巴西有了较快发展，日本、南朝鲜已获政府和 企业的支持加快了试验实践。在广大发展中国家，包括中国大陆在内，大田作物 生产系统仍然处于劳动力密集，经营规模较小，机械化装备水平和经济效益较低 的发展阶段，经济的发展正在加快农业产业结构的调整进程，以作物生产解决初 级谷物供给为主的传统农业经营思想，正在向农、林、牧、副、渔全面发展的大 农业思想转变。尤其在发展设施园艺、集约化养殖、农产品加工方面、可以获得 更高的经济效益和具备吸收先进技术改造传统产业的活力。因此，基于信息和知 识经营高产、优质、高效和环境友好的农业系统的技术思想，应该扩展到大田作 物生产以外的其他农业领域、大力推动将先进的信息高新技术、智能化控制的农 业装备技术和相关的先进农艺技术的适度组装集成，实现“精细园艺”、“精细 养殖”、“精细加工”和“精细经营”，将“精细农作”的技术思想扩展为全面 推动基于信息和知识的“精细农业”技术体系的发展。 实际上基于信息和知识有效地管理农业生产的早期实践，在七十年代后期已优先 在欧美发达国家的奶牛场管理信息系统中得到成功应用。众所周知,基于奶牛编 号自动识别器的个体产奶量定量配料和饲养管理系统，自八十年代初已开始在欧 美各国农场中推广使用。奶牛个体编号电子自动识别器作为自动鉴别动物个体编 号的基础，于七十年代中期即研制成功商品化产品。早期推广应用的一种奶牛编 号自动识别器，是长期挂在脖子上的小型密封无源信号转发器，一个固定的激励 信号发生器通过发射天线依次地发射出一串不同频率的高频电磁波，挂在牛脖子 上的每一个转发器经过调谐，只对其中的两种频率作出响应，从而给转发器中的 转发振荡器提供功率，并使其振荡器先后转发出两个固定频率的时序信号被接收 机接收，经过解码，判断出牛的编号。八十年代后期，一种直径约 2cm，厚度 0.8cm， 重量不到 10 克，单价在 5 美元左右的微小信号转发器产品进入市场，它可永久 性地植入牛、猪耳朵皮下，信号接收距离在 60cm 以内；更微型的信号转发器制 成园筒型，可通过注射针管植入皮下，在牛、猪出生后即植入体内，使整个生长、 养殖过程，直至交售时的称重、屠宰均纳入自动信息管理系统。近几年，一种养 猪场推广应用的耳挂针扦式、塑料密封、重量小于 5 克的微型个体编号识别无源 信号转发器，不仅可用于按个体发育和健康状况进行定量自动配料，建立动物个 体管理信息档案，自动监测体重增长、母畜发情期、健康指标自动诊断等。与手
携式数据采集器结合,还适用于不同规模的牲畜科学饲养管理。英国八十年代后 期硏制的平养肉鸡场鸡群体重信息采集系统,支持了根据市场价格信息控制饲养 成长增重规律,予测最佳上市日期和最好经济效益的优化目标。这些都是基于个 体或小群信息和科学管理决策知识的“精细养殖”的典型实例。九十年代以来, 这些已成熟应用的计算机管理信息系统,正在新的信息技术进步基础上拓宽其高 新技术应用研究领域,如:机器视觉技术用于动物行为监视、识别;挤奶机器人 的应用:基于体形图象分析评价优良品种选育与动物体重评估;动物饲养管理多 媒体知识咨询系统等都已逐步实用化,展示了信息时代“精细养殖”的广阔前景。 “设施园艺”是近几年来迅速发展的农业高新技术领域,它集成了园艺设施结构 材料、装备、控制、农艺、管理决策等多种先进科技于一体,实现髙投入、髙产 出、高效益的优化目标。电子信息技术的迅速发展,为实施设施园艺环境参数和 植物生长状态精细检测,调控和基于知识的过程管理决策提供了方便条件。近几 年来设施园艺中节约投入,降低成本,限制水土环境污染的问题正在推进着这 产业技术的进步,欧洲己经提出了加速向无土、封闭式营养栽培系统过渡的明确 发展方向。园艺栽培过程将逐步向采用基于单株或小群分区监测调控,实践优质 髙产,髙效,低污染精细管理模式发展,智能化控制和装备技术适应先进农艺的 要求,将推动技术创新的发展 农产品的市场价值与市场竞争,对收获后工艺和产品加工品质提出了很高的要 求。这一领域的技术滞后尤其成为发展中国家农业面临的严峻挑战。电子信息与 农业装备技术已在发达国家的农产品加工中得到广泛应用。如农产品品质的快速 检测、产品品质分级评价、储藏加工过程参数的精细调控、市场需求的决策支持 分析等。基于信息和知识的高新技术集成系统已迅速应用到农产品收获后工艺与 加工工程领域,如基于新的物理原理的农产品分级与品质检测先进传感技术,基 于机器视觉和图象信息处理的生物对象模式识别,遗传算法、人工神经网络、模 糊控制理论与新方法的应用,专家系统支持的辅助决策与控制等。基于信息和知 识的“精细加工”调控与管理决策支持系统,丰富了“精细农业”技术体系的内 涵,正在成为农业高新技术应用研究和装备技术创新研究的新领域。 21世纪人类将逐步进入知识经济时代,探索基于信息和知识的融合多种学科知 识建立集成管理决策系统在农业各领域的应用,将使人类愈益精细化地利用自然 资源和物质资源,减小浪费,降低成本,保护生态环境,实现农业可持续发展的 目标。“精细农业”技术体系将逐步完善,并不断推动农业系统经营管理决策科 学技术思想的革命 后记 本讲座包括11个专题。梗概地介绍了“精细农作”的基本技术思想,支持技术 发展现状,相关农业装备技术创新和“精细农业”技术体系的发展趋势。资料主 要来源于国外有关文献,支持产品产业界的报导,试验研究报告等。其中也包含 作者本人的理解和认识。近几年来,国外“精细农业”的发展已引起我国农业科 技界和政府部门的重视,估计在世纪之交,我国一些地区的试验示范工程将陆续
携式数据采集器结合，还适用于不同规模的牲畜科学饲养管理。英国八十年代后 期研制的平养肉鸡场鸡群体重信息采集系统，支持了根据市场价格信息控制饲养 成长增重规律，予测最佳上市日期和最好经济效益的优化目标。这些都是基于个 体或小群信息和科学管理决策知识的“精细养殖”的典型实例。九十年代以来， 这些已成熟应用的计算机管理信息系统，正在新的信息技术进步基础上拓宽其高 新技术应用研究领域，如：机器视觉技术用于动物行为监视、识别；挤奶机器人 的应用；基于体形图象分析评价优良品种选育与动物体重评估；动物饲养管理多 媒体知识咨询系统等都已逐步实用化，展示了信息时代“精细养殖”的广阔前景。 “设施园艺”是近几年来迅速发展的农业高新技术领域，它集成了园艺设施结构、 材料、装备、控制、农艺、管理决策等多种先进科技于一体，实现高投入、高产 出、高效益的优化目标。电子信息技术的迅速发展，为实施设施园艺环境参数和 植物生长状态精细检测，调控和基于知识的过程管理决策提供了方便条件。近几 年来设施园艺中节约投入，降低成本，限制水土环境污染的问题正在推进着这一 产业技术的进步，欧洲已经提出了加速向无土、封闭式营养栽培系统过渡的明确 发展方向。园艺栽培过程将逐步向采用基于单株或小群分区监测调控，实践优质 高产，高效，低污染精细管理模式发展，智能化控制和装备技术适应先进农艺的 要求，将推动技术创新的发展。 农产品的市场价值与市场竞争，对收获后工艺和产品加工品质提出了很高的要 求。这一领域的技术滞后尤其成为发展中国家农业面临的严峻挑战。电子信息与 农业装备技术已在发达国家的农产品加工中得到广泛应用。如农产品品质的快速 检测、产品品质分级评价、储藏加工过程参数的精细调控、市场需求的决策支持 分析等。基于信息和知识的高新技术集成系统已迅速应用到农产品收获后工艺与 加工工程领域，如基于新的物理原理的农产品分级与品质检测先进传感技术，基 于机器视觉和图象信息处理的生物对象模式识别，遗传算法、人工神经网络、模 糊控制理论与新方法的应用，专家系统支持的辅助决策与控制等。基于信息和知 识的“精细加工”调控与管理决策支持系统，丰富了“精细农业”技术体系的内 涵，正在成为农业高新技术应用研究和装备技术创新研究的新领域。 21 世纪人类将逐步进入知识经济时代，探索基于信息和知识的融合多种学科知 识建立集成管理决策系统在农业各领域的应用，将使人类愈益精细化地利用自然 资源和物质资源，减小浪费，降低成本，保护生态环境，实现农业可持续发展的 目标。“精细农业”技术体系将逐步完善，并不断推动农业系统经营管理决策科 学技术思想的革命。 后 记： 本讲座包括 11 个专题。梗概地介绍了“精细农作”的基本技术思想，支持技术 发展现状，相关农业装备技术创新和“精细农业”技术体系的发展趋势。资料主 要来源于国外有关文献，支持产品产业界的报导，试验研究报告等。其中也包含 作者本人的理解和认识。近几年来，国外“精细农业”的发展已引起我国农业科 技界和政府部门的重视，估计在世纪之交，我国一些地区的试验示范工程将陆续
启动,“精细农业”在国外的实践与应用仍然处于初期发展阶段,通过几年的试 验实践,已提出了要着力加强有关应用基础与技术开发研究的任务。这也为推动 我国农业装备技术创新提供了良好的机遇。 中国农业大学“精细农业研究中心”经过近两年多来的研究工作积累,已对其主 要支持技术方面开展了积极的研究与技术开发工作,与国外各主要精细农业研究 中心和学术机构建立了广泛的联系,可以为我国同行提供有关工程项目规划,技 术方案选择,支持技术选型,有关技术知识培训、咨询服务和合作。也愿意积极 发展与企业界的合作,共同推动支持精细农业发展的农业机械产品机电一体化技 术的创新实践。让我们共同努力,为实践我国传统农业技术思想的革新,发展农 业高新技术应用及其产业化,探索建立适于我国国情的“精细农业”技术体系, 推动农业信息高新技术应用以及农业装备技术创新作出贡献。中国农业大学“精 细农业研究中心”通讯地址是:北京100083清华东路中国农业大学东校区63 信箱;联系电话:010-62336741:E-mail:pacenter@bjaeu.edu.cn
启动，“精细农业”在国外的实践与应用仍然处于初期发展阶段，通过几年的试 验实践，已提出了要着力加强有关应用基础与技术开发研究的任务。这也为推动 我国农业装备技术创新提供了良好的机遇。 中国农业大学“精细农业研究中心”经过近两年多来的研究工作积累，已对其主 要支持技术方面开展了积极的研究与技术开发工作，与国外各主要精细农业研究 中心和学术机构建立了广泛的联系，可以为我国同行提供有关工程项目规划，技 术方案选择，支持技术选型，有关技术知识培训、咨询服务和合作。也愿意积极 发展与企业界的合作，共同推动支持精细农业发展的农业机械产品机电一体化技 术的创新实践。让我们共同努力，为实践我国传统农业技术思想的革新，发展农 业高新技术应用及其产业化，探索建立适于我国国情的“精细农业”技术体系， 推动农业信息高新技术应用以及农业装备技术创新作出贡献。中国农业大学“精 细农业研究中心”通讯地址是：北京 100083 清华东路 中国农业大学东校区 63 信箱；联系电话：010-62336741；E-mail: pacenter@bjaeu.edu.cn