精準農(nóng)業(yè):機遇與挑戰(zhàn)

發(fā)布日期:2018-08-09??瀏覽次數(shù):4252
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核心提示: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(nóng)業(yè)產(chǎn)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(nóng)業(yè),智慧農(nóng)場,這就是農(nóng)業(yè)的未來。精準農(nóng)業(yè)(或精準農(nóng)業(yè))作為一個術語,描述通過技術的使用,以便
 

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(nóng)業(yè)產(chǎn)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(nóng)業(yè),智慧農(nóng)場,這就是農(nóng)業(yè)的未來。

 

精準農(nóng)業(yè)(或精準農(nóng)業(yè))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(chǎn),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(nóng)場管理決策

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

精準農(nóng)業(yè)循環(huán)

從歷史上看,作物生產(chǎn)過程一直是一個“開環(huán)”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(nóng)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(qū)的氣候歷史;和他們所在地區(qū)的近期天氣。這些信息用于制定基本的農(nóng)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(yōu)化農(nóng)場的運營并最大化農(nóng)場的作物產(chǎn)量。不幸的是,還有一些影響作物生產(chǎn)的主要外部因素 - 特別是天氣和雜草和蟲害。

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

 

產(chǎn)量測量

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

土壤養(yǎng)分測量

氮,磷,鉀和其他土壤養(yǎng)分對植物健康至關重要。 幾千年來,種植者已經(jīng)意識到土壤養(yǎng)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(nóng)藝師已經(jīng)更多地了解了作物的特定化學需求,并開發(fā)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(nèi)特定地點營養(yǎng)水平的地圖。 不幸的是,這個過程緩慢,季節(jié)性很強,而且勞動強度大。

作物健康測量

種植者現(xiàn)在能夠在季節(jié)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(wèi)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(jié)性管理決策,如農(nóng)藥施用和季節(jié)內(nèi)養(yǎng)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(chǎn)量有顯著影響。 因為它們?nèi)绱擞行?,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(chǎn)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(jīng)濟價值令人信服。

高效田間栽培

除了允許在現(xiàn)場進行現(xiàn)場特定測量外,GNSS還實現(xiàn)了農(nóng)場設備的機器人自動化。 2000年推向市場的產(chǎn)品使拖拉機,噴霧器和收割機能夠通過現(xiàn)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(nèi)完成的更多,而且導致更高的產(chǎn)量。

種子和肥料管理

除了控制農(nóng)用車輛的轉向外,GNSS還提供可以在特定地點控制現(xiàn)場輸入應用的解決方案。 現(xiàn)在,種植者可以使用強大的工具,實現(xiàn)種子和肥料率的實時調(diào)整。 這些比率由軟件“處方”確定,軟件“處方”是基于各種數(shù)據(jù)創(chuàng)建的,包括上述產(chǎn)量監(jiān)測和土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)。

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(yǎng)分測量過程緩慢而乏味,而且執(zhí)行這些可變速率應用技術的結果難以衡量,而且作物產(chǎn)量的其他變量(如天氣)太大。

今天精準農(nóng)業(yè)的挑戰(zhàn)

種子遺傳和精確轉向的采用率在幾個地區(qū)市場已經(jīng)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(xiàn)在每年超過180億美元,占大多數(shù)農(nóng)場小麥和玉米生產(chǎn)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(nèi),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(fā)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(huán)”列為21世紀14大工程挑戰(zhàn)之一。

 

當克服三個關鍵挑戰(zhàn)時,采用精準農(nóng)業(yè)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(shù)據(jù)

提高GNSS信號可用性

在許多農(nóng)場環(huán)境中,僅GPS不能提供足夠的現(xiàn)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(qū)采用的障礙。 10年前美國的大多數(shù)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(shù)高精度系統(tǒng)現(xiàn)在都提供GLONASS功能,以增強GPS的信號可用性。 隨著更多衛(wèi)星空間信號可用,在這些困難環(huán)境中可用性將繼續(xù)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(yǎng)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(qū)域”采樣技術,其中基于土壤質地區(qū)域在整個區(qū)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(wǎng)格上采集樣本。研究表明,考慮到土壤養(yǎng)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(yǎng)水平。

不幸的是,在田間施用額外肥料的經(jīng)濟成本明顯低于由肥料施用不足引起的潛在產(chǎn)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(jīng)濟實惠的方式測量營養(yǎng)成分,他們將繼續(xù)過度施肥以確保高產(chǎn)量。

多個農(nóng)場的數(shù)據(jù)分析

如上所述,許多變量影響作物產(chǎn)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(nóng)場是信息的“孤島”。 對于一個農(nóng)場來說,收集足夠的信息來衡量新農(nóng)業(yè)實踐或特定種子雜交所創(chuàng)造的價值需要很多年。 單個農(nóng)場無法生成足夠的數(shù)據(jù)來提供有意義的統(tǒng)計顯著性。

 

當信息可以跨多個農(nóng)場相關時,數(shù)據(jù)分析的顯著改進是可能的。 用于實現(xiàn)此類分析的無線數(shù)據(jù)連接和軟件工具現(xiàn)在正在農(nóng)場中實施。 一旦這些做法變得更加普遍,精準農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)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(xiàn)在擁有更好的工具來管理他們的作物生產(chǎn)。

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?shù)厥褂梅柿蠈τ诜N植者來說在經(jīng)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(zhàn)時,采用精準農(nóng)業(yè)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(zhí)行數(shù)據(jù)分析的能力的優(yōu)勢。

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