精准农业上海市科委Word文档格式.docx
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第一课、精准农业的概念
第二课、精准农业的技术体系
第三课、精确施肥
第四课、精准农业应用前景广阔
第五课、精确农业进农庄
第六课、现代精准农业及我国精准农业的发展方向
精准农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益。
精准农业由十个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。
其核心是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。
精准农业并不过分强调高产，而主要强调效益。
它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。
精准农业的发展历史
海湾战争后GPS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，使得精准农业的技术体系广泛运用于生产实践成为可能。
1993-1994年，精准农业技术思想首先在美国明尼苏达州的两个农场进行试验。
结果用GPS指导施肥的产量比传统平衡施肥的产量提高30%左右，而且减少了化肥施用总量，经济效益大大提高。
精准农业的试验成功，使得其技术思想得到了广泛发展。
近五年来，世界上每年都举办相当规模的“国际精细农作学术研讨会”和有关装备技术产品展览会，已有上千篇关于精细农作的专题学术报告和研究成果见诸于重要国际学术会议或专业刊物。
在万维网上设有多个专题网址，可及时检索到有关精细农作研究的最新信息。
美、英、澳、加、德等国的一些著名大学相继设立了精细农作研究中心，开设了有关博士、硕士的培训课程。
在发达国家，精细农作技术体系已实验应用于小麦、玉米、大豆、甜菜和土豆的生产管理上。
1995年美国约有5%的作物面积不同程度的应用了精细农作技术，近年来又有了更为迅速的发展。
在美、加、澳、欧等国，精准农业的实验研究以涉及小麦、玉米、大豆、甜菜、土豆等作物生产。
不仅发达国家对精细农作的技术实践非常重视，巴西、马来西亚等国亦已开始了试验示范应用。
精准农业技术体系的实践与发展，已经引起一些国家科技决策部门的高度重视。
美国国家研究委员会（NationalResearchCouncil）为此专门立项对有关发展战略进行研究，经过由美国科学院、美国工程院院士组织评估，于1997年发表了一份“PrecisionAgricultureinthe21stCentury---GeospatialandInformationTechnologiesinCropManagement”研究报告，全面分析了美国农业面临的压力、信息技术为改善作物生产管理决策和改善经济效益提供的巨大潜力，阐明了“精准农业”技术研究的发展现状以及为信息产业和支持技术开发研究提供的机遇。
精准农业在美国、英国等发达国家已经形成为一种高新技术与农业生产结合的产业，且已被广泛承认是发展持续农业的重要途径。
目前，适应精准农业技术体系应用的DGPS装置，GIS适用平台及农作物资源空间信息数据库管理软件，作物生产决策支持模拟模型，带DGPS接收机小区产量传感器和产量分布绘图装置的谷物联合收割机，自动调控施药、施肥机、播种机均已有商品化产品；
支持农田信息实时采集的田间土壤水份、N、P、K含量、pH值、有机质含量、作物苗情、杂草分布等的传感器技术，已有初步研究开发成果。
可以预言，精准农业技术体系的装备技术发展，到本世纪末将会日新月异，有关新兴产业将得到快速发展。
我国精准农业的思想已经为科技界和社会广为接受，并在实践上有一些应用。
如1992年北京顺义区在1.5万公顷的范围内用GPS导航开展了防治蚜虫的试验示范。
在遥感应用方面，我国已成为遥感大国，在农业监测、作物估产、资源规划等方面已有广泛的应用。
在地理信息系统方面，应用更加广泛，1997年辽宁省用GIS进行下辽河平原农业生态管理的应用研究，吉林省结合其省农业信息网开发“万维网地理信息系统（GIS），北京密云县完成以GIS技术建立的县级农业资源管理信息系统。
在智能技术方面，国家863计划在全国20个省市开展了“智能化农业信息技术应用示范工程”。
这些技术的广泛应用，为我国今后精准农业的发展奠定了一定的技术基础，但这些研究与应用大部分局限于GIS、GPS、RS、ES、MS单项技术领域与农业领域的结合，没有形成精准农业完整的技术体系。
尽管如此，随着我国农业技术和相关信息产业、工程制造业的发展，智能控制技术的广泛应用，精准农业的技术必将得到不断发展完善，且将扩展到更为广泛的设施农作、养殖业和加工业的精细管理与经营。
国际上精准农业的实践表明，实施精准农业要求信息技术、生物技术、工程装备技术和适应市场经济环境的经营技术的集成组装，综合是其典型特征，技术集成是其核心，因此需要多部门、多学科联合作战。
我国实施精准农业的近期目标，一方面是总结国外发展经验，根据中国的国情找准自己的切入点，另一方面切实做好有关应用技术的研究开发，力求走出适合中国国情的精确农业的发展道路。
精准农业系统体系结构
1、全球定位系统。
精准农业广泛采用了GPS系统用于信息获取和实施的准确定位。
为了提高精度广泛采用了DGPS（DifferentialGlobalPositioningSystem）技术，即所谓“差分校正全球卫星定位技术”。
它的特点是定位精度高，根据不同的目的可自由选择不同精度的GPS系统。
2、地理信息系统GIS。
精准农业离不开GIS（GeographicalInformationSystem）的技术支持，它是构成农作物精准管理空间信息数据库的有力工具，田间信息通过GIS系统予以表达和处理，是精准农业实施的重要。
3、遥感系统RS。
遥感技术（RemoteSensing）是精准农业田间信息获取的关键技术，为精准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要求。
4、作物生产管理专家决策系统。
它的核心内容是用于提供作物生长过程模拟、投入产出分析与模拟的模型库；
支持作物生产管理的数据资源的数据库；
作物生产管理知识、经验的集合知识库；
基于数据、模型、知识库的推理程序；
人机交互界面程序等。
5、田间肥力、墒情、苗情、杂草及病虫害监测及信息采集处理技术设备。
如田间信息适时采集传感器与数据处理方法。
6、带GPS系统的智能化农业机械装备技术。
如带产量传感器及小区产量生成图的收获机械；
自动控制精密播种、施肥、洒药机械等等。
刘爱民、封志明（中国科学院自然资源综合考察委员会）
徐丽明（中国农业大学机械工程学院）
精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术最新成就的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式，其核心技术是地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。
精准农业系统是一个综合性很强的复杂系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。
1、现代信息技术
精准农业从90年代开始在发达国家兴起，目前已成为一种普遍趋势，英美法德等国家纷纷采用先进的生物、化工乃至航天技术使精准农业更加“精准”。
美国把曾在海湾战争中运用过的卫星定位系统应用于农业，这项技术被称为“精准种植”，即通过装有卫星定位系统的装置，在农户地里采集土壤样品，取得的资料通过计算机处理，得到不同地块的养分含量，精准度可达1～3平方米。
技术人员据此制定配方，并输入施肥播种机械的电脑中。
这种机械同样装有定位系统，操作人员进行施肥和播种可以完全做到定位、定量。
还可将卫星定位系统安装在联合收割机上，并配置相连的电子传感器和计算机，收割机工作时可自动记录每平方米农作物产量、土壤湿度和养分等的精准数据。
现代信息技术的特点是应用地理信息系统将土壤和作物信息资料整理分析，制成具有时效性和可操作性的田间管理信息系统，在此基础上，利用全球卫星定位系统、遥感技术以及计算机自动控制技术，根据空间每一操作单元的具体条件，通过调整资源投入量，达到增加产量、减少投入、保护农业资源和环境质量的目的。
同时在农田经营管理决策的环节上，可根据不同情况选择“单纯获取高产”，“以适量投入，获取较好经营利润”或“减少资源消耗、保护生态环境”等多种不同优化目标。
这项技术的构成包括空间定位的农作物产量信息采集技术和土壤信息定时采集技术、农田地理信息系统定时更新技术及空间定位的农业投入控制系统等。
2、生物技术
现代生物技术从广义上讲主要包括基因工程、细胞工程和微生物工程等，最富有生命力的核心技术是基因工程。
现代生物技术最显著的特点是打破了远缘物种不能杂交的禁区，即用新的生物技术方法开辟一个世界性的新基因库源泉，用新方法把需要的基因组合起来，培育出抗病性更强、产量更高、品质更好、营养更丰富，且生产成本更低的新作物、新品种；
另外还具有节约能源、连续生产、简化生产步骤、缩短生产周期、降低生产成本、减少环境污染等功效。
如美国把血红蛋白转移到玉米中，不仅保持了玉米的高产性能，而且提高了它的蛋白含量。
抗虫害转基因水稻、玉米、土豆、棉花和南瓜等已在美国、阿根廷、加拿大数百万公顷土地上试种。
微生物农业是以微生物为主体的农业。
微生物在合成蛋白质、氨基酸、维生素、各种酶方面的能力比动物、植物高上百倍；
微生物还可利用有机废弃物，变废为宝、保护生态环境。
利用有益微生物，不仅可获得大量生物量，用于制作食用蛋白质以及脂肪、糖类等专门食品，而且在生物防治、土壤改良方面也有突出表现。
日本研制的EM（含80余种微生物的生物制剂），被称为可以挽救地球的有效微生物群。
施用EM可少用或不用化肥、农药和抗生素药物，净化环境。
3、工程装备技术
现代工程装备技术是精准农业技术体系的重要组成部分，是“硬件”，其核心技术是“机电一体化技术”；
在现代精准农业中，应用于农作物播种、施肥、灌溉和收获等各个环节。
精准播种。
将精准种子工程与精准播种技术有机结合，要求精准播种机播种均匀、精量播种、播深一致。
精准播种技术既可节约大量优质种子，又可使作物在田间获得最佳分布，为作物的生长和发育创造最佳环境，从而大大提高作物对营养和太阳能的利用率。
精准施肥。
要求能根据不同地区、不同土壤类型以及土壤中各种养分的盈亏情况，作物类别和产量水平，将N，P，K和多种可促进作物生长的微量元素与有机肥加以科学配方，从而做到有目的地科学施肥，既可减少因过量施肥造成的环境污染和农产品质量下降，又可降低成本。
要求有科学合理的施肥方式和具有自动控制的精准施肥机械。
精准灌溉。
在自动监测控制条件下的精准灌溉工程技术，如喷灌、滴灌、微灌和渗灌等，根据不同作物不同生育期间土壤墒情和作物需水量，实施实时精量灌溉，可大大节约水资源，提高水资源有效利用率。
精准收获。
利用精准收获机械做到颗粒归仓，同时可根据一定标准准确分级。
1、精确农业的概念及简介
20世纪后半期世界农业的高速发展，除了依靠生物技术的进步和耕地面积、灌溉面积的扩大外，基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下获得的。
但由此引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体富营养化等生态环境问题，已经引起了国际社会的广泛关注，并推动了农业可持续发展和精确农业理论的产生和发展。
"
精确农业"
是"
PrecisionAgriculture"
、"
PrecisionFarming"
Site-specificFarming（Agiculture）"
等名词的中译。
[4]精确农业是现代信息技术（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技术，农业工程装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式和管理模式，其核心思想是获取农田小区作物产量和影响作物生产的环境因素（如土壤结构、土壤肥力、地形、气候、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异信息，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，改变传统农业大面积、大样本平均投入的资源浪费作法，对作物栽培管理实施定位，按需变量投入。
它包括精确播种，精确施肥，精确灌溉，精确收获这几个环节。
而精确农业的兴起对合理施肥提出了新的理论和技术要求。
从化肥的使用来看，化肥对粮食产量的贡献率占40%，然而即使化肥利用率高的国家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，钾60%左右，肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸盐含量过高等环境问题。
总之施肥与农业产量、产品品质、食品和环境污染等问题密切相关。
精确施肥的理论和技术将是解决这一问题的有效途径。
2、精确施肥（变量处方施肥）
2.1精确施肥的必要性
土壤--作物--养分"
间的关系十分复杂。
虽然我们已确定了作物生长中必不可少的大量元素和微量元素，但作物需求养分的程度因植物的种类不同而有差别。
即使是同一种作物，不同的生长期对各种养分的需求程度差别也很大。
苗期是作物的"
营养临界期"
，虽然在养分数量方面要求不多，但是要求养分必须齐全和速效，而且数量足够。
很多作物在营养"
最大效率期"
对某种养分需求数量最多，营养效果最好，同一作物不同养分的"
不同，不同作物同一养分的"
也不同。
不同养分具有"
养分不可替代性"
即作物的产量主要受最少养分含量那个养分所限制，而这个最少的养分不能被其它养分所代替。
为消除"
最小养分率"
的限制，大量的使用化肥，而这又造成一系列的环境问题。
所以为取得良好的经济效益和环境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，变量处方施肥是我们未来施肥的发展方向。
2.2精确施肥
我们认为精确施肥是将不同空间单元的产量数据与其他多层数据（土壤理化性质、病虫草害、气候等）的叠合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系统为支持，以高产、优质、环保为目的的变量处方施肥理论和技术。
精确施肥是信息技术（RS，GIS，GPS），生物技术，机械技术和化工技术的优化组合。
按作物生长期可分为基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分为耕施和撒施。
按精施的时间性分为实时精施和时后精施。
具体实施见图1图1.精确施肥的技术路线
3、理论及技术体系
3.1土壤数据和作物营养实时数据的采集。
对于长期相对稳定的土壤变量参数，象土壤质地、地形、地貌、微量元素含量等，可一次分析长期受益或多年后再对这些参数做抽样复测，在我国可引用原土壤普查数据做参考。
对于中短期土壤变量参数，象N，P，K，有机质、土壤水分等，这些参数时空变异性大，应以GPS定位或导航实时实地分析，也可通过遥感（RS）技术和地面分析结合获得生长期作物养分丰缺情况。
这是确定基肥、追肥施用量的基础。
20世纪90年代以来，土壤实时采样分析的新技术、新仪器有了长足的发展进步。
3.1.1基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营养元素测定仪，在我国已有若干实用化的产品推广。
3.1.2基于近红外（NIR）多光谱分析技术、半导体多离子选择效应晶体管（ISFET）的离子敏传感技术的研究已取得了初步的进展和研究成果[5,6]。
3.1.3基于近红外（NIR）光谱技术和传输阻抗变换理论的土壤水分测量仪在我国已经研制成功[7,8]。
3.1.4基于光谱探测和遥感理论的作物营养监测技术研究也取得了一定的进展。
用植物光谱分析方法诊断植物营养水平具有快速、自动化、非破坏性等优点，但诊断专一性不够，解译精度也有待提高。
在作物N营养与作物光谱特性方面，无论是多光谱被动遥感，还是激光荧光雷达主动遥感的研究和应用都已较为成熟[9,10,11]，在外观未发现缺氮症状时，已能区分作物的N素营养水平。
日本首先研制了叶绿素计应用于田间作物氮素营养水平诊断及指导施肥，取得了较好的效果，据日农机新闻1999年又报道了一种自动化施肥装置，在水稻生长期间，可根据其叶子进行判断，自动调节施肥量，用分光传感器分析水稻生长情况，同时用GPS系统导航，任何人都能进行操作。
但植物中P、K和微量元素的营养水平与作物光谱特性的关系研究较少。
国内外研究发现基于现在的仪器设备条件下，在严重缺磷时，光谱分析才能用作物磷营养诊断[12]；
钾只能区分3~4级营养水平[13]。
但随着一系列地球观测卫星的将在近几年发射，卫星影像空间分辨率和光谱分辨率的提高，遥感技术将在作物营养监测的中扮演重要的角色。
3.2差分全球定位系统（DGPS）
无论是田间实时土样分析，还是精确施肥机的运作，都是以农田空间定位为基础的。
全球定位系统（GPS）为精确施肥提供了基本条件。
GPS接收机可以在地球表面的任何地方、任何时间、任何气象条件下至少获得4颗以上的GPS卫星发出的定位定时信号，而每一卫星的轨道信息由地面监测中心监测而精确知道，GPS接受机根据时间和光速信号通过三角测量法确定自己的位置。
但由于卫星信号受电离层和大气层的干扰，会产生定位误差，美国提供的GPS定位误差可达100米，所以为满足精确施肥或精确农作需要，须给GPS接受机提供差分信号即差分定位系统（DGPS）。
DGPS除了接收全球定位卫星信号外，还需接收信标台或卫星转发的差分校正信号。
这样可使定位精度大大提高。
我们在实验中用的美国GARMIN公司的GPS12XL接受机，接收差分输入后可达到1~5的定位精度。
现在民用DGPS已完全能满足精确施肥的需要。
现在的研究正向着GPS-GIS-RS一体化，GPS-智能机械一体化方向发展。
日本最近实验利用GPS定位插秧机、GPS定位自动施肥机，误差在10cm以内[14,15]。
3.3决策分析系统
决策分析系统是精确施肥的核心，直接影响精确施肥的技术实践成果。
决策分析系统包括地理信息系统（GIS）和模型专家系统二部分。
GIS用于描述农田空间属性的差异性；
作物生长模型和作物营养专家系统用于描述作物的生长过程及养分需求。
只有GIS和模型专家系统紧密结合，才能制定出切实可行的决策方案，这也使现在国内外GIS集成的研究热点。
在精确施肥中，GIS主要用于建立土壤数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库和进行空间属性数据的地理统计、处理、分析、图形转换和模型集成等。
作物生长模型是将作物及气象和土壤等环境作为一个整体，应用系统分析的原理和方法，综合大量作物生理学、生态学、农学、土壤肥料学、农业气象学等学科的理论和研究成果，对作物的生长发育、光合作用、器官建成和产量形成等生理过程与环境和技术的关系加以理论概括和数量分析，建立相应的数学模型。
它是环境信息与作物生长的量化表现。
通过作物生长模型我们可以得出任意生长时期作物对土壤生长环境的要求，以便采取相关的措施。
在这方面美国的科学家们综合考虑大气-土壤-作物之间的相互作用，早在20世纪70年代研制出大型作物模拟模型CERES（覆盖了玉米、小麦、高粱、大豆、花生等12种作物），国内高亮之等系统的完成了水稻模型RICEMOD[16]。
但这些模型在生理生态模拟方面仍比较简单，其机理性、适用性有待于进一步发展和提高。
我国20世纪80年代就就开发了作物营养专家系统，但无论是作物肥料效应函数模型为基础的专家系统，还是测土施肥目标产量模型，都属于统计模型，不同的统计模型计算的施肥量相差3倍以上[16]。
以作物生理机理为基础的作物营养模拟模型有待于进一步发展和提高。
3.4控制施肥
现在有二种形式，一是实时控制施肥。
根据监测土壤的实时传感器信息，控制并调整肥料的投入数量，或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量[18,19]。
二是处方信息控制施肥。
根据决策分析后的电子地图提供的处方施肥信息，对田块中肥料的撒施量进行定位调控。
4.理论技术存在的问题和未来发展方向
土壤数据采集仪器价格昂贵，性能较差，不能分析一些缓效态营养元素的含量，而遥感由于空间分辨率和光谱分辨率问题，使遥感信息和土壤性质、作物营养胁迫的对应关系很不明确，不能满足实际应用的需要。
随着高分辨率遥感卫星服务的提供（1~3m），加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将是近几年精确施肥研究的热点和重点。
DGPS的定位精度已完全能满足精确施肥的技术需要，虽DGPS导航自动化施肥或耕作机械已有研究，但DGPS与GIS数据库结合进行自动化机械施肥还有待于进一步发展，同时GPS-RS-GIS也正趋向于一提化。
作物模型和专家系统方面，除进一步加强作物营养机理和生理机理研究外，模型的适用性和通用性方面应于精确施肥紧密结合，因为现在许多模型需要的变量过多或普通方法难以测定，即模型需要进一步简单化和智能化。
5.中国发展精确施肥的思考
精确施肥在中国的必要性。
我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。
化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加了肥料的投入成本。
[20]我国肥料平均利用率较发达国家低10%以上，氮肥为30-35%，磷肥为10-25%，钾肥为40-50%。
肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且是环境污染特别是水体富营养化的直接原因之一，众所周知的太湖、滇池的富营养化，其中来自肥料面源污染负荷高达1/3-1/2。
随着人们环境意识的加强和农产品由数量型向质量型的转变，精确施肥将是提高土壤环境质量，减少水和土壤污染，提高作物产量和质量的有效途径。
精确农业是为
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