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美国、加拿大精准农业实践与
随着中国城镇化的发展,务农人员逐渐减少,“谁来种田”的问题越来越突出.同时,新型经营主体不断涌现,产业化农场的经营规模逐步扩大,农业带来的环境压力日趋增大,农业发展面临着诸多严峻考验.在国外,美国、加拿大等发达国家也曾经历过类似阶段,并在发展现代农业的过程中,不断探索出了精准农业的管理和发展模式,现已得到较大范围的推广应用.与传统农业的粗放式管理相比,精准农业作为现代农业的一种生产形式,更强调高新技术与农业生产结合,更加注重利用全球定位系统(GPS)、遥感技术和计算机技术,更加追求投入“精细”、管理“精准”、产出“精确”,促进农业发展稳定可控.当前,中国对于精准农业的内涵和外延、主要应用模式的认识尚不统一,相关政策的制定尚缺乏足够的实践支持.本文通过对美国、加拿大相关政府机构、科研院所和大型农场的精准农业发展状况的实地调研,总结其精准农业发展实践经验,并结合中国发展现状,提出对中国精准农业发展的相关建议.
１ 美国、加拿大精准农业发展情况
美国和加拿大农业走过了传统农业到现代农业的历程,并展现出精准农业、生态农业等不同表现形式.其中,精准农业随着现代信息技术的广泛应用不断发展壮大.两国农业部门均认为,精准农业作为现代农业的类型之一,是未来农业的发展方向,今后发展的空间无限、前景广阔.
在美国,精准农业随着机械化、信息化、智能化的发展而逐渐发展起来.美国农业部自然保护局指出,精准农业是一种基于信息和技术的管理系统,采用定点技术和土壤、作物、营养物、害虫、湿度、产量等一种或多种来源的数据,实现收益最大化、可持续发展并保护环境,也就是说,精准农业的目标是实现农产品营养最大化、经济最大化和环保最大化.经过２０世纪７０—９０年代的酝酿,从２００２年开始,遥感技术、智能机械系统、计算机网络系统在美国农业耕作中得到了广泛的运用.２０１０ 年之后,精准农业技术与物联网相结合,掀起了美国精准农业技术的新浪潮,目前５０％以上的农场在应用精准农业技术.
在加拿大,精准农业随着现代农业的发展而不断壮大.加拿大农业部精准农业国际协会认为,精准农业是一种管理策略,主要通过使用大量的智能技术和最佳管理措施收集并处理数据,作为目标行动的指引,提高农业生产的精准度、效率和产量.从作用来看,精准农业可以帮助农民进行最有效地投入和产出,并降低对环境的影响.早在２０世纪６０年代,通过一系列政策的指导,加拿大农业就开始步入现代化进程,此后不断加入信息技术等现代科技要素,精准农业的特征不断强化,并因不同的技术而呈现不同的应用范围,７５％的农场已普遍应用自动导航技术.
总体而言,美国和加拿大的精准农业正处于蓬勃发展的时期,表现出较强的发展活力,呈现出以下几个方面的特点.
１.１ 精准农业应用范围广泛,精准管理、播种施药施肥和作业３个环节尤为突出
目前,精准农业技术已应用到美国和加拿大农业发展的多个领域,通过现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术在农业领域的广泛应用,使得在精量播种、变量施肥、精准用药、有效灌溉、无人操作等各个环节都有精准农业技术应用,种植养殖生产、生态资源环保等各个方面都能够使用到精准农业技术.美国农业部自然保护局认为,精准农业集中体现为５ 个方面的内容,即精准制导(PrecisionGuidance)、精准变量施肥施药(PreciＧsion Pesticide Application & Boom Section ConＧtrol)、精准变量播种(PrecisionVariableRateSeeＧding)、大数据(BidDataＧDataAggregation)、精准营养素应用(PrecisionNutrientApplication).每个方面都有详细的精准控制要求,比如精准制导方面,通过把农田分为若干个地块,进行精准控制用种、药、肥等要素.地块越小,精准度越高(最低可精确到每平方米).每个地块上,通过GPS绘制形成包括土壤肥力、海拔高度等不同维度的地面数据图,作为播种、施肥的依据.比如,根据不同肥力,通过变量播种,每英亩(１英亩≈０.４０５hm２)的玉米播种量可以在２万~３万粒进行调节.加拿大精准农业也有类似应用,在精准农业机械作业的基础上,通过精准氮肥施用(根据土壤和季节变化适时施肥),可减少过量氮肥施用而不会降低产量,该技术在魁北克省可降低２４％的氮肥施用量;采用变量灌溉(VRI)技术,根据农田需求适时进行调控灌溉量,用水效率可提高２６％.
１.２ 精准农业支撑要素较多,信息技术、现代农机装备等的应用必不可少
精准农业的顺利实施,涉及现代生物、信息、机械、工程、化工等多种要素,既要采用传统生物技术,又要融入信息技术、现代农机装备,实现定位、定时、定量作业.从美国精准农业发展历程看,正是信息技术的突飞猛进,大数据的梳理分析,推动了精准农业的迅速应用.根据普渡大学２０１５年第１７次全美国精准农业相关技术应用情况调研报告:GPS导航/自动控制技术和精准农业服务技术已分别被８３％和８２％的被访者应用,这两项技术的应用在过去十几年呈现出迅速增长的趋势,基于GPS的喷药控制使用达到７４％,GPS 导航/人工控制达到６３％,卫星/航空影像的应用达到５１％.当然,无论是数据的采集,还是作业的执行,都离不开现代农机装备的应用.比如在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机,就构成了作物产量监视系统.对不同的农作物需配备不同的监视器,如监视玉米产量的监视器.当收割玉米时,监视器记录下一株玉米所收穗数和产量,同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置,通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地的产量分布图.
１.３ 精准农业发展动力各异,效益引导、环境保护和技术研发十分关键
分析多年来美国、加拿大精准农业发展的历程可以看到,两国共同的国情是地广人稀,单纯靠机械粗放式生产越来越难以持久,亟须根据土地的承受情况优化农业生产投入品的使用,形成提高农业生产率和保护环境的解决方案.在实践中,形成了以下３方面的引导举措.
(１)效益引导.美国和加拿大农业部门都认为,是否采用精准农业技术,关键是看效益对农场主的吸引力.其中,农场面积越大,精准农业成本的分摊效果就越低,越容易使得农场主愿意采用.在回答“精准农业设备的投入是否能实现产量的提高和农业投入品的高效利用”问题时,美国佐治亚州西南部若干从事精准农业的大型种植户认为,增加产量是他们的主要动机.在位于马里兰州科尔多瓦城的肯赛尔农场,在农业机械上投入８５万美元,在各类仪器设备投入３万美元,这些农机装备一般在２~３年能收回成本.加拿大尼亚加拉农业环境科研创新研究所的专家认为,即使采用新的信息技术,如果农民看不到效益、不能节省成本,也不会应用精准农业技术.
(２)环境保护.为了防止农作物肥药施用量过多带来的环境问题,美国强调营养元素管理,提出了４R 计划,即正确的营养元素(RightNutrientSource)、正确的营养元素用量(RightRate)、正确的施用时间(Right Time)、正确的施用区域(RightPlacement).据介绍,农场主可以委托中介机构制订营养元素计划,费用可以申请政府资助.
(３)技术研发.精准农业伴随着技术的更新升级而不断壮大,加拿大尼亚加拉农业环境科研创新研究所的专家认为,采用精准农业正在推动农民由过去的靠经验种地变为靠数据支持种地.靠科学家种地正在成为农民的现实选择.
２ 中国精准农业存在的薄弱环节
相对于美国、加拿大精准农业技术的推广应用,中国精准农业作为一项新生技术,虽然２０世纪９０年代中后期国内也开始有了应用研究,并在近年来呈现快速发展态势,但总体仍处于起步阶段,在以下３个方面仍然面临一些问题.
２.１ 科技研发陆续展开,转化应用相对欠缺
早在２０世纪９０年代,中国即开始精准农业的应用研究,近年来,中国科学院、中国农业科学院、中国农业大学等科研单位的精准农业研究取得了积极进展.在遥感技术应用方面,中国已成为遥感技术大国,在农业监测、作物估产、资源规划方面已有广泛的应用.但在技术应用方面与国外发达国家相比,中国精准农业技术仍存在一定差距.在相关农田信息的采集和处理系统、专家咨询与决策系统、环境监测系统、网络信息系统、现代生物工程等基础性的软硬件设施方面还很不健全,缺乏高效的信息发布、传输方式.相对于美国、加拿大的大规模应用,中国的精准农业研发才刚刚开始,技术转化程度仍然不高.目前,国内所用精准农业设备的核心部件、设备几乎全部为国外品牌.从国外精准农业的生产实践来看,一些发达国家已形成高新技术和农业结合的新兴产业且发展迅速,今后中国对精准农业管理方式的研究和应用步伐需要继续加快,结合中国的国情探索建立具有中国特色的精准农业运用方法已成当务之急.
２.２ 温室和养殖发展较快,大田应用较慢
精准农业可应用于种植、养殖等不同领域.美国非常关注养殖业的精准农业发展.近年来,中国精准农业在养殖业上也取得了不小的成就,自动控温(光)、自动投料、自动投水、自动监测等技术都有广泛应用,从而提高了劳动生产率,进而提高了畜禽成活率和经济效益.加拿大尼亚加拉农业环境科研创新研究所的温室大棚利用电子信息技术实现精准播种和施肥、自动控温(光)、自动微灌、自动监测病虫害等,与中国大部分地区先进的温室技术相近.但不可否认的是,中国大田作物应用精准农业技术的程度仍然不高,主要是因为农田类型多样,旱、瘠、盐碱地较多,整体上农业生产自然条件较差.大型农业机械,如联合收割机、施肥机械等在以农户为单位的小块耕地上无法实施生产.
２.３ 点上应用逐步推进,面上推广相对不足
从中国各地的实践看,精准农业在局部地区进行了一些探索,并在北京、上海、黑龙江、山东等地取得了可喜成果.为了探索有中国特色的精准农业之路,国家农业信息化工程技术中心于１９９９年在北京小汤山建立了精准农业示范基地,成为各地参观学习的一个窗口.但与美国、加拿大精准农业大量应用相比,这些点上的应用仍显量少,对面上推广应用的带动作用不足.究其原因,一方面,由于中国农村基础软硬件设施很不健全,难以满足精准农业的相关要求.另一方面,也是因为中国农业缺乏高学历的专业技术人才,而操作精准农业技术设备要求拥有丰富专业知识的技术人员.
３ 建议
通过对美国、加拿大实施精准农业的相关机构实地调研,结合中国现代农业发展实际,笔者认为,促进中国精准农业发展是未来发展方向,在当前农业供给侧改革过程中,需要尽早谋划全国精准农业发展之策,点面结合、研究与推广应用结合,实现精准农业的发展壮大.基于此,笔者提出以下建议.
３.１ 组建精准农业研究联盟
立足于引进国际精准农业先进技术,整合国内各有关精准农业研究力量,借鉴农业科技联盟的做法,通过组建研究联盟的方式,围绕探索精准农业技术,按照“面向市场、平等自愿、风险共担、利益共享”原则,构建精准农业研究的利益机制、责任机制、信用机制以及资源整合、开放共享机制,共同探索精准农业技术.美国、加拿大等发达国家对精准农业已有几十年的研究和应用基础,建议在中美、中加等的双边合作机制下,纳入精准农业科技合作内容,加快中国精准农业研发进程.
３.２ 鼓励建设精准农业展示中心
着眼于搭建精准农业设施与技术展示平台,形成永不落幕的展览会,在国家现代农业示范区等有条件的地区建设国内外精准农业装备的展示基地,将尽可能多的资源整合到展示平台上,建立通往政府、产业、高校及研究机构、农民等的广泛渠道和接口,使各类精准农业装备和技术同台竞争,促进政府、服务中介与创新企业之间的良性互动.
３.３ 开展精准农业试点
针对精准农业不同领域的发展规律,通过分门别类开展试点,采用公私合营(PPP)等方式,探索政府投资与社会资本合作的实现路径,建议在现代农业示范区的选定区域,探索建立国际精准农业示范区,与国际精准农业的技术服务商、装备供应商开展合作,展示成熟的精准农业成效,通过在点上创新,探索面上推广应用的实现路径,为丰富中国特色农业现代化道路做出贡献.
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