（香樟推文）智慧農業生產時代的發展趨勢
更新時間：2024-01-26 16:02:48作者：佚名
《一、前言》
一、前言
農業是人類的衣食之源和生存之本，農業生產直接關系著人類的生存、發展和社會穩定。農業生產的發展大致可分為4個階段：一是農業社會時期機械制造技術，以人力和畜力作業為主的傳統農業生產時代，稱為農業1.0；二是工業社會時期，以機械化作業為主的機械化農業生產時代，稱為農業2.0；三是信息化社會時期，以手動化作業為主的手動化農業生產時代，稱為農業3.0；四是智慧社會時期，以無人化作業為特點的智慧化農業生產時代，稱為農業4.0。實現食物安全供給是我國農業生產和發展的首要任務。到2050年，我國對面粉和大豆的需求仍將持續下降，肉、蛋、奶等農畜產品的需求也將急劇下降。具體來看，水產品和奶制品的需求量將是目前的3倍以上，蔬菜、畜產品、飼料用糧、食用油和纖維的需求量將是目前的1.5~1.6倍，禽肉、蔬菜的需求量將分別下降100%、75%[1]。目前，因為食物需求的下降以及食物消費結構的改變，對農業生產提出了更高的要求，為保障我國糧食安全，需進一步發揮科技進步的支撐作用并推動推動農業生產方法的轉變。
變革開放以來，我國農業生產機械化水平有了明顯提高，為推動我國農業勞動生豐度、土地產出率、資源借助率的提升和保障食物安全做出了重要貢獻。當前，隨著科技革命和產業轉型的加速發展，傳統的農業生產方法早已難以適應現代社會發展的需求，“誰來種糧，如何種糧”是中國和全世界農業領域面臨的共同問題。智慧農業生產以智能農機具武器為基礎，以數據和知識為核心要素，將現代先進技術與農業深度融合，可急劇增強勞動生豐度、土地產出率和資源借助率，是實現農業生產過程中的數字化感知、精準化作業、智能化決策和智慧化管理的先進農業生產力，也是社會發展的必然趨勢。
本文以小麥生產為例（主要包括耕整、種植、田間管理、收獲和干燥5個環節），介紹我國農業生產的發展現況，剖析我國農業生產向智慧化生產轉變的社會需求、面臨的機遇與挑戰，提出今后的發展方向與發展路線，并提出我國農業生產向智慧化方向轉變的對策建議。
《二、我國農業生產的發展現況》
二、我國農業生產的發展現況
隨著蒸氣機的發明，人類步入了工業社會，農業生產也步入了機械化時代。我國農業生產步入機械化時代的時間略晚，變革開放四十多年來，我國農業生產已逐漸向機械化轉變。為深入了解我國農業生產的現況，將以小麥生產為切入點進行剖析。
《（一）耕整》
（一）耕整
當前，鏵式犁、旋耕機、深松機和激光平地機等耕整機械逐步取代了人力和畜力耕整。激光平地技術已得到較廣泛應用，可有效節水30%~50%，農地借助率提升約9%，在急劇增強農地精細平地作業效率的同時，使產值降低20%~30%，取得了良好的經濟效益[2]。旱田耕整的通常要求是“寸水不過田”，即水田田面高差不超過3.3cm，這對于人力和畜力作業來說很難實現，而我國相關科研單位研發的激光平地機已成功實現這一要求[3~5]。另外，水準儀、全站儀、地面激光掃描儀和無人機載激光掃描儀的使用可以快速采集農田平整度信息，如基于全球導航衛星系統（GNSS）的農田三維地形實時采集系統可以在平整作業過程中，快速精準獲取田面的平整度信息[6]。
目前，我國耕整機械創新能力不強，80%以上的關鍵核心技術來始于美國，重大武器關鍵核心技術對美國技術的依存度高達90%以上，產品配套比列過高。另外，大小型耕整地機械少，大型耕整地機械多；復合耕整地機械少，單一功能耕整地機械多；高品質耕整地機械少，中低品質耕整地機械多。因此，需強化耕整機械自主創新，優化調整耕整機械配套比列，研制具備整體結構小型化、聯合整地以及通過油壓系統調整機具參數、可改變作業狀態的武器與技術。
《（二）養殖》
（二）養殖
小麥栽種機械化是小麥生產機械化的重要方面，目前常規稻的機械化栽插技術與武器已較為健全。機械直播是一種輕簡高效的栽培方法，與人工栽植方法相比可節約人工約95%以上，與機械栽種相比可節約人工約70%以上[7]，同時直播稻具有頂芽節位低、不傷根和沒有分蘗期等優勢，明顯增強了生產效率，增強了玉米產值，小麥品質較優。當前，普遍使用的“三同步”水稻精量直播技術在直播機作業時，先在田面開出蓄水溝，并同時在兩條蓄水溝的壟面上開出播種溝，排種器以穴播方法將稻種均勻地播在播種溝中，實現了邊距可選、穴距可調和播量可控。該項技術已在全省26個省（市）和美國6個國家得到推廣應用，取得了明顯的社會效益和經濟效益。當前我國小麥栽種環節的智能機械化水平依然較低，小麥和區域發展不平衡、不充分問題一直比較突出，需強化研究適用于北方丘陵地區和水果等經濟小麥的智能化養殖機械。
《（三）田間管理》
（三）田間管理
田間管理主要是對水、肥、藥的管理。目前，噴灌和微滴灌系統、同步播種澆水機、變量澆水機、地面和民航噴霧系統等田間管理機械和技術已在農業生產中普遍推廣和應用，明顯增強了水、肥、藥的借助率，節省了資源，降低了環境污染。在精準灌溉方面，在底泥中埋置傳感以精確獲取底泥中的含水量，按照小麥不同生長期的需水規律，實現了精準灌溉和水、肥、藥一體化灌溉[8,9]。在精準澆水方面，采用手動配肥澆水機，可實現多種氮肥的實時在線配比[10]；變量澆水系統可滿足實際生產須要，將淺層和深層排肥量的最大偏差減少，相比傳統澆水形式，可降低澆水量約12%[11]。在精準施藥方面，噴霧壓力和噴霧流量可調等先進技術已廣泛應用于地面施藥機械和民航植保機械[12]。
因為我國農小麥種類繁雜，養殖方法各有不同，現有的灌溉系統、施肥與施藥機械無法適應不同地區、不同小麥澆水和施藥的需求，需研究可以實現全面（小麥和區域）智能灌溉、施肥和施藥作業的機械與技術。
《（四）收獲》
（四）收獲
小麥收獲機取代了人工收獲形式，部份收獲機已開始安裝產值、含水率、流量、損失率和含雜率傳感，增強了智能化水平。目前，我國已研發開發出實用化的小型智能化糧食收割機，并通過手動化、智能化控制等先進技術，打破了美國的技術壟斷和市場壟斷，可用于收獲作物、小麥、大豆等糧食小麥，如多功能小麥智能聯合收獲機[13]。基于GNSS開發的遠程精準服務系統，可以實現收獲機故障遠程實時確診和修理指導。
目前，我國小麥收獲機械的智能化程度還不高，作業療效不理想，針對小麥、茶葉、花生、蔬菜等小麥的機械化收獲水平還較低甚至是空白。需針對我國農小麥栽種模式，自主研制適用于不同水稻和不同地區的收獲機械，實現規模化和標準化生產，提升收獲機械的智能化水平。
《（五）干燥》
（五）干燥
玉米烘干是小麥生產全程機械化的最后一個關鍵環節，是保證玉米儲藏品質的必要技術手段。目前，熱風干燥、真空干燥、微波干燥、熱泵干燥和遠紅外干燥，以及兩種干燥技術結合的技術，如熱風微波干燥、微波真空干燥、熱泵遠紅外干燥等是我國主要的小麥干燥技術。受技術、成本、場地等誘因限制，熱風干燥是目前國外應用最為廣泛的小麥干燥技術。小麥干燥系統可將小麥含水率從28.4%降至13.6%，系統工作效率為14.13t/h，成本為15.16元/t[14]；小麥變溫熱風干燥系統將傳統的恒溫47℃干燥改為以5℃和10℃為變溫幅度的變溫干燥工藝，干燥后小麥顆粒的爆腰指數分別增加了20%和10%，整精米率分別提升了12.6%和7.7%，達到安全儲藏含水率（14.5%）所需的時間分別節省了30min和60min[15]，明顯提高了小麥的品質。
隨著我國農業現代化的大力推動，小麥機械烘干技術應實現愈發低碳、智能、高效，為確保糧食顆粒歸倉發揮更大作用。
《三、農業生產向智慧化方向轉變的社會需求》
三、農業生產向智慧化方向轉變的社會需求
《（一）增強勞動生豐度的須要》
（一）增強勞動生豐度的須要
1952年，我國的總人口為5.75億，其中農業勞動力人口為1.73億，即1個農業勞動力的勞動產出可以滿足3.32個人的實際糧食須要；2019年，我國總人口數為14億，農業勞動力人口為1.94億，1個農業勞動力的勞動產出可以滿足7.2個人的實際糧食須要[16]；到2050年，我國的總人口約為13.65億，但農業勞動力人口占比將高于10%[1]。2003—2019年，我國農小麥綜合機械化率每提升1個百分點，城市化率會提升0.53個百分點，而農業勞動力在社會總勞動力中的占比則增加0.64個百分點[17]，這表明農業機械化可大幅度提升勞動生豐度，實現以更少的農業勞動力養活更多的人口。到2050年，我國1個農業勞動力須要養活起碼10個人，因此，須要進一步發展農業機械化，實現智慧農業生產，增強勞動生豐度。
《（二）提升農地產出率的須要》
（二）增強農地產出率的須要
1949年，我國小麥、小麥和馬鈴薯三大糧食小麥的單產分別為1892.29kg/hm2、642.10kg/hm2和961.66kg/hm2；隨著農業機械化技術和良種良法等先進農業科學技術的采用，2020年，三大小麥的單產分別提升至7043.22kg/hm2、5742.09kg/hm2和6317.74kg/hm2，分別是1949年的3.7倍、8.9倍和6.6倍。當前，我國人均耕地面積僅為0.86hm2/人[18]，且隨著工業化和城鎮化的發展，我國農業用地將更為緊張，為此，通過智慧農業生產提升農地產出率是實現用有限的耕地養活諸多的人口的根本途徑之一。
《（三）增強資源借助率的須要》
（三）增強資源借助率的須要
1991—2020年，通過采用精準灌溉技術，我國灌溉水有效借助系數從0.358提升至0.56；通過采用精準澆水技術，節省化肥約15%~40%[19]；通過采用精準施藥技術，節省化肥約40%~60%[20,21]。2020年，我國小麥、玉米和大豆三大糧食小麥的肥料、農藥和農田灌溉用水借助率分別為40.2%、40.6%、55.9%[22]，而法國和德國等發達國家和地區在大豆、玉米等糧食水稻生產過程中的肥料、農藥、農田灌溉用水的借助率為50%~65%。總體來看，我國農業生產的資源有效借助率不高，與發達國家還存在一定的差別。因此，需深入大面積推廣精準農業生產技術，提升水、肥、藥等農業資源的有效借助率。
《（四）農業紅色化發展的須要》
（四）農業紅色化發展的須要
農業是全球主要的溫室二氧化碳排放源之一，全球農業領域每年CO2排放量占總溫室二氧化碳排放量的21%~25%[23]。據預測，如不采取降耗舉措，2050年，農業領域CO2排放量將會再降低30%[24]，嚴重影響全球碳降耗目標的實現。1978年以來，我國農業碳排放量以5%的年均速率持續下降[25]，我國農業溫室二氧化碳排放量約占全省溫室二氧化碳總數的17%[26]。農業紅色化發展是實現我國碳達峰、碳中和目標的重要內容。關于農業紅色生產，一是要求農機具武器生產過程紅色化，即在制造和生產農機具武器的過程中不形成或少形成污染；二是要求農機具武器使用過程的紅色化，即農業機械在使用過程中盡量降低燃料消耗和廢氣排放，增加對底泥的壓實和破壞；三是要求農機具武器實現紅色化作業，即采用農機具武器進行精準澆水、精準施藥和精準灌溉作業，提升水、肥、藥等資源的有效借助率，降低生產成本并減少對環境的污染[27]。
《四、我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇與挑戰》
四、我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇與挑戰
《（一）我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇》
（一）我國農業生產向智慧化發展面臨的機遇
1.鄉村振興戰略的施行
鄉村振興是黨的“十九大”提出的重大戰略布署，我國確立了加快農業農村優先發展，推動農業農村現代化發展的重要方針，并取得了歷史性成就。鄉村振興戰略施行以來，我國農業農村現代化發展取得了突破性進展，農業基礎設施顯著改善，高產穩產的高標準農田建設成效明顯，扶貧攻堅取得決定性成就，產業幫扶新政覆蓋率達到了98%。我國農戶人均收入增長連續10年低于城鎮市民，2020年我國農戶人均可支配收入達到1.71億元[28]。鄉村振興戰略的施行改善了農業基礎設施建設，提升了農戶收入，使農戶有能力訂購農業機械，為農業生產朝智慧化生產轉變提供了支撐。
2.財政支農新政的建立
當前，我國財政支農新政不斷建立，財政支農結構不斷改善，財政支農力度不斷加強，將有力促進農業智慧化生產，為農業生產方法轉變奠定堅實的經濟基礎。據統計，我國財政支農支出由1952年的2.69萬元下降到2020年的23903.62萬元[29,30]。
3.機械制造領域的不斷發展
我國機械制造領域的不斷發展為農機具武器智能化提供了物質基礎。我國施行制造強國戰略以來成效明顯，主要表現在：突破了一批關鍵核心技術和產品，技術攻關能力和創新能力明顯提高；突破了一批重點領域核心環節困局弱項問題，基礎研制能力和創新能力逐步提高；智能化制造推進推進，涌現出一批智能制造新模式和新產業，信息技術與制造業深度融合，使制造業加速向網路化、數字化和智能化方向發展。我國機械制造技術的進步為我國農機具武器制造向智能化方向發展提供了支撐。
4.信息技術賦能
信息化與農業的深度融合是農業生產方法從機械化向智慧化方向發展的關鍵之一[31]。農業機械信息化指將物聯網、第五代聯通通訊技術、傳感技術、云估算、人工智能等現代信息技術與農業生產方法相融合，使農業機械運行更安全、更可靠、更高效。相比傳統農業機械，信息化農業機械在保證作業質量的同時，可提升作業效率約50%~60%[32]。以信息技術為基礎，在農機具武器上配備智能化系統，為研發具有精準播種、施肥、施藥、除草和收獲功能的智能農機具武器，發展智慧農業提供了有力支撐。
《（二）我國農業生產向智慧化發展面臨的挑戰》
（二）我國農業生產向智慧化發展面臨的挑戰
1.智慧農業生產基礎設施落后
目前，我國大部份地區發展智慧農業生產的基礎設施較為落后，部份農村地區網路基礎設施建設滯后，農村寬帶和光纖設施覆蓋率遠遠不能滿足智慧農業發展的須要。智慧農業生產武器成本較高，而我國農戶的實際收入較低，無法購置舉辦智慧農業生產所需的機械設備，限制了智慧農業生產武器的推廣應用。
2.智慧農業信息化水平較低
信息技術是智慧農業生產方法發展的核心要素之一。目前，我國多數農業生產地區信息化水平較低，主要彰顯在以下方面：一是我國智慧農業信息數據標準化程度低、準確性不高、覆蓋面不足；二是缺少農業信息數據共享機制，歸屬于不同部門的信息數據難以共享；三是我國農業信息平臺較少，針對農業生產構建的信息應用網站、數據剖析平臺規模較小、信息確切度較低，農業類信息平臺數據剖析的精準性和時效性不高。以上問題引起我國農業信息數據對我國智慧農業生產的支撐作用低，使得我國智慧農業生產無法推動。
3.智慧農業人才短缺
智慧農業生產集成了農業科學化生產技術、信息化技術以及智能農機具武器技術等，須要大量既把握農業知識又了解現代化信息技術的高素養技術人員、運維人員和系統管理人員進行智慧農業系統的使用、維護和管理，以充分發揮智慧農業生產的效能。但目前，我國農業從業人員受教育程度普遍偏高，尤其是在偏僻的農村地區，農戶文化水平整體較低，對于農業機械化、互聯網技術等新興事物的接受能力與應用能力不強，不利于我國智慧農業的發展與推廣應用。
《五、我國農業生產的發展方向與發展路線》
五、我國農業生產的發展方向與發展路線
《（一）我國農業生產的發展方向》
（一）我國農業生產的發展方向
我國農業生產將朝著智慧化方向發展，即在傳統農業生產方法的基礎上，將物聯網、衛星定位、傳感技術和智能控制等信息技術應用于傳統的農機具武器，進而實現農業生產過程的數字化感知、智能化決策、精準化作業和智慧化管理。
1.數字化感知
農業傳感器技術和物聯網技術是數字化感知的核心技術。發展重點是研制可靠性和穩定性高、成本低，適用于各類農業生產環境的高精度傳感；開發集多種參數感知于一體的多用途中型化傳感，如微機電系統（MEMS）、微電子機械、仿生及生物傳感等新型傳感。
廣泛采用自主研發的農業無線傳感網路，提升農情數據信息的實時性和可靠性是數字化感知的發展方向之一。推動實現農機具武器傳感的智能化和信息檢查及數據剖析，實現底泥-小麥-機器-環境傳感協調下的智能決策與精準作業；借助MEMS技術，研發新一代農機具武器傳感，在實現農機具傳感大型化的同時提升測量精度和穩定性；推動發展新型仿生和生物傳感，以適用于不同的農機具應用場景；推動推動基于機器視覺、實時全球定位系統（RTK-GNSS）、慣性技術融合的傳感在農業中的應用，提升大田無人化作業和畜牧水產智慧種植的手動化水平，促進產生新型的養殖模式和種植模式。
2.智能化決策
智慧農業基于農業生產的時空特點，可為農業生產過程提供智能化決策，在適合的時間、適宜的地點以適合的形式投入適合的生產資料，通過合理借助農業生產資料，增加農業生產成本，獲得最佳的經濟、社會和環境效益。比如，按照作物的生長情況和底泥中的水份及養分情況，根據作物不同生長階段的水份和養分需求，為作物生長提供智能化決策。隨著遙感技術、地理信息系統、全球定位系統等技術的不斷發展，農情信息快速采集技術不斷成熟。今后智能化決策系統的發展方向應以相關技術的開發和應用為技術支撐，以數據為驅動，采用知識和數據相結合的決策模型，將精準農業決策與智能估算方式有效關聯，基于數據庫、因果關系和時間序列，對農業生產進行衡量和預測，為農業生產提供智能化決策。
3.精準化作業
以糧食小麥、園藝小麥和經濟小麥耕、種、管、收的高效智慧生產為重點，按照南方旱作、南方旱田和丘陵山區等不同區域的高效生產需求，研發精準耕整、精準養殖、精準澆水、精準施藥、精準灌溉和精準收獲等智能作業武器，產生面向智慧化農業生產的精準化作業方案。圍繞新一代人工智能技術發展趨勢以及智慧農業生產的需求，舉辦遠程提高現實（AR）操控作業系統、中小型農業機器人自主作業系統以及微大型農業機器人集群與協同作業系統的研制；舉辦通訊及安全控制、高精度靶點辨識及路徑規劃、人機物交互系統（HCPS）、高速高精度驅動及末端作業機構研究。舉辦家禽飼養環境建立及調控、動物個體及群體辨識與感知、智能籠養系統研制；開發植物生長及飼養環境手動巡檢機器人和糞污高效處理系統。
4.智慧化管理
通過信息技術提升農業機械的智能管理水平，包括遠程調度、機具監控、故障預警和遠程修理指導等。①在遠程調度方面，借助GNSS技術等，遠程實時獲取農業機械的作業位置和作業軌跡，并按照生產需求，按最短轉移路徑原則進行農機具調度，提升農機具效率。②在機具監控方面，借助各類傳感技術，在農機具作業時實時采集關鍵部件作業參數，并發送至農機具生產企業和農機具管理部門。③在故障預警和遠程修理指導方面，依據實時獲取的機具狀態和作業質量信息，為農機具生產企業和農機具管理部門判定機具作業狀態提供支撐。比如，在機具發生故障時，可以遠程指導駕駛員進行修理；對于一些駕駛員未能排除的故障，則通知距離故障農機具近來的農機具修理人員前去修理。
《（二）我國農業生產發展路線》
（二）我國農業生產發展路線
我國農業生產發展路線如圖1所示。總體目標為：到2025年，我國主要農小麥生產基本實現全程機械化；到2035年機械制造技術，我國農業生產實現全面機械化，并向智能化方向發展；到2050年，農業生產實現智能化，并向智慧化方向發展。
《圖1》
圖1我國農業生產發展路線圖
《六、對策建議》
六、對策建議
《（一）強化農機具武器研制和創新體系建設》
（一）強化農機具武器研制和創新體系建設
一是要強化各級農機具武器創新平臺建設。對已完善的各級農機具武器創新平臺要進一步明晰定位，加強責任，提升產出。同時，按照現代農業建設須要，新增“動物-環境-設施”等一批重點實驗室和工程中心。二是要強化“產學研”融合創新。國家和有關部門要進一步頒布相關新政，支持農機具武器企業加強科技創新力度，使農機具武器企業逐漸成為我國農機具武器技術創新的主體。三是要創新科研項目立項和管理機制。要著力改變過去科研立項時小而散、立項后各干各的局面。
《（二）強化農機具推廣體系建設》
（二）強化農機具推廣體系建設
一是強化農機具推廣隊伍建設。強化農機具推廣體系建設，因地制宜建設鄉鎮農機具服務站，構建農機具推廣人員培訓機制。二是著力解決好農機具推廣的經費問題。根據《中華人民共和國農業技術推廣法》，各級人民政府應將農機具推廣經費列入本級財政預算中，并按國家規定給與補助，籌建鼓勵農機企業創新新技術和新機具的推廣機制和推廣經費。三是強化農機具推廣體系管理和服務創新。市級農機具推廣機構應按照國家農機具發展規劃和各市農機具發展需求，擬定發展規劃和年度重點工作，明晰目標，落實舉措。
《（三）強化農機具社會化服務體系建設》
（三）強化農機具社會化服務體系建設
一是強化政府的引導作用。各市、市、縣農業主管部門應按照本地的資源稟賦，制訂本地區農機具社會化服務體系建設規劃和相關新政。二是強化新政支持。對農機具社會化服務組織訂購農機具給與更多的購機補助和按揭；對農機具社會化服務組織的機庫、機棚等基礎設施建設給與用地和房貸等支持；對農機具社會化服務建設所需的啟動經費、事后補貼和保險等提供支持；對農機具社會化服務人員的學歷提高、人才培訓和隊伍建設等提供支持。三是指導和促進農機具社會化服務組織管理和服務創新。規劃與建設區域性農業生產性服務平臺，構建完善規章制度，強化農機具社會化服務組織與各種新型經營主體的聯合與合作，創新服務模式，強化農機具社會化服務信息平臺建設。
《（四）推動智慧農業示范區建設》
（四）推動智慧農業示范區建設
一是探求完善多元主體共建模式。推動智慧農業示范區創建，推動編制智慧農業示范區創建規劃，確定國家級、省市級布局方案。二是強化智慧農業關鍵技術研制。重點攻破農業專用傳感，強化農業虛擬現實、人工智能和區塊鏈等新技術研制；施行農機具武器智能化改建升級工程；建立智慧農業大數據平臺，加強個性化、智能化、精準化的生產管理服務。三是構建完善示范區管理營運機制。創新示范區管理體制和投資、建設、運營形式，通過政府訂購服務、貸款貼息、政府和社會資本合作以及風險基金等形式，鼓勵更多金融和社會資本投入示范區建設。
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