王子輝 刀劍 吳建 王悅 時玲

摘要：精準農業(yè)是一種兼顧農業(yè)產量和生態(tài)環(huán)境質量的生產方式。本文主要論述了精準農業(yè)中精準施藥、精準施肥和精準灌溉的環(huán)境效益，分析了目前在實際生產中應用精準農業(yè)技術的限制因素，并給出加強其推廣應用的建議。

關鍵詞：精準農業(yè);精準施藥;精準施肥;精準灌溉;生態(tài)環(huán)境效益;限制因素

中圖分類號：S127文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0156-05

隨著人口不斷增長，未來幾十年全球農作物需求將持續(xù)增長，不僅將加重農作物和可耕地的生產壓力，同時也意味著農藥、化肥和農業(yè)用水的使用量將會大幅增加，由此產生的農業(yè)污染將對生態(tài)環(huán)境產生巨大影響，因此，在農業(yè)生產中引入和采用一些先進的科學技術以降低農業(yè)污染物對環(huán)境的影響，對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-3]。

精準農業(yè)是以農業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農業(yè)經(jīng)濟學和資源環(huán)境保護為指導思想，鼓勵人們朝著更可持續(xù)的做法和行為轉變來進行農業(yè)生產，可在增加現(xiàn)有農田糧食產量的同時盡可能減少農業(yè)生產對環(huán)境造成的壓力[4-6]。自20世紀90年代以來，精準農業(yè)技術發(fā)展迅速，目前一些國家或地區(qū)特別是發(fā)達國家或地區(qū)對該技術進行了有效的推廣，已在施藥、施肥和灌溉等方面得到廣泛應用，在節(jié)能、增產和環(huán)保等方面均取得了顯著成效[7]。

本文系統(tǒng)地綜述了精準農業(yè)技術在減少化學藥品使用、節(jié)肥和節(jié)水方面的環(huán)境效益，分析了在實際生產中采用精準農業(yè)技術存在的主要問題和制約因素，并提出解決策略。

1 精準施藥的環(huán)境效益

農藥在農業(yè)病蟲害管理中發(fā)揮了重要作用，被廣泛應用于農業(yè)生產中[8]。使用化學農藥能有效控制作物病、蟲、草害，全世界每年可挽回農作物總產量損失的30%～40%，挽回經(jīng)濟損失約3 000億美元[9]。但農藥的使用也導致了河流及地下水污染，破壞生態(tài)環(huán)境[3]。Rasmussen等[10]通過對丹麥地區(qū)淡水中殘留農藥成分的研究發(fā)現(xiàn)，農藥施用是淡水系統(tǒng)中殘留農藥的主要貢獻者;農藥及其殘留物可能會持續(xù)存在，甚至在淡水生態(tài)系統(tǒng)的沉積物中積累。目前應用量最大的農藥也是地表水中最常見的農藥，水溶性和持久性化合物的濃度水平較高[11，12]。

糧食生產當前和未來的增長必須以質量更好、毒性更低的食品生產為目的[13]。精準農業(yè)技術被認為是農業(yè)生產效率和農業(yè)環(huán)境可持續(xù)的主要貢獻者，可以使農藥等化學藥品的使用量和排放量大幅減少[14]。精準施藥以提高農藥利用率、降低農藥殘留對食品和環(huán)境的污染為目的，是施藥發(fā)展的方向[15]。以除草劑的精準施用為例：Bargaheiser等[16]采用圖像分析方法對特定的雜草進行檢測，節(jié)省了20%～90%的除草劑施用量。Rsch等[17]研究表明農藥的地區(qū)特定使用可以將殺真菌劑的施用量減少約20%，除草劑減少50%以上。Tian等[18]開發(fā)和測試了應用機器視覺系統(tǒng)引導的精密噴霧器，能夠實時估算雜草密度和大小，實現(xiàn)特定地點的雜草控制，并有效降低玉米和大豆田除草劑的施用量，可以節(jié)省48%的除草劑。Giles等[19]研發(fā)了一種機器視覺制導、用于小型植物葉面藥物噴灑的精確噴霧器，在目標上的沉積效率為傳統(tǒng)噴霧器的2.6～3.6倍，而非目標區(qū)沉積減少72%～99%。此外，在植物最敏感部位使用微量注射劑進行精確的除草劑防治，可以進一步減少化學藥品的使用[20]。精準施藥在降低土壤和水源中農藥成分含量的同時，也將符合食品安全生產的政策。

2 精準施肥的環(huán)境效益

化肥投入是影響糧食產量增長的重要因素，1978—2006年間化肥投入對我國糧食產量增長的彈性值為0.20，貢獻率達56.81%，是所有投入要素中貢獻最大的一項[21]。為了防止營養(yǎng)缺乏或降低產量損失，農民往往在整個農場以統(tǒng)一的速度施用投入品（如肥料和殺蟲劑），忽略了土壤肥力和病蟲害在田間分布存在的差異性[22]，易導致投入品施用過量，而過度施用導致的淋溶和徑流損失不僅對資源質量（例如土壤和水）產生不利影響，而且對整個生態(tài)系統(tǒng)及經(jīng)濟和人口也會產生相應的影響。因此，資源不適配制對于糧食安全的可持續(xù)性具有嚴重影響。

精準施肥是依據(jù)土壤養(yǎng)分狀況、作物需肥規(guī)律和目標產量，調節(jié)施肥量、氮磷鉀比例和施肥時期，達到提高化肥利用率、最大限度利用土地資源、以合理的肥料投入量獲取最高產量和最大經(jīng)濟效益、保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境和自然資源的目的，是精準農業(yè)技術的核心內容[23]?，F(xiàn)代遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等為精準施肥提供了可能。例如，可以通過遠、近端（衛(wèi)星和無人機）遙感技術對作物葉面的營養(yǎng)狀況進行監(jiān)測，通過一些便攜式的儀器（如葉綠素計）對田間作物進行農學參數(shù)測定，同時采用這兩種數(shù)據(jù)，利用GPS技術，可以實現(xiàn)田間營養(yǎng)成分的變速率施用，為精準施肥提供決策參考[24，25]。Takcs-Gyrgy等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在歐盟27國采用精準農業(yè)技術后，相同的預期產量水平下，化肥的有效成分用量可減少34萬噸，而農藥使用可節(jié)約3萬噸（以2012年的劑量水平計算）;如果16個歐盟同盟國中約30%的農作物和混合農場采用這種新技術，將使環(huán)境負荷降低10%～35%。Delgado等[27]研究表明，利用RS、GPS、GIS和建模來評估氮的最佳管理方法，可將玉米田土壤中殘留硝酸鹽的淋失損失降到最低。

綜之，精準農業(yè)技術可以顯著減少化肥和其他農用化學品的用量及水的消耗量，進而降低農業(yè)對水資源富營養(yǎng)化的影響。

3 精準灌溉的環(huán)境效益

灌溉是農業(yè)生產的重要組成部分，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，農業(yè)用水占到了全球淡水消耗的69%[28]。因此，在季節(jié)性降雨量不足以滿足作物需水量的地區(qū)，需綜合考慮土壤和植物的狀態(tài)及氣候變化，改進灌溉規(guī)劃系統(tǒng)，開發(fā)利用新的灌溉技術，以提高灌溉效率[29]。

灌溉與否及灌水量的多少主要由四個因素決定——土壤含水量、作物需水量、降雨量和灌溉系統(tǒng)的效率[30]。精準灌溉正是綜合考慮這四個因素、在滿足作物正常需水量的同時提高灌溉效率的一種灌溉方式。滴灌是精準灌溉的主要代表，在部分國家被廣泛采用，其水分利用效率與傳統(tǒng)的表面灌溉方法相比更高[28]。目前澳大利亞農田灌溉的總面積約250萬公頃，其中約10%使用滴灌系統(tǒng)灌溉，應用該灌溉系統(tǒng)的農田單位面積產量是其他灌溉方式的4～6倍，年收獲量可以達到該國全年農業(yè)總收獲量的40%，并且應用滴灌系統(tǒng)可以有效減少根區(qū)養(yǎng)分的淋失和浸出，提高土壤養(yǎng)分和水分利用率[31]。

另有研究表明，在精準農業(yè)中，采用激光精確地平整農田后灌溉效率將顯著增加，水的平均應用效率為65%，貯存率為70%，水的分布率為80%[32]，水稻、豌豆的產量也增加了12%～20%[25]。

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展也為精準施肥和灌溉提供了技術保障，可通過傳感器實時監(jiān)測土壤養(yǎng)分和水分含量，及時、準確地做出施肥、灌溉決策，更好地實現(xiàn)精準施肥和灌溉[33，34]。

4 精準農業(yè)技術推廣應用的限制因素及建議

4.1 限制因素

4.1.1 人們對精準農業(yè)環(huán)境效益的認識有待增強 平衡農業(yè)生產對生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關注，但是，除少數(shù)發(fā)達國家外，多數(shù)發(fā)展中國家對此仍然缺乏足夠的重視。迫于人口增長對糧食需求的壓力，提高糧食產量仍然是多數(shù)發(fā)展中國家農業(yè)發(fā)展的首要目標，在此大環(huán)境影響下，人們往往忽略生態(tài)環(huán)境保護與切身利益之間的聯(lián)系，缺乏對精準農業(yè)環(huán)境效益的認知。而政府部門未充分發(fā)揮對精準農業(yè)的宣傳示范和引領作用，也影響了人們對精準農業(yè)環(huán)境效益的關注、理解和行動。

4.1.2 精準農業(yè)技術的應用和推廣存在困難 雖然目前已有許多國家發(fā)展了更有益于本國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的精準技術，但是仍有相當部分國家對該技術的應用和實際推廣嚴重滯后于該技術研究所取得的成果[35]。主要原因如下：首先，精準農業(yè)實施的前期投入較高，若政府不提供經(jīng)費資助或補貼，以家庭為單位的農戶多無力承擔，目前精準農業(yè)僅在部分中型和大型農場中實施。其次，農民采用新技術的主要目的是提高盈利能力，其對新技術能否盈利的不確定性會受到新技術可行性和投資成本的顯著影響。精準農業(yè)技術前期成本較高，農戶獨自實施難度大，且短期內與采用傳統(tǒng)農業(yè)生產技術相比在經(jīng)濟回報方面差異甚微，嚴重影響了農民采用精準農業(yè)技術的意愿[36]。另外，精準農業(yè)技術的應用同樣要求使用者不僅要有較高的專業(yè)知識和技術水平，還要有較高水平的管理技能，但目前很少有針對如何應用精準農業(yè)技術的培訓，農民缺乏相關的專業(yè)知識和技能[37]，這也在一定程度上限制了精準農業(yè)技術的推廣。

4.2 建議

4.2.1 建立健全農業(yè)環(huán)保法規(guī)，加強各項環(huán)保政策的實施 政府部門需制定健全的環(huán)保法規(guī)，加強對化肥、農藥和其他化學品使用的監(jiān)管和監(jiān)督，并使用一些激勵手段促進農戶采用對環(huán)境影響較小的生產實踐活動。如美國政府為了控制養(yǎng)分流失和溫室氣體等污染，實施了各種各樣的農業(yè)政策，如排碳、氮稅[38];歐盟于1991年規(guī)定每年氮肥的施用量不超過170 kg/hm2，以降低環(huán)境中的硝酸鹽積累量[39]。

4.2.2 繼續(xù)加大對精準農業(yè)技術的推廣應用 精準農業(yè)技術的實施應用需要大量信息技術驅動的分析技能，不僅需要收集機械操作的有關數(shù)據(jù)信息，還需要能對復雜數(shù)據(jù)進行管理、解釋和決策[40，41]。因此，精準農業(yè)技術的提供方需要建立培訓中心，幫助生產者更好地掌握和使用該技術。

政府部門也需要在培訓費和前期投入上提供資金補貼和優(yōu)惠政策，依靠稅收、補貼、成本分攤計劃和類似的財政激勵措施來提升生產者采用精準農業(yè)技術的意愿。

從增加農民收入著手，繼續(xù)深入研究精準農業(yè)技術，設計開發(fā)一些操作簡單、價位低廉的產品，降低精準農業(yè)的實施成本，提高其可操作性[42，43]，并通過提升農民對現(xiàn)代農業(yè)生產技術的認知水平，推動精準農業(yè)技術的普及和應用。

5 精準農業(yè)技術的應用展望

精準農業(yè)是通過適當?shù)馁Y源利用和管理，將傳統(tǒng)農業(yè)轉變?yōu)榄h(huán)境友好型農業(yè)的一種農業(yè)生產管理技術，有助于開發(fā)農業(yè)的綜合管理潛力，實現(xiàn)不可再生資源的可持續(xù)利用，大幅增加農民收入并減少工作量。精準農業(yè)技術將給農業(yè)生產帶來巨大的變革，是未來農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

從精準農業(yè)技術發(fā)展到成熟再到其廣泛應用仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)，今后需進一步加大對精準農業(yè)技術的推廣應用，更好地發(fā)揮其提高農業(yè)產量和質量及增強農業(yè)對生態(tài)環(huán)境效益的最大潛力。

參 考 文 獻：

[1]Tilman D， Balzer C， Hill J， et al. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2011， 108（50）：20260-20264.

[2]Bisoyi L K. Inter-linking of river basins of India—risks vs benefits [C]//Proceeding of 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in High-Tech Agriculture and Horticulture. Bangalore， India， 2006： 218.

[3]Ju X T，Xing G X，Chen X P，et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2009，106（19）： 3041-3046.

[4]Garnett T， Appleby M C， Balmford A， et al. Sustainable intensification in agriculture： premises and policies [J]. Science，2013， 341（6141）：33-34.

[5]Balafoutis A， Bert B， Fountas S， et al.Precision Agriculture Technologies positively contributing to GHG emissions mi-tigation， farm productivity and economics [J]. Sustainability， 2017， 9（8）：1339.

[6]Huang Y X， Yang Q. Impact of precision agriculture on environment [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（13）：250-254.

[7]Mondal P， Basu M. Adoption of precision agriculture technologies in India and in some developing countries： scope， present status and strategies [J]. Progress in Natural Science， 2009， 19（6）：659-666.

[8]Beddington J. Food security： contributions from science to a new and greener revolution [J]. Philosophical Transact-ions of the Royal Society of London B： Biological Sciences， 2010， 365（1537）：61-71.

[9]紀明山. 農藥對農業(yè)的貢獻及發(fā)展趨勢[J].新農業(yè)，2011（4）：43-44.

[10]Rasmussen J J， Wiberg-Larsen P， Baattrup-Pedersen A， et al. The legacy of pesticide pollution： an overlooked factor in current risk assessments of freshwater systems [J].Water Research， 2015， 84（1）：25-32.

[11]Dai G H， Liu X H， Liang G， et al. Evaluating the exchange of DDTs between sediment and water in a major lake in North China [J].Environmental Science and Pollution Research， 2014， 21（6）：4516-4526.

[12]Moschet C， Irene W， Simovict J， et al.How a complete pesticide screening changes the assessment of surface water quality[J].Environmental Science and Technology，2014， 48（10）：5423-5432.

[13]Carvalho F P. Pesticides， environment， and food safety[J]. Food and Energy Security， 2017， 6（2）：48-60.

[14]Aubert B A， Schroeder V， Grimaudo J， et al. IT as enabler of sustainable farming：an empirical analysis of farmers adoption decision of precision agriculture technology[J]. Decision Support Systems， 2012，54（1）：510-520.

[15]張波，翟長遠，李瀚哲， 等. 精準施藥技術與裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 農機化研究， 2016， 38（4）： 1-5， 28.

[16]Bargaheiser K， Nordmeye D H. Greening of mortars with pozzolans[J]. Journal of ASTM International， 2006， 3（9）：1-9.

[17]Rsch C， Dusseldorp M. Precision agriculture： how innovative technology contributes to a more sustainable agriculture[J]. GAIA-Ecological Perspectives for Science and Society， 2007， 16（4）： 272-279.

[18]Tian L， Reid J F， Hummel J W. Development of a precision sprayer for site-specific weed management[J]. Transactions of the ASAE， 1999， 42（4）：893-900.

[19]Giles D K， Slaughter D C. Precision band sprayer with machinevision guidance and adjustable yaw nozzles [J].Transactions of the ASAE， 1997， 40（1）： 29-36.

[20]Slaughter D C， Giles D K， Downey D.Autonomous robotic weed control systems： a review[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2008， 61（1）：63-78.

[21]王祖力，肖海峰. 化肥施用對糧食產量增長的作用分析[J].農業(yè)經(jīng)濟問題， 2008（8）： 65-68.

[22]Khanna M. Site-specific crop management： adoption patterns and incentives [J].Review of Agricultural Economics，1999，21（2）：455-472.

[23]陳桂芬，馬麗， 陳航. 精準施肥技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 吉林農業(yè)大學學報， 2013，35（3）： 253-259.

[24]Mulla D J. Twenty five years of remote sensing in precision agriculture： key advances and remaining knowledge gaps [J]. Biosystems Engineering， 2013， 114（4）：358-371.

[25]Chaudhuri D， Mathankar S K， Singh V V， et al. Effect of precision land leveling on production of pigeonpea crop— a case study [C]// Proceedings of the 40th Annual Convention and Symposium of ISAE.2006.

[26]Takcs-Gyrgy K. Economic aspects of an agricultural innovation precision crop production [J]. APSTRACT： Applied Studies in Agribusiness and Commerce， AGRIMBA， 2012， 6（1/2）： 1-8.

[27]Delgado J A， Bausch W C. Potential use of precision conservation techniques to reduce nitrate leaching in irrigated crops[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2005， 60（6）：379-387.

[28]Al-Jamal M S， Ball S， Sammis T W. Comparison of sprinkler， trickle and furrow irrigation efficiencies for onion production [J]. Agric. Water Manage.， 2001， 46（3）： 253-266.

[29]López-Riquelme J A， Pavón-Pulido N， Navarro-Hellín H， et al. A software ??architecture based on FIWARE cloud for Precision Agriculture[J]. Agricultural Water Management， 2016， 183： 123-135.

[30]Shafian S， Maas S J. Index of soil moisture using raw landsat image digital count data in Texas High Plains[J]. Remote Sensing，2015，7（3）：2352-2372.

[31]Cook F J， Hutson J L， Rassam D W， et al.Soil-water and solute movement under ?precision irrigation： knowledge gaps for managing sustainable root zones [J]. Irrigation Science， 2007， 26（1）： 91-100.

[32]Rajput T B S， Patel N. Laser land leveling a step towards precision agriculture [C]// Proceedings of the 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in ??????High-tech Agriculture and Horticulture.Bangalore， India， 2006： 120-130.

[33]Mouazen A M， Maleki M R， De Baerdemaeker J， et al. Online measurement of some selected soil properties using a VIS-NIR sensor [J].Soil and Tillage Research， 2007， 93（1）：13-27.

[34]Sparovek G， Schnug E. Soil tillage and precision agriculture-a theoretical case study for soil erosion control in Brazilian sugar cane production [J]. Soil and Tillage Research， 2001， 61（1）：47-54.

[35]Lindblom J， Lundstrm C， Ljung M， et al. Promoting sustainable intensification in precision agriculture： review of decision support systems development and strategies [J]. Precision Agriculture， 2017， 18（3）： ?309-331.

[36]Carr P M， Carlson G R， Jacobsen J S， et al. Farming soils， not field： a strategy for increasing fertilizer profitability[J]. Journal of Production Agriculture， 1991， 4（1）： 57-61.

[37]Nábrádi A. Role of innovations and ?knowledge—infrastructure and institutions [J]. Applied Studies in Agribusiness and Commerce （APSTRACT），2010， DOI： 10.19041/Apstract/2010/3-4/1.

[38]Goulder L H， Parry I W H. Instrument choice in environmental policy [J].Review of Environmental Economics and Policy， 2008， 2（2）：152-174.

[39]European Union. The EU Nitrates Directive [R/OL]. Publications Office， European Commission， 2010. http：//ec.europa.eu/environment/pubs/pdf/factsheets/nitrates.pdf.

[40]Roberts R K， English B C， Larson J A， et al. Adoption of site-specific information and variable-rate technologies in cotton precision farming [J]. Journal of Agricultural and Applied Economics， 2004， 36（1）： 143-158.

[41]Robertson M J， Llewellyn R S， Mandel R， et al. Adoption of variable rate fertiliser application in the Australian grains industry： status， issues and prospects [J]. Precision Agriculture， 2012， 13（2）：181-199.

[42]Chavas J P. A cost approach to economic analysis under state-contingent [J].Amer. J. Agr. Econ.， 2008， 90（2）： 435-446.

[43]Jochinke D C， Noonon B J， Wachsmann N G， et al. The adoption of precision agriculture in an Australian broadacre cropping system—challenges and opportunities [J]. Field Crops Research， 2007， 104（1/2/3）：68-76.