陳媛媛，游 炯，幸澤峰，胡華浪，梅國濤，石智峰，劉海啟※

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地利用遙感重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，北京 100121；2.濰柴雷沃重工股份有限公司，濰坊 260000）

0 引 言

近年來，中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得了巨大成就，糧食連年豐收。但仍存在對土地性狀認識不清、水肥藥等要素投入較多、水土資源短缺、生態(tài)系統(tǒng)失衡等多重問題。在全球糧食供需趨緊的背景下，中國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級面臨兩方面的挑戰(zhàn)，一是滿足人口增長和消費結(jié)構(gòu)升級需求，需要利用有限的農(nóng)業(yè)資源生產(chǎn)更多優(yōu)質(zhì)糧食；二是滿足綠色、可持續(xù)發(fā)展要求，把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響降到最低，以應對中國土地資源退化、地下水超采、環(huán)境污染等問題。在信息化、智能化快速發(fā)展的時代背景下，集成遙感、地理信息、導航、大數(shù)據(jù)、決策分析等技術(shù)于一體的精準農(nóng)業(yè)能夠根據(jù)水土資源的時空差異性，結(jié)合作物需求，精確、有針對性的投入生產(chǎn)要素[1]，是一種節(jié)約成本與資源、保護環(huán)境、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[2]，自提出以來在國際上得到普遍認可，尤其是近幾年，精準農(nóng)業(yè)成為各國農(nóng)業(yè)工作者研究和追逐的熱點[3-4]，是中國農(nóng)業(yè)順應時代，應對當前挑戰(zhàn)的必然選擇。

精準農(nóng)業(yè)的實施過程主要是用定位系統(tǒng)獲取準確的位置信息，用遙感技術(shù)監(jiān)測土壤濕度、作物生長狀況等信息[5]，用地理信息系統(tǒng)構(gòu)建空間信息數(shù)據(jù)庫，并分析農(nóng)業(yè)要素的空間差異特征，用診斷系統(tǒng)依據(jù)實時的作物生長狀況做出預測和診斷，農(nóng)民遠程指揮裝有定位信號的智能化農(nóng)機，實現(xiàn)精準播種、灌溉、施肥、施藥等生產(chǎn)過程的自動控制[1,6-7]。信息獲取是精準農(nóng)業(yè)的基礎[8]，信息處理分析是關鍵[9]，信息管理是核心[10-11]，田間變量作業(yè)是目標[12]，萬物互聯(lián)是保障[13]。

近些年，世界各國也提出了數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等新型農(nóng)業(yè)形態(tài)，這些概念均體現(xiàn)了以遙感、通信、人工智能等為代表的信息技術(shù)與數(shù)控農(nóng)機等工業(yè)技術(shù)的融合，又各有側(cè)重。數(shù)字農(nóng)業(yè)強調(diào)數(shù)據(jù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理以及銷售等環(huán)節(jié)的基礎支撐和可視化作用，是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的前提；精準農(nóng)業(yè)強調(diào)時空上非均勻化變量管理，根據(jù)分區(qū)單元的不同調(diào)整投入量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精準管控，以較少的投入獲得同等或更高的產(chǎn)出；智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高級階段，旨在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營、加工銷售等全過程各個環(huán)節(jié)都由信息流把控和智能配置，生產(chǎn)者、銷售者和消費者之間信息透明，是技術(shù)高度融合、全程無人操作的農(nóng)業(yè)形態(tài)[14]。

目前中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已基本實現(xiàn)了機械化，正在努力推進自動化，隨著鄉(xiāng)村振興工作的全面推進，中國農(nóng)業(yè)迎來了前所未有的高質(zhì)量發(fā)展新機遇，精準農(nóng)業(yè)已開始起步，但尚未形成完備的技術(shù)、服務體系，還不能大規(guī)模推廣應用[15]。鑒于此，本文以世界精準農(nóng)業(yè)發(fā)展方向為引領，旨在立足國情，審視國內(nèi)精準農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，厘清前進方向。瞄準世界精準農(nóng)業(yè)發(fā)展較好的主要發(fā)達國家和地區(qū)，重點分析不同國家和地區(qū)的精準農(nóng)業(yè)發(fā)展概況，提煉其成功經(jīng)驗；并從中國的初步探索、具備條件、薄弱環(huán)節(jié)等層面剖析中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀；最后針對中國的薄弱環(huán)節(jié)，借鑒國際經(jīng)驗，提出中國精準農(nóng)業(yè)今后的發(fā)展建議。

1 主要發(fā)達國家和地區(qū)精準農(nóng)業(yè)發(fā)展概況

美國是世界第一強國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展處于世界領先地位，最早提出精準農(nóng)業(yè)思想并開展實踐，發(fā)展了規(guī)?；木珳兽r(nóng)業(yè)[16]。日本過去傳統(tǒng)的分散小農(nóng)經(jīng)營狀況與中國現(xiàn)有農(nóng)業(yè)經(jīng)營狀況類似，日本脫離耕地零碎化的實踐對中國農(nóng)業(yè)向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變具有借鑒意義，且日本農(nóng)業(yè)在20世紀70年代以后發(fā)展很快，是集約型精準農(nóng)業(yè)的代表[17-18]。歐盟是國際舞臺的重要力量，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平世界領先，在共同農(nóng)業(yè)政策框架支持下，智慧農(nóng)業(yè)是歐盟各國農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，目前正在積極發(fā)展數(shù)字技術(shù)[19-20]。以色列農(nóng)業(yè)堪稱奇跡，不斷創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推動精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對水土資源匱乏的中國來說，以色列的先進農(nóng)業(yè)技術(shù)越發(fā)重要[21]。因此，綜合考慮中國農(nóng)業(yè)發(fā)展需求和他國農(nóng)業(yè)特點，選擇精準農(nóng)業(yè)發(fā)展較為典型的美國、日本、歐盟和以色列，重點研究其精準農(nóng)業(yè)發(fā)展狀況，簡要闡述英國、加拿大等國的精準農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀。

1.1 美 國

20世紀80年代，美國農(nóng)場面臨過度依賴化肥農(nóng)藥提高單產(chǎn)卻導致土地退化、環(huán)境污染等問題，Johnson等農(nóng)學家發(fā)現(xiàn)，即使在農(nóng)田小區(qū)域內(nèi)，不同生育期、不同空間位置的作物生長環(huán)境明顯不同，首次提出“處方農(nóng)作”概念[22]。之后的90年代，美國進行了土壤傳導性、土壤元素測定、電磁感應等技術(shù)的研究[23]。進入21世紀，信息感知、無線傳輸、自動控制等技術(shù)的發(fā)展，以及全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）向民間開放，促使美國精準農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，至今已形成了相對成熟、可推廣普及的精準農(nóng)業(yè)模式，并成為全球精準農(nóng)業(yè)的引領者[24]。

美國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展首先得益于平坦肥沃的規(guī)模農(nóng)場，農(nóng)場平均規(guī)模約1.75 km2[25]。技術(shù)是精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心，美國突出的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體現(xiàn)在以下 3點：一是精準導航與自動駕駛系統(tǒng)。美國聯(lián)邦航空管理局建設的廣域增強系統(tǒng)可為農(nóng)業(yè)提供分米級免費信號服務。針對厘米級精度的應用，主要通過電臺、移動通信鏈路和衛(wèi)星通信鏈路 3種方式提供實時動態(tài)差分信號。凱斯紐荷蘭等農(nóng)機具企業(yè)生產(chǎn)的拖拉機、大型收割機等農(nóng)機普遍安裝了基于 GPS、視覺導航等技術(shù)的自動駕駛系統(tǒng)，有些先進農(nóng)機可以根據(jù)作業(yè)場景提前進行路徑規(guī)劃[14]。二是信息獲取與變量作業(yè)。農(nóng)業(yè)研究局建立了全球獨有的植物表型高通量測量系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，全天候獲取測量區(qū)域內(nèi)所有作物的全方位表型數(shù)據(jù)和長勢數(shù)據(jù)，建立作物光譜識別、預測模型，以利用無人機、衛(wèi)星等遙感系統(tǒng)制作變量處方圖[13,26]。三是農(nóng)機檢驗檢測環(huán)節(jié)。在持續(xù)高溫的天氣下，選擇堅硬的土質(zhì)環(huán)境建立農(nóng)機檢驗測試場，采集測試數(shù)據(jù)，對農(nóng)機的功能、性能、部件等進行全面評估[27]。

美國健全的農(nóng)業(yè)政策為精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供多層支持與保護。一是農(nóng)業(yè)信貸體系。政府為農(nóng)場主提供信貸擔保，幫助農(nóng)場主順利獲得農(nóng)業(yè)貸款；成立農(nóng)業(yè)信貸總局，聯(lián)合一些信貸企業(yè)和金融機構(gòu)，為農(nóng)民購置先進農(nóng)機提供專項優(yōu)惠貸款[28]。二是立法加強教育、科研與推廣應用。美國新農(nóng)業(yè)法草案明確表示支持在高校中開展對青年人農(nóng)業(yè)新知識、新技術(shù)和應用能力的教育；支持農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)信息和技術(shù)轉(zhuǎn)讓的研究和推廣。美國農(nóng)業(yè)部根據(jù)國家戰(zhàn)略重點和農(nóng)業(yè)發(fā)展需求的變化，每隔兩年左右調(diào)整和制定新的農(nóng)業(yè)研究計劃，并向國會申請經(jīng)費支持，既保證研究工作的系統(tǒng)性，又注重解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的問題與挑戰(zhàn)[19]。

精準農(nóng)業(yè)全套技術(shù)體系在美國已經(jīng)市場化，約翰迪爾公司的“綠色之星”、凱斯紐荷蘭公司的“先進農(nóng)業(yè)”等系統(tǒng)是技術(shù)集成的先驅(qū)，為農(nóng)場主提供配套設備及技術(shù)服務，80%以上的農(nóng)場采用了GPS自動導航、物聯(lián)網(wǎng)、變量作業(yè)等精準農(nóng)業(yè)技術(shù)[14,29]。

1.2 日 本

日本人稠地狹，過去以分散的小農(nóng)經(jīng)濟為主，但目前有力地推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向集約化、適度規(guī)?；?jīng)營的轉(zhuǎn)變，在此基礎上發(fā)展精準農(nóng)業(yè)。早在20世紀70年代，日本就進行了土地規(guī)整與建設。通過修訂限制農(nóng)地流轉(zhuǎn)與集中的各項規(guī)定，政府逐步放松對土地的嚴格管制，主要包括承認多種形式的農(nóng)地流轉(zhuǎn)、放寬農(nóng)地租賃的審核與管理、對長期出租或出賣小地塊的農(nóng)戶給予財政獎勵等。政府出資運行的農(nóng)業(yè)合作組織、非營利性的民間法人組織等管理服務機構(gòu)在促進農(nóng)地流轉(zhuǎn)、保障流轉(zhuǎn)方向、規(guī)定利潤分配等方面發(fā)揮了重要作用[19,30]。在規(guī)?；硗恋氐幕A上，日本政府積極完善農(nóng)田基礎設施，如修建上水排水設施、田間道路、通信等設施，2004年，日本將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設列入政府計劃，截至2014年，超過50%的農(nóng)戶使用了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設施[31-32]。

在農(nóng)業(yè)人員組織方式上，組建農(nóng)業(yè)共同體，鼓勵共同經(jīng)營[17]。一是將懂技術(shù)、管理、經(jīng)營的農(nóng)戶組建為農(nóng)業(yè)經(jīng)營團體，主要負責組織廣大農(nóng)民群體學習農(nóng)業(yè)經(jīng)營、管理的先進信息技術(shù)。二是將從事精準農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)、推廣等的企業(yè)組建為農(nóng)業(yè)技術(shù)團體，主要負責提供、宣傳和推廣精準農(nóng)業(yè)技術(shù)和設備[33]。三是出臺“人與農(nóng)地計劃”、《農(nóng)業(yè)經(jīng)營基礎強化法》等政策法規(guī)，培育適度規(guī)模經(jīng)營的新型經(jīng)營主體，對專業(yè)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新型經(jīng)營主體給與資金、技術(shù)服務的支持[17]。

立足農(nóng)田面積相對小的特點，日本致力于攻克具有較高靈敏度和準確性的小型作業(yè)機器和無人機植保。目前已研發(fā)出能夠采集土壤水量和肥量的六足機器人、水稻變量施肥機、采用三維視覺系統(tǒng)的采摘機器人[34]、撒播水稻出苗數(shù)檢測裝置等，多臺小型機器可以根據(jù)計算機傳達的信息協(xié)同工作[35]。20世紀90年代初，日本政府就鼓勵推廣無人機在稻田植保中的應用，經(jīng)過30年的發(fā)展，無人機功能也從早期的噴灑向基于成像技術(shù)的生產(chǎn)態(tài)勢分析、基于垂下光源吸引和高壓電技術(shù)的殺蟲領域擴展。自動精準導航、避障和飛行穩(wěn)定性控制等技術(shù)在無人機應用中相對較為成熟[36]。

近年來，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展推動了日本農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺的建設。在“農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”項目支持下，自2014年開始，政府每年給予中央財政支持，通過政府與企業(yè)合作研究與建設，歷時 5年多，日本全國性農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)公共平臺正式上線運行。平臺匯集的土壤、氣象、生長預測、農(nóng)機作業(yè)等數(shù)據(jù)疊加到農(nóng)場管理系統(tǒng)，在推行變量精準施肥、提高農(nóng)機智能化水平和機器人作業(yè)等方面發(fā)揮了成效[10]。為讓農(nóng)戶更好的訪問、使用數(shù)據(jù)，日本政府也重視在農(nóng)戶中普及計算機應用，開設培訓班，教農(nóng)戶信息技術(shù)的使用；面對從業(yè)人口普遍老齡化問題，鼓勵企業(yè)開發(fā)適用于中老年人的專用界面[37]。

1.3 歐 盟

近年來，歐盟發(fā)達國家正積極推動機械農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，從而推動精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展。2017年，德國投入超過50億歐元，由大型企業(yè)、科研單位牽頭研究攻關與信息感知和調(diào)控、云平臺等技術(shù)相關的軟件系統(tǒng)、硬件裝備等[35]。德國數(shù)字農(nóng)業(yè)的解決方案是：每塊地的地理位置、土壤特性、作物信息、實時天氣等數(shù)據(jù)上傳到云端，運用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)進行處理，并做出診斷和處方，然后將云端提取的指令信息發(fā)送給配有接收信號的大型農(nóng)業(yè)機械，控制農(nóng)機進行作業(yè)[20]。德國Gut Derenburg農(nóng)場是一家有著 190余年歷史的家庭農(nóng)場，2000年前后農(nóng)場配備了能夠?qū)崟r測產(chǎn)制圖的收割機，進一步掌握了產(chǎn)量的空間差異，于是農(nóng)場決定逐步實施精準農(nóng)業(yè)應用項目。以精準灌溉為例，其典型做法是將空間數(shù)據(jù)和土壤類型、土壤田間持水量等屬性數(shù)據(jù)疊加，得到可用田間持水量空間分布圖，結(jié)合降水量和作物需水規(guī)律等數(shù)據(jù)，分析作物缺水狀況，進行空間分區(qū)，針對不同分區(qū)采取有針對性的措施[38]。

法國近些年農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展較快，由政府、社會組織、企業(yè)及經(jīng)營者共同推進，積極打造集開發(fā)應用、市場咨詢、法律政策保障、戰(zhàn)略支持等于一體的農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)體系，目前已建成完備的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)庫。政府定期公布農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、流通等信息，根據(jù)市場供需情況提供種植、銷售等建議；社會組織為農(nóng)戶提供法律、技術(shù)、管理等方面的咨詢服務，在農(nóng)機推廣、農(nóng)民教育與培訓等方面也發(fā)揮著重要作用；企業(yè)根據(jù)新型經(jīng)營主體的需求，提供基于現(xiàn)代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的個性化服務；經(jīng)營者依法填報自己的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營信息[18,35]。

在意大利，政府推動、企業(yè)參與，共同出資組建精準農(nóng)業(yè)商業(yè)化運營公司，開展導航位置服務、設備研發(fā)、技術(shù)咨詢、用戶指導等業(yè)務[39]。意大利倫巴第大區(qū)大農(nóng)場基于遙感、導航等空間信息技術(shù)，采用智能化農(nóng)機裝備自動控制系統(tǒng)，也實施了精準農(nóng)業(yè)項目[39-40]。目前，歐盟正著力解決一些小型農(nóng)場的水利、寬帶設施等問題，加強成員國創(chuàng)新合作，擴大精準農(nóng)業(yè)的推廣應用[41]。

1.4 以色列

以色列位于西亞沙漠地帶，面對降雨稀少、土壤貧瘠、地表水分布不均的自然環(huán)境，以色列政府一方面積極修建農(nóng)田水利設施，另一方面高度重視農(nóng)業(yè)技術(shù)，尤其是節(jié)水技術(shù)研究，每年資助上億美元用于農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)與推廣，農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費GDP占比居世界前列。目前發(fā)展了以節(jié)水灌溉、水肥一體化和溫室技術(shù)為代表的精準農(nóng)業(yè)，創(chuàng)造了“沙漠里的奇跡”[42]。

20世紀中期開始，以色列政府主導全國范圍內(nèi)興修水利，旨在將北部天然水源引入到南部缺水地區(qū)，將地下水組織、連接成網(wǎng)絡狀。密布的輸水管道根據(jù)水質(zhì)的不同被漆成不同的顏色，黑色、白色、紫色管內(nèi)分別是廢水、可直接飲用水和再循環(huán)利用水[43]。在此基礎上借助發(fā)達的物聯(lián)網(wǎng)、咸水淡化、廢水循環(huán)利用等技術(shù)積極發(fā)展節(jié)水灌溉。

滴灌與噴灌是以色列節(jié)水灌溉的代表方式，超過90%的灌溉采用了節(jié)水灌溉技術(shù)，水資源利用率居世界之首。世界知名企業(yè)耐特菲姆公司50多年來，一直致力于節(jié)水技術(shù)及產(chǎn)品的創(chuàng)新，先后開發(fā)出 100多種滴灌器，推出多套滴灌系統(tǒng)和對應產(chǎn)品[21]。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集和積累進一步推動滴灌用水量精準化發(fā)展，數(shù)字化管理平臺根據(jù)傳感器采集的土壤特性及作物生長信息實時跟蹤農(nóng)田狀況，結(jié)合嵌入的作物模型決定灌溉時間和灌溉量，目前 80%的地區(qū)使用了基于實時數(shù)據(jù)的灌溉策略[35,43]。在滴灌技術(shù)的基礎上，以色列還積極發(fā)展水溶肥料及相關技術(shù)，根據(jù)傳感器記錄的環(huán)境數(shù)據(jù)，施肥罐里溶解的氮、鉀等肥料，經(jīng)自動操作平臺分配后，借助管道和壓力準確、均勻地輸送到植物根部，一些先進的系統(tǒng)可測量每個植株的壓力水平，以此確定水肥輸送時間和停止輸送時間，實現(xiàn)了節(jié)水節(jié)肥、精準灌溉與施肥一體化[44-45]。20世紀70年代，以色列開始發(fā)展溫室大棚，大棚里配備滴灌系統(tǒng)，滴頭插入基質(zhì)中，通過壓力輸送進行水肥供應。溫室里還安裝了光照、溫度等傳感器，控制系統(tǒng)讀取傳感器的數(shù)據(jù)，自動升降擋板和簾子，從而保證植物所需的光照和通透性[46]。目前溫室內(nèi)從播種到收獲全部實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)與控制[42]。

1.5 其他國家

英國2013年啟動了“農(nóng)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略”，每年投入4.5億英鎊用于農(nóng)業(yè)科技研發(fā)與創(chuàng)新，利用大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)升級農(nóng)業(yè)，建立了國家精準農(nóng)業(yè)研究中心，致力于智能農(nóng)機、導航、精準作業(yè)等方面的研究。一些農(nóng)場建有田間交通管理系統(tǒng)，可以優(yōu)化田間農(nóng)機行走路線和作業(yè)幅寬，誤差能夠控制在厘米級[47]。通過集定位、自動導航、傳感識別、衛(wèi)星監(jiān)測、電子制圖、智能機械等技術(shù)于一體，英國可以實現(xiàn)精準作業(yè)及變量施肥施藥。目前，英國約有 16%的農(nóng)場采用了精準變量施肥及用藥技術(shù)。政府重視對農(nóng)戶新技能、新知識的培訓與教育推動了精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)民培訓是唯一可以得到政府資助的培訓項目，英國目前有200多個農(nóng)業(yè)培訓網(wǎng)點和2 000所農(nóng)場職業(yè)教育學校[48]。

在加拿大，土壤格網(wǎng)取樣、田間制圖、噴頭自動控制等技術(shù)在阿爾伯塔省、魁北克省的一些農(nóng)場也開展了實踐應用[49]，精準施氮肥、變量灌溉技術(shù)的研究與試驗表明，變量作業(yè)技術(shù)在不降低作物產(chǎn)量的情況下，可以節(jié)省水肥投入[50]。根據(jù)圭爾夫大學對 144名受訪者關于精準農(nóng)業(yè)技術(shù)使用情況的調(diào)查，自動導航技術(shù)應用最為普遍，約87%的耕地面積應用了此技術(shù)，使用變量施肥、衛(wèi)星影像處方圖、變量噴灑等技術(shù)的耕地面積比例分別為28%、16%和10%[49]。

1.6 成功經(jīng)驗

世界精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展在不同國家和地區(qū)各具特點，以美國為代表的規(guī)模化精準農(nóng)業(yè)利用優(yōu)越的自然條件，以高度發(fā)達的信息技術(shù)引領大農(nóng)場發(fā)展；以日本為代表的集約型精準農(nóng)業(yè)以解決人多地少矛盾為出發(fā)點，在耕地規(guī)?；淼幕A上，通過組建農(nóng)業(yè)共同體實現(xiàn)共同經(jīng)營，設備研發(fā)以小型靈活設備的開發(fā)與協(xié)同作業(yè)為主；歐盟在共同農(nóng)業(yè)政策的引導下，以數(shù)字技術(shù)推動精準農(nóng)業(yè)發(fā)展；以色列克服自然條件不足，是節(jié)水農(nóng)業(yè)和設施農(nóng)業(yè)成效顯著國家的代表。深入剖析主要發(fā)達國家和地區(qū)精準農(nóng)業(yè)發(fā)展領先的原因，不難看出，以下幾點對于推動精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關重要。

1）政府引導是關鍵。以上各國政府非常重視精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在政策制定、資金投入、基礎建設等方面發(fā)揮了引領、統(tǒng)籌作用。政策制定方面，紛紛出臺支持農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略計劃[14,51]，美國建立了完善的農(nóng)業(yè)政策法規(guī)體系及由農(nóng)業(yè)部牽頭、所屬各級農(nóng)業(yè)部門協(xié)同參與的信息采集、審核、發(fā)布體系[52]；2021－2027年的歐盟共同農(nóng)業(yè)政策將重點關注支持數(shù)字農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展。資金投入方面，美國20世紀90年代以來，每年撥款15億美元用于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡建設、數(shù)據(jù)的采集與發(fā)布等[35]；日本自2015年啟動基于智能農(nóng)機和信息技術(shù)的“農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”研究計劃以來，累積投入近 500億日元用于農(nóng)業(yè)可視化、智慧農(nóng)業(yè)專題等的研究及農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)的激勵[53]；歐盟提供3000萬歐元以改變農(nóng)業(yè)農(nóng)村地區(qū)寬帶滯后、設備老化等問題，推動農(nóng)業(yè)數(shù)字化、精細化發(fā)展[35]?；A建設方面，日本、以色列等國為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，由政府主導，在全國范圍內(nèi)組織開展農(nóng)業(yè)工程建設，有力改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[37,54]。

2）信息化建設是基礎。美國經(jīng)歷20世紀90年代的“信息高速公路”計劃，農(nóng)業(yè)領域已建成世界上最大的信息網(wǎng)絡，連接美國農(nóng)業(yè)部、州農(nóng)業(yè)署、高校、企業(yè)及農(nóng)場主[52]。日本在經(jīng)過土地規(guī)整后，著力推進信息平臺建設，也建成了以國家為主體的農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)共享、挖掘、服務于一體[10]，并健全相關制度，在對數(shù)據(jù)進行分類管理的基礎上，明確共享主體、有償使用權(quán)責、數(shù)據(jù)交易等規(guī)定；歐盟成立了物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新聯(lián)盟，旨在對農(nóng)業(yè)基礎設施進行數(shù)字化升級。

3）科技支撐是核心。美國從事作物模型、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制、機器人等農(nóng)業(yè)科技研發(fā)與服務的公司就有上百家，在多項技術(shù)集成、精準變量作業(yè)控制方面領先。基于標準總線接口，自動駕駛系統(tǒng)可以根據(jù)需要配置精準變量施肥、噴藥的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)基于智能導航的變量作業(yè)[55]。21世紀30年代，美國將圍繞系統(tǒng)認知分析、精準動態(tài)感知、數(shù)據(jù)科學等領域不斷創(chuàng)新農(nóng)業(yè)技術(shù)。日本、德國突破了帶有導航的平地控制及其配套作業(yè)裝備、基于電子控制的精量播種等技術(shù)，研發(fā)了用于智能平地、精量播種的設備[35]。日本的“農(nóng)林水產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造技術(shù)”研究計劃、“農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究戰(zhàn)略”、歐盟的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與可持續(xù)的歐洲創(chuàng)新伙伴關系計劃”，重點研究對地觀測、通信、共享規(guī)則等國際前沿和競爭性科技問題。以色列的海水淡化、污水處理、滴灌精量控制等技術(shù)處于世界領先地位[21]。這些先進科技的進步推動了精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

4）新型農(nóng)民培育是保障。美國及法、德等歐盟成員國的農(nóng)業(yè)經(jīng)營者多是經(jīng)過準入制度考核，有資格證書且定期參加培訓學習的職業(yè)農(nóng)民。美國的職業(yè)農(nóng)民培育體系由學歷教育和技能培訓構(gòu)成，公立大學、農(nóng)學院為主的高校和社區(qū)大學等機構(gòu)共同承擔農(nóng)民教育任務，采用課堂理論知識和田間動手實踐相結(jié)合的方式培育新型職業(yè)農(nóng)民。對職業(yè)農(nóng)民的教育分為初、中、高三等，構(gòu)建了相應的考核與認證機制[56]。歐盟的“青年農(nóng)場主”等人才戰(zhàn)略聚焦于涉農(nóng)高素質(zhì)專業(yè)人才的培育，通過職業(yè)教育、大學課堂、培訓等方式拓寬新型農(nóng)民的知識水平，增強他們的實踐操作、經(jīng)營管理等技能[35]。日本定期給予涉農(nóng)培訓學校補貼，以不斷完善培訓機制和農(nóng)業(yè)人才培訓系統(tǒng)。以色列的高中教育就設立了農(nóng)業(yè)課程，普及國民的農(nóng)業(yè)知識教育。政府每年會根據(jù)各地農(nóng)業(yè)和農(nóng)民實際情況，開設免費的短期農(nóng)業(yè)科技培訓班，除講授最新的科技知識外，還重視解決農(nóng)民生產(chǎn)過程中遇到的實際問題[57]。

2 中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展概況

2.1 初步探索

20世紀末，中國科研工作者開始關注精準農(nóng)業(yè)。1998年，中國農(nóng)業(yè)大學率先開展了精準農(nóng)業(yè)相關技術(shù)研究試驗，成立了國內(nèi)首個“精細農(nóng)業(yè)研究中心”，在土壤水分監(jiān)測、產(chǎn)量測定、定位管理等方面取得了初步研究進展[23]。近些年，學者們的研究探索主要集中在以下幾方面：信息獲取方面，吳炳方、黃文江、劉海啟等專家團隊一直致力于天空地一體化的信息感知與獲取技術(shù)，通過數(shù)理模型推算土壤墑情、作物長勢、受損程度、種植面積等信息[58-60]?？臻g分區(qū)方面，趙明明基于無人機和高分一號影像的空間變化，研究農(nóng)田管理分區(qū)[61]；陳世超等從地形因子和土壤屬性角度，研究如何劃分農(nóng)田管理分區(qū)[62]。系統(tǒng)設計與變量控制方面，汪小旵等結(jié)合模糊比例-積分-微分控制技術(shù)，以江蘇鹽城黃海農(nóng)場為試驗區(qū)，研究設計冬小麥實時變量追肥機控制系統(tǒng)[63]；Wang等基于移動通信技術(shù)，設計了水肥智能控制系統(tǒng)[64]；吳文斌團隊在成都天府童村農(nóng)場應用智能水肥灌溉系統(tǒng)，開啟了國內(nèi)無人化農(nóng)場的先驅(qū)[65]。此外，大數(shù)據(jù)分析、云計算、人工智能等技術(shù)與農(nóng)業(yè)的滲透融合也加快了研究步伐[66-67]。

開展研究探索的同時，中國也注重精準農(nóng)業(yè)工程的示范應用。1999年，北京小湯山精準農(nóng)業(yè)示范基地引進裝有美國高精度無線電導航定位系統(tǒng)、能夠自動生成產(chǎn)量空間分布圖的谷物聯(lián)合收割機，是國內(nèi)第一個精準農(nóng)業(yè)技術(shù)研究示范基地[68]。新疆生產(chǎn)建設兵團1999年在大面積田塊中開展機械整地、精量播種、膜下滴灌、摘錠采棉等新工藝，目前在大面積棉田中應用較為成功，經(jīng)濟及生態(tài)效益明顯[69]。2014年，在國家發(fā)改委專項資金資助下，黑龍江哈爾濱開展自主知識產(chǎn)權(quán)創(chuàng)新應用，實施了基于國產(chǎn)北斗導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精準農(nóng)業(yè)綜合應用示范項目，部署北斗連續(xù)運行參考站，研制開發(fā)基于云端的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)平臺[33]。

2.2 具備條件

中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展至今，逐漸積累成果，目前已具備了一些精準農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展的條件。從空間信息技術(shù)來看，中國構(gòu)建了相對成熟的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗導航系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械定位精度高，已成功付諸應用。在新疆，多處農(nóng)機站安裝了北斗衛(wèi)星定位信號，應用北斗導航系統(tǒng)的無人駕駛拖拉機有近6 000臺，自走式植保機實現(xiàn)了農(nóng)機和信息的協(xié)同發(fā)展[69]。高分一號至高分十二號等高分系列衛(wèi)星成功發(fā)射，高分六號衛(wèi)星具有獨特的農(nóng)作物識別波段，是中國首顆農(nóng)業(yè)應用衛(wèi)星，在農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。

從空間數(shù)據(jù)來看，已建成全國家庭承包地土地確權(quán)、糧食生產(chǎn)功能區(qū)和重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護區(qū)等基礎數(shù)據(jù)庫，高標準農(nóng)田建設及上圖入庫、家庭農(nóng)場調(diào)查入庫等工作正在加快推進，這些數(shù)據(jù)是中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的底層支撐。

從感知設備應用來看，土壤溫濕度、太陽光照等傳感器、采摘等機器人已在部分農(nóng)田和設施園藝中推廣應用[70]。國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心領先中國智能農(nóng)業(yè)裝備設備的研發(fā)，在全國布設了遠程墑情監(jiān)測站[71]?；诘涂諅鞲衅鞯臒o人機植保，尤其是基于實時感知的無人機噴藥等作業(yè)方式也逐漸被農(nóng)場主、涉農(nóng)企業(yè)采用。

從發(fā)展環(huán)境看，近年來，國家頒布了一系列政策文件，鼓勵農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、精準化發(fā)展，為中國精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了戰(zhàn)略條件。在農(nóng)村土地三權(quán)分置等政策的引領下，中國耕地流轉(zhuǎn)面積在逐步增長，國家對家庭農(nóng)場、合作社等集體組織、社會化經(jīng)營單位等新型經(jīng)營主體給予支持。致力于農(nóng)業(yè)先進技術(shù)研發(fā)和服務的企業(yè)快速成長，極飛科技公司已與日本拜耳公司簽署合作協(xié)議，推動定制化的農(nóng)業(yè)植保服務落地實施[35]；華源節(jié)水公司學習以色列先進的滴灌、噴灌技術(shù)，生產(chǎn)的卷盤式噴灌機、智能水肥噴灌系統(tǒng)已投入使用[72-73]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)積極變革態(tài)勢。

2.3 薄弱環(huán)節(jié)

雖然中國已具備一些精準農(nóng)業(yè)進一步發(fā)展的基礎，尤其在大中型拖拉機自動駕駛、位置精準方面取得的進步尤為明顯，但由于中國長期處于小農(nóng)經(jīng)濟狀態(tài)，生產(chǎn)要素較為分散，技術(shù)研發(fā)水平還相對落后，精準農(nóng)業(yè)目前主要處于萌芽階段，尚缺乏完備的技術(shù)、裝備、實施、推廣、服務體系，作業(yè)量精準還未實現(xiàn)。主要的薄弱環(huán)節(jié)可以歸結(jié)為以下幾點：

1）土地分散，農(nóng)田配套設施及信息平臺建設不完善。目前中國耕地還以家庭承包為主，零散化現(xiàn)象普遍，戶均耕地面積小，且一戶的耕地又分為好幾個田塊，非常不利于精準農(nóng)業(yè)的開展實施；只有少量大規(guī)模農(nóng)場安置了農(nóng)田信息采集設備、鋪設了灌溉用的水管網(wǎng)絡、電力設施等，大部分農(nóng)田還不具備現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎設施條件；目前中國涉農(nóng)信息平臺或網(wǎng)站有 4萬多個，各平臺之間信息不互通，存在重復建設、內(nèi)容不全等現(xiàn)象[74]，數(shù)據(jù)整合程度與標準化程度低。

2）農(nóng)業(yè)信息獲取時空不連續(xù)。衛(wèi)星遙感是獲取時空信息的主要來源，通過特定的物理或經(jīng)驗模型轉(zhuǎn)換，可為精準農(nóng)業(yè)提供具有時空變化信息的處方圖。目前中國自主運行的衛(wèi)星數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)領域的可使用率較低，僅有高分六號衛(wèi)星是農(nóng)業(yè)應用為主的衛(wèi)星。地面農(nóng)用傳感器是時空信息的重要輔助源及衛(wèi)星數(shù)據(jù)的驗證手段，目前中國農(nóng)業(yè)智能傳感器大多還需要進口，特別是芯片等核心材料，自主研發(fā)的農(nóng)用傳感器在穩(wěn)定性、可靠性等方面與國外還存在一定差距[75]?？紤]到中國地域遼闊、種植制度復雜多樣，現(xiàn)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)及地面?zhèn)鞲性O備尚不能滿足獲取時空連續(xù)農(nóng)業(yè)信息的要求，農(nóng)業(yè)資源“一張圖”建設難以推動。

3）可推廣的自動變量作業(yè)系統(tǒng)及裝備缺乏。隨著中國天空地遙感技術(shù)的發(fā)展，基于空間信息技術(shù)生產(chǎn)的處方圖難以落地發(fā)揮作用，主要原因在于不同技術(shù)之間存在是否兼容或可移植的問題。處方圖分區(qū)單元與地面分區(qū)單元和農(nóng)機設備位置的匹配、處方圖識別、遠程控制、作業(yè)量自動調(diào)節(jié)等技術(shù)融合還未打通，且一些高端智能化設備裝備主要依賴進口，如何與處方圖及控制系統(tǒng)結(jié)合也存在困難。已有的一些智能控制系統(tǒng)有的停留在信息傳送與顯示層面，有的能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)位置精準，尚未能實現(xiàn)基于處方底圖的自動控制變量作業(yè)。探測技術(shù)與機電一體化的集成是中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的另一短板。

4）高素質(zhì)農(nóng)業(yè)人才不足。當前，農(nóng)村年輕勞動力進城打工趨勢明顯，農(nóng)業(yè)從業(yè)者以五六十歲以上的中老年人為主，整體文化水平偏低，對新知識、新設備的理解掌握能力偏弱，懂得并運用新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的人才尤為缺乏。

3 中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展建議

針對當前中國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展中的薄弱環(huán)節(jié)，立足中國國情，借鑒國際經(jīng)驗，中國需從以下幾方面加快推進精準農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐：

3.1 強化政府組織領導作用

充分發(fā)揮政府在制度制定、基礎建設、資金支持等方面的統(tǒng)籌、保障和協(xié)調(diào)作用。建立國家農(nóng)業(yè)發(fā)展統(tǒng)籌協(xié)同機制，統(tǒng)一決策，上下聯(lián)動，各級政府部門、科研機構(gòu)、企業(yè)、市場等多方參與體緊密協(xié)作，形成規(guī)模化的發(fā)展體系，避免不同單位各自推動，相互脫節(jié)；統(tǒng)籌規(guī)劃全國農(nóng)業(yè)基礎設施、全國農(nóng)業(yè)基礎信息云平臺、農(nóng)業(yè)核心技術(shù)攻關等重大項目；政府對規(guī)模經(jīng)營主體給予財政補貼等支持外，還需考慮貸款貼息、動員企業(yè)等方式吸引社會資金投入精準農(nóng)業(yè)建設。各地政府在中央頂層規(guī)劃框架下，立足本區(qū)域農(nóng)業(yè)特點，引領做好科技攻關，促進相關研究應用落地，探索適合本區(qū)域的精準農(nóng)業(yè)模式。

3.2 加強基礎設施和信息化建設

基礎設施和信息化是精準農(nóng)業(yè)得以落地實施的基礎，也是中國近期農(nóng)業(yè)發(fā)展要關注的重點，可以從以下3方面入手：

1）適度擴大耕地規(guī)模。結(jié)合高標準農(nóng)田建設項目和土地流轉(zhuǎn)措施，綜合考慮各地區(qū)的地形起伏、耕地聚集度等因素，對耕地規(guī)?；頋摿ψ龀鲈u價，優(yōu)先在潛力大的地區(qū)平整耕地，合理劃分歸并田塊，逐步推動中國耕地規(guī)?；?，有序指導農(nóng)業(yè)共同經(jīng)營。

2）構(gòu)建農(nóng)田基礎設施網(wǎng)絡。改造傳統(tǒng)渠道為管道，鋪設水管網(wǎng)絡及配套的電力、通信等基礎設施；建造新型軟體集雨窖池，充分利用天然降水；全局規(guī)劃，以盡量不影響耕作和土壤質(zhì)地為前提，布設土壤墑情、養(yǎng)分、作物生長參數(shù)等信息傳感器，形成以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的信息感知網(wǎng)絡，實時獲取農(nóng)田實際情況，輔佐衛(wèi)星遙感信息。明確設施管理與養(yǎng)護的主體，定期對農(nóng)田設施進行檢查與維護。

3）打造全國統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中心和信息平臺。政企研多方合力，將多個零散的農(nóng)業(yè)信息平臺和數(shù)據(jù)庫進行整合，借助云、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)密集計算等技術(shù)，構(gòu)建集全國土地確權(quán)、作物分布、市場供需、農(nóng)業(yè)氣象等數(shù)據(jù)于一體的全國農(nóng)業(yè)云平臺和相應的數(shù)據(jù)共享共建機制，統(tǒng)一標準、集中管理、整體維護，讓數(shù)據(jù)安全有效流動，創(chuàng)造價值鏈。

3.3 聚焦核心技術(shù)研發(fā)

1）研究以遙感為代表的信息獲取技術(shù)。圍繞天地協(xié)同觀測，完善衛(wèi)星數(shù)據(jù)幾何精校正模型，優(yōu)化衛(wèi)星姿態(tài)、波譜響應等參數(shù)設計，考慮多星協(xié)同組網(wǎng)，發(fā)展農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星應用體系；加大農(nóng)用傳感器標定、信號處理與增強等技術(shù)的研究力度，自主開發(fā)高性能芯片，生產(chǎn)性能穩(wěn)定、精度可靠的農(nóng)業(yè)傳感器。衛(wèi)星應用體系和農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡協(xié)同應用，破解農(nóng)業(yè)信息獲取時空不連續(xù)難題。以高光譜、紅邊、短波紅外、熒光等農(nóng)業(yè)信息敏感波段為重點，研究對作物養(yǎng)分、長勢、災害、土壤墑情等信息的最敏感波段和最佳診斷模型，結(jié)合深度學習技術(shù)，實現(xiàn)目標信息快速提取。

2）加強技術(shù)集成研究。研究各項技術(shù)之間的兼容性、標準化、通用接口等問題，實現(xiàn)多樣化技術(shù)之間的有效銜接；圍繞基于數(shù)字底圖的精準自動作業(yè)模式，突破具有標準總線接口的變量控制等技術(shù)，開發(fā)自主可控的技術(shù)組裝、集成服務體系，使農(nóng)業(yè)裝備與遙感技術(shù)、定位系統(tǒng)、智能決策、無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)、電子控制等技術(shù)深度融合與集成。

3.4 培養(yǎng)新型農(nóng)業(yè)人才

人才是精準農(nóng)業(yè)順利實施并有序推進的保障[44,76]。相對傳統(tǒng)農(nóng)民，年輕的新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體思維活躍，學習接觸新思想新知識的意識較強，業(yè)務能力相對較高，因此，利用線上線下相結(jié)合的方式，先重點在年輕的新型經(jīng)營主體中開展精準農(nóng)業(yè)原理、實踐操作、經(jīng)營管理等方面的培訓。鼓勵農(nóng)業(yè)院校開設精準農(nóng)業(yè)相關專業(yè)，除設置理論課程外，也需加強到示范基地學習交流、操作、實習等實踐環(huán)節(jié)，可通過全日制、成人教育、短期培訓等方式儲備人才。制定新型農(nóng)民培育、青壯年農(nóng)場創(chuàng)建等計劃，鼓勵更多的農(nóng)戶，尤其是青壯年以組建家庭農(nóng)場、開辦農(nóng)業(yè)企業(yè)或合作社、建設農(nóng)業(yè)示范園區(qū)等為起點，帶動農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。

3.5 分區(qū)域試點示范

針對中國各地自然條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況不同的特點，探索不同的發(fā)展模式并開展試點示范。在東北平原地區(qū)，借鑒美國大農(nóng)場式農(nóng)業(yè)發(fā)展思路，結(jié)合新一代5G通信技術(shù)，對可利用的大型農(nóng)機、設備進行智能化改造與調(diào)試，側(cè)重以國產(chǎn)衛(wèi)星為主的信息技術(shù)與智能農(nóng)機等工藝技術(shù)及軟硬件產(chǎn)品的集成與創(chuàng)新，重點發(fā)展基于信息整合的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)體系，可率先在國有農(nóng)場、種植大戶的田地開展示范。在華北地下水超采區(qū)，研究以色列等國的地下供水系統(tǒng)，鋪設水網(wǎng)、電力等配套設施，結(jié)合中國已初步應用的一些智能灌溉系統(tǒng)，突破水質(zhì)檢測、水量調(diào)控等滴灌、噴灌環(huán)節(jié)的關鍵技術(shù)，重點發(fā)展節(jié)水灌溉、水肥一體化模式。在南方丘陵區(qū)，參考日本土地規(guī)模化實踐做法，適度放寬中國土地流轉(zhuǎn)限制，規(guī)?；恋兀剿鞒闪⑥r(nóng)業(yè)經(jīng)營組織；技術(shù)上可先以自動化等單項技術(shù)的應用為主，分步推廣。示范區(qū)域也需注重與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的對比，從前期投入、長期收益、生態(tài)影響等方面進行評估，熟化后向傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)從業(yè)者展示精準農(nóng)業(yè)的投入產(chǎn)出比和實施方面性，推廣適合地域特點的精準農(nóng)業(yè)技術(shù)模式和典型范例。