精准农业:机遇与挑战
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------ 【导读】 ------

地球人口2050年将达到97亿,要解决这些贪婪的人口,目前的农业产出至少还要增加70%,如何在无法增长甚至可能减少的耕地上喂饱这些日益增长的嘴巴,如何满足这些越来越“刁”的胃口,我们只能依靠科技—精准农业,智慧农场,这就是农业的未来。

地球人口2050年将达到97亿,要解决这些贪婪的人口,目前的农业产出至少还要增加70%,如何在无法增长甚至可能减少的耕地上喂饱这些日益增长的嘴巴,如何满足这些越来越“刁”的胃口,我们只能依靠科技—精准农业,智慧农场,这就是农业的未来。

精准农业:机遇与挑战

精准农业作为一个术语,描述通过技术的使用,以便在特定地点更好地测量和控制作物生产,以提高效率。这些改进包括:

虽然计算机和电子产品自20世纪70年代以来一直用于农作物生产,但从20世纪90年代中期开始,GNSS一直是精准农业的关键技术(GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等,还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统—百度)。

精准农业循环

从历史上看,作物生产过程一直是一个“开环”过程,该过程如图1所示。

精准农业:机遇与挑战

种植者通常使用他们可获得的最佳信息,包括他们农场的作物历史(例如,作物轮作);有关可用种子类型的信息;目前的肥料,种子,燃料和劳动力等投入成本;他们所在地区的气候历史;和他们所在地区的近期天气。这些信息用于制定基本的农场管理决策,例如在每个田地种植哪种作物,使用哪种种子,何时种植,使用多少肥料,如何到地面,以及使用哪种种植模式和间距场。这些决策的目标是优化农场的运营并最大化农场的作物产量。不幸的是,还有一些影响作物生产的主要外部因素 - 特别是天气和杂草和虫害。

随着精准农业的引入,包括电子,计算机,软件和传感器的进步,种植者现在拥有更好的工具来管理他们的作物生产。 这些工具在图2中以蓝色显示,并在下面更详细地描述。

精准农业:机遇与挑战

产量测量

在联合收割机中使用水分和颗粒流量传感器来测量产量的做法是第一个被广泛采用的精确农业实践。 虽然在20世纪80年代引入了测量产量的做法,但1994年产量测量与全球导航卫星系统的整合是一场革命。 基于GNSS的产量监测器为农民提供了一种工具,用于收集有关其作物生产的特定地点信息,并生成显示其农场的田间产量变异性的地图。 今天,几乎所有在北美制造和销售的联合收割机都包括一台产量监测器。

土壤养分测量

氮,磷,钾和其他土壤养分对植物健康至关重要。 几千年来,种植者已经意识到土壤养分的重要性,并且在种植前使用有机肥来修复土壤。 最近,科学家和农艺师已经更多地了解了作物的特定化学需求,并开发了专门的肥料来直接针对这些需求。

今天,种植者可以获得从他们的田地收集土壤样品的服务,将这些样品邮寄到化学实验室,并提供显示种植者田地内特定地点营养水平的地图。 不幸的是,这个过程缓慢,季节性很强,而且劳动强度大。

作物健康测量

种植者现在能够在季节中更好地衡量作物的健康状况。使用GNSS的野外侦察技术在北美变得越来越流行,种植者开始利用来自具有多光谱成像相机的卫星或飞机的远程图像。 近乎实时的作物健康感知可以推动季节性管理决策,如农药施用和季节内养分管理。

精准农业:机遇与挑战

作物选择

虽然与计算机,电子设备或传感器没有直接关系,但作物选择正成为种植者管理的最重要变量之一。 种子选择对投入成本和产量有显着影响。 因为它们如此有效,转基因种子已在美国被广泛采用。 这些种子被设计用于诸如更高产量,抗虫性和除草剂抗性的特征。 这些结果对种植者来说非常明显,经济价值令人信服。

高效田间栽培

除了允许在现场进行现场特定测量外,GNSS还实现了农场设备的机器人自动化。 2000年推向市场的产品使拖拉机,喷雾器和收割机能够通过现场操纵,无需手动操作,精度达到英寸级别。

自动转向为种植者带来了明显的好处。 它允许设备在白天,夜晚或雾中昼夜不停地运行 - 无论能见度如何。 与人驾驶车辆相比,精密转向车辆的通道重叠减少8%至10%,从而降低燃油,劳动力和投入成本。 此外,较少的重叠导致单位时间内完成的更多,而且导致更高的产量。

种子和肥料管理

除了控制农用车辆的转向外,GNSS还提供可以在特定地点控制现场输入应用的解决方案。 现在,种植者可以使用强大的工具,实现种子和肥料率的实时调整。 这些比率由软件“处方”确定,软件“处方”是基于各种数据创建的,包括上述产量监测和土壤养分数据。

与转基因种子和自动转向相比,采用这些技术的速度相对较慢,主要是因为土壤养分测量过程缓慢而乏味,而且执行这些可变速率应用技术的结果难以衡量,而且作物产量的其他变量(如天气)太大。

今天精准农业的挑战

种子遗传和精确转向的采用率在几个地区市场已经超过50%,因为它们具有明显和引人注目的价值。然而,种植者对种子和肥料管理的采用仍然滞后。

由于几个原因,首先,肥料成本正在上升,有效地田间投入 - 特别是氮肥 - 是必不可少的。在美国,化肥销售现在每年超过180亿美元,占大多数农场小麦和玉米生产成本的30-50%。此外,全球化肥的使用量正在增加。在全球范围内,氮的使用率超过了人口和耕地的增长速度。主要由肥料径流引起的过量氮和磷水平引发的氧气消耗正成为严重问题。美国国家工程院将“管理氮循环”列为21世纪14大工程挑战之一。

精准农业:机遇与挑战

当克服三个关键挑战时,采用精准农业进行种子和肥料管理将会有所改善:

提高GNSS信号可用性

在许多农场环境中,仅GPS不能提供足够的现场覆盖。 丘陵或山地地形可能是问题,但树木林是一个常见问题,如图5所示。信号的可靠性一直是美国西南部地区采用的障碍。 10年前美国的大多数种植者都不熟悉GPS。 今天,许多种植者在GNSS中受到足够的教育,他们了解信号的可用性和重新获取情况。

在北美销售的大多数高精度系统现在都提供GLONASS功能,以增强GPS的信号可用性。 随着更多卫星空间信号可用,在这些困难环境中可用性将继续提高,更多种植者将GNSS视为满足其需求的可靠解决方案。

提高土壤测量效率

如上所述,目前的土壤养分测量技术缓慢,昂贵且不准确。为了降低成本,许多种植者采用“区域”采样技术,其中基于土壤质地区域在整个区域(通常为80至160英亩)中收集一至五个样品。实施“高密度”采样的种植者通常在每2.5英亩一个样本的网格上采集样本。研究表明,考虑到土壤养分的空间相关性,需要对每英亩至少一个样本进行取样,以准确地插入田间的营养水平。

不幸的是,在田间施用额外肥料的经济成本明显低于由肥料施用不足引起的潜在产量减少。如果种植者不能够以近乎实时的方式(尤其是氮,水溶性和高度时间依赖性)以经济实惠的方式测量营养成分,他们将继续过度施肥以确保高产量。

多个农场的数据分析

如上所述,许多变量影响作物产量。 这些包括降雨,温度,湿度,风,土壤类型和耕作方法等等。

不幸的是,今天,农场是信息的“孤岛”。 对于一个农场来说,收集足够的信息来衡量新农业实践或特定种子杂交所创造的价值需要很多年。 单个农场无法生成足够的数据来提供有意义的统计显着性。

精准农业:机遇与挑战

当信息可以跨多个农场相关时,数据分析的显着改进是可能的。 用于实现此类分析的无线数据连接和软件工具现在正在农场中实施。 一旦这些做法变得更加普遍,精准农业的价值将变得对种植者更加清晰,并且这些做法的采用将会增加。

概述

精准农业可以帮助种植着更有效地投入(种子,肥料),更有效地利用耕作设备,改进作物和田间测量,以及更好的农场管理决策。随着电子,计算机,软件和传感器的进步,种植者现在拥有更好的工具来管理他们的作物生产。

在美国,由于其高可见性和极具吸引力的价值,其中一些技术(如种子遗传学和精确转向)的采用率非常快。然而,种植者对种子和肥料管理的采用仍然滞后。这是一个严重的问题,因为不适当地使用肥料对于种植者来说在经济上是浪费的,并且还对水道和地下水源造成伤害。

所以, 当克服三个关键挑战时,采用精准农业种子和肥料管理将得到改善 :(1)提高GNSS信号可用性,(2)提高土壤测量效率,(3)种植者采取时跨多个服务器场执行数据分析的能力的优势。

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