馬永海，胡慶毅，楊立凡，李臻園，焦淑亮，劉金濤，黃立鈺

（云南大學農學院/云南省多年生稻工程技術研究中心 云南，昆明 650504）

1 引言

隨著社會的發(fā)展，我國農業(yè)機械化和自動化程度逐步提高，正值國家大力推進“鄉(xiāng)村振興”計劃，催生了各行各業(yè)以及各學科的交叉融合共同促進農業(yè)農村發(fā)展，適時提出的智慧農業(yè)將改變傳統(tǒng)農業(yè)，是農業(yè)發(fā)展歷史的必然趨勢。2019年中央一號文件《中共中央國務院關于堅持農業(yè)農村優(yōu)先發(fā)展做好“三農”工作的若干意見》指出：“加快突破農業(yè)關鍵核心技術，培育一批農業(yè)戰(zhàn)略科技創(chuàng)新力量，推動生物種業(yè)、重型農機、智慧農業(yè)、綠色投入品等領域的自主創(chuàng)新人才。加強薄弱環(huán)節(jié)農業(yè)機械化技術和農機裝備的研發(fā)，促進農機裝備產業(yè)轉型升級，快速推進農業(yè)生產全面機械化”[1]。2020年中央一號文件《中共中央國務院關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現(xiàn)全面小康的意見》再次對智慧農業(yè)的發(fā)展給出了指導：“依托現(xiàn)有資源建設農業(yè)農村大數(shù)據中心，加快物聯(lián)網、大數(shù)據、區(qū)塊鏈、人工智能（AI）、第五代移動通信網絡（5G）、智慧氣象等現(xiàn)代信息技術在農業(yè)領域的應用”[2]。智慧農業(yè)是以現(xiàn)代信息技術為手段，整合物聯(lián)網、大數(shù)據、5G技術和AI等技術對農業(yè)的生產經營進行智能化數(shù)字管理，從整體上對農業(yè)發(fā)展進行設計和規(guī)劃，從而實現(xiàn)高效的新型農業(yè)生產模式[3]。智慧農業(yè)不是簡單的信息技術與農業(yè)的疊加，而是把農業(yè)看作一個有機聯(lián)動的系統(tǒng)，將信息技術全面綜合的應用到農業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)[4]。

2 智慧農業(yè)相關現(xiàn)代科學技術

智慧農業(yè)主要涉及物聯(lián)網、農業(yè)大數(shù)據、衛(wèi)星信息技術、AI和5G通訊等技術。

基于物聯(lián)網、WSNs（Wireless Sensor Networks，無線傳感器網絡）與Web（World Wide,Web即全球廣域網，也稱萬維網）技術，研究人員開發(fā)了包含數(shù)據采集、網絡傳輸、應用管理和遠程可視化調控模塊的生產管理系統(tǒng)[5,6]，以實現(xiàn)信息實時反饋和遠程管理。如應用在大棚溫控技術、大田種植信息化建設、農業(yè)灌溉和農資監(jiān)管等[7]。付玉志采用ZigBee技術（一種無線傳感與通信技術結合的智慧農業(yè)系統(tǒng)）實現(xiàn)實時信息采集與遠程控制，利用傳感器收集大棚空氣濕度、光照強度和土壤水分三種環(huán)境數(shù)據，實現(xiàn)手動與自動控制[8]。隨著技術的升級，可增加檢測和控制的種類，實現(xiàn)大范圍大棚群的智慧管理[9]。此外，基于“3S+ABC”（3S即RS、GIS、GNSS，ABC即AI、Bigdata、Cloud）技術的智慧農業(yè)保險系統(tǒng)也已應用于農業(yè)中，采用“保單-地塊-農戶”一一對應關聯(lián)，對農業(yè)災害進行精準理賠[10]。

農業(yè)大數(shù)據主要包括生產過程管理數(shù)據、農業(yè)資源管理數(shù)據、農業(yè)生態(tài)環(huán)境管理數(shù)據、農產品與食品安全管理大數(shù)據、農業(yè)裝備與設施監(jiān)控大數(shù)據和各種科研活動產生的大數(shù)據[11]。農業(yè)數(shù)據專家孫九林院士指出：數(shù)據信息改造傳統(tǒng)農業(yè)[12]。在農業(yè)育種、栽培、病蟲害防治與環(huán)境監(jiān)測方面的應用成果顯著[13]，尤其是基于衛(wèi)星的大數(shù)據收集平臺在農業(yè)環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據預警、科學管理和農業(yè)金融服務上的應用極大促進了農業(yè)發(fā)展[14]。如以色列利用衛(wèi)星圖像技術對作物生長報告和病蟲害分布等大數(shù)據進行資源建模，使數(shù)據可視化以指導農業(yè)發(fā)展。我國水利部搭建了“基礎設施云”，實現(xiàn)云計算，廣泛應用在農業(yè)生產中。如水利部水文情報預報中心在防汛抗旱中發(fā)揮了重要作用[15]，渤海糧倉農業(yè)大數(shù)據平臺在小麥苗情分析、干熱風預警上成果顯著[16]，安徽省植保大數(shù)據平臺成功實現(xiàn)了對病蟲害的監(jiān)控預警[17]。

AI與大數(shù)據結合推進了農業(yè)生產新模式，在精準農業(yè)、精準養(yǎng)殖和設施農業(yè)上取得了實質性成效。農業(yè)App的開發(fā)利用，初步實現(xiàn)了農戶對農業(yè)種植管理以及與農業(yè)專家交流的功能[18]。結合物聯(lián)網進行病蟲害調查，與病蟲害數(shù)據庫做對比和遠程專家診斷，精準確定作物蟲害，通過即時通訊（如手機短信）給出治理對策提醒農戶及時預防[19]，但目前我國尚未形成真正意義上的農業(yè)產品化app和可共享軟件平臺[20]。

我國5G技術和北斗導航系統(tǒng)技術的崛起帶動了智慧農業(yè)的發(fā)展，極飛科技R150農業(yè)無人車利用北斗導航系統(tǒng)初步實現(xiàn)了遙控和遠程無人駕駛噴灑農藥、施肥等農事活動[21]。5G技術結合區(qū)塊鏈和物聯(lián)網為智能種養(yǎng)、蟲害防治預警、物流流通、生產營銷與安全溯源等方面營造了新的發(fā)展前景[22,23]。

目前，物聯(lián)網、大數(shù)據等技術在實際生產中的應用越來越廣泛，而隨著基礎設備技術的提升，如高性價比傳感器的制造，使得智慧農業(yè)在農業(yè)生產中的普及成為可能。3S、AI、大數(shù)據、云技術等可視化操作為智慧農業(yè)的經營管理提供了有效保障，并為智慧農業(yè)的全面感知與智能處理提供技術支持[24]。隨著學科交叉的發(fā)展，各種技術的融合，管理系統(tǒng)越發(fā)依賴大數(shù)據和云計算[25]。

3 智慧農業(yè)在國內外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 智慧農業(yè)在國外發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代智慧農業(yè)首先在美國興起。近幾年來，智慧農業(yè)發(fā)展迅速，歐美等發(fā)達國家針對智慧農業(yè)的發(fā)展相繼出臺了扶持政策、措施和發(fā)展規(guī)劃[26]。歐洲農業(yè)機械協(xié)會（European Agricultural Machinery Association,CEMA）于2017年10月提出未來歐洲農業(yè)的發(fā)展方向為智慧農業(yè)[27]。日本于2014年和2015年分別啟動了“戰(zhàn)略性創(chuàng)新/創(chuàng)造計劃（Cross-Ministerial Strategic Innovation Promotion Program,SIP）”和基于“智能機械+現(xiàn)代信息”技術的“下一代農林水產業(yè)創(chuàng)造技術”[28]。

美國先后出臺了6項與農業(yè)信息化有關的支持政策[29]，并經過一系列技術革新后智慧農業(yè)逐漸走向成熟，其技術變革主要包括以下三個方面：第一，農業(yè)生產經營利用物聯(lián)網和大數(shù)據分析，實現(xiàn)數(shù)據共享；第二，農產品流通采用電子商務模式；第三，現(xiàn)代科技投入與政策支持[30]。到2020年美國平均每個農場有50臺物聯(lián)網設備與之連接，并基本實現(xiàn)了生產和營銷的一體化[26]。

隨著傳感器和攝像頭等硬件和信息技術等軟件的發(fā)展，不同國家根據自身農業(yè)相關優(yōu)勢產業(yè)，利用多種傳感器與人工智能結合，助力相關產業(yè)發(fā)展，并在相關領域率先突破。以色列通過對每只牲畜安裝傳感器或攝像頭，促進畜牧業(yè)的精細化管理[31]；西班牙科學家利用pH傳感器檢測和調節(jié)水培農業(yè)中營養(yǎng)液的pH值[32]，促進了花卉和蔬菜產業(yè)的工廠化管理，同時為了優(yōu)化用水量并減少因大量用水帶來的環(huán)境問題，研發(fā)了水管理和水循環(huán)利用系統(tǒng)，以確定灌溉系統(tǒng)中與水量、水質、土壤特性、天氣狀況和肥料用量有關的參數(shù)[33]，巴西人提出了Smart＆Green框架來為智能灌溉提供服務，預測土壤水分以達到合理灌溉，平均可以節(jié)約56.4%至90%的灌溉水[34]，達到精細化管理的同時節(jié)約水資源。

3.2 智慧農業(yè)在國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國2014年提出“智慧農業(yè)”的概念，與美國相比落后大約30年。我國農業(yè)上應用信息技術起步較晚但發(fā)展較快[35]。由于我國區(qū)域間經濟發(fā)展不均衡，智慧農業(yè)在不同地區(qū)發(fā)展差異較大，東部地區(qū)因地理優(yōu)勢和經濟因素在智慧農業(yè)發(fā)展上取得了顯著成果，西部地區(qū)山區(qū)多，發(fā)展相對較慢，并且還存在原始的傳統(tǒng)農業(yè)[36]。我國智慧農業(yè)的發(fā)展在2009-2015年進入緩慢增長期，2016-2020年進入快速增長期[37]。我國智慧農業(yè)科學研究在實驗室中的進展迅速，但在實際應用中進展緩慢，并且依托現(xiàn)代化農業(yè)設施的發(fā)展，主要集中在農田改造、水利設施、電力設施等方面[38]。

部分地區(qū)發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，盡管總體經濟落后，但智慧農業(yè)發(fā)展較快[39]。2016年，新疆地方政府大力倡導智慧農業(yè)概念，新疆生產建設兵團利用智能專家系統(tǒng)與專家智慧庫等技術在呼圖壁縣紅柳塘示范園區(qū)進行棉花種植生產布局，并重點建設了“123工程”，因地制宜，大大推進了當?shù)孛藁óa業(yè)體系的快速發(fā)展。

近年來，浦東新區(qū)在智慧農業(yè)發(fā)展中成果顯著。第一，初步建立了智慧農業(yè)發(fā)展體系，建立了大數(shù)據中心、智慧農業(yè)工作機制和研發(fā)平臺；第二，建立“農民一點通”和“惠農通”等服務平臺，加強對農民生產技術上的指導；第三，建立了田間檔案記錄及二維碼管理的農產品監(jiān)控與追溯系統(tǒng)，及時記錄農產品生產過程中的播種、施肥、施藥等各種數(shù)據，為農產品的質量安全提供保障；第四，物聯(lián)網建設試點初步建立，現(xiàn)有19家智慧農業(yè)示范基地，主要利用傳感器在大棚中運用“水肥一體化”技術進行生產；第五，推動智慧農業(yè)發(fā)展的同時帶動了一批高科技企業(yè)，例如：上海孫橋農業(yè)園區(qū)、多利農莊等[40]。

2020年，廣東建立了以政府為引的投資引入民間資本，通過“1+4+N”模式發(fā)展智慧農業(yè)，即以“基礎設施、平臺載體、龍頭企業(yè)和新型農民”為核心要素，優(yōu)先在農業(yè)生產經營管理及農產品質量安全等N個場景和領域進行推廣應用[41]，獲得了良好的效果。

4 我國智慧農業(yè)在發(fā)展中存在的問題及對策

4.1 農業(yè)工作者文化水平偏低

文化水平是制約智慧農業(yè)發(fā)展的重要限制因素。智慧農業(yè)需要大量傳感器收集多種數(shù)據進行資源整合[42]，屬于專業(yè)知識技術密集產業(yè)，在智慧農業(yè)生產中，包括農民在內的農業(yè)勞動者需要一定的知識積累，以“科學家”和“監(jiān)督者”的視角關注實際生產過程及突發(fā)問題[43]。目前我國從事農業(yè)工作者的文化水平普遍偏低，而城鎮(zhèn)化和人口老齡化從側面進一步加劇了這一問題，使得先進技術難于在農村進行有效實施[44,45]。因此，在科技下鄉(xiāng)的同時，提升農村從業(yè)人員知識和水平至關重要；目前除了整個國民教育的投入外，農村設立的相應技術幫扶單位在推動科技下鄉(xiāng)運動中也取得了重大進展，例如：中國農業(yè)大學的現(xiàn)代農業(yè)科技小院，老師帶領同學們走進河北曲周、云南鎮(zhèn)康、陜西洛川等地開展人才扶貧、科技扶貧等系列扶貧工作，為農戶提供“零距離、零時差、零門檻、零費用”的科技指導和技術示范，編寫培訓教材，建設科技長廊，用通俗易懂的方式宣傳科學知識，對推動當?shù)剞r業(yè)產業(yè)綠色發(fā)展、脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興做出了巨大貢獻；云南省瀾滄縣朱有勇院士創(chuàng)建了瀾滄扶貧科技小院，開辦全國首個院士專家技能扶貧班，朱有勇院士親自教授農民知識，1500余名農民學到冬季馬鈴薯、林下三七、冬早蔬菜等種植技術，昨日無人問津的小山村，如今成了亮化、綠化和美化的美麗鄉(xiāng)村。朱有勇院士情系三農，扎根邊疆，被親切地稱呼為“農民院士”；云南大學的云南省多年生稻工程技術研究中心在西雙版納傣族自治州設立多年生稻科技小院，師生和農民同吃同住同勞作，將多年生稻栽培管理技術帶到田間地頭，解決多年生稻生產問題，打通科學研究到生產應用的最后一公里。這些典型案例，均以研究生為主力在扶貧一線把生產技術教授給農民，一方面提高了農民的文化科技水平，又把研究生培養(yǎng)與生產實踐結合起來，將科研論文寫在大地上。

4.2 發(fā)展智慧農業(yè)存在地域差別

我國疆土遼闊，地勢從低到高，緯度跨度大，生態(tài)環(huán)境類型多樣，因此，單一的智慧農業(yè)模式不能滿足農業(yè)需求的多樣化，需要因地制宜，開發(fā)具有區(qū)域特色的智慧農業(yè)，這無疑加大了智慧農業(yè)相關技術的難度。例如平原地區(qū)適合大型農機生產，可初步實現(xiàn)遠程操控和機械化生產，而云貴川等地地勢崎嶇復雜，尤其是廣闊的梯田，不適合大型農機作業(yè)。因此，綠色、輕簡、可持續(xù)化的多年生作物種植模式或將成為未來農業(yè)界的主流[46,47]，再配合自動化噴滴灌技術可以進一步推動模塊化精細管理。智慧農業(yè)的發(fā)展可在地勢平坦的地區(qū)率先普及，選擇幾個區(qū)域作為智慧農業(yè)的試點區(qū)，以點帶面，輻射和帶動山區(qū)等落后地區(qū)。

4.3 大數(shù)據安全隱患

數(shù)據采集和大數(shù)據整合是智慧農業(yè)的先決條件[48]。當今世界正面臨著新一代的技術變革，大數(shù)據已經成為“核心詞匯”之一，但大數(shù)據安全不容忽視。建立獨立自主的大數(shù)據庫和安全管理平臺，包括數(shù)據獲取、收集、儲存和處理等，以保障數(shù)據安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

4.4 鄉(xiāng)村智慧化建設水平有待提高

智慧農業(yè)的實現(xiàn)離不開“智慧鄉(xiāng)村”的建設。智慧鄉(xiāng)村在國外也有提出，認為人口流失和劣質的服務行業(yè)制約了鄉(xiāng)村智慧化[49]，并提出CSA（Community Supported Agriculture，即社區(qū)支持農業(yè)）框架并以此為理論基礎來發(fā)展智慧村莊[50]。目前我國農村地區(qū)基礎通信設施尚待完善，農業(yè)通信設施嚴重缺乏[51]，亟需完善信息化的基礎設施建設和服務保障。

4.5 農業(yè)人才的培養(yǎng)與智慧農業(yè)存在脫節(jié)

隨著社會和科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)有專業(yè)設置培養(yǎng)專門人才已經不能滿足各行業(yè)發(fā)展需求，因此部分學科進行了深度的交叉融合，主要體現(xiàn)在設置課程體系、加強學科間師資團隊建設、校企聯(lián)合培養(yǎng)等方面[52]，但跨度大的學科交叉在目前人才培養(yǎng)中仍缺乏合理的方案。智慧農業(yè)方面，首先是農學學科與信息化學科體系之間深度融合尚處于起步階段，仍有巨大的整合空間；另一方面，智慧農業(yè)人才的培養(yǎng)需要進一步加強理論與實踐的結合，根據具體農業(yè)生產問題進行重點培養(yǎng)。對教學進行調整的同時，加強各農業(yè)相關部門與人才培養(yǎng)單位的合作，為智慧農業(yè)相關畢業(yè)生設置更多的固定崗位，既彌補了農村人員缺乏技術指導的問題，又為農學人才的培養(yǎng)、畢業(yè)就業(yè)以及地方農業(yè)經濟的發(fā)展打下良好基礎。

4.6 智慧農業(yè)生產與上游育種銜接不緊密

植物育種經過了馴化育種、傳統(tǒng)育種和分子育種三個階段，并逐漸進入設計育種階段[53]。育種專家基于基因組和基因功能等研究，利用轉基因、基因編輯和分子標記輔助選擇育種等技術培育符合預期的新品種。把通過傳感器與互聯(lián)網、AI等技術結合在農業(yè)生產上進行的生產經營管理定義為下游智慧農業(yè)，如植物工廠。但現(xiàn)狀是上游育種工作和下游智慧農業(yè)生產分別獨立發(fā)展，中間缺乏有效的橋梁，即上游育種應服務于下游智慧農業(yè)生產，反之亦然。

以植物工廠為例，通過添加富遠紅外發(fā)光二極管燈對蔬菜幼苗生長和形態(tài)有極好的改善[54，55]，因此，優(yōu)化發(fā)光二級管的光譜，可以進一步增加產量和品質；另一方面，可以通過分子設計育種，培育光合效率高、適合密植或株型適中的新品種。

5 展望

隨著新技術和新方法的進步，智慧農業(yè)所涉及的元件更加微型化、功能也更加多樣化，為智慧農業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎[56]；傳感器等微型元件的低廉化，使智慧農業(yè)的發(fā)展更為迅速。智慧農業(yè)不是簡單的把智能農機搬運到農村作業(yè)，還需要一個“智慧鄉(xiāng)村”及其完善系統(tǒng)的基礎設施和服務保障。在國家政策的支持下農村地區(qū)信息化程度越來越高，農民重視文化的觀念越來越強烈，相信智慧農業(yè)將會迎來更好的發(fā)展期，從植物工廠走向智能溫室，最終投入整個農業(yè)生產體系中。