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1、精準農業
農業發展過程中的某種形態或農業生產形式由農業生產技術(農業生產力水平)和農業生產組織形式(農業生產關系)所決定。影響農業生產形式的主要外界因素有農業自然資源保障系統、農業及農村勞動力資源、農業自然條件和農村經濟條件及社會生產力水平4個方面。
傳統農業勞動生產率較低,大量勞動力被束縛在農業上。通過大量高能耗工業產品(機械、化肥、農藥、燃油、電力等)的投入來維持系統的產出。機械化農業的主要優勢是大幅度地提高了農業生產率,但也遇到了許多問題:如土地壓實、水土流失、地下水及地表水污染,農藥的使用導致了嚴重的公共衛生和環境方面的問題,品種基因單一化的危害、農產品品質的下降,水土資源及能源制約等。這種農業資源與環境的壓力促使科學家和農民努力尋求一種在繼續維持并提高農業產量的同時,又能有效利用有限資源、保護農業生態環境的新的可持續發展農業生產方式,并進行了多種探索,提出了多種解決途徑,如自然農業、有機農業、生態農業,等等。90年代以來,隨著全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、農業應用電子技術和作物栽培有關模擬模型以及生產管理決策支持系統(DDS)技術研究的發展,"精準農業"已成為合理利用農業資源、提高農業作物產量、降低生產成本、改善生態環境的一種重要的現代農業生產形式。
2、精準農業的技術體系
精準農業是現代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術最新成就的基礎上發展起來的一種重要的現代農業生產形式,其核心技術是地理信息系統、全球定位系統、遙感技術和計算機自動控制技術。精準農業系統是一個綜合性很強的復雜系統,是實現農業低耗、高效、優質、安全的重要途徑。精準農業技術體系的構成見表1。
2.1 現代信息技術
精準農業從90年代開始在發達國家興起,目前已成為一種普遍趨勢,英美法德等國家紛紛采用先進的生物、化工乃至航天技術使精準農業更加"精準"。美國把曾在海灣戰爭中運用過的衛星定位系統應用于農業,這項技術被稱為"精準種植",即通過裝有衛星定位系統的裝置,在農戶地里采集土壤樣品,取得的資料通過計算機處理,得到不同地塊的養分含量,精準度可達1-3m2。技術人員據此制定配方,并輸入施肥播種機械的電腦中。這種機械同樣裝有定位系統,操作人員進行施肥和播種可以完全做到定位、定量。還可將衛星定位系統安裝在聯合收割機上,并配置相連的電子傳感器和計算機,收割機工作時可自動記錄每平方米農作物產量、土壤濕度和養分等的精數據。
現代信息技術的特點是應用地理信息系統將土壤和作物信息資料整理分析,制成具有時效性和可操作性的田間管理信息系統,在此基礎上,利用全球衛星定位系統、遙感技術以及計算機自動控制技術,根據空間每一操作單元的具體條件,通過調整資源投入量,達到增加產量、減少投入、保護農業資源和環境質量的目的。同時在農田經營管理決策的環節上,可根據不同情況選擇"單純獲取高產","以適量投入,獲取較好經營利潤"或"減少資源消耗、保護生態環境"等多種不同優化目標。這項技術的構成包括空間定位的農作物產量信息采集技術和土壤信息定時采集技術、農田地理信息系統定時更新技術及空間定位的農業投入控制系統等。
2.2生物技術
現代生物技術從廣義上講主要包括基因工程、細胞工程和微生物工程等,最富有生命力的核心技術是基因工程。現代生物技術最顯著的特點是打破了遠緣物種不能雜交的禁區,即用新的生物技術方法開辟一個世界性的新基因庫源泉,用新方法把需要的基因組合起來,培育出抗病性更強、產量更高、品質更好、營養更豐富,且生產成本更低的新作物、新品種;另外還具有節約能源、連續生產、簡化生產步驟、縮短生產周期、降低生產成本、減少環境污染等功效。如美國把血紅蛋白轉移到玉米中,不僅保持了玉米的高產性能,而且提高了它的蛋白含量。抗轉基因水稻、玉米、土豆、棉花和南瓜等已在美國、阿根廷、加拿大數百萬公頃土地上試種。1998年,全世界利用原生質體培養技術已成功地開發了100多種再生植物,轉基因牛、羊、豬和魚也培育成功。美國是采用轉基因技術最多的國家,1998年轉基因作物播種面積達2050萬hm2,是1997年的2.5倍;目前其轉基因種子播種面積已占大豆播種面積的36%,占玉米播種面積的45%。阿根廷是繼美國之后大量采用轉基因技術的國家,1998年轉基因作物播種面積達550萬hm2,是1997年的4倍,其中75%的大豆播種面積采用經過改變基因的豆種。加拿大轉基因作物播種面積從1997年的130萬hm2,增加到1998年的280萬hm2;50%的大豆和玉米播種面積采用了經過基因處理的種子。
微生物農業是以微生物為主體的農業。微生物在合成蛋白質、氨基酸、維生素、各種酶方面的能力比動物、植物高上百倍;微生物還可利用有機廢棄物,變廢為寶、保護生態環境。利用有益微生物,不僅可獲得大量生物量,用于制作食用蛋白質以及脂肪、糖類等專門食品,而且在生物防治、土壤改良方面也有突出表現。日本研制的EM(含80余種微生物的生物制劑),被稱為可以挽救地球的有效微生物群。施用EM可少用或不用化肥、農藥和抗生素藥物,凈化環境,。
2.3工程裝備技術
現代工程裝備技術是精準農業技術體系的重要組成部分,是"硬件",其核心技術是"機電一體化技術";在現代精準農業中,應用于農作物播種、施肥、灌溉和收獲等各個環節。
精準播種。將精準種子工程與精準播種技術有機結合,要求精準播種機播種均勻、精量播種、播深一致。精準播種技術既可節約大量優質種子,又可使作物在田間獲得最佳分布,為作物的生長和發育創造最佳環境,從而大大提高作物對營養和太陽能的利用率。
精準施肥。要求能根據不同地區、不同土壤類型以及土壤中各種養分的盈虧情況,作物類別和產量水平,將N、P、K和多種可促進作物生長的微量元素與有機肥加以科學配方,從而做到有目的地肥,既可減少因過量施肥造成的環境污染和農產品質量下降,又可降低成本。要求有科學合理的施肥方式和具有自動控制的精準施肥機械。
精準灌溉。在自動監測控制條件下的精準灌溉工程技術,如噴灌、滴灌、微灌和滲灌等,根據不同作物不同生育期間土壤墑情和作物需水量,實施實時精量灌溉,可大大節約水資源,提高水資源有效利用率。
精準收獲。利用精準收獲機械做到顆粒歸倉,同時可根據一定標準確分級。
轉貼于 3、我國精準農業的重點發展方向
我國各地的自然條件、社會經濟條件差異明顯,農業生產水平差距較大,農業集約化總體水平較低。表2示出1994年中印日美4國農業集約化程度及世界的平均水平。可以看出,我國農業具有以下特點:1)農業人口人均耕地面積小,僅為世界平均水平的1/5;低于印度、日本,同美國相差甚遠。2)農業機械化水平低。每萬公頃拖拉機擁有量,僅約為世界平均水平的34.7%,甚至低于印度的水平。3)化肥投入水平高。每公頃化肥投入量是世界平均水平的3.37倍,高于美國,但低于日本。
同農業發達國家相比,我國農業集約化水平較低,要實現現代化,是繼續走農業發達國家已走過的以犧牲土質、環境及使用對人類健康有不良影響的大量依靠農藥、化肥的石油農業發展道路,還是利用現代信息技術、生物技術和工程裝備技術發展具有中國特色的精準農業,答案是不言而喻的。應根據我國農業發展所面臨的資源環境問題,走具有中國特色的精準農業發展之路,實現我國農業的可持續發展。
3.1重點發展節水、節肥精準農業技術體系
1)實現精準灌溉,提高水資源利用率。
水資源短缺是我國許多地區農業生產的主要制約因素。據測算,我國全年降水量約為6.19萬億m3,其中約55%消耗于陸面蒸發,只有45%轉徑流和地下水,實際利用率不到10%(約5000億m3)。
當前我國農業灌溉用水面臨的主要問題是灌溉農區面積約5000hm2,其中渠灌面積較大,多屬粗放型灌溉模式。在華北井灌區特別是華北平原地區,自從將"兩年三熟制"改為"一年兩熟制"后,水分虧缺部分全靠超采地下水來彌補,地下水位連年下降,給北方灌溉農業造成嚴重威脅。
同時我國農業節水潛力巨大。我國渠灌面積約3900hm2,井灌面積1100多萬hm2,合計約5000萬hm2。渠水灌溉的利用率約為0.3,井水灌溉利用率約為0.5,兩者加權平均值為0.35左右,與發達國家0.7-0.9的利用率相比,差距巨大。有關部門測算,如將農業用水(按4000億m3計算)的利用率提高0.2,即達到0.55,則可節水800億m3。
山東海陽引進以色列技術,建成約33hm2(約500畝)果園自動化控制微噴工程,采用微機控制。根據土壤吸水能力、蘋果生產階段和氣候條件等因素,定時、定量、定位給果樹供水。據有關專家測算,糧田自動化噴灌可節水30%-40%;省地1.5%-2.0%;果園和菜園的微灌可節水50%-60%;防滲渠道與土渠相比可節水約50%。
有研究認為,北京市耕地面積與以色列耕地面積基本相同,但北京市水資源總量和農業用水量都約為以色列的2.4倍,如采用精準農業戰略,以管道灌溉、噴灌、滴灌和滲灌等方式取代大水漫灌,在產量上達到以色列現水平,可節水約2/3,即約18億m3。
2)實施精準施肥,提高化肥資源利用率
據聯合國糧農組織統計,化肥對糧食的貢獻率約占40%。我國能以占世界7%的耕地養活占世界22%的人口,應該說化肥在其中起了重要作用;但同時也發現,從1980-1995年的十幾年間,化肥施用總量增加了183.1%,年均遞增率達7.2%。1995年化肥總施用量約達3600萬t,而同期糧食總產只增加了46.6%,年均遞增率僅為2.7%。期間化肥投入所生產的糧食由31.5kg.kg-1下降至17.70kg.kg-1。我國化肥施用的突出問題是結構不合理,利用率低。據大量試驗資料統計,平均單產6500kg.hm-2的谷物,1季產量從土壤中帶走N100.5-169.5kg,P2O549.5-75.0kg,K2O120.0-175.5kg,N,P,K比例為1:0.45:1。我國許多省區都存在過量施用氮磷化肥,鉀肥施用不足的問題。1995年我國N,P,K實際施用比例為1:0.43:0.17。由于農田復種指數和作物產量的大幅度提高,有機肥施用量下降,化學鉀肥投入不足,我國土壤缺鉀面積日益擴大。
國外文獻報道,氮肥平均利用率可達50%-60%,當季利用率磷一般為10%-30%,鉀為20%-60%。據我國有關學者的研究,我國N,P,K平均利用率分別為35.0%,19.5%和47.5%,可見我國氮素化肥利用率低于世界平均水平,不僅浪費了資源、增加了農業生產成本,而且未被作物吸收利用的氮素向大氣揮發、向水體淋溶,形成對環境的污染。
近年來我國農田微量元素缺乏面積不斷擴大,而目前施用微量元素肥料的面積僅約1600萬hm2,為缺乏微量元素面積的11.3%。
在我國通過實施精準施肥技術,不但可以提高化肥資源利用率,還可以降低成本,提高作物產量。
3.2發展精細設施農業
所謂設施農業是指應用某些特制的設施來改變動植物生產發育的小氣候,達到人為控制其生產效果的農業生產形式。設施農業主要有:1)設施種植業,如溫室栽培、塑料大棚栽培、無土栽培;2)設施畜牧業,如畜禽舍、養殖場及草場建設等。利用現代信息技術、生物技術和工程裝備技術,進行設施農業生產,即為精細設施農業。
設施農業在國外發展較早,目前已達相當高的水平。在歐洲,多數國家以溫室生產為主,其中荷蘭和英國的溫室主要是玻璃溫室,用來生產蔬菜和花卉。荷蘭生產的蔬菜80%用于出口,花卉出口達世界出口量的71%(1987)。日本溫室栽培蔬菜和果樹的技術十分發達,幾乎所有品種的蔬菜在很大程度上都依賴于溫室生產。
我國設施農業起步較晚,但發展較快。目前世界塑料大棚和溫室面積約36.576萬hm2,其中我國面積最大,達15.67萬hm2,占42.8%。設施農業同普通農業相比,產業化程度高,效益好,接受新技術的能力強。
在我國設施農業發展較快的地區推廣、應用精準設施農業可以達到增加農產品產出、提高農產品品質,節約水、肥資源,保護農業生態環境的目的。
1)精準農業是在現代、生物技術、工程技術等一系列高新技術最新成就基礎上發展起來的一種重要的理代農業生產形式。其核心技術是地理信息系統、全球定位系統、遙感技術和計算機自動控制技術。
2)在我國建立現代精準農業系統應從開始就將現代信息技術、農業生物技術、農業工程裝備技術等各方面的專家有機組合在一起,協同攻關,逐步建立起具有中國特色的現代精準農業技術體系。
3)我國農業仍屬于高耗、低效型農業,農田灌溉水的有效利用率只有30%-40%(發達國家已達50%-70%),化肥當年利用率僅30%,因此,近期應重點發展節水、節肥的精準農業技術體系。
然而進一步的研究發現:這里沒有包括園藝類產品(鮮花、觀賞植物等以及蘑菇)和漁業產品。這些產品荷蘭都有大量的凈出口,而美國則有可觀的凈進口。以1996~1999年4年的平均數為例,加上這兩類產品后,荷蘭的凈出口值接近180億美元,而美國則減少到了126億美元;這種格局在2000年就更加明顯[1]。總之,在農產品凈出口方面,荷蘭成了當之無愧的“世界冠軍”!
應該說,荷蘭在贏得農產品出口多塊金牌的背后,有其“都市農業”的巨大貢獻——都市農業代表著一種先進的生產力。沒有園藝業和奶牛業的早期發展,難以想象荷蘭農業有現在這樣強大的國際競爭力。
實際上,荷蘭自己沒有“都市型農業”的說法。但是,荷蘭的人口密度大,農業緊靠大中城市,特別是荷蘭西部三省(烏得勒支、北荷蘭省、南荷蘭省,簡稱“西三省”)人口尤其密集,鐵路、公路密如蛛網,把荷蘭最重要的城市連接起來,構成了一個城市連綿帶。烏得勒支—阿姆斯特丹—海牙—鹿特丹—多德雷赫特這幾個大中城市[2],構成了一個“大都市圈”,或非行政意義上的“大都市”。為了考察荷蘭的都市型農業,我們不妨以包圍這個大都市圈的“西三省”及其主導產業——園藝業和奶牛業為例來進行研究。
荷蘭是農業高度發達的國家。農業發展的目標,不再是追求產量,而十分強調農業與環境、自然的協調發展,重視農業的社會責任,這就為荷蘭形成“綠色生產力”打下了一個很好的基礎。在這個人口稠密的地區,其東側保留著一個缺口,人們稱之為“綠色心臟”[3]。在荷蘭,土地利用被區分為“綠區”和“紅區”,前者是指自然保護區、林地和農業,工業、城市住宅和各種基礎設施用地,功能分明,并且嚴格防止后者對前者的侵占。
研究荷蘭“西三省”的都市型農業,我們不僅可以認識都市型農業的一般特點,而且可以借鑒荷蘭怎樣在獲得非凡的國際競爭力的同時,保持著可持續發展的后勁。
一、“西三省”農業的特點
荷蘭“西三省”的面積約7000平方千米(比上海市稍大些),只占全國陸地面積的1/5左右,總人口有712萬,約占全國總人口的44%。本地區人口密度很高,為全國的2.2倍(約1100人/km2),是歐洲人口密度最高的地區之一。
“西三省”與我國傳統的農業生產結構很不一樣。“西三省”農用地總面積有34.7萬公頃。2001年,總共有農場約2.08萬個,農業勞動力7.97萬個。每個農場的勞動力人數平均為3.82個,而荷蘭其他9個省平均只有2.62個,表明這個地區的農業相對來說是“勞動密集”的,其中的原因將在下面再作分析。
荷蘭土地的利用方式與我國的差別很大。雖然總起來說荷蘭人均土地面積比我國還小[4],但是農業用地中,農作物種植面積還沒有牧場的面積大。以“西三省”為例,牧草地達到20.9萬公頃,大田蔬菜3.4萬公頃,其他農作物用地不到9.2萬公頃,后面二者總面積僅為牧草場的3/5。同時,“西三省”總共有玻璃溫室約7 080公頃,占全國玻璃溫室面積的2/3以上;其中尤其是南荷蘭省,集中了全國玻璃溫室的55.6%,形成了舉世聞名的“玻璃城”。
1994年到2001期間,荷蘭的農業就業人數從28.2萬下降到26.8萬,即減少了5%。但是我們從“西三省”勞動就業中看到了一個有趣的現象,即:奶牛業比較重要的烏得勒支省的農業就業人數減少得最快,7年里幾乎減少了14%,而南北荷蘭兩省的變化卻很小,大致保持在8萬左右;其中,北荷蘭省還有所上升。
根據歐洲統計署的資料,“西三省”農業生產項目中位居前三名的分別如表1所示:
表1 荷蘭“西三省”主要的農產品及其占總增加值的比例
第一位
第二位
第三位
勞均總增加值
烏得勒支省
牛奶,44%
豬,19%
肉牛,13%
25 356
北荷蘭省
花卉,54%
牛奶,19%
蔬菜,7%
32 880
南荷蘭省
花卉,49%
蔬菜,29%
面臨人日資源矛盾突出的嚴峻現實,如何最大限度地發揮肥料在糧食生產中的增產作用,持續提高糧食單產,降低化肥用量,是實現中國農業健康可持續發展的重要問題。對于廣大農村地區的農民,強化科學施肥輿論和普及施肥知識較為重要,要改變其憑經驗施肥的不良習慣。在完善農化服務體系建設中,既要強化國家農技推廣服務體系功能,充分發揮其主導作用,更要強調肥料生產流通企業的農化服務與國家農機推廣體系的有機結合。對農民進行科學培訓,讓他們真正掌握測土配方施肥、平衡施肥等最新的農業施肥技術,采取全國農業技術推廣系統廣泛推廣的氮磷配合施用、補鉀工程平衡施肥、化肥深施、灌溉施肥、精準施肥等科學施肥技術;另外,可結合當地自然環境,推廣秸稈還田、增施有機肥等方法改善土壤條件,將其真正用于生產實踐中,為農民帶來利益。
2 發展精準農業
我國農業即將進人知識農業發展階段,生物技術、現代信息技術和工程裝備技術綜合應用于農業生產的精準農業將成為一種新型的現代農業生產模式,該生產模式以信息技術為平臺將空間變異定位、定時、定量有機地聯系起來,能夠根據作物自身的生長特點、農田土壤狀況,調節化肥的用量和配方,極大提高肥料利用率,降低肥料用量。信息農業是精準農業的基礎,精準農業將是肥料精準施用技術的基礎。由于長期農村居民的弱勢化,土地逐漸被流轉和承包,以合作社的形式存在,2005年我國開啟了全國測土施肥項目,統一測量肥力、統一施肥、種植同樣的作物,即進人了統一管理時期,因此我國農業也逐漸進人到了精準農業時期。這一時期,提出許多新的施肥技術,如變量施肥技術滴灌施肥技術、智能灌溉施肥技術等。同時,針對特定的土壤及作物可以制定出專用肥料,推廣技術人員的索質也越來越高,能夠及時地把知識傳送給種植人員,加強對農戶的科學技術培訓,減少肥料的浪費,在改良土壤的同時又提高了作物產量和品質。