地球人口2050年將達(dá)到97億（從目前增長(zhǎng)接近40%），要解決這些貪婪的人口，目前的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出至少還要增加70%，如何在無(wú)法增長(zhǎng)甚至可能減少的耕地上喂飽這些日益增長(zhǎng)的嘴巴，如何滿足這些越來(lái)越“刁”的胃口，我們只能依靠科技—精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，智慧農(nóng)場(chǎng)，這就是農(nóng)業(yè)的未來(lái)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)）作為一個(gè)術(shù)語(yǔ)，描述通過(guò)技術(shù)的使用，以便在特定地點(diǎn)更好地測(cè)量和控制作物生產(chǎn)，以提高效率。這些改進(jìn)包括：

l  更有效地投入（種子，肥料等）

l  更有效地利用耕作設(shè)備

l  改進(jìn)作物和田間測(cè)量

l  更好的農(nóng)場(chǎng)管理決策

雖然計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品自20世紀(jì)70年代以來(lái)一直用于農(nóng)作物生產(chǎn)，但從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，GNSS一直是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)（GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，如美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國(guó)的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—百度）。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)循環(huán)

從歷史上看，作物生產(chǎn)過(guò)程一直是一個(gè)“開(kāi)環(huán)”過(guò)程，該過(guò)程如圖1所示。

種植者通常使用他們可獲得的最佳信息，包括他們農(nóng)場(chǎng)的作物歷史（例如，作物輪作）;有關(guān)可用種子類型的信息;目前的肥料，種子，燃料和勞動(dòng)力等投入成本;他們所在地區(qū)的氣候歷史;和他們所在地區(qū)的近期天氣。這些信息用于制定基本的農(nóng)場(chǎng)管理決策，例如在每個(gè)田地種植哪種作物，使用哪種種子，何時(shí)種植，使用多少肥料，如何到地面，以及使用哪種種植模式和間距場(chǎng)。這些決策的目標(biāo)是優(yōu)化農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)并最大化農(nóng)場(chǎng)的作物產(chǎn)量。不幸的是，還有一些影響作物生產(chǎn)的主要外部因素 - 特別是天氣和雜草和蟲(chóng)害。

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的引入，包括電子，計(jì)算機(jī)，軟件和傳感器的進(jìn)步，種植者現(xiàn)在擁有更好的工具來(lái)管理他們的作物生產(chǎn)。 這些工具在圖2中以藍(lán)色顯示，并在下面更詳細(xì)地描述。

產(chǎn)量測(cè)量

在聯(lián)合收割機(jī)中使用水分和顆粒流量傳感器來(lái)測(cè)量產(chǎn)量的做法是第一個(gè)被廣泛采用的精確農(nóng)業(yè)實(shí)踐。 雖然在20世紀(jì)80年代引入了測(cè)量產(chǎn)量的做法，但1994年產(chǎn)量測(cè)量與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的整合是一場(chǎng)革命。 基于GNSS的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器為農(nóng)民提供了一種工具，用于收集有關(guān)其作物生產(chǎn)的特定地點(diǎn)信息，并生成顯示其農(nóng)場(chǎng)的田間產(chǎn)量變異性的地圖。 今天，幾乎所有在北美制造和銷售的聯(lián)合收割機(jī)都包括一臺(tái)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)器。

土壤養(yǎng)分測(cè)量

氮，磷，鉀和其他土壤養(yǎng)分對(duì)植物健康至關(guān)重要。 幾千年來(lái)，種植者已經(jīng)意識(shí)到土壤養(yǎng)分的重要性，并且在種植前使用有機(jī)肥來(lái)修復(fù)土壤。 最近，科學(xué)家和農(nóng)藝師已經(jīng)更多地了解了作物的特定化學(xué)需求，并開(kāi)發(fā)了專門的肥料來(lái)直接針對(duì)這些需求。

今天，種植者可以獲得從他們的田地收集土壤樣品的服務(wù)，將這些樣品郵寄到化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并提供顯示種植者田地內(nèi)特定地點(diǎn)營(yíng)養(yǎng)水平的地圖。 不幸的是，這個(gè)過(guò)程緩慢，季節(jié)性很強(qiáng)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

作物健康測(cè)量

種植者現(xiàn)在能夠在季節(jié)中更好地衡量作物的健康狀況。使用GNSS的野外偵察技術(shù)在北美變得越來(lái)越流行，種植者開(kāi)始利用來(lái)自具有多光譜成像相機(jī)的衛(wèi)星或飛機(jī)的遠(yuǎn)程圖像。 近乎實(shí)時(shí)的作物健康感知可以推動(dòng)季節(jié)性管理決策，如農(nóng)藥施用和季節(jié)內(nèi)養(yǎng)分管理。

作物選擇

雖然與計(jì)算機(jī)，電子設(shè)備或傳感器沒(méi)有直接關(guān)系，但作物選擇正成為種植者管理的最重要變量之一。 種子選擇對(duì)投入成本和產(chǎn)量有顯著影響。 因?yàn)樗鼈內(nèi)绱擞行?，轉(zhuǎn)基因種子已在美國(guó)被廣泛采用。 這些種子被設(shè)計(jì)用于諸如更高產(chǎn)量，抗蟲(chóng)性和除草劑抗性的特征。 這些結(jié)果對(duì)種植者來(lái)說(shuō)非常明顯，經(jīng)濟(jì)價(jià)值令人信服。

高效田間栽培

除了允許在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)特定測(cè)量外，GNSS還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場(chǎng)設(shè)備的機(jī)器人自動(dòng)化。 2000年推向市場(chǎng)的產(chǎn)品使拖拉機(jī)，噴霧器和收割機(jī)能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操縱，無(wú)需手動(dòng)操作，精度達(dá)到英寸級(jí)別。

自動(dòng)轉(zhuǎn)向?yàn)榉N植者帶來(lái)了明顯的好處。 它允許設(shè)備在白天，夜晚或霧中晝夜不停地運(yùn)行 - 無(wú)論能見(jiàn)度如何。 與人駕駛車輛相比，精密轉(zhuǎn)向車輛的通道重疊減少8％至10％，從而降低燃油，勞動(dòng)力和投入成本。 此外，較少的重疊導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)完成的更多，而且導(dǎo)致更高的產(chǎn)量。

種子和肥料管理

除了控制農(nóng)用車輛的轉(zhuǎn)向外，GNSS還提供可以在特定地點(diǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)輸入應(yīng)用的解決方案。 現(xiàn)在，種植者可以使用強(qiáng)大的工具，實(shí)現(xiàn)種子和肥料率的實(shí)時(shí)調(diào)整。 這些比率由軟件“處方”確定，軟件“處方”是基于各種數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，包括上述產(chǎn)量監(jiān)測(cè)和土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)。

與轉(zhuǎn)基因種子和自動(dòng)轉(zhuǎn)向相比，采用這些技術(shù)的速度相對(duì)較慢，主要是因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分測(cè)量過(guò)程緩慢而乏味，而且執(zhí)行這些可變速率應(yīng)用技術(shù)的結(jié)果難以衡量，而且作物產(chǎn)量的其他變量（如天氣）太大。

今天精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的挑戰(zhàn)

種子遺傳和精確轉(zhuǎn)向的采用率在幾個(gè)地區(qū)市場(chǎng)已經(jīng)超過(guò)50％，因?yàn)樗鼈兙哂忻黠@和引人注目的價(jià)值。然而，種植者對(duì)種子和肥料管理的采用仍然滯后。

由于幾個(gè)原因，首先，肥料成本正在上升，有效地田間投入 - 特別是氮肥 - 是必不可少的。在美國(guó)，化肥銷售現(xiàn)在每年超過(guò)180億美元，占大多數(shù)農(nóng)場(chǎng)小麥和玉米生產(chǎn)成本的30-50％。此外，全球化肥的使用量正在增加。在全球范圍內(nèi)，氮的使用率超過(guò)了人口和耕地的增長(zhǎng)速度。主要由肥料徑流引起的過(guò)量氮和磷水平引發(fā)的氧氣消耗正成為嚴(yán)重問(wèn)題。美國(guó)國(guó)家工程院將“管理氮循環(huán)”列為21世紀(jì)14大工程挑戰(zhàn)之一。

當(dāng)克服三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)時(shí)，采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)行種子和肥料管理將會(huì)有所改善：

l  提高GNSS信號(hào)可用性

l  提高土壤測(cè)量效率

l  分析多個(gè)服務(wù)器場(chǎng)的數(shù)據(jù)

提高GNSS信號(hào)可用性

在許多農(nóng)場(chǎng)環(huán)境中，僅GPS不能提供足夠的現(xiàn)場(chǎng)覆蓋。 丘陵或山地地形可能是問(wèn)題，但樹(shù)木林是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，如圖5所示。信號(hào)的可靠性一直是美國(guó)西南部地區(qū)采用的障礙。 10年前美國(guó)的大多數(shù)種植者都不熟悉GPS。 今天，許多種植者在GNSS中受到足夠的教育，他們了解信號(hào)的可用性和重新獲取情況。

在北美銷售的大多數(shù)高精度系統(tǒng)現(xiàn)在都提供GLONASS功能，以增強(qiáng)GPS的信號(hào)可用性。 隨著更多衛(wèi)星空間信號(hào)可用，在這些困難環(huán)境中可用性將繼續(xù)提高，更多種植者將GNSS視為滿足其需求的可靠解決方案。

提高土壤測(cè)量效率

如上所述，目前的土壤養(yǎng)分測(cè)量技術(shù)緩慢，昂貴且不準(zhǔn)確。為了降低成本，許多種植者采用“區(qū)域”采樣技術(shù)，其中基于土壤質(zhì)地區(qū)域在整個(gè)區(qū)域（通常為80至160英畝）中收集一至五個(gè)樣品。實(shí)施“高密度”采樣的種植者通常在每2.5英畝一個(gè)樣本的網(wǎng)格上采集樣本。研究表明，考慮到土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性，需要對(duì)每英畝至少一個(gè)樣本進(jìn)行取樣，以準(zhǔn)確地插入田間的營(yíng)養(yǎng)水平。

不幸的是，在田間施用額外肥料的經(jīng)濟(jì)成本明顯低于由肥料施用不足引起的潛在產(chǎn)量減少。如果種植者不能夠以近乎實(shí)時(shí)的方式（尤其是氮，水溶性和高度時(shí)間依賴性）以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式測(cè)量營(yíng)養(yǎng)成分，他們將繼續(xù)過(guò)度施肥以確保高產(chǎn)量。

多個(gè)農(nóng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析

如上所述，許多變量影響作物產(chǎn)量。 這些包括降雨，溫度，濕度，風(fēng)，土壤類型和耕作方法等等。

不幸的是，今天，農(nóng)場(chǎng)是信息的“孤島”。 對(duì)于一個(gè)農(nóng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，收集足夠的信息來(lái)衡量新農(nóng)業(yè)實(shí)踐或特定種子雜交所創(chuàng)造的價(jià)值需要很多年。 單個(gè)農(nóng)場(chǎng)無(wú)法生成足夠的數(shù)據(jù)來(lái)提供有意義的統(tǒng)計(jì)顯著性。

當(dāng)信息可以跨多個(gè)農(nóng)場(chǎng)相關(guān)時(shí)，數(shù)據(jù)分析的顯著改進(jìn)是可能的。 用于實(shí)現(xiàn)此類分析的無(wú)線數(shù)據(jù)連接和軟件工具現(xiàn)在正在農(nóng)場(chǎng)中實(shí)施。 一旦這些做法變得更加普遍，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的價(jià)值將變得對(duì)種植者更加清晰，并且這些做法的采用將會(huì)增加。

概述

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以幫助種植著更有效地投入（種子，肥料），更有效地利用耕作設(shè)備，改進(jìn)作物和田間測(cè)量，以及更好的農(nóng)場(chǎng)管理決策。隨著電子，計(jì)算機(jī)，軟件和傳感器的進(jìn)步，種植者現(xiàn)在擁有更好的工具來(lái)管理他們的作物生產(chǎn)。

在美國(guó)，由于其高可見(jiàn)性和極具吸引力的價(jià)值，其中一些技術(shù)（如種子遺傳學(xué)和精確轉(zhuǎn)向）的采用率非常快。然而，種植者對(duì)種子和肥料管理的采用仍然滯后。這是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)厥褂梅柿蠈?duì)于種植者來(lái)說(shuō)在經(jīng)濟(jì)上是浪費(fèi)的，并且還對(duì)水道和地下水源造成傷害。

所以，當(dāng)克服三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)時(shí)，采用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)種子和肥料管理將得到改善：（1）提高GNSS信號(hào)可用性，（2）提高土壤測(cè)量效率，（3）種植者采取時(shí)跨多個(gè)服務(wù)器場(chǎng)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析的能力的優(yōu)勢(shì)。