摘要：我國農(nóng)業(yè)正由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，但從全局來看，仍處于半自給半商品、半經(jīng)驗(yàn)半科學(xué)、半人畜半機(jī)械的狀況，并未完全脫離傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的范圍。農(nóng)民僅初步溫飽，生活水平較低。1995 年，全國農(nóng)業(yè)人口人均收入僅為 780 元，約 8000萬農(nóng)民尚處于貧困之中。本文選自：《河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》是由中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。自創(chuàng)刊以來，以新觀點(diǎn)、新方法、新材料為主題，堅(jiān)持"期期精彩、篇篇可讀"的理念。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)內(nèi)容詳實(shí)、觀點(diǎn)新穎、文章可讀性強(qiáng)、信息量大，眾多的欄目設(shè)置，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)公認(rèn)譽(yù)為具有業(yè)內(nèi)影響力的雜志之一。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)并獲中國優(yōu)秀期刊獎(jiǎng)，現(xiàn)中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊。

　　1我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀和存在的問題

　　1.1 我國的農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

　　在農(nóng)業(yè)資源利用方面，中國農(nóng)業(yè)在精耕細(xì)作、多層次利用、生態(tài)農(nóng)業(yè)等高效利用農(nóng)業(yè)資源方面獨(dú)樹一幟[12]。各地已總結(jié)出許多具有區(qū)域特色的耕作技術(shù)和農(nóng)業(yè)模式，如間、套、連作的多熟制、基塘農(nóng)業(yè)、立體山地農(nóng)業(yè)、有機(jī)物還田等等。這些技術(shù)對提高我國光能、土地、水、肥力等資源的利用率發(fā)揮著重要的作用。農(nóng)業(yè)新技術(shù)研究與開發(fā)也開始起步。例如，灌溉(如噴灌、滴灌、微灌、滲灌、膜上灌等)、施肥(如配方施肥、復(fù)混肥技術(shù)、多元素平衡施肥等)、植保、水土保持(如坡地農(nóng)業(yè))等方面的先進(jìn)技術(shù)和措施已在研究或部分應(yīng)用之中。農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測技術(shù)也取得了較大的進(jìn)展，遙感與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)成功地應(yīng)用于作物長勢、種植面積、產(chǎn)量、災(zāi)害、水土流失等方面的監(jiān)測[15～17]。國內(nèi)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)日益深入，主要包括啟發(fā)式專家系統(tǒng)、實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)、專家數(shù)據(jù)庫、模型專家系統(tǒng)、問題專用殼等五類[18]。全國人工農(nóng)情信息網(wǎng)絡(luò)為農(nóng)業(yè)決策部門提供生產(chǎn)形勢和對策分析服務(wù)方面，發(fā)揮著日益重要的作用[16]。全國農(nóng)業(yè)科技信息網(wǎng)絡(luò)已開始著手建設(shè)[19]，所有這些進(jìn)步和發(fā)展都標(biāo)志著我國農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)正在邁出重要的一步。

　　 目前，我國政府正在推行的“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高效”的資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)政策[12]，社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)體制的確定，經(jīng)濟(jì)增長方式的迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槲覈_農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐和政策保障。

　　1.2 我國農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

　　(1)有限農(nóng)業(yè)資源的高效利用我國人口眾多，人均資源少。目前，人均耕地、草地、林地和水資源分別不到世界平均水平的 1/3、1/3、1/8 和 1/4。進(jìn)入下一世紀(jì)中葉，中國人口將增至 15～16億[12]。人地矛盾和人糧矛盾會(huì)進(jìn)一步嚴(yán)峻。而另一方面，我國的資源利用效益很低。如我國灌溉水有效利用率約為 40%，糧食作物用水產(chǎn)出效益(即單位耗水量的農(nóng)作物產(chǎn)量)少于 1kg/m3x，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家水平(約為 50%～70%)[20、12]。又如我國化肥的當(dāng)季利用率，氮為 30%～35%，磷為 10%～20%，鉀為 35%～50%，大大低于美國和日本的氮素利用率(可達(dá) 60%～70%)，而地域和養(yǎng)分不平衡又進(jìn)一步減少了肥效[12、21、22]。因此，充分有效地利用有限的資源，發(fā)展以節(jié)地、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)糧為目標(biāo)的農(nóng)業(yè)將是當(dāng)前與未來中國農(nóng)業(yè)必須關(guān)注的重點(diǎn)問題。

　　(2)農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的有效控制我國部分地區(qū)因施肥不當(dāng)已引起環(huán)境污染，出現(xiàn)了地表水富營養(yǎng)化，地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)等問題[21]。水土流失面積占國土總面積的 1/5;沙漠化的土地達(dá)到 3330hm2，且以每年 120萬hm2 左右速度

　　增加。旱、澇、鹽、堿、風(fēng)等災(zāi)害又威脅著我國 2000萬hm2 耕地。如何在當(dāng)前與未來能在不加劇或減少環(huán)境污染的前提下謀求發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)面臨的另一重要問題。>　　當(dāng)前國際公認(rèn)的精確農(nóng)業(yè)的好處就在于其完善的管理、資源的高效利用和環(huán)境保護(hù)效益[23]。因此，我國很有必要進(jìn)行精確農(nóng)業(yè)的研究與試驗(yàn)。

　　2 國際上精確農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢

　　2.1 精確農(nóng)業(yè)的定義和現(xiàn)狀

　　精確農(nóng)業(yè) (Precisionagriculture，Precisionfarming，Site-specificcropmanagement 或 Prescription farming) 是利用重要的作物參數(shù)和知識(shí)在適當(dāng)?shù)某叨壬蟽?yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)管理，是根據(jù)特定地塊的作物潛在生產(chǎn)能力控制不同的投入水平(如肥料、殺蟲劑、除草劑等)。精確農(nóng)業(yè)包含 3 個(gè)實(shí)施階段：確定田間管理事件、制定對策和實(shí)施對策。精確農(nóng)業(yè)的核心是對變化因素進(jìn)行精確管理，變化因素包括：空間因素、時(shí)間因素和預(yù)測因素。空間因素反映地域變化;時(shí)間因素反映年度變化;預(yù)測因素反映預(yù)測與實(shí)際值之間的差異。

　　國外精確農(nóng)業(yè)實(shí)踐表明：精確農(nóng)業(yè)不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，而且其獲取的詳細(xì)耕作信息推演出和有助于解決許多未知問題。精確農(nóng)業(yè)的根本效益體現(xiàn)在降低作物的生產(chǎn)成本和過量施用農(nóng)化產(chǎn)品的污染風(fēng)險(xiǎn)。如以施肥為例，傳統(tǒng)的施肥方式是在一片地塊內(nèi)使用一個(gè)平均施肥量。但實(shí)際上土壤肥力在不同的地塊(像元大小為 0.5～2hm2)、不同時(shí)段(上一茬殘留肥力和消耗)差別較大，所以平均施肥就會(huì)造成部分地區(qū)肥力不足而部分地區(qū)肥力過量。精確農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)了因土、因作物、因時(shí)全面平衡施肥，因此，有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益①。1994 年，明尼蘇達(dá)大學(xué)在明尼蘇達(dá)州漢斯卡農(nóng)場實(shí)驗(yàn)研究表明：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)每公頃施肥為 119.8kg，而精確農(nóng)業(yè)施肥平均為 82kg。明尼蘇達(dá)的扎卡比森甜菜農(nóng)場采用精確變率施肥技術(shù)減少了氮肥用量，肥料投入每公頃平均減少 15  52 美元，收益平均每公頃增加 358.32 美元。又如在產(chǎn)量預(yù)測預(yù)報(bào)方面，精確農(nóng)業(yè)對投入、產(chǎn)出能按不同地塊、不同時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)記錄，對預(yù)測產(chǎn)量和耕作決策有著極其重要的意義。在英國夏托沃斯農(nóng)場，聯(lián)合收割機(jī)上裝的 GPS 和產(chǎn)量測定儀，每隔 1.2 秒，GPS 測量記錄一次。這樣，在收割完成的同時(shí)，就可以產(chǎn)生當(dāng)季準(zhǔn)確的產(chǎn)量分布圖。再如在提高水資源利用率方面，精確農(nóng)業(yè)技術(shù)也具有極大的作用。在以色列，用水管理已實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化，全國已全部實(shí)施節(jié)水灌溉技術(shù)，其中 25% 為噴灌，75% 為微灌(滴灌和微噴灌)。所有的灌溉都是由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了因時(shí)、因作物、因地用水和用肥自動(dòng)控制。1989 年，以色列水分利用率為每立方米產(chǎn)糧食 2.32kg，與技術(shù)使用前(1949 年)相比，平均提高了 0.68kg/m3;到 2000 年，計(jì)劃提高到 4.31kg/m3[12、13]。

　　但是，精確農(nóng)業(yè)的邊際效益 (marginal effect) 與農(nóng)場的規(guī)模成正比。發(fā)達(dá)國家較小的農(nóng)場精細(xì)耕作程度較高，精確農(nóng)業(yè)產(chǎn)生效益的可能性就小得多;而大農(nóng)場，精細(xì)耕作程度較低，很大的一塊田(地)采用一樣的管理方式，因而，實(shí)施精確農(nóng)業(yè)產(chǎn)生邊際效益就大。

　　精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用已涉及到施肥、植物保護(hù)、播種、耕作、水分管理等相關(guān)領(lǐng)域。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已漸漸為各農(nóng)場經(jīng)營者了解和熟悉。歐洲的一項(xiàng)調(diào)查表明：歐洲大約 2/5 的農(nóng)場主知道精確農(nóng)業(yè)技術(shù)。

　　2.2 精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢

　　從大趨勢看，精確農(nóng)業(yè)將向著完全的時(shí)間和空間變量管理和決策支持方向發(fā)展。Blackmore 在展望歐洲精確農(nóng)業(yè)發(fā)展時(shí)，指出了三種技術(shù)應(yīng)用水平與相應(yīng)的耕作管理戰(zhàn)略[14]：①無任何信息技術(shù)(IT) 組成的傳統(tǒng)方式;②管理信息系統(tǒng)(MIS)、咨詢方式(what  ifmodel)和簡單機(jī)械化;③空間信息技術(shù)的充分應(yīng)用和自動(dòng)處理：自動(dòng)數(shù)據(jù)收集、集成 MIS/DSS 技術(shù)支持系統(tǒng)。不同的應(yīng)用水平將包含不同的 IT 組成，產(chǎn)生不同的環(huán)境和操作效應(yīng)及達(dá)到不同的經(jīng)濟(jì)效果。支持精確農(nóng)業(yè)的專用硬件和設(shè)施系統(tǒng)將在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)，而相應(yīng)的決策支持軟件將會(huì)得到不斷的、長期的開發(fā)和完善[14]。隨著相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，精確農(nóng)業(yè)將很快從試驗(yàn)應(yīng)用走向推廣應(yīng)用。可以預(yù)計(jì)，21 世紀(jì)的農(nóng)業(yè)可以說是計(jì)算機(jī)輔助管理的精確農(nóng)業(yè)時(shí)代[12]。

　　3 我國的精確農(nóng)業(yè)行動(dòng)對策

　　精確農(nóng)業(yè)是具有超前性的農(nóng)業(yè)高技術(shù)，代表了當(dāng)前國際上農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢，對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展將發(fā)揮日益重要的推動(dòng)作用。因此，我們應(yīng)開展精確農(nóng)業(yè)的研究，加強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)信息化的建設(shè)，示范和實(shí)踐適用的精確農(nóng)業(yè)體系。

　　3.1 開展多種集成水平的精確農(nóng)業(yè)研究和實(shí)踐

　　按技術(shù)集成水平和機(jī)械化程度，精確農(nóng)業(yè)至少可劃為三類：無機(jī)械化精確農(nóng)業(yè)、半機(jī)械化精確農(nóng)業(yè)和全自動(dòng)化、信息化的精確農(nóng)業(yè)。無機(jī)化精確農(nóng)業(yè)指無任何 VRT 機(jī)械設(shè)備，對某項(xiàng)或某幾項(xiàng)因子的時(shí)間、空間變化利用 GIS 進(jìn)行查詢和輔助決策。這是一種最簡單而有效的精確農(nóng)業(yè)，適合我國絕大部分地區(qū)應(yīng)用和發(fā)展，尤其是丘陵和山區(qū)。半機(jī)械化精確農(nóng)業(yè)指部分采用 VRT 機(jī)械化設(shè)備，用于收割、播種、施肥或灌溉，部分設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和監(jiān)測，其余部分仍由 GIS 進(jìn)行查詢，然后人工實(shí)施。這可能適合我國北方平原已形成了規(guī)模化經(jīng)營、機(jī)械化已達(dá)一定程度的大農(nóng)場。全自動(dòng)化、信息化的精確農(nóng)業(yè)指全部采用 VRT 機(jī)械化設(shè)備，GIS 提供決策基礎(chǔ)，DSS 輔助決策，GPS/DGPS 定位，自動(dòng)控制耕作全過程和建立建全田間管理檔案。這在我國實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用還會(huì)有相當(dāng)大的難度，但作為研究，仍可重點(diǎn)選擇和支持一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，以便研究高度集成化的精確農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。

　　針對各種不同的精確農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)水平，我們應(yīng)建立相應(yīng)的試驗(yàn)示范農(nóng)場。這樣，我們才能在實(shí)踐中研究精確農(nóng)業(yè)技術(shù)、系統(tǒng)集成方法、信息分析和決策方法、自動(dòng)控制、效益(經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益)等，總結(jié)出適合我國發(fā)展的精確農(nóng)業(yè)體系，指導(dǎo)我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

　　3.2 農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)

　　精確農(nóng)業(yè)可以說就是農(nóng)業(yè)信息化的典型產(chǎn)物。農(nóng)業(yè)資源信息和農(nóng)情信息是精確農(nóng)業(yè)的信息基礎(chǔ)，是決定精確農(nóng)業(yè)效益的關(guān)鍵。因此，必須加強(qiáng)農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立和制定信息共享和數(shù)據(jù)更新的機(jī)制、技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)，促進(jìn)我國國產(chǎn)化設(shè)備和軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施最基本的是要以各級(jí)農(nóng)業(yè)部門為依托，建設(shè)中央—省—市—縣信息骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) [ 24]。即全國以國家農(nóng)業(yè)部信息中心為核心，以各省(市)為樞紐，縣(市)為網(wǎng)點(diǎn)，并與其它網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，形成全方位的農(nóng)業(yè)資源和經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

　　3.3 精確農(nóng)業(yè)推廣系統(tǒng)的建立

　　農(nóng)業(yè)推廣系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是人才的培養(yǎng)，包括政府管理決策人員、研究人員、教學(xué)人員、經(jīng)營企業(yè)、農(nóng)民等的培養(yǎng)和教育[25]。精確農(nóng)業(yè)推廣系統(tǒng)的目標(biāo)就是要培養(yǎng)一支多層次的隊(duì)伍，使精確農(nóng)業(yè)的研究、管理、應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。其中，社會(huì)咨詢意識(shí)的培養(yǎng)尤其重要[26]，它關(guān)系著精確農(nóng)業(yè)是否能在我國真正得到應(yīng)用。農(nóng)業(yè)信息化和精確農(nóng)業(yè)要求勞動(dòng)者具有更高的知識(shí)和技術(shù)水平[27]。

　　3.4 多學(xué)科聯(lián)合研究體系的建立

　　精確農(nóng)業(yè)是一多學(xué)科技術(shù)系統(tǒng)集成的具體化。它需要多學(xué)科、多層次的專業(yè)人員的合作。因此，為促進(jìn)合作和交流，建議：①成立一全國性專業(yè)學(xué)會(huì);②每年組織 1～2 次專業(yè)討論會(huì);③建立一供管理人員和研究人員參加國際專業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)和展示會(huì)的基金;④在英特網(wǎng)上設(shè)立一論壇和精確農(nóng)業(yè)圖書館，為多學(xué)科研究者提供交流和信息共享的現(xiàn)代機(jī)制。

　　4 GIS 在精確農(nóng)業(yè)中的作用和行動(dòng)對策

　　GIS 在精確農(nóng)業(yè)中作用較大，是精確農(nóng)業(yè)集成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。GIS 是人們在計(jì)算機(jī)硬、軟件環(huán)境里，使大量描述客觀事物、關(guān)系和過程的各種數(shù)據(jù)，按照它們的地理坐標(biāo)或袖章位置，輸入編輯、存貯更新、量測運(yùn)算、查詢檢索、分析處理、模型應(yīng)用、動(dòng)態(tài)模擬、決策支持、模型應(yīng)用、顯示制圖和報(bào)表輸出，從而幫助人們實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)、利用和改造客觀世界的某種或某些任務(wù)目標(biāo)的一種信息系統(tǒng)[28]。

　　4.1 GIS 在精確農(nóng)業(yè)中的作用

　　GIS 在精確農(nóng)業(yè)中的作用主要體現(xiàn)在提供數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、決策和變率施用處理等方面。在美國的一項(xiàng)咨詢調(diào)查結(jié)果表明：美國精確農(nóng)業(yè)工作者使用 GIS 軟件人數(shù)高達(dá) 60%，基礎(chǔ)軟件普遍為 ARC/INFO、GRASS 和 IDRISI。

　　(1)GIS 的管理功能 GIS 工具軟件為精確農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)提供了人機(jī)對話界面、數(shù)據(jù)獲取和記錄功能、編輯功能、查詢功能、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)調(diào)用(ODBC)等輸入與輸出功能[29～31]。GIS 的管理功能已不僅局限于二維數(shù)據(jù)，而且已擴(kuò)展到了三維(如數(shù)字高程模型及相關(guān)地形分析[30])，甚至四維(如動(dòng)態(tài)監(jiān)測分析、預(yù)測分析、動(dòng)態(tài)模擬等[31])。GIS 的業(yè)務(wù)化也將使其管理功能加強(qiáng)[32]。

　　(2)GIS 的信息產(chǎn)品 GIS 目前已不僅是指其工具，而且也包括大量的空間信息產(chǎn)品[33]。農(nóng)業(yè)資源信息和農(nóng)情信息將是精確農(nóng)業(yè)決策的基礎(chǔ)。GIS 與 RS 的集成系統(tǒng)將不斷地為精確農(nóng)業(yè)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

　　(3)GIS 的決策功能 GIS 是一個(gè)在問題求解中包含空間信息的決策支持

　　系統(tǒng)[34]。在精確農(nóng)業(yè)中，GIS 將作為空間決策工具，提供決策模型[35]、VRT 和 GPS 集成決策系統(tǒng)。

　　4.2 GIS 行動(dòng)對策

　　通用 GIS 軟件和產(chǎn)品在精確農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用存在著一定的障礙。美國 Usery 等的問卷式調(diào)查結(jié)果顯示，精確農(nóng)業(yè) GIS 用戶要求通用 GIS 軟件在以下方面進(jìn)行改善：①更完善的用戶界面;②支持更多的統(tǒng)計(jì)和經(jīng)濟(jì)函數(shù);③支持更多的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?④易學(xué)易用;⑤聯(lián)接更多、更好的數(shù)據(jù)庫資源;⑥和 GPS 的實(shí)時(shí)連接;⑦更快的操作速度。

　　我國的精確農(nóng)業(yè)將有自己的特點(diǎn)：咨詢與決策 GIS 將是關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)。因此，我們應(yīng)跟蹤國際上 GIS 的集成發(fā)展趨勢，加強(qiáng)各種集成系統(tǒng)的研究(GIS 與 RS，GIS 與 GPS，GIS 與 CDS，GIS 與 DSS 等[30、35、36]);瞄準(zhǔn)模擬與建模這個(gè)基本點(diǎn)，在原有的一些應(yīng)用方向上繼續(xù)向深度和廣度發(fā)展②;提高實(shí)用性，促進(jìn) GIS 產(chǎn)業(yè)五化(技術(shù)成果商品化、系統(tǒng)運(yùn)行業(yè)務(wù)化、結(jié)構(gòu)配置網(wǎng)絡(luò)化、信息服務(wù)社會(huì)化和科學(xué)知識(shí)普及化)[28];方便各級(jí)用戶學(xué)習(xí)和使用，促進(jìn) GIS 軟件的國產(chǎn)化[37]。