精准农业革命:农耕无农夫

2015-05-25 12:23 | 作者: 孙一 | 标签: 精准农业

编者按:随着农业经营越来越复杂,各种影响因素又相互交织,所以农业需要更尖端的技术来实现精准高效。所谓精准农业是当今世界农业发展的新潮流,是由信息技术支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统,其基本涵义是根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入。各大农化企业巨头纷纷出手涉足该领域,如2013年年底,陶氏益农,巴斯夫,杜邦先锋分别与John Deere签署了数据分享协议。孟山都以9.3亿美元的高价收购了Climate 公司。同时,六大农化巨头还积极开发出一系列尖端的在线信息服务技术及一系列高级农艺应用APPs,为种植者提供因地制宜的作物解决方案。《外交事务》刊出《精准农业革命》一文全景绘出精准农业。


基因农业网(孙一)编译:数千年的农业是一种小规模的生产活动,农民只需要为自家种植的作物创造一个良好的微环境,并给施肥来促进作物的生长。但随着科学的发展和农业机械的引入,农民不断扩大种植面积,开始了集约化的种植方式——年复一年的耕种,施生态肥料,轮作——不断提高农业产量。随着时间的推移,农民掌握了越来越有效的方式来改良土地,从而保护作物不被害虫侵害,最终农业机械的使用也解放了农民的劳动。从19世纪以来,科学家研制出了化学杀虫剂,并且开始将当时发现的基因规律用于高产作物的选择上。虽然从总体上来看这些方式提高了农业产量,但也使土壤的质量不断下降。尽管如此,农业产量依然提高到了前所未有的高度:自19世纪至今,某些农产品的产量甚至翻了十倍之多。

美国伊利诺伊州一农场的红色冬麦秧苗。2013年,6月16日。

如今,这种越来越趋同的农业生产方式开始出现了反转,而这种现象的出现主要是由于“精准农业”的出现,农民现在能够精确采集农田中的各种数据,并且根据采集到的信息为每平方米的作物定制不同的培育计划。

效果之一是作物的产量:精确农业让农民最大化利用每一颗种子的价值。联合国预计全球人口数量在2050年将会达到96亿,精确农业将有助于满足更多人口对粮食的需求。由于产生农业肥料少,能源利用降低,精确农业还有望减小农业种植对环境带来的负面影响。精确农业的不仅仅能提高对如小麦和玉米等的产量,还能够为人工监控管理葡萄园、牲畜的森林的方式带来革命性的转变。未来,农民或许可以完全依靠机器人来对每一株作物进行评估,施肥和灌溉——这正是从农业产生之初一直困扰着农民的问题。

精耕细作

美国政府在1983年宣布开放全球定位系统(GPS,由美国研发的卫星定位系统)为精确农业的发展奠定了基础。不久之后,一些公司开始研发“变量投入技术”(VRT),这就使农民能够在同一片耕地中的不同区域施撒不等量的肥料。通过对土壤酸度,磷钾等元素含量进行检测和绘图后,农民可以因地制宜的计划化肥使用量。在大多数地区,即便是在今天,依然需要人工进行土地测评,个体农民或者是雇工在指定的地点收集土地样品,将采集的样本放入袋中并送到检测机构进行分析。之后农学家会根据不同样本的化验结果对不同位置的土地制定不同的施肥计划,为促进作物更好生长绘制出一个施肥地图。最后,与全球定位系统相联的肥料施撒机会给不同区域喷洒不同的肥料。

大部分农用企业都会提供一种变量投入技术的服务,但美国农业部给出的数据显示虽然美国多年以来在农业补贴和农业教育上投入的资金巨大,全美玉米种植总面积只有不到20%运用了这项技术。目前,经济成本是主要的限制因素。因为人工土壤检测十分昂贵,采用这项技术的个体农民和农业综合企业一般会更加分散地取样。举例来说,美国更多的农民每2.5亩地仅取一次样;而在巴西,农民每12.5亩地取一次样。问题的关键是,即便是在一亩地中,土地的状况也可能有很大的差异,农业科学家也认为每亩要进行若干次取样才能够检测出这种差异。也就是说,进行土地取样的成本过高,农民可能对一些区域置之不理,也有可能对某些农田过度施撒肥料和其他农药。
2009年,9月,柏林城外一处玉米和汉麻地中的修建出的迷宫造型。

研究人员开始着手解决这一问题,研制出廉价的传感器,从而能够使密集取样成为可能。例如,有一种新的酸度传感器,可以每隔几英尺就在土壤中插入一个电极,这样就可以记录一个读数并且与GPS定位系统的位置坐标相关联。如果进行如此密集的人工取样将会十分昂贵。但这种传感器目前还没有大范围推广,有一些甚至仍在试验阶段,在测量过几亩农田之后就无法继续使用了,还有一些的测量结果不够准确。世界上许多研究机构都在研发更加精确可靠耐用的传感装置。

更为实用的一种传感器能够通过作物的颜色识别作物需要的营养成分。例如,缺氮的作物颜色会偏浅绿或有黄叶,氮素充足的叶子则呈深绿色。有多个美国和欧洲的公司都已经开发出了能够检测作物绿色的传感器,能够生成各种数据信息,据此可以生成一个显示施氮肥量的地图,这些数据也可以直接与氮肥施撒装置连接,这样就可以在化肥施撒过程中不断调节用量了。拖拉机可以在前端配置一个传感器,在后方装一个施撒化肥的装置;传感器进行测量之后将数据传给施撒设备,就可以根据不同需求施撒不同量的农药了。相关领域的研究大多集中在小颗粒的农作物上,如小麦,大麦,燕麦,和黑麦,因此这种技术的使用仅仅局限在种植这些作物的美国和欧洲地区。据美国普渡大学2013年调查显示,只有7%的化肥施撒设备上安装有作物颜色传感装置。在这一领域的新兴技术公司有很多,很显然有很多投资者预感到这一领域有很大的潜力。

庄稼和收成

政府建立全球定位系统的决定也激发了另一项具有革命性的技术的产生:产量监测。美国和欧洲大部分的收割机都配备有特殊的传感装置,用以测量所收粮食的流动速率。每种作物都对应一种不同的算法,这样可以把检测到的结果直接转化成常用的体积或重量单位,如蒲式耳/英亩或是千克/公顷。这些信息最终会自动生成一个有各种颜色显示农田中产量差异的分布图。

美国政府在1983年宣布开放全球定位系统(GPS),为精准农业的发展奠定了基础。全球定位系统是由美国军方研发的民用卫星定位系统。
凯文·拉马克/路透社 2014年2月14日,美国总统奥巴马在参观美国加州一个农场时发表讲话。

这一收成分布地图成了农业杂志和贸易展销会的一大特色,这其中也有许多原因:这一技术能帮助农民检测不同的耕作手法,天气条件,土壤类对于作物的影响。绘制这样一副地图可以帮助政府收集作物收成的数据,从而检验转基因技术和不同耕作方式的有效性,同时也能看出哪部分的土地没能实现最大化的利用。在美国东部,农民只能通过作物收割监测装置让农场主们相信洪灾带来的损害不仅仅局限于被淹没了的庄稼,周围的土地也会受到影响。因此,农民们将设置更多的地下排水装置。在阿根廷,这种技术已经获得了成功,大部分的农场主与美国不同,几乎不会自己驾驶农业机械(受到他们特殊的农场主历史影响)。对他们来说,收成地图提供了用其他方法无法监测的产量。

说道这些数据的准确性,收割监测技术还有很长的一段路要走。大多数情况下,对于将流量转化成重量或体积的算法,每年一定要根据每种作物和每个农场做不同的校准,但很多农民都不会这样去做。收割机运转速度的快慢和一些其他因素对监测装置也会产生一定的影响。虽然可以对收集到的数据进行严格计算,农场和农业企业通常情况下都没有必要的数据处理能力和相应的专业软件。收割监测的下一步就是要让不同的农业企业掌握现在研究者使用的数据处理方法;他们的研究发现将会涉及到数以百万亩的农田,因此付出一些代价也就是值得的了。

直线耕种

精准农业技术最普遍的应用是用GPS系统为收割机进行导航。如果用人工进行导航就需要具有充分经验的操作者并且很容易产生疲劳。但即便是最好的驾驶员为了不落下某些地方,也会有近百分之十的重复收割作业。九十年代末期引入了LED灯,LED灯安装在拖拉机,收割机或者任何车辆的前端一个一英尺长的塑料罩子中。如果中间的LED亮起来了,这就说明机器在正确的路线上行驶,如果左边或是右边的灯亮起来了,那就说明司机需要重新调整方向了。

在未来的某一天,农场中可能都是小型自动机器人。会有越来越多的农民迈出这一步,用与GPS数据相连接的导航系统来辨别方向从而淘汰传统的LED灯。虽然仍然需要有人操作收割机,但大部分情况下并不需要人来亲自驾驶。这种技术最早于九十年代在澳洲获得推广,当地的粘土土质优良,土地每年没有上冻和解冻的过程——土地受到农业机械碾压的伤害也就大大减小。澳洲的农场运用自动定位系统,收割机在十分窄小的路线上行驶,避免所有的土壤被碾压后变得板结。如今,美国大约40%的化肥和其他农药都是通过自动导航喷洒的。这一技术汗会带来许多相关领域的发展,其中一项就是对拖拉机线路的跟踪系统,在经过耕作完毕或喷洒完成或土质较为敏感的区域时,自动关闭播种和试剂喷洒的功能。这种技术对于形状不规则的农田尤为有效,因为这种农田很容有出现重复播种和重复施肥打药的问题。

地理空间数据不仅仅是用于在耕种时走直线,数十年以来,美国国家航空和宇航局和其他国家的一些相关机构都在鼓励农民运用他们的卫星图像。有了空中摄影技术,这些图像就组成了“地理信息系统”的基本形制,农民借此就可以存储和分析这些空间图像。这种技术在许多地区都十分有效,因为多年收集的数据都可以查到,农民可以根据这些数据将大面积的农田分割成不同部分,种植不同作物,施撒不同化肥和杀虫剂。

一些农场主甚至会运用GPS技术来监控在农田中工作的员工们。在前苏联国家,特别是在乌克兰,这种做法尤其普遍。因为当地的大型农场(许多面积都在十万英亩以上)都需要聘请农工进行劳作,农场主们大多无法自己打理整个农场。农场主们会用这种定位科技来实时观察这些雇工们的操作。例如,如果一个拖拉机停下超过一定时间,那么监管人员就会发现,并可以及时与相关人员进行联系询问具体情况。如果雇员在自己的农场中用了公司的农机,那么农场主一样可以通过跟踪技术发现这一情况。

丰收之梦

精准农业已经把最古老的传感器变成了十分高科技的一种装置了,但最好的永远还在后头。下一步就要引入“大数据”了。农民和农业企业越来越多考虑如何把收集到的农田数据真正用于提高种植效益,实现农耕的可持续发展。举例来说,在2013年,美国农产品公司巨头孟山都收购了由两名前Google员工创立的气候公司(Climate Corporation),这家公司运用收集到的天气和土壤信息为农民制定投保计划,并且能根据土壤状况为农民提供最佳种植建议。大数据还有另外一个显而易见的作用,那就是指导农业机械的使用。举例来说,当播种玉米种子时,拖拉机并不一定匀速:如果太慢,那么就会有效率低下的问题,但是行驶太快又会造成播种不均匀的现象出现,会影响收成。在收集了播种机不同速度下播种以及收获的数据之后,再综合其他因素,农民就可以设置播种机运行的最佳速度了。

为了运用大数据的力量,很多公司可能会收集不同农场的数据池信息。在美国和欧洲,独立的农民很难收集到大量的数据,即使在拉美和前苏联国家的大型农场中,都会从与临近农场的数据集合中获益。目前的问题是,农民收集数据的积极性不高。在美国,一些新兴公司尝试向农场主们买进数据,但收效甚微。目前来看,农业机械生产商和农业合作机构有能力收集大部分的数据,但即便如此,他们获得的数据仍是一小部分而已。

大数据中的一部分来自于无人机收集到的数据。随着美国已经大部分撤出阿富汗和伊拉克,一些军事装备生产商已经把他们的注意力转向了农业市场。这一举动可能是十分明智的:小型无人驾驶飞机能定期拍下作物的图像,从而指导灌溉,杀虫剂喷洒和收割。与卫星系统不同,无人机不会受到云层的影响。考虑到操作这些无人需要的开销和相关的经验,最开始只有附加值较高的作物会用到商用无人机,比如用作酿酒的葡萄。在美国,联邦航空管理局将首次批准商用无人机的使用。

真正能够改变农业发展的是机器人技术。越来越多的GPS导航应用让更多的自动机械运用成为可能。目前许多大的供应商已经对无人驾驶拖拉机进行试验。一旦农业机械不再需要人工操作,农业设备的设计标准将会发生翻天覆地的改变:农业机械的体积将大大减小,可以想象在未来,农场里会分布着许多小型机器人,他们会分工完成从播种到收割等一系列环节。机器人能够不断对农田进行监测,能够尽可能早的发现病虫害。它们能够很小量的施撒农药,准确定位特定的害虫或是病秧。它们能够有效操控小型和形状不规则的农田。比如美国东部一些农田,如果用人类操作的传统农机进行耕作,那么很难获得利润。在美国,机器人的应用减少了雇佣墨西哥农民的数量,由此甚至会进一步影响美国的农
业政策。
一头牛和一个玩具无人机。

说到新兴科技,是很难将不同的技术分出高下的。但20世纪农业耕种的历史让我们看到了农业发展的未来景象。二十世纪普遍采用的农业科技都有一个共同的特征,那就是“包含的知识”,这就意味着科技发展就包含在其中。农民不需要知道杀虫剂是如何将害虫杀死的,也无需明白柴油拖拉机是如何运作的:他们只要知道如何喷洒农药如何驾驶拖拉机就足够了。

同样,精准农业工具只有在应用上实现简便化之后才会最终获得广泛推广。这就是GPS导航系统如今如此普遍的原因:用户们根本不需要明白这个系统是如何运作就能轻松使用。举例来说,对于变量投入技术,如果农民只需要按一个按钮而无需其他复杂的操作,最终精准农业就能够将人工完全解放出来。一旦能够实现解放人的劳动,那么未来将会增加的将不仅仅是产量,农业历史也将出现一个重大的转变:农耕无农夫。

《外交》杂志由美国著名的智库——“外交关系委员会”主办,是美国国际事务及外交政策研究领域最权威、影响力最大的学术杂志之一。该杂志于1922年开始出版。原文链接:https://www.foreignaffairs.com/articles/united-states/2015-04-20/precision-agriculture-revolution

来源:基因农业网

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