藏粮于技,“二十连丰”中的智慧农业

日期: 2024-03-06 作者:李菲 来源:光明日报

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江苏南通通州区十总镇的圆宏万嘉智慧农场,技术员给番茄苗“盘头”。新华社发

 

江西省樟树市义成镇乌塘村村民驾驶农机翻整田地,为播种做准备。新华社发

 “江苏徐州总产连续五年超100亿斤!”“安徽阜阳粮食总产量537.2万吨!”近期,全国多地粮食生产迎来“二十连丰”。 

 过去,“看天、看地、看庄稼”,耕种管收全凭农作经验,新手种田超不过“老把式”;如今,农业稳增稳产靠的是“藏粮于技”,智慧农业让科学种田从梦想照进现实。 

粮食安全乃“国之大者”,仓廪殷实是国家之福、百姓之盼。随着作物生产方案精确设计技术、生长指标精确诊断技术、产量品质动态预测技术、农田管理变量作业技术等核心技术的成功研发,农田精确作业智能装备的示范应用,农田高产优产喜讯不断。智慧农业赋能国家粮食安全,正在农田沃野上绘就一幅雄浑壮美的丰收图景。 

农田监测,大田环境也有“明眸慧眼” 

风光旖旎的东庐山脚下,坐落着江苏南京国家农业高新技术产业示范区。

“我们利用遥感和GIS技术给每块田编号,通过录入气象资料、土壤特性、品种特征、种植管理、历史产量等信息,田地就有了‘身份证’,实现‘一地一码’管理”。南京农业大学国家信息农业工程技术中心高级实验师邱小雷说。

走进技术展厅,大屏幕上不仅实时展示着200公里外江苏兴化现代农业产业园的空气温湿度、风速、降水量、气压、土壤温湿度及土壤肥力等信息,还提供实时感知获得的作物长势信息。

“这些数据为作物种植管理提供了科学依据。”邱小雷说,他们按照地块管理作物、土壤、气象等多维度实时和历史基础信息,并通过多模型耦合,设计当前地块的精确管理“处方”,预测可能的作物产量与品质,在智慧农作管理云平台上实现种肥水药收全流程数字化管理。

智慧农业,收集农田属性数据、构建基础数据库是首要任务。南京农业大学智慧农业研究院院长曹卫星教授说,“智慧农作技术体系要实现‘五个一’目标,即基础数据一个库、农田监测一张网、农作处方一套图、农田作业一条链、智慧服务一片云。”

在位于江苏南京国家农业高新技术产业示范区内的南京农业大学白马教学科研基地,开阔平整的田垄边缘矗立着一排整齐的“长臂”。每只“长臂”经由两次90度转弯,伸出一条朝向地面作物的“小手臂”,其末段小小的黑盒子格外引人注意。

“可别小看它!数据离不开它的智慧监测。”南京神农智慧农业研究院院长汤亮教授说,作物—大气—土壤信息无线采集终端的传感器能有效采集各项特征数据。“有了它,农民不用跑到田间地头,在家就能知道作物长得好不好!”汤亮说,以传感器为内核做成的作物长势监测仪可以固定在田间,也可以搭载到无人机、无人车上,连上农田物联网,数据就传到了智慧农作平台。

“除了小田地,农业科技园、大型农场以及全省主要农作物的长势情况,都需要智能化、高精度的农情感知技术。因此,近20年来我们重点围绕农情遥感监测关键技术进行攻关。”南京农业大学国家信息农业工程技术中心教授姚霞介绍。

“过去,人们逐个田块或逐个品种(种质资源)手工获取农情信息,准确率和效率都不高;现在,通过光谱和点云等手段进行农情监测,可以快速高效地获取田地里成百上千种农作物的形态结构、生理生化、抗逆性和生产力等重要农情参数。”姚霞说,“就像给人做B超或者CT,通过光谱和点云等感知手段,快速、非破坏性地获取农作物的长势和表型信息,为变量施肥、节水灌溉、病虫草害防治、规模化育种等提供实时、准确、高通量的信息支撑。”

“智慧农业要想走入寻常农户还必须大大降低成本。目前传感器、巡田机器人和无人机在人力、物力上均价格不菲。而卫星遥感则经济实惠得多,最新的亚米级国产商业卫星数据只需平均每亩1角钱的成本。通过‘天空之眼’,可以轻松低廉地回溯每块田的历史,通过所建立的智能分析模型,精确诊断当前作物的长势,定量预测未来的产量和品质等。”南京农业大学国家信息农业工程技术中心教授江冲亚告诉记者,卫星遥感大数据可以“智慧绘制”每块田的昨天、今天和明天。

模型设计,“智慧”解锁丰收“粮”方 

农民想丰收,田地要种足、作物得种好。“但作物受到气候、土壤、技术、品种等影响,时空变异性很大。限制当地作物高产稳产的主要因素是什么?适合当地高产稳产的适宜栽培管理方案是什么?作物模型作为智慧农作的‘大脑’,能回答好上述问题。”南京农业大学国家信息农业工程技术中心教授刘蕾蕾说。

“过去,农民根据经验判断作物的播栽期、施肥量、灌溉量等。现在,把气象、土壤等数据及作物品种的遗传特性等数据输入到作物模型中,就可以预测作物的生育进程、长势和产量品质情况,帮助农民筛选适宜种植的品种,推荐适宜的播栽期,因时因地制宜地为作物制定‘营养膳食菜单’等。”刘蕾蕾介绍道。

粮食生产规模扩大,田块面积变化,如何留住好“丰”景?“我们将作物模型与地理信息系统、遥感相耦合,就可以实现从点到面、从小田块到大区域的模拟决策。”刘蕾蕾说。

近年来,全球气候变化给农业生产带来挑战。“人冷了穿衣服、热了吹空调,但是作物不行。当出现极端高、低温事件时,作物自身的温度响应机制被抑制,生长发育受到影响,最终将影响产量和品质。”刘蕾蕾说,目前国际上常用的作物模型对极端气候的响应存在较大不确定性,模型在极端气候条件下的预测能力有待进一步提升,南京农业大学国家信息农业工程技术中心近年来取得了丰硕成果。刘蕾蕾说,“作物生长模型结合未来气象数据,可预测未来30年甚至50年的粮食生产情况。”基于模型提前预知作物对未来气候的响应,就可以通过调整播栽方案、优化水肥运筹、培育新品种等方法,缓解未来气候变化对粮食生产带来的负面影响。

随着科技发展,人们生活方式的转变,智慧种田也更加便利。“传统种田靠经验、看天吃饭,现在智慧种田,只需打开手机小程序,在地图上点一点自家的田块,就知道适合种什么作物。”江苏省信息农业重点实验室副主任刘小军教授展示了团队开发的移动端小程序“农田眼”。

“这相当于把一个移动的智能化栽培专家送到了种植户身边!”刘小军说,用户在小程序上输入交互数据就可以得到精确的作物管理决策方案。

“作物长得太旺,就说明营养太多,得‘减减肥’;要是长得又弱又小,就要施肥或灌水。”刘小军举例道,“比如追肥主要在作物拔节、孕穗等关键生育期,要是后期过量施肥,容易带来作物贪青迟熟、倒伏风险加剧等不利影响。”

据了解,近年来,他们研发的“小麦绿色智慧施肥技术”“水稻无人机智慧施肥技术”分别入选农业农村部农业主推技术,“水稻全程绿色智慧施肥技术”入选2023年农业重大引领性技术。

精确作业,农机装备有了“智慧大脑” 

耕种管收一条链,机械化的农机设备如何学“慧”种田?

“小麦、水稻是老百姓的口粮,通过智慧农业来播种、移栽、施肥、灌水、喷药、收获,单位面积的粮食产量更高、质量更好。”汤亮告诉记者,“智慧大脑”在作物生长的每个重要时间节点都施展着“聪明才智”,“智慧之手”在耕、种、管、收全流程实现农田管理精确化作业,保障着作物产量、实现了颗粒归仓。

面向农业生产中播栽、施肥、灌溉、喷药、收获的各个环节,南京农业大学智慧农业团队与农机企业合作,研制了一批智能化、精确化的农田作业装备,让科技惠之于农、用之于农。

“传统的农机装备不具备变量作业功能,现在智慧农业需要实现基于空间差异的自动变量。”汤亮表示,农田作业装备的智能化需要对现有农机装备进行升级改造,在传统农机装备的基础上增加数字化、智能化的功能。

走进智慧农场的车库,精确播种机、精确施肥机、智能除草机,智能无人机、智能收割机等一应俱全。记者发现,这些有了“智慧”加持的农机设备造型独特——有的是方向盘下一根粗线连上车载小屏幕,有的车上多了双翼,末段还有“小眼睛”。

“过去的农机大多采用定制化底盘,通用性差、结果不准,难以大面积推广;现在是在通用轮式底盘的基础上设计可自动调节的传感器搭载平台,融合多源传感器数据,一亩地几分钟就能完成作业,又快又好!”汤亮感慨道,如今田间巡检机器人不仅“身手矫捷”,而且传感器的感知范围、设备的通用性、监测结果的准确性等都有了大大的提高。

“以前收割作业的智能化水平低,现在嵌入了可以监测作物产量和品质的传感器,农民在收割时就知道谷物的产量水平和品质等级。”据汤亮介绍,这些尺寸小、便于携带的谷物产量品质传感器,既可用于田间地头谷物籽粒品质的直接检测,也可以搭载在收获机上实现谷物品质的实时在线检测。

车库的大液晶屏上显示着拖拉机、插秧机、收割机的数量,它们执行作业的航向、速度、时长、面积等信息也一目了然。

“冬天农闲,它们就在车库保养‘待命’;农忙时需要大量人力,而农机手费用高、人也难找,这时只需在智慧农作管理云平台上点点鼠标,它们就能根据指令出库行动。”汤亮说。

“从天空地立体化农田监测,到农作处方数字化设计,再到农田管理精确化作业,三大技术板块衔接构成一条完整的技术链条,为智慧农业提供了全流程管理以及相应的解决方案。”曹卫星介绍道。

“智慧农业的技术创新与工程实践,为现代作物生产提供了关键技术支持和全方位数字化服务,开辟了我国作物精确栽培新领域,促进了农业生产管理的定量化和智能化发展,提升了农作系统的综合生产力和核心竞争力。”南京农业大学副校长朱艳说。

这里只是中国农业的一个缩影,智慧农业正在广袤的土地上大显身手。“智慧农业是加快实现我国农业科技自立自强的重要支撑。”曹卫星说,“要以国家战略需求为导向,面向农业农村的实际应用场景,创新关键技术,创制核心装备,创建应用模式,推动农业科教产融合,助推传统农业向智慧化、绿色化、规模化转型升级,真正实现‘顶天立地’!”