所谓精细农业,就是要因地制宜地提升农业资源的利用效率。利用现代技术,人们可以基于区域地理,精确地搜集和整合环境状况和土壤养分等方面的信息。这些信息将有助于农民作出更加精明的决策,从而达到节省资源和防止养分沥滤损失的目的。考虑到我们需要用一种可持续的方式为不断增长的世界人口提供粮食,精细农业必然要在未来的农业生产中扮演重要的角色。同时,这也为农业自动化的进一步发展提供了机遇。

全球的农业生产每年需要消耗将近2亿吨的化学肥料,其中磷元素的作用非常重要。尽管磷元素在地壳表面的含量很丰富,但是到目前为止,磷元素获取的主要途径还是依靠磷酸矿的开采。也就是说,当今的农业生产在很大程度上还是依赖磷矿这种有限资源的开采。不少分析人士认为,可开采磷矿在未来会成为一种稀缺商品,并成为农业发展的制约因素。同时,未来我们还必须提升现有耕地的产量,来生产更多的粮食。

因此,节约肥料,把它们用在真正需要的地方就变得尤为重要。此外,节约肥料还有一个目的,就是避免过度施肥可能导致的河流和海洋富营养化。同理,在农业生产中也不应该过度使用杀虫剂,除草剂,甚至是淡水——这种在很多地方已经非常稀缺的资源。

适应微观情况

问题在于,同一块耕作区域有可能包含有许多完全不同的微观情况。在现代农业中,这一问题尤其突出,因为耕作活动涉及区域面积往往很大。按照传统的做法,整个种植区域的施肥方式都是一样的,并不会考虑局部差异和可能存在的微观情况。

精细农业是一个整合的概念,它包含了若干的技术和方法。但它们有一个共同理念,那就是根据不同时间、不同地点的不同需求适当调整耕作措施。肥料、农药、灌溉用水以及其他资源都将被合理地使用在真正需要的地方,而不是均匀地被散布到整个种植区域。这样做将产生更高质高量的收成,减少养分沥滤损失,提升资源的利用率。

地理信息系统(GIS)

通过长期实地收集和记录农作物、土质和其他相关环境的数据及其变化情况,相关参数可以得到调整。例如,数据可以通过航拍照片、卫星地图或传感器等方式获得。如果将测量所得的数据与地理信息系统结合使用,就能在地图上更直观地对数据进行分析。

人们可以按照一定的距离,将一些传感器有规律地安放在地面以下,形成一个固定的监测网络,它们能够通过无线电波将测量到的物理和化学数据持续不断地传输到一台中央计算机上。还有一些类型的传感器可以被安装到农用机械上,能够收集它们所接触到的农作物的数据。例如,人们可以通过传感器观察农作物的颜色来判断其养分需求情况,并据此来调节那一局部区域的营养状况。还有一些传感器可以感测到真菌的存在,控制农作物的生长速度。土壤里的传感器可以测量到湿度、温度和光照等的数值。

连续对农作物进行航拍或抓取卫星图像,还能收获更多的信息。远程的传感器可以测量不同波长的光波,从而研判农作物和土壤的状况。通过光谱分析,可以测量到包括湿度、表面温度、光合活性在内的各项数值,甚至能监测到害虫的存在。基于这些测量结果,人们除了可以判断资源是否发挥了最大的作用,还能进行收成预测等等。如果这些信息能跟当地的天气预报结合,将使预测数据更加精准。

同样的分析行为也可以运用于更大规模的范围,例如洲际或者是全球性的分析。一个典型的例子就是非洲的「丰收之选行动」(Harvest Choice)。该项目收集了非洲大陆农作物生长条件的相关信息,并显示在地图上,为当地农民的农业生产提供决策参考。

智能农业机械集群

很多地方都已经出现了用于收割和播种的智能拖拉机。这种拖拉机是一种装备了GPS定位系统和传感器技术的农用机械,能够在穿梭于农田的同时,不断利用地理信息系统调整耕作措施。

与传统的机械比起来,他们工作起来更加独立和自动化,这也意味着机器人技术开始向农业机械化领域进军。而未来,这一进程可能还将取得一次巨大的进展:目前大型的、人工操作的机器将被一群小型的全自动机器人所取代,他们将被部署在农田里,根据各自的分工展开合作。他们可能会使用太阳能驱动,尺寸小到可以在两排农作物中间穿过,造价低廉,操作简单。然而,他们却能依靠地理信息系统进行互动和沟通。

由传感器装置航拍的照片显示美国亚利桑那州种植园的植被密度、土壤湿度和光合活性。(美国航空航天局NASA)

普洛斯彼罗(Prospero)就是这种机器人的原型产品之一,它目前已经可以下地干活了。可以想见,它和它的同伴们终将熟练掌握农业种植的每一个工序。用轻型机器人替换重型农机带来的一个直接好处是缓解土壤压缩,减少地表扰动。这能有效遏制土壤流失,降低翻耕需求,同时通过减少对虫子和微生物的影响,提升土壤品质。

大力提高农业生产中化学制品使用的精细程度,能同时给环境、农民和消费者带来好处。这样做,既能降低农民的生产成本,又能提高收成,优化资源的使用方式。人们针对这一目标,沿着不同途径进行着努力,目前已经取得了不少进展,无论是从宏观的角度还是针对单个的农场。不管可持续农业的未来看上去将是怎样的一番景象,它必然离不开这一新技术所带来的更加精细化、定制化的耕作理念。

如果您想了解更多关于精细农业的信息,请阅读「农业机械利用卫星监控创造环境效益」一文。

本文于2013年12月发布