农业装备和数字化技术在农业生态转型中的作用

摘要：随着科技的发展，数字技术和农业装备为现代农业发展中的农业生态转型注入了新的活力，并成为农业转型的一项重要的组成部分。从农业生态转型的目标即提高经济效益、环境效益和社会效益出发，简要阐述了在现代数字化技术的驱动下农业生态转型下农业装备的创新领域，具体探讨了农业装备和数字技术在农业生态转型中的作用以及数字化农业机械对农业生态转型的障碍及应对措施，结合数字技术的发展对农业领域的作用进行了深度思考和趋势展望。

关键词：农业装备;数字化技术;农业生态转型;农业机械;现代农业

长期以来，农业是我国国民经济发展的基石。随着数字化技术的发展，农业生产领域也开始使用数字化技术，通过基础设备信息化和农业机械数字化提高了农业生产效率，大幅度地促进了农业经济的发展。在这种发展背景下，如何有效的将数字化技术应用到农业生态转型上，由依赖资源消耗的粗放型农业转变为可持续发展、产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业，成为当前农业研究者关注的重点。

1农业的生态化

1.1农业生态转型

人类农业经历过刀耕火种、传统小型农业和工业化农业形态之后， 正在进入一个农业的生态化阶段。在 20 世纪60 年代开始， 世界环境意识觉醒， 人们发现工业化农业大量消耗不可再生能源， 严重污染土壤和水体环境， 强化了温室效应， 农产品安全受到了威胁。因此， 人们不得不努力寻求农业的替代方式， 推动农业与资源环境相匹配， 与生态环境相适应， 实现可持续发展。这样一个农业发展方式的转换可以称为农业生态转型。在刀耕火种阶段和传统小型农业阶段，农业的目标是丰衣足食的社会效益， 在农业的工业化阶段， 农业的目标增加了经济效益，到了农业的生态转型阶段， 人类追求的农业目标拓展为经济效益、生态环境效益和社会效益。

1.2农业生态学

最近国际上农业生态学（Agroecology）发展迅速，并且联合国粮农组织也非常重视。农业生态学定义了一种新的模式来设计更环保、更有效地利用资源的农业系统。2013年，在巴黎的“农业生态学与研究”研讨会上，确定了农业生态学的3个主要作用，分别是生物多样性和功能多样性的支持和创造、农业和景观的一体化、在闭环系统中控制重要的生物化学物质。这一新的方法标志着农业生产方式的一个转折点，它建立在几十年来发展起来的实践基础上，如优化动植物生产中农业投入的效率、取代人工投入和限制污染物在环境中的流动。在巴黎会议上还强调了农业装备或农业机械在这一转型中的关键作用。

本文分析了农业设备与农业生态挑战之间出现的主要问题：数字化技术和农业机械如何在农业生态转型中发挥作用？应该开发哪些技术以及这些技术发展的障碍和所采取的措施是什么？

2实现农业生态转型的农业装备创新领域

从农业生态的目标——提高经济效益、环境效益和社会效益出发，可以确定为适应现代农业生态转型的农业装备在创新上的3个新领域，即提高效率、使用精准技术、开发专用农机和新做法，其中农业装备引进现代新技术成为关键创新点。

2.1提高效率

一般来说，提高农业装备的效率有助于减少：消耗矿物燃料、水和其他农业输入;对土壤的物理影响（压实、瓦解、侵蚀等）;在环境隔层（水、土壤、空气）污染物的排放。这些减量化是非常有益的，因为它减少了对环境的影响，同时提高了效率，从而提高了经济效益。

2.2使用精准技术

在“精准农业”、“精准畜牧业”中，农业装备自动调节对作物或动物的投入剂量以匹配作物或动物的需要。对异种物种的投入是根据每个个体（在一个小田间、一个动物群等范围内）的需要来调节的，而在具体操作时还要适应局部环境条件（土壤条件和深度、风力等等）。精准农业和精准畜牧业在一种“传感器——执行器”的闭环控制系统中使用新的数字化技术和通信技术，包括：从传感器、卫星数据或人工输入中进行信息观测;使用计算模型诊断农作物或动物的状况;使用基于知识的模型进行建议或决策;使用自动化的输入系统采取动作。

随着人工智能、物联网等新一代信息技术与农业生产的跨界融合，精准技术将成为合理利用生产资源、提高农产品产量、降低生产成本、改善农业生态的一种重要的现代农业生产技术。

2.3开发专用农机和新做法

专用的农业装备在提高农业系统的功能多样性和在闭环系统中有助于回收元素起着特别重要的作用。

2.3.1提高农业系统的功能多样性

可以通过引入另外的品种、混合物种或中间作物的其他物种来创造新的文化方式。此外，覆盖播种、覆膜播种或套种、农林复合（例如，在葡萄树、果树或谷物作物之间）和田间草带等做法也能够有助于多样化。延长轮作和使用中间作物要有适合的播种技术以适应地表植物种子并结合作物残留物管理土壤。景观设计也必须加以修改，必须特别关注田地边缘和农业生态基础设施（如篱笆、缓冲带或湿地生境等）的管理。所有这些新做法都需要特殊的农业装备。

2.3.2在闭环系统中使用生物化学物質

农业生态通过促进自然过程和加强农业的循环利用来关闭生物化学流动的循环。为了自然地使生物化学循环，土壤保护是必不可少的。必须特别关注耕作、播种和土壤养护作业的执行条件，以减少土壤压实的危害（由于重型机械或不适当的气胎装备）。有必要限制耕作的强度，以持续的土壤覆盖层为目标，改善水分的土壤渗透和储存。这些不同的做法需要保持地表覆盖物存在的土壤耕作工具，或者使用最小的耕种（条状耕种）工具播种到覆盖物里。为加强有机物的循环利用，废水和有机废物在堆肥或嫌氧细菌消化后用作土壤调节剂。为了限制气体排放，需要良好的粪肥管理，其中包括了粪坑覆盖、液态和固态分离以及随后的局部蔓延施肥。除了专门的农业机械之外，这种回收还需要在局部层面上综合管理生物材料的来源，并共享使用处理装备如嫌氧细菌消化器，以便尽量减少材料运输对环境和经济的影响。

3 数字化技术和农业机械对农业生态的作用

数字化技术和农业机械对农业生态的作用可分为4个方面，即数据采集和处理技术、精准技术、自主智能技术和新的耕种实践。

3.1数据采集和数据处理技术

3.1.1数据采集与传输

农业数据采集通常利用安装在不同目标上的传感器来实现，传感器可以安装在地面上或植物上，可以单独或以网络方式工作，还可以由农机制造商将其嵌入在如拖拉机等农业机械或无人机、飞机等飞行器中。这些传感器能够：实时或延迟记录某个生物体（植物、动物）状态或行为的数据;解析局部环境的特性，包括：物理的、化学的和生物的土壤特性，小块地段内的异种性，空间环境（农田边缘、邻接的小块地段、农业生态基础设施），时间环境（前期作物、中间作物、剩余作物等），畜群环境（在室外或在牲畜建筑物内的温度、空气流、气体浓度等）。这种记录和解析的目的是增加对环境的认识，以便提高对作物或动物行为的了解，并最终优化它们与环境的相互作用。用于农业数据采集的传感器种类比较广泛，例如土壤湿度传感器、PH传感器、植物形变传感器（检测植物水分）、提供动物健康数据的温度传感器以及各种光学传感器（如紫外可见相机、超光谱相机、红外传感器、近红外光谱仪、激光雷達等）。气象数据对预测模型也很重要，良好的气象预报信息将显著提高精准农业的附加值、利益和最终结果采用。因此，“对象互联”将成为农业标准的组成部分，例如将气象站与田间上的农业机械和传感器网络连接。采用智能手机可实现：捕捉操作的数据，为农民提供建议，识别莠草，测量颜色、形状、密度等特定数据，访问参考数据库。当没有传感器用于测量给定的变量（如虫病害）时，相关信息可以手工输入到作为网络终端的智能手机上，以一种格式化的、可用的形式传输到中心处理机进行处理，并将处理结果反馈给该终端或在网络上广播。智能手机的优点除了易于使用之外，更重要是能够将测量、地理定位、连接和显示等具有专门应用的各种功能集成在一起，因此通过智能手机收集在特定的农业区域共享的网络化的观测数据成为可能。

3.1.2数据处理获得的好处

由传感器采集或操作者输入所获得的数据通过传统的统计处理方法或人工智能方法（如“深度学习”）转化为文字提示、建议和指导，从而成为“智能数据”。与其他经济部门一样，农业领域的数据量也在不断增加，这就导致了所谓的“农业大数据”。农业大数据的特征有3个“V”：大量（Volume）、多样性（Variety）和迅速（Velocity）。多样性是农业数据最重要的特性，因为农业数据是非常多样化的、非标准化的，并且是从不同的一系列来源中派生出来的。信息量也很重要，例如表型数据或卫星图像，这需要设计新的数据挖掘方法。针对这些大量的数据，可以创建新的知识模型。国外一些AI公司为农民和农场开发了许多智能工具来提升农作物的健康状况并优化农场运营。

3.2精准技术

运用精准技术的好处是，人类的干预能够被限制于确保满足动植物的需要，例如根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，从而以最少的或最节省投入达到同等收益或更高的收益。

3.2.1农药喷洒

新型喷雾器是一种符合农业生态目标的智能型农业喷洒设备，药剂量可以根据叶片面积或体积（通过雷达、光学传感器或激光雷达测量）进行调节，并且能够选择性地瞄准受疾病影响的部位。这些喷雾器被设计成具有限制放任自流的功能，从而最大限度地提高对作物的投入效率，达到更高的收益。

3.2.2农家肥施用

有机废物（农家肥）是农作物肥料的一种来源，在农业生产中使用有机废物对于关闭生物化学循环是至关重要的，关闭生物化学循环是农业生态的核心目标。提高有机肥的施用质量是一项重大挑战，因为这些有机肥的形状（液体-固体）和化学成分差异很大。

3.2.3精准灌溉

管理良好的灌溉能够控制用水和能源消耗，从而提高收益。精准灌溉是基于一种能够估算植物需水量的新一代模型。根据传感器（如中子探头、电容式探头、遥感和监测装置）收集的数据提出建议，然后提供诊断和需水量估算。精密灌溉是通过控制枢轴旋转或滴灌系统进行的。

3.3自主智能技术

自主智能技术是将人的作用或人的认知模型引入到人工智能系统中，形成具有自主智能的机器。基于自主智能技术的设备不像基于传统技术的设备那样重和笨，具有较小的冲击力，在农业生态工具群中占有一席之地。

3.3.1机器人

机器人特别适合执行重复或危险的任务，它能够根据当地情况的变化调整动作。在国际上农业机器人目前主要有3个用途。

3.3.1.1机器人挤奶

挤奶机器人在国外发展迅速，例如在法国的布列塔尼地区45%的乳制品生产设施现在使用机器人挤奶。这种方法不但减轻了农民的工作压力，而且他们通过流量和质量传感器采集的有关动物健康和牛奶的信息，调节挤奶量和分析牛奶质量。

3.3.1.2自动喂养系统

根据动物的需要，移动喂养机器人全天候为动物准备和分发新鲜的饲料（青贮饲料，干草），不但促进了动物的食欲，而且提高了生产力。

3.3.1.3户外除草机

户外除草机自动寻找、识别莠草，然后局部使用除草剂或利用机械或热处理消灭莠草。目前国外已经开发了几十种用于机械除草的移动设备，主要用于蔬菜生产系统和葡萄园。

3.3.2辅助制导

在农业机械方面的辅助制导技术的应用已经导致了新技术的开发和旧技术的再进一步研究。制导是利用光学或激光式距离传感器实现的。例如，激光制导的锄草机（配备了各种各样的牙齿以适应作物的除草），被设计为在非常接近秧苗的位置除草，而不损害秧苗。未来，随着农林复合经营的不断发展，人们对自动制导的“控制交通农业”（Controlled Traffic Farming： CTF）机器的兴趣可能会越来越大。CTF机器有一个非常精确的轨道，避免了由于机械重复通过造成的土壤压实。

3.4支持新耕种实践的特定技术

为了促进作物中生物的相互作用，可以在更大范围内更新和采用常见的做法，例如多种作物关联，举例如下。

3.4.1用于连续的土壤覆盖层的新机械和装备

目前耕作所存在的不足是使用了既笨又重的农业机械装备，不但生产成本高，而且易破坏土壤结构。简单的保护土壤的耕种技术如保护覆盖物（塑料薄膜）和地被植物，限制了水分蒸发并且降低了作物之间的侵蚀风险。为了从这种覆盖物中获益，有必要在覆盖物内播种，确保种子与土壤紧密接触以加快生长。对于行作物来说，地理定位使交错播种成为可能。行交错播种加快了覆盖层发育，有利于作物的生长而不是杂草的生长。这些方法对农业机械的发展提出的特别挑战是，它们要求高效和精确地定位种子，以保证种植和生长。土壤结构也可以通过减少轮胎压力来保持，特别是在大轮胎的情况下，可以通过自动充气系统来调整压力以响应不同土壤的承载力，这既能限制土壤的压实，又能增强土壤附着力，使农民能够在多种天气条件下工作。

3.4.2混合种植及农林结合

不同作物混合或者作物与树木覆盖混合改善了生物多样性的管理，但这些新的实践和系统需要专门设计的机械装备。对于作物混合，如小麦/豌豆混合物，不同的物种同时收获，因此必须用带有光学分类器的机械进行分离。对于农林结合种植，需要机械装备来布置和维修树木覆盖而不损害农作物。例如，有一种新型农业装备这样管理树篱：自动收集修剪物，并将其制成颗粒或碎屑物。

3.4.3有效牲畜和闭环系统

为了有助于牲畜饲料不同階段生产——收割、干燥处理和空气调节（用于制作和打包青贮饲料或干草等），正在开发这种装备，以减少干燥处理时间和各种损耗、增加饲料的营养价值以及改善工作环境。农民们还寻求通过温度监测和气体清洁来提高畜棚的经济和环境效率。农场可以作为闭环系统进行管理，前提是牲畜与作物生产息息相关。在这种情况下，适合于循环农业的机械装备对于由甲烷生产和厩肥扩散导致的农业废水的有效管理是必不可少的。

4数字化农业机械对农业生态转型的制约及对策

4.1制约因素

目前的农业机械公司的规模小、研究能力有限，限制了农业机械向数字化方向发展的脚步;另外在农业机械设计人员之间以及在新型养殖和养殖系统设计人员之间缺乏交互和联合，使技术研究与实际使用相脱节。

主要的障碍可能在于农民的需求不足。因为数字化的农业机械是一个有利可图的市场，它们价格昂贵、投资成本高，农民负担不起。

由于新技术的复杂性，用户可能不会使用新技术。关于在农业机械中的数字技术的开发，需要做出重大的研究和开发工作，使这些技术适应农业机械的特殊要求，以支持农业生态转型。

4.2激励对策

可以采用4种主要手段来鼓励农民采用新的农业装备。

4.2.1促进用户参与农业装备的设计

“从做中学习”的方法邀请农民使用设备并在合作设计项目中提供反馈。必须建立农民网络以鼓励知识传递。例如，通过安装共享设备（如RTK传输塔）、开展对农业设备咨询渠道或者开展集体行动鼓励在更大范围内采用新设备，使网络化成为可能。在这方面，农业机械合作社和农业承包商发挥着重要作用。

4.2.2集体购置设备

对于昂贵的农业装备，一些解决方案是：在农民之间共享，外包农活服务，延长机械的使用寿命，实施税收优惠或制定监管框架，以支持农民获得数字化的农业机械。采用规模经济的大规模生产方式，是另一种利用公共激励措施鼓励企业削减成本、瞄准更广泛市场的方式。

4.2.3发挥财政杠杆作用

实施奖励措施，鼓励购买能够优化投放使用农药剂量的农业机械。例如，法国2014年9月为了鼓励环保行为，通过了《农业和森林的未来》法案，其中包括了证书（用以证明节约使用控制植物病害的产品）的试用周期，凡是获得这种杀虫剂节约证书的人就有资格获得一笔补助金。可以引入类似的针对其他投放（如氮的投放等）的激励措施。我国在2015 年起连续出台了一系列重大的政策措施全面推进农业的生态转型，例如2016 年人大提出了“中华人民共和国环境保护税法（草案）”和“关于构建绿色金融体系的指导意见”， 分别从税收和金融领域促进国民经济的生态转型。除了税收优惠外，将公共财政补贴直接用于农业生态的农业机械肯定是有道理的，这既能减少对环境的影响，又能支持新兴产业。

4.2.4培训

除了对一些技术复杂的农业装备需要在人体工程学方面进行进一步的创新以外，农民、农机零售商和农业顾问都必须接受使用新技术和新机械的培训。另外，关于信息和通信技术、新技术和农业机械的具体培训课程必须充分纳入农业院校的课程中，农业机械公司也要吸收从事电子、计算机科学、力学等专业的技术人才。

5发展趋势展望

5.1农业装备和数字化技术促进农业大团结

目前，数字技术通常被农民用于获取知识和信息，为实际农业问题提供即时解决方案。但是，在将来数字技术能够为团体农业（如农业社区）和价值链沿线内的新型关系提供机会。农业机械在共享使用的基础上，能够成为一种有利于集体技能发展的中介工具。更重要的是，数据收集和共享为农民提供机会发展自己的网络，并且会带来对农业更好的管理效果，

例如：通过共享关于植物病害、气象等信息，能够及早预防;通过在社区内共享关于一些做法、经验的信息，能够提高工作效率和收益。难以预料，随着集体知识的增加，共享数据可能会导致更好的合作模式。Metcalfe定律强调：“网络中用户越多，这个网络就越有价值”。在这种知识共享模式中，用于增加知识和信息共享的创造性应用还有待开发。

5.2数字化农业机械与农业生态密不可分

本文多处说明了农业机械和数字技术必须要视为农业生态转型的关键要素，这也打破了农业生态和数字技术不相容的观点（因为前者只基于“自然”过程，而后者只适合集约化农业）。数字化技术和农业机械与农业生态密不可分，因为越努力地使农业适应其环境，就越需要数据、观察和诊断，以便更好地了解作物需要。

6结语

农业装备和数字化技术为现代农业的农业生态转型起到了重要作用，也符合社会发展趋势。鉴于数字化农业机械对农业生态转型的有利支持，确定其在创新和采用中的制约因素和激励因素至关重要。数字技术和农业机械与农业生态密不可分，其应用必将引起更大的农业团结合作模式。未来将构建共享的农业生态实践和生态系统以及相关的数字化农业机械，这对于我们来说，应该在这个领域有所创造。

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