9．4 精准农业实例

摩西农场（Macy Farm, Indiana, USA）是美国印地安那州温尼（Wayne）县的一个生产粮食的农场，位于该州首府印地安那波利斯市东部大约50 mile（英里，1 mile＝1609.34m）的地方。该农场管理着900 acre（英亩）①具有长期租赁合同的土地，而短期租赁的土地变化在100～1100acre之间，这一数量经常变化。在1991年，该农场经营着1100多英亩的玉米和900 acre的大豆。而在1991年之前该农场经营的土地从未超过1500英亩。由于农业投入的长期回报性，在这种情况下，不可能准备大量设备和雇佣很多长期工，所以摩西农场强烈需求高效地管理、种植和收获农作物，而精准农业正好能够满足这一要求。

    从80年代早期，摩西农场就开始采用空间异质性（即精准农业）的思路。为了把这些想法付诸实施，他们不断努力，建立了相关的信息库。直到自动化技术发展到一定水平之后，由管理空间异质性而带来的生产高效性才得以实现。自从80年代中期以来，农场就从常规的自动控制管理中受益，但直到1990年才实施精准农业技术，根据土地的异质性自动控制施用氨肥。从1991年开始，精准农业技术全面地应用于农场管理的各个方面。下面着重介绍一下摩西农场的管理思路、精准农业技术的具体实施和简要地分析一下摩西农场运行效益等情况。

9．4．1 精准农业的设计思路

    摩西农场在精准农业的实施思路上主要采用了两种信息源。其一是美国农业部（USDA）的土壤调查图，这些图件为制定农场土地内各地块的预期目标产量提供基本信息，如土壤质地、有机质等。另一信息来自于对摩西农场按网格布点方法测定的土壤肥力。每4年在2.5 acre的网格上取一次样，这种取样方法在土壤测定时不考虑土壤类型。

    利用上述两种信息，形成了对以下操作的对策：

（1）基肥。按与所测试土壤肥力成反比的原则，对各地块土壤施加底肥，其中对肥力很高或非常高的部分则不施底肥，在考虑施底肥时把磷的检测肥力的权重定为钾肥的2倍。

（2）全营养肥。根据土壤类型与网格法土壤样品测量结果的组合配比的需要来施加全营养肥。对于每一种组合，综合考虑已有的肥力水平、土壤类型、预期目标产量等，制定出施肥方案。这些施肥方案的生成参考了大学和专门机构的农学专家制定的专用表。

（3）氮肥。根据每种土壤类型的预期目标产量施用氮肥，根据基肥和全营养肥的量来调整氮肥的施用量；上一种植期作物对土壤氮素的贡献也用来调整氮肥用量。如果可能，采用上一种植期的作物产量分布图。

（4）种子用量。根据土壤类型和不同的预期目标产量，来确定种子用量。

（5）农用化学品（除草剂、杀虫剂等）的施用。根据土壤机械组成、有机质特征和杂草历史危害的记录，按照应用需要来确定化学品的施用量。在施用之后，记录每个点的施用量。这些信息可在以后制定农用化学品施用方案时使用。

9．4．2 精准农业的系统实现

    为了实现上述思想，摩西农场在产量管理软件的基础上建立了一套地理信息系统（GIS）。把美国农业部的土壤类型图输入，作为一个数据层，以提供目标产量、土壤质地、土壤有机质的特征。而网格法土壤测定的数据则输入为另外一个数据层，作为制定土壤施肥方案的重要信息。该GIS软件能够把上述两个图层重叠，形成目标产量和土壤肥力状况的各种可能的组合。对形成的每一个小区，利用农学专家的表格形成有针对性的施肥与农业管理方案。该软件还能够根据不同精准农业机械制定配方实施文件。形成的这些文件可以是矢量的，也可以是栅格的，这要取决于所用精准农业机械的种类。

（一）耕地的管理配方方案

    下面就以形成一块耕地的管理配方方案来说明是如何实现这些思想的。图9-3是这块土地的土壤类型图，这块地的西边是河，向东地势增高而土壤颜色变浅。这是摩西农场很典型的土地。表9-2列出了这块地中的土壤类型的记录。对于每一种土壤类型，给出了玉米（Zea mays L.）的预期目标产量、播种量、特征土壤有机质含量等。这些信息来自于美国农业部的资料和农业专家的咨询。

    图9-4表示的是这些耕地上钾的含量分布。每一个小方格约为2.5 acre，对土壤的酸碱度（pH）和含磷量也有类似的图件。

    有了土壤特性和肥力水平的信息，再进行以下几步的操作：

（1）根据每个小格内的钾和磷的肥力水平，制定出基肥的施肥方案。表9-3示意了针对不同组合的施肥方案。

（2）全营养素施肥参考由表9-4提供根据。表中有在一定肥力水平下、不同的预期目标产量的施肥方案。把土壤类型图与土壤肥力水平图叠加，形成一组新的综合了潜在产量和肥力水平的图斑单元（精准农业技术所要操作的地块），针对每个图斑制定施肥方案。这样，每一个图斑都有了目标产量和已有肥力水平的数据，但是这些数据必须用前面的基肥数据进行校正。

（3）氮肥的施肥方案也是根据土壤类型形成的（参考表9-2），但扣除了基肥和全营养素施肥中的氮素贡献以及上一农作物种植期中作物的氮素贡献。

（4）播种量也是根据土壤类型生成（表9-2）。

（5）农用化学品的放用量根据每种土壤类型对特定化学品的特性来决定。

    摩西农场的GIS软件在设计上能够实现以上步骤。在以后要将农作物产量作为一个新数据层加入，这一数据层能够反应土壤类型对应的预期目标产量的变化。这些变化可能会影响产量的一些针对立地的农业经营管理措施，如土壤排水等。其他数据层，如杂草危害情况、农用化学品的施用历史记录等，可以用作化学品施用量调整的依据。

（二）精准农业系统的硬件实现

    精准农业的硬件实现主要完成以下两个功能：对于不同施用量的土地单位标记和定位，对不同地块精准施用量的实现。在摩西农场是以电子设备自动控制实现的，这些设备包括实时定位系统、可实施不同物料预设的主控系统、常规的管理实施系统（作为精准农业系统不可用时的后备）。摩西农场具体的精准农业系统硬件包含以下部分：

（1）定位系统使用了全球定位系统（GPS）接收机和Loran接收机。两种设备都能以1～3s（秒）的频率传递数据，数据通信通过RS232协议实现。

（2）主控系统使用常规的带有彩色显示器的微机。该微机与定位系统连接，以实时地获取各种农用机械的位置。软件系统能够调入针对不同农业生产管理的实施预设，并把相应的实施量传输给对应的一个或几个控制器。进一步则是农用机械在控制指令下，实现精准农业操作。该软件系统具有图形显示，能够显示机械在耕地中的位置和当前条件下的各种控制操作。

    主控器采用多功能卡与雷达（测定车速和距离）、实时遥测装置（土壤有机质测定、产量监测器）、遥控操作开关等相连。

    对于每一个物料施用的预设方案，首先在农场的办公室里完成，然后再以文件的形式存储在软盘或内存卡上，进而转到主控器上。主控器从定位系统中获得农机的位置。根据位置，控制器获得每种物料的施用量。主控器再根据农机的车速和施用的宽度，把物料的施用量转化为物料的流速，并进而把物料的流速传给物料控制器，完成农用物料的精准施用。

9．4．3 精准农业的经济效益

    分析这一技术的经济效益时，必须要考虑下述4个方面：（i）设备与仪器的花费，（ii）投入的减少，（iii）产出的效益（或损失）和（iv）环境的代价。下面仅分析由于投入减少而给摩西农场带来的效益。

    表9-5显示了摩西农场1991年种植的2000 acre土地中每英亩所节省的花费。该表显示了仅由于采取的精准农业措施而带来的投入的减少，即1991年投入与前一年相比的变化。该表显示的是单位面积投入的变化，即总投入的减少量与面积的比值。