基于生态链的农业物联网可持续研究

程艳红

摘要：介绍了农业物联网的定义、特征及物联网生态群落的关系；分析了我国农业物联网发展现状及存在的资金、规模、设备等方面的问题；基于生态链视角提出了农业物联网可持续发展的模式。

关键词：农业；生态链；物联网

中图分类号：F303.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）18-4500-05

生态链条的循环发展迫切要求农业物联网走可持续发展道路，只有走可持续发展道路，我国农业生产才能持续健康发展。目前，在我国绝大多数农村里，农民在耕种庄稼时仍然主要是依靠自己以往积累的经验，或者顶多只是根据天气预报来决定哪天播种、哪天收割，然而自然环境总是在不断变化中，经验并不等于科学，天气预报也只是预报，而且人们的预估与自然之间往往存在着一定误差。在农业物联网中，由于各种传感器被大量应用到农业生产过程中，农作物也可以像一个会说话的大孩子一样自己“开口”说话。因此，发展农业物联网的首要意义就是农民可以根据显示的各种物理参数来采取相应的措施，不但大大减轻了农民的工作量，而且还提高了农民的工作效率。很多时候，由于不能准确获取植物对水、肥料等的需求量，因此无法掌握用水或者施肥等工作的“量”，往往会造成水资源的浪费以及施肥的过量。众所周知，水资源短缺在我国亦是一个很严重的问题，而农业又是第一大耗水行业，借助物联网技术高效、合理利用水资源的特性，对于可持续发展战略的实施具有非常重要的意义。同时物联网可以检测土壤中各种污染物（如铅、汞等）的含量，为农业生产提供优质的土壤环境提供数据依据，也有利于生产安全食品。因此，大力发展农业物联网技术对我国农业的发展有着重要的意义。

1 农业物联网的生态群落发展

1.1 农业物联网的定义

物联网就是一种能够让任何物品相互之间实现联系的互联网，这种联系是以传统电信网和因特网等承载体为基础。它具有三个明显的特征：广泛运用各种感知技术，以互联网为基础和智能处理能力强大[1]。

农业物联网，也就是在农业生产过程中，运用包括温度传感器、湿度传感器、pH传感器和光传感器等各种传感器来构成监控网络，以便于采集信息。准确地检测环境中的相对温度、相对湿度、pH、光照度等物理量参数，并通过各种仪器仪表实时显示，从而为农作物的生长创造一个良好的环境。同时，由于各种传感器与远程控制技术的联合，使得技术人员可以足不出户，就可以在家通过计算机终端对各种传感器反馈的信息进行处理和分析，从而获得有关农作物生长的最佳条件下的各种物理参数，这些参数就是温室、大棚精准调控的科学依据。有了这些物理参数，就可以大幅度提高农作物的产量和改善农作物的质量，以及合理调节农作物的生产周期，从而达到提高经济效益的目的。

1.2 农业物联网的特征

农业物联网可以定义为：在日常农业生产的整个过程中，利用物联网的技术或者设备来实现对农业生产的信息采集和及时监控，使整个农业生产过程变得更加具有科学性和准确性，从而改变过去靠天、靠经验吃饭的局面。增强人在农业生产过程中的主动性，使农业生产得到智能化处理。因此具有鲜明的特征，具体表现在：

1.2.1 农业物联网必须借助于互联网 农业物联网是在互联网的基础上发展起来的，它是在互联网发展到一定阶段而产生的，在运用物联网之后，农业生产过程中的各种信息交换、分析和处理都需要运用互联网来实现。

1.2.2 农业物联网前期所需投资额度比较大 由于农业物联网技术需要在农业生产中采用许多高科技设施设备，比如需要大量的传感器来采集信息，需要先进的技术平台来处理信息等，这些传感器都需要大量的资金投入。

1.2.3 农业物联网是可识别、可感知的农业 通过采用农业物联网技术，使生产者、消费者以及其他相关者可以定时通过一定的技术手段来获取农作物生长的各种信息。因此，它是可识别和可感知的。

1.2.4 农业物联网的模式不是一成不变的 农业物联网以技术为基础，以市场为导向，它根据市场的变化而变化，因此其发展模式并不是一成不变的。

1.3 农业物联网的生态群落发展

农业物联网生态群落主要包括生产者、消费者、分解者和环境，他们之间是彼此相互联系的，这种联系主要是通过各种物质流、能量流和信息流来实现的。基于这种联系，他们会形成一个功能单位。

其中，生产者是指提供包括相应的应用设备、平台和软件等资源的供应商，他们所在的无机环境是各个供应商所面对的资源储量；消费者是指从事特定工作的企业，这里所说的特定工作主要包括两种：一种是把生产者的生产成果直接转化为产品的企业，另一种是生产者的生产成果经过进一步的加工制作而转化为下一级产品的企业。在生态学中，可以根据食性的不同将消费者分为初级消费者、次级消费者、三级消费者等。同理，在农业物联网产业中，也可以进行类似分类：分解者是指那些使用最终的农产品和服务的消费者，这些农产品和服务是通过农业物联网技术手段实现或者获得的。他们通过使用产品从而把使用后的感受和体验等各种信息反馈给生产者，使生产者能够根据市场的需求提供相应的农产品和服务；环境是指直接或间接影响群体生存与发展的外部条件之和。一般可以分为：支持种群、基础设施和社会环境。这四者之间的关系如图1所示。

生态学中描述的自然界是不断变化的，因此在推动农业物联网可持续发展时也不能仅停留在某个阶段，而是要根据市场情况不断地调整物联网的模式。一般认为，在群落的演变替代过程中，主要有两种因素起作用，分别是群落内部因素和群落外部因素，其中群落内因可分为种群抑制性演替和种群促进性演替[2]：种群抑制性演替是指群落内部创意主题之间随着种群内、外部环境的改变而改变，强势个体的发展抑制了其他弱小个体的健康成长和发展，由此而改变了整个群落的环境。比如：一些传感器生产商敢于积极创新，运用新的销售战略，开辟新的销售渠道，越做越强，最终形成品牌效应，从而抑制了其他中小型传感器供应商的生存和发展。种群促进性演替则是指群落内的种间或种内的生命活动导致生态环境发生变化，从而改变了群落环境，改变后的环境不但有利于原来种群的发展，而且还融入了更多的种群或个体，使得整个群落更趋于完善和稳定，并朝着顶级群落的方向演变。比如：一些传感器生产商，一开始只为其下游的企业提供货源，但随着物联网环境和市场环境的变化，这些生产商也开始从事除传感器之外的其他物联网设备的经营。endprint

所以，农业物联网生态群落的发展也是基于群落内和群落间两种因素的作用而发展演替。正确分析这两种因素在农业物联网群落发展过程中的作用有利于我们对农业物联网的可持续发展进行更深一步的研究。

2 我国农业物联网的现状及问题分析

2.1 我国农业物联网的现状分析

据有关资料记载，中国科学院于1999年就已经对有关传感网的科研项目进行了研究，并取得了一批具有建设性的研究成果，即在感知技术的基础上建立了一些适用的传感网。2009年，温家宝提出了“感知中国”，这对物联网的发展具有划时代的意义，从此，物联网被正式列入我国五大新兴战略性产业的行列。2010年，物联网又被写入我国《2010年政府工作报告》，这些都说明物联网在我国有着良好的发展前景。

我国很多机构和院校也都积极从事着有关物联网方面的研究。2009年，中国科学院中国新农村信息化研究中心与沈阳军区的双山农场合作，对有关农业的精准生产和管理系统进行了研究，并在演示中获得了好评，这是有关农业精准生产的较早的研究。2010年，该机构开始对有关农资、农产品物联网的溯源进行研发，取得了一些列突破性成果：降低了农资、农产品溯源的成本，使农资、农产品的配送更加智能化等。中国农业大学也进行了一些尝试和努力，利用物联网，该校建立了蛋鸡健康养殖网络系统和水产养殖环境智能监控系统。另外，我国政府每年都会将传感器运用到农业环境监测中，以便对农业生产情况进行自动监测。

可以看出，我国很多机构和院校都已经涉足物联网领域。但就目前来看，物联网与我国农业的结合还不够紧密，在农业方面的应用面也很狭窄，农业物联网技术尤其是核心技术也并不成熟，其应用面的推广仍有许多问题亟待解决，其核心技术还有待研究。

2.2 我国农业物联网的问题分析

2.2.1 资金投入不足 农业物联网系统的建设具有前期一次性投入大、后期回报周期长的特点。但在我国绝大多数农村中，目前的农业生产整体效益比较低，农户经营比较分散，很多物联网设备因价格偏高，根本无法推广到这些效益低下、经营分散的农村中去。在市场上，一套物联网设备由于核心传感器的不同，其标价从一万元到几十万元不等，如果不是从事规模经营，普通种植庄稼的农民根本无力承担这样的高额费用。而农业生态链又是一个循环周期长且对技术要求较高的生态链，如果资金投入不足，基于生态链的农业物联网必然无法建立，农业物联网的可持续发展也只能成为空谈。

2.2.2 大规模应用受局限 我国农业物联网技术目前主要处于示范阶段，虽然在许多地方都建立了示范基地，但是大规模的、不计成本的示范对农业物联网的推广没有实际价值，必须解决“谁为应用买单”的问题。因为试点示范并不代表真正实现了产业化，要想使物联网大规模地应用到农业生产中还需要时间，所以在立足于生态链能够快速完整循环这一基础上，必须使物联网技术在农业上的应用量化在经济指标上。

2.2.3 农业专用传感器缺乏 我国现有的农业专用传感器种类不多，据有关数据显示，我国的种类还不足世界种类的10%，而且主要以进口为主，国产化率低，没有自己的品牌，缺乏市场规模效应。同时，我国传感器主要集中在对一些简单物理量的监测，如对湿度和温度的监测，而对其他环境物理量的关注较少，缺乏对生物本体的感知。而农业生态链是一个循环的整体，如果由于传感器等技术的失调而导致生态链某一环节的破坏，必然会使整个生态链遭受毁灭性的打击。

2.2.4 物联网设备不实用 目前，我国所拥有的农业物联网设备主要来自高等院校或者研究所的实验室，这些设备主要供实验室使用，而实际产业化率不高，并且由于实验理论研究与农业实际应用差异较大，所以其实用性并不是很高。因此，农业物联网设备研究在满足农民使用需求方面，在满足农业生态链完整循环方面，仍要继续探索。

3 基于生态链导向的农业物联网可持续发展模式设计

3.1 农业物联网可持续发展模式的应用实例

下文以江苏省苏州市望亭镇两大基地——虞河蔬菜基地和迎湖水稻基地发展农业物联网为实例进行分析。

虞河蔬菜基地位于望亭镇新埂村，目前已经形成了一条生态种植链，望亭镇里有养猪场、养鸡场和养牛场，还有各种食用菌种植基地。其中养猪场、养鸡场和养牛场的粪便和食用菌种植基地的培养基残渣，都是发展现代蔬菜产业最为健康的肥料，通过这种“种植基地+养殖基地”的模式，种植基地采用各养殖基地的粪便作为肥料，养殖基地采用各种植基地的废弃菜叶作为养料，就可以形成一个循环链，再将物联网的各种传感器设备应用到其中，为养殖基地和种植基地提供优越的环境，改变了过去因自然天气突变而人类无能为力的局面，该地的农业发展模式可以用图2表示。

迎湖水稻基地生产的优质大米，在当地已经家喻户晓，当地种植水稻是这样进行的：所有的种植物均引用迎湖水灌溉，而且还在该基地建立了特殊的引水渠，区内禁止使用化肥、农药等化学用品，一般都是用秸秆还田的方法来增加土壤的肥力，再配合使用微生物肥和有机肥等措施来提高土壤有机质，达到高产增收的目的。在病虫防治方面，采用无纺布防虫网、杀虫灯、生物农药等方法，来确保粮食的质量和安全，其发展模式可以用图3表示。

3.2 基于生态链导向的望亭镇农业物联网可持续发展模式设计

基于对农业生态链和望亭镇发展农业物联网模式的分析，再结合望亭镇的发展现状，在该村使用农业物联网模式，作以下分析：

3.2.1 模式设计遵循的原则 在构建农业生态物联网模式中，因地制宜、资金充足和农业规模化是最基础的三个原则。首先，该村发展农业物联网要遵循因地制宜原则，在合适的地方从事合适的农作物耕作。这样既能提高农作物耕作的效率，又能提高农作物收成，而且还能保持当地的生态环境。其次，农业物联网的发展需要足够的资金，因此要通过多途径筹集资金，比如政府拨款、社会集资等。再者，要遵循农业规模化原则，农业物联网的使用具有一次性投入大、使用周期长的特点，但是很多个体农户无法承担这样一次性大规模的投资，必须使该村的农民走合作的道路，集体经营，这样才有能力引进农业物联网技术支持设备。endprint

3.2.2 对望亭镇农业物联网模式的研究设计 在遵循以上原则的基础上，结合望亭镇的实际情况，可以把该镇基于生态链的农业物联网发展模式设计成“各种资源——生产的产品——再生资源——再生产的产品”封闭流程。所有的资源都能在这个模式中得到合理的应用，并且能够使一次加工的废弃物变为二次加工的原料和资源，从而能够使加工过程对自然环境的影响控制在最小范围内。加之各种传感器设备的应用，可以使效率更高，产量更多。这个封闭流程最大的优点是：污染排放最小化，资源利用最大化，产品产出最大化。在这个模型的基础上，不但可以实现循环利用还能使浪费和污染最小化[3]（图4）。

1）水循环利用。水循环利用模式：家庭用水排出后，可以运输到虞河蔬菜和迎湖水稻两大市级农业示范区；湖水、河水可直接用于这两大农业示范区（图5）。

2）物质利用循环。迎湖水稻基地在收割完优质的大米之后，剩下的杂粮用来酿酒，酒糟和虞河蔬菜基地废弃的菜叶，运送到养猪场、养鸡场和养牛场等饲养基地，作为这些家畜的健康养料。再将这些家畜和人的粪便，以及菌类种植培养基的残渣运送到沼气池，加工成沼气。沼气可供居民炒菜、做饭、照明等，沼气废液和残渣引入虞河蔬菜基地和迎湖水稻基地用作肥料。待到来年蔬菜和水稻成熟，又可以进行新一轮的循环，形成一个完整的生态链（图6）。

3）种养的循环。迎湖水稻示范基地在水稻收割以后，将优质稻谷加工成优质生态大米，将稻草烘干，制成虞河蔬菜基地大棚在冬季保温防冻的草帘，既节省了农业生产的成本，又实现了资源的循环利用。稻壳、稻糠发酵制成美酒，酒糟用来喂猪以养殖健康的生态猪，猪肉供各大饭店使用，猪粪可以运送到沼气池加工成沼气，沼气之后的循环类似于上面的物质利用循环。其中，基地的大棚里各种物理参数可由物联网的温湿度传感器、光照传感器及其他传感器来监测，从而设定适合农作物生长的最佳环境；销售环节可由互联网承担一部分；沼气加工等过程也可由传感器来控制实现。

这样，整个农业生产过程就可以借助物联网技术，实现了高效的循环经济，也就遵循了循环经济的“3R”原则，即：产品的再使用原则——充分利用产品，尽可能延长产品的使用周期，尽可能在多种场合使用；资源利用的减量化——在生产的过程中以尽可能少的投入获得尽可能多的产出；废弃物的再循环原则——尽可能地减少废弃物排放，变废为宝，使废弃物也能成为生产的有用资源，实现资源的再循环利用[4]。

4 结语

随着我国经济的快速发展和物联网技术的引进，我国农业发展应该跟上时代的步伐。适时地利用农业物联网技术，把高科技运用到农业生产中，不仅可以提高农业生产率，减轻农民的工作量，而且可以减轻农业对自然条件的依赖，取得更好的收成，并且可以减少农业生产过程中对自然环境的破坏和对自然资源的索取。

综上所述，尽管我国农业物联网发展中还存有缺憾，但也并不是说任何地方都无法引进使用。基于对苏州市望亭镇两大农业示范基地的分析，可以得出农业物联网技术仍有可行性：即为将物联网设备中各种传感器配置到农业生产的相应过程中，由培训过的、懂得传感器使用的人员来监控，根据传感器显示的各种数据采取相应的措施。

参考文献：

[1] 刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 蔡晓明.尚玉昌.普通生态学[M].北京：北京大学出版社，1992.

[3] 谢范雄.基于生态链的农业物联网应用商业模式研究[D].上海：复旦大学，2011.

[4] 刘家玉，周林杰，荀广连，等.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例[J].江苏农业科学，2013，41（5）：377-379.endprint

3.2.2 对望亭镇农业物联网模式的研究设计 在遵循以上原则的基础上，结合望亭镇的实际情况，可以把该镇基于生态链的农业物联网发展模式设计成“各种资源——生产的产品——再生资源——再生产的产品”封闭流程。所有的资源都能在这个模式中得到合理的应用，并且能够使一次加工的废弃物变为二次加工的原料和资源，从而能够使加工过程对自然环境的影响控制在最小范围内。加之各种传感器设备的应用，可以使效率更高，产量更多。这个封闭流程最大的优点是：污染排放最小化，资源利用最大化，产品产出最大化。在这个模型的基础上，不但可以实现循环利用还能使浪费和污染最小化[3]（图4）。

1）水循环利用。水循环利用模式：家庭用水排出后，可以运输到虞河蔬菜和迎湖水稻两大市级农业示范区；湖水、河水可直接用于这两大农业示范区（图5）。

2）物质利用循环。迎湖水稻基地在收割完优质的大米之后，剩下的杂粮用来酿酒，酒糟和虞河蔬菜基地废弃的菜叶，运送到养猪场、养鸡场和养牛场等饲养基地，作为这些家畜的健康养料。再将这些家畜和人的粪便，以及菌类种植培养基的残渣运送到沼气池，加工成沼气。沼气可供居民炒菜、做饭、照明等，沼气废液和残渣引入虞河蔬菜基地和迎湖水稻基地用作肥料。待到来年蔬菜和水稻成熟，又可以进行新一轮的循环，形成一个完整的生态链（图6）。

3）种养的循环。迎湖水稻示范基地在水稻收割以后，将优质稻谷加工成优质生态大米，将稻草烘干，制成虞河蔬菜基地大棚在冬季保温防冻的草帘，既节省了农业生产的成本，又实现了资源的循环利用。稻壳、稻糠发酵制成美酒，酒糟用来喂猪以养殖健康的生态猪，猪肉供各大饭店使用，猪粪可以运送到沼气池加工成沼气，沼气之后的循环类似于上面的物质利用循环。其中，基地的大棚里各种物理参数可由物联网的温湿度传感器、光照传感器及其他传感器来监测，从而设定适合农作物生长的最佳环境；销售环节可由互联网承担一部分；沼气加工等过程也可由传感器来控制实现。

这样，整个农业生产过程就可以借助物联网技术，实现了高效的循环经济，也就遵循了循环经济的“3R”原则，即：产品的再使用原则——充分利用产品，尽可能延长产品的使用周期，尽可能在多种场合使用；资源利用的减量化——在生产的过程中以尽可能少的投入获得尽可能多的产出；废弃物的再循环原则——尽可能地减少废弃物排放，变废为宝，使废弃物也能成为生产的有用资源，实现资源的再循环利用[4]。

4 结语

随着我国经济的快速发展和物联网技术的引进，我国农业发展应该跟上时代的步伐。适时地利用农业物联网技术，把高科技运用到农业生产中，不仅可以提高农业生产率，减轻农民的工作量，而且可以减轻农业对自然条件的依赖，取得更好的收成，并且可以减少农业生产过程中对自然环境的破坏和对自然资源的索取。

综上所述，尽管我国农业物联网发展中还存有缺憾，但也并不是说任何地方都无法引进使用。基于对苏州市望亭镇两大农业示范基地的分析，可以得出农业物联网技术仍有可行性：即为将物联网设备中各种传感器配置到农业生产的相应过程中，由培训过的、懂得传感器使用的人员来监控，根据传感器显示的各种数据采取相应的措施。

参考文献：

[1] 刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 蔡晓明.尚玉昌.普通生态学[M].北京：北京大学出版社，1992.

[3] 谢范雄.基于生态链的农业物联网应用商业模式研究[D].上海：复旦大学，2011.

[4] 刘家玉，周林杰，荀广连，等.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例[J].江苏农业科学，2013，41（5）：377-379.endprint

3.2.2 对望亭镇农业物联网模式的研究设计 在遵循以上原则的基础上，结合望亭镇的实际情况，可以把该镇基于生态链的农业物联网发展模式设计成“各种资源——生产的产品——再生资源——再生产的产品”封闭流程。所有的资源都能在这个模式中得到合理的应用，并且能够使一次加工的废弃物变为二次加工的原料和资源，从而能够使加工过程对自然环境的影响控制在最小范围内。加之各种传感器设备的应用，可以使效率更高，产量更多。这个封闭流程最大的优点是：污染排放最小化，资源利用最大化，产品产出最大化。在这个模型的基础上，不但可以实现循环利用还能使浪费和污染最小化[3]（图4）。

1）水循环利用。水循环利用模式：家庭用水排出后，可以运输到虞河蔬菜和迎湖水稻两大市级农业示范区；湖水、河水可直接用于这两大农业示范区（图5）。

2）物质利用循环。迎湖水稻基地在收割完优质的大米之后，剩下的杂粮用来酿酒，酒糟和虞河蔬菜基地废弃的菜叶，运送到养猪场、养鸡场和养牛场等饲养基地，作为这些家畜的健康养料。再将这些家畜和人的粪便，以及菌类种植培养基的残渣运送到沼气池，加工成沼气。沼气可供居民炒菜、做饭、照明等，沼气废液和残渣引入虞河蔬菜基地和迎湖水稻基地用作肥料。待到来年蔬菜和水稻成熟，又可以进行新一轮的循环，形成一个完整的生态链（图6）。

3）种养的循环。迎湖水稻示范基地在水稻收割以后，将优质稻谷加工成优质生态大米，将稻草烘干，制成虞河蔬菜基地大棚在冬季保温防冻的草帘，既节省了农业生产的成本，又实现了资源的循环利用。稻壳、稻糠发酵制成美酒，酒糟用来喂猪以养殖健康的生态猪，猪肉供各大饭店使用，猪粪可以运送到沼气池加工成沼气，沼气之后的循环类似于上面的物质利用循环。其中，基地的大棚里各种物理参数可由物联网的温湿度传感器、光照传感器及其他传感器来监测，从而设定适合农作物生长的最佳环境；销售环节可由互联网承担一部分；沼气加工等过程也可由传感器来控制实现。

这样，整个农业生产过程就可以借助物联网技术，实现了高效的循环经济，也就遵循了循环经济的“3R”原则，即：产品的再使用原则——充分利用产品，尽可能延长产品的使用周期，尽可能在多种场合使用；资源利用的减量化——在生产的过程中以尽可能少的投入获得尽可能多的产出；废弃物的再循环原则——尽可能地减少废弃物排放，变废为宝，使废弃物也能成为生产的有用资源，实现资源的再循环利用[4]。

4 结语

随着我国经济的快速发展和物联网技术的引进，我国农业发展应该跟上时代的步伐。适时地利用农业物联网技术，把高科技运用到农业生产中，不仅可以提高农业生产率，减轻农民的工作量，而且可以减轻农业对自然条件的依赖，取得更好的收成，并且可以减少农业生产过程中对自然环境的破坏和对自然资源的索取。

综上所述，尽管我国农业物联网发展中还存有缺憾，但也并不是说任何地方都无法引进使用。基于对苏州市望亭镇两大农业示范基地的分析，可以得出农业物联网技术仍有可行性：即为将物联网设备中各种传感器配置到农业生产的相应过程中，由培训过的、懂得传感器使用的人员来监控，根据传感器显示的各种数据采取相应的措施。

参考文献：

[1] 刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 蔡晓明.尚玉昌.普通生态学[M].北京：北京大学出版社，1992.

[3] 谢范雄.基于生态链的农业物联网应用商业模式研究[D].上海：复旦大学，2011.

[4] 刘家玉，周林杰，荀广连，等.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例[J].江苏农业科学，2013，41（5）：377-379.endprint