智慧土肥内涵、特征、技术构成及发展前景探讨

刘 彬，王胜涛，王维瑞，颜 芳，王伊琨

（北京市土肥工作站，北京 100029）

进入21世纪，我国农业面临的主要问题是如何在有限的耕地资源上满足日益增长的人口对农产品的数量和质量需求，在努力提高单位面积产量的同时还要保持对生态环境的友好。应对这一挑战，必须提高农业生产资料可持续利用的科技管理水平，用高效精准的生产方式替代传统大水大肥的粗放生产管理方式。借助互联网、移动互联网、物联网、云计算等新技术集成，提升改良传统生产管理方式已成为必然选择。在此情况下有必要对土肥与信息技术的全面融合发展开展深入研究，智慧土肥就是信息技术在土肥技术推广领域的应用和发展。

1 智慧土肥是土肥技术发展的必然趋势

我国当代土肥技术发展大致经历了3个阶段：一是化肥起步应用阶段，在20世纪50—80年代初。在这一阶段，生产上开始增加使用化肥，来达到高产目标。主要是推广尿素为代表的单质肥，技术依托田间试验示范。二是平衡施肥发展阶段，在20世纪80—90年代中期。这一阶段开始注意提高化肥营养的均衡供给，根据土壤供肥能力、作物目标产量及肥料效应，进行平衡施肥技术推广，开始出现复合肥。三是20世纪90年代中期到现在，进入营养诊断与专用肥料推广阶段，这一阶段针对农业结构调整出现的优质粮作、蔬菜、饲草、药材、果树及其他经济作物，采取“测、配、产、供、施”一条龙方式。产量已不是唯一指标，开始考虑产品品质、效益、生态环境等非产量指标和耕地质量保护。同时积极推动企业开发作物配方专用肥、缓释肥、冲施肥等肥料。这一阶段还发展了快速简便的速测技术与专家推荐咨询系统。

目前在经济发达地区出现土肥信息化管理，通过大量引入信息技术，如计算机网络、专家决策系统、人工智能等加强对生产过程中数据和信息的分析挖掘，全程控制水肥使用，使土、水、肥管理更加具有科学性、可控性、稳定性和高效率，同时提高肥料利用率、农业资源的产出率和劳动生产率。

土肥信息化大体可分为3个层次：

第一层次：专业化应用数据库。利用观测、化验等常规技术，建立田间档案数据库，通过技术专家对数据的处理建立施肥模型和技术方案来指导施肥。

第二层次：土肥数字化管理。数字土肥是指运用数字技术，包括各种遥感、全球定位系统、网络技术、地理信息技术等获取大尺度、高精度的农田生长环境和生长状况的信息，利用作物生产管理决策支持系统对作物生产进行养分资源测算、施肥模型集成和肥料因地调控，促进生产单元土壤和肥料资源有效、合理地利用。

第三层次：智慧土肥管理。在数字化基础上，采用互联网、物联网、大数据、云计算等信息技术，动态感知、分析、整合生产系统水肥光热关键信息，适时对生产环境、生长状态智能响应和精准调控，保障高质优良产品生产，并实现环境友好和农业生态可持续发展。

可见，智慧土肥是当前土肥信息化发展的最高水平，是未来土肥现代化发展的重要方向。

2 智慧土肥的内涵及特征

2.1 智慧土肥的内涵

智慧土肥是土肥技术信息化的高级阶段，集互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（获取环境温湿度、土壤水分、土壤养分、图像等信息）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能分析、智能预警，对包括监测预警、水肥调控、环境协调等在内的各种需求做出智能响应和智能决策，使水肥管理更加切合作物发展的需要，为土肥生产提供精准化服务、可视化管理以及智能化决策。

技术上将现有单项农业与信息技术进行综合组装配套，实现高层次的科技创新，而且可以方便快捷地大面积推广应用；产业发展上引导农业从简单提供农产品生产向提供旅游、休闲、生态和生活等多元服务产品的产业转变，实现人与自然的和谐相处、社会的可持续发展。

2.2 智慧土肥的特征

全面感知：采用多种类型的传感器、音视频采集器以及定位、射频、条码识别的各种传感技术对农业生产与管理各方面进行监测，感知信息及数据。

泛在连接：应用大容量、高宽带、快速的有线或无线网络实现物与物、物与人、人与人所需信息的互联、互通、互动；利用任何电子信息设备可以随时随地感知、测量、捕获、传递、储存和分析设备、系统或流程信息。

数据融合：使用数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统，对全面感知形成的海量、非结构化数据、多源的信息资源，通过云计算、大数据平台进行入库、分析、挖掘，高效整合分散在各系统或设备上的信息资源，实现最大程度地利用。

智慧决策：智慧土肥与数字土肥最大的区别在于系统对数据进行处理后的自我学习和自我修正机制，即利用智能模糊识别技术对生产状态进行判断和预测，形成控制指令库。在专家系统外，还运行学习系统，根据学习结果对专家系统进行校正和改善。举例来讲，在水肥管理中，数字型系统只会按照预设的方案进行水肥管理，而智慧型系统不再仅仅执行专家系统，会通过对预设的专家系统与人干预行为的比较分析，进行学习，对专家系统进行修正。表现为随天气变化自动改变控制，在阴雨条件下减少水肥，在晴热条件下增加灌溉。

智能服务：广义的智慧土肥不仅限于生产环节，还包括了对整个生态环境的智能响应。如对耕地质量监测、耕地培肥、推荐施肥、面源污染预警、肥料投入品源头控制等信息进行完整利用，满足部门资源数据共享和信息服务的要求，真正实现信息共享。搭建涉及土肥的各业务部门应用系统和有效地集成，实现各应用系统之间的互联互通。

3 智慧土肥的技术体系

3.1 感知获取技术

农业领域的感知获取技术指获取不同尺度的农业对象（动植物、环境、农产品）与各过程（生长、生产、储运、流通）实时信息的技术和方法。

智慧土肥是将目标区域（主要是农田）作为传感节点，布设传感器，监测收集土壤的温度、湿度、养分数据以及作物的环境数据，包括光照、风速、作物长势等，并通过网络节点进行信息实时、精确地传输。

3.2 场景信息传输技术

通过射频识别、全球定位系统、激光扫描器等信息终端设备，按约定的协议，即数据传输的格式或转换方式，把感知对象与网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。广泛基础上的数据链网络传输，已成为发展现代农业生产的重要支撑，即当前普遍采用的物联网技术。

3.3 智能决策与控制系统

指基于数据、标准、知识和模型对数据进行智能处理和决策控制，如时序控制、模型控制、模型+专家系统、智能装备精准控制系统等。

数据在汇聚节点汇集后，系统对汇集的数据进行分析，然后根据作物的生长特点、需肥规律和管理者的生产目标，确定某一区域和某一地块的施肥方案（施肥数量、施肥种类），帮助生产者有针对性地投放生产资料，从而实现耕地资源的合理高效利用和农业现代化精准管理。

3.4 土肥信息服务云系统

指以网络和云计算为基础的数据存储、组织、管理、挖掘。包括对原始感知数据和用户与网络交互过程中抽取出来的中间数据，如访问记录、代理服务器日志记录、浏览器日志记录、用户简介、注册信息、用户对话或交易信息、用户提问方式等。通过用法挖掘，了解用户网络行为所具有的意义；通过用户行为分析实现精准管理、科学决策和人性化服务。

3.5 智能装备

用以支撑以上各业务系统的具备信息接收和处理能力的物理设备。智能装备是实现智慧土肥的物质基础，也是引领高端装备与现代农业结合的纽带。

感知环节有各类监测土、肥、水实时数值的传感器、摄像头、射频识别设备等；数据传输和处理环节有计算机、服务器、交换机、无线传输设备；控制水肥施用环节有直接应用于生产的信息控制和反馈设备，如变量喷头、变量水泵、电磁阀门等。

4 智慧土肥发展前景

在农业现代化的发展过程中，从农业硬件设施到新技术、新产品的推广落地，信息技术发挥着越来越重要的作用。现代信息技术、农业知识和智力资源正在逐步成为农业经济增长的战略性资源，智慧农业是三者结合的产物。智慧土肥则是智慧农业在土肥方面的具体体现，将在以下几方面发挥积极的作用。

4.1 农田远程监控与智能服务

利用3S（GPS、RS、GIS）系统建立农田自然条件、土壤状况、作物种植时空分布等数据库；获取不同尺度的农田基础时空信息；在获取上述信息的基础上，对土壤墒情、作物苗情、病虫害的发生发展趋势进行分析模拟和预测预报；通过网络使应用终端（手机、PC、平板电脑等）与发布服务系统保持信息联通，实现生产与技术服务实时反馈交流，优化指导农田决策管理，并对生产设备进行远程控制，精准调控生产过程，促进区域及田块内资源有效、合理地利用。

4.2 耕地质量及其智慧管理

耕地质量是耕地综合产出能力、产销效率、生态价值指标的综合体现。耕地质量智慧管理是通过对耕地质量监测点的评价指标，包括土壤营养指标、物理指标、生物指标、环境指标的动态监测结果，掌握耕地质量变化趋势，提前发现耕地质量退化征兆、发出预警，及时采取措施进行调控。例如发现有机质含量下降，就要根据分析模型分析其形成原因，对下降的幅度和前景进行预测，提出解决方案并对实施结果进行评价。

4.3 智慧水肥管理

根据不同作物、不同生长阶段以及不同环境下作物的水肥需求规律，对水肥施用进行动态控制。综合运用土壤自动监测技术、作物生长监测技术、作物需肥需水建模技术、设施控制技术、智能控制设备等，对土、肥、水统一控制，保证作物生长的需求和资源的高效利用，实现自动化、精准、高效、节约管理，特别是实现设施农业中水肥的智能化精准管理具有较强的可行性与广阔的应用前景。

4.4 辅助宏观决策

建立大数据分析模型，通过对土肥监测数据、环境感知数据、行为模式数据、市场信息数据等海量数据的建模分析，为宏观管理决策者提供所需信息、评价结果；通过人机交互功能、分析比较和判断、提供备选方案等，为正确决策提供智能支持。

决策支持系统一般由数据库、模型库、知识库、工具库、参考案例库等组成，为决策者提供辅助，使农业宏观测报为农业合理规划、高效管理和可持续发展提供更为准确、科学的依据。

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