农业4.0

李道亮

农业4.0是以物联网、大数据、人工智能、机器人等技术为支撑和手段的一种高度集约、高度精准、高度智能、高度协同、高度生态的现代农业形态，是继传统农业、机械化农业、自动化农业之后的更高阶段的农业发展阶段，即智能农业。目前我国农业面临着土地等资源约束趋紧、劳动力老龄化问题突出，农业生态环境压力加剧等突出问题，迫使我国农业不得不加快农业生物技术、信息技术、装备技术创新步伐，转变传统生产方式、经营方式和管理方式，充分利用国家实施“互联网+农业”行动计划的契机，扎实推进我国向智能农业时代迈进。

一、中国农业要到哪里去

作为一个农业大国，中国用世界10%的耕地、6%的淡水养活了世界20%的人口、提供了世界25%的粮食，但这一成果是由大量资源消耗和生态环境破坏换取而来，中国化肥的利用率仅为发达国家的1/2，单位面积的农药使用量是世界平均水平的2.5倍，水资源的利用率仅为发达国家利用率的1/3。农业现代化短板依然存在，集中体现为劳动生产率低、土地产出率低、资源利用率低，导致生产成本居高不下、农业竞争力低、农民收入增长缓慢。对于资源禀赋本就不富足的中国来说，农业发展并不能依靠无止境的资源消耗，而是明显受到资源的刚性约束，尤其是在城镇化、工业化的大力推进下，传统的生产要素资源如劳动力、耕地、水资源等被剥离至非农产业，而且在资源有限的情况下，中国的人口仍在不断的增长，对粮食、资源的需求量将更大。

我国农业在面临资源环境和补贴政策严峻约束、价格“天花板”与成本“地板”双重挤压的形势下，急需需要走一条以信息技术为核心的网络化、智能化、精细化、组织化的发展道路，提升农业生产效率和增值空间。以智能农业为特征农业4.0发展模式能够促使农业规模化、标准化、产业化发展，升級农业生产、经营、管理、服务的技术装备，将潜在的生产能力挖掘出来并有效提升，这将是未来中国农业生产实现持续健康发展的有效途径。

因此，科学定位当前我国农业的发展阶段，明确我国在农业1.0到农业4.0之间所处的位置，提前谋划、系统布局，制定适合我国国情的农业发展路径，走出一条集约、高效、优质、生态、安全的现代农业道路，具有十分重大的意义。

二、从农业1.0到农业4.0

人类经历了农业社会、工业社会，目前正处在信息社会阶段。人类社会的发展，就是劳动者发挥聪明才智，不断创造新的劳动手段（劳动工具），去认识自然、适应自然和改造自然（作用于劳动对象）的过程，从青铜器到铁器，从畜力到农业机械，从自动化农业到鼠标种田，都预示一个新时代的开始。在不同的历史时期，人类社会通过使用不同功能的工具，来扩展和增强人类自身的功能，而这些工具本身也成为区分人类社会形态的基本标准之一，因此劳动工具的演变体现了农业1.0～农业4.0的演变。

（一）农业1.0——人力与畜力为主的传统农业

农业1.0是人力与畜力为主的传统农业，农业1.0是农业社会的产物。在农业社会漫长的发展过程中，人类最重要的劳动工具是用以开发土地资源的各种简单手工工具和畜力，它们是对人类体力劳动的有限缓解，它并没有从根本上把人类的生产活动从繁重的体力劳动中解放出来。纵观人类从业社会的发展，尽管生产工具从早期的石器、青铜器发展到后来的铁器，但从整体来讲，在农业社会，生产工具仍然是初级的工具，生产工具只是人体局部功能的有限延伸。

农业1.0是以体力劳动为主的小农经济时代，依靠个人体力劳动及畜力劳动，人们根据经验来判断农时，利用简单的工具和畜力来耕种，主要以小规模的一家一户为单元从事生产，生产规模较小，生产技术和经营管理水平较为落后，抗御自然灾害能力差，农业生态系统功效低，商品经济属性较薄弱。

农业1.0时代，传统农业技术的精华在我国农业生产方面产生过积极的影响，但随着时代进步，这种小农体制逐渐制约了生产力的发展。这个阶段主要以“产量高”为目标，虽然比起现在动辄成千上万亩的农业项目来说大多还是小打小闹，但却为农业产业化奠定了基础。可以说，农业1.0主要追求的是农业耕种技术的“专”。

（二）农业2.0——隆隆作响的机械化农业

以1765年蒸汽机的发明和使用为标志，人类社会的生产工具得到了革命性的发展，人类发明和使用了以能量转换工具为特征的新的劳动工具，机器代替手工工具，标志着人类工业社会的开始。在300多年的工业社会历程中，能量转换的工具实现了机械化和电气化两次历史性的飞跃，对人类社会生产及生活产生了极为深远的影响。与此同时，伴随着工业革命的发展，农业机械化工具不断出现，这直接催生了农业2.0，农业1.0的手工和畜力工具相比，农业装备开始在农业广泛应用。

农业2.0 是以“农场”为标志的大规模农业，是机械化生产为主、适度经营的“种养植大户”时代。农业2.0也被称作机械化农业，以机械化生产为主，运用先进适用的输入性动力农业机械代替人力、畜力生产工具，改善了“面朝黄土背朝天”的农业生产条件，将落后低效的传统生产方式转变为先进高效的大规模生产方式，大幅提高了劳动生产率和农业生产力水平。

我国农业2.0时代以企业主为主体推动力量，农业产业化一方面既保持了家庭联产承包制的稳定，同时又通过延长产业链，发挥一体化组织的协调功能，在一个产品、一个产业、一个区域内形成了产品规模、产业规模和区域规模；另一方面在更大范围内和更高层次上实现农业资源的优化配置和生产要素的重新组合，提高了农业的比较效益，有利于在家庭经营的基础上，逐步实现农业生产的专业化、商品化和社会化。

这个阶段以“产值高”为目标，主要表现在农副产品深加工企业或食品制造企业向产业上游延伸，或者农业生产企业向产业下游延伸，提供给市场的已经不是初级农产品，而是加工后的农副产品或者食品。像中粮集团、北大荒集团、华龙集团、金健集团、汇源果汁、国联水产等等都属此类的典型企业。因此，可以说，农业的2.0时代其实就是“一产+二产”的主流时代，农业2.0追求的是农业产值的“大”。我国目前农业机械化水平已经达到65%，接近完成农业2.0，开始向农业3.0迈进。endprint

（三）农业3.0——高速发展的自动化农业

农业3.0是农业专业化整合时代，专业化整合是市场经济的产物，也可以说是全球化的产物。随着计算机、电子及通信等现代信息技术以及自动化装备在农业中的应用逐渐增多，农业步入3.0模式。农业3.0即信息化农业，是以现代信息技术的应用和局部生产作业自动化、智能化为主要特征的农业。通过加强农村广播电视网、电信网和计算机网等信息基础设施建设，充分开发和利用信息资源，构建信息服务体系促进信息交流和知识共享，使现代信息技术和智能农业装备在农业生产、经营、管理、服务等各个方面实现普及应用。与机械化农业相比，自动化程度更高，资源利用率、土地产出率、劳动生产率更大。

在“三率”大幅提高的基础上，农业3.0产出的主要是优美的乡村环境和可靠放心的农产品。政府不仅取消了存在了几千年的农业税，而且直接利用财政资金改善了农村的道路、水电、村容村貌等硬件环境，全国范围内的知名新农村、新社区、美丽乡村、五星级农家乐、休闲农业示范点、乡村旅游名村等如雨后春笋般崛起。可以说，农业的3.0时代其实就是“一产+三产”的主流时代，农业3.0追求的是经营模式的“新”。

从我国看，农业3.0已经在我国萌芽，按照70%的覆盖率，预计2050年我国可完成农业3.0。农业3.0以单一信息技术应用为主要特征，近几年，我国农业互联网、农业电子商务、农业电子政务、农业信息服务取得了重大进展。

（四）农业4.0——以无人化为特征的智能农业

农业4.0是资源软整合的农业，互联网时代，农业通过网络、信息等进行资源软整合，在物联网、大数据、云计算、人工智能和机器人基础之上形成智能农业。 农业4.0是利用農业标准化体系的系统方法对农业生产进行统一管理，所有过程均是可控、高效的，真正实现无人化作业；农业服务提供者与农业生产者之间的信息通道通过农业标准化平台实现对等连接，使整个过程中的互动性加强。农业4.0可以通过网络和信息对农业资源进行软整合，增加资源的技术含量，提升农业生产效率和质量。

农业4.0是现代农业的最高阶段。农业4.0中现代信息技术的应用不仅仅体现在农业生产环节，它会渗透到农业经营、管理及服务等农业产业链的各个环节，是整个农业产业链的智能化，农业生产与经营活动的全过程都将由信息流把控，形成高度融合、产业化和低成本化的新的农业形态，是现代农业的转型升级。土地生产的成果不再是化肥农药超标、普通的农产品，更多的是质量提高、产量提高的更接近自然的无公害产品。因此，农业4.0是现代农业的最高阶段，是无人化智能农业的集中体现，随着技术的进步，可能会出现农业4.0的初级、中级、高级和终级等不同时期。农业4.0是智能化技术在农业全领域、全产业、全链条的应用，体现的是无人化智能应用的“广”。农业4.0目前全世界范围看，是小荷才露尖尖角，是某个领域、某个环节、某个局部地点开展了科学实验，我国进入农业4.0的时间可能要到2070年之后。

三、农业4.0发展的技术路线图

中国农业依托互联网高速发展，正在从早期的1.0小农经济时代大踏步迈向4.0高度智能化时代，古老的农业焕发出了新的生机。中国农业从1.0到4.0时代，构成了一幅绵延不绝、恢弘壮观的农业发展图景，其路漫漫，其势可期。每一次农业代际的跃升都离不开农业发展演进所固有的规律，而技术在其中扮演的角色尤为重要。

（一）农业代际演进的基本动因

从农业的1.0到4.0不仅是一个时间阶段的概念，也不仅是一种生产方式的更新，更是代表了一种农业商业模式因时因地的演变。农业1.0到4.0的代际演进是多种因素共同作用的结果，如果将这种演进视为一个受力运动的过程，那么可以采用推力、引力、压力三种不同作用方向和作用效果的力的合成来解构从农业1.0到4.0演进的基本动因。

对农业代际演进起到直接推动作用，在正向起主导作用的力，可以称之为农业代际演进的推力。农业代际演进的推力主要体现在三个方面，分别是技术进步、政策革新和劳动力升级，这三个方面的推力是触发农业代际跃升临界点的关键因素。其中，技术进步作为农业发展的基础与核心要素，在推力中处于绝对主导的地位，政策革新则从宏观层面推动农业代际演进，而劳动力升级是农业代际演进内源性的根本推力。

农业的代际演进不仅受到农业内部系统的影响，作为经济社会发展的基本支撑，农业发展还强烈的受到整个经济社会发展大系统的影响，特别是当农业发展逐步迈向高阶后，市场化机制、大众消费理念、资本力量等在一定程度上诱使农业变换发展模式，按照新的更加有效的模式进行演进，这些因素可以称之为农业代际演进的引力，通常与推力相互响应，交替激发农业不断向高阶演进。

在农业代际演进过程中，并非只有正向作用的力才能驱使农业发展，一些与农业发展息息相关的外部或准外部环境趋于严峻后，往往会对农业发展提出新要求，迫使农业不断进行转型升级，这种以外部挤压方式存在的作用力可以称之为农业代际演进的压力。农业资源约束、农产品供给矛盾加剧、农业劳动力老龄化、农业生态环境恶化等等都构成了农业代际演进的压力，是农业发展不可或缺的外部作用力。

（二）农业代际演进的状态分布

从时间维度来看，我国农业发展的地区差异将长期存在，因而我国农业形态从1.0到4.0多阶段并行也将长期存在。按照70%实现作为进入下一时代的基本标志，总体上我国正处在农业1.0长期存在、农业2.0普及推广、农业3.0成熟提升、农业4.0示范应用的并行推进时期，即将整体进入农业3.0时代。

从地域维度来看，我国幅员辽阔，区域发展不均衡，因而各地所处的农业代际有所不同，从农业1.0到4.0在各地均有不同程度的分布。按照70%的代际特征表现作为当地所处农业代际的判定标准，农业1.0到4.0在全国范围的分布比例大致为20%、66%、13%和1%，同样表明我国即将迈入农业3.0时代。endprint

农业1.0在全国范围内占20%左右，主要位于我国西部四川、贵州、甘肃、青海、新疆、广西、内蒙、云南和西藏等地生产条件较差的区域。农业生产方式总体上是人畜力手工作业居于主导地位的阶段，只在某些农作物的某些生产环节开始应用简单的农业机械装备，并且这种落后的生产方式还可能在一定时期内存在下去，这一时代曾经100%存在于我国农业发展史上很长一段时间，最终会自然消亡或者转变为体验式农业。

农业2.0在全国范围内占66%左右，是我国当前农业主代际阶段，主要位于粮油、蔬菜、棉花等大宗农作物的主产区，以中东部地区、西部平原地区、新疆生产建设兵团、东北垦区等为主。农业机械已在我国绝大多数农作物的主要生产环节广泛应用，三大作物小麦、水稻和玉米的机械化水平较高，小麦生产基本实现了生产全过程机械化，大豆、马铃薯、油菜、花生、棉花、甘庶等经济作物和设施农业、畜牧业、渔业、林果业的生产机械化取得新进展。我国当前正处于农业2.0的跃升临界期，我国农业机械化率2016年已经达到66%，农业部提出2020年达到68%的目标，事实上很有可能在2020年就提前实现70%的农业机械化率，基本完成农业2.0的普及，正式迈向农业3.0时代。

农业3.0在全国范围内占13%左右，主要分布在沿海和东部地区、中西部经济发达地区，以示范应用为主，在新型农业生产经营主体规模化种养殖区域已有较大规模的推广应用，上述地区已经在基本实现农业2.0的基础上提前迈入了农业3.0阶段。由于信息技术的应用，农业信息化生产、经营、管理、服务水平都有显著提升，农业产业链发生了深刻的变革，如农业物联网应用、农产品电子商务、信息服务进村入户以及农业电子政务，这些都在深刻地变革着农业生产方式以及农民生活方式。农业3.0的推动以政府推动为主，农业部实施的北京设施园艺物联网、黑龙江水稻种植物联网、江苏水产养殖物联网、天津设施园艺和水产养殖物联网、上海农产品质量追溯物联网、安徽省小麦“四情”监测物联网项目，是围绕农业3.0进行的积极探索。我国农业当前的最具活力的阶段即为该阶段，还有很大的发展空间和不足。

农业4.0在全国范围内占1%左右，主要分布在农业现代化产业园区的实验基地，以高等院校、科研院所的试验示范为主，还不具备推广应用的条件。农业4.0在综合了物联网、云计算、大数据、移动互联等先进技术的基础上，开始融入空间地理技术和人工智能技术，无人化特征明显，将逐步完成机器人换人，对数据、网络、农业生产作业模型的依赖越来越强，这也是我国农业未来提升的终极方向。

（三）农业代际演进的技术依赖

技术始终是农业发展的基础与核心要素，从农业1.0到4.0，代际越高，对技术的依赖越强。农业代际演进对技术的依赖完全符合技术成熟度曲线所呈现的原理，一定程度上技术发展路线图代表了农业代际演进的总体情况。截止目前，高德纳（Gartner）咨询公司发布的最新的技术成熟度曲线是2017版，比较2008版至今连续九年的技术成熟度曲线，可以发现，大数据、云计算、物联网、人工智能等技术仍是未来促使农业代际演进的主要技术。

（四）农业代际演进的动态跃迁

农业代际演进是一个漫长的渐进过程，技术的发展和商业模式的演替，不断推动农业从低代际向高代际发展，各个代际的影响程度相应呈现此消彼长。当某一代际发展演进到一定程度时，量变引起质量，自然进入下一代际，从而实现农业代际的动态跃迁。

从农业1.0到2.0：虫蠕龟行。毫无疑问，我国传统的农业1.0时代极其漫长，并且还将绵绵无绝期。在农业1.0时代，无动力的农业机械很早就进入了农业生产，只是到了建国后，特别是改革开放后，大型综合型农业机械被广泛使用，农田里出现了机器的轰鸣，标志着一个农业生产新时代的来临。农业1.0时代是漫长的，从农业1.0到2.0的跨越同样是一个漫长的过程，经历了无动力机械和动力机械的双重介入。预计2020年，我国农业机械化率将提前突破70%，也就是农业2.0时代将在2020年完全实现。

从农业2.0到3.0：随风潜入。从农业2.0的机械化到农业3.0的自動化演进过程中，机械化与自动化互相交替激励，以信息化的方式形成两个时代的软连接，这两个时代在一定程度上是相伴协行的。早期的机械化没有信息化的支撑，只是用机器代替人的纯劳力替换。机械化附着信息化后，机械的使用开始转向自动化，劳动力在一定程度上被释放了出来。然而，自动化的内涵外延要远远高于机械化，除了支撑机械化，信息化驱动下的农业还在向更高的智能时代跃进。由于信息化的支撑，农业2.0时代得以延长，为机械化赋予了自动化的特征。同样由于机械化的灼灼光彩，农业3.0时代的到来显得十分隐约。农业3.0时代并未完全实现，还处于加速成熟期，预计2050年前后，农业3.0的才能达到基本实现的70%普及率。

从农业3.0到4.0：巅峰一跃。农业4.0是一个新兴事物，我国目前还处在“概念的界定、内涵的丰富、示范工程设计”这一阶段。农业4.0是一个技术为王的农业时代，显著特点是无人化，是对现代信息技术的高度集成，投资大，风险也大，具有典型的木桶效应。农业4.0的发展以互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能技术为关键，迎合现代农业的发展需求是农业4.0走向现实的必经之路。从农业3.0到4.0的跨越在时间维度上很难分清界限，农业3.0的后期与农业4.0的初期几乎是叠加的。然而，农业4.0与农业3.0有着本质的差别，从农业3.0到4.0的巅峰一跃对技术进步的要求极其苛刻，既要求物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术的协同，还要求数据信息与动植物生长性状等生物学特征进行精准匹配，完全是数字驱动的农业时代，这将是一个技术为王的终极农业时代，这个4.0时代的实现即达到70%的普及率预计将要到2070年。

四、农业4.0发展策略

从生产力的角度看，从农业1.0到农业4.0，其本质是通过不断升级的生产工具优化资源的配置效率。从资源优化的工具看，从手工工具、能量转换工具向智能工具演进，从资源优化的范围看，优化的范围从点、线、面向体、大系统、巨系统方向不断拓展。农业4.0是即将来临的智能农业时代，是现代农业发展的最高阶段，在现代信息技术高速发展的今天，必须提前谋划、提前布局农业4.0发展战略，才能在智能时代的浪潮中不断前行。endprint

（一）总体目标

通過30多年（到2050年，即第二个百年）的现代农业的建设，我国农业信息化应用水平基本达到或超过现在欧美发达国家水平，农业信息化应用进入农业产业集成融合发展阶段，基本实现新一代信息技术与“三农”的完全融合，全国完全实现传统农业产业的数据化、在线化改造，发达地区完全实现农业产业与新一代信息技术集成融合，全面实现农业3.0的目标，我国农业重新回到世界农业的制高点上。再经过20年（2070年前后）农业现代化的建设，我国农业生产智能化、经营网络化、管理个性化，城乡“数字鸿沟”彻底消失；大众创业、万众创新的良好局面成为一种新的常态；智能化成为农业现代化发展坚强支撑，信息技术、智能技术与农业生产、经营、管理、服务全面深度融合，农业全面进入智能化时代，我国农业成为世界农业的领跑者。

（二）发展思路

农业4.0建设要以本地区现代农业发展的基本定位为基础，要对接农业生产、农产品流通、农民生活和农村社会管理，服务农业农村发展。农业作为传统产业，是全面建成小康社会、实现现代化的基础，农业4.0要瞄准农业现代化和农村经济持续稳定协调发展的主攻方向，要适应农业特点，接好农村地气，遵循市场和产业发展规律，探索可持续的商业运行模式，必须深刻把握“三农”发展的新阶段和新趋势，着力加强供给侧结构性改革，着力提高农业供给体系质量和效率，紧紧围绕农业现代化和城乡一体化的建设需求，明确本地区农业4.0发展定位，通过农业4.0建设，形成农业4.0发展的新模式、新机制和新产业聚集的源发地、产出地和示范地。

（三）重点领域

大田种植、设施园艺、畜禽养殖和水产养殖是农业4.0的四个重点领域，信息技术、装备技术和种养技术深度融合下的大田种植、设施园艺、畜禽养殖和水产养殖生产过程的设施化、装备化、自动化、智能化和精准化，是农业4.0在各领域应用的主要体现。

大田种植4.0主要采用空天地一体化的农田和作物生长信息获取技术，通过对农作物农情的精准获取实现长势、灾害、产量的精准预测、预警与防控；采用水、肥、药变量精准作业技术，实现农作物和果蔬的精准灌溉、施肥和施药，提高水、肥、药利用率，减少对资源的浪费和环境的污染及破坏；通过作物和果蔬收获精准计量与统计上报技术，实现作物产量精准测报；采用农机跨区指挥调度与作业优化技术（滴滴农机），进而实现农机最佳利用。

设施园艺4.0采用光、温、水、肥、热的精准测控技术，实现蔬菜、花卉和瓜果的精准生长调控；采用射频标签和机器视觉技术，实现花卉的个性化管理和收获的自动化；采用机器人技术实现蔬菜嫁接、采收；采用射频导航、机器视觉和近红外等技术实现蔬菜、花卉、瓜果的分选分级和自动化包装。

畜禽养殖4.0采用环境感知技术和自动控制技术实现猪、鸡等养殖环境的精准调控；采用射频标签、动物生长优化调控模型和智能饲喂装备技术，实现畜禽个性化精准饲喂，最大程度节约饲料，提高饲料转化率；采用机器人技术，实现挤奶和粪便清扫自动化；采用近红外等技术实现捡蛋、计量和包装自动化；采用射频技术、近红外和机器视觉等技术实现发情、疾病等行为的自动检测。

水产养殖4.0采用环境测控等物联网技术和生长调控模型技术，实现池塘养殖的增氧、投饵的自动化和精准化，陆基工厂养殖水质精准处理、水泵、投饵等装备的无人值守，采用机器视觉、动物生长调控模型等实现网箱投饵自动精准控制和水质监控；采用机器视觉技术实现鱼卵、鱼苗质量检测和计数，以及成鱼的分鱼和分级。

（四）阶段任务

根据各地区农业发展现状和任务布局，在规划发展的时序上，按照启承顺序安排先导发展期、主体发展期和覆盖发展期三个阶段，总体承前启后顺序，但在起步时间上有一定的承延、交叠关系。

先导发展期：农业2.0（2015-2020年）。“互联网+”现代农业建设取得明显成效，农业农村信息化水平明显提高，信息技术与农业生产、经营、管理、服务全面深度融合，信息化成为创新驱动农业现代化发展的先导力量。在现有农业信息化建设基础上，升级完善实现农业2.0基础设施，应用效果显著的现代农业示范园区、现代农业产业园区和现代农业家庭农场，开始探索实现农业3.0的路径，总结经验，树立类型多样、模式先进、成效明显的示范区。东部地区和农业信息化建设有良好发展基础的地区，率先进入农业3.0的试点和建设，探寻农业3.0的路径，为中部和西部地区的发展提供成功经验。

主体发展期：农业3.0（2020-2050年）。承沿农业2.0示范区，优先发展示范区周边，产业基础良好、特色明显的区域，发挥各省市建设现代农业的积极性，大力调动社会资本进入，利用市场化机制推动建成若干有代表性农业3.0的综合示范区。东部地区在完成农业3.0路径探索的基础上要逐步开展农业信息技术的全面、集成、融合应用，中部有条件的地区也将逐步进入全面集成融合应用阶段。

攻坚发展期：农业4.0（2050年-2070年）。按照全覆盖的要求，深挖后发地区的资源特色和优势，集中人力、财力、物力，通过政策倾斜的方式，采用对口帮扶、资源注入、联动发展等措施，加快中西部区域、少数民族地区农业4.0的整体建设，我国农业全面进入农业智能化、无人化、虚拟化阶段，彻底解决制约农业生产的环境、劳动率、资源利用率和土地产出率的问题，最终实现全国农业4.0全覆盖的发展目标。endprint