我国智慧生态农业持续发展初论

刘首文

（1.中国生态农业产业技术创新战略联盟，北京 100062； 2.湖南省经济地理研究所，湖南 长沙 410004）

我国是一个传统农业大国，但不是农业强国，首先是因为我国农业机械化程度低，自动化、智能化程度更加低下，智慧化农业刚刚开始起步，其次是农业生产效率不高，比不上美国、以色列、日本等国家。我国具有悠久的农业发展历史[1-2]，在14 亿人口中，农村人口占60% 以上。但是我国作为一个发展中的大国，农业持续发展面临人地矛盾尖锐、水资源短缺、水土流失、荒漠化、石漠化、土地生态退化、干旱和洪涝灾害，环境污染以及国际“绿色壁垒”等限制性因素的制约，农业发展的困难和问题很多。尤其是水资源短缺将会长期困扰我国农业的发展。要使我国人口与资源环境关系协调发展，必须提高农林牧渔产品的产量和质量，加强自然资源的保育和生态环境的保护，高效利用各类资源，破解农业主要限制性因素，发展智慧生态农业，实现农业可持续发展和土地高效利用。

一、我国生态农业发展概况

（一）我国古代的初级生态农业

我国是世界农耕文明觉醒最早的地区之一，农耕文明也是中华文化重要的组成部分，同时，世界四大古文明只有中华文明连绵延续至今，另外，农耕文明诞生了我国及东方文明特有的思维角度和思维模式，从而产生了东方哲学（比如天人合一的理念）宇宙观、人生观、价值观以及生态观。中国的“智慧观”也产生于农耕文明、农业生产实践。因此，生态文明在我国有悠久的历史。西周初年，中原地区进入了奴隶制社会的鼎盛时期，农业有了进一步的发展，农田不断扩大，森林植被逐步减少，土壤侵蚀较严重。在这样的情况下，先民们开始进行“平治水土”的活动，故稍后的《诗·黍苗》篇中有“原隰既平，泉流既清”的诗句[3]，意思是说水土流失控制了，河水也疏清了。这是我国最早的生态文明思想。在这一思想的驱动下，我国古代生态农业早在奴隶制社会粗放农业时期就已经出现，它一直伴随着传统农业的发展而逐渐壮大起来。《诗经·大田篇》是一首农事诗，指出肥美的田，要选择相应的的良种[4]。表明西周时期的先民，已知晓肥沃的农田应选择相适应的良种，可获得高产。这是古代生态农业的萌芽。

后魏贾思勰的《齐民要术》认为，在农业耕作上，要能够“顺天时，量地利”，就可以得到“用力少而成功多”的结果[5]。这是生态农业因地、因时、因作物制宜经验的总结。并且，我国在战国时代以前就形成了充分用地、积极养地、用养结合的思想，开始走上土地连续利用的道路，产生了轮作复种制、间作和混作、套种制[6],耕地的复合种植广泛地发展起来。东晋著名田园诗人陶渊明的《归园田居》中有“开荒南野际…榆柳荫后檐，桃李罗堂前…鸡鸣桑树颠”之句[7]，所说的桑树，可能就是近年湘赣丘陵区发现的一种桑叶含蛋白质20%的“蛋白桑”，故鸡喜食，而飞到桑树顶去吃嫩叶。表明那时林果牧复合生态农业已经存在。北宋时期的《桐谱》，论述了泡桐的用途，栽培方法和生态习性与对土地类型的适宜性选择[7]，是我国古代生态农业（包括林业）理论开始产生。到了清代，由于生产的发展，人口迅速增加，至道光十五年，全国人口猛增到4亿人，耕地面积只增加了40%，人均耕地面积减少了66%，全国人多耕地少的矛盾从此形成。通过连作、间作、套种来发展多熟种植，提高复种指数，集约利用土地，用地与养地结合，并采取林、果、粮复合种植，粮、畜、桑、养殖综合发展的经营模式，就成为缓解人地矛盾地重要措施。湘西、鄂西、川东的油桐产区，普遍间种玉米、药材等作物，出现了林茂粮半、桐油、药材等林农产品远销外省地盛况[8]。

如此看来，我国古代初级生态农业地发展过程，是由实践上升到理论，由局部发展到各地的过程。虽然这种初级生态农业为农业增产、农民增收起到较大的作用，但由于封建统治阶级不重视农业科技研究，轻视农业研究人才，生态农业的理论处于停滞状态，因而理论很肤浅；生态农业技术进步很慢；生态农业模式类型比较单一，生态农业覆盖十分有限。

（二）我国的现代生态农业

新中国成立后，旧中国留给我们的小农经济和传统农业不适应社会发展的需要，加上人口激增，迫切需要发展农业生产，增加粮食和其他农林牧产品的产量。经过几十年的努力，我国农业的基础条件、支撑体系、投入水平和科技水平等方面不断改善和提高，农产品产量显著增长，粮食产量逐渐增加。1984年我国粮食人均占有量接近世界平均水平[9]，到2005年我国粮食、油料、棉花、猪肉、果品、茶叶等主要农产品产量位居世界第一。我们用仅占世界9%的耕地和仅占6%的水资源，却养活了占世界22%的人口，创造了世界奇迹。经济的迅速发展，人口增加，人们对提高生活的水平有更高的要求，土地资源供需矛盾变得尖锐。这一形势促进了我国农业向现代生态农业的发展。我国的现代生态农业，是包括农、林、牧、副、渔和加工在内，按农业生态系、农业经济学原理和系统工程方法，建立的大农业生产体系或生产工艺，以当地资源环境状况和经济发展需要为依据的。它是一种新型农业发展模式，实行有机与无机相结合，趋利避害，在充分合理利用各类资源的基础上，发展生态技术和现代农业技术为手段，谋求生态效益、经济效益、社会效益于一体的一种高效农业发展模式，是一个把农业生产，农村经济发展和农村环境保护及高效利用农业资源融为一体的新型农业综合农业体系。也就是将生态工程原理应用于农业建设，实现农业生态化的生态农业[10]。从目前生态农业的现状看，农业生态工程就是生态农业的模式与相应的工艺系统的总称。在今后生态农业的发展中，中国特色的生态农业和农业生态工程的理论和定义也会不断丰富和进步。

我国生态农业发扬了我国古代初级生态农业精耕细作、勤劳与智慧相结合的优点，吸纳了国外生态农业的长处，形成了具有中国特色的生态农业。农林牧副渔复合生态工程，无污染食品生态工程、城郊型农业生态工程、山丘治理农业生态工程、荒漠化土地治理农业生态工程都取得了显著进展，生态农业建设取得了举世瞩目的成就。国家调查数据显示，自开展生态农业建设以来，全国粮食总产量增加率一般在15%以上，人均纯收入平均水平高于当地环境水平的12%，水土流失面积较1990年减少49%，各种原因造成的土地沙化面积减少21%，水稻田和旱耕地秸秆还田率增加了13%。我国建立了包括西北华北在内的三北防护林体系工程，长江中上游、沿海、平原、太行山等防护林体系工程，以及南水北调工程、洞庭湖区退田还湖工程、全国防沙治沙工程、自然保护区建设与野生动物植物保护工程和退耕还林还草生态工程项目。同时退化土地生态修复和生态重建设与美丽乡村建设也取得很大成绩。初步形成了我国农业、林业生态环境，草原牧业建设、美丽富裕乡村建设的新局面[10]。

二、我国智慧生态农业现状及存在的问题

（一）智慧生态农业发展现状

智慧生态农业是生态农业发展到一定阶段的产物。它是结合农业生态工程，以人的智慧、经验和以互联网、物联网、地理信息系统、大数据、云计算、人工智能等与包括农林牧渔和加工在内的大农业深度融合，实现农业信息感知、定量决策、智能控制、精准投入、个性化服务的崭新农业生产方式，是农业信息化发展的高级阶段[10-11]。它是伴随生态农业发展起来的，是以生态农业为基础的，它是智慧农业的生态化或生态农业的智慧化。由于党和政府对生态农业和智慧农业十分重视，因而近年我国的智慧生态农业发展较快。我国农村普遍开展了网络基础设施建设，2017年行政村通宽带的比例达96%，农村网民规模达2.11亿[12]。“互联网、物联网、大数据+现代农业和人的智慧经验与生态农业结合推动了农业经济快速发展，取得了很大的成效。据调查，衡阳市5 个生态农业企业，由于应用了互联网、物联网、大数据，降低了生产和销售成本，提高了产品质量，近三年平均每亩年纯收入增加17%；益阳市益华农林科技开发有限公司在发展生态农业中，一方面依靠专业技术人员指导提高农产品质量，另一方面与市场对接，近三年平均每亩年增加纯收入15.7%，增长幅度达到极显著水平。

智慧生态农业创造了一些美丽而富裕的乡村。湖南省衡南县工联村，为紫色岩岗地区，坡地基岩裸露，水土流失严重，农田地下水位高，大多为低产田，农业生产单一，经济落后，群众生活困难，30年前人均纯收入仅500 元。从1988年开始，开发荒山，造土建果园，改造中低产田和低产水面，发展农林牧渔复合农业，土地利用率达100%，水土流失治理率达100%，土壤侵蚀模数由860 t/hm2下降到1.63 t/hm2，坡地林草覆盖度达95.0%，稻田水旱轮作面积率达100%，耕地果园平衡施肥率达100%，稻草还田率达80%，灌溉水效益由每立方米生产粮食6.8 kg 提高到12 kg。1978—2018年，耕地每亩年纯收入增长17.4 倍，林地增长12 倍，园地增长11.3 倍，人均纯收入由500 元提高到20 500 元，增长41 倍。水稻、棉花、烤烟、蔬菜、家禽、牲猪、鲜鱼、柑桔成了七大产业。全村各户实现了通电、电话、宽带、自来水、水泥路等“五通”，清洁田园、清洁水源、清洁能源、清洁家园等“四洁”，成了南方紫色土山丘利用与治理、发展智慧生态农业的榜样。总的来说，我国智慧生态农业正处在试验示范的起步阶段，应用面积小，水平也不高，但总的趋势是在逐渐发展。

（二）智慧生态农业面临和存在的主要问题

1.坡地类型特征和植物生态习性研究较少

人类食物直接或间接来源于高等绿色植物，而这些植物都根植于土地。我国是一个多山的国家，包括山地、丘陵、岗地在内的广义的山，其面积占我国土地总面积70%。因此，坡地是我国土地资源的主体，缓坡地是坡地的精华所在。山区的出路在生态农业[11]。发展生态农业，高效利用山丘坡地，是缓解我国人地矛盾，实现山区稳定脱贫的重要途径。我国的植物种类数以万计，主要分布在山丘地区，其生态习性千差万别；坡地类型、坡面形态及其特征特性复杂多样。虽然近几十年来我国对坡地的研究取得了很大的进展，但是对我国各个气候带，特别是热带和亚热带这块宝地自然界的认识仍然十分有限，对许多坡地类型适应性与限制性、植物的生态习性知之甚少，从而降低了生态技术及其他农业技术与土地类型对接的准确性，成为智慧生态农业第一个短板效应。

2.耕作粗放，部分智能设备落后

现代农业的发展，农业机械代替了传统农业的人力、畜力，减轻了人的劳动强度，降低了生产成本。但是，不少地方机耕，由于土块未打碎，厢面不平整，其他农业技术发挥不了作用，使得作物生长参差不齐，影响了农作物产量，既不增产，也不增收，成为智慧生态农业的第二个短板效应。我国目前自主研发的农业专用传感器数量少，且稳定性差，动植物模型与智能决策准确度低和智能化精准作业装备缺乏，也是智慧生态农业的短板[11]。

3.不合理的利用土地，导致土地生态退化

重视水稻田、水浇地，轻视旱耕地的观念和行为导致大部分旱耕地生态退化，生产力下降，变为低产地。耕地重用轻养，没有用养结合，长期以耗地作物为主，也导致一部分一等耕地地力衰退。林地长期速生树种连种，大量消耗土壤深层的养分和水分，使土壤垂直肥力下降，最后失去生产力或树木生长很差。亚热带和北热带速生树种甚多，以杉树、国外松、马尾松、檫树、桉树等种植面积最大。杉树生长迅速，树干通直，曾在经济建设中发挥了重要作用。过去多年连续种植，使得红壤山丘肥力明显下降。桉树根系深，生长特别迅速，曾为华南地区和中亚热带南缘农民致富立了大功。但是，由于桉树吸肥吸水能力很强，大量消耗了土壤表层、深层的水分养分，而且由于忽视了与豆科树种混交或轮种，也未间种豆科、禾本科牧草，土壤养分得不到补充，加上南方多雨，土壤养分流失较多，因而桉树林地生态退化十分严重[12-14]。据考察估算，生态退化面积有数千万亩。园地、林地生态退化是制约生态农业产业化的重要因素。

4.专业技术人才严重短缺

我国处在大力发展现代农业的关键时期，农业科技人才需求十分旺盛，而广大农村农民受教育程度偏低。并且由于城市化和工业化发展加快，大批高文化素质农村人才流向城市和非农产业，这一过程从未停止，使得尚在农村的农民素质呈逆向发展态势。现在农业技能型人才队伍状况不容乐观，基层农林牧技术推广部门专科以上学历所占比例不到50%，高等农业职业人才严重匮乏。整体上农业技术水平低，技术创新能力弱，农业配套技术短缺或滞后，无法为现阶段农业生态化、智慧化发展提供技术支撑。

三、我国智慧生态农业发展的途径与对策

（一）夯实智慧生态农业发展的基础

1.建立和完善耕地、园地地籍档案

耕地和园地是土地资源的精华，必须在土地整理的基础上，按地块建立和完善地籍档案，同一块地必须是同一种土壤类型。档案中的资讯包括土层厚度、各层质地、地下水位、障碍层、土壤理化性质、历年种植作物、施肥种类及水平、作物产量等，并储存在数据库里，为大数据平台所应用。次年耕作播种施肥前，信息中心便可按地籍大数据送来所需种子、肥料，并可预算产量，决定采取相应的田间管理措施。

2.加强对各种土地类型特征和植物生态习性的研究

在研究平原、谷地土地类型划分和特征特性、主要限制性因素的同时，加强对坡地土地类型分类、坡面形态分类、特征特性及空间组合状况的研究，以避免土地类型在利用治理方法上“一刀切”。亚热带、热带山丘坡面类型，特征极其复杂，而且生产力高，利用潜力巨大，应是研究的重点，缓坡地研究是重中之重。我国植物种类多，对栽培植物生态习性研究多，对野生植物的生态习性研究较少，也不够深入。应以野生经济植物生态习性为重点，通过试验研究，提出不同植物与不同土地类型对位配置的方法。

大面积土地农业开发时，应先进行土地资源适宜性评价，指出各个土地类型对农林牧或特定的树种作物的适宜性、适宜程度，以及主要限制性因素，提出土地利用方向和改造措施，是发展智慧生态农业的重要前提。

（二）进行生态修复，消除生态农业产业化的障碍因素

1.水稻田的生态修复

长期植棉的水稻田，由于棉花根系深，根系发达，土壤养分消耗多，没有及时得到补充，因而，稻田土壤垂直肥力下降，水稻和棉花产量逐渐减少。采用不同水旱轮作模式，能使稻田土壤肥力提高。据调查，长期棉花-水稻轮种的稻田，进行棉花与水稻、油菜或水稻-蔬菜、水稻-棉花、紫花首蓿套种或轮种，三年试验后较试验前，土壤pH（水浸）由5.6 上升到6.6 ～ 6.8，碱解氮量由87.0 mg·kg-1上升到132.0 ～ 139.0 mg·kg-1，有效磷量由13.5 mg·kg-1上升到27.3 ～36.2 mg·kg-1，速效钾量由97.0 mg·kg-1上升到145.0 ～173.8 mg·kg-1，缓效钾量由 182.6 mg·kg-1上升到304.7 ～323.5 mg·kg-1，有机质量由21.1g·kg-1上升到29.4 ～31.5 g·kg-1；氮、磷、钾含量也有明显上升，说明土壤肥力已经恢复。同时，水稻增产14.7%，棉花增产18.5%，投入产出比由1∶1.97 提高到1∶2.46，增产增收都很显著。棉花与紫花苜蓿套种，深层土壤养分含量也显著提高[15]。

2.旱耕地生态修复

生态退化的旱耕地，生态修复的方法有坡耕地改水平梯土、农作物与牧草轮种、间种、套种，等高起垄栽培、等高垄沟草垱区田、间隔深松中耕、聚土、土层重组、施有机肥、粮草轮种等。具体采用何种方法或两种、多种方法结合，需视具体情况而定。如土壤颗粒较粗、肥力很低的紫色沙土坡耕地，则要土层重组、起垄栽培、作物与牧草间种等三种方法结合，先土层重组，将坡面从上至下，沿等高线，表土层与表土层筑矮梗，心土层与心土层筑高梗，形成垄沟相间，再在沟内种农作物，垄上混种豆科、禾本科牧草，作物产量显著提高，土壤也得到改良培肥。如果坡耕地土层较厚，但土壤抗旱力弱，水土流失严重，则采用等高垄沟草垱区田方法，在坡面从上至下沿等高线挖水平沟，挖出泥土作垄，沟内分段筑土垱；高度低于垄，土垱上种当地禾本科矮草，保护土垱不被水冲，使沟形成一节节的“田”，垄上种作物。据试验，这种方法较顺坡种植、横坡种植、垄作区田水土保持，提高土壤抗旱能力都强；较顺坡种植减流51.7%，有机质流失少26%，油菜、玉米产量分别增加7% 和11%，达到极显著水平[16]。我国南方、北方都适宜推广应用。

3.经济林地的生态修复

我国南方红壤，一般都存在酸、瘦、板等问题，由于红壤山丘区降雨量多，水土流失比较严重，而我国的经济林油茶主要栽培在红壤山丘坡地，故不同程度地存在生态退化问题。红壤油茶地生态修复的方法，主要有坡地改水平梯田，在坡面分段开挖截流沟或分段建复合草带拦截土壤养分，垒土和“山圹沟”整地，间种禾本科和豆科牧草培肥土壤，在油茶间药材地间隔探松中耕及间农作物等。这些方法都有防治水土流失、增加土壤水分含量、提高土壤抗旱能力、改良培肥土壤的作用，往往在一个坡面采用其中几种方法，进行技术集成，使生态修复的效果大大提升。有试验表明，在红壤油茶幼林间种冬季和夏季绿肥牧草，采用最新科研成果，合理组装间种技术，使培肥效果最大化。冬季绿肥用豌豆和黑麦草，夏季牧草用乌瓦雀稗和白三叶。豆科植物种子用钛肥、溶磷菌调淤泥拌种，非豆科植物用钛肥、溶磷菌调黄泥拌种；生长期间绿肥、牧草都喷施钛肥，绿肥、牧草产量显著提高，改土培肥的效果也随着提高[17]。试验后的第一年至第四年土层有机质含量提高6.9%～31.7%，全氮提高54%～212.2%，速效氮提高8.8%～57.6%；径流减少19.5%～53.1%，流失泥沙减少55.6%～59.3%；0 ～20cm 土层土壤含水量提高0.89%～2.95%；土壤容量下降1.2%～7.9%；土壤孔隙度增加1.2%～5.9%。效果达极显著水平[17]。

4.速生用材林地生态修复

我国速生用材林地生态退化以桉树林地最典型，退化的主要原因是桉树生长特别迅速，根系很深，消耗土壤垂直养分和水分量大，其次是部分植桉树坡地在整地时，刨光了地表草皮，导致地表水土流失，冲走了土壤养分；而损耗的土壤养分未能得到补充，使得连种桉树林地林木越长越差，树干变小。生态修复可在桉树林地间种豆科树种新银合欢、马占相思、黑刺槐、印度黄檀及豆科草本植物柱花草、紫花苜宿，禾本科牧草苇状羊茅、百喜草等。豆科植物根系的根瘤菌能固氮补充土壤的氮素，老根腐烂可变成有机肥。而新银合欢种后一年就能得有用的产品，草本植物根系发达、枯叶多，能丰富土壤有机质。牧草嫩叶营养成分高，牛、羊、鸡、鸭喜食，可发展林下养殖，几个月就能提供禽类产品。连续多年种植的桉树纯林皆伐迹地，很难生长植物。混种紫花苜宿、柱花草、苇状羊茅、乌瓦雀稗、百喜草等牧草，经过2 ～3年，即可再种桉树，或其他速生树种。

5.竹林地生态修复

我国竹林以毛竹分布面积最大，约有200×104hm2，其中粗放经营的毛竹林面积占65%，竹林地荒芜，杂草、灌木混生，土壤板结，及不合理砍伐造成立竹稀而小，提高这类竹林产量潜力很大，极为重要。生态修复的关键在于增加竹林密度和叶面积指数，以充分利用太阳能。主要措施包括增加密度，造成纯林、合理砍伐，挖山垦覆和和施肥，修山抚育，铲除灌木、杂草，护笋养竹等[18-19]。

（三）推动智慧生态农业产业化发展

1.大力发展特色农业、地域农业，促进智慧生态农业产业的融合发展

我国地域辽阔，资源丰富，地域条件多样。要充分利用各个地域特点，因地制宜，因作物、林木、畜禽种类制宜，做好包括农林牧副渔和加工及农业观光在内的大农业发展规划，着力发展面向市场的特色农业、订单农业、设施农业、精致农业、大数据农业、有机农业与生态农业，推动智慧生态农业与生态林业、生态草业、生态畜牧业、生态渔业融合发展，在发展过程中与第二、第三产业融合，形成区域智慧经济。

2.加快推进农业产业化经营

一是通过土地流转，发展规模种养业大户。尤其是要积极培育种养业能人大户，充分发挥他们的带头作用和示范作用。二是要抓基地建设，以基地带农产，实行规模发展。通过抓基地建设，实现一地一品，一乡一业，从而带动农业生产结构的调整。三是抓区域经济，依靠一地一品，促进联合发展。这种发展有村组集体联合、农产个体联合（包括农业合作社）两种形式。四是抓以短养长，实行滚动发展；抓加工增值，效益延伸，实行深度发展。五是抓市场建设。把生产者和消费者连接起来，促进优势农产品规模生产，产业化经营。六是抓优化服务和农业技术维护。农业生产化基地建设，必须组建农业信息网络，其职能是收集、整理、开发各种农业信息资源，指导农业生产，助力销售农产品，并把信息传播到农户，为农民种、养、销售提供决策参考。同时，抓好农业技术和生态农业技术、环境保护技术、农业生态修复技术推广。

3.抓好农业产业化发展投入

首先，抓好农业公益性基础设施投资，由政府财政负担，用于修渠、修路、拦河筑坝、改电网、建市场，推动社会主义新农村建设。同时，要引导农业龙头企业、社会闲置资金及农村集体经济组织投资盈利性农业项目。

4.提高劳动者素质，加快现代农业进程

一是进行保护生态环境和耕地资源的教育，提高农民保护生态环境和耕地的自觉性。二是组织农民学习科学种田，保护自然资源与生态环境、生态农业的先进技术，成为有社会主义觉悟、懂农业技术的新型农民。

5.研制智能化农业机械和仪器仪表

研制包括适合平原区、山丘区的具有自主知识产权的智能拖拉机、收割机、农业机器人、大载荷农业无人机、农业传感器、仪器、仪表等，提升智慧农业产业水平。

四、展望

我国有广阔的平原，类型多样的山地，众多的河流、湖泊，耕地、林地、草地资源十分丰富。新中国成立以来，我国农林牧副渔都得到长足发展。我国还有大面积的沙漠、荒漠、沙地、戈壁、盐碱地和生态退化的耕地、林地、草地需要治理和修复。江河连通构建我国水资源调配新格局形成后[20]，可以从雅砻江、大渡河、金沙江调水到黄河，灌溉黄河中下游平原，还可以引水到河西走廊、黄土高原、内蒙古高原。在同雅鲁藏布江、怒江、澜沧江出境流经的国家协调后，可以从这3 条河上游在丰水期调水到塔里木盆地及河西走廊、柴达木盆地等地，使我国的沙漠、沙地、荒漠、戈壁都变成绿洲。那时，我国农林牧副渔业用地将会大幅增加且各业更加深化和相融。由于智慧和生态两个理念是相辅相成、互为表里的，就像中国传统文化中的阴阳理念一样，一而二、二而一者也。智慧不是智能，智能化的高级阶段才是智慧化，智慧经济是知识经济的最高级阶段。互联网的发展随着5G 技术的出现而实现物联，可以说，物联网的未来一定或必定是智联网。因此，智慧产业的发展必然是生态化的，而生态文明的进步一定是由智慧来启迪引领。

慧者，明道也。乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海。当互联网、智联网、大数据与现代农业结合时，以及互联网、物联网、智联网技术生态化的应用和不断进步与发展，我国的智慧生态农业和智慧生态经济将会蓬勃发展兴旺，前景十分广阔和无限美好。