一体化智慧灌溉系统在四川地区的可行性分析

王荻 姚帅君 胡雨 黄梦洁 谭积杨

Feasibility Analysis of the Integrated Smart Irrigation System in Sichuan Region

WANG Di， YAO Shuai-jun， HU Yu， HUANG Meng-jie， TAN Ji-yang

【摘  要】党的“十三五”规划提出发展节水型农业，并且积极推进农业的发展转型。农业的转型自然离不开科技的助力，通过一体化智慧灌溉技术和设备的引入可以改变传统农业的灌溉方式，通过应用精准灌溉的施肥技术可以改善农业种植技术，提高水肥利用率进而提高农业生产率。论文从技术分析、地域分析和经济效益分析等多角度全面分析了在四川地区投资建设一体化智慧灌溉系统的可行性，为智慧农业和康养农业的项目投资者、从业者以及相关部门的政策制定者提供了行动基础和依据。

【Abstract】The "13th Five-Year" Plan of the Party proposes to develop water-saving agriculture and actively promote the development and transformation of agriculture. The transformation of agriculture must be inseparable from the help of science and technology. Through the introduction of integrated smart irrigation technology and equipment， traditional agricultural irrigation methods can be changed. Through the application of precise fertilization technology for irrigation， agricultural planting technology can be improved， water and fertilizer utilization can be improved， and then agricultural productivity can be improved. This paper comprehensively analyzes the feasibility of investment and construction of integrated smart irrigation system in Sichuan region from the perspectives of technology analysis， regional analysis， economic benefit analysis and so on， which provides the action basis and basis for the project investors， practitioners and policy makers of relevant departments of smart agriculture and healthy agriculture.

【关键词】智慧灌溉;农业投资;康养农业;可行性分析

【Keywords】smart irrigation; agricultural investment; healthy agriculture; feasibility analysis

【中图分类号】TV93                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）05-0183-04

1 引言

我国是世界上的农业大国，但又是耕地严重不足的国家。目前，我国人均耕地面积排名世界第126位，仅占有世界人均耕地面积的40%。一方面，我国水资源持续紧张，总量不足并且空间分布不均，严重制约了农业的发展;另一方面，农业管理却仍处于粗放型模式，没有合理有效利用水肥资源，导致生产率低下，远远低于发达国家水平，这也对我国农业向现代化转型升级提出了极大挑战。因此，应用一体化智慧灌溉系统（以下简称智慧灌溉系统）具有长远和现实意义。

智慧灌溉系统能够提高灌溉管理水平，改变人为操作的随意性，智能调控农药化肥用量，降低管理成本，显著提高效益，同時，也可以减少对生态的影响。因此，推广实施智慧灌溉，改变目前普遍采用的粗放灌溉方式，提高水肥利用率，是有效解决灌溉节水问题和提高水肥生产率的必要措施之一，是农业顺利转型、促进农业绿色可持续发展的必由之路[1]。

四川省作为西南地区地理环境复杂省份之一，既有“天府之国”美誉之称的成都平原，也有地形复杂的丘陵、山地、高原等地貌，且农业资源丰富，光是影响作物种植的土壤就有25种类别，但近些年来自然灾害及施肥后化合物对土壤的侵蚀，生态环境破坏严重。四川是农业大省，但农村人口空心化现象严重，劳动力缺乏严重制约了农业的发展。因此，以四川省为例作为一体化智慧灌溉设备的可行性分析，更具代表意义及示范推广作用。也为智慧农业、康养农业的项目投资者、从业者以及相关产业规划部门提供了行动基础和依据。

2 行业发展现状

国外对农业一体化智慧灌溉系统的研究比较早，目前的技术已经比较成熟。其中，以色列在该领域中一直处于世界领先地位。该国作为一个严重缺水的国家，高度重视农业一体化灌溉系统的研究和应用技术开发。目前，以色列应用一体化灌溉技术的农田面积占比约80%，水肥利用率高达95%[2]。该国已顺利实现了将一体化灌溉系统中对作物环境信息、水肥信息等实时监控数据的远程传输，并通过计算机模型处理信息并生成水肥灌溉指令，对农作物的施肥灌溉进行远程操作。此外，美国、澳大利亚、加拿大等西方发达国家以及日韩等亚洲经济强国的一体化智慧灌溉技术均快速发展并日益成熟完善，广泛应用于农业领域。同时，结合日臻成熟的物联网技术，国外学者将自动控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制和自适应神经模糊控制等智能决策系统应用到一体化灌溉系统中，已实现对农作物水肥灌溉的精准智能调控和远程操控。

我国对一体化灌溉系统的研发起步较晚，从21世纪初开始才开始针对这套系统进行研发和应用，近年来，我国在该领域的技术研究上有了长足进步。我国目前的技术主要利用可编程逻辑控制器（简称PLC）实现对农作物灌溉的模糊自动控制。随着物联网技术、电子通讯技术和自动化技术在我国的迅猛发展，我国当前的技术可以实现对农作物所處环境的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等主要参数进行实时监控、历史查询和异常报警，用户通过物联网技术和Web网络技术远程查看农作物各项数据并实现远程灌溉操作。近几年，国内学者一直致力于提升一体化灌溉系统的智慧性和精准性，将模糊控制算法等智能决策控制方法应用于该系统，实现真正的农业远程一体化智慧灌溉。结合前瞻产业研究院发布的《中国互联网+智慧农业趋势前瞻与产业链投资战略分析报告》[3]可知，智慧农业关键技术包括智能农业监控系统、农场标准化综合管理系统、基于物联网的农业感知技术、基于大数据的农业分析技术、基于云计算的数据处理技术等都是农业与科技结合发展的必然。目前，我国一体化智慧灌溉系统的研发正处于高速发展时期，但是实践应用却仍停留在依靠人工设定和操控层面，对于智能化和远程化操作还需进一步提升和深入推广。

3 农业结构和技术改革

农业供给侧结构性改革的根本目标是提高农业综合效益和竞争力，需要破解的基本难题是资源错配、供需脱节、市场扭曲的矛盾，核心就是要优化农业资源配置，减少无效供给，改善农业结构调整难和农民增收难的两难困境的现实状况，解决的三大突破点旨在促进农业发展转型，重视发展现代化农业和科技型农业。一是强化农业经营体系建设、创新农田基本建设模式，倡导加强对农场、农民和技术人员的队伍建设，强调规模化和从业人员的素质化;二是优化农业支持政策，提高财政支农政策的精准性和有效性，有效提高财政资金投资效率，强调资金对农业科技的支持作用;三是建立农业绿色发展机制，强调农业发展效率的重要性和农业生态环境的绿色持续性。

此外，基层农业技术推广站这几年发展缓慢，很难担当起对农业发展转型科技支持的排头兵作用，究其原因如下：一是乡镇农技部门隶属于乡镇政府，很多专业技术人员被借调到其他部门，从事和农业技术推广无关的工作，其专业知识白白浪费，很多乡镇甚至没有专业技术人员;二是一直以来由于试验、示范、推广的经费不足，致使农业技术推广工作发展缓慢，大部分高新技术只是停留在市级以上的试验示范和研究;三是基层农业技术推广队伍人员少、知识老化，不能及时再更新新知识、新技术;四是近年来，农村青壮年外出务工人员多，在家从事农业生产的群众多数是老年人，其思想意识落后，对学习新技术、使用新技术的积极性不高，对高新的经济作物种植技术更难以接受。因此，基层农业技术推广站的改革迫在眉睫，如果民间资本对灌溉系统等农业科技进行投入则可以尽快解决农业技术水平低下的难题和困境。

与此同时，农村要实现乡村振兴，关键在于深化土地“三权”分置改革，引导和促进资本向农村农业集中，实现农业生产规模化、专业化、现代化和农业产业的结构优化，促进与二三产业融合发展，切实提升土地产出效益和抗风险能力，因此，迫切需要资本对智慧农业系统的投资从而推动农业的规模化和专业的技术化。

面对此种情况，早在2016年中央一号文件便指出要大力推进“互联网+现代农业”，应用物联网、云计算、大数据、移动互联等现代信息技术，推动农业全产业链改造升级。针对该文，农业部后续出台《推进水肥一体化实施方案（2016-2020）》，强调提高水肥利用率，通过重点区域试点并利用一体化灌溉技术的推广，提高农业生产率。其中，文件特别针对以四川为代表的西南地区实际情况，提出推广实施高效补灌水和水肥一体化结合的系统模式。上述文件的出台，从政策上为一体化灌溉系统的推广提供了重要的制度保证和舆论宣传效果，也促进了该系统的技术研发进程和实践应用。

4 四川省各区域分析

4.1 地理环境分析

四川盆地气候温度适宜大多数农作物生长，尤其水资源丰富，平均降雨量充足，但时空分布不均的特点也十分明显，季节性干旱问题突出，迫切需要一体化灌溉系统对自然资源进行综合调配和有效利用。以成都平原以例，主要以平坝为主，利于规模化的种植。区域内属四川盆地中亚热带湿润气候区，历年平均气温16.5℃，年均降水量977.2mm，年平均相对湿度为81%，历年平均日照时数1032.9h，年平均风速1m/s，风向多为偏北风为46%，年平均无霜期297天。农作物种植时间长且温度适宜，区域内水系属长江水系支流岷江和沱江水系的支流，地表水及地下水充足，适宜灌溉设备的引入。

盆地东部年均气温17.6℃，年日照时数1192.7h，年降水量1026mm，年平均降雨日数147.7天，无霜期314天，属亚热带季风性气候区。境内河道属长江流域，流域面积广阔，但没有大的江河过境，只有沱江、涪江水系的支流，水量充足，适宜果蔬种植，例如，区域内柠檬、橘子的种植，如果引入和建设灌溉系统则可以大大提高支流水资源的综合调用率和有效利用率。

盆地西南边缘以浅丘为主，兼有深丘、山地、平坝等多种地貌特征。以该区域的蒲江县为代表，境内主要为岷江水系，境内地表水天然资源4.65亿m3，主要由降水产生，年平均降水总量7.56亿m3。地下水总储量2.84亿m3，可开采总量5522.8万m3。该县是著名的水果产区，特色水果生产已形成产业规模，现代农业产业园总面积316.28m2，合计47.44万亩，占全县辖区面积的54%，良种化、设施化、机械化率分别达95%、70%、75%。农业物联网、土壤大数据、农产品电商等技术在生产、加工、流通等领域已开始进行应用，一体化智慧灌溉系统的投入更能促进该地区农产品生产的效率提升，提升经济效益和生态效益。

四川除了盆地外，还有高原山地地区。地形更加复杂，海拔较高，以攀西地区为代表，日照充足，昼夜温差大，支流较多，水资源丰富，适宜水果种植，例如，盐源苹果、攀枝花杧果。该地区水果种植已经趋于产业化，但是地区降雨时节和作物需水时间不同步情况经常发生。更为重要的是，由于山地地形复杂，严重制约了农民日常的灌溉施肥程度工作，增加了日常生产成本，对自然天气的依赖程度也很高，同时，对于病虫害也不好实时监控和治疗，如果大量使用农药，又会对生态环境带来不良影响，难以保证农产品的绿色有机品质。而一体化智慧灌溉系统的投入则可以在空间、时间和地形上帮助农民提高水肥利用率从而提高产量，并且实时监控有关参数，提出预警并帮助预防病虫害的发生。

4.2 社会经济环境分析

四川省积极发展基础设施建设，为新型农业技术的推广尤其是系統项目的投资建设提供了基础和便利。以道路交通为例，省内的各县市之间的互通基本普及，全省自十八大以来致力于建设交通枢纽，尤其是扶贫通道的建设，新建高速公路近3200km，高速公路总里程达7520km，居全国第二。同时，全省各县市都颁布了有关于农业科技园发展、农业机械化发展等方面的优惠政策。一些是直接根据每家每户的种植面积、种植情况等给予相应资金和补贴;一些是鼓励集中生产，提高信息化、机械化水平的优惠政策，同时，还鼓励技术应用，提倡发展规模化、标准化、设施化的特色农业和生态农业。另外，康养产业的兴起，也对农业的发展提出了新的要求。随着我国健康问题和老龄化问题的不断严重，对绿色、有机农产品的市场需求越来越大，国家和地方各级政府纷纷出台多项文件，制定政策鼓励和促进康养农业的发展。四川作为人口大省和农业大省，人口老龄化的影响也更为突出，对养老、健康产品的需求也尤为明显。因此，一体化智慧灌溉技术将有助于绿色农业、康养农业的发展，并具有广阔的市场应用前景。

5 成本效益分析

长期以来智慧灌溉技术的推广应用一直进展得相当缓慢，这主要是因为一般农业生产者和参与者在计算成本和效益上，都比较注重短期效益或者未进行精确的成本收益分析。有关设备和服务的成本表面上看起来很高，一般农民或小型农场经营者无法一次性负担或者不愿意一次性投入这笔费用，但智慧灌溉系统实际上能提供全新的方式改变其对土地的投入和其从土地中获得的收益，在成本不变的情况下经营管理更多的土地。美国工程与生物系统学专家指出，“使用更先进的智慧农业工具能够节约更多的费用，约为每英亩15美元;使用指导系统和智慧农业基本技术可使每英亩节约2至8美元不等”。另外，研究显示智慧灌溉技术在不影响产量的情况下可以减少至少10%的化肥使用量。

5.1 成本分析

传统农作物或经济作物的种植基本上都依靠人力，从育壤、播种、育苗、施肥、除虫、灌溉到最后的收割都需要大量劳动力的投入。同时，各项劳作的精细准确度很大程度上都是依靠父辈流传的经验进行。当面对具有突发性和泛滥性的病虫灾害和恶劣天气的影响时，这样的经验式劳作具有极大的局限性，毕竟不同的区域有着不同的自然地理环境，尤其自然灾害存在不可预见性，因此，产出效果非常有限而且具有很大不确定性，智慧灌溉系统的投入可以很好地解决这个问题，提高产出并保证产量的稳定性。从人工成本角度来看，智慧灌溉设备通过传感器、数据控制台等技术进行自动精准灌溉、施肥，在很大程度上减少了对劳动力的依赖，对于大型的农场经营者而言降低了大批劳动力成本支出。虽然灌溉设备的引入会增加设备的前期投入和以后设备的维护费等，但从长远来看，设备的投入支出可以通过后期提高了的利润中收回。

5.2 效益分析

农作物及经济作物的盈利点主要是依靠规模化种植降低成本以及品质提升提高价格优势。农业经济的规模化已成为大势所趋，同时，也是我国刚性劳动力减少的迫切要求。智慧灌溉设备的引入可以通过基于精准的农业传感器进行实时监测，利用云计算、数据挖掘等技术进行多层次分析，并将分析指令与各种控制设备进行联动完成农业灌溉、管理。这种智能机械代替人的农业劳作模式，不仅解决了农业劳动力日益紧缺的问题，而且实现了农业生产高度规模化、集约化、工厂化，可以显著提高生产效率。此外，结合网络服务体系和通讯技术，农业相关人员足不出户就能够获取农作物实时信息、进行远程灌溉操控甚至是机器智能进行灌溉调控，专家系统也可以远程指导农业生产，改变了单纯依靠经验进行农业生产的经营模式。此外，智能灌溉设备还能实时监控并及时预防农业生产过程中出现的灾害，提供对策帮助解决突发性的灾害问题进而降低风险的影响减少损失。同时，系统的精准分析可以有效地降低种植农作物带来的生态环境污染风险，有效促进绿色农业、康养农业的发展。

6 结语

推广一体化智慧灌溉系统既顺应了国家大力发展节水型农业、智慧型农业和康养农业的号召，也是人口红利消失背景下进行规模化经营的迫切需要。在技术上我国目前已经可以实现水肥的一体化精准灌溉、远程化控制甚至是智能操控。从经济角度分析，该系统适应现代农业的规模化生产，可以节约人力成本和农资成本，提高水肥利用率和生产效率，预防自然灾害风险减少损失，提高农业生产利润。同时，该系统有助于绿色、有机农产品的生产和监控，推动绿色农业和康养农业的发展。该系统的推广既有政策支持，也有市场需求空间，因此，在四川的推广应用具有可行性。

当前，四川省的农业自然条件比较复杂，推广基础条件也不一致。对于经济发达、城市化程度高的地方，可以在农业规模经营的基础上进行智慧农业试验，推广智慧农业技术，而对于经济发展缓慢、城市化进程缓慢的地区可针对性地进行局部试验和推广。

包括四川在内的我国西部地区，水资源在地理和时空上分布严重不平衡，但现阶段水资源开发利用方式不合理，灌溉方式不当引起的环境恶化问题严重。智慧灌溉系统可大大节约水资源利用率并遏制环境恶化。智慧灌溉系统在四川的大力推广，可以为该系统在西部地区的深入实践起到示范作用，进而推进农业现代化、普及现代信息技术和打造新型智慧农业，从而改变我国西部农业落后面貌。

【参考文献】

【1】农办农〔2016〕9号.推进水肥一体化实施方案（2016—2020年）[Z].

【2】吕途.基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统研究[D].郑州：华北水利水电大学，2019.

【3】前瞻产业研究院.中国互联网+智慧农业趋势前瞻与产业链投资战略分析报告[EB/OL].https：//bg.qianzhan.com/report/detail/e9c83de158844432.html.