智慧农场技术在上海农场的集成应用与示范

姜忠旭 陈芳芳 许更文 袁婷婷 马里超 沈丽丽

摘 要 通过农业新技术的应用，上海农场改变了传统农业领域种、管、收等环节生产效率低的问题，降低了劳动成本，提高了生产效率。介绍了上海农场在智慧农场建设中应用的智能化灌溉系统、农机实时监测系统等新技术及其取得的阶段性成果，分析了新技术的优势所在，指出了目前智慧农场中突出的问题与难点。

关键词 智慧农场;水肥一体化;现代化机械;智能灌溉

中图分类号：S126 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.05.046

智能化、信息化、机械化的推进是农业发展的必然方向，有助于保障农业生产的顺利开展，能够加快促进农业标准化生产的达成。运用信息化技术能够提高农场的建设质量，开展智慧农场，改变农场的发展方式，提高农场的经济收入，促使农场在人们的生活中发挥出其独有的特点[1]。智能农业强调的是通过在机器上运用各类电子技术和控制技术，提高机器装备对农业各环节的智能化操控水平[2];数字农业是通过将农业全要素、全系统、全过程数字化，进而实现农业科学决策和数字化管理[3-7];精准农业强调的是基于农业动植物和空间环境等信息的变化而采取的精细投入管理[8-10]。

上海农场致力于打造集农业机械化、智能化、信息化于一体的智慧农业示范区，而智慧农场的推广与应用可提高生产效率，减少农业对劳务用工的依赖，提高生产管理者的种植水平，节约水资源，降低人力监管成本，提高农业生产效益。同时，还能资源化利用沼液，减少化肥的投入，使农业生产向种植标准化、精量化方向发展。阐述上海农场在智慧农场建设过程中“缓控释肥+沼液或液体肥”的水肥一体化应用、现代化机械的研制及应用、智能化灌溉系统、农机实时监测系统、智能精准监测系统及农业数字化平台的应用等。

1技术应用

1.1缓控释肥及水肥一体化技术

缓释肥料能减缓养分释放速率，施用缓释肥能实现作物一次性施肥，从而简化施肥技术，降低施肥劳动强度，减少施肥成本，提高肥料利用率，并减轻养分流失造成的环境污染。水稻播种前施用的底肥为每667 m2施红四方控释肥25 kg（氮、磷、钾含量28∶6∶6）+缓释尿素17.5 kg（氮含量为43%），播种后的苗肥及孕穗肥不再使用常规尿素及复合肥，主要通过水肥一体化进行操作。水肥一体化主要是通过肥水，如沼液或液体肥（尿素硝酸铵溶液，N含量32%），与灌溉水充分混合自然流入田間，以补充中后期氮肥的供用，不再用人工施肥或机械抛肥，减少了水稻生长季的施肥次数，减少田间踩踏或碾压。整体肥效较好且均匀一致，水稻长势良好，较好地满足了水稻生长需求。

1.2现代化的机械应用及自主研制农机装备

上海农场农业生产已实现全程机械化，仅有少量需要进行人工辅助。为进一步减少劳务用工、节本增效，推广应用无人机飞防代替原来的自走式喷药机，对原有的机械装备进行优化改进，研发水田开沟机、水田筑埂机、种肥装卸一体机等新装备，减少了劳动生产力的投入，提高了生产效率。

1.2.1示范全程使用无人机飞防

无人机飞防省时、省药、精准高效，已成为上海农场农业植保的主流趋势。示范全程使用无人机飞防对水稻全生育期内的病虫草害进行防治，防治效果好，与自走式喷药机防效相近。无人机飞防可操作性强、飞行轨迹稳定、雾化均匀、不碾压作物、不破坏土壤物理结构、不影响作物后期生长且飞防后无需人工筑田埂。根据2021年9月中旬对飞虱数量的调查可看出，示范区内虫量为18万～36万头/667 m2，常规条田超过60万头/667 m2，分析原因可能是无人机飞防有下旋的风力，药液能够直达水稻基部;飞防不碾压田埂，田间保水性能较好，更利于提高对飞虱的防效。此外，无人机飞防还避免了机械作业对水稻的碾压（平均碾压面积4%～5%）。因此，示范区内全程无人机飞防不仅对病虫草害有较好的防治效果，还能提高稻田土地利用率，有增产的优势。

1.2.2推广应用自主研发的农机装备

根据农业生产实践的需求，在现有农机设备的基础上进行自主改进或研发，如种肥装卸一体机、水田压沟机、水田动力筑埂机和宽幅水稻侧深施肥直播机等机械，在智慧农场建设的示范区内得到了广泛的应用，有效解决了劳务用工短缺、老龄化及工作效率低的问题。

1.3智能灌溉系统

示范区内配套智能灌溉管理设备，利用互联网信息技术将整套设备系统与集成管理平台智能终端相连，通过手机远程控制，实现智能进排水、实时监测农田土壤环境及干渠水情、记录灌溉历史，形成数据积累。目前，示范区内66.67 hm2农田实现智能远程控制进排水，完全取代人工进排水，实现每667 m2节水20%、节电7.2 kW·h，省时、省力、省本，效果较为显著，实现了人均管水面积的跃变。

1.4示范应用信息化技术

鉴于当下粮食作物生产成本逐年上升、从事农业生产的工人老龄化严重及一线专业技术人员不足等因素的叠加影响，农业生产效率低下的问题日益突出，在植保无人机、智能灌溉系统、水肥一体化技术的基础上，结合农业数字化平台、智能农机、智能精准监测系统形成一套易操作、高效率、可复制推广的智慧农场生产模式势在必行。

1.4.1农机实时监测及无人驾驶系统

上海农场中现有定位监测系统10套，主要用于实时监测农机位置、行走轨迹、作业时长、作业面积、重/漏情况及作业深度等;作业现场实时图像监测10套，主要用于监测收割机的作业质量和秸秆粉碎抛撒质量。

在纽荷兰T1554及T1804拖拉机的基础上，集成联适无人驾驶系统，技术人员在作业前将机车驾驶至田间，操纵机车按照预先设定地块和作业项目进行作业，车辆作业全程可不需要人参与，自动化地完成路径规划、路径跟踪、自动调头及农具自动控制等动作。技术人员对多台设备完成作业设定后则离开地块，通过后台监管，作业完成后再由技术人员驾驶机车回到机队，该作业模式可实现一人操作多台机车作业，大大解放了劳动力。2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1

1.4.2智能精准监测系统

1）卫星遥感和气象数据。实现了公里级别格点的气象预警信息、积温积雨和作物环境预警信息的检测与发布;构建了精准化、属地化气象平台，可实时提供示范区域5 km×5 km范围内的气象预报;遥感自动分析与解析作物全生育期的长势，遥感影像分辨率为3 m级，基于遥感的持续诊斷实现巡田的精准化管理及可视化展示。2）建立环境信息采集系统。在大田内布设空气温度传感器、湿度传感器、光照传感器、水位传感器及摄像机等信息采集设备及传感器节点等传输设备，以获取大田环境数据。3）建立无人机巡田系统。通过无人机“巡查”田间土地平整、作物长势等情况，进行科学生产调度和决策。4）农情信息采集系统。基于手机、平板电脑等移动智能终端的农情信息采集APP，在田间即可录入株高、叶龄、苗数及病虫草害发生动态等农情信息。

1.4.3搭建农业数字化平台

利用现代信息技术对作物、环境和全过程进行可视化表达、数字化设计、信息化管理。1）通过农田精准气象与遥感监测，对农田种植大数据进行宏观分析与积累;2）建设智慧农机管控平台，实现农机智慧调度、农机作业实时动态监测、农机深松与深翻作业质量自动分析、农机作业报表核算与作业量统计、农机作业地块识别及作业重/漏情况自动分析，实现耕、种、管、收农机作业全过程覆盖;3）积累农田大数据，因地制宜地提供农事操作建议，提高管理效率，降低生产成本，减少种植风险，实现标准化种植管控。

2成效

在智慧农场应用“数字化+智能化”技术系统，以实现对农作物生长环境信息的定期获取，生成动态空间信息系统，解决农业生产中劳务用工多、土地利用率低等问题，降低生产成本，改善生态环境，为农产品的产量提升和品质提高提供了保障。

2.1提高土地利用率，增产明显

在水稻播种后，示范区内全程无机车抛肥、施药，避免了机械作业对水稻造成的碾压和蹭刮伤害，经多次行走后田间自走式喷药机的一条轮胎印宽度约0.5 m，经测算碾压面积达4%～5%。2020年，平均667 m2产量智慧农场示范区为639 kg，常规田为601 kg，增产38 kg，较为显著。

2.2降低成本，解决用工难的问题

粮食作物生产成本逐年上升、从事农业生产的工人老龄化严重、劳务用工短缺及效率低下等问题直接影响农业生产进度。与常规田相比，示范区施肥次数减少4次，每667 m2节省机械抛肥费用12元，减少了抛肥时的人工辅助，节约了生产成本。常规条田施肥、打药会对田埂造成破坏，需要人工及时修筑，以免窜水窜肥，而示范区不需要人工修筑田埂，减少了筑埂的劳务用工。水稻收获前，常规田需清理车轮印内的积水，示范区不需要，可减少清理水的劳务用工。

2.3不破坏田块土壤结构，提高了下茬作物的播种质量

因常规条田的施肥和打药极易形成较宽、较深的轮胎印，且其内有较多的积水，不易排出，需要人工清理，否则会影响麦子的播种质量，还会对下茬作物出苗不利，即使出苗也会僵苗不发，严重影响下茬作物的产量。而示范区无机车碾压，不破坏土壤结构，不需要清理积水，且整块田的土壤墒情一致，秋播质量有很大提高。

2.4飞防作业时间灵活，防效稳定

无人机飞防因有航线设定，晚上也可进行喷药，而自走式的机械夜晚不能进行喷药。从示范区病虫草害的防治效果看，在2021年稻纵卷叶螟、褐飞虱、叶瘟大发生的情况下，无人机的防治效果能够堪比自走式喷药机，且飞防不碾压田埂，田间保水性能较好，更利于提高药效。

3存在的问题

3.1水肥一体化技术不够精量化

目前，沼液排放方式较为粗放，由于每批次的沼液养分含量差异较大，难以精准确定排放量，淌灌沼液量与水稻所需养分难以精确匹配，沼液养分含量的不同及沼液量等因素直接影响大田生产需求。在生产中还需补充液体肥料，液体肥料及缓释尿素的价格较高，一定程度上增加了水稻肥料成本。此外，水肥一体化的智能控制装备不够成熟，不能精准地根据沼液或液体肥的浓度控制与农田灌溉水的混合比例。

3.2无人机飞防漂移严重，除草剂使用风险大

在水稻种植季，承包户在田埂上一般会种植黄豆，提高土地的利用率，既能增加承包户的经济效益，又能有效控制旱田杂草向水田蔓延与扩散。因无人机飞防漂移较自走式喷药机严重，且无人机飞防兑水量少，使用高浓度的除草剂飞防时极易造成田埂黄豆或林带作物死亡。

3.3无人机飞防对风力的敏感度极大

风力大小直接影响无人机飞防的作业效果与效率。风力越小，防效越稳定;风力越大越易漏防，造成团、片状防效差异;一般风力超过4级，不宜再进行飞防。

4结语

近年来，上海农场通过研发多功能机械、应用高科技方式、采用智能化手段，实现了从会种田到“慧”种田的转变，朝着无人农场的方向不断迈进。智慧农场的创建将引领未来现代农业的发展，而应用信息化技术是智慧农场建设的必经之路。未来应不断地将信息化与农机化相融合，探索精准精量播种技术;利用遥感监测，实现无人机变量施肥、测产;利用农业AI技术，实现植保精准防治。

参考文献：

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（责任编辑：刘宁宁  丁志祥）2E998DE9-65C2-4FEB-B71C-686C55786BE1