智慧农业（数字大米）科研示范基地建设初探——以湖南省贺家山原种场为例

方杰 邵泽毅 李建彬 谭旭生 姜守全 曾跃华 郭文高 李智谋 郭君

（湖南省贺家山原种场，湖南 常德 415123；第一作者：275688710@qq.com；*通讯作者：582655580@qq.com）

智慧农业，智引未来。智慧农业是将先进的技术、理念融入到农业生产、加工、经营、管理和服务等全产业链各环节，形成以数字化、精准化和智能化为基本特征的现代农业发展新形态，引领现代农业发展新方向[1-2]。从国际来看，世界主要发达国家都将智慧农业作为战略重点和优先发展方向，相继出台了“农业发展4.0 框架”[2]、“农业技术战略”[3]和“大数据研究和发展计划”[4]等战略，构筑新一轮农业革命新态势。

近年来，我国不断对智慧农业发展作出战略部署。2019 年，《数字农业农村发展规划（2019—2025 年）》强调，要利用遥感技术、物联网设施等提升水稻等农作物生产管理信息化水平，建设农业病虫害测报监测网络和数字植保防御体系，实现病虫害智能化识别和防控；提出要推动智能感知、智能分析、智能控制技术与装备在大田种植和设施园艺上的集成应用，建设农机智能作业、环境控制、水肥药精准施用、精准种植、智能决策等系统，发展智能“车间农业”，推进水稻等农作物生产经营智能管理。2020 年，农业有关“十四五”规划明确提出，“提高农业质量效益和竞争力，深入实施藏粮于地、藏粮于技战略，强化农业科技和装备支撑，建设智慧农业”[5-8]，体现了党中央、国务院对发展智慧农业的高度重视。智慧农业已成为乡村振兴的重要抓手，推动着中国农业农村现代化建设。

湖南省贺家山原种场作为国家级水稻原种场，深入贯彻落实习近平总书记关于“我们的饭碗应该主要装中国粮”的指示要求和省委“三高四新”战略，主动担当，积极作为，打造湖南智慧农业（数字大米）科研示范基地，破解“藏粮于技”难题，力争在智慧农业发展上实现“弯道超车”，为湖南农业现代化、中国农业新革命和国家粮食安全等方面贡献新力量。

1 贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地建设现状

2021 年湖南省贺家山原种场与中联智慧农业股份有限公司共建联创平台，充分发挥双方在智能农机、数字模型、农业科研、技术服务体系、农田水利设施等方面的优势，高标准、高质量建设贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地。开展“早专晚优”“头季+再生”“高档优质一季稻”三种水稻种植模式的科研示范，率先掀起了湖南省智慧农业（数字大米）发展新途径。如图1 所示，基地主要依托智能农机、数字农艺、大数据和物联网等信息技术，构建天、空、地、人、农机“五位一体”全程种植数据采集体系，从“育、种、管、收、标、品”实现水稻生产全过程机械化、数字化、智能化，通过监测数据实时获取，大数据平台智能决策与智能农机自动作业联动，利用水肥药精准施用、病虫害绿色高效防控、作物长势分析、产量预测、农艺数据分析利用等技术手段，打造贺家山原种场智慧农业（数字大米）品牌，实现“数据资源一张图”“生产经营一张网”和“管理服务一朵云”，为全国智慧农业（数字大米）标准体系搭建、核心标准研制输出湖南经验与成果树立了样板。

1.1 主要成效

数字化水稻种植与传统种植相比优势明显，通过投入与产出分析及数字农业科研示范基地的专家验收数据分析，主要成效体现如下。

1.1.1 降本增产

智慧农业水稻种植示范以农业智慧云为依托，实现农艺与农机的深度融合，运用互联网、大数据和人工智能等高科技手段，达到节本、增收、增效的目的。如表1 所示，相比普通水稻种植，综合成本每hm2节约3 000余元，增产14.5%；稻米中镉等重金属含量明显低于国家标准，稻米品质优、营养价值高、口感好，备受市场青睐，稻米附加值高，经济效益好。

表1 水稻数字化种植与传统种植成本分析

1.1.2 节肥减药

通过分析土壤肥力、结合作物模型制定的数字化施肥方案比依靠传统经验施肥，有效减少了氮肥用量。同时利用卫星平地+草害分析、病虫害风险分析及预报，改变多次除草及病虫害风险等级防控方法，精确管理，保证防效，降低病虫草危害风险，减少农药使用，降低了农业面源污染。如表1 所示，数字化种植在水稻全生育期氮肥、磷肥和农药分别减少21.8%、14.3%和29.5%。

1.1.3 区块链可追溯

如图2 所示，通过建设“以追溯为中心”的区块链追溯体系，覆盖水稻从种植、加工、储存、销售全生产链，持续、高效对种植生产实现管控，实现数字大米“生产可记录、信息可查询、流向可跟踪、质量可追溯”。

1.2 主要经验

1.2.1 智能测报仪器装备（图3）

图3 智慧农业（数字大米）设备体系

由中联智慧农业股份有限公司牵头负责完成了核心示范基地环境监控站、水位传感器、土壤传感器、自动虫情测报灯YFCB-IV、气象站、高清摄像头等设备的安装及日常的维护保养、监测监管。

1.2.2 建立多维度、低成本数据采集体系（图3）

一是完成核心基地试验田块土壤养分、重金属等指标检测；二是科学规范做好全生育期各项农事操作、农艺性状田间记载；三是通过无人机遥感测绘、卫星环境等实时动态监测数据、建立天、空、地、人、农机“五位一体”数据采集体系，实现低成本、全方位数据采集。

1.2.3 建立大数据驱动的水稻标准化种植体系

将水稻种植过程分成播种、插秧等13 个环节、49个关键决策点，将其分类整合至10 个算法模块，对应23 类算法，将每个环节的实时数据、历史数据进行云计算，建立、调优和验证土壤分析模型、作物长势分析模型、病虫害分析模型、农事智能决策模型等，支持种植者在最佳时间做出最佳决策，通过数据化实现标准化种植。

1.2.4 建立数字农业管家系统

图4 和图5 分别为智慧农业（数字大米）PC 端和移动端图样。智慧农业管家系统覆盖了智慧农场的数据采集、智能决策、精准作业、农场经营4 个板块。目前管家系统提供种植季规划、农事记录、巡田记录、投入产出记录分析、农机看板、农机调度、田间设备看板等7 种农场管理基础功能；实现育秧、施肥、长势、灌溉、病虫、收获、农事日历、农业气象8 个关键功能点的半自动决策，同时提供管理驾驶舱功能，帮助农场主总览农场情况，简单直白地指导农户在何时应该做何种农事操作以及农事操作的标准是什么，是连接水稻数字化种植体系、数字水稻模型与科研基地建设以及未来“数字大米”推广的桥梁和工具。

图4 智慧农业（数字大米）农业管家系统PC 端

图5 智慧农业（数字大米）农业管家系统移动端

1.2.5 打造智能农机

由中联农机提供水稻种植全程机械化解决方案，开展全面升级人工智能技术、推进多系列产品技术覆盖、建立智能农机数据库试验。全面测试智能驾驶、卫星平地、机插抛秧、变量施肥、变量喷药、收割测产等功能，提升农机作业智能化。

1.2.6 数字化机抛农艺研究

与湖南农业大学唐启源教授团队合作，开展了“双季稻机抛秧密肥互作”试验，探索最佳农艺。

2 差距分析

贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地建设在湖南省是一个全新领域，没有现成经验可学，还处在初级阶段，基地建设还存在一些薄弱环节，是未来一段时间工作重心。

2.1 信息化建设水平与智慧农业发展需求还有差距

智能控制是智慧农业追求的目标。对智能控制而言，算法是大脑，系统集成是神经系统[7]，需建设智慧农业数据控制中心，用于大数据分析决策、控制作业和数据处理等系统的集成；传感器作为物联网、大数据、人工智能、智能制造等新一代信息技术的感知层，是万物互联的重要基础[8]，需配置具有传感精度高、连续监测时间长、环境稳定性好的智能传感仪器、农情自动监测等设施设备。

2.2 农业智能装备水平还需进一步提升

基地虽然装备了一定数量的农业机械，排灌设施也比较齐备，但这仅能满足普通种植需求，与智慧农业发展还有较大差距。缺乏智能化、数字化排灌设施设备，还需要对农机装备进行智能化改造，配备精准耕地、智能排灌、养分自动管理和智能施肥施药等设施设备。

2.3 智慧农业科研创新能力还不够强

基地农业科研技术力量比较雄厚，但与智慧农业相关的科研机制、理论体系建设、技术培训等还处于起步阶段，缺乏既具备农业科技研发能力又拥有一定信息化知识的复合型人才。

3 贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地“十四五”发展战略目标与重点任务

3.1 战略目标

综合国家发展智慧农业与智能农机战略需求以及“十四五”规划等因素，贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地战略目标为：打造一个湖南省乃至全国领先的数字化水稻种植技术科研高地；建设一个湖南省乃至全国领先的智慧农业示范与培训高地；培育一个国家级智慧农业标准与规范科研应用高地；培育一个多元化的高素质数字农业科研队伍，打造一个湖南省智慧农业专业人才高地；建设一个湖南省主粮（水稻）产业与作物、作业信息管理监控中心；建设一个集科研、示范、产业化应用、参观、培训于一体的综合现代化农业产业示范与无人（少人）智慧农场示范高地。

3.2 重点任务

3.2.1 深入研究省级数字化水稻种植品种与技术体系

3.2.1.1 全面开展数字化种植技术科研 结合湖南省种业高地与粮食安全战略相关规划要求，对湖南省各类地形、地貌及土壤环境进行充分调研、分析，与“洞庭香米”产业集群相关项目开展深度融合研究，搭建湖南省智慧大米体系。

3.2.1.2 分步实施数字化种植技术研究 按照“环洞庭湖”区域及“丘陵、山地”区域两大类，结合现有的水稻品种分析，甄选主推战略品种，分别制定科研计划，在贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地分步实现模型搭建及平台实现。

3.2.1.3 逐步输出各类作业规程与标准 研制数字化水稻种植管理与技术、“数字大米”高端农作物管理与技术监督、全省水稻数字化种植体系等相关地方标准和技术规程。同时，针对“无人农场”“智慧农场”建设与运营等方面建立示范，制定行业标准。

3.2.2 开展省级“数字大米”区域品牌科研基地建设

3.2.2.1 搭建湖南省智慧农业（数字大米）科研基地平台 与中联智慧农业、华智生物等科技创新、智慧农业发展的龙头企业实现跨学科交叉融合，强调信息技术与农业的学科交叉、跨界融合、跨机构合作，通过加强信息技术人员与传统农业科技人员相互协作、共同攻关，在技术、数据、方法、服务等层面实现开放、合作、共享、共赢[9]。

3.2.2.2 搭建湖南省智慧农业（数字大米）检测与鉴定基地平台 集中资源、技术、设备等优势，承接湖南省“数字大米”成品检测与鉴定，并提供技术指导等相关工作。

3.2.2.3 搭建湖南省智慧农业（数字大米）战略资源整合与共享基地平台 策划智慧农业（数字大米）高端农产品产业集群。对接“洞庭香米”产业集群，实现对湖南省区域内数字大米技术管理、品质管理、品牌策划、推广战略服务等。

3.2.2.4 搭建湖南省智慧农业（数字大米）培训基地平台 一是通过梳理新型职业农民对生产经营、专业技能、社会服务等素质要求，行政管理部门对乡村振兴、现代农业等政策法规方面的宣贯安排，整合行业内优质讲师资源，搭建高素质的职业农民培训体系。二是根据智慧农业（数字大米）推进需求，将技术资源与项目推进高度融合，培育一支集农艺、农技、信息化技术于一体的湖南省数字化水稻种植高技能人才队伍。

3.2.3 建设湖南省主粮（水稻）产业与作物、作业信息管理监控中心

3.2.3.1 建设一个湖南省主粮作物（水稻）专项监督管理子平台 实现数字化技术（含精准技术、通用信息）覆盖区域的水稻全程数字化管理与监督平台，包括实际种植面积、种植品种、作物长势、产量、农机具种类、数量、作业面积等，为全省的主粮作物农业信息集约化管理建立基础。

3.2.3.2 建设一个无人（少人）智慧农场管理平台 根据小批量产业化管理要求，建设专有的科研信息平台及农场管理平台，实现对农场管理范围内的作物信息、作业信息的管理和监控，以及农机指挥调度的功能。

4 贺家山智慧农业（数字大米）科研示范基地建设的对策建议

4.1 加强组织领导，强化资金保障

充分发挥政府主导作用，积极研究国家相关政策，落实省委省政府、省农业农村厅关于开展智慧农业建设文件精神，提高对智慧农业（数字大米）发展战略地位的认识，切实加强顶层设计和组织领导，借鉴先进的成功经验，大胆创新，优化内设机构组织，制定落实支持政策，加大财政投入力度。专题研究部署智慧农业（数字大米）科研示范基地建设工作，重点支持关键核心技术突破性创新和功能体系应用集成创新，并将智慧农业（数字大米）工作纳入相关部门年度绩效考核，形成齐抓共管的工作格局，集中力量解决贺家山智慧农业（数字大米）科研示范的重大需求问题。

4.2 打造创新联盟，深化交叉合作

围绕智慧农业（数字大米）科技创新发展需求，秉持开放创新、合作共赢的态度，充分发挥湖南省贺家山原种场作为国家级水稻原种场在农业科研、新技术推广示范的优势，联合国内一流的农业各领域合作伙伴（华智生物、中联农机、中信农业、岳麓山种业创新中心等），充分发挥生物育种、数字农业、智能农技、农业规划、农技推广等方面的优势，深度交叉合作，集聚技术集成和模式创新，谋划建立产业技术创新战略联盟、产业技术创新服务平台等产学研合作组织，实现研究、示范、应用、转化、服务等科技创新全链条整合。

4.3 重视空间布局，完善功能体系

从顶层谋划设计入手，上下联动，加强基础数据的收集和整合，建立健全智慧农业（数字大米）大数据平台，一边对接国家、部委、省厅相关标准数据库，实现互联互通、信息共享，一边与多品种的农机设备、物联网设备、农田数字化设备实现高效连接，提升系统扩展性和灵活性，同时匹配设计物联网集成系统、智慧农事管理系统、遥感监测分析系统、农机智能化作业系统、数字大米智能育种评价系统、区块链溯源系统、智能种植决策系统和大屏实时展示系统，打造智慧农业（数字大米）智慧“大脑”。

4.4 培养人才团队，完善创新机制

加强智慧农业（数字大米）创新团队建设和人才培养，制定长期人才引进培养计划，引进与培养并举，形成人才梯队，着力打造一批特色与实力兼备的创新团队，培养一批跨学科、复合型的战略人才、领军人才、创新骨干。加强与省内外高等院校、农业科技公司和科研院所合作，打造智慧农业科研、实践培训基地。