基于ONAP 的马铃薯区块精准栽培

柳永强，胡新元，谢奎忠，孙小花，罗爱花，张世文，何 音

（1.甘肃省农业科学院马铃薯研究所 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院 兰州 730070；3.定西市安定区农业技术推广服务中心 甘肃定西 743000；4.定西铭源农业有限责任公司 甘肃定西 743000）

马铃薯区块精准栽培是基于现代ONAP 开放管控平台体系，将云计算、区块链、北斗导航、5G 传输、智能农机设备与马铃薯现代栽培技术优化融合产生的精准管控模式，是马铃薯栽培智能信息化的产物[1]。马铃薯区块精准栽培不是指栽培区域的分块化，而是为适应智能信息化栽培流程和智慧管控策略指令的可实践可操作，将现代马铃薯机械栽培中零散、分裂、重复、低效率、复杂、人工密集的技术模式，通过优化、整合，集合成为能够利用智能农机复式作业的特定工作区块。区块精准栽培实现了基于ONAP 控制的智慧农机设备进行无人（少人）作业、精准完成马铃薯从生产种植到市场供应的全程化。在马铃薯区块精准栽培中，北斗系统、5G传输、云计算、生物特征识别、机器视觉、人机交互、角度传感等现代工信技术得到广泛应用，并成为马铃薯区块精准栽培实践的基本保障[2-4]，是现代马铃薯产业发展的标杆。笔者结合马铃薯栽培体系智能信息化过程中存在的问题、需求和实现基础，依据大量调研数据、栽培经验、试验结果及研究成果，提出了区块精准栽培概念，从技术原理、技术特点、区块作业、趋势与展望等方面阐述了马铃薯区块精准栽培技术，旨在为现代农业智能信息化发展提供数据支撑与技术导向。

1 马铃薯区块精准栽培技术原理

1.1 区块精准栽培原理

马铃薯区块精准栽培是基于现代ONAP 体系，通过高效精确的作物实时生长监测和预测预报系统，将特定时期马铃薯种植区域的气候、气象、土壤、品种、水肥、生长、病虫害等测定数据传输到ONAP 平台，然后将这些实时信息与种植特点、经验和研究成果等数据要素归纳、整理、分析处理，形成区块化的生产策略和指令，由指令和导航系统制导智能生产端的农业机械或设备精准作业（图1）。在基于ONAP 的马铃薯区块精准栽培中，从事机械或设备操作的人工及作业辅助人员被数字指令替代，智能机械设备与栽培技术流程融合的方式也随之变化，为便利农机设备的高效作业，将传统机械栽培中零散、分裂、重复、低效率、复杂、人工密集的技术流程进行优化整合，创建了适合现代马铃薯智能信息化作业的区块栽培技术[3]。与马铃薯全程机械化栽培相比，马铃薯区块精准栽培的特征是区块化、精准化、信息化、智能化、少人化（无人化）和集约化，区块精准栽培是马铃薯全程机械化在人工智能和信息化基础上高度发展的必然产物。

1.2 区块精准栽培的特点

区块化：马铃薯区块精准栽培是结合现代农业技术信息化和机械设备智能化作业需要，对现代机械化栽培流程的优化发展，对繁杂、低效、分散和碎片化的流程及可同期一体化操作的流程进行合并简化，根据当时的智能机械化水平而集约整合成不同的管理区块，便于ONAP 平台指令智能农机进行复式作业。

精准化：区块精准作业指令依据地域、气候、气象、土壤、品种、水肥、生长、病虫预警预报、种植参数、生产经验、研究成果等大量数据归纳、整理、聚类、分析，形成精准指令，其执行时间确定、操作参数确定、工作流程确定，使整个栽培流程精准化。

信息化：基于ONAP 的马铃薯栽培体系，将气象参数、生长环境、生长情况、病虫预测、土壤水肥等数据监测与收集通过传感、遥感技术获取并快速传输到数据中心，ONAP 中心依据收集的信息综合分析形成管控策略[3]，即区块精准栽培指令的形成过程是信息化的过程。

智能化：智能化机械与设备是区块精准栽培的关键，北斗定位、机械视觉、人机交互、边轮定位、遥感与传感等现代智能技术在马铃薯种植机械中的应用，使马铃薯栽培操作在很小的误差范围内进行[6-7]。区块栽培实现了智能机械进行自主复式作业、北斗定位与机械视角制导的农业机械路径自主化。

少人化：马铃薯栽培智能信息化是ONAP 平台代替机械设备操作工人、AI 机械代替田间作业的农民和农机具的过程，由北斗制导机械路径、WIFE 传输操作指令、机器传感器控制作业工艺精度，在区块化精准栽培中，从事体力劳动的人工基本被完全替代，从事机械操作或栽培技术控制的人工也被逐步取代，使马铃薯种植生产过程实现无人化或少人化[8-9]。

集约化：随着新型合作社的发展，优质高效低成本成为马铃薯行业竞争的核心，区块精准栽培在保持马铃薯栽培标准的基础上进行生产优化、智能管控、人工替代，是马铃薯产业降低成本的现代化高效模式，是规模种植和农场种植可持续发展的必然选择。

2 马铃薯区块精准栽培技术流程

马铃薯区块精准栽培分为三大区块（图2），耕作区块、生产区块、贮运区块。

图2 精准栽培技术模块与流程Fig.2 The technical module and process of precision cultivation

2.1 耕作区块

土壤清理：马铃薯覆盖垄作栽培中，残膜会严重污染土壤，破坏土壤生态，马铃薯秸秆大量残留，引起有害杂菌大量繁殖，造成翌年病害流行[1]。因此，马铃薯收获后，必须清理土壤中残留的秸秆与地膜，减少农田污染，提高土壤质量。土壤清理用1MFJS-125A 耙齿式地膜清理机，地膜清理可与立式深耕同期一体完成。

立式深耕：立式深耕技术是完成土壤休整与修复的重要方式，是适应马铃薯集约化生产、提高土壤可持续利用的保障[10]。深耕用1GZL-220 B 履带自走式铧式犁，实现智能化无人操作。时间设定在土壤封冻前期，深度设定40 cm 以上，深耕使土块立体分层越冬，经过冻融交替，优化土壤。

旋耕耙耱：春季土壤解冻后，旋耕耙耱，使立式深耕产生的土块细化，土地平整。旋耕深度设定为28 cm，旋耕耙耱采用1GZ-180 履带自走式旋耕机，旋耕耙耱一体化完成。

2.2 生产区块

播种：区块精准栽培中，马铃薯播种用GL34KG 全悬挂种植机或UP3760 型种植机，一体完成开沟、起垄、施药、施肥、播种和覆土。播期依据ONAP 收集的土壤温度参数（≥5 ℃）设定，设定播深10 cm，密度60 000 株·hm-2，边轮距125 cm，垄高25 cm，覆土3 cm。播期施肥施药为多菌灵与盐酸马胍酮质量比2∶1 复混，20 kg·hm-2；基础肥料N、P2O5、K2O、有机肥、微量元素、生物菌肥按质量比20∶10∶15∶60∶1∶2 比例复混，3000 kg·hm-2[11]。

灌溉：区块精准栽培中，应用YN-BXE 智能水肥一体滴灌系统，将水溶性肥料和农药在专用装置注入、搅拌、增压、过滤后随水滴灌，实现灌溉、施肥与防控的一体化，也适用垄膜下滴灌栽培模式。具体操作与控制主要依据ONAP 平台指令，参数设定一般为：现蕾期水肥药一体灌溉1 次，灌水量为200 m3·hm-2，灌施肥料量为90.0 kg·hm-2（N、P2O5、K2O 质量比例1.0∶0.8∶1.2），农药灌溉防治参考量为58%甲霜灵·锰锌3.0 kg·hm-2+40%菌核净4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2混合复配；块茎膨大期水肥一体灌溉1 次，灌水量为300 m3·hm-2，灌溉肥料量为120.0 kg·hm-2；淀粉积累期水肥一体灌溉1 次，灌水量为150 m3·hm-2，灌溉肥料量为90.0 kg·hm-2。

中耕：中耕是马铃薯区块精准栽培中防治草害发生的关键措施，中耕用1GZ-180 履带自走式中耕机，中耕培土厚度6 cm，时间设置在现铃期。中耕使行间杂草机械化清除，加强垄上黑膜对杂草的抑制与生长，使其在培土后黄化腐烂。

防控：在马铃薯规模化种植中，病虫防控采用拌种、滴灌和航化相结合的植保方案。拌种结合种薯处理完成；滴灌防控主要针对地下害虫和根茎病害精准防控；航化仍然是现代智能信息化防控的关键，其依据主要是病害流行期或田间预警启动。航化用T16 无人植保飞机，电磁计量，RTK 精准定位，智能引擎，实现区块化精准防控。全生育期航化防控5 次，真菌性和细菌性病害防控采用58%甲霜灵·锰锌3.0 kg·hm-2+40%菌核净4.5 kg·hm-2+60%氨基寡糖素4.5 kg·hm-2复配；蚜虫与病毒性病害防控采用32%核苷·溴·吗啉胍4.5 kg·hm-2+氯氢菊酯3.0 kg·hm-2复配，防治时期依据ONAP 平台预警参数指示确定。

收获：马铃薯收获前进行机械杀秧，杀秧后晾晒地块3 d 至地表半干，收获时用VENTOR4150 自走式马铃薯收获机收获。收获后薯块放置通风处，晾晒3～5 d，表皮充分老化后可进行贮藏。

2.3 贮运区块

保鲜贮藏：马铃薯保鲜贮藏采用现代智能贮藏系统，主要由各种探测元件收集贮藏窖指标、传感器实现贮藏窖实际温度、湿度、CO2浓度、有害气体浓度等信息的收集与传输；ONAP 依据参数分析和保鲜贮藏需求指令温湿度调控系统、CO2脱除系统和乙烯脱除装置的运行，自动调控贮藏窖温度、湿度、CO2浓度、有害气体浓度在设定范围[1，10]。在马铃薯智能保鲜贮藏中，贮藏窖参数设定通常为：温度2 ℃，湿度70%，CO2浓度（体积分数）3.5%，有害混合气体质量分数0.06 mg·kg-1。

冷链物流：马铃薯现代冷链物流系统是生鲜食品供应体系HACCP 结合马铃薯供应端（农场、合作社）、ONAP、物流运输设备为一体的现代供求系统，是一种科学、合理、过程控制的马铃薯产品供应体系。冷链物流环节质量控制和预防措施是现代智能化冷链物流的重要手段，保证马铃薯及加工产品在运输环节保持在规定的环境，以最佳的物流手段保证质量，降低损耗，具有整个物流过程的可追溯性，保障马铃薯及产品在生产、冷藏、运输、装卸、配送等物流环节的质量安全[11]。

3 实践与展望

精准农业不但可以最大限度提高农业现实生产力，而且是促进农业优质、高产、低耗、环保、可持续发展的有效途径[6-7]。近年来，甘肃省定西市借助国家对马铃薯产业政策的扶持，率先探索性开展马铃薯智能信息化精准栽培，包括智能检测、病虫预警、生长监测、智能作业、精准滴灌、无人机植保、智能化耕作等技术的应用与实践。2019－2022 年，马铃薯智能信息化技术在定西市安定区国家现代农业产业园实施，年度平均试行面积约5000 hm2。与常规机械化栽培相比，区块化精准栽培优势主要在于对人工的智能替代方面，替代量为75 工次·hm-2，节本1.125 万元·hm-2，基于预测预报的精准防控，马铃薯生育期病虫防治减少2 次，节本0.15 万元·hm-2，区块化精准栽培经济效益提升21.25%（按照区域平均产量37.5 t·hm-2，市场价格0.16 万元·t-1计算）。

栽培流程区块化和栽培参数精准化成为智能机械设备高效作业和融合的基础。信息技术和人工智能的高速发展促使一种新颖的农业生产管理思想的诞生，农作物实施定位监管和精准管控的思想逐步在生产实践中应用，精准农业是基于空间信息管理和变异分析的现代农业管理策略和操作技术体系[4，9]。区块精准栽培根据对作物本身及所处环境的精准检测与生长需求分析，在充分了解大田生产力的空间变异的基础上，以平衡地力、提高产量为目标，实施定位、定量的精准田间管理，实现高效利用各类农业资源和环境友好的目标[3，8]。马铃薯区块精准栽培的应用和不断优化，将充分挖掘农田最大的生产潜力、合理利用水肥资源、减少环境污染、大幅度提高马铃薯产量和品质。精准区块技术可能是解决由传统机械化向现代智能信息化发展转变的技术基础，它在农业生产提效、种植结构优化、资源高效利用等方面具有前瞻性，将成为作物种植技术发展的新方向。