智慧农业在马铃薯生产中的应用研究进展

摘" 要：当前我国物联网、智能装备、遥感监测与人工智能等现代信息技术与农业产业正处于深度融合、加快迭代进程中，同时智慧农业也被视为新时代、新征程加快农业现代化的一项重要工作。黑龙江省深入落实“藏粮于技”发展战略加强智慧农业关键技术攻关，推动信息技术在农业领域的应用，开展高产高效可持续的绿色种植、养殖技术研究，巩固提升农业综合生产能力。该文就物联现代技术在智慧农业中的应用进行梳理归纳，总结分析智能技术在马铃薯各生产环节中的应用和优势。

关键词：马铃薯；智慧农业；生产应用；发展现状；研究分析

中图分类号：S532" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）10-0021-05

Abstract： At present， China's modern information technology and agricultural industry， such as the Internet of Things， intelligent equipment， remote sensing monitoring and artificial intelligence， are in a deep integration and speed up the iterative process. At the same time， smart agriculture is also regarded as an important task of accelerating agricultural modernization in a new era. Heilongjiang Province will deeply implement the development strategy of \"storing grain in technology\"， strengthen the key technologies of smart agriculture， promote the application of information technology in the field of agriculture， and carry out research on high-yield， high-efficiency and sustainable green planting and aquaculture technology. consolidate and enhance the comprehensive production capacity of agriculture. This paper summarizes the application of IoT-based modern technology in smart agriculture， summarizes and analyzes the application and advantages of intelligent technology in each link of potato production.

Keywords： potato; smart agriculture; production and application; development status; research and analysis

我国是马铃薯的生产和消费大国，近年来随着配套产业和政策发展，对马铃薯及其加工副产品的品质方面提出了新的需求，马铃薯具有用途的多样性、营养价值的丰富性以及加工方式的多维性。依照国家统计局2017—2021年数据来看，我国马铃薯种植面积和产量都有所增加，在产量方面增加了8.75%，而在种植面积方面增加了2.23%，当前在我国耕地面积无法增加的背景下，马铃薯种植面积和产量都实现增长，更加突出了其在粮食安全和种植结构调整中的重要地位[1]。黑龙江省是我国主要的北方马铃薯种薯、商品薯生产基地，马铃薯同时也是黑龙江五大主要粮食作物之一，马铃薯产业被列为省委、省政府“十四五”重点支持发展的产业，具有广阔的市场前景[2]。随着数字经济在各主要领域的快速发展，智慧农业已成为发展现代化农业的必经之路。“民族要振兴，乡村必振兴，农业必先行”，现代农业的发展直接关系乡村振兴大局进程；智慧农业作为推动农业现代化发展的重要手段，对进一步实现乡村全面振兴具有十分重大的意义。那么，何为智慧农业？从农业产业发展角度来讲分析，智慧农业就是将智能信息化视为核心的一种高级形态化农业，其基本特征是在各农业生产环节中实现“四化”：数字化、自动化、精准化和智能化[3]。现阶段的农业发展要想与时俱进，要想进入新时代发展的快车轨道，就必然需要有智慧农业大力支撑，使其发挥良好的推动作用[4]。党的二十大提出“全面推进乡村振兴……坚持农业农村优先发展”“加快建设农业强国”，该项政策明确指出了我国未来农业的发展方向，那么通过将互联网、物联网、大数据和人工智能等现代信息技术与农业深度融合，形成信息化感知、定量决策、智能控制、精准投入和个性化服务的全新农业生产方式，就使得农业发展从数字化到网络化再到智能化的高级阶段[5]。此外，国务院于2018年印发的《乡村振兴战略规划（2018—2022）》中指明了要加大传统农业向数字农业的转型力度，要扎实推进“互联网+现代农业”，重点实施智慧农业工程，并发挥其载体功能，依靠先进科技，顺应时代趋势，助力现代农业发展，以此提升我国农业智能化、信息化及专业化水平[6]。综合我国马铃薯发展现状及国家在智慧农业发展的相关政策分析，就智慧农业在马铃薯生产应用方面等研究进行梳理归纳，为今后马铃薯高水平、高质量发展提供理论依据和参考。

1" 我国智慧农业发展现状

智慧农业作为实现农业农村现代化的重要因素之一，集移动物联网、大数据、云计算为一体，具有效率高、耗能低的特点，以及高产、优质的精准生产与经营模式[7]。自2012年起，在每年的“中央一号”文件中都体现了有关智慧农业创新发展的政策导向。具体表现为2012年提出要进一步加快推进精准农业技术的应用和研发；2013—2014年则在农业信息化方面更加侧重建设发展；2015—2016年，文件提出要重点突破智能农业领域技术，着力推进“互联网+现代农业”；2017—2019年，主攻方向为推动智慧农业技术研发创新；2020—2021年，国家提出要加速推进农业与现代信息技术的深度融合与利用，构建农业农村大数据系统[8]。随着人工智能技术和技术的不断进步，它已逐渐成为激发农业潜能，进行农业科技创新和农业革命的主要力量。AI机器人在智能农业（农田作业）中的应用主要是自动化除草机、自动化农药喷雾机、自动化收割机等，使农产品的产量得到了极大的提高，而且还能极大地减少需要的劳动力和农产品的生产成本。在智能农业领域， AI可以运用到施肥、灌溉、喷药和种子等生产过程中，其中最常用的就是无人机，采用无人机进行喷洒一方面可以节省人员，另一方面也可以防止由于近距离暴露而导致的人类健康风险。二是利用智能化，定点、精确施药，与常规施药模式相比，既高效又环保。另外， AI的实时数据监控也是基于计算机生成的可视化结果来获得农业生产的相关数据，为相关的农业规划和生产工作提供科学和准确的数据支持。对农田进行周期性的无人机遥感观测，能够获取农田病虫害的发生情况，农作物长势，农田土壤水分等信息。通过对作物生长发育情况的分析，实现对作物生长发育情况的快速、高效、准确的认识，为制定相应的防治策略提供精确的数据依据[9]。以美国为代表的近代农业强国，在其工业化进程中，普遍采用了机械化手段，以提升农业生产力与农产品产出。美国于1982年研制出无人驾驶型拖拉机，开创智能农业时代。英国政府在2013、2017和2019年先后发布了《农业技术战略》《农业和粮食安全战略框架》《产业战略白皮书》。《农业新技术推广计划》建议制定一系列改革举措和政策，推广应用全新的科技，包括大数据、机器人和人工智能，并建立相应的监管机制。阐明了智能与精细科技在农业发展中的运用，以及精细科技在农业生产中的优先选择与导向。并对无人机、机器人、环境监控等方面的发展进行了深入论述；推广和推行新科技，如畜牧管理和生产管理[10]。由此我们得出，根据国内外智慧农业发展动态及政策导向在农业各研究领域开展广泛研究。

2" 智慧农业在马铃薯气象观测中应用分析

作为国家智能农业的一项重要内容，其重点是开展适合于农业气象的科技示范和普及研究。目前，我国的农业气象监测多是通过自动化或智能化的手段监测作物生长发育情况、局地气候状况和土壤肥力状况。农业气象信息可以使农业部门更好地把握过去的天气演变规律及气候特点，从而制订出一套较为科学、合理的对策，为农户进行更专业的引导[11]。在此基础上，提出了一种创新性较强、有针对性的预测方法，以此来评价和预警服务需要让农民们能够在短时间内了解到天气灾害的警报信息，并学会如何应对紧急情况，从而在遭遇灾难的时候，能够在最短的时间内完成抢险救灾工作，保障后续工作[12]。张佳莹等[13]研究表明，中国北部地区的马铃薯生产季节（4—9月），其适宜的降雨、气温等气候环境是影响其产量及质量的重要因素。但由于栽培季节的水分和温度存在明显的差别，因此，在整个生产过程中，气温、日照和降雨是决定马铃薯质量的重要因素。詹鑫[14]研究发现，影响我国马铃薯生产的气象因子主要包括气温、降雨和光照时间，潜在蒸散和太阳辐射等。其课题组前期研究发现，由于气温升高，我国北方地区的马铃薯生长期明显减少，对其产量的形成产生了明显的影响。董越[15]在呼伦贝尔市进行气候灾害对马铃薯生产的作用与防护研究时，认为呼伦贝尔市是一个多风、多沙、多雨、多季节变化的地区，容易引起干旱和干旱。该地区的气候特点是：冬季气温偏低，容易出现寒害，对马铃薯的生长发育不利。针对这一问题，在依托新一代的智能农业技术（卫星云图、天气雷达）背景下，强化对气象灾害的监测、预测和预警，同时在马铃薯生产基地设立了自动气象站，对马铃薯全生育期的气象因素进行追踪观察，为农民进行科学的耕作引导，使广大农民及早做好防范工作，减少损失。吴炫柯等[16]对马铃薯各个生长阶段的适宜气温和气象参数进行了相关性分析，得出了马铃薯的生产水平与种植区域的天气状况有着很大的关系，由于不同的气候背景，以及不同的季节、地理纬度和海拔，导致不同区域的马铃薯生长季节的适温有较大差别。王萍等[17-18]提出，随着全球变暖，马铃薯田间产量会受到温度、降雨和日照等因素的显著影响，对黑龙江省克山县、黑河市等主要地区的研究表明，马铃薯的块茎品质与其播种-出芽期日照时间呈显著正相关关系，而花期温度和降水则对其产量产生负向作用。

3" 智慧农业在马铃薯田间管理中应用分析

为了获得优质、高效的作物生长，需要有较好的土壤环境，在马铃薯的田间备耕中，要进行浅耕除茬、深松和耙耕；通过深耕整地、镇压整地、平整整地等措施，可以有效地改良土壤表层的土层结构和内在生态环境，提高土壤水分和养分，使得地温维持恒定状态，有利于马铃薯的正常生长发育。刘尼尼[19]指出，提高智能设备的水平可以推动农业生产的机械化，同时也给发展智慧农业创造了良好机遇，以便于农产品的生产、运输和储存，从而高效确保农产品的品质。以智慧农业为依托，要发挥智能设备、高科技的优点，掌握好作物品种的选择，挑选良好的种薯进行切块，同时掌握精准高效栽培技术，以此来实现优质、丰产。在马铃薯部分田间试验研究中，依托智能化的探测装置，可以精确探测到土壤水分、土壤肥力和有机质种类，从而选择适合马铃薯生长的地块。在品种的挑选上，利用智慧农业平台，可以将各种马铃薯种类的资料储存在农业数据库中，方便从业人员能够利用该数据库来了解当前市面上该农作物的类别特点，并按照对应的需要来挑选出合适的马铃薯种质资源。在马铃薯的栽培环境中，可以利用物联网装置，对田间的光照、气温、湿度进行监测；利用高分辨率摄像机，对马铃薯块进行现场动态观测，了解马铃薯块的长势情况，对马铃薯块的精细化栽培具有重要的意义。另外，在田间害虫和病情发生控制上，相比于常规人工操作，在智慧农业的大环境下，使用相应的马铃薯机械化装备，从而使施药工作更加及时高效。大田植株生物量是监测作物生长状况、病害状况等的一个重要指标，是衡量作物生长状况和产量的一个重要指标，也是作物生长模式等研究的一个重要指标[20]。岳学军等[21]研究表明，目前农田中常规的人工取样监测方法存在效率不高、主观性强、特征单一等问题，而农田中的农作物快速监测与信息获取与处理方法则是当前的热点问题。现阶段已有采用高光谱成像仪、热红外相机，以及遥感卫星、农业无人机等多种监控设备和技术手段，获得相应的观测资料。比如， PatchMatchStereo技术可以实现植株的3D重构，进而获得植株的高度、叶长等表型数据。该技术是利用高频率的射频信号探测植物的生长情况，利用PlantEye500植株表型仪对植株进行三维扫描与多波段图像处理，获取植株叶面积指数、胁迫程度及地上部生物量等指标。此外，在农田的施肥和水资源管理中，也可以将智慧农业技术推广到其他领域，相关技术人员可以利用物联网技术、土壤监控技术来实现肥料的施用。通过该网络监测，可以实现作物肥料作业、灌溉作业的自动化管理。在此基础上，提出了一种基于遥感影像的农田生态系统模型[22]。在智慧农业的工作中，可以用智能化、自动化的设备代替常规的人工补水操作，该设备可以通过对土壤含水量的在线监测，以及预设马铃薯需要用水量来调节灌水设备的通断。提高对水分的控制精度。如在苗期对水分的需求较少，可以依据气候条件及干旱情况适量浇水，以维持其水分含量。在马铃薯结薯阶段需要大量的水，应加大浇水的频率，以满足其对水的需求。在马铃薯成熟时，应注意田间排水，改善土壤透气性，防止马铃薯腐烂[23]。

4" 智慧农业在土壤动态监测中应用分析

智慧土肥的研发是指通过对土壤与水分环境的智能传感、智能分析、智能预警和智能决策，实现农田土壤、肥料、水环境的智能监测；相关物联网会有技术人员为农民的施肥等提供准确的技术支持，通过对土壤养分、水分及作物生长状况的精细调控，可大幅提升作物水分利用率及产量[24]。构建一套现代化的农田土壤质量动态监控体系，对于推进我国生态环保农业的发展具有十分重要的意义。例如，广东省引进了“测土配方”“施肥医生”“土地水分诊断”等，并在全国范围内建设了“大数据中心”，实现了对农田肥料结构的有效调整；为农户提供科学、合理的施肥方案，指导农户合理施肥[25]。王超等[26-27]研究表明，基于气象智能的农田土地经营可改善农田土壤生产率、实现作物-水平衡、温室气体减排、维持物质与能源平衡，在应对极端天气时，也能及时为农产品的生产提供保障。该项应用的理论基础为有效提升土壤固碳、减少温室气体排放、改良地力、提升农田生产率，提高土壤速效含水量，促进营养恢复。研究结果表明，该区域的植被恢复具有重要意义。同时，对农田进行实时的监测和管理，有助于了解农田的动态状况，增加农田的碳汇功能，增加农田的综合恢复力。通过增加农田利用，增加农田固碳，根据当地实际情况合理调整种植模式，降低冬闲、裸地等，提升农田生态系统固碳的作用。为实现农业可持续发展，必须加强农业生产。通过对不同类型的作物进行不同类型的作物生长试验，研究智慧农业对作物生长的影响。采用生物有机肥代替人工施肥、有机肥与无机肥协同施肥，实现对土壤养分状况的有效调节，实现N2O等温室效应的减排。雷妍等[28]指出，利用物联网技术构建的智能农业生态环境监控体系，对促进中国农业的发展具有重大意义。通过对农田土壤水分、温度、pH等指标的实时检测与分析，根据作物的生长状况，确定灌溉还是通风。三重式土壤传感器可用于农田中的湿度、温度、pH等参数的测定，具有工作稳定、灵敏度高、响应迅速的特点；产量平稳，适合精细农业、温室大棚、节水灌溉，适用于植物栽培和土壤水分监测。基于田间湿度观测需求，研制了一套基于多层结构的水分遥感监测装置，能够在长时间尺度上对土壤水分进行动态、分梯度的动态监测。通过将分层土壤墒情监测仪与传统的插针式传感器进行比较，监测精度和稳定性均有所提高[29]。

5" 展望

综上所述，有关部门应进一步加大对马铃薯育种科研的支持力度，加快推进种薯监管，着重强化地方政府的引导作用，精准实施马铃薯绿色增效行动，优化马铃薯加工品结构等。通过在技术进步的背景加持下，使得马铃薯单产有所增加、进一步可持续调整其生产模式，品种结构加快更新，促进马铃薯产业振兴与发展。

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