人类社会在经历采集狩猎、游耕游牧、刀耕火种、精耕细作等农业生产阶段之后，又进入了化肥石油的农业生产阶段。然而，化肥的过量使用在带来短期内作物高产的同时，也使人类面临着严峻的生态环境问题——土壤微生物、动植物种类及数量的急剧减少，土壤的板结，随之而来的便是作物品质和产量的降低。因此，人们又开始探索新的农业生产方式使其既能保证作物的品质与产量，又能实现农业资源的可持续利用。精准农业不仅能根据作物对养分的需要实现定时、定量、定位供给，保证作物的品质与产量，又能避免化肥的过量使用所造成的成本浪费及环境污染，从而达到经济和环境的协调发展，因而备受关注。

l  精准农业的产生及其相关概念

    精准农业最早起源于20世纪70年代的美国，是由农学家们在进行作物生长模拟、测土配方施肥、病虫草害防治等研究与实践中发现农田中存在着明显的时空差异性而提出变量投入技术从而发展起来的。至80年代初美国已经提出精准农业的概念和设想。1992年，明尼苏达大学土壤系在程惠贤教授指导下开始使用“Precision Agriculture”一词，并被普遍接受。此后，美国农学会、作物学会和土壤学会共同于1992年4月、1994年3月和1996年6月3次在明尼苏达大学召开精准农业国际研讨会，之后每两年举行1次。20世纪90年代以来，特别是海湾战争后，随着全球卫星定位系统技术民用化和农业信息化、自动化等技术的发展，精准农业的研究便在美国、英国等一些发达国家内蓬勃兴起。国外精准农业的概念已较为明确，在2002年7月明尼苏达州第6届国际精准农业会议上，已用英文对精准农业的概念进行了定义。国内有关精准农业的名称较多，主要从英文翻译而来，如精准农业、精确农业、精细农业、精确农作等，对其概念也未形成一致意见。汪懋华认为，宜采用“精细农业”或“精细农作”的译名。刘金铜等、喻歌农等、邝朴生等和严泰来等也都各自阐述了对精准农业的理解。综合前人的研究，笔者认为精准农业是继采集狩猎、游耕游牧、刀耕火种、精耕细作、化肥农业和石油农业之后的一种农业生产方式。它是以经济与环境的协调发展为目标，以信息化、机械自动化及农业机理模型化、程序化为主要技术，能够根据作业对象对各种营养条件及环境条件的需求实现定时、定位、定量供给或能够根据人的意愿让目的产物定时、定位、定量表达的一种微观经营管理的农业可持续生产方式。

2精准农业的主要技术体系及作业流程

精准农业的实施过程涉及到农学、信息学、计算机、机械自动化等许多学科的相关技术，因此其技术体系是比较庞大的。在20世纪90年代精准农业刚引人我国的时候，基本上认为精准农业的技术体系主要就是“3S"技术，也就是全球定位系统、地理信息系统及遥感3种技术的综合应用。其后，才慢慢开始注意到精准农业中“农业”二字所要体现的内容。此后，一些学者对精准农业实施过程中应用到的相关技术进行了探讨。邝朴生根据生产过程所应用的技术在精准农业技术体系中增加了专家系统(Es)、模拟系统(ss)和决策支持系统(DSS)。刘爱民等认为精准农业的核心技术是“3S'’技术和计算机自动控制技术。刘金铜等认为精准农业的技术体系可分为基础体系、工程技术体系和农业辅助支撑体系三部分。严泰来认为精准农业的关键技术可分为信息获取技术、农作决策技术和智能化农机具研制技术三大类。曹卫星认为精确农业的支持技术除了“3s”技术外，还包括决策支持系统和变量投人技术。综合以上内容，精准农业的关键技术归纳起来，主要有以下“8S”。

2．1时空变量投入

20世纪70年代美国农学家们在进行作物生长模拟、测土配方施肥、病虫草害防治等研究与实践中发现农田中存在着明显的时空差异性而提出时空变量投入(Variable Input by Time and Space，VITS)技术，从而引出了精准农业。因此时空变量投入技术也就成为了精准农业中的关键技术之一。时空变量投入技术是根据作业对象生存的环境(如农田)中存在着明显的时空差异性和作业对象对营养条件的需求存在着明显的时间差异性而进行针对性供给的一种资源投入方式。在空间上，它通常是以网格化的方式来研究米级或亚米级的空间资源差异性，是一种尽可能节约资源、减少生态污染、实现最优化产出的技术体系。时空变量投入技术常以精准指标体系为基础，进行多变量的合理投入。

2．2全球定位系统

    以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为代表的卫星空间定位技术是一种全新的空间定位方法，是空间信息集成中的一个重要组成部分。目前的卫星空间定位系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。GPS是1973年美国军事部门为军事目标的精确定位而专门研制的以24颗GPS卫星为基础的无线电空间导航定时定位系统。在海湾战争以后，该系统开始允许民用。其特点是具有高精度的三维位置、三维速度和三维时间，能够进行全天候作业，除此外还具有实时连续、操作简单、保密性强、功能多样等优点。GPS卫星发出的电波信号在向地面传送过程中由于一些人为(为了限制使用定位信息特别设计了误差信息总开关予以加密)或非人为(如信号通过电离层和大气层时会受到干扰)的原因会产生误差，使得定位精度有偏差。因此，有必要修正地面定位精度，即称作差别校正。使用差别校正技术改变GPS系统传递过程产生的误差系统称为差分定位系统(DGPS)。使用DGPS接收差分信号进行纠正，所接收GPS卫星信号的精度可由未使用时的100m左右提高至lm以内，此精度能够满足田间操作要求。

GPS的定位功能在精准农业的实施中具有广泛的用途。它可以用于田间作业机具的精确定位。在翻耕机、播种机、施肥机、取样机及收割机等机具上安装GPS接收器，可以准确指示机具所在的位置坐标，从而进行变量作业。GPS技术还可应用于农田信息采集，产量制图，提供耕地的静态和动态位置信息，建立基于“数字农业”的GPS导航服务等方面。

2．3地理信息系统

    地理信息系统(Geographic Information System，GIS)这一术语是加拿大测量学家Tomlinson于1963年首先提出的，它是关于空间数据输入、管理、分析、检索、图示与输出的计算机技术系统，主要由计算机硬件、空间分析软件、空间数据库和用户组成，对图形和地理数据进行管理，可以对大量图片形式的各种地理数据进行储存、处理和空间分析，可以对各种地图进行分析、计算、叠加、拼接、综合等。GIS从外部来看，它表现为计算机软硬件系统，而其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。目前，GIS中常用的工具软件很多，国外较著名的有ARC／INFO、ARCVIEW、MAPINFO、GEOMEDIA等，国内较著名的有MAPGIS、GEOSTAR、CITYSTAR等。

由于GIS具有数据储存、分析和制定决策的功能，因此它常被认为是精准农业的大脑。在精准农业中GIS主要用于农业工程的宏观决策，建立农田土地数据管理、自然环境条件、作物与畜禽长势、病虫草害以及作物产量空间分布等的空间信息数据库，进行空间信息的地理统计分析、图形转换与表达，它还能够方便地绘制作物产量分布图和进行农业专题地图分析。

2．4遥感

    遥感(Remote Sensing，RS)这一术语是1960年美国海军科学研究局Pruitt首先提出，并于1962年美国召开的“环境科学遥感讨论会”上被正式引用。顾名思义，遥感就是遥远地感知，它是从不同高度的遥感平台上，使用各种传感器，接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射信息和能量，其中有一种形式便是电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理，来探测地表物体对电磁波的反射及其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。遥感的技术系统组成主要有3部分：遥感平台、传感器和遥感信息的接收处理。其中传感器是其核心部分。目前主要的传感器有摄影机、TV摄像机、光电扫描机、雷达、微波辐射计等。按遥感平台的不同，遥感可以分为地面遥感、航空遥感和航天遥感3种方式。

在精准农业中遥感技术可用于实时获取田间数据，进行农业资源的调查、检测，农业灾害、生态环境、作物长势的监测预报及其他特殊应用等。

2．5决策支持系统

    1971年在《管理决策系统》一书中第一次指出了计算机对于决策者的支持作用，提出了决策支持系统(Decision Suppo System，DSS)的概念。DSS是以计算机技术为基础，支持和辅助生产者解决各种决策问题的知识信息系统，它是信息系统、模拟模型系统和专家系统的基础上发展起来的、以多模型组合和多方案择优方式进行辅助决策的计算机新技术。它通常由人机交互系统、模型库系统及数据库系统3部分组成。DSS按其类型可分为专家系统和模拟模型系统两类。

在精准农业中，人们可以把农业生产中的各种规律、农学知识、经验、技术等模型化、程序化，并存储于DSS中，从而为作业处方图的形成提供依据。

2．6计算机网络系统

计算机网络系统(Computer Network System，CNS)已渗透到精准农业中的每一个环节，农业信息的采集、分析处理、作业处方图的形成离不开计算机及其网络技术，模拟模型系统、专家系统和虚拟植物的构建同样离不开计算机及其网络技术，精准农业信息的及时传播、共享更离不开计算机及其网络技术。计算机及其网络技术还可以用于建立作物长势监测系统、农业产量预测系统、农业防灾减灾系统与农情服务系统等。

2．7自动化机械系统

    自动化机械系统(Automatic Machine System，AMS)装备是精准农业实施的载体。精准农业中信息的采集、作物长势的监控、最终作业处方图的实施都是通过农业机械装备来实现的。因此精准农业的实现必须有农业机械自动化、智能化技术的支持。精准农业中的自动化机械装备一般由常规机具(如拖拉机、播种机、施肥机、喷药机、收割机等)、田间计算机、GPS设备、传感器、监视器和可变比率发生器(Variable Rate Applicator，VRA)等部分组成。通过自动化、智能化机械装备，精准农业可以很容易地实现精准播种、精准施肥、精准灌溉、精准调控、精准收割等。

2．8生物技术科学

    生物技术科学(Biology Technology and Science，BTS)同样是精准农业中不可缺少的关键技术。基因工程技术是目前生物技术中研究得最为热门的一个领域。通过基因工程技术，人们可以进行基因重组，使对人类不利的基因得以抑制，有利的基因得以充分表达。当然，目前的基因工程技术还无法实现目的基因的定位转导，定时、定量表达，这与精准农业中的“定时、定位、定量”的技术核心还有一定的距离。因此精准农业的发展还有待于生物技术的进一步发展与完善。

2．9作业流程

    精准农业的实施过程大致可以分为信息采集、信息分析、制定决策、形成各种处方图及自动机械作业5个阶段(图1)。当然，它的每一个阶段并不是截然分开的，某一阶段的结束同时也就意味着另一阶段的开始，如用联合收割机收割作物的同时也是收集该作物产量信息的时候，从而为下一季的精准栽培提供产量分布图。从开始的信息采集阶段到最后的自动机械作业阶段，精准农业的每一个过程都不是简单地依靠某个单项技术就可以实现的，而是以上“8s”技术综合应用的结果。

图l  精准农业作业流程图

3精准农业的研究动态

3．1国外的研究进展

20世纪70年代初期，随着美国电脑业的发展，信息技术开始进入农业领域，精准农业也随之兴起。现在，精准农业技术已成为国际农学、农业工程高新技术应用研究最富有吸引力的领域之一。国外对精准农业的研究归纳起来主要集中在土壤取样方式及变量投入的研究、农业的机械自动化研究、精准农业的应用软件研究、各种模拟模型研究等几个方面。有关土壤取样方式及变量投入的研究较多，其中主要结论有网格取样只有在田间养分变异较大时才显示出其优越性，产量图可用于优化土壤取样，可以通过杀虫剂的变量投入把杂草控制在可以接受的范围，必须根据大多数地区的土壤和气候特性建立专用的推荐量计算方程才能取得最优的氮肥利用率¨

3．2国内的研究概况

我国对精准农业的研究起步较晚，总体上还处于引进学习阶段，多数研究仅局限于单项技术领域与农业领域的结合，没有形成精准农业完整的体系，但发展速度很快。目前，有关土壤养分空间变异性的研究较多。有关精准农业的软件较少，且这些软件主要侧重于对农业生产进行宏观管理，尚不能满足精准农业的实际要求。在机械自动化方面主要以引进国外设备为主。在模拟模型方面，我国由于吸收、借鉴了国外优秀模型的建模思想，在相对较高的起点上开展模拟研究工作，因此发展迅速，自20世纪80年代后期以来，陆续研制成功一些模拟模型。其中比较著名的模型有：RICEMOD、RC— SODS和WCSODS E32，RICAM，小麦发育模拟模型，玉米栽培管理信息系统(MCMIS)等。

4精准农业技术在烟草上的应用

精准农业在国外特别是在美国已经显现出其他农业生产方式无可比拟的优势。随着我国农业信息化的不断发展、农业机械化的不断普及应用和农民素质的不断提高，精准农业技术在我国必将大有可为，在烟草上的应用前景也必将十分广阔。

4．1  在烟草精准肥水管理上的应用

光、温、水、气、肥是作物生长的5大影响因素。其中光、温、气3因素属于环境因素，在大田生产中较难于为人类所控制，只能通过区划布局来选择。因而，目前我们在大田生产中只有通过调节水、肥两因素来取得理想中的产量和质量。烟草对肥水的需求较为敏感，特别是氮肥和钾肥。肥水供给过多不仅造成了环境污染和土壤板结，而且会使烟株贪青徒长，后期烟叶无法落黄成熟，严重影响烟叶的品质；肥水供给太少，烟株发育不良，同样也会严重影响烟叶的品质。加]。通过精准农业的各种技术或技术集成，可以做到烟草肥水的“定时、定位、定量”供给，让烟株在最适宜的时候得到最适量的养分和水分，保证烟株的良好生长，最终取得优质适产。如可以通过Rs技术收集烟草生长过程中的养分需求信息，收集土壤的光谱变化信息，或通过传感器技术快速采集土壤的肥水信息；通过Rs和模拟模型系统建立烟草的需肥需水模型、土地生产潜力遥感信息模型等；通过GIS技术分析所收集的信息，及时了解土壤的供肥状况，并制作烟区土壤养分分区图；通过GPS和GIS技术进行烟区土壤养分精准管理与分区施肥；通过专家系统、决策支持系统做出最优的肥水方案，并结合GIS系统，形成作业处方图；通过自动化、智能化的机械技术(灌溉技术)实施作业处方图，从而实现烟草的精准施肥、精准灌溉，生产出优质烟叶。

4．2病虫害的预测预报

烟草的产量是以烟叶来计算的，然而病虫害的频繁发生常常造成不可复原的损害，如烟叶布满黄点，出现水渍点、褐色坏死斑、坏死条纹、扭曲等，直接导致烟叶产量和品质的严重下降，甚至造成毁灭性的经济损失。精准农业技术能够对病虫害的发生进行感知、预测、预报，正好体现了“预防为主，综合防治”这一植物保护的基本方针。病虫害的频繁发生是当时当地的生态系统严重失调的体现。通过建立烟草病虫害发生与环境的各种模拟模型系统，可以进行病虫害发生的预测、预报，通过遥感技术对烟草生长的全过程监测，收集烟株受病虫害前的光谱变化，可以进行病虫害的预防，从而减少损失。

4．3促进烟叶生长的高度一致性

烟叶的生产比较耗费工时，特别是烟叶的采收与烘烤。因此，生产上要求烟株尽量要生长一致，最好是相同部位的烟叶要同时落黄成熟，以便于采收与烘烤。然而在生产中由于地形、土壤类型、降雨量等各种综合因素的影响，农田的自然肥力往往是不均匀的，即使是在同一块农田里，再加上手工农事操作时施肥量的不一致，最终使得农田的肥力状况更是肥瘦不一。随着科学技术的发展和农民素质的不断提高和精准农业的到来，这一问题便可迎刃而解。通过变量投入技术进行烟区土壤养分精准管理与分区施肥，可以避免大面积平均施肥造成的局部肥料不足和局部肥料浪费，提高了烟叶生长的一致性。通过遥感技术，可以对烟叶生长进行实时监控，再配合智能化机械技术，可以很容易地进行“施偏心肥，浇偏心水”，从而让烟叶生长整齐一致。

4．4促进烟叶成熟采收

在优质烤烟生产中，采收期是一个关键时期，成熟采收对烟叶品质影响很大。成熟采收的烟叶内在化学成分含量适宜，调制后烟叶品质好。烟叶生长成熟时，由于叶内的各种生理生化变化，导致了烟叶外部形态和色泽也发生明显变化。其中叶色变浅，整个烟株自下而上分层落黄，成熟烟叶通常绿色减褪变为绿黄色、浅黄色甚至橘黄色，主脉变白发亮，支脉褪青变白，是判断成熟度的主要标准。目前，国际上仍然主要通过叶片颜色变化对成熟度进行认定，而叶片颜色变化主要是由叶片内部色素含量变化造成的，所以选用色素含量作为判断成熟度的标准具有科学依据。随着光谱遥感技术的发展，通过Rs技术监测烟草生育期内的光谱变化，研究烟草的反射光谱与色素含量、叶面积指数(LAI)、地上生物量等农学参数之间的关系，可以为烟叶成熟采收提供依据。

4．5促进烟区生态的良性循环

    化肥、农药的长期大量使用在带来农业高产的同时也引起了一系列的生态环境问题，导致土壤板结，土壤生物种类和数量的减少，肥料利用率降低，使烟叶产量下降，品质变差。而这一现象又容易让人误认为是施肥量的不足，从而陷入了化肥过量使用与烟叶品质变差的恶性循环。对烟株动态量化需肥规律的掌握不够，不同生态环境土壤动态供肥规律的不确定性以及烟农“宁可多施，不可少施”的观念是造成化肥大量施用的主要原因。随着对烟株动态需肥规律的不断深入研究及智能化机械的使用，通过精准施肥、精准喷药技术，可以实现烟株需肥的定时、定量供给，农药的合理利用，从而避免因化肥、农药的过量使用所引起的一系列生态环境污染问题，保持烟田良好的生态环境，发挥肥料的最大利用效率，给烟叶有益生物提供一个良好的生态环境，实现优质烟叶生产的良性循环。

    当然，精准农业技术在烟草的应用并不仅限于以上几个方面，如还可以通过遥感监测技术利用植被指数进行地表覆盖分析或烟草长势的动态监测、产量估算等。总之，精准农业是实现可持续发展的最终选择，是农业实现低耗、高效、优质、环保的根本途径，是世界农业发展的新趋势，也是我国烟草迈向未来的最佳选择。

陈义强

(福建中烟工业公司技术中心；河南农业大学烟草学院，国家烟草栽培生理生化研究基地)

作物杂志2011（3）