精准施药、肥、水的环境效益与展望

王子辉 刀剑 吴建 王悦 时玲

摘要：精准农业是一种兼顾农业产量和生态环境质量的生产方式。本文主要论述了精准农业中精准施药、精准施肥和精准灌溉的环境效益，分析了目前在实际生产中应用精准农业技术的限制因素，并给出加强其推广应用的建议。

关键词：精准农业;精准施药;精准施肥;精准灌溉;生态环境效益;限制因素

中图分类号：S127文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）07-0156-05

随着人口不断增长，未来几十年全球农作物需求将持续增长，不仅将加重农作物和可耕地的生产压力，同时也意味着农药、化肥和农业用水的使用量将会大幅增加，由此产生的农业污染将对生态环境产生巨大影響，因此，在农业生产中引入和采用一些先进的科学技术以降低农业污染物对环境的影响，对农业可持续发展具有重要意义[1-3]。

精准农业是以农业可持续发展、农业经济学和资源环境保护为指导思想，鼓励人们朝着更可持续的做法和行为转变来进行农业生产，可在增加现有农田粮食产量的同时尽可能减少农业生产对环境造成的压力[4-6]。自20世纪90年代以来，精准农业技术发展迅速，目前一些国家或地区特别是发达国家或地区对该技术进行了有效的推广，已在施药、施肥和灌溉等方面得到广泛应用，在节能、增产和环保等方面均取得了显著成效[7]。

本文系统地综述了精准农业技术在减少化学药品使用、节肥和节水方面的环境效益，分析了在实际生产中采用精准农业技术存在的主要问题和制约因素，并提出解决策略。

1 精准施药的环境效益

农药在农业病虫害管理中发挥了重要作用，被广泛应用于农业生产中[8]。使用化学农药能有效控制作物病、虫、草害，全世界每年可挽回农作物总产量损失的30%～40%，挽回经济损失约3 000亿美元[9]。但农药的使用也导致了河流及地下水污染，破坏生态环境[3]。Rasmussen等[10]通过对丹麦地区淡水中残留农药成分的研究发现，农药施用是淡水系统中残留农药的主要贡献者;农药及其残留物可能会持续存在，甚至在淡水生态系统的沉积物中积累。目前应用量最大的农药也是地表水中最常见的农药，水溶性和持久性化合物的浓度水平较高[11，12]。

粮食生产当前和未来的增长必须以质量更好、毒性更低的食品生产为目的[13]。精准农业技术被认为是农业生产效率和农业环境可持续的主要贡献者，可以使农药等化学药品的使用量和排放量大幅减少[14]。精准施药以提高农药利用率、降低农药残留对食品和环境的污染为目的，是施药发展的方向[15]。以除草剂的精准施用为例：Bargaheiser等[16]采用图像分析方法对特定的杂草进行检测，节省了20%～90%的除草剂施用量。Rsch等[17]研究表明农药的地区特定使用可以将杀真菌剂的施用量减少约20%，除草剂减少50%以上。Tian等[18]开发和测试了应用机器视觉系统引导的精密喷雾器，能够实时估算杂草密度和大小，实现特定地点的杂草控制，并有效降低玉米和大豆田除草剂的施用量，可以节省48%的除草剂。Giles等[19]研发了一种机器视觉制导、用于小型植物叶面药物喷洒的精确喷雾器，在目标上的沉积效率为传统喷雾器的2.6～3.6倍，而非目标区沉积减少72%～99%。此外，在植物最敏感部位使用微量注射剂进行精确的除草剂防治，可以进一步减少化学药品的使用[20]。精准施药在降低土壤和水源中农药成分含量的同时，也将符合食品安全生产的政策。

2 精准施肥的环境效益

化肥投入是影响粮食产量增长的重要因素，1978—2006年间化肥投入对我国粮食产量增长的弹性值为0.20，贡献率达56.81%，是所有投入要素中贡献最大的一项[21]。为了防止营养缺乏或降低产量损失，农民往往在整个农场以统一的速度施用投入品（如肥料和杀虫剂），忽略了土壤肥力和病虫害在田间分布存在的差异性[22]，易导致投入品施用过量，而过度施用导致的淋溶和径流损失不仅对资源质量（例如土壤和水）产生不利影响，而且对整个生态系统及经济和人口也会产生相应的影响。因此，资源不适配制对于粮食安全的可持续性具有严重影响。

精准施肥是依据土壤养分状况、作物需肥规律和目标产量，调节施肥量、氮磷钾比例和施肥时期，达到提高化肥利用率、最大限度利用土地资源、以合理的肥料投入量获取最高产量和最大经济效益、保护农业生态环境和自然资源的目的，是精准农业技术的核心内容[23]。现代遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）和全球定位系统（GPS）等为精准施肥提供了可能。例如，可以通过远、近端（卫星和无人机）遥感技术对作物叶面的营养状况进行监测，通过一些便携式的仪器（如叶绿素计）对田间作物进行农学参数测定，同时采用这两种数据，利用GPS技术，可以实现田间营养成分的变速率施用，为精准施肥提供决策参考[24，25]。Takcs-Gyrgy等[26]研究发现，在欧盟27国采用精准农业技术后，相同的预期产量水平下，化肥的有效成分用量可减少34万吨，而农药使用可节约3万吨（以2012年的剂量水平计算）;如果16个欧盟同盟国中约30%的农作物和混合农场采用这种新技术，将使环境负荷降低10%～35%。Delgado等[27]研究表明，利用RS、GPS、GIS和建模来评估氮的最佳管理方法，可将玉米田土壤中残留硝酸盐的淋失损失降到最低。

综之，精准农业技术可以显著减少化肥和其他农用化学品的用量及水的消耗量，进而降低农业对水资源富营养化的影响。

3 精准灌溉的环境效益

灌溉是农业生产的重要组成部分，据联合国统计，农业用水占到了全球淡水消耗的69%[28]。因此，在季节性降雨量不足以满足作物需水量的地区，需综合考虑土壤和植物的状态及气候变化，改进灌溉规划系统，开发利用新的灌溉技术，以提高灌溉效率[29]。

灌溉与否及灌水量的多少主要由四个因素决定——土壤含水量、作物需水量、降雨量和灌溉系统的效率[30]。精准灌溉正是综合考虑这四个因素、在满足作物正常需水量的同时提高灌溉效率的一种灌溉方式。滴灌是精准灌溉的主要代表，在部分国家被广泛采用，其水分利用效率与传统的表面灌溉方法相比更高[28]。目前澳大利亚农田灌溉的总面积约250万公顷，其中约10%使用滴灌系统灌溉，应用该灌溉系统的农田单位面积产量是其他灌溉方式的4～6倍，年收获量可以达到该国全年农业总收获量的40%，并且应用滴灌系统可以有效减少根区养分的淋失和浸出，提高土壤养分和水分利用率[31]。

另有研究表明，在精准农业中，采用激光精确地平整农田后灌溉效率将显著增加，水的平均应用效率为65%，贮存率为70%，水的分布率为80%[32]，水稻、豌豆的产量也增加了12%～20%[25]。

物联网技术的发展也为精准施肥和灌溉提供了技术保障，可通过传感器实时监测土壤养分和水分含量，及时、准确地做出施肥、灌溉决策，更好地实现精准施肥和灌溉[33，34]。

4 精准农业技术推广应用的限制因素及建议

4.1 限制因素

4.1.1 人们对精准农业环境效益的认识有待增强 平衡农业生产对生态环境的影响已经引起了人们的广泛关注，但是，除少数发达国家外，多数发展中国家对此仍然缺乏足够的重视。迫于人口增长对粮食需求的压力，提高粮食产量仍然是多数发展中国家农业发展的首要目标，在此大环境影响下，人们往往忽略生态环境保护与切身利益之间的联系，缺乏对精准农业环境效益的认知。而政府部门未充分发挥对精准农业的宣传示范和引领作用，也影响了人们对精准农业环境效益的关注、理解和行动。

4.1.2 精准农业技术的应用和推广存在困难 虽然目前已有许多国家发展了更有益于本国农业可持续发展的精准技术，但是仍有相当部分国家对该技术的应用和实际推广严重滞后于该技术研究所取得的成果[35]。主要原因如下：首先，精准农业实施的前期投入较高，若政府不提供经费资助或补贴，以家庭为单位的农户多无力承担，目前精准农业仅在部分中型和大型农场中实施。其次，农民采用新技术的主要目的是提高盈利能力，其对新技术能否盈利的不确定性会受到新技术可行性和投资成本的显著影响。精准农业技术前期成本较高，农户独自实施难度大，且短期内与采用传统农业生产技术相比在经济回报方面差异甚微，严重影响了农民采用精準农业技术的意愿[36]。另外，精准农业技术的应用同样要求使用者不仅要有较高的专业知识和技术水平，还要有较高水平的管理技能，但目前很少有针对如何应用精准农业技术的培训，农民缺乏相关的专业知识和技能[37]，这也在一定程度上限制了精准农业技术的推广。

4.2 建议

4.2.1 建立健全农业环保法规，加强各项环保政策的实施 政府部门需制定健全的环保法规，加强对化肥、农药和其他化学品使用的监管和监督，并使用一些激励手段促进农户采用对环境影响较小的生产实践活动。如美国政府为了控制养分流失和温室气体等污染，实施了各种各样的农业政策，如排碳、氮税[38];欧盟于1991年规定每年氮肥的施用量不超过170 kg/hm2，以降低环境中的硝酸盐积累量[39]。

4.2.2 继续加大对精准农业技术的推广应用 精准农业技术的实施应用需要大量信息技术驱动的分析技能，不仅需要收集机械操作的有关数据信息，还需要能对复杂数据进行管理、解释和决策[40，41]。因此，精准农业技术的提供方需要建立培训中心，帮助生产者更好地掌握和使用该技术。

政府部门也需要在培训费和前期投入上提供资金补贴和优惠政策，依靠税收、补贴、成本分摊计划和类似的财政激励措施来提升生产者采用精准农业技术的意愿。

从增加农民收入着手，继续深入研究精准农业技术，设计开发一些操作简单、价位低廉的产品，降低精准农业的实施成本，提高其可操作性[42，43]，并通过提升农民对现代农业生产技术的认知水平，推动精准农业技术的普及和应用。

5 精准农业技术的应用展望

精准农业是通过适当的资源利用和管理，将传统农业转变为环境友好型农业的一种农业生产管理技术，有助于开发农业的综合管理潜力，实现不可再生资源的可持续利用，大幅增加农民收入并减少工作量。精准农业技术将给农业生产带来巨大的变革，是未来农业可持续发展的方向。

从精准农业技术发展到成熟再到其广泛应用仍然存在着巨大的挑战，今后需进一步加大对精准农业技术的推广应用，更好地发挥其提高农业产量和质量及增强农业对生态环境效益的最大潜力。

参 考 文 献：

[1]Tilman D， Balzer C， Hill J， et al. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2011， 108（50）：20260-20264.

[2]Bisoyi L K. Inter-linking of river basins of India—risks vs benefits [C]//Proceeding of 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in High-Tech Agriculture and Horticulture. Bangalore， India， 2006： 218.

[3]Ju X T，Xing G X，Chen X P，et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2009，106（19）： 3041-3046.

[4]Garnett T， Appleby M C， Balmford A， et al. Sustainable intensification in agriculture： premises and policies [J]. Science，2013， 341（6141）：33-34.

[5]Balafoutis A， Bert B， Fountas S， et al.Precision Agriculture Technologies positively contributing to GHG emissions mi-tigation， farm productivity and economics [J]. Sustainability， 2017， 9（8）：1339.

[6]Huang Y X， Yang Q. Impact of precision agriculture on environment [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（13）：250-254.

[7]Mondal P， Basu M. Adoption of precision agriculture technologies in India and in some developing countries： scope， present status and strategies [J]. Progress in Natural Science， 2009， 19（6）：659-666.

[8]Beddington J. Food security： contributions from science to a new and greener revolution [J]. Philosophical Transact-ions of the Royal Society of London B： Biological Sciences， 2010， 365（1537）：61-71.

[9]紀明山. 农药对农业的贡献及发展趋势[J].新农业，2011（4）：43-44.

[10]Rasmussen J J， Wiberg-Larsen P， Baattrup-Pedersen A， et al. The legacy of pesticide pollution： an overlooked factor in current risk assessments of freshwater systems [J].Water Research， 2015， 84（1）：25-32.

[11]Dai G H， Liu X H， Liang G， et al. Evaluating the exchange of DDTs between sediment and water in a major lake in North China [J].Environmental Science and Pollution Research， 2014， 21（6）：4516-4526.

[12]Moschet C， Irene W， Simovict J， et al.How a complete pesticide screening changes the assessment of surface water quality[J].Environmental Science and Technology，2014， 48（10）：5423-5432.

[13]Carvalho F P. Pesticides， environment， and food safety[J]. Food and Energy Security， 2017， 6（2）：48-60.

[14]Aubert B A， Schroeder V， Grimaudo J， et al. IT as enabler of sustainable farming：an empirical analysis of farmers adoption decision of precision agriculture technology[J]. Decision Support Systems， 2012，54（1）：510-520.

[15]张波，翟长远，李瀚哲， 等. 精准施药技术与装备发展现状分析[J]. 农机化研究， 2016， 38（4）： 1-5， 28.

[16]Bargaheiser K， Nordmeye D H. Greening of mortars with pozzolans[J]. Journal of ASTM International， 2006， 3（9）：1-9.

[17]Rsch C， Dusseldorp M. Precision agriculture： how innovative technology contributes to a more sustainable agriculture[J]. GAIA-Ecological Perspectives for Science and Society， 2007， 16（4）： 272-279.

[18]Tian L， Reid J F， Hummel J W. Development of a precision sprayer for site-specific weed management[J]. Transactions of the ASAE， 1999， 42（4）：893-900.

[19]Giles D K， Slaughter D C. Precision band sprayer with machinevision guidance and adjustable yaw nozzles [J].Transactions of the ASAE， 1997， 40（1）： 29-36.

[20]Slaughter D C， Giles D K， Downey D.Autonomous robotic weed control systems： a review[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2008， 61（1）：63-78.

[21]王祖力，肖海峰. 化肥施用對粮食产量增长的作用分析[J].农业经济问题， 2008（8）： 65-68.

[22]Khanna M. Site-specific crop management： adoption patterns and incentives [J].Review of Agricultural Economics，1999，21（2）：455-472.

[23]陈桂芬，马丽， 陈航. 精准施肥技术的研究现状与发展趋势[J]. 吉林农业大学学报， 2013，35（3）： 253-259.

[24]Mulla D J. Twenty five years of remote sensing in precision agriculture： key advances and remaining knowledge gaps [J]. Biosystems Engineering， 2013， 114（4）：358-371.

[25]Chaudhuri D， Mathankar S K， Singh V V， et al. Effect of precision land leveling on production of pigeonpea crop— a case study [C]// Proceedings of the 40th Annual Convention and Symposium of ISAE.2006.

[26]Takcs-Gyrgy K. Economic aspects of an agricultural innovation precision crop production [J]. APSTRACT： Applied Studies in Agribusiness and Commerce， AGRIMBA， 2012， 6（1/2）： 1-8.

[27]Delgado J A， Bausch W C. Potential use of precision conservation techniques to reduce nitrate leaching in irrigated crops[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2005， 60（6）：379-387.

[28]Al-Jamal M S， Ball S， Sammis T W. Comparison of sprinkler， trickle and furrow irrigation efficiencies for onion production [J]. Agric. Water Manage.， 2001， 46（3）： 253-266.

[29]López-Riquelme J A， Pavón-Pulido N， Navarro-Hellín H， et al. A software   architecture based on FIWARE cloud for Precision Agriculture[J]. Agricultural Water Management， 2016， 183： 123-135.

[30]Shafian S， Maas S J. Index of soil moisture using raw landsat image digital count data in Texas High Plains[J]. Remote Sensing，2015，7（3）：2352-2372.

[31]Cook F J， Hutson J L， Rassam D W， et al.Soil-water and solute movement under  precision irrigation： knowledge gaps for managing sustainable root zones [J]. Irrigation Science， 2007， 26（1）： 91-100.

[32]Rajput T B S， Patel N. Laser land leveling a step towards precision agriculture [C]// Proceedings of the 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in       High-tech Agriculture and Horticulture.Bangalore， India， 2006： 120-130.

[33]Mouazen A M， Maleki M R， De Baerdemaeker J， et al. Online measurement of some selected soil properties using a VIS-NIR sensor [J].Soil and Tillage Research， 2007， 93（1）：13-27.

[34]Sparovek G， Schnug E. Soil tillage and precision agriculture-a theoretical case study for soil erosion control in Brazilian sugar cane production [J]. Soil and Tillage Research， 2001， 61（1）：47-54.

[35]Lindblom J， Lundstrm C， Ljung M， et al. Promoting sustainable intensification in precision agriculture： review of decision support systems development and strategies [J]. Precision Agriculture， 2017， 18（3）：  309-331.

[36]Carr P M， Carlson G R， Jacobsen J S， et al. Farming soils， not field： a strategy for increasing fertilizer profitability[J]. Journal of Production Agriculture， 1991， 4（1）： 57-61.

[37]Nábrádi A. Role of innovations and  knowledge—infrastructure and institutions [J]. Applied Studies in Agribusiness and Commerce （APSTRACT），2010， DOI： 10.19041/Apstract/2010/3-4/1.

[38]Goulder L H， Parry I W H. Instrument choice in environmental policy [J].Review of Environmental Economics and Policy， 2008， 2（2）：152-174.

[39]European Union. The EU Nitrates Directive [R/OL]. Publications Office， European Commission， 2010. http：//ec.europa.eu/environment/pubs/pdf/factsheets/nitrates.pdf.

[40]Roberts R K， English B C， Larson J A， et al. Adoption of site-specific information and variable-rate technologies in cotton precision farming [J]. Journal of Agricultural and Applied Economics， 2004， 36（1）： 143-158.

[41]Robertson M J， Llewellyn R S， Mandel R， et al. Adoption of variable rate fertiliser application in the Australian grains industry： status， issues and prospects [J]. Precision Agriculture， 2012， 13（2）：181-199.

[42]Chavas J P. A cost approach to economic analysis under state-contingent [J].Amer. J. Agr. Econ.， 2008， 90（2）： 435-446.

[43]Jochinke D C， Noonon B J， Wachsmann N G， et al. The adoption of precision agriculture in an Australian broadacre cropping system—challenges and opportunities [J]. Field Crops Research， 2007， 104（1/2/3）：68-76.