新疆数字棉花技术＋收入保险新模式及应用前景分析

胡艳萍，张立祯，孙帅，王森，王雪姣，朱明成，帕尔哈提·买买提，巴特尔·巴克*

（1.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830091；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002；4.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002；5.中国太平洋财产保险股份有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830092；6.国家棉花工程技术研究中心，乌鲁木齐 830000）

2020—2021 年“中央一号文件”[1-2]中4 次直接提及棉花，重点关注供给安全、生产用地保障、棉花目标价格政策等内容。 目前，作为中国优质棉花生产基地的新疆， 对棉花生产的管理要求也越来越高。 如何提高植棉效益，并提高农民植棉过程中应对气候和价格风险的能力，已成为当前新疆棉花高质量发展中亟待解决的问题之一。

推动数字经济与农业深度融合已成为全球农业创新发展的一大重要趋势，有望改善农业中的各个薄弱环节[3]。 最近几年，随着乡村振兴和数字乡村等国家战略的不断推进，数字技术开始加速融合到我国农业产业的各个环节中，数字农业已经逐渐成为我国“三农”领域的热门话题。 为在2035 年基本实现中国农业现代化的目标，需要充分发挥资源禀赋优势和产业基础，推动数字经济在农业发展中的作用[4-5]。 近年来我国大力支持发展智慧农业，建立农业农村大数据体系，推动新一代信息技术与农业生产经营深度融合[6-7]，包括：加强数字农业技术创新，培育数字农业生态系统，推动数字农业多维运作，整合多层机制，以促进农业保险发展[8]；加强农业保险法规建设，重视区域差异性，满足不同农业经营主体需求，并加强信息化平台建设等工作[9]，从而增加土地产值和农民收入， 缓解能源紧缺，达到经济、生态和社会效益多赢[10-11]。通过一体化农田监测、实时数据分析、云平台大数据计算与作物模型模拟相结合，形成可以提供精准诊断与调优栽培方案的数字化棉花精准管理系统，因地制宜推广应用，能够克服传统农业经营管理方式的不足，提高棉花的智能化管理水平，推动新疆棉花绿色可持续发展[12-14]。

农业收入保险是农业风险管理工具，也是稳定棉花产量、增加农业效益的关键措施之一。 美国农业收入保险经历了漫长的发展阶段[15]，虽然较为完善，但依然存在一定的问题，例如难以精准研判农产品价格趋势。而且美国与我国农业保险在具体运行机制和投保人主体认定标准等方面存在差异。国内学者关于农业保险定价等的研究主要集中于粮食作物[16-17]。 新疆棉花单产水平高，但生长期内低温、高温、大风和冰雹等气象灾害频发，棉花价格受国际棉花市场影响波动很大。虽然在新疆已经广泛探索了气象灾害风险等农业险种，然而对于价格变动导致的棉花收入不稳仍然没有很好的解决办法。因此，基于数字化棉花精准管理系统应用，建立符合我国实际的棉花收入保险体系，促进我国农业保险高质量发展，对保障我国棉花安全具有重要的实践意义[18-21]。

1 新疆棉花生产现状及问题

新疆棉花的纤维长度、马克隆值、品级等品质指标均居全国前列[22]。 据国家统计局关于2022 年棉花产量的公告：2022 年新疆棉花产量为5.391×106t，占全国棉花总产量（5.977×106t）的90.2%，比2021 年的占比提高了0.7 百分点。 此外，在我国主产棉区中，新疆棉花单产最高。 但新疆棉花生产主要存在如下问题。

一是植棉成本高，收益不稳。 植棉成本高主要是由于种植过程中需要耗费大量的人力、机械、肥料、农药等资源，且需维护相关机器设备等，而这些成本近年来不断上涨。由于棉花市场价格受到多种因素的影响，在棉花生产成本上升的趋势下，新疆植棉收益不稳[23]。 如新疆地方2019—2021 年平均666.7 m2物化成本为1 426.64 元，表观人工费用为620.46 元，表观固定成本为84.33 元，表观间接成本为271.49 元；2019 年、2020 年和2021 年新疆地方 籽 棉 售 价 分 别 为6.23、7.08 和10.50 元·kg—1，666.7 m2纯收益分别为2.96、487.32、1 015.84 元[24]。

二是自然灾害频发，生产环境逐渐恶化。 新疆棉花生产受到自然灾害频发的影响，每年旱、涝、冰雹、风、冷害等的受灾面积占20%以上，造成大面积棉田经济损失[25-26]。此外，新疆棉花生产中存在病虫害频发及其防治不规范不及时， 长期使用地膜、农药滥用、过量施肥导致环境污染加剧等问题[27-30]。

三是新疆尤其是新疆地方植棉亟待向数字化精准管理转型。 目前，天空地一体化农田长势遥感监测技术和作物模型在农业上的应用日趋完善，农田监测装备不断更新，能够实现田间管理自动化和智能化。通过数字化技术推进植棉的转型与高质量发展变得愈加迫切[31]。 新疆棉花机械化采收的需求较大，机采棉对品种、株行配置、种植密度等都有较高要求，通过数字棉花技术，塑造机采棉理想群体结构，能够较大幅度提高棉花产量和品质，是推动棉花自动化、精准化、变量化作业的有效手段[32]。

综上所述， 新疆棉花生产物化和劳动力投入大，在近年棉花价格波动较大、灾害频发和生产环境恶化等情况下，棉农收入不稳定；加之区域经济发展不均衡，农民收入普遍较低[23]，当地对农业（棉花）收入保险和精准数字化植棉技术的需求较强烈，需要政策性保障。

2 数字棉花技术发展现状和存在的问题

数字棉花技术是指融合现代信息技术和数字化手段的现代化棉花种植管理技术。当前新疆开始探索示范应用数字棉花技术，结果显示通过农田大数据分析和作物模型决策可提高产量和种植效率[33]。但是仍存在自主技术不足、体系发展缓慢，相关软硬件建设和装备投入有限，缺乏产业链各环节数据的互联互通机制等问题， 需要在技术研发、示范应用和产业链融合等多个方面进行深入探讨完善。

一是数字棉花物联网技术仍待提高。数据收集所需的棉花生长和土壤水分、养分等指标的监测传感器国产化水平较低，有效性和精准度不高；国外产品的质量较好，但成本较高。 如何提高数字棉花物联网装备的质量仍是当然面临的挑战之一。 此外，棉花智能化自动灌溉技术需要进一步完善。 目前智慧农业的实践中，普遍存在重装备、轻决策的问题，虽然能够提高植棉生产效率，但是尚未实现真正的智能化管理。 在未来的数字棉花技术的生产应用中，需要整合科技创新，为农民提供个性化精准信息服务、配套产品解决方案，大幅度提高棉花生产效率和植棉效益， 实现植棉区致富和乡村振兴[34]。

二是数字棉花技术配套软硬件建设不能满足其推广需要。目前数字棉花技术主要应用在一些大型棉花种植专业户和合作社，在小农户棉花生产中应用还存在一定难度。 棉农文化水平普遍不高，对新生事物的理解和接受能力有限，相关技术推广和知识培训不足，导致数字棉花技术全面推广的资源和软硬件条件不充分。 如乡村网络覆盖率不高、信息传输不稳定等问题，对推广数字棉花技术带来了很多困难[35]。 因此，需要相关政策支持和合理机制设计， 以确保数字棉花技术的广泛应用和可持续发展。

三是数字技术需融入棉花全产业链。虽然数字棉花技术有着广泛的应用前景，但是当前数字棉花技术主要关注棉花生产过程，还没有覆盖产前农资服务和产后加工等产业链[36]。 目前应用数字棉花技术的企业较少，在生产准备、种植管理、加工、销售等环节的数字化和统筹协调上还存在不少问题。为了推动数字棉花产业的发展，需要从多个方面加强相关工作，如加大技术研发力度、拓宽服务渠道、优化资源配置、推进品牌建设，逐步完善数字棉花产业链[37]。

3 棉花保险现状及贷款难点问题

现有的棉花保险产品种类较为单一，缺乏针对不同地区、不同种类棉花制定的灵活的保险政策。棉花保险的数字化和信息化水平较低，导致部分棉农在面对保险理赔时经常遭遇困难，保险需求与具体保险产品种类、覆盖范围不匹配。 保险公司的理赔流程相对繁琐，直到棉农遭受损失时才开始启动理赔流程，往往耗时很长。另外，农民的农业风险管理意识比较淡薄，因此经常受到较大经济损失。 目前， 农业保险主要是针对生产过程中的自然灾害等， 不能覆盖棉农由于价格波动造成的收益损失。数字棉花技术不但能够提高棉农的生产管理水平，提高棉花产量和品质，而且能够基于数字化模型在生长早期较准确地预测棉花产量，使保险公司可以在棉花生产早期通过期货市场进行价格风险管理，是支撑农业保险改革和创新的一种新举措[38]。

随着土地流转价格上涨和土地标准化建设要求的提高，以及受到种子、农药、肥料等农资费用上涨等因素的影响， 新疆棉花种植需要投入大量资金；因此，对于贫困地区的农民来说，如果没有相应的贷款支持，可能会面临较大困难[39]。 对于棉花种植大户或合作社而言，棉花生产和购买棉花保险的资金压力也很大。然而，基于棉花生产需求，利用数字棉花技术设计合理方案，能够将棉农、保险公司和银行有机地结合在一起，提高贷款业务的精准性和多元性， 实时进行棉花收入保险的经济分析[40]，可有效解决农村金融中的棉花贷款担保和风险等难题。此外，因为棉花生长过程中需要考虑天气、病虫害等自然因素的影响，农民贷款风险往往较高[41]。所以，通过数字化的精准管理可大幅提高棉花产量和品质，节水增效，有利于保障棉农等经营主体的收入，降低贷款风险。

4 新疆数字棉花技术＋收入保险模式分析

4.1 数字棉花技术＋收入保险管理系统与新模式构架

中国农业大学2014 年开发了国际上首个棉花功能与结构模型Cotton XL。 它是在棉花生理生态模型理论下构建的形态可视化模型。该模型可模拟一系列管理措施情景下的棉花生长发育、 形态结构、叶面积指数、果枝数、果节数的变化，以及产量和品质的形成等过程；能够精确量化不同种植方式下可见光和远红外光等在冠层的分布，预测叶枝的发生和蕾铃的发育，每日预测棉花产量和碳汇量[42]。基于该模型的模拟， 可构建基于Web 的棉花气象服务系统[43]。本团队通过将Cotton XL、气象和土壤数据库与物联网融合集成，建立了数字棉花管理系统（图1）。

图1 基于云平台的数字棉花管理系统架构

数字棉花管理系统功能结构为基础层、 应用层和领域层（图2）。 基础层主要包括应用程序接口（application programming interface, API）网关输入、模型分析和物联网监测的数据库管理。 应用层是将卫星、气象、传感器等的数据应用到生产管理中，实时发布服务信息。 领域层是在将棉花功能与结构模型的多源数据融合后，进行模拟分析，从而实现棉花生产的精准化管理。该系统是将数字棉花模型、物联网监测数据和数据库等在云平台上进行部署融合，用页面超文本预处理器（page hypertext preprocessor, PHP）语言实现逻辑层和数据库之间的信息传递。 通过前端输入控制数据、地理信息、田间管理信息等参数，将输入参数和物联网监测气象数据结合驱动棉花模型的模拟分析，可实现远程操控辅助管理、预测判别、智能处理以及可视化模拟等多项功能。

图2 数字棉花管理系统功能结构流程

该系统可通过云服务为不同角色对象提供数字化服务，包括针对政府决策的指挥舱、针对农场（合作社） 技术人员的农场管理和针对农户的种植客户端。 该系统运用电脑客户端和手机小程序（APP） 端， 可实现棉花全程智能化分析和精准到“日”的棉田管理，包括间作耗水特征和灌溉量的监测、产量预测、栽培管理措施优化、精准化学调控（化调）、智能教学等；支持用户定制化开发，为管理决策提供需要的复杂数据和开发相应的应用模块，如气象灾害、病害、虫害预警，延迟型冷害对产量的影响，灾后补救措施评估等[43]。 值得一提的是，它还能够模拟气候、品种、播期和打顶时间等不同条件下的棉花产量和纤维品质形成，从而在种植前针对不同生态区条件，提出品种选择、精准化调、株行配置和密度优化的策略[44-49]。此外，该系统通过运用数字孪生技术，形成棉花的形态特征库，使输出的不同环境、密度和品种下的三维单株和群体结构较为真实[50]。

为实现棉花全程数字化种植管理和保险管理的融合，本团队在该系统基础上扩展开发了基于数字棉花的收入保险监测和预警系统（图3），为数字棉花技术＋收入保险模式提供技术支持。数字棉花赋能收入保险，有助于解决棉农的后顾之忧，可通过风险预警和过程监测降低种植、价格和人为因素等方面的风险。产业科技平台等可利用该系统为保险公司提供风险管理的数字化服务，实时对生产管理、棉花产量、市场变化等进行风险评估和预测，从而提出对应的保障策略，并可针对不同的棉农群体提供不同的收入保险方案。数字棉花技术＋收入保险模式还有利于棉农等生产经营主体、 保险公司、产销企业等参与方的利益共享。

4.2 新模式的社会经济效益

在保险的杠杆作用下，推行数字棉花技术＋收入保险新模式将实现政府、银行、保险、新型经营主体等合作共赢的局面，可有效地化解新疆棉花产业发展面临的困境， 有助于棉花产业的稳定发展[51]。各地政府可借助金融保险的风险共担机制，为棉农提供收入兜底保障，从而提高植棉积极性。 新模式能够实现以下目标：一是节约成本。 数字棉花技术可提高棉花产量，减少人工种植成本；收入保险可以帮助农民减少应对灾害的成本，提高农民的实际收入。二是可以通过更精准的决策为棉农提供灾害风险管理方案，利于规避自然灾害和价格波动导致的棉花收入降低风险。 三是能整合农村金融业务，重塑以需求为导向的具有竞争性的农村金融体系，通过“收入保险”棉花金融综合服务模式实现双方互惠互利，提高金融服务效率。四是可以极大地提高农业现代化水平，推动农村设施和环境改善。数字棉花技术＋收入保险新模式将成为农业现代化的重要发展方向，政府在新模式中发挥市场引导、宏观调控的作用，有利于服务性政府职能的建立。数字棉花技术＋收入保险新模式可链接棉花产业链多方， 有良好的预期效益，将推动农村经济多元化和现代化，促进农业经济转型，为乡村振兴保驾护航。

5 前景及展望

5.1 数字棉花技术＋收入保险新模式面临的挑战

准确和科学的棉花生长模型是数字棉花技术的“大脑”，也是新模式成功的关键，其建立离不开大量的田间试验和数据积累。目前国内数字棉花技术的研究虽然已有10 多年的工作基础， 但仍需要在不同生态区和品种条件下进行更多的试验研究，调整棉花模型参数并验证，使之更适应新疆的种植管理条件。高质量的物联网传感器和监测数据是模型运行和准确管理的数字基础，需要利用实时监测数据和历史观测数据相结合的方法[52-53]，进行多元数据融合，作物模型模拟、物联网和遥感（无人机）技术相结合，形成“天—空—地”和“点—线—面”一体化的数字化管理策略。相应的服务平台为保险公司提供数字化保障的同时，还要和银行放贷、资金流向追溯，以及产品二维码追溯、线上农机订单服务等相结合， 为棉花生产提供全方位的数字化、智能化服务。

5.2 可解决的生产和科学难点

数字棉花技术＋收入保险新模式可以有效解决当前棉花生产中的一些关键问题，但是，也存在一些生产和科学难点，在促进区域经济水平提升的同时，也容易使农户陷入“数据海洋”的泥潭中。 因此，将科学理论和实践相结合、硬件与软件相结合、科技企业与科研院所相结合就非常重要。在棉花精准管理的基础上，提高专业化服务以及规模化经营水平是重中之重。数字化决策与自动化有机融合能够较大幅度降低人工成本，但需要提高决策的准确度和可靠性，如在与肥水一体自动联动方面，需要综合多种决策方案，减小决策过程中的系统误差。

5.3 前景展望和政策建议

为确保数字棉花技术＋收入保险新模式的可持续发展，相关政策措施也应配套支持，实现经济、生态和文化价值的融合，促进农户、消费者收入以及乡村经济的全面提高。新模式从设备自动化到数据收集和分析， 建立数字化平台， 形成政府—企业—用户全产业链的数字化服务系统，能够通过数字化技术真正为农民增收和棉花产业发展质量提升提供优质、可靠、可复制的支撑。