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摘 要：精准农业作为现代化农业生产模式已在国际上形成了广泛共识.本文阐述了精准农业的概念和发展精准农业的意义,介绍了国内精准农业发展的现状和技术实施方法,并就我国精准农业的发展提出了几点建议.
关 键 词：精准农业；研究进展；发展方向
中图分类号：S-0文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）09-0118-04
我国农业资源约束日益突出,农业生态环境退化加剧,化肥占农业生产成本25%以上,但利用率仅为30%～35%,远低于发达国家的50%～60%,不仅造成了经济上的巨大损失,更带来了严重的地下水污染和生态环境破坏.国内外研究表明,精准变量施肥可使多种作物平均增产8.2%～19.8%,降低总成本约15%,化肥施用量减少约20%～40%,土壤理化性质得到改善.因此,解决上述问题的最佳途径是大范围地推广应用按需变量施肥的精准农业和测土配方施肥技术.
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1精准农业及其在我国的实践与发展
精准农业[1～5]又称精细农业,它以信息技术为基础,根据田间每一操作单元的具体条件,定位、定时、定量地调整土壤和作物的各项管理措施,最大限度地优化各项农业投入的量、质和时机,以期获得最高产量和最大经济效益,同时兼顾农业生态环境,保护土地等农业自然资源.
精准农业技术是基于信息技术、生物技术和工程装备技术等一系列科学技术成果上发展起来的一种新型农业生产技术,由全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、网络化管理系统和培训系统等组成.其核心技术是“3S”（即RS、GIS、GPS）技术[6,7]及计算机自动控制技术.
遥感（RS）技术[8]的主要作用是农作物种植面积检测及产量估算、作物生长环境信息检测（包括土壤水分分布检测、水分亏缺检测、作物养分检测和病虫害检测）、灾害损失评估.地理信息系统（GIS）[9]是精细农业技术的核心.应用该系统可以将土地边界、土壤类型、地形地貌、灌溉系统、历年土壤测试结果、化肥和农药使用情况、历年产量等各种专题要素地图组合在一起,为农田管理提供数据查询和分析,绘制产量分布图,指导生产.应用全球定位系统（GPS）可以精确定位水、肥、土等作物生长环境和病、虫、草害的空间分布,辅助农业生产中的播种、灌溉、施肥、病虫害防治工作.另外,农机具上安装GPS系统还可以进行田间导航,实现变量作业.
我国在1994年就有学者进行精细农业的研究.国家“十五”科技战略重点将发展精准农业技术、提高农业生产水平作为重中之重,并首次在“863”计划中支持研究机构进行精准农业技术自主创新.目前一些地区已经将精细农业引入生产实践中,在北京、上海、黑龙江以及新疆一些地区建立起一批精细农业示范基地,并取得了可观的经济效益.
2国内精准农业技术研究现状
从技术角度来看,完整的精细农业技术由土壤及作物信息获取、决策支持、处方生成、精准变量投入四个环节组成（图1）.信息获取技术、信息处理与分析技术、田间实施技术是精准农业不可或缺的组成部分,三者有机集成才能实现精准农业的目标.
图1精准农业（PA/PF）技术组成
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2.1土壤及作物信息获取[10,11]
由全球卫星定位系统（GPS）获得的定位信息、遥感系统（RS）获得的遥感信息和基础、动态信息构成了农业生物环境监测数据信息.
2.1.1土壤环境信息的获取（1）土壤养分信息的获取：土壤养分的快速测量一直是精准农业信息采集的难题.目前主要的测量仪器一是基于光电分色等传统养分速测技术的土壤养分速测仪,其稳定性、操作性和测量精度虽然尚待改进,但对农田主要肥力因素的快速测量具有实用价值.如河南农业大学开发的YN型便携式土壤养分速测仪[12],相对误差为5%～10%,尽管每个项目测试所需时间仍在40～50min,但较传统的实验室化学仪器分析在速度上提高了20倍.二是基于近红外（NIR）多光分析技术、极化偏振激光技术、离子选择场效应晶体管（ISFET）集成元件[13,14]的土壤营养元素快速测量仪器,相关研究己取得初步进展,有的已装置在移动作业机上支持快速信息采集.
（2）土壤水分信息的获取：土壤水分的测量是精细农业实施节水灌溉的基础.目前常用的水分测量方法有基于时域反射仪（TDR）原理的测量方法、基于中子法技术的测量方法、基于土壤水分张力的测量方法和基于电磁波原理的测量方法[15].
（3）土壤电导率信息的获取：土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小[16,17].有效获取土壤电导率值对于确定各种田间参数时空分布的差异具有重要意义.快速测量土壤电导率的方法有电流-电压四端法和基于电磁感应原理的测量方法.
（4）土壤pH值的获取：目前适合精细农业要求的pH值检测仪器主要有光纤pH值传感器和pH-ISFET电极[18～21].光纤pH值传感器虽然易受环境干扰,但在精度和响应时间上基本能满足田间实时快速采集的需要.基于pH-ISFET电极的测量方法具有良好的精度和较短的响应时间,但易受温度影响,需要温度补偿,且电极的寿命较短.
（5）土壤耕作层深度和耕作阻力：圆锥指数CI（ConeIndex）可以综合反映土壤机械物理性质,表征土壤耕作层深度和耕作阻力[22].圆锥指数CI是用圆锥贯入仪（简称圆锥仪）来测定的.圆锥仪的研制工作不断发展,从手动贯入到机动贯入,从目测读数到电测记录,出现了多种多样的圆锥仪.
2.1.2作物生长信息的获取作物生长信息包括作物冠层生化参数（叶绿素含量、作物水分胁迫和营养缺素胁迫）、植物物理参数（如根茎原位形态、叶片面积指数）等.作物长势信息是调控作物生长、进行作物营养缺素诊断、分析和预测作物产量的重要基础和根据.主要方法有三种：一是从宏观角度利用RS遥感的多时相影像信息研究植被生长发育的节律特征[23].二是在区域或田块的尺度上,近距离直接观测分析作物的长势信息.三是基于地物光谱特征间接测定作物养分和生化参数.2.1.3病虫草害信息的采集病虫害和杂草是限制农作物产量和品质提高的重要因素,及时、准确、有效检测病虫害的发生时间、发生程度是采取治理措施的基础.目前,病虫草害信息的自动快速采集主要是基于计算机图像处理和模式识别技术,以研究植株的根、茎、冠层（叶、花、果实）等的形态特征作为诊断判读的目标.主要分析方法有光谱特征分析法、纹理特征分析法、形状特征分析法等[24～29].
2.1.4作物产量信息的获取获取作物产量信息是实现作物生产过程中变量管理的重要依据.国际上已商品化的谷物联合收割机产量监视系统主要有美国CASEIH公司的AFS（advancedfarmingsystem）系统、英国AGCO公司的FieldStar系统、美国John-Deree公司的Greenstar系统、美国AgLeader公司PF（precisionfarming）系统及英国RDS公司的产量监测系统等[30].这些系统具有功能较强的GIS综合功能,能自动完成产量监测和生成产量分布图.我国谷物产量测产系统的研究起步较晚,目前尚在研制中.
2.2决策支持与处方生成
分析决策系统[31]主要包括地理信息系统（GIS）、作物生产函数或生长模型和决策系统三部分,决定变量施肥效果[14].
地理信息系统（GIS）用于描述农田属性的空间差异和建立土壤数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库,进行空间属性数据的地理统计.它主要应用于离线的处方控制方式中,而在实时控制模式中没有使用的必要.
作物生产函数或生长模型是生物技术在农业实际生产中的应用.它将作物、气象和土壤等作为一个整体进行考&
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