未来的农业信息技术： 从农田尺度到大洲尺度的整合

使用传感器作为主要数据来源的模型，能为理解农业在碳排放、能源、养料和水循环等方面的作用提供新的角度。 农业，传统上被人们看作是粮食、饲料和纤维的来源，如今越来越多地被看做能源来源和生物多样性、气候、水和害虫管理等生态系统服务的来源

使用传感器作为主要数据来源的模型，能为理解农业在碳排放、能源、养料和水循环等方面的作用提供新的角度。

农业，传统上被人们看作是粮食、饲料和纤维的来源，如今越来越多地被看做能源来源和生物多样性、气候、水和害虫管理等生态系统服务的来源。世界人口的增长，在以上两方面给农业带来巨大压力。

过去，农业已经通过扩大灌溉和非灌溉作物生产区域、提高自动化水平、基因选择、植物改良、优化管理、害虫控制和其他方法满足了社会需求。这些方法中有些对于提高当今农业产量作用甚微，但其他仍处于发展初期方法对进一步提高产量拥有巨大潜力。

如何满足对农业日益增长的需求，从温室生产中即可见一斑。现代温室生产利用大量的传感器、控制设备和信息技术，优化水果和蔬菜等经济作物的生产。虽然这些具体的技术也许不能直接大面积地应用于流域、地区甚至是大洲的粮食作物生产上，但证明了感应技术和信息技术在粮食生产中的价值。要扩大应用范围，这些技术必须得到极大发展并融合多尺度感应技术。

计算模型和计算机决策支持系统越来越多地用于应对许多与农业相关的环境和资源保护问题。这些模型依赖于包括传感器在内的多种数据来源，能为理解农业在碳排放、能源、养料和水循环中的作用提供新的视角。随着农业提供的生态系统服务越来越重要，这种模型和模型中使用的传感器数据也将更加重要。

因此，在全球人口增长的背景下，未来发展感应技术和信息技术对于满足粮

食、饲料和纤维及能源和生态系统的双重需求同样至关重要。

图1：为制定农业流域管理策略设计的多尺度框架，整合了现场数据收集、遥感数据收集、多尺度模型和过程表现等技术

我们在本文中提出一种多尺度框架，同时满足多个需求：通过在连续时间内现场点尺度感应技术，理解基本的物理和生物过程；利用遥感技术在较大范围空间内连续采样，展示农田、流域和地区尺度上的现象；对过程建模，把这些尺度联系起来，动态展示不同尺度的联动过程（见图1）。

农田尺度的机遇：实时感应

土壤和气候条件是种植健康、高产作物的关键因素。随着精准农业的发展，现在农民对土壤和作物产量的了解超过了20世纪初农业机械化和商业化开始以来的任何时候。例如，产量地图如今可以提供农田尺度年际生产变化的高分辨率信息，农民能够据此调整种子、化肥和杀虫剂的使用率，实现产量最大化。

但是，这些是农作物收割后产生的静态信息源，既不能提供可能影响生产率的条件的即时数据，也不能用于判定是否应该采取可能增加特定季节产量的预防方案。

现场技术

机遇与挑战

现代农业越来越多地使用价格便宜的传感器技术和无线通信技术，获取土壤和气象条件的实时信息。土壤温度和土壤水分是标准测量内容，对作物产量十分重要。低温会延长种子发芽过程并对幼株造成胁迫，从而增加患病和低产的几率。晚季种植可以避免土壤温度过低，但由于作物的生长发育推迟到夏天晚些时候的干燥天气，同样会减少产量。传统上，一个州中有几个测量土壤温度的地点，近年来，每天的土壤温度数值都已经能够在线查询。

导致产量下降的最大原因也许是有限的水分有效性造成的水胁迫。测量土壤水分能提供植株水分有效性的相关信息，但这些数据并没有定期采集。不过，越来越多便宜的土壤水分和土壤温度传感器可以用于农田，提供当前条件的相关信息，甚至能与灌溉管理系统相连。

地方天气条件的测量，特别是降雨量、空气温度、风速、湿度、气压和太阳辐射等一直由美国国家气象局（National Weather Service）负责。美国国家气象局很早就启动了合作观察员项目（Cooperative Observer Program，COOP）,参加项目的人员每天收集降雨量和空气温度的读数，通过美国国家气候数据中心（National Climatic Data Center）和许多州立气候专家办公室发布。

现在大部分这些信息分近实时地放在互联网上供农民查阅，许多跟天气相关网站都提供实时暴风跟踪和预测，预测时间从每小时到10天不等。不少商业组织已经开始向市场推出气象观察系统，个人可以购买系统后在本地安装，数据将直接传入公司的系统中。

这些技术不仅为农民提供特定地点的气象信息，还孕育了新的市场，利用这些观测结果的公司可以创造用户友好的农业决策支持产品。例如，预测何时的天气条件适合种植、喷药或收割，或为作物轮作或害虫管理策略提供特定地点的气候信息。

前景

虽然生物传感器技术仍处于发展初级，但第一代生物传感器已经走出实验室进入真实世界。其中一项技术就是根部氧气生物可利用度传感器（Liao et al.，2004； Porterfield，2002），这种传感器模仿植物的根消耗氧气，因此也能模仿水分和养料传输到植物的过程。氧气消耗像土壤水分一样对作物产量十分重要，因为氧气消耗率对于过干和过湿（氧气有限）的条件同样敏感（Drew和Stoltzy，1996）。

对养料和影响农业的污染物（包括硝酸盐和磷酸亚）敏感的生物传感器也已经开发出来。这些传感器寿命短（几天到几个月不等）且最初为液体媒介所设计，所以实际应用中的可操作性十分有限。但是，随着科学家把生物传感器的知识与现代制造技术结合起来，这种传感器必将进入农业应用，例如监测农田间氮和磷的分布，或者告诉下一代农业设备应该在哪些地方多施肥以实现产量最大化。

农业系统抵消其他经济部门的碳排放时测量碳储存和碳通量十分重要。目前人们对土壤中的碳通量的了解很少，主要是因为准确测量难度大、成本高，需要在土壤表面正确地安装测量室捕获碳流动，或在土壤表面上方合理地安装微气象站迅速测量并预测碳流动。不过，要想对气候变化的适应和减缓方案有用，需要更新、更经济、操作更便捷的系统定量测量碳流动，最终监测碳封存。

通信技术

利用多用途通信系统

新的和现有传感器技术与无线通信系统的融合已经开始，许多公司现在提供无线气象和土壤水分传感系统。有了这些工具，农民可以足不出户就查看自家农田的状态。

移动互联网、卫星上行系统、远距离无线电通信连接和互联网或无线网连接都已经成为相对普遍的连接方式，也是商业可用的传感器系统通常选用的技术（如http://www.campbellsci.com/communications）。但是，不少这些技术的初始安装难度非常大。

为农业生产发展高端技术

用于传感器网络的自组织无线硬件和软件最近已经进入市场，使传感器网络的开发和安装成为可能。尽管这些网络在农业上的应用拥有巨大潜力，但将通信系统、数据收集和传感器技术整合起来，使节点在稳定的工作网络中运行需要大量工作和较高的知识水平，并且需要克服安装时遇到的巨大困难。

农业传感器网络必须足够结实，适应雨水、阳光和农田淹水等极端环境。还必须将影响做到最小，才不会妨碍重机械进入农田。这种网络还应该在设计上抵挡住农机偶然的碰撞。另外，传感器节点应该易于安装和拆除，方便失灵节点的更换，以及在耕地前拆除所有节点。

这些技术性问题很可能在未来十年内得到解决，一旦解决，自组织网络就可以与便宜的传感器技术结合，使农民可以迅速地在农田中部署网络，并且即时获得农田中的空间和时间信息。另外，传感器也应该直接与农业设备和智能手机等个人电子设备进行通信。

这样，当农民在田间调查或劳作时就能获得农田状况的实时和历史信息。与服务供应商连接的智能软件可以提供其他数据，如哪些地方存在潜在问题、可能解决问题的方法等，甚至是为到哪里寻找材料、设备或其他服务提供商给出建议。

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