王荻 姚帥君 胡雨 黃夢潔 譚積楊

Feasibility Analysis of the Integrated Smart Irrigation System in Sichuan Region

WANG Di， YAO Shuai-jun， HU Yu， HUANG Meng-jie， TAN Ji-yang

【摘? 要】黨的“十三五”規(guī)劃提出發(fā)展節(jié)水型農業(yè)，并且積極推進農業(yè)的發(fā)展轉型。農業(yè)的轉型自然離不開科技的助力，通過一體化智慧灌溉技術和設備的引入可以改變傳統(tǒng)農業(yè)的灌溉方式，通過應用精準灌溉的施肥技術可以改善農業(yè)種植技術，提高水肥利用率進而提高農業(yè)生產率。論文從技術分析、地域分析和經(jīng)濟效益分析等多角度全面分析了在四川地區(qū)投資建設一體化智慧灌溉系統(tǒng)的可行性，為智慧農業(yè)和康養(yǎng)農業(yè)的項目投資者、從業(yè)者以及相關部門的政策制定者提供了行動基礎和依據(jù)。

【Abstract】The "13th Five-Year" Plan of the Party proposes to develop water-saving agriculture and actively promote the development and transformation of agriculture. The transformation of agriculture must be inseparable from the help of science and technology. Through the introduction of integrated smart irrigation technology and equipment， traditional agricultural irrigation methods can be changed. Through the application of precise fertilization technology for irrigation， agricultural planting technology can be improved， water and fertilizer utilization can be improved， and then agricultural productivity can be improved. This paper comprehensively analyzes the feasibility of investment and construction of integrated smart irrigation system in Sichuan region from the perspectives of technology analysis， regional analysis， economic benefit analysis and so on， which provides the action basis and basis for the project investors， practitioners and policy makers of relevant departments of smart agriculture and healthy agriculture.

【關鍵詞】智慧灌溉;農業(yè)投資;康養(yǎng)農業(yè);可行性分析

【Keywords】smart irrigation; agricultural investment; healthy agriculture; feasibility analysis

【中圖分類號】TV93? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0183-04

1 引言

我國是世界上的農業(yè)大國，但又是耕地嚴重不足的國家。目前，我國人均耕地面積排名世界第126位，僅占有世界人均耕地面積的40%。一方面，我國水資源持續(xù)緊張，總量不足并且空間分布不均，嚴重制約了農業(yè)的發(fā)展;另一方面，農業(yè)管理卻仍處于粗放型模式，沒有合理有效利用水肥資源，導致生產率低下，遠遠低于發(fā)達國家水平，這也對我國農業(yè)向現(xiàn)代化轉型升級提出了極大挑戰(zhàn)。因此，應用一體化智慧灌溉系統(tǒng)（以下簡稱智慧灌溉系統(tǒng)）具有長遠和現(xiàn)實意義。

智慧灌溉系統(tǒng)能夠提高灌溉管理水平，改變人為操作的隨意性，智能調控農藥化肥用量，降低管理成本，顯著提高效益，同時，也可以減少對生態(tài)的影響。因此，推廣實施智慧灌溉，改變目前普遍采用的粗放灌溉方式，提高水肥利用率，是有效解決灌溉節(jié)水問題和提高水肥生產率的必要措施之一，是農業(yè)順利轉型、促進農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。

四川省作為西南地區(qū)地理環(huán)境復雜省份之一，既有“天府之國”美譽之稱的成都平原，也有地形復雜的丘陵、山地、高原等地貌，且農業(yè)資源豐富，光是影響作物種植的土壤就有25種類別，但近些年來自然災害及施肥后化合物對土壤的侵蝕，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。四川是農業(yè)大省，但農村人口空心化現(xiàn)象嚴重，勞動力缺乏嚴重制約了農業(yè)的發(fā)展。因此，以四川省為例作為一體化智慧灌溉設備的可行性分析，更具代表意義及示范推廣作用。也為智慧農業(yè)、康養(yǎng)農業(yè)的項目投資者、從業(yè)者以及相關產業(yè)規(guī)劃部門提供了行動基礎和依據(jù)。

2 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國外對農業(yè)一體化智慧灌溉系統(tǒng)的研究比較早，目前的技術已經(jīng)比較成熟。其中，以色列在該領域中一直處于世界領先地位。該國作為一個嚴重缺水的國家，高度重視農業(yè)一體化灌溉系統(tǒng)的研究和應用技術開發(fā)。目前，以色列應用一體化灌溉技術的農田面積占比約80%，水肥利用率高達95%[2]。該國已順利實現(xiàn)了將一體化灌溉系統(tǒng)中對作物環(huán)境信息、水肥信息等實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠程傳輸，并通過計算機模型處理信息并生成水肥灌溉指令，對農作物的施肥灌溉進行遠程操作。此外，美國、澳大利亞、加拿大等西方發(fā)達國家以及日韓等亞洲經(jīng)濟強國的一體化智慧灌溉技術均快速發(fā)展并日益成熟完善，廣泛應用于農業(yè)領域。同時，結合日臻成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術，國外學者將自動控制、模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制和自適應神經(jīng)模糊控制等智能決策系統(tǒng)應用到一體化灌溉系統(tǒng)中，已實現(xiàn)對農作物水肥灌溉的精準智能調控和遠程操控。

我國對一體化灌溉系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，從21世紀初開始才開始針對這套系統(tǒng)進行研發(fā)和應用，近年來，我國在該領域的技術研究上有了長足進步。我國目前的技術主要利用可編程邏輯控制器（簡稱PLC）實現(xiàn)對農作物灌溉的模糊自動控制。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、電子通訊技術和自動化技術在我國的迅猛發(fā)展，我國當前的技術可以實現(xiàn)對農作物所處環(huán)境的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等主要參數(shù)進行實時監(jiān)控、歷史查詢和異常報警，用戶通過物聯(lián)網(wǎng)技術和Web網(wǎng)絡技術遠程查看農作物各項數(shù)據(jù)并實現(xiàn)遠程灌溉操作。近幾年，國內學者一直致力于提升一體化灌溉系統(tǒng)的智慧性和精準性，將模糊控制算法等智能決策控制方法應用于該系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的農業(yè)遠程一體化智慧灌溉。結合前瞻產業(yè)研究院發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)+智慧農業(yè)趨勢前瞻與產業(yè)鏈投資戰(zhàn)略分析報告》[3]可知，智慧農業(yè)關鍵技術包括智能農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、農場標準化綜合管理系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的農業(yè)感知技術、基于大數(shù)據(jù)的農業(yè)分析技術、基于云計算的數(shù)據(jù)處理技術等都是農業(yè)與科技結合發(fā)展的必然。目前，我國一體化智慧灌溉系統(tǒng)的研發(fā)正處于高速發(fā)展時期，但是實踐應用卻仍停留在依靠人工設定和操控層面，對于智能化和遠程化操作還需進一步提升和深入推廣。

3 農業(yè)結構和技術改革

農業(yè)供給側結構性改革的根本目標是提高農業(yè)綜合效益和競爭力，需要破解的基本難題是資源錯配、供需脫節(jié)、市場扭曲的矛盾，核心就是要優(yōu)化農業(yè)資源配置，減少無效供給，改善農業(yè)結構調整難和農民增收難的兩難困境的現(xiàn)實狀況，解決的三大突破點旨在促進農業(yè)發(fā)展轉型，重視發(fā)展現(xiàn)代化農業(yè)和科技型農業(yè)。一是強化農業(yè)經(jīng)營體系建設、創(chuàng)新農田基本建設模式，倡導加強對農場、農民和技術人員的隊伍建設，強調規(guī)?；蛷臉I(yè)人員的素質化;二是優(yōu)化農業(yè)支持政策，提高財政支農政策的精準性和有效性，有效提高財政資金投資效率，強調資金對農業(yè)科技的支持作用;三是建立農業(yè)綠色發(fā)展機制，強調農業(yè)發(fā)展效率的重要性和農業(yè)生態(tài)環(huán)境的綠色持續(xù)性。

此外，基層農業(yè)技術推廣站這幾年發(fā)展緩慢，很難擔當起對農業(yè)發(fā)展轉型科技支持的排頭兵作用，究其原因如下：一是鄉(xiāng)鎮(zhèn)農技部門隸屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府，很多專業(yè)技術人員被借調到其他部門，從事和農業(yè)技術推廣無關的工作，其專業(yè)知識白白浪費，很多鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至沒有專業(yè)技術人員;二是一直以來由于試驗、示范、推廣的經(jīng)費不足，致使農業(yè)技術推廣工作發(fā)展緩慢，大部分高新技術只是停留在市級以上的試驗示范和研究;三是基層農業(yè)技術推廣隊伍人員少、知識老化，不能及時再更新新知識、新技術;四是近年來，農村青壯年外出務工人員多，在家從事農業(yè)生產的群眾多數(shù)是老年人，其思想意識落后，對學習新技術、使用新技術的積極性不高，對高新的經(jīng)濟作物種植技術更難以接受。因此，基層農業(yè)技術推廣站的改革迫在眉睫，如果民間資本對灌溉系統(tǒng)等農業(yè)科技進行投入則可以盡快解決農業(yè)技術水平低下的難題和困境。

與此同時，農村要實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興，關鍵在于深化土地“三權”分置改革，引導和促進資本向農村農業(yè)集中，實現(xiàn)農業(yè)生產規(guī)?；?、專業(yè)化、現(xiàn)代化和農業(yè)產業(yè)的結構優(yōu)化，促進與二三產業(yè)融合發(fā)展，切實提升土地產出效益和抗風險能力，因此，迫切需要資本對智慧農業(yè)系統(tǒng)的投資從而推動農業(yè)的規(guī)?；蛯I(yè)的技術化。

面對此種情況，早在2016年中央一號文件便指出要大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農業(yè)”，應用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息技術，推動農業(yè)全產業(yè)鏈改造升級。針對該文，農業(yè)部后續(xù)出臺《推進水肥一體化實施方案（2016-2020）》，強調提高水肥利用率，通過重點區(qū)域試點并利用一體化灌溉技術的推廣，提高農業(yè)生產率。其中，文件特別針對以四川為代表的西南地區(qū)實際情況，提出推廣實施高效補灌水和水肥一體化結合的系統(tǒng)模式。上述文件的出臺，從政策上為一體化灌溉系統(tǒng)的推廣提供了重要的制度保證和輿論宣傳效果，也促進了該系統(tǒng)的技術研發(fā)進程和實踐應用。

4 四川省各區(qū)域分析

4.1 地理環(huán)境分析

四川盆地氣候溫度適宜大多數(shù)農作物生長，尤其水資源豐富，平均降雨量充足，但時空分布不均的特點也十分明顯，季節(jié)性干旱問題突出，迫切需要一體化灌溉系統(tǒng)對自然資源進行綜合調配和有效利用。以成都平原以例，主要以平壩為主，利于規(guī)?；姆N植。區(qū)域內屬四川盆地中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，歷年平均氣溫16.5℃，年均降水量977.2mm，年平均相對濕度為81%，歷年平均日照時數(shù)1032.9h，年平均風速1m/s，風向多為偏北風為46%，年平均無霜期297天。農作物種植時間長且溫度適宜，區(qū)域內水系屬長江水系支流岷江和沱江水系的支流，地表水及地下水充足，適宜灌溉設備的引入。

盆地東部年均氣溫17.6℃，年日照時數(shù)1192.7h，年降水量1026mm，年平均降雨日數(shù)147.7天，無霜期314天，屬亞熱帶季風性氣候區(qū)。境內河道屬長江流域，流域面積廣闊，但沒有大的江河過境，只有沱江、涪江水系的支流，水量充足，適宜果蔬種植，例如，區(qū)域內檸檬、橘子的種植，如果引入和建設灌溉系統(tǒng)則可以大大提高支流水資源的綜合調用率和有效利用率。

盆地西南邊緣以淺丘為主，兼有深丘、山地、平壩等多種地貌特征。以該區(qū)域的蒲江縣為代表，境內主要為岷江水系，境內地表水天然資源4.65億m3，主要由降水產生，年平均降水總量7.56億m3。地下水總儲量2.84億m3，可開采總量5522.8萬m3。該縣是著名的水果產區(qū)，特色水果生產已形成產業(yè)規(guī)模，現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)園總面積316.28m2，合計47.44萬畝，占全縣轄區(qū)面積的54%，良種化、設施化、機械化率分別達95%、70%、75%。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、土壤大數(shù)據(jù)、農產品電商等技術在生產、加工、流通等領域已開始進行應用，一體化智慧灌溉系統(tǒng)的投入更能促進該地區(qū)農產品生產的效率提升，提升經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

四川除了盆地外，還有高原山地地區(qū)。地形更加復雜，海拔較高，以攀西地區(qū)為代表，日照充足，晝夜溫差大，支流較多，水資源豐富，適宜水果種植，例如，鹽源蘋果、攀枝花杧果。該地區(qū)水果種植已經(jīng)趨于產業(yè)化，但是地區(qū)降雨時節(jié)和作物需水時間不同步情況經(jīng)常發(fā)生。更為重要的是，由于山地地形復雜，嚴重制約了農民日常的灌溉施肥程度工作，增加了日常生產成本，對自然天氣的依賴程度也很高，同時，對于病蟲害也不好實時監(jiān)控和治療，如果大量使用農藥，又會對生態(tài)環(huán)境帶來不良影響，難以保證農產品的綠色有機品質。而一體化智慧灌溉系統(tǒng)的投入則可以在空間、時間和地形上幫助農民提高水肥利用率從而提高產量，并且實時監(jiān)控有關參數(shù)，提出預警并幫助預防病蟲害的發(fā)生。

4.2 社會經(jīng)濟環(huán)境分析

四川省積極發(fā)展基礎設施建設，為新型農業(yè)技術的推廣尤其是系統(tǒng)項目的投資建設提供了基礎和便利。以道路交通為例，省內的各縣市之間的互通基本普及，全省自十八大以來致力于建設交通樞紐，尤其是扶貧通道的建設，新建高速公路近3200km，高速公路總里程達7520km，居全國第二。同時，全省各縣市都頒布了有關于農業(yè)科技園發(fā)展、農業(yè)機械化發(fā)展等方面的優(yōu)惠政策。一些是直接根據(jù)每家每戶的種植面積、種植情況等給予相應資金和補貼;一些是鼓勵集中生產，提高信息化、機械化水平的優(yōu)惠政策，同時，還鼓勵技術應用，提倡發(fā)展規(guī)?；藴驶?、設施化的特色農業(yè)和生態(tài)農業(yè)。另外，康養(yǎng)產業(yè)的興起，也對農業(yè)的發(fā)展提出了新的要求。隨著我國健康問題和老齡化問題的不斷嚴重，對綠色、有機農產品的市場需求越來越大，國家和地方各級政府紛紛出臺多項文件，制定政策鼓勵和促進康養(yǎng)農業(yè)的發(fā)展。四川作為人口大省和農業(yè)大省，人口老齡化的影響也更為突出，對養(yǎng)老、健康產品的需求也尤為明顯。因此，一體化智慧灌溉技術將有助于綠色農業(yè)、康養(yǎng)農業(yè)的發(fā)展，并具有廣闊的市場應用前景。

5 成本效益分析

長期以來智慧灌溉技術的推廣應用一直進展得相當緩慢，這主要是因為一般農業(yè)生產者和參與者在計算成本和效益上，都比較注重短期效益或者未進行精確的成本收益分析。有關設備和服務的成本表面上看起來很高，一般農民或小型農場經(jīng)營者無法一次性負擔或者不愿意一次性投入這筆費用，但智慧灌溉系統(tǒng)實際上能提供全新的方式改變其對土地的投入和其從土地中獲得的收益，在成本不變的情況下經(jīng)營管理更多的土地。美國工程與生物系統(tǒng)學專家指出，“使用更先進的智慧農業(yè)工具能夠節(jié)約更多的費用，約為每英畝15美元;使用指導系統(tǒng)和智慧農業(yè)基本技術可使每英畝節(jié)約2至8美元不等”。另外，研究顯示智慧灌溉技術在不影響產量的情況下可以減少至少10%的化肥使用量。

5.1 成本分析

傳統(tǒng)農作物或經(jīng)濟作物的種植基本上都依靠人力，從育壤、播種、育苗、施肥、除蟲、灌溉到最后的收割都需要大量勞動力的投入。同時，各項勞作的精細準確度很大程度上都是依靠父輩流傳的經(jīng)驗進行。當面對具有突發(fā)性和泛濫性的病蟲災害和惡劣天氣的影響時，這樣的經(jīng)驗式勞作具有極大的局限性，畢竟不同的區(qū)域有著不同的自然地理環(huán)境，尤其自然災害存在不可預見性，因此，產出效果非常有限而且具有很大不確定性，智慧灌溉系統(tǒng)的投入可以很好地解決這個問題，提高產出并保證產量的穩(wěn)定性。從人工成本角度來看，智慧灌溉設備通過傳感器、數(shù)據(jù)控制臺等技術進行自動精準灌溉、施肥，在很大程度上減少了對勞動力的依賴，對于大型的農場經(jīng)營者而言降低了大批勞動力成本支出。雖然灌溉設備的引入會增加設備的前期投入和以后設備的維護費等，但從長遠來看，設備的投入支出可以通過后期提高了的利潤中收回。

5.2 效益分析

農作物及經(jīng)濟作物的盈利點主要是依靠規(guī)模化種植降低成本以及品質提升提高價格優(yōu)勢。農業(yè)經(jīng)濟的規(guī)?；殉蔀榇髣菟?，同時，也是我國剛性勞動力減少的迫切要求。智慧灌溉設備的引入可以通過基于精準的農業(yè)傳感器進行實時監(jiān)測，利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘等技術進行多層次分析，并將分析指令與各種控制設備進行聯(lián)動完成農業(yè)灌溉、管理。這種智能機械代替人的農業(yè)勞作模式，不僅解決了農業(yè)勞動力日益緊缺的問題，而且實現(xiàn)了農業(yè)生產高度規(guī)?；?、集約化、工廠化，可以顯著提高生產效率。此外，結合網(wǎng)絡服務體系和通訊技術，農業(yè)相關人員足不出戶就能夠獲取農作物實時信息、進行遠程灌溉操控甚至是機器智能進行灌溉調控，專家系統(tǒng)也可以遠程指導農業(yè)生產，改變了單純依靠經(jīng)驗進行農業(yè)生產的經(jīng)營模式。此外，智能灌溉設備還能實時監(jiān)控并及時預防農業(yè)生產過程中出現(xiàn)的災害，提供對策幫助解決突發(fā)性的災害問題進而降低風險的影響減少損失。同時，系統(tǒng)的精準分析可以有效地降低種植農作物帶來的生態(tài)環(huán)境污染風險，有效促進綠色農業(yè)、康養(yǎng)農業(yè)的發(fā)展。

6 結語

推廣一體化智慧灌溉系統(tǒng)既順應了國家大力發(fā)展節(jié)水型農業(yè)、智慧型農業(yè)和康養(yǎng)農業(yè)的號召，也是人口紅利消失背景下進行規(guī)?；?jīng)營的迫切需要。在技術上我國目前已經(jīng)可以實現(xiàn)水肥的一體化精準灌溉、遠程化控制甚至是智能操控。從經(jīng)濟角度分析，該系統(tǒng)適應現(xiàn)代農業(yè)的規(guī)?；a，可以節(jié)約人力成本和農資成本，提高水肥利用率和生產效率，預防自然災害風險減少損失，提高農業(yè)生產利潤。同時，該系統(tǒng)有助于綠色、有機農產品的生產和監(jiān)控，推動綠色農業(yè)和康養(yǎng)農業(yè)的發(fā)展。該系統(tǒng)的推廣既有政策支持，也有市場需求空間，因此，在四川的推廣應用具有可行性。

當前，四川省的農業(yè)自然條件比較復雜，推廣基礎條件也不一致。對于經(jīng)濟發(fā)達、城市化程度高的地方，可以在農業(yè)規(guī)模經(jīng)營的基礎上進行智慧農業(yè)試驗，推廣智慧農業(yè)技術，而對于經(jīng)濟發(fā)展緩慢、城市化進程緩慢的地區(qū)可針對性地進行局部試驗和推廣。

包括四川在內的我國西部地區(qū)，水資源在地理和時空上分布嚴重不平衡，但現(xiàn)階段水資源開發(fā)利用方式不合理，灌溉方式不當引起的環(huán)境惡化問題嚴重。智慧灌溉系統(tǒng)可大大節(jié)約水資源利用率并遏制環(huán)境惡化。智慧灌溉系統(tǒng)在四川的大力推廣，可以為該系統(tǒng)在西部地區(qū)的深入實踐起到示范作用，進而推進農業(yè)現(xiàn)代化、普及現(xiàn)代信息技術和打造新型智慧農業(yè)，從而改變我國西部農業(yè)落后面貌。

【參考文獻】

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