王鈺瀅，劉凱凱，劉晶茹，龔玉娜，曹思函，徐宏偉

(大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

1 引言

中國(guó)要強(qiáng)農(nóng)業(yè)必須強(qiáng)，中國(guó)要美農(nóng)村必須美，中國(guó)要富農(nóng)民必須富。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，但是農(nóng)業(yè)發(fā)展卻止步不前，我國(guó)大部分的農(nóng)業(yè)種植以老年人為主，年輕勞動(dòng)力流向城鎮(zhèn)，農(nóng)業(yè)發(fā)展缺少科技型人才，耕地設(shè)備老化，耕地效率過(guò)低，土地利用率低等問(wèn)題對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生很大的阻礙。同時(shí)，我國(guó)耕地面積在逐年減少，土地沙漠化，土地鹽堿化等問(wèn)題也帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。本文在綜合智慧農(nóng)業(yè)及土壤檢測(cè)

研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行總結(jié)，深入分析當(dāng)今農(nóng)業(yè)的發(fā)展，并對(duì)土壤中氮的檢測(cè)方法進(jìn)行深入研究。

2 農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始不受季節(jié)制約，但傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍存在很多問(wèn)題[1]。我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)建設(shè)投入過(guò)少，同時(shí)也缺少發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的科學(xué)技術(shù)型人才；由于土地分配政策導(dǎo)致土地分配到每個(gè)農(nóng)戶身上，土地分散，機(jī)械利用率很低，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本很高；由于急功近利想更快獲得農(nóng)產(chǎn)品，使用某些化學(xué)產(chǎn)品催熟，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品健康安全也存在嚴(yán)重問(wèn)題，農(nóng)產(chǎn)品的法律制度不完善，質(zhì)量安全檢測(cè)也不過(guò)關(guān)。由于不注意可持續(xù)性利用土地，過(guò)度使用化肥農(nóng)藥，導(dǎo)致土地沙漠化、鹽堿化，土地可使用的質(zhì)量在逐年下降同時(shí)也嚴(yán)重污染了土地[2]。氮是土壤的重要組成部分，通過(guò)一系列化學(xué)變化，為農(nóng)作物提供所需養(yǎng)分，所以氮的監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量及土壤保護(hù)方面都起著至關(guān)重要的作用。利用“智慧農(nóng)業(yè)”對(duì)氮進(jìn)行亟需提上日程。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化信息化正在發(fā)展，但仍沒(méi)有得到有效推廣，還有很大發(fā)展空間，我國(guó)部分地區(qū)農(nóng)業(yè)還未走近信息化，信息化與智慧農(nóng)業(yè)并沒(méi)有達(dá)到完全融合，信息技術(shù)并未真正改變農(nóng)村粗放型農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀[3]。但在“智慧農(nóng)業(yè)”的發(fā)展模式下，我國(guó)糧食產(chǎn)量正逐年增加(表1)，基于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,“智慧農(nóng)業(yè)”是我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的最好模式。為了減輕土地沙漠化、鹽堿化的現(xiàn)象，構(gòu)建了氮的檢測(cè)方法模型。

表1 2011～2019年中國(guó)糧食的產(chǎn)量情況

3 智慧農(nóng)業(yè)模型及氮的檢測(cè)方法模型的構(gòu)建

中國(guó)社會(huì)經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)革命和工業(yè)革命兩個(gè)階段，現(xiàn)在正在進(jìn)行智能革命[4]。智慧農(nóng)業(yè)就是智能革命的一種表現(xiàn)形式，智慧農(nóng)業(yè)包括三個(gè)方面：第一，是智慧生產(chǎn)，智慧生產(chǎn)是用現(xiàn)代傳感器技術(shù)對(duì)種植地里的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化,提高土地利用率和農(nóng)作物生產(chǎn)率，同時(shí)也可改善生態(tài)環(huán)境提高農(nóng)作物品質(zhì)。可以在種植現(xiàn)場(chǎng)安置網(wǎng)路攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的收集，安置控制傳感器用來(lái)控制數(shù)據(jù)，用空氣傳感器，土壤傳感器，光照傳感器和化學(xué)傳感器來(lái)發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)所出現(xiàn)的問(wèn)題[5，6],最后以終端控制中心來(lái)操控。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在進(jìn)行智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型后，可以通過(guò)RS 遙感技術(shù)、GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GIS 地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻隴、播種、灌溉、施肥、除草、驅(qū)蟲等功能[7]。在農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)生產(chǎn)階段使用物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析，獲得農(nóng)作物生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)共享[2]。還可以構(gòu)建共享平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，當(dāng)農(nóng)作物的生長(zhǎng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以開(kāi)發(fā)app用于診斷病蟲害。第二，是智慧經(jīng)營(yíng)，智慧經(jīng)營(yíng)是利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行銷售，拓寬農(nóng)產(chǎn)品的銷售渠道。讓電子商務(wù)在農(nóng)作物買賣上發(fā)揮其作用。讓農(nóng)產(chǎn)品在類似淘寶的網(wǎng)站上銷售，這樣可以讓農(nóng)民更好地把農(nóng)產(chǎn)品賣出去，減少了作物爛地里沒(méi)人收購(gòu)的情況，同時(shí)，作物的運(yùn)輸也是一大問(wèn)題。農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸難度也大，運(yùn)輸成本太高，運(yùn)輸過(guò)程保鮮困難。可以利用“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”為核心的運(yùn)輸方式，電商平臺(tái)介入農(nóng)產(chǎn)品的銷售為其帶來(lái)多樣化的銷售方式，促進(jìn)了我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展[8]。第三，是智慧服務(wù)，智慧服務(wù)是農(nóng)戶可在網(wǎng)上查找各種作物的最新價(jià)格，可結(jié)合自身情況定下這季的播種作物，方便去查找各類的信息。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建智能預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)下一季度種植農(nóng)作物。避免農(nóng)民出現(xiàn)盲目跟風(fēng)種植的情況，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)量超過(guò)了消費(fèi)者的所需量，導(dǎo)致通貨膨脹，農(nóng)產(chǎn)品賣不出它的價(jià)值，農(nóng)戶損失嚴(yán)重，為避免這種情況的發(fā)生，可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行智能預(yù)測(cè)[8，9]智慧農(nóng)業(yè)信息服務(wù)是將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、云儲(chǔ)存等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面來(lái)，使信息轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的過(guò)程?？梢杂棉r(nóng)業(yè)信息服務(wù)來(lái)幫助農(nóng)民把握市場(chǎng)需求與價(jià)格。以上智慧生產(chǎn)，智慧經(jīng)營(yíng)，智慧服務(wù)是智慧農(nóng)業(yè)模型的三個(gè)方面。近些年，我國(guó)為了提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，進(jìn)行了過(guò)度施肥，這不僅是對(duì)資源的浪費(fèi)、對(duì)人身體健康有害，并且對(duì)土壤也是一種污染。農(nóng)藥的過(guò)度使用顯然不符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展理念，對(duì)于土壤中各種微量元素的檢測(cè)來(lái)衡量農(nóng)藥的需求量是農(nóng)業(yè)發(fā)展解決的一個(gè)重要問(wèn)題。而衡量土壤肥力大小的重要指標(biāo)是土壤中氮含量的多少，最常用的氮的檢測(cè)方法是利用近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)通過(guò)土壤反射光譜特性獲取土壤的有機(jī)物含量(圖1)，它可直接快速的檢測(cè)土壤中化學(xué)成分組成不需要其他化學(xué)試劑，操作簡(jiǎn)單方便。近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)不僅應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面，在食品、制藥等行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用，利用近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)可快速精準(zhǔn)地對(duì)土壤中含氮等有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行精確的測(cè)量。國(guó)內(nèi)外對(duì)氮的檢測(cè)儀器主要有三種，一是便攜式土壤養(yǎng)分速測(cè)儀，它的原理是基于光電比色等養(yǎng)分快速測(cè)量技術(shù)，缺點(diǎn)是沒(méi)有辦法在農(nóng)田中在線對(duì)氮的含量進(jìn)行檢測(cè)；二是利用離子選擇場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)集成元件的土壤中有機(jī)物含量測(cè)量?jī)x器；三是利用近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)通過(guò)土壤反射光譜特性來(lái)獲取土壤中有機(jī)物的含量。目前應(yīng)用最多的是用近紅外(NIR)光譜檢測(cè)，其技術(shù)較為成熟，操作較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

圖1 電磁輻射頻譜

4 機(jī)遇、挑戰(zhàn)及建議

4.1 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來(lái)了眾多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。政府大力支持我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)色發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型。黨的“十八大”作出了有關(guān)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的戰(zhàn)略部署，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化逐漸被重視起來(lái)[9]。同時(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、嵌入式、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息化技術(shù)日益成熟，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平較以前已經(jīng)有了很大突破，走在了世界的前端[10]，在研究土壤含氮量的檢測(cè)方面小有成就，在這個(gè)趨勢(shì)下，化肥過(guò)度使用問(wèn)題會(huì)得以解決，土壤的質(zhì)量也會(huì)得到質(zhì)的飛躍。

但是在面臨機(jī)遇的同時(shí)也面臨著很多挑戰(zhàn)。我國(guó)農(nóng)業(yè)專用傳感器落后，研發(fā)農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)量少，穩(wěn)定性差[11]。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面沒(méi)有形成“感知—傳輸—處理—控制”的應(yīng)用鏈條。我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)格較小，土壤有機(jī)養(yǎng)的檢測(cè)存在設(shè)備落后，缺乏信息技術(shù)人員的支持，還沒(méi)有形成可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)體制，需要政府的大力支持和引導(dǎo)[9]。

4.2 建議

各級(jí)政府應(yīng)重視并執(zhí)行由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型[9]。讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展中充分發(fā)揮它的作用，提高農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展[12]。政府對(duì)“智慧農(nóng)業(yè)”的發(fā)展應(yīng)予以大力支持[13]，加強(qiáng)“智慧農(nóng)業(yè)”基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備不太成熟，需要提高技術(shù)，來(lái)減少制造成本。建立并完善智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系，運(yùn)用大數(shù)據(jù)知識(shí)去解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化、信息化、生態(tài)化、低碳化、集約化，加強(qiáng)建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)的裝備，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和云存儲(chǔ)技術(shù)運(yùn)用到智慧農(nóng)業(yè)模型的構(gòu)建中來(lái)提高農(nóng)業(yè)設(shè)施的智能化。推廣環(huán)境感知、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制的智能監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)，提高設(shè)施的數(shù)字化、精準(zhǔn)化和自動(dòng)化。提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化水平，綜合利用GIS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，將種植、生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存、物流、營(yíng)銷、質(zhì)量安全等結(jié)合，使農(nóng)業(yè)資源得到合理的使用，降低了生產(chǎn)精力，同時(shí)也使食品安全也得到了保證，對(duì)生態(tài)環(huán)境也有一定的保護(hù)?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的建設(shè)，培養(yǎng)對(duì)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的人才，加強(qiáng)對(duì)科技術(shù)學(xué)的研發(fā)，鼓勵(lì)引導(dǎo)廣大青年參與到智慧農(nóng)業(yè)中來(lái)[14，15]。完善相關(guān)法律制度，對(duì)于發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)給予好的政策待遇，在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全方面也應(yīng)制定相關(guān)法律制度來(lái)加以保證。提高全國(guó)人民對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的認(rèn)識(shí)，鼓勵(lì)大家加入到智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)中來(lái)。

5 結(jié)論與展望

為了提高現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，政府制定了一系列土地管理政策[16]，推動(dòng)農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)“智慧農(nóng)業(yè)”，智能革命在逐漸改變我國(guó)農(nóng)業(yè)，在未來(lái)將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，糧食問(wèn)題應(yīng)擺在首要地位，因此土壤的健康情況成為了人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題，土壤的肥力狀況與土壤健康息息相關(guān)，而土壤中的氮磷等有機(jī)物是土壤肥力的重要組成目標(biāo)，土壤利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用近紅外(NIR)光譜檢測(cè)技術(shù)等對(duì)土壤含氮量進(jìn)行檢測(cè)[18]，我國(guó)多位科學(xué)家對(duì)近紅外光譜在檢測(cè)土壤肥力上的應(yīng)用進(jìn)行了大量檢測(cè)[19]，發(fā)現(xiàn)在技術(shù)逐步成熟的同時(shí)仍存在很多問(wèn)題[20]，未來(lái)應(yīng)改善農(nóng)業(yè)上存在的問(wèn)題，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，培養(yǎng)高校智能化農(nóng)業(yè)人才，促進(jìn)我國(guó)新興智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。