数字化技术在种植业中的应用

摘要：近年来，我国数字农业发展取得了明显成效，但相较与欧美发达国家的发展水平仍具有明显的差距，面临着诸多亟待解决的问题。本文以德清水木莫干山都市农业综合体为研究对象来分析数字化技术在农业中的应用所带来的优势以及存在的问题。

关键词：数字农业；自主知识产权；农业数据积累；植物生长模型

农业是多层次、复合型的综合系统。随着经济社会的快速发展与科学技术的日新月异，农业的内涵不断丰富、功能不断拓展[1]。当前，农业的现代化已成为了农业发展的普遍趋势，而将数字技术应用于农业领域是农业实现现代化发展的主要方法之一。所谓数字技术应用于农业生产，即通过引入一套自动化的、数据密集型的“精准”技术，用更少的土地、更节约的用水和其他投入生产出更多的健康食物[2]。由此看来，数字技术应用于种植业领域不仅可以提高农业的生产力和生产效率，还能提高农产品的质量，具有很高的发展价值。

一、研究背景

（一）数字技术在种植业领域的发展现状

我国的数字农业发展起步较晚，但随着近年来我国数字技术的飞速发展及乡村振兴对农村地区数字基础设施的完善，我国数字农业领域也取得了较快的发展。在种植业领域，物联网技术实现了生产环境监测、农作物病虫害精准诊断等应用，区块链技术的精准溯源让农产品质量安全越来越有保障。植物工厂是数字技术应用于种植业的典范。植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，其主要利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等进行实时检测和调节，可以使蔬菜长时间保持在适宜生长的状态，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约[3]。植物工厂内高标准的安全生长环境可以确保蔬菜无需清洗即可放心食用，经其培育出来的蔬菜产量较常规方法增长数倍，而用水量仅为之前的十分之一。因植物工厂所具有的优势，除了上海星辉蔬菜公司、浙江水木九天农业科技有限公司等农业公司纷纷建立蔬菜工厂、就连京东也选择与日本三菱化学控股集团合作建设植物工厂。从植物工厂的大面积投产不难看出，数字技术在种植业领域的良好发展前景。

（二）研究数字技术在种植业领域应用的现实意义

综合数字农业的发展现状我们不难看出，数字技术在农业领域中的应用确实给该产业提供了新的发展方向和乐观前景。无论是对作物生长环境的精准控制，还是对化肥农药使用的显著减量，亦或是产中过程可变成本的缩减，都较为有效地改善了传统农业发展的痛点，使得农业生产对环境的依赖性减小、农产品的生产和供给更加稳定，对整个行业实现规模化、流程化、标准化的发展有重大意义。就目前而言，我国的数字农业发展虽然在近年来取得了显著的成效，但由于起步较晚，且农业发展的先天条件较美国、加拿大等发达国家而言相对较差，所以整体上与形成完备的规模化数字生产体系仍有一定差距，且在发展中仍然面临着农业数据积累不足、技术与设备层面的“卡脖子”难题、农业从业人员综合素质较差、政府相关政策设计较为落后等突出问题。综合上述分析来看，研究数字技术在农业生产中的应用不仅有利于提高我国农业的整体经济效益，还有助于完善我国数字化农业生产体系，具有很强的现实意义。

（三）调查方式

本次调查采用实地调研的形式。在选定研究对象时，小组成员综合考虑到企业生产行为与选题的贴合程度及实施调研的可能性，最终选定了以德清水木莫干山都市农业综合体为例进行研究。在实践过程中，我们对产业园区的负责人及技术人员进行了采访，采访内容主要包括“对技术人员的素质要求”、“数字生产体系面临的问题”、“在后续发展中需要政府提供怎样的帮助”等方面，工作人员对各方面的问题都进行了详尽的解答，为我们提供了较为全面的信息。

二、调研对象概述

（一）数字技术在园区的具体应用

该产业园主要以种植薄皮沙瓤番茄为主，采用现代化连栋玻璃温室，包含生产区、智能管控区、育苗区、设备区等。在生产区内，园区通过初步人工智能管理温室，使用AI生成的标准化种植管理方案安排种植计划；在植株的生长过程中，技术人员通过数字技术监测番茄植株在整个生命周期内对生长环境的反应数据，进而通过智能环控设备为植株生长打造更加适宜的环境。同时，园区采用自主产权的数字化设备根据植物需求进行水肥配比，在满足植株生长的需求的同时能够实现节水95%、节肥75%，极大地提高了番茄的生产效率。在番茄成熟后，园区会与水木智能混拣配送中心实现对接，混拣中心通过智能设备与大数据的结合实现净菜、分拣、包装、仓储、配送的流程，最终将成品蔬菜供应给本地常住居民。

（二）园区项目介绍

浙江水木九天现代农业科技股份有限公司副总经理马生强介绍说：“我们项目的整体定位是民生保障工程，项目落成投产后，能够保证德清居民吃到新鲜安全又营养的蔬菜产品；其次，现代农业科技创新中心带来的创新型农业种植技术和新农人的培训，对于德清的农业生产方式具有积极意义。”马生强还表示，一颗番茄不仅能够丰富大家的菜篮子，更能撬动现代农业技术的发展。未来，水木莫干山都市农业综合体项目的运营将以德清为中心，辐射长三角及南方主要城市，缓解城市“菜篮子”难题，助力现代农业创新和发展，为德清县乡村振兴发展添砖加瓦。

（三）园区对工作人员素质的要求

该产业园中的工作人员大体分为两种类型，一是技术人员，主要负责培训工人、监测数据等工作；二是技术工人，主要负责在植株生长过程中进行一些标准化的操作。园区要求技术人员具有基本的农业知识和实践经验，对园区种植的番茄有较为详尽的了解，拥有对病虫害及植物长势的辨别识别能力；同时，由于技术人员要负责数据的记录与数据库的优化，技术人员还需具备一定的数据敏感度及数据的统计整合能力。而由于园区已通过数字技术使生产过程中的操作实现了标准化、简单化，所以园区对技术更人的要求相对较低，只需要具备工厂化的操作能力就可以培训上岗。

三、数字技术的应用给农业发展带来的优势

（一）摆脱农业对环境的依赖性，实现全年连续生产

受自然环境的影响很大一直以来都是传统农业发展面临的一个难题。农产品的产量、价格以及质量都和环境因素息息相关，受此影响，农产品很难实现全年的稳定供给。但数字技术的应用可以使农业生产基本摆脱“靠天吃饭”的特性。在配备智能环控系统的玻璃温室中，植株的生长环境可以根据室外环境的变化进行实时调整，例如在梅雨时节进行夜间补光、在冬春季进行整体环境增温等。这样，产业园区就能在全年对番茄进行连续的生产和供应，而不必受到外界气温、光照等因素的影响，甚至暴雨、暴雪、干旱等自然灾害也对番茄生产的影响也很小，降低了农业面临的自然风险。

此外，经过智能环控系统的调节，每一批农产品都是在相对稳定的环境中生长的，这使得产业园向市场输送的每一批产品的质量都基本维持在同一水平，而不会受到环境因素的很大干扰，与市场上其他产品相较而言具有独特的优势，这种优势在干旱或低温的季节将体现得更加明显。同时，由于使用智能设备的缘故，对温室内环境进行调整的成本相对较低，这意味园区的产品的市场价格基本不会因自然环境的剧变而产生大的波动。据技术人员介绍，产业园生产的水木番茄的价格全年都维持在五元一斤，在市面上同类农产品因环境因素而出现较大的价格涨幅时，园区的产品在市场上就具有了价格优势。

（二）提高生产效率，降低可变成本

传统农业在生产过程中对劳动力的需求较大，且在水肥的投入上难以做到精准控制，对病虫害也缺乏有效的治理方案，导致水资源的大量浪费、化肥农药的过度使用，不仅使前期投入小的优势被生产过程中的高成本掩盖，还容易对环境造成污染，生产过程相对低效。而通过智能生产设备对植株生长所需的水肥的精确计算与科学配比，可以在节约大量要素投入的同时避免环境污染，提高整体的生产效率。同时，数字化的智能生产设备使得农产品的操作工艺趋于流程化和标准化，有效控制了劳动力的投入，同时明显降低了对工人素质的要求。在该园区7000平米左右的种植区内，只需要8-9名从周边农村地区雇佣的农民来完成生产过程的基本操作操作，在将来甚至可能实现无人工厂的愿景，不仅节约了大量的劳动力成本还从技术培训方面降低了投入，进一步缩减了产中过程的可变成本。

（三）提高农业生产的经济效益

就投入产出比来看，尽管前期投入较大，数字技术的应用还是可以带来相对乐观的收益。据产业园的负责人马先生介绍，该园区所使用的玻璃温室及整套数字生产系统总投资为1.2亿元，前期投入的不变成本非常高。但由于数字技术的使用显著提高了总体的生产力和生产效率，使整体收获达到了传统大田农业的40-50倍，再加上产中过程低廉的可变成本，园区预计在5-7年内就能收回全部的前期投资，而设备的预估使用寿命为30年，即在剩余的25年中，园区产品的销售所得就全部为净利润，投资年化回报率在12%-14%之间，资金回报率非常可观。由此看来，数字技术的应用虽然存在着前期投入大的问题，但通过提高产中过程的生产效率与降低可变成本，依旧能在产出方面获得较大优势。尽管相对其他产业而言回报周期较长，但对农业的投资属于稳健性投资，长周期的回报也是可以接受的。

（四）产品营养价值高

随着居民生活水平的普遍提高，除食用价值外，消费者也开始关注农产品的营养价值。传统大田农业由于受土壤肥力、水质等的影响，农产品的营养价值往往参差不齐。同类农产品中营养价值较高的大多得益于独特的地理环境，如宁夏富硒西瓜、平谷大桃等。但数字技术的应用却能显著的提高农产品的营养价值。德清水木莫干山都市农业综合体生产的水木番茄在整个生命周期都处于通过智能环控系统精准控制的生长环境中，且生长过程中对所需各类营养物质的摄入量也都是由数字设备根据已有数据提供的最优量，所以相较于市面上的同类产品，其维生素等一系列微量元素的含量较高。随着社会的不断发展，这将成为使用数字技术生产的农产品在市场上强有力的竞争力之一。

四、数字技术在农业领域的应用面临的问题

（一）农业数据积累不足

本次调研的产业园区虽已通过数字技术实现了对番茄生产过程的精准调控，但对番茄植株生长最优环境的边际条件数据还在不断的探索与优化之中。而仅通过产业园内现有的技术人员来建立一个相对完善的植株生命周期数据库还需要一个相对较长的过程。因为要实现这一目标，就需要不断的通过对照实验来进行数据对比，而由于园区目前缺乏能对植株长势进行有效监测的设备，每次实验中所能获取的有效数据又是非常有限的，加之产业园内的技术人员大多只能对现有系统进行基本的调控，同时拥有高数据敏感度和建模能力的技术人才仍然匮乏，导致对数据的深层分析成为困难，更加大了建立成熟数据库的难度。在建立起成熟的数据库之前，园区技术人员很难通过植株反馈的数据来判断植物生长的具体状况，如怎样的数据表示植物需水、怎样的数据表示植物缺乏光照等，这就阻碍了产业园通过数字技术进一步激发番茄生产的潜力。虽然在园区内的现代农业科技创新中心建成后，能对园区甚至整个行业进行人才和技术的输出，但对整个行业而言，一个园区的的努力仍然很难解决这一难题。

从国内的数字农业整体发展来看，我国新一代信息技术与农业发展的融合仍面临数据、技术及融合障碍，与欧美国家提出的数字农业高端化发展相比差距较大[4]。如果要实现数字技术对农产品生产的总体效率与质量的进一步优化与提高，就要在行业范围内广泛建立植物生长最优条件的边界数据，并建立不同植物的生长模型。与荷兰等国家相比，我国目前对农业大数据的积累仍然不足，技术人员在实际操作中仍需通过不断的实验来完善数据，这就限制了数字技术在我国农业领域进一步发挥作用。

（二）部分技术对国外的依赖仍然较高

德清水木莫干山都市农业综合体在整套数字技术生产体系中全部使用的使用的是自主产权的设备，但智能环控系统使用的是荷兰的技术，这导致对技术应用的初步培训必须聘请荷兰的专家来园区进行，在生产过程中也需要荷兰的专家提供技术支持，这使得园区不得不时刻警惕技术上“卡脖子”现象的发生。同时，聘请这些专家的费用是非常昂贵的，这进一步加大了园区的前期投入，延长了产品的回报周期。经过采访我们得知，目前国内的一些专家虽然也具备了提供技术指导的能力，但技术的细节在传入我国的时候不可避免的流失了一部分，国内的部分专家在指导时也做不到倾囊相授，造成园区技术人员所掌握的技术完整性不高，阻碍了数字技术的整体应用。此外，该园区所使用的自主产权的智能设备在监测的精准度与稳定性方面与从欧美进口的设备仍然存在较大差距，同类型的产品维护成本也相对较高，这就限制了园区使用数字技术进行生产的优势的进一步发挥。

这一问题在我国的数字农业整体发展中是普遍存在的。我国部分农业领域的尖端数字技术仍然落后于发达国家，导致技术层面对美欧国家仍然存在着较强的依赖。这就造成了两个弊端：首先，技术层面的依赖一定程度上意味着设备层面的依赖。全国范围内，有能力全部使用自主产权设备的企业仍在少数。如果在生产过程中的某些环节不得不使用国外的设备，那么随着设备的更新换代，国内的农业从业者就不得不追加数字设备的投入，使得前期成本增加。第二，技术层面的依赖意味着被“卡脖子”的风险非常高。我国目前应用的许多数字化农业生产技术的专利都来自欧美国家，如果因国际环境或合作问题导致技术供应的突然中断，就会对我国数字农业的后续发展产生非常大的负面影响。由此看来，技术依赖在整个行业中都是亟待解决的问题。

（三）技术人才短缺

园区如果想在技术独立、产权自主的路上越走越远，并建立完善的植株数据库，就离不开技术人员的支持，而这正是园区当前相对缺乏的。首先，该产业园地处德清县，地理位置较为偏僻，不利于吸引尖端的技术人才；其次，园区的薪资水平相对较低，与科研院所或技术研发企业差距较大，缺乏对顶尖院校毕业生的吸引能力；第三，园区目前的招聘只面对一些普通的本科甚至专科学校，难以招到真正具备高综合素质的人才。综合上述三点，园区目前的技术人员中能对技术的进步或数据的完善起到真正推动作用的在客观上仍然匮乏，这拖慢了园区整体进一步发展的脚步。

数字农业属于信息化与农业产业的交叉领域，推动数字农业快速发展应用，亟需一大批既熟悉农业产业又懂信息技术的复合型专业人才[5]。目前在高校中选择农业领域进行研究的学生人数相对较少，而选择在毕业后去生产环节进行工作的更是少之又少。农业生产环节的工作薪资待遇较低，劳动强度较大等都是造成这种现象的因素。这导致在数字农业发展中同时具有数据分析能力和实践经验的人才严重短缺，制约了我国数字技术在农业领域的进一步发展。

（四）产品后续销售渠道相对狭窄

如前文所述，园区进行数字化建设的前期投入非常之大，这导致生产出的产品市场价格相对较高。据本次调查，杭州蔬菜二级批发市场上番茄的收购价格大概在1.8元每斤左右，而园区的水木番茄价格常年维持在5元每斤，没有向杭州市场提供产品的能力，而德清本地的市场又无法全部消化园区一年的产量，这给后续的销售带来了困难。此外，园区开发的礼盒包装和精准配送的模式还未被消费者广泛接受。首先，礼盒包装的产品价格更高，但消费者对此类产品的营养价值缺乏充分的了解，所以更倾向于选择市场上价格更低的产品。其次，就目前而言，消费者对蔬菜的消费仍更习惯于在市场上进行挑选，而并不习惯定期的配送。虽然园区数字化的生产过程可以保证消费者拿到的每一批产品都拥有基本相同的质量，但消费者并不能完全认同，总体上还是更接受直接挑选的消费方式，这就使园区扩展产品的销售渠道面临困难。

前期投入过大造成使用数字技术种植的农产品定价高于市场上的同类产品是行业内每个企业为达到利润最大化原则都不得不做出的选择，全国蔬菜销售市场所面临的消费者的消费习惯又是大同小异的。而目前各个企业拓展产后销售渠道的思路相对单一，大多寄希望于通过直播电商增加销量，致使电商市场同类产品已基本饱和，对产品销售能起到的帮助呈递减趋势。综合上述分析，使用数字技术生产的农产品普遍面临着产后销售不畅的问题。而这会成为阻碍新企业进入数字农业的因素，不利于我国数字农业的大规模发展。

五、结束语

经过此次对德清水木莫干山都市农业综合体的实地调研，我们切实地感受到了数字技术应用于种植业给园区带来的优势，无论是智能环控系统，还是数字化水肥设备，都改善了传统农业发展中存在的固有难题，在种植业领域有着良好的发展前景。但园区在发展数字技术种植的过程中也遇到了很多问题，而这些问题在我国数字农业的整体发展过程中是普遍存在的，这阻碍了数字技术在我国农业领域更广泛的应用，也使数字技术的很多优势难以发挥。如果想加快我国数字农业的发展，在农业的各个环节普及数字技术的应用，我们就必须对这些问题予以重视，积极探索解决方案，促进数字技术与农业的进一步融合，推动我国数字农业实现高质量发展。

参考文献：

[1]宋茜，杨鹏，钱建平，史云，张保辉，余强毅，段玉林，吴文斌.农业绿色发展数字技术体系内涵及其架构探讨[J].中国农业信息，2020，32（05）：38-48.

[2]FRANKS J R. Sustainable intensification： a UK perspective[J]. Food Policy， 2014， 47： 71-80.

[3]李敏.农业数字化转型发展研究[J].信息通信技术与政策2020（11）：57-61.

[4]许竹青.我国数字农业发展的现状、问题与政策建议[J].全球科技经济瞭望，2020，35（06）：19-25.

[5]张一博，汪明召，杨立新.湖北数字农业创新发展问题与对策[J].科技创业月刊，2020，33（09）：45-47.