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农业技术的新前景

前滩综研专报与简报研究室整理

图1 原文刊载于2023年4月17日
《全球智库动态》研究报告（2023年卷第71期）

一、农业5.0：数字化驱动的现代农业

现代农业正同时向多个方向发展，但其重点都是利用农业技术实现更好的规划和更智能的管理，以提高农作物产量。在过去几十年里，农业和田间管理经历了革命性的变化，这很大程度上归功于现代先进农业技术的应用。

直到20世纪初，农业生产的技术模式仍以维持生计为目标，生产力普遍低下。这个模式被称为农业1.0，以犁的发明和畜力的广泛使用为标志。

随着拖拉机等机械设备的引入，农业2.0开始。随后技术迭代的步伐大大加快，农业技术经历了多个活跃的发展周期。

精准或智能农业，也被称为农业3.0，是出于监测和更有效地管理作物投入的目的而发展起来的。对精准农业及相关技术的追求，引发了新耕作方式和工具的发展。全球定位系统（GPS）是农业3.0实现突破性发展的技术基础，也是推动可持续农业和自动化选项的关键。

21世纪初，农业技术快速发展，实现了从智能农业到互联农业的飞跃。自主机器、配备传感器的机器人、增强现实、物联网、无人机、卫星等都是新农业的一部分，即农业4.0。

农业5.0，也可称为“数字农业”，是指用数字手段最大限度地提高农业产量的下一代耕作方法和工具。农业5.0正在快速发展，并将提高最新农业科技成果的全球覆盖范围。与以往的耕作方式相比，数字农业技术具有以下优势：

图2 农业发展经历的5个阶段
（网络配图）

——数据收集效率。在给定的时间或空间内，能收集更多数据。

——数据准确性。测量的数据与事实更为接近。

——时效性。数据处理成实用信息，并报告给最终用户的速度更加迅速。

诚然，现代农业在更高效率、更低成本和更高产量方面，从技术发展中获得了许多好处，但硬币还有另一面，包括：大量使用杀虫剂，造成土壤和水污染；消灭有利于农作物的本地物种，导致生物多样性的丧失；砍伐森林为农田让路，过度使用机械，造成温室气体的大量释放等。

二、科技新生代激发农业新动能

农业技术可以提高农业运营的效率、生产力和可持续性，并为种植者回答以下问题：何时、在何处、投入多少用于农业经营。

图3 2023年3月，美国环境保护基金和环境激励公司共同发布《农业技术发现报告》
（网络配图）

农业生态有以下关键目标：减少用水、确保土壤植物健康、控制病虫害和减少温室气体排放。鉴于此，人工智能、机器人、生物制品和遗传学等技术，可有效应对农业系统的复杂性，并实现相关目标。

1. 人工智能

（Artificial Intelligence）

人工智能越来越多地被用于农业领域。当导航卫星系统与人工智能结合时，可以创建精细的实景地图，并允许机器自主导航。可变速率技术（Variable Rate Techonology，VRT）允许种植者根据土壤和植物条件，在田间以不同的速率对化肥等进行投放。2010年至2012年间，美国有30%至40%的玉米农场（约2900英亩）使用了VRT技术。

据估计，农业人工智能在2020年至2026年的复合年增长率为25.5%。目前，深度学习和数字孪生等复杂的人工智能流程，在试图利用大量数据集时往往不堪重负，导致产出有限。AI需要进一步发展才能在农业上大规模使用。

2. 机器人与自动化

（Robotics and Automation）

几乎所有的现代农场，都充分利用了机器人和自动化技术。最常见的农业机器人是无人机、自动拖拉机和喷雾器等。农业机器人是一个发展迅速的领域，目前的机器人不擅长模仿人类的抓握行为，这限制了它们在收获小而精致的水果方面的用处。有几家公司正在努力推进机器人技术，使机器人能够以与人类相同或更快的速度进行水果采摘。

机器人与自动化的其他发展包括授粉无人机、作物种植无人机和动态变量灌溉系统等。随着技术的创新和改进，机器人将能更有效率地执行更广泛的任务。

3. 生物制品

（Biologicals）

与传统的农业投入品（指在农产品生产过程中使用或添加的物质，包括种子、肥料、农药、饲料等）相比，生物制品的成本更低。一位农场主表示，使用生物制品处理每袋豆子只需要几美元，而传统的处理方法可达到15至30美元。由于生物制品是天然化合物及其合成物，通常对环境无害，在某些情况下还可能是有益的。

目前，生物制品主要用于水果和蔬菜，占全球市场份额的76%。生物制品的低毒性和低残留是水果和蔬菜的理想选择，因为它们通常以生食的形式食用。

4. 遗传学

（Genetics）

最近，农业遗传学领域得到了极大的发展。最具代表性的，是被称为CRISPR的新兴基因编辑技术。2012年，科学家发现CRISPR可通过删除、添加或改变DNA序列片段，对基因组进行编辑。CRISPR相比其他基因编辑的优点，是精确性、速度和一次改变多个基因的能力。

CRISPR被认为是一场革命，它激发了农业领域的大量研究。研究人员已经表明，作物可以通过基因编辑来获得多种好处，包括增加产量、抗虫害、增加营养、耐逆性等。同时，CRISPR已被用于改善家畜的耐热性和抗病性等性状。

尽管如此，目前大多数CRISPR编辑的作物还没有实现商业化。在美国，只有一种CRISPR编辑产品已上市——一种含饱和脂肪酸比普通品种少20%的大豆油。在日本，也仅一种CRISPR编辑的番茄上市。研究人员称，此番茄的营养成分含量高于标准番茄。随着研究的深入，更多商业化的CRISPR编辑产品正等待监管部门的批准，可能会在杂货店上架。

三、2023年农业技术大有所为

到2050年，随着人口的快速增长，对食物需求将激增70%。因此，人们必须转向农业技术创新。以下是2023年值得关注的农业技术创新领域。

1. 精准农业

（Precision Agriculture）

精准农业是一项农业资源管理策略。美国知名市场调研机构大视野研究有限公司（Grand View Research）预计，到2028年，全球精准农业市场规模将达到163.5亿美元，复合增速为13.1%。

精准农业通过收集、处理和评估数据以形成建议，帮助农民优化和提高农业生产力，广泛改善资源利用效率、可持续性和质量等农业指标。

图4 微软的FarmVibes项目是集合研究人员、工程师和科学家的力量，为农民开发设计的数字解决方案。这与比尔·盖茨近年来疯狂买地投资农业不谋而合
（网络配图）

精准农业使用大数据来辅助管理决策，使农民能够控制水分含量、土壤条件和微气候等变量，以最大限度地提高产量。同时，精准农业还依靠遥感系统、无人机和机器人等技术来优化农业资源，从而提高生产力。

2. 室内垂直农业

（Indoor Vertical Farming）

一般来说，每公顷稻米的平均产量在3至6吨之间。然而，室内垂直农业则不必面对这种限制。室内垂直农业即在封闭和受控的环境中种植农产品，使用垂直安装的种植架来提高有限空间内的作物产量。通常，架子不需要土壤，而是采用以下方式：

——水培法。在水和营养液中种植植物的园艺方式。

——气培法。将作物的根悬在空中，由发射器间歇性地向它们喷洒水和养分。

室内垂直农场使种植者能够控制光照、温度和水，有时还能控制二氧化碳等变量，从而获得更高的产量和更健康的作物。该技术的好处还包括减少约70%的用水量、节约能源以及降低劳动力成本等。

3. 蜜蜂引导技术

（Bee Vectoring Technologies）

在美国，蜜蜂的农业价值约为200亿美元。农业设备的不断创新，也在为蜜蜂提供保护，最大限度地提高蜜蜂的授粉能力。蜜蜂引导技术通过对饲养蜜蜂的授粉行为进行针对性的控制，建立环境安全的作物保护系统，且不再使用农药。该系统无需喷水或使用拖拉机，而是在蜜蜂腿上沾上微量的害虫控制粉末，以便它们在田间传播。蜜蜂引导技术可以提升农作物产量和土壤质量，并能适用于蓝莓、向日葵、苹果和西红柿等多种作物。

4. 激光稻草人

（Laser Scarecrows）

过去，农民依靠传统的稻草人来抵御饥饿的鸟类。但如今，农场可使用带有运动传感器的高科技设备，以防止鸟类掠夺农作物。在发现鸟类对绿色敏感后，罗德岛大学的研究人员设计了可以发射绿色激光的稻草人。早期测试发现，这些设备可以将农田周围的鸟类数量减少70%至90%，从而最大限度地降低对作物的损害。

5. 农场自动化

（Farm Automation）

农场自动化的方式，将农业机械、计算机系统、电子、化学传感器和数据管理结合在一起，以改进设备操作和决策制定，减少人为错误。农民现在使用自动收割机、无人机和自动拖拉机等设备来改变种植方式。减少劳动时间、提高产量和有效利用资源等优点，正推动农场自动化技术的大规模应用。

6. 微染色体技术

（Minichromosome Technology）

近年来，转基因食品受到了一些抨击，包括可能含有对人类有害的毒素和破坏自然生物多样性等。现在，农业遗传学家可以应用微染色体技术来增强植物的性状，而无需改变基因。由于微染色体含有少量的遗传物质，因此可以利用该技术使植物更耐旱或更能抵抗害虫，而不会干扰宿主的自然发育。

7. 水管理技术

（Water Management Technology）

N-Drip是一种微滴灌系统（micro drip irrigation system），可以让水慢慢滴到植物的根部，为作物的茁壮成长创造合适的环境。该技术可减少50%的用水量并提高作物质量。

四、东京打造具有当地辨识度的可持续性农业

2023年3月，东京都产业劳动局发布了《东京农业振兴计划》。报告指出，农田散落在大城市中，与城市共存，使东京农业成为世界上罕见的存在。为此，东京都政府将以“为居民生活做出贡献的可持续性农业”为目标，发布相关农业促进措施。以下为提升农业技术和附加值等内容：

图5 2023年3月《东京农业振兴计划》
（网络配图）

1. 开发高附加值新品种

综合考虑生产者、运输者、销售者和消费者的需求，开发有助于提高农产品质量的新品种和技术。培养具有管理意识的农民，加强新品种和生产技术的推广指导。

——农业综合研究所根据消费者需求和区域特点，已培育出可全年栽培的大葱“东京小町”和户外栽培草莓“东京大久莓”等。

——TokyoX是三种肉质优良的猪（北京黑猪、伯克夏猪和杜洛克猪）的杂交品种。历经7年改良，于1997年被认定为日本首个合成品系猪。TokyoX目前已在东京各大超市和百货公司销售。

2. 推进有东京特色的智慧农业

高效利用有限的耕地，实现高收益的农业经营。推进先进技术的智能农业研发，促进基于数据的生产管理，从而提升农业生产效率，节约劳动力。

——农业综合研究所与株式会社Agrihub合作，开发了农业作业日程管理应用程序AGRIHUB。借助智能手机和平板电脑等终端，工作人员可随时随地查看和记录工作日程。2022年，AGRIHUB被授予东京都DX奖。

——农业综合研究所开发并引进了小型太阳能植物工厂东京未来农业系统（東京フューチャーアグリシステム）。该系统是一种改良了采光和保温的温室，使用最新的水培系统进行全自动控制温室环境。使用该系统可获得一般温室栽培两倍以上的产量。目前，秋留野市的田中农场已引进该系统进行优质西红柿的种植，受到广泛好评。

3. 加强农产品的品牌推广

东京的农畜产品有着各自独特的历史故事，应充分利用靠近消费地的东京农业特点，推进农产品品牌化，并在宣传和销售地协调上提供支持。

——东京都设立了“挑战农业支援中心”，通过派遣营销、电子商务、设计等领域的专家，为挑战新农场经营的农民提供支持。东京都对制作包装、招牌等进行补贴，以提升农场的知名度和品牌力。此外，东京都还设立了市场开发导航员，支持销售地与农民之间的匹配，实现了在百货商店举办特产展销会以及在餐厅使用东京产农产品等。

注：本文由前滩综研根据原文整理编译，推送时略有修改，文中观点不代表本院看法

来源：数据分析网站官网

https://eos.com；

美国环境保护基金官网

www.edf.org；

美国MassChallenge官网

https://masschallenge.org/；

日本东京都产业劳动局官网

https://www.sangyo-rodo.metro.tokyo.lg.jp

采编：朱子寒