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數字農業為作物保護提供新方案

數字農業為作物保護提供新方案

作者:
來源:
中國科學報
發布時間:
2019/07/17 16:48
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  立夏時節,農作物進入旺盛生長、努力成熟的階段,農民也進入了作物管理的忙碌期,須密切關注農作物的健康,并采取措施防治病蟲害以保護作物。
  人類農業發展進程,無疑也是一部作物保護技術的發展史,作物保護對提高農業產量和品質功不可沒。作物保護由來已久,在近幾十年,作物保護技術變得更加豐富、精準和高效。隨著科技不斷進步,如今,數字農業為種植者提供更為系統、綜合和定制化的作物保護方案。
 
作物保護由來已久
 
  如同人類會生病一樣,植物在其生長中,也會受到病蟲害侵擾。所謂作物保護,就是一套旨在使農作物免受病害、害蟲和雜草侵襲的工具和農事操作實踐的集合。
作物保護歷史可謂源遠流長。幾千年前,兩河流域的蘇美爾人就已利用硫來控制害蟲;公元前600年左右,希臘和羅馬人使用油、灰燼和其他物質驅除害蟲;到了17、18世紀,尼古丁、草藥、銅等也被用于作物保護。
  作物輪作、土地翻耕、覆蓋作物等是人類在農業漫長的發展中,通過對病蟲害發生規律、作物生長環境的觀察、學習和研究所凝練出的智慧,用以幫助減少土壤板結,提高土壤肥力,改善土壤的保水能力,防治害蟲和雜草。
  一直以來,農民不僅在傳承作物保護的方法,也在積極尋求如何讓作物保護更精準高效。然而,直到上世紀前半葉,作物保護方法大都以大量的人力和時間投入為前提,效率相對低下。
 
精準高效的作物保護
 
  隨著新技術的研發和應用,近幾十年來,作物保護的思路、技術和方法有了新突破。
  比如,化學品就是一種非常有價值的作物保護工具,在防控病害、促進增產上具有十分重要的作用。
  再比如,生物技術也是作物保護的有效工具之一。一個典型案例就是Bt(蘇云金芽胞桿菌)的應用,它產生一種高度特異性蛋白,可殺死靶標鱗翅目害蟲。一方面,在已鑒定的數千種Bt菌株中,已知至少有200種具有殺蟲特性,因而,Bt菌劑常以液態噴灑的微生物殺蟲劑(MCPA)形式被有機農業廣泛使用;另一方面,科學家將Bt蛋白基因轉入作物中,使Bt蛋白在作物體內持續表達,這樣,作物自身就能抵抗靶標害蟲的侵害,提高了作物保護的效率和精確度。自1995年以來,表達Bt蛋白的生物技術種子因突出的防御蟲害表現在世界多地迅速被采用。
  同時,育種家也開發出了耐草甘膦和麥草畏等耐除草劑的作物品種,并已商業化種植,幫助種植者更好地管理農田雜草,更高效、便捷地保護作物。
  此外,微生物技術也是一種新的作物保護方法。據估算,一湯匙土壤中,約含有500億個微生物,這些微生物對植物的生長發揮著極為重要的作用。微生物技術“源于自然,用于農田”,利用自然界存在的微生物來提高作物產量、保護作物。
  孟山都公司和諾維信公司組成的生物農業聯盟(The BioAg Alliance)走在了這項技術的研發前列。該聯盟成立于2013年,致力于農業微生物產品研發,繼2017年發布微生物拌種劑Acceleron B-300 SAT后,今年年初,又公布了其玉米生物增產II(Corn BioYield 2)項目最新研發進展。該項目已進展到第四階段(預商業化階段),未來商品名將為Acceleron B-360 ST。該產品有助于促進微生物與作物間的共生關系,強化根系,提升營養吸收能力,預計將于2019年上市。
 
作物保護走向數字化
 
  據估計,2050年全球人口數量將接近百億,這意味著農業需養活更多的人口。然而,目前在發展中國家,約40%~50%的作物產量損失來源于病蟲害或收獲后的損失。由此可見,作物保護面臨的形勢依舊嚴峻,作物保護的工具需不斷完善和優化。
  繼化學品、生物和微生物技術后,數字農業工具讓作物保護的進一步優化成為可能。無人機、傳感器、衛星等先進設備,及移動計算、數據分析等技術的使用,讓作物保護的精準度和高效率更進一步,并減少了對環境的影響。
  比如,種植者可將攝像頭和成像設備安裝在無人機上,用于發現可能發生損害的農作物;利用“可視化噴施”技術,通過獲取的圖片計算生長于作物間的雜草的確切位置,從而精確地瞄準雜草進行噴施;同樣,通過安裝在農作物周圍的地面傳感器,可獲取土壤濕度、溫度和氣壓等多種氣候指標,并協助評估作物受脅迫指數。
如今,大數據農業不再只是實驗室里的成果,而是農民觸手可及的技術。今年年初,孟山都公司旗下的氣候公司公布了17個研發項目進展,并強調研究范圍將拓展到全球更多區域。此前,針對美國、加拿大、巴西和歐洲部分地區的大農戶和商業用戶,氣候公司已推出了Climate FieldViewTM 數字農業平臺。該平臺擁有數據采集、可視化及分析的功能,能將收集到的田間數據傳送到云端,并直觀展現給農民;并可基于數據分析提供實時的肥力管理、播種處方、病害診斷、產量分析等數據服務。
對小農戶來說,他們亦從數據科學中受益。比如, 2016年,秋粘蟲在加納暴發,通過移動應用程序收集的數據,科學家第一次在非洲準確鑒定出兩種粘蟲。換言之,如缺失關鍵的數據信息,加納的農民可能會將秋粘蟲與其他害蟲混淆,從而采取錯誤的作物保護手段。
  此外,據了解,針對亞非地區小農戶,孟山都專門開發FarmRiseTM小農戶數字平臺。在印度,已有約400萬農民注冊使用該平臺的試運營服務。打個電話、發個短信,印度種植玉米、棉花和蔬菜的小農戶就能免費與當地受過培訓的專家溝通。如問題未解決,咨詢師將在24小時內上門拜訪。此外,農民還會收到附近市場的最新價格信息短信、天氣變化的定期提醒。
  技術手段的豐富,讓作物保護有了更多選擇,“因地制宜”“因時制宜”的綜合解決方案已實現。對于種植者而言,通過組合不同技術和方法,便可高效、精準、便捷地取得最優效果。
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