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耕地土壤学科应用新质生产力打造土壤健康数智小模型
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耕地土壤学科应用新质生产力打造土壤健康数智小模型
作者:店场网    文章来源:本站原创    点击数:131    更新时间:2024/2/5

 

耕地土壤学科应用新质生产力打造土壤健康数智管理小模型

 

——长三角四季三现鲜农业工程师学院科创项目3

 

现在,我国大部分土壤都存在质量下降问题,已经对农业可持续生产构成了严重威胁,亟须开展健康耕地培育重大科技攻关行动。目前我国土壤学家已经发现耕地土壤存在的痛点问题,已经找到土壤专业学科科创攻关的主攻目标,现在也有物联网等解决土壤健康问题的武器工具,但是土壤学科数字化智能化面临应用生态碎片化问题,陷入老虎吃天无从下口的窘境。“土壤科技”与“产业体系”之间是皮与毛的关系,长三角四季三现鲜优势特色产业集群是一张皮,土壤科技是皮上长的“毛”。产业集群能够化解土壤科技单枪匹马直接面向农户推广科技成果,面临的孤军深入孤掌难鸣堵点问题。

 

2023年全国两会期间,全国政协委员、中科院黑土粮仓科技会战总指挥姜明提出,目前,土地经营者更加注重提高土地产出效益,主动开展用好养好耕地的积极性不高。由于农业市场主体追求经济效益,耕地土壤健康科技不能单枪匹马孤军深入。四季三现鲜平台要造大船,让种地农民搭乘四季三现鲜产业体系这艘大船,通过平台共享方式实现借船出海,让农民在四季三现鲜这棵产业集群大树上筑巢孵卵。四季三现鲜产业学院为土壤健康科技提供产业化应用平台。在种植环节,四季三现鲜米面油能够提升消费者体验;在养殖环节,通过农牧轮作智能放牧生产四季三现鲜肉蛋奶,实现增值溢价帮助农民溢价增收。

 

一、应用新质生产力实现农田耕地土壤健康数智化管理

 

我国耕地问题本质上是生产方式扭曲问题,目前种植业生产方式不合理,大面积连作导致土壤生态恶化;养殖业生产方式不合理,种养分离生产方式导致土壤有机质缺乏土壤退化;片面追求作物高产量导致土壤退化不可持续,农田过量使用化肥导致耕地土壤盐碱化。今天有了5G物联网大模型等新技术,在北斗卫星导航等新基建支持下,可以利用电子地图进行网格化管理。应用5G物联网智能终端边缘计算,对土壤健康进行数字化智能化网络化管理。

 

1.1、养殖粪污肥料化全量还田解决方案:

我国耕地土壤健康保育重点是解决土壤肥力退化问题,主要任务是解决“有机肥”的来源问题,推行农牧轮作智能放牧种养结合生产方式,能够化解种养分离脱节粪污还田难的问题。推行农牧轮作智能放牧生产方式,养殖粪污就能够直接排放在农牧轮作的杂草地上,提高了土壤有机质实现了藏粮于地。通过创新农牧轮作智能放牧新模式,能够实现养殖粪污肥料化全量还田利用。可以大大减少种植业的化肥使用量,推行这一方式可以让我国化肥使用量大大减少。

 

1.2、作物秸秆青贮化全量还田解决方案:

我国耕地土壤存在的最大问题,是土壤有机质含量下降问题。解决耕地土壤肥力提升问题,必须有巨大的有机肥资源投入进去。如果有机肥资源量小了,只能是杯水车薪,不能从根本上扭转耕地土壤退化的被动局面。农作物秸秆是耕地土壤不可多得的有机质资源,从防控土壤有机质退化角度说,小秸秆是土壤可持续健康不可或缺的大资源。应该将秸秆肥料化确立为主流利用方式,其中移动型青贮草料包过腹还田是最佳利用途径。

 

1.3、耕地土壤健康监测专项奖罚解决方案:

以四季三现鲜农田耕地为抓手建设土壤健康监测物联网,由物联网传感器进行土壤健康检测专项业务,这些专业化智能终端与“AI云小脑进行连接,由AI云小脑(专业应用小模型)对相关数据进行汇聚分析应用。以地块为单位布置物联网传感器,用物联网传感器对这一地块进行土壤健康检测,对耕地土壤有机质含量升降进行专项奖罚,对农田化肥施用量减少达标进行专项奖励,对采取农牧轮作智能放牧方式粪尿全量还田进行奖励,对利用玉米水稻青绿秸秆制作成青贮草包产品,通过畜牧业实现全量过腹还田进行奖励。

 

1.4、耕地土壤健康管理奖罚资金解决方案:

对于推行耕地土壤健康管理来说,没有奖惩就谈不上管理,没有奖优罚劣就是无力无效管理,耕地是农村集体资产,耕地承包费是集体收入,可以考虑土壤健康管理费用从耕地承包费中支付,在县级财政局为各个村设置耕地承包费专门账户,使用数字人民币进行收缴支付,在网络上全程透明化管理监督,每一年耕地承包费是浮动变化的,将土地有机质含量(质量)计入价格,在每年承包制开始结束时,都要监测该地块的土壤有机质含量,按有机质增加量进行奖励,该地块有机质透支减少承包方需要支付土壤补偿费。

 

1.5、土壤健康数据采集智能终端应用场景

耕地土壤健康可持续管理大量应用窄带物联网,诸如,青绿秸秆青贮草料包在收割现场利用专门机械作业时,面积数量利用物联网计数器进行智能采集,作物秸秆全量还田利用现场采集真实数据进行分析计算;农田化肥施入量能够利用专业传感器进行追踪计量,在农牧轮作智能放牧耕地上,养殖动物数量及粪尿排泄量是可追踪计量的,智能放牧杂草根据面积利用传感器可以计算二氧化碳吸收量等等。利用物联网智能终端采集土壤健康相关数据,同类传感器与土壤健康管理专业小模型连接,利用数字化工具分析管控耕地土壤健康问题。

 

1.6、土壤健康管理专业智能助手实现路径

四季三现鲜服务平台在进行生产性云服务过程中,会产生海量语音交互数据,还会生产大量视频交互数据,这些来自四季三现鲜农业现场实际的生产数据,是拥有应用场景特征的多模态数据,是问答型数据,是具体案例数据,是针对具体问题解决方案的多模态数据集。将这些多模态数据集滚雪球不断扩大,利用通用大模型GPT作为辅助操作工具,同步为四季三现鲜农户打造耕地健康专业助手。智能助手作为小农户身边的虚拟技术员,可以打破时空障碍地域壁垒,随时随地随叫随到地为小农户提供贴身服务。

 

二、打造四季三现鲜土壤健康管理AIoT1+1)小模型

 

2.1、数据采集是耕地土壤健康管理工程的起点,物联网传感器是土壤健康检测的核心武器。以地块为单位将专业传感器布置在农田中,对耕地土壤健康状况进行实时检测和视频监控,把土壤健康相关信息转化为数字信号。由传感器实时动态地感知采集土壤健康数据,通过5G物联网传输土壤健康相关数据,在土壤健康数据中心储存这些数据,打造土壤健康管理小模型从事分析处理土壤健康数据。

 

2.2、构建四季三现鲜农田土壤健康监测物联网,专业传感器智能终端设置在种植地块上,同类传感器与土壤健康管理专业小模型(AI云小脑)连接,组成AIoT1+1)专业模块,(1群同类节点智能终端+1颗分析决策AI云小脑),由土壤健康管理小模型分析处理决策。利用物联网智能终端采集土壤健康相关数据,同类传感器与土壤健康管理专业小模型连接,利用数字化工具分析管控耕地土壤健康问题。

 

2.3、耕地土壤健康可持续管理大量应用窄带物联网,诸如,青绿秸秆青贮草料包在收割现场利用专门机械作业时,面积数量利用物联网计数器进行智能采集,作物秸秆全量还田利用现场采集真实数据进行分析计算;农田化肥施入量利用专业传感器进行追踪计量,在农牧轮作智能放牧耕地上,养殖动物数量及粪尿排泄量是可追踪计量的,智能放牧杂草根据面积利用传感器可以计算二氧化碳吸收量等等。

 

2.4、在农田耕地上进行农牧轮作智能放牧,智能放牧场利用饲养动物账号体系,对每一放牧畜禽全生命周期进行防疫监控,保证饲料成分是低氮摄入量的,保证不存在有毒有害物质添加,控制兽药违禁使用、抗生素超标、违法添加剂等,保证牧场主在24小时电子眼监督下无法滥用药,不能够违禁使用非法添加剂,保证放牧畜禽粪便中没有重金属污染物,不会对智能放牧场土壤进行污染。

 

2.5、以具体地块为单位建立土壤健康电子档案,电子地图上记录了每年土地利用情况,能够为规避连作障碍提供依据。在农场主作物播种之前,利用传感器对土壤养分含量进行检测,作为测土配方施肥的依据,根据所种植作物的营养需求偏好,进行针对性配方施肥,根据土壤营养状况进行适应性配方施肥。应用物联网传感器对土壤有机质进行检测评估,将增加土壤有机质贡献计入土地转让价格。

 

2.6、耕地土壤健康监测物联网无法在碎片化状态下实现,为了将产业链成员连接在一起,需要打造一条贯穿全产业链始终的共享价值链,在价值链上提供可以利益均沾的利益点,才能够把全产业链成员连接在一起,店场网平台通过打造共享价值链,采取平台化方式高效率低成本地采集汇聚农户地块土壤数据,由5G物联网传输土壤健康相关数据,利用土壤健康管理专业小模型进行分析决策。

 

三、四季三现鲜全国作物大交叉大轮作化解土壤连作障碍

 

3.1、种植作物连作障碍也称之为重茬问题,土壤连作障碍导致作物生长势变弱,造成农作物产量质量出现下降,我国传统农业为规避重茬减产现象发生,通过种植不同作物进行倒茬轮作。现在,粮食主产区对主粮作物采取规模化生产模式,在同一地块上一季接一季的种植同一主粮品种,同一品种一茬接着一茬地大面积连续种植,导致粮食主产区土壤连作障碍问题愈益严重。

 

3.2、长三角四季三现鲜种植模式通过扩大轮作品种范围,将十大配角作物融入三现鲜主粮产业体系之中。四季三现鲜种植业创新了品种多样化轮作方式,将不同作物品种纳入三现鲜种植体系中,将不同生长期作物纳入四季三现鲜种植体系中,四季三现鲜作物种植打破了时间季节限制,提高了种植作物轮作自由度,增加了排列组合几率,粮食主产区不必一年一年连续种植单一主粮品种,有效化解了耕地连作障碍对土壤造成危害。

 

3.3、为化解长三角长江南地区土壤连作障碍问题,需要为四季三现鲜稻谷小麦标配伴侣作物,在四季三现鲜主粮体系架构中,三现鲜稻谷小麦是最佳主角,三现鲜伴侣作物是最佳配角,是稻谷小麦作物的黄金搭档,在三现鲜水稻种植期到来之时,配角作物能够挥之即去,随时随地主动将种植空间让座给水稻。在三现鲜水稻休耕期间,配角作物能够召之即来,随时随地插入到稻田中填补空白。

 

3.4、在长三角四季三现鲜种植模式实施过程中,打造耕地土壤健康管理专业应用小模型,四季三大主粮作物之间能够实施轮作种植,十大配角作物也能够参与进来,扩大了参与轮作的品种范围,而且可以随时随地弹性灵活地进行操作。每个地块电子档案记录着历年种植作物品种,在通用大模型帮助下进行规划设计,应用专业小模型化解重茬连作及隔茬障碍问题,根据市场销路价格行情选择种植品种面积大小。

 

3.5、打造耕地土壤健康管理小模型要突出问题导向,将化解耕地连作障碍问题放在第一位,在四季三现鲜农作物种植布局中,拥有四季三现鲜主粮品种参与轮作种植,还有十大四季三现鲜配角作物参与种植,它们之间进行排列组合优化配置,棋盘上每一枚棋子移动一次,就变成另一种棋局(作物布局结构相当于棋局),下一步棋就变成另一种布局,最终棋局(作物布局)就变成一个新模型。

 

3.6、耕地健康管理专业小模型从连作障碍角度进行分析评估,每更换一个种植品种等于更换一个参数,更换另一个评估模型做出连作障碍分析评价,耕地健康化管理小模型是基于大语言模型(LLM)打造的,已经积累储备了大量品种结构模型,供四季三现鲜种植专业户在多个方案中进行比较选择,四季鲜种植专业户可以用自然语言进行人机交互,降低了小农户利用大模型进行优化种植布局的门槛。

 

四、青绿秸秆全量过腹还田提升土壤肥力减少化肥施用量

 

4.1、我国耕地土壤存在的最大问题,是土壤有机质含量下降问题,解决黑土地土壤肥力提升问题,必须有巨大的有机肥资源投入进去,有机肥资源量小了,只能是杯水车薪,不能从根本上扭转耕地土壤退化的被动局面,需要大力度地将作物秸秆青贮化全量过腹还田,2020年全国秸秆产生总量为8.56亿吨,从防控土壤有机质退化角度说,小秸秆是不可或缺的大资源,青贮草料包过腹还田是最佳利用途径。

 

4.2、中国农作物秸秆总量是8亿吨左右,其中稻谷秸秆占比27.5%,稻谷秸秆是数量巨大的潜在饲草资源,稻谷在收割时秸秆仍然是青绿的,可以在收割现场制作成青贮稻谷草包,将青绿稻草转型为饲草料价值产品,通过草食动物过腹还田实现增值溢价,动用利益杠杆激励农民将青绿秸秆饲草化利用,对青绿稻草全量青贮利用的,以亩为计量单位进行奖励,在土地承包费账户中支付。

 

4.3、玉米是我国种植面积最大的农作物,也是我国产量最大的粮食品种,全株玉米的战略价值是饲草料化,过腹还田是实现价值的最佳方式。当前我国玉米秸迫切需要实现饲草化,全株玉米饲草料化的最佳实现途径就是青贮化。这是全世界全株玉米饲草化利用的普遍方式,也是发达国家的成功经验。对青绿玉米秸全量青贮利用的,以亩为计量单位进行奖励,在土地承包费账户中支付。

 

4.4、我国耕地土壤存在的最大问题,是土壤有机质含量下降问题,解决耕地土壤肥力提升问题,农作物秸秆是不可多得的有机质资源,从保护耕地土壤角度说,农作物秸秆资源不可流失,不能离开饲料化利用过腹还田大方向,青秸秆比干秸秆适口性更好,是营养价值更高的优质饲草资源。通过粮草兼用把干秸秆变为青秸秆,将硬秸秆变为适口性好的软秸秆,把散落秸秆变为包装型草料包,转型为可移动搬迁的优质饲草资源。

 

4.5、农作物秸秆是耕地有机肥重要来源之一,农作物秸秆处理不能脱离耕地保护大目标,在与耕地保护大目标撞车时,都必须给耕地让路。从保护耕地土壤的角度看,秸秆能源化起的是釜底抽薪作用,将耕地上的生物质资源拿走,实际效果就是釜底抽薪倒行逆施。目前,在秸秆利用方式背后存在着两条路线斗争,需要支持农作物秸秆饲料化肥料化全量还田,这并不是小题大做!

 

4.6、当前,我国耕地的最大痛点问题是土壤退化,要解决这个大问题需要投入巨量有机质资源,这是问题的本质核心。玉米秸秆在东北地区是资源量最大的饲草资源,玉米秸利用的最佳方式是通过草食动物过腹还田,青贮草料包是饲草+饲料的集成型产品,能够改变我国目前秸秆饲草化品质差、利用率低的局面。通过农牧轮作实现过腹还田全量还田,为提升我国耕地土壤肥力服务。

 

五、农牧轮作智能放牧养殖粪污全量还田提升土壤有机质

 

5.1、为实现养殖粪污就地就近全量还田,张振武团队提出智能放牧新养殖方式,将畜禽动物打造成为移动智能终端,实现了对畜禽排泄行为的智能化管控,农牧轮作智能放牧融合应用了北斗导航定位技术,融合应用了5G窄带物联网,应用饲养动物可穿戴设备做为导航器,智能放牧畜禽运行在虚实孪生电子地图上,通过网格化管理让畜禽定时定点进行排泄。

 

5.2、农牧轮作智能放牧场利用数字化工具进行管控,三现鲜平台根据国家规定的承载力标准,根据农场土地面积与消纳能力,根据农牧轮作牧场边界范围,快速计算出每一牧场的使用面积,快速统计单位面积畜禽数量,根据智能放牧畜禽品种确定合理饲养量。这个饲养量是养殖户生产规模大小的依据,也是监管部门实施耕地土壤健康监测管控的依据。

 

5.3、农牧轮作智能放牧以物理地块为操作单位,基于大模型打造土壤健康管理小模型,应用数字化工具以地块为单位进行智能化管控,实现数字化智能化平台化操作,建立数字孪生电子档案,由店场网平台为农牧场提供生产性云服务,以每一地块为数字化管理的基本单元,在试验田上探索创新出数字化管理模式之后,在长三角长江主粮区进行规模化复制推广。

 

5.4、农牧轮作家庭农场在地域上具有地理位置特征,在一定物理边界内进行定点放牧或者种植活动,以农牧场为物理单位进行智能化管控,利用物联网传感器对这一地块进行土壤健康相关检测,根据种植作物品种实施测土配方施肥管理,将每一年的种植信息记录在电子档案里,作为农场主实行品种轮作种植决策的依据,利用5G物联网数字化工具有效提升土壤有机质。

 

5.5、土地流转不仅在种植农户之间进行,也在种植户与养殖户之间进行,不仅按照转让面积计算价格,还要将土地有机质含量(质量)计入价格,由于养殖户在智能放牧养殖过程中,养殖粪污排放在耕地上,等于对耕地增施了有机肥,智能牧场记录了排放数量,受让耕地的种植户是受益者,在交易时需要按有机肥数量记价付费。对耕地使用权进行电子化交易,可以在线上利用智能合约数字人民币快速支付交易。

 

5.6、实现养殖粪污与作物秸秆全量还田,需要对二者进行共同发酵腐熟处理,推行农牧轮作智能放牧种养结合,将种植业与养殖业安排在一个地块上进行轮作,诸如,黄淮海在冬小麦收割之后进行留茬放牧,第二年全年实行休耕进行智能放牧,饲养动物粪尿排泄在自然杂草地上,同作物秸秆一起实现了发酵腐熟,用于提升耕地土壤有机质。对实现养殖粪污与作物秸秆全量还田的,以亩为计量单位进行奖励,在土地承包费账户中支付。

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