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AIoT（1+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AIoT（1+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。