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問土地要答案:青年科學家和新一代農民的探索

2021年08月09日 16:35

  今年6月,昆明滇池古蓮村的草莓種植戶老張,計劃利用夏天的農閑時分,為自家的草莓大棚裝上一套自動化施肥和種植決策系統。老張打聽了許久,對比了不少供應商,最終選擇了當地“小有名氣”的智多莓公司來合作。之所以小有名氣,是因為智多莓公司負責人程飚在去年首屆“多多農研科技大賽”中獲得了二等獎。

  程飚參加的多多農研比賽,是在聯合國糧食及農業組織的指導下,由拼多多和中國農業大學聯合舉辦的一個開放性農業科技競賽,旨在探索讓更多前沿的農業科技,從實驗室走向田間地頭。

  第一屆比賽的規則也很簡單——在120余天的時間中,控制溫室環境與水肥,種出品質佳、收益好的草莓。

  智多莓由一群來自中科院自動化研究所、昆明市農科院、昆明市公安局的專家,以及云南的企業家組成,這也是唯一一支進入決賽的云南本土隊伍。他們研究的是,將神經網絡算法、圖像識別等多種技術,與農科院專家的經驗結合,輸出一套數字化的草莓種植方案。

  就在比賽快進入尾聲的時候,程飚和團隊成員一起注冊了現在這家智多莓公司,并設計了自己的Logo,將比賽探索出的算法模型、水肥控制方案和自研硬件設備等進行商業化開發,提供給全國的草莓種植戶。

  去年11月起,程飚和團隊在古蓮村啟動了第一個商業化項目“社區種植者支持計劃”,由智多莓投資建設數字化農業服務工作站,在田間地頭的一個20多平方米的小型集裝箱內,裝進了自動化施肥和種植決策系統,預計可以服務周邊100畝左右的草莓園。

  作為首批用戶,老張抱著試試看的心態,將自家的2畝草莓接入了這個工作站,每株草莓一年付0.3元的服務費。他算了筆賬,從去年10月到今年五一種植季結束,自家的2畝草莓地比去年多賺了三四萬元,而且還節省了將近4000元的肥料成本。這樣來看,每年花2000元不到的服務費,實在是一筆劃算生意。

  “去年掙到錢的現實,和今年繼續掙到錢的愿望,這才是種植者持續投入的動力?!背天J為,技術的關鍵在于,要讓農戶認可并從中受益,這是第一屆農研大賽的初心,也是農業科技從業者最應該做的事情。

  1)用算法為土地創造增值

  云南昆明,8個100平米左右的溫室中,來自云南農業科學院的阮繼偉研究員扎進去就是大半年。作為云南聞名的“草莓博士”,阮繼偉和團隊負責第一屆比賽的農事管理、數據測定等工作。

  ▲去年夏天,云南省農業科學院研究員阮繼偉和團隊,為比賽隊伍提供了全方位的農事管理服務,并對各隊伍的草莓進行甜度、硬度等數值測定。圖|穆功

  4個玻璃溫室中,集成了大量的傳感器和荷蘭騎士集團的環控系統,來自全球各高校和研究機構的參賽隊伍,可調用Webservice的API服務接口,通過一行行代碼來控制作物生長所需要的溫濕度、水肥等。旁邊的4個塑料溫室中,則布設了普通的滴灌系統和施肥設施,來自全國各地的頂尖農人,利用傳統園藝技巧精心培育草莓。在4個月的種植季節結束后,他們要在草莓產量、甜度、投入產出比等多個數據緯度進行比拼。

  為了在100平米的溫室中種出更多、更好的草莓,選手們各辟蹊徑:

  7位瓦赫寧根大學、屯特大學、阿姆斯特丹大學的青年學者組成的AiCU隊,從荷蘭寄來了一套額外傳感器,并利用雙層算法單元建立更加精準的作物模型;

  由中國農業大學、國家農業智能裝備工程研究中心的博士們組成的CyberFarmer&HortiGraph隊,通過多組攝像頭的圖譜識別,更及時捕捉草莓生長情況;

  全國勞動模范、江蘇鎮江的草莓種植高手紀榮喜,一下飛機就直奔比賽基地,從家鄉帶來的“秘方”油渣,為種植的基質增添點肥力。

  “傳統種植的挑戰難度,其實遠高于AI種植?!比罾^偉認為,相比于AI組完善的環境控制條件,農人隊伍的現場管理難度要更高。他和團隊每周都會為參賽隊伍提供一次植株、果實等生長數據,在兩個種植季結束的時候,盡管AI隊伍的草莓產量平均值高出農人隊伍平均值196.32%,但在甜度這一指標上,農人隊伍要超出5.24%以上。

  AiCU隊成員,荷蘭瓦赫寧根大學的博士閔錢希曦是云南人,此次她與團隊成員一起在家鄉的土地上“云種植”。這支“車庫小隊”由一群在荷蘭的中國留學生組成,成員來自園藝、電氣、植物、數學等多個專業,在此次競賽中獲得第三名。

  “現在來看,比賽中我們遇到的最大挑戰,不是遠程或者數字化,而是沒種過草莓?!遍h錢希曦說,團隊將積累的黃瓜、番茄模型,結合植物生理狀態傳感器返回的實時數據,遷移到草莓種植上。她們此前曾參加過“國際智慧溫室種植挑戰賽”,探索AI種番茄并取得亞軍,這次“算法移植”,驗證了隊伍技術模型的可復制性。

  因為疫情的影響,AiCU無法回到國內,隊員們委托現場支持專家將自己種出的AI草莓,寄給了家人分享。同時,他們還在籌劃將比賽成果商業化,成為一家農業算法服務商。

  ▲在第一屆比賽中,AiCU隊伍使用了雙層算法單元過濾和處理數據,從而得出更精準的決策,成功將番茄和黃瓜模型遷移到了草莓上。圖|AiCU

  簡單來說,種植者可以使用AiCU的決策系統,在不同種植場景、不同作物中進行部署,何時施肥、施肥多少、是否需要降溫/加濕,都可以交給AI,計算出最優解。同時,硬件和培訓也在他們的商業服務范圍內,比如幫助種植者開發更低成本的氣候傳感器設備,以及提供水肥配方、能源分配等策略培訓。

  閔錢希曦說,團隊成員大部分已在荷蘭的學??蒲?、公司R&D部門任職,從事模型、數學、傳感器和溫室園藝相關工作。目前,他們已經為江蘇兩家種植企業提供了商業化的種植算法服務。

  “用更簡單、更可持續的方法為每一個人穩定地提供優質、美味的蔬果?!边@是AiCU成立的初衷,程飚也非常認同這個理念,他和AiCU團隊的成員有多次深入交流,并希望在研發和服務層面展開更多協作。

  在比賽過程中,程飚和團隊成員完成了數字農業服務的軟硬件開發,以及數據與算法產品架構。目前,他們采取了“社區種植者計劃”的服務模式,在農業地區由智多莓投建數字農業服務站,并按照服務面積收取服務費。目前,這套系統已經在云南的怒江州、曲靖市等區域落地。

  “預計再有3年,團隊可以做到千萬元級別營收?!背天f。

  微軟Azure全球原首席科學家Ranveer Chandra,和多支AI參賽隊伍有過深度交流。他認為,將人工智能技術用于草莓種植,并將大量不同的先進技術帶到田間地頭,是非常有趣,非常令人興奮的事?!盎谶@些創新的改變,我們可以種植更加多元化的營養食物?!盧anveer Chandra說,希望選手們將人工智能等新技術應用到項目的過程中,能夠為人類技術進步產生更深遠影響。

  2)讓農戶接受并負擔得起

  將實驗室的前沿技術遷移到田間地頭,只是第一步。

  對所有試圖商業化的參賽隊伍來說,如何將這些技術變成真實的產品,并讓農戶接受,則是更現實的問題。

  紀榮喜是參與第一屆多多農研科技大賽的農人組選手。這位出生于1965年的鎮江人,參與、見證了江蘇草莓三十多年的發展歷程,他帶領莓農們種草莓、學技術,從零到畝產3000斤,一步步脫貧致富,并在2015年當選為全國勞模。

  在鎮江句容,紀榮喜是最擅長利用科技的種植高手,他很早便去日本學習草莓種植技術,并在大棚里裝上了LED補光、水肥一體化灌溉系統等設備。但參加比賽的過程中,紀榮喜和團隊近距離接觸了AI隊伍的自動化決策系統后,深受觸動。

  氣候計算機基于實時采集的數據,精準控制大棚開窗通風降溫、施肥補濕,無人值守且做到了高產,“我們雖然有水肥一體化設備,但主要還是靠經驗來調肥,氮肥、磷肥、鉀肥一起拌進去,不科學也不精準?!奔o榮喜說,他更想要一套精準的施肥核心技術。

  ▲在云南,智多莓的數字農業工作站已投入使用,并為草莓種植戶提供水肥控制等服務。圖|智多莓

  今年,紀榮喜邀請智多莓團隊來到鎮江句容,計劃給大棚裝上控肥系統。他希望這套設備能更精準施肥,提升產量并在合作社內推廣,“現在我們里合作社有100多位農戶,種300多畝草莓,如果推廣開來,對效益是非常大的提升?!?/p>

  來自中國草莓第一大產區遼寧東港的馬廷東,則看到了另一面:不管是算法還是新設備,怎樣可以解決勞動力短缺的問題?

  馬廷東去年也參加了多多農研大賽,他的另一個身份是丹東市圣野漿果專業合作社理事長。這個合作社有157戶草莓種植戶,種植面積超過6000畝。他們遇到的難題是,勞動力短缺帶來的人工成本過高問題。

  每年八至九月份,是東港草莓定植的高峰季,人工費用飆升至30元/小時。同時,后續還有草莓分選、分級的成本。一斤草莓從田間地頭采出后,按照大小、品質分級,每斤分選費用在0.5元,“一年最少600萬斤草莓上市,這樣光分揀費用就要投入300萬元以上?!瘪R廷東說。

  他也仔細研究了AI隊伍在比賽中的產量、投入產出比等數據,得出一個結論——東港草莓發展仍在上升階段,隨著效益越來越高,在產業裝備設施的投入會越來越高,完全支持得起智能化分級分選設備的引入。

  “如果將糖度、大小、果型、單果重都能分揀出來,對草莓生產的標準化、品牌化有巨大意義?!瘪R廷東說,他們現在也在尋求智能化分選和自動采摘機器人的合作機會。

  老一代的農人,在尋求用新技術突破土地價值。新一代的農人,則有著不同的理解。

  中國另一個草莓種植強縣,安徽長豐縣的90后孫郁晴,完整參加了4個月的種植競賽,她對人工智能技術在農業的應用提出了自己的觀點:“IBM提出AI應該是Augmented Intelligence,因為AI是提高人的效率、擴大人的能力,而不是取代人。而且AI在農業的應用一定要接地氣,切實的解決主體的要求。因為對大多數中小農戶來說,他們更加迫切需要低投入、高效益?!?/p>

  孫郁晴說,她覺得AI和農業數據化和經驗層面,有巨大的結合價值。如果將草莓種植規模、產量等信息與市場信息進行關聯建模,并分析成本、利潤和預算投入,這對于國內農業生產的專業化運營來說,是最值得投入的。

  比賽結束后,她去了美國深造經濟學。孫郁晴說,在接觸到這個比賽后,她意識到農業領域女性力量會越來越多,參與度也會更加深,所以她選擇了農業經濟學和性別經濟學兩個專業,準備從更加宏觀的視野研究中國農業現代化的發展。

  3)“農業+科技”的想象力與邊界

  青年科學家和下一代農人的探索,帶來了更多的想象空間。但土地上的問題要更加現實。

  農業農村部農業物聯網重點實驗室主任、西北農林科技大學教授何東健觀察發現,依舊在農村種地的人,都是生于50、60年代的人,“70后都是少數,更不用說00后?!?/p>

  去年疫情期間,大賽的評委專家,農業部農業農村信息化專家咨詢委員會副主任委員、中國農業大學教授李道亮寫了本《無人農場》的著作,他認為,最多再過25年,上一代的農民就會退出工作場景?!罢嬲囊痪€勞動力年齡大約平均是55歲,45歲就算年輕的。反過來說,60后和70后是我們國家的主力軍,但這些人再過25年差不多就全部退出了,補上來的會越來越少,這就是一個基本的現實?!?/p>

  紀榮喜也在為將來幾年的草莓園苦惱,如今他的兒女都進城工作,家中的20畝草莓,主要是他和愛人在耕作,農忙時節會在村中請兩位零工幫忙,但難免捉襟見肘?!拔医衲暌呀?5歲了,再過5年可能就不種草莓了,到時誰來種?怎么種?”

  上一代農業生產種植者的逐漸退出,是必然的過程。更加迫切的問題是,這片土地未來要如何承載起食物供給的需求。

  ▲在發達國家,農業從業人口占社會人口比重在持續下降,農業科技的進步讓更少的農民養活了更多的人口。圖片|OWID

  事實上,世界上任何一個國家的農業從業人員占社會人員的比例,永遠持下降趨勢。公開數據顯示,目前美國、法國、日本等發達國家中,農業從業人員/社會人員的比例普遍在3%~5%左右,最少的國家是以色列,大約0.9%??梢?,農業裝備和技術的巨大進步,可以讓更少的農民種植管理更多土地,為更多人提供食物。

  中國著名經濟學家、北京大學國家發展研究院教授周其仁呼吁,不能認為農業是個傳統行業,農業是可以應用高科技的行業?!艾F在很多人沒信心,覺得農業收入就是低,誰搞農業誰窮。要從大城市周圍開始突破這個概念,把科技加進去,農業是有希望的。比如,發達國家丹麥,人均收入5萬多美元,養豬業還很發達。這就是依靠科技,讓好的種豬供應全世界?!?/p>

  事實上,農業的迭代升級,已經成為中國最為關注的重要問題。今年中央一號文件提出,要全面推進鄉村產業、人才、文化、生態、組織振興,尤其是要推動“農業農村現代化取得重要進展,農業基礎設施現代化邁上新臺階?!?/p>

  李道亮判斷,未來30年內,中國的農業會發生巨大變革,也將從傳統農業實現到現代農業的跨越?!岸喽噢r研科技大賽探索了人工智能解決人的勞動力問題,接下來要鼓勵更多的社會力量、科研機構加入,來一起研究、攻關,真正推動產業不斷前進?!?/p>

  ▲在第一屆比賽的初賽環節,“我說的都隊”隊長石奡坤(中國農業科學院蔬菜花卉研究所碩士在自家地頭,向評委們陳述技術方案。圖|穆功

  第一屆比賽的參賽隊伍已為未來農業科技應用和服務,探索出更多的解決方案,開始走向商業化應用。多多農研科技大賽組委會負責人蘭克表示,“這是令人振奮的一個開端”,即將開始的第二屆比賽,將升級為一個更加開放的平臺,它向全球的青年農業科學家提出一個問題:如何用設施園藝、生物技術等多樣手段,讓番茄的營養成分實現大幅度的提升和突破?

  “我們希望能夠邀約全球的好手參與,一起來研究這項開放性命題。對我們這樣一個起家于農業的新平臺來說,持續不斷探尋農業更上游的答案,是必須要追尋的方向,是自身的責任所在?!碧m克說。

  首屆大賽的另一位評審專家,中國農業大學園藝學院教授王紅清認為,未來農業是一個龐大的系統性工程,需要作物栽培、農業機械、物聯網、生物工程、農業經濟等多學科的交叉融合?!爸挥写蚱迫瞬湃?,讓搞信息技術的專家、搞人工智能的專家、搞機電工程的專家、搞農業種植的專家、搞流通上行的專家們一起,共同參與農業數據的積累,通過這種產學研的互相融合,才能探索突破的可能性?!蓖跫t清說。

(責編:張佩)