数学在当前我国农业现代化中的应用简介

 陆广地

【编者按】数学有着十分广泛的应用，这一点是毋庸置疑的，今天我们着重介绍一下数学在我国农业领域的应用。以提高全体同学对文化课的重视和认识。

1992年9月，“中国工业与应用数学学会”召开了第二次大会，会上李大潜教授宣读了《努力发展中国的工业与应用数学》的报告，其中叙述了我国应用数学的新进展。数学应用可分成在经济建设、在科学技术、在军事与安全三者中的应用，今天我们主要看下数学在农业生产和管理中的应用。

中国科学院系统所王毓云运用数学、生物、化学与经济学交叉的研究成果，建立了黄淮海平原农业资源配置的数学模型。按照模型计算，制定了黄淮海五省二市的资源配置规划。通过十年实施，农业发生了巨变。此项研究获得了国家重大攻关奖及国际运筹学会荣誉奖。

中国科学院武汉数学物理研究所在分析了我国传统的生态农业思想与人类开发关系等问题之后，提出了一个生态农业经济发展及整治的理论框架与行动惜施，以图高产、优质、高效来增加农民收入。他们建立了18个数学模型，其中包括：一般水环境整治与扩建、水电能源的投入产出与经济系统的优化、林业开发、土地资源开发等优化模型。

曲阜师范大学运筹学研究所长期面向农业，他们先后与山东省23个县市的农业部门合作，取得了经济和社会效益。他们运用线性规划、对策论、参数规划等数学工具，为长清县种植业和畜牧业制定最优的结构布局方案；采用模糊聚类分析方法，建立了桓台县水产业最优结构的模型；为郯城县剩余劳力提出了合理转移方案；根据陵县的农业生态环境，建立了“盐、碱、荒地”、“低产田”，“中产田”开发治理的优化模型；为济南市的蔬菜产销结构，畜禽结构提出最优方案，并已为济南市有关部门所采用和执行。

我国是一个有着13亿人口之多的国家，农业对我国的作用不言而喻，只有老百姓吃饱了才能以更饱满的热情投入到社会主义建设中去，值得庆幸的是，无论是我国老一辈数学家还是年轻的数学家都很重视数学在农业领域中的研究和发展，也正是因为几代数学家们的努力，数学的研究成果在我国农业领域中的应用取得了巨大的成功，为我国的经济建设做出了显著的贡献。

一、农业生产中的数学 

农业、牧业、渔业都是以生物资源为对象，通过栽培、养殖、捕捞等生产过程，为人类提供最基本的生活物资。农业现代化包含两层意思：一是农业劳动生产率的提高，集中反映在每个农业劳动力提供的供养人数上；二是农业劳动效益的提高，反映在单产的增长上。而提高单产就要靠数学发挥魔力了。数学可以在这个问题上决定主次问题、有效利用问题、缩短生产时间问题，特别是数理统计学的发展及应用加上遗传育种技术的进步起着关键作用。 

而品种类别的总体规划上对于数学的依赖更是绝对化，完全不可分割。 首先对于可用耕地、湖区、滩涂的开发、调配、利用就是数学上需要解决的管理层面上的问题。其次在技术层面上，用技术缩短灌溉时间则是降低成本增加产量的必要手段。 

二、农业生态经济学

农业生态经济学 英文名称：agroecological economics ，研究农业经济系统中经济再生产的作用机制和运动规律， 探索提高农村生产力的途径， 并用于具体指导农业经济发展的学科。是现代农业生态科学与农业经济科学相互 融合而产生的新型边缘学科。

农业生态经济学研究的基本内容是:

①理论方面.包括农业生态 经济发展战略的理论与对策;农业生态系统、技术系 统和经济系统三者间的关系及其在农业再生产过程中 的地位和作用;生态平衡与经济平衡、生态规律与经 济规律、生态效益与经济效益及其各自在农业经济发 展中的地位与作用;农业生态经济系统结构、功能及 其与农业生态经济生产力的理论及相互关系;农业的 生态经济生产观、生态经济价值观及生态经济需求观 的理论;生态系统的自然物流、能流与经济物流、能 流之间的相互转化及其与价值流增值关系的理论;经 济体制、市场性质或模式、农用生产资料价格、农产 品比价以及政策、方针、法规等对生态平衡的影响等。

②应用方面，包括制定符合生态经济规律的计划、政 策法令及制定并实施生态经济规划和方案:按生态经 济原理设计、推广一生态农业模式;按各种不同农业 生态系统类型选择农业技术，按生态经济原理划分生 态经济区，并合理布局农业生产;对农业企业实施生态 管理，并防止和治理环境污染按生态经济综合指标体系 评价以上各方面的生态效益、经济效益和社会效益等。

    三、数字农业在农业发展中的应用

闫广州、张丽娜的研究认为随着我国将精确农业放在信息技术的首要位置,精确农业引起人们的兴趣与关注。作为一种以信息知识为基础的农业微观管理系统,精确农业属于超前性的农业高新技术,是现代农业发展的必然结果。农业数学模型可以认为是精确农业的科学基础与核心技术。为此,通过分析精确农业的发展前景,运用数学模型并借鉴精确农业的有关原理及技术手段,讨论了数学建模在我国现代精确农业中研究的重要意义和作用。同时,提出了我国在现代精确农业研究的创新构想。

"数字农业"是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高新技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现在农业生产过程中对农作物、土壤从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境进行定期信息获取，生成动态空间信息系统;对农业生产中的现象、过程进行模拟，达到合理利用农业资源，降低生产成本，改善生态环境，提供农作物产品和质量的目的。简单地说，数字农业就是把数字地球技术与现代农业技术相结合的综合的农业生产管理技术系统。它具有如下几个特点:

（1）"数字农业"数据库中存储的数字具有多源、多维、时态性和海量的特点。数据的多源是指数据来源多种多样，数据格式也不尽相同，可以是遥感、图形、声音、视频和文本数据等。

（2） 研究新一代时态数据库管理系统，并进而形成时态空间信息系统。这种时态空间信息系统不仅可以有效地存储空间数据，同时能够形象地显示多维数据和时空分析后的结果。

（3）"数字农业"要在大量的时空数据基础上，对农业某一自然现象或生产、经济过程进行模拟仿真和虚拟现实。

"数字农业"是一个挑战性的国家目标。几乎所有现存的技术基础，目前都还不足以支撑这样一个战略目标的实现。但是，近几年来，"数字农业"技术体系有关的应用基础与应用技术研究己经成为主要发达国家发展农业高新技术研究极其活跃的领域。可以预言，它的应用实践和快速发展，将在21世纪成为世界新的农业科技革命的重要内容，使人们对科学利用农业资源潜力的认识和作物生产管理观念上产生深刻的变革，促进农业科技界突破传统的以单学科研究为主的工作方式，通过多学科的融合和协调，将多种科技成果组装集成，直接为农业生产的持续发展服务。进入信息经济时代，不同国家发展农业高新技术应用研究的时间差距在缩小，重视在农业产业技术领域跟踪高新技术进步，在某些方面跨越传统的循序渐进发展模式，对农业发展是一种机遇和挑战。它不但对推动农业高新技术应用和发展，而且对有关基于信息和知识的主要支持技术产品制造业、知识产业和服务业，将开拓出广阔的消费市场。

中国农业大学的谭英和潘学标曾经坦言：没有信息的生产是盲目的生产，没有技术的生产是愚蠢的生产，没有科学管理的生产是无序的生产；农业要可持续发展，要协调好社会效益、经济效益和生态效益的关系，就必须打开数字化农业之门。

“数字农业”，与“数字地球”、“数字城市”、“数字部队”等概念对应。它要求对农业各个方面（包括种植业、畜牧业、水产业、林业）的各种过程（生物的、环境的、经济的）全面实现数字化。它是将遥感、地理信息系统、全球定位系统、计算机技术、通讯和网络技术、自动化技术等高新技术与地理学、农学、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现在农业生产过程中对农作物、土壤从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病虫害、水肥状况以及相应的环境进行定期信息获取，生成动态空间信息系统；对农业生产中的现象、过程进行模拟，达到合理利用农业资源，降低生产成本，改善生态环境，提供农作物产品和质量的目的。

“数字农业”数据库中存储的数据具有多源、多维、时态性和海量的特点。数据的多源是指数据来源多种多样，数据格式也不尽相同，可以是遥感、图形、声音、视频和文本数据等。数据可以是多维的，其中空间立体三维的时空数据必然导致数据库中的数据是大规模的、海量的。“数字农业”要在大量的时空数据基础上，对农业某一自然现象或生产、经营过程进行模拟仿真和虚拟现实。例如，土壤中残留农药的模拟和农作物生产的虚拟现实，农业自然灾害及农产品市场流通的虚拟现实等。

“数字农业”的方向之一是精确农业。精确农业是当今世界农业发展的新潮流，是由信息技术支持的、根据空间变异定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是根据作物生长的局部环境，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得更好的经济效益和环境效益。通常的说法，精确农业由10个系统组成，即全球定位系统、农田信息采集系统、农田遥感监测系统、农田地理信息系统、农业专家系统、智能化农机具系统、环境监测系统、系统集成、网络化管理系统和培训系统。其关键是建立一个完善的农田地理信息系统（GIS），可以说是信息技术与农业生产全面结合的一种新型农业。精确农业并不过分强调高产，而主要强调效益。它将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。

“十五”期间，国家科技部在已有863计划、973计划和攻关计划的基础上，继续加大了对以“数字农业”为主要内容的农业信息技术研究的投入，以“精确农业”、“虚拟农业”、“智能农业”和“网络农业”等内容为切入点，组织实施“数字农业科技行动”，突破一批“数字农业”关键技术，初步构建我国“数字农业”技术框架，加速我国农业信息化进程。

作为21世纪农业的重要标志，发展“数字农业”及相关技术，是我国发展现代农业必然选择的支撑技术。它将有助于我国农业从依靠经验为主的传统产业，转变为依靠高新技术的现代产业，有助于推进农业和农村经济结构战略性调整，提高农业综合生产能力和可持续发展能力。