使用傳感器作為主要數(shù)據(jù)來源的模型，能為理解農(nóng)業(yè)在碳排放、能源、養(yǎng)料和水循環(huán)等方面的作用提供新的角度。

農(nóng)業(yè)，傳統(tǒng)上被人們看作是糧食、飼料和纖維的來源，如今越來越多地被看做能源來源和生物多樣性、氣候、水和害蟲管理等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的來源。世界人口的增長，在以上兩方面給農(nóng)業(yè)帶來巨大壓力。

過去，農(nóng)業(yè)已經(jīng)通過擴大灌溉和非灌溉作物生產(chǎn)區(qū)域、提高自動化水平、基因選擇、植物改良、優(yōu)化管理、害蟲控制和其他方法滿足了社會需求。這些方法中有些對于提高當(dāng)今農(nóng)業(yè)產(chǎn)量作用甚微，但其他仍處于發(fā)展初期方法對進一步提高產(chǎn)量擁有巨大潛力。

如何滿足對農(nóng)業(yè)日益增長的需求，從溫室生產(chǎn)中即可見一斑。現(xiàn)代溫室生產(chǎn)利用大量的傳感器、控制設(shè)備和信息技術(shù)，優(yōu)化水果和蔬菜等經(jīng)濟作物的生產(chǎn)。雖然這些具體的技術(shù)也許不能直接大面積地應(yīng)用于流域、地區(qū)甚至是大洲的糧食作物生產(chǎn)上，但證明了感應(yīng)技術(shù)和信息技術(shù)在糧食生產(chǎn)中的價值。要擴大應(yīng)用范圍，這些技術(shù)必須得到極大發(fā)展并融合多尺度感應(yīng)技術(shù)。

計算模型和計算機決策支持系統(tǒng)越來越多地用于應(yīng)對許多與農(nóng)業(yè)相關(guān)的環(huán)境和資源保護問題。這些模型依賴于包括傳感器在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)來源，能為理解農(nóng)業(yè)在碳排放、能源、養(yǎng)料和水循環(huán)中的作用提供新的視角。隨著農(nóng)業(yè)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)越來越重要，這種模型和模型中使用的傳感器數(shù)據(jù)也將更加重要。

因此，在全球人口增長的背景下，未來發(fā)展感應(yīng)技術(shù)和信息技術(shù)對于滿足糧

食、飼料和纖維及能源和生態(tài)系統(tǒng)的雙重需求同樣至關(guān)重要。

圖1：為制定農(nóng)業(yè)流域管理策略設(shè)計的多尺度框架，整合了現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)收集、多尺度模型和過程表現(xiàn)等技術(shù)

我們在本文中提出一種多尺度框架，同時滿足多個需求：通過在連續(xù)時間內(nèi)現(xiàn)場點尺度感應(yīng)技術(shù)，理解基本的物理和生物過程；利用遙感技術(shù)在較大范圍空間內(nèi)連續(xù)采樣，展示農(nóng)田、流域和地區(qū)尺度上的現(xiàn)象；對過程建模，把這些尺度聯(lián)系起來，動態(tài)展示不同尺度的聯(lián)動過程（見圖1）。

農(nóng)田尺度的機遇：實時感應(yīng)

土壤和氣候條件是種植健康、高產(chǎn)作物的關(guān)鍵因素。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在農(nóng)民對土壤和作物產(chǎn)量的了解超過了20世紀(jì)初農(nóng)業(yè)機械化和商業(yè)化開始以來的任何時候。例如，產(chǎn)量地圖如今可以提供農(nóng)田尺度年際生產(chǎn)變化的高分辨率信息，農(nóng)民能夠據(jù)此調(diào)整種子、化肥和殺蟲劑的使用率，實現(xiàn)產(chǎn)量最大化。

但是，這些是農(nóng)作物收割后產(chǎn)生的靜態(tài)信息源，既不能提供可能影響生產(chǎn)率的條件的即時數(shù)據(jù)，也不能用于判定是否應(yīng)該采取可能增加特定季節(jié)產(chǎn)量的預(yù)防方案。

現(xiàn)場技術(shù)

機遇與挑戰(zhàn)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)越來越多地使用價格便宜的傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，獲取土壤和氣象條件的實時信息。土壤溫度和土壤水分是標(biāo)準(zhǔn)測量內(nèi)容，對作物產(chǎn)量十分重要。低溫會延長種子發(fā)芽過程并對幼株造成脅迫，從而增加患病和低產(chǎn)的幾率。晚季種植可以避免土壤溫度過低，但由于作物的生長發(fā)育推遲到夏天晚些時候的干燥天氣，同樣會減少產(chǎn)量。傳統(tǒng)上，一個州中有幾個測量土壤溫度的地點，近年來，每天的土壤溫度數(shù)值都已經(jīng)能夠在線查詢。

導(dǎo)致產(chǎn)量下降的最大原因也許是有限的水分有效性造成的水脅迫。測量土壤水分能提供植株水分有效性的相關(guān)信息，但這些數(shù)據(jù)并沒有定期采集。不過，越來越多便宜的土壤水分和土壤溫度傳感器可以用于農(nóng)田，提供當(dāng)前條件的相關(guān)信息，甚至能與灌溉管理系統(tǒng)相連。

地方天氣條件的測量，特別是降雨量、空氣溫度、風(fēng)速、濕度、氣壓和太陽輻射等一直由美國國家氣象局（National Weather Service）負責(zé)。美國國家氣象局很早就啟動了合作觀察員項目（Cooperative Observer Program，COOP）,參加項目的人員每天收集降雨量和空氣溫度的讀數(shù)，通過美國國家氣候數(shù)據(jù)中心（National Climatic Data Center）和許多州立氣候?qū)＜肄k公室發(fā)布。

現(xiàn)在大部分這些信息分近實時地放在互聯(lián)網(wǎng)上供農(nóng)民查閱，許多跟天氣相關(guān)網(wǎng)站都提供實時暴風(fēng)跟蹤和預(yù)測，預(yù)測時間從每小時到10天不等。不少商業(yè)組織已經(jīng)開始向市場推出氣象觀察系統(tǒng)，個人可以購買系統(tǒng)后在本地安裝，數(shù)據(jù)將直接傳入公司的系統(tǒng)中。

這些技術(shù)不僅為農(nóng)民提供特定地點的氣象信息，還孕育了新的市場，利用這些觀測結(jié)果的公司可以創(chuàng)造用戶友好的農(nóng)業(yè)決策支持產(chǎn)品。例如，預(yù)測何時的天氣條件適合種植、噴藥或收割，或為作物輪作或害蟲管理策略提供特定地點的氣候信息。

前景

雖然生物傳感器技術(shù)仍處于發(fā)展初級，但第一代生物傳感器已經(jīng)走出實驗室進入真實世界。其中一項技術(shù)就是根部氧氣生物可利用度傳感器（Liao et al.，2004； Porterfield，2002），這種傳感器模仿植物的根消耗氧氣，因此也能模仿水分和養(yǎng)料傳輸?shù)街参锏倪^程。氧氣消耗像土壤水分一樣對作物產(chǎn)量十分重要，因為氧氣消耗率對于過干和過濕（氧氣有限）的條件同樣敏感（Drew和Stoltzy，1996）。

對養(yǎng)料和影響農(nóng)業(yè)的污染物（包括硝酸鹽和磷酸亞）敏感的生物傳感器也已經(jīng)開發(fā)出來。這些傳感器壽命短（幾天到幾個月不等）且最初為液體媒介所設(shè)計，所以實際應(yīng)用中的可操作性十分有限。但是，隨著科學(xué)家把生物傳感器的知識與現(xiàn)代制造技術(shù)結(jié)合起來，這種傳感器必將進入農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如監(jiān)測農(nóng)田間氮和磷的分布，或者告訴下一代農(nóng)業(yè)設(shè)備應(yīng)該在哪些地方多施肥以實現(xiàn)產(chǎn)量最大化。

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)抵消其他經(jīng)濟部門的碳排放時測量碳儲存和碳通量十分重要。目前人們對土壤中的碳通量的了解很少，主要是因為準(zhǔn)確測量難度大、成本高，需要在土壤表面正確地安裝測量室捕獲碳流動，或在土壤表面上方合理地安裝微氣象站迅速測量并預(yù)測碳流動。不過，要想對氣候變化的適應(yīng)和減緩方案有用，需要更新、更經(jīng)濟、操作更便捷的系統(tǒng)定量測量碳流動，最終監(jiān)測碳封存。

通信技術(shù)

利用多用途通信系統(tǒng)

新的和現(xiàn)有傳感器技術(shù)與無線通信系統(tǒng)的融合已經(jīng)開始，許多公司現(xiàn)在提供無線氣象和土壤水分傳感系統(tǒng)。有了這些工具，農(nóng)民可以足不出戶就查看自家農(nóng)田的狀態(tài)。

移動互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星上行系統(tǒng)、遠距離無線電通信連接和互聯(lián)網(wǎng)或無線網(wǎng)連接都已經(jīng)成為相對普遍的連接方式，也是商業(yè)可用的傳感器系統(tǒng)通常選用的技術(shù)（如http://www.campbellsci.com/communications）。但是，不少這些技術(shù)的初始安裝難度非常大。

為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展高端技術(shù)

用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織無線硬件和軟件最近已經(jīng)進入市場，使傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和安裝成為可能。盡管這些網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用擁有巨大潛力，但將通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集和傳感器技術(shù)整合起來，使節(jié)點在穩(wěn)定的工作網(wǎng)絡(luò)中運行需要大量工作和較高的知識水平，并且需要克服安裝時遇到的巨大困難。

農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)必須足夠結(jié)實，適應(yīng)雨水、陽光和農(nóng)田淹水等極端環(huán)境。還必須將影響做到最小，才不會妨礙重機械進入農(nóng)田。這種網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該在設(shè)計上抵擋住農(nóng)機偶然的碰撞。另外，傳感器節(jié)點應(yīng)該易于安裝和拆除，方便失靈節(jié)點的更換，以及在耕地前拆除所有節(jié)點。

這些技術(shù)性問題很可能在未來十年內(nèi)得到解決，一旦解決，自組織網(wǎng)絡(luò)就可以與便宜的傳感器技術(shù)結(jié)合，使農(nóng)民可以迅速地在農(nóng)田中部署網(wǎng)絡(luò)，并且即時獲得農(nóng)田中的空間和時間信息。另外，傳感器也應(yīng)該直接與農(nóng)業(yè)設(shè)備和智能手機等個人電子設(shè)備進行通信。

這樣，當(dāng)農(nóng)民在田間調(diào)查或勞作時就能獲得農(nóng)田狀況的實時和歷史信息。與服務(wù)供應(yīng)商連接的智能軟件可以提供其他數(shù)據(jù)，如哪些地方存在潛在問題、可能解決問題的方法等，甚至是為到哪里尋找材料、設(shè)備或其他服務(wù)提供商給出建議。