農業的未來（上）

編者按：如果農業的使命仍然是養活全世界的人口，它需要更加工業化更加精準，更加智能，並且更加科幻…，《經濟學人》雜誌於6月初推出重磅報道《農業的未來》，全景描繪了未來農業的圖景。這裡是其中上篇，下篇稍後推出。基因農業網編譯報道（Panda翻譯，GLHF校對）.

新興工業化農場

湯姆·羅傑斯（Tom Rogers）是加州中部山谷地區羅德拉郡的農民，他種植的作物是鮮美而富有營養的杏，並且利潤頗豐。全世界80%的杏產自加州，這裡的農民由此獲益約110億美元。不過，杏喜水。6年前，兩位荷蘭研究人員估算，每產出一顆杏，需要耗費約1加侖的水。這裡還只是指美製加侖，即約3.8升，而不是英制加侖，約相當於4.5升，不過，這種耗水量仍然相當可觀。而水是要花錢買的。

好在有了新的技術，可助羅傑斯先生一臂之力。像試驗室小白鼠一樣，他的農場被劃線圍起來。或者更準確地說，是被「無線」圍起來。水分探測儀被安插在杏樹林中，隨時監測土壤中的水分變化情況，並將監測結果發送給雲端計算機（一類伺服器網路的總稱，在世界級大型計算任務中開始扮演越來越重要的角色）去分析。分析結果返回到農場中的灌溉系統——成排的滴灌帶（即戳有小孔的軟管）並且根據需水量由水泵進水。

這種灌溉系統與蔬菜大棚中使用的水培法類似。每隔半小時，系統就會根據云計算的結果精確校準需水量，並可根據需要與特定量的肥料混合，通過滴灌帶輸入土壤，對每一棵樹進行精準噴施。每一棵樹的樹榦兩側的施水量都有可能不同，經驗數據表明，樹的某一側往往會吸收更多水分。

在安裝這套系統前，羅傑斯先生需要每周為他的農場澆一次水。這套新設備帶來了少量多次灌溉的技術，使得總體用水量減少了20%，節省開支的同時還為羅傑斯先生帶來了榮譽。加州已遭受了四年大旱，在節水方面不但有社會和政治壓力，當然也還有財政壓力。

羅傑斯先生的農場與種植價值高但需水量大的作物（如開心果、核桃和葡萄）的其他農場一樣，正走在引領精準農業的最前沿，這類技術也被稱為「智慧農業」。不僅僅是種植水果和堅果的農民從中受益，我們一般稱為「大田作物」（覆蓋美洲中西部地區的玉米和大豆等作物）的種植也開始現代化了。播種、灌溉、施肥以及收穫，都可以通過電腦控制。就連它們生長的這片土地，都可以實現對每一英寸土壤情況的監測。

然後，農場會變得越來越像工廠：嚴格控制運行，生產出可靠的產品，對異常的自然情況更具抵抗力。感謝對DNA的進一步了解，農場中培養的植物和動物也能夠被嚴格控制了。精準的遺傳學操作（基因組編輯）技術使得對作物或牲畜基因組的改變有可能縮減到單個遺傳「密碼子」水平上。相對於早期在物種間進行整個基因轉移的基因工程技術（轉基因）而言，這種技術有望被消費者更容易接受——因為基因組編輯技術僅僅只是模擬了作物體內自然發生的突變過程，常規作物育種正是利用了這類突變，但基因組編輯技術的可控性遠遠高於常規育種。

了解一個作物的DNA序列也意味著對其進行的育種過程可以更加精準。不用等到將一棵植物養到成熟期就能發現它是否具有你想要的某些特性，你只需要直接檢視它的基因組就可以了。

這種硬體上、軟體上以及「活件」上的技術變革已經超越了農田、果園和牲口棚。魚類養殖也將因此而受益。已經應用上最嚴格控制和精準的農業技術的室內園藝，也還將進一步發展。

短期來看，這些進展將通過減少開支和增加產量大幅提升農民的收益，從而也將使消費者（指每一個消費這種食物的人）通過更低的商品價格受益。從長遠來看，它們可能還有助於解決日益緊迫的問題：如何在不對地球土地和海洋資源施加過多壓力的前提下養活未來的世界人口？預期到2050年，這個星球上的人口將由現在的73億增至97億。這些多出來的人口不僅僅有吃飽的需求，甚至還有比現在人們吃得更好的需求，因為到那時，地球上大多數人將具備中等收入水平，許多人甚至會達到富裕水平。

圖：世界菜單正在發生變化

每人每天所需要攝取的熱量（以食物類型分）。穀物、根莖類和豆類；糖類；植物油；肉類；乳製品；其他

聯合國糧農組織（FAO）機構負責思考這類問題，該組織於2009年公布了一份報告，認為到2050年時，農業生產力需要在現在的基礎上提高70%，才能滿足那時全球人口對食物的需求。由於全球大部分適宜於耕作的土地已經處於使用狀態，總體生產力的增長必須依賴於更高的產量。農業在過去幾個世紀已經經歷了幾次產量飛躍，包括第二次世界大戰前的農業機械化以及二十世紀五六十年代發生的「綠色革命」所帶來的新作物品種和對農業化學品的使用。不過，在世界上許多密集農耕地區，一些重要主糧作物（比如水稻和小麥）的產量已經不再繼續增長，這種現象被稱為產量增長瓶頸。當前最佳農事操作的普及無疑會讓其他地區的產量提升到同樣的瓶頸水平，但如何突破這個瓶頸，還需要技術的進一步發展。

這將是個大的挑戰。農民出了名的對於改變很敏感且容易持懷疑態度，因為失敗的成本（有可能會讓整個種植季的收穫陷入一團糟）實在太高了。但如果精準農業和基因組學如預期發揮出大部分作用，另一種變化可能即將到來。

智能農場：當矽谷遇見中央山谷

在多種表象的背後，信息技術已悄然接管農業

有一種看待農業的角度是將其視為線性代數的一個分支。農民必須持續地應付一系列變數，比如天氣、土壤含水量和營養水平、雜草對作物的競爭、病蟲害對作物健康的威脅，以及處理這些事情所需要採取措施的花費成本。如果這位農民自己的算術學得好，或是讓別人代表自己進行正確的運算，他將使自己土地上的產量最優化，並將自己的收益最大化。

不過，「智慧農業」有兩重含義。一方面是對可能會出現在運算矩陣中的變數儘可能準確且低成本地進行測量。另一方面是儘可能地減輕農民在處理這些矩陣運算時的負擔，把這份繁雜的工作交給可靠的機器去做。

早期節約成本的精準耕作案例是由全球最大的農業機械製造商約翰迪爾（John Deere）公司在2001年做出的決定，當時他們為自家的拖拉機和其他可移動機械設備裝配上全球定位系統（GPS）感應器，以便在地球上任何一個角落找到這些機械設備，定位偏差僅有幾厘米。這就有可能避免農耕機械在農場中來回穿梭作業時常見的一些問題，比如在同一塊土地上進行重複作業，或是漏掉另一些地塊。這樣做的好處是不僅減少了燃油的費用（某些情況下甚至能節約40%的燃油），並且提高了如噴施肥料、除草劑和殺蟲劑等機械作業的均一性和有效性。

農耕系統中的小傢伙——細菌和真菌有益於作物和土壤健康

儘管微生物通常給人留下致病的壞印象，便有些微生物也能夠在農業中起到有益作用。比如，它們能捕獲空氣中的無機氮並經固氮作用轉變成可溶性氮用作天然氮肥。了解並將這類微生物應用於農業實踐中，正是農業生物技術快速發展的一部分。

現在，隨著孟山都與一家丹麥公司諾維信（Novozymes）之間進行的合作，該領域有了新的領軍人物。

合作項目名為BioAg，始於2013年，目前已經有十幾個微生物產品上市。包括殺真菌劑、殺蟲劑以及一些益蟲，這些益蟲可將氮、磷、鉀化合物從土壤中釋放出來並增加其溶解度，從而能夠被作物更好地吸收。去年，這兩家公司的研究人員進一步測試了2000多種微生物，以期尋找有可能幫助玉米和大豆增產的菌株。其中表現最好的菌株能夠為這兩種作物帶來約3%的產量增長。

2015年11月，先正達與一家荷蘭公司DSM達成了類似的合作協議。而早些時候，2015年4月，杜邦收購了一家加州的微生物公司Taxon Biosciences。前途大好的新興企業也大量湧現。其中之一是位於波士頓的Indigo。這家公司的研究人員對其保存的約4萬種微生物進行田間測試，看它們是否有助於緩解棉花、玉米、大豆和小麥等作物在乾旱和高鹽環境下的壓力。另一家公司名為Adaptive Symbiotic Technologies，位於西雅圖。這家公司的創始人是研究植物共生真菌方面的科學家，他們相信自己找到了一種微生物，天然地與一種沿海生長的稗草共生，當這種微生物被轉移到如水稻之類的作物中，可使作物產生對鹽的耐受。

不過，大贏家可能還是促使如小麥之類的作物根部與土壤固氮菌之間形成良好的共生關係。這類關係與豆科作物（如大豆）和固氮菌之間形成的天然共生關係相似。在豆科作物中，植物的根系會長出特殊的根瘤，為固氮菌提供生長的家園。如果通過遺傳育種或是基因組編輯，也能夠促使小麥的根莖長出根瘤，表現出吸引固氮菌的類似行為，那麼每一個人都可以從中得到巨大的利益，當然，化肥工廠除外。

自那時起，就不斷有新的技術加入。高密度的土壤取樣每隔幾年就進行一次，追蹤諸如礦物質含量和孔隙率等土壤特性，可用於預測一片農田中不同地塊的土壤肥力。精確繪製的含水量地形分布線有助於指示水分的走向。安插在土壤中的探測器可監測不同土壤深度的水分含量。某些探測器還能指示營養物含量及其因施肥活動而發生的變化。

所有這些都讓精準播種成為可能，也意味著作物的種植密度可根據局部條件而相應變化。約翰迪爾的設備在播種時的精確度能夠控制在3厘米誤差範圍內。此外，收穫作物時，玉米粒或大豆籽流入收割機貯藏器中的速度也能夠實現實時監測。這些信息如果與GPS數據相結合，能夠創建出一幅產量分布圖，顯示這片土地上哪一些地塊的生產率更高或是更低——從而判斷每塊土壤的實際情況與感應器預期值之間的誤差有多大。這些信息隨後會用於指導下一個種植季的播種模式。

圖：土壤電導率（大約相當於土壤含水量）和作物產量的校正

農民還利用飛行設備來收集信息。飛行設備能夠測量作物覆蓋度並區分作物與雜草。使用一種名為多光譜分析的技術，這類飛行設備觀察植物吸收或反射不同波長的光的強度，從而發現哪些作物長勢正旺，哪些長勢衰。

裝配在可移動機械上的感測器甚至能夠在移動中進行測量。比如，安裝在拖拉機噴霧吊杆上的多光譜感測器可以估算將要進行噴施的作物對氮的需求，並據此進行適時調整。因此，一個現代化的農場會產生大量數據，但它們需要解釋才有意義。正因為如此，信息技術必不可少。

平台入場券

在過去的幾十年中，大型公司已經發展到能夠滿足商業化耕作的需求，尤其是美洲和歐洲的一些公司。其中一些是設備製造商，比如約翰迪爾。另一些則出售作物種子或農業化學品。看起來這些公司似乎還在不斷地發展壯大中。陶氏和杜邦這兩大美國巨頭正在計劃合併。另一家美國大公司孟山都則成為德國公司拜耳的潛在收購對象。而瑞士公司先正達正在與中國企業中國化工集團達成出售協議。

商業模式也在發生變化。這些公司都不再單純地只出售機械、種子或是化學品，它們都在嘗試著開發多線程運算的軟體平台，以此作為農場管理系統。這些專用平台將從單個的農場中收集數據，並交由雲端伺服器來處理，包括農場的歷史、已知個別作物品種的表現行為以及當地的天氣預報。軟體隨後會對農場主提出建議，或許還會引導他們去購買該公司的其他一些產品。

儘管機械製造、新作物育種或是農業化學品生產都需要很高的准入壁壘，任何一位商人都有可能將這些基於數據的農場管理系統整合到一起，即使他沒有任何農業方面的運營經驗。並且許多人真的就這麼做了。比如，位於矽谷南端桑尼維爾的天寶導航（Trimble Navigation）就認為，作為一家完善的地理信息管理公司，它完全有能力將自己的名為Connected Farms系統推入智能耕作的市場。該公司已經於去年收購了一家加拿大農業諮詢公司AGRI-TREND。

相比之下，位於堪薩斯州歐弗蘭帕克的Farmobile只是一家剛起步的小公司，它將目光投放在那些重視隱私的客戶身上，其特色是不使用客戶的數據來銷售其他產品，這一點與許多農場管理系統的理念不同。位於愛荷華州達文波特的農民商務網（Farmers Business Network）則採用幾乎完全相反的模式，以合作式資料庫經營。資料庫中的數據是匿名的，但鼓勵任何加入其中的成員都向該資料庫提交數據，作為回報，他們可以分享資料庫的使用權。其經營理念是，所有參與者都將從多線程互作的更好解決方案中獲益。

有些公司專註於市場空隙。比如位於法國蒙彼利埃的iTK，它專門從事葡萄相關產業，並已建成用於描述所有主要品種表現行為的數學模型。該公司的市場現已擴展到美國加州。

多虧這類農場管理軟體的不斷推廣，只要感測器能夠檢測到，就會有越來越多的數據可以被更好地利用起來。而且，更好、更便宜的感測器也在進一步研發和完善。比如，水分感測器通常是測量土壤的電導率或電容量，但一家位於加州聖克拉拉的WaterBit公司則採用一種不同的技術，據稱只有現有產品成本的十分之一。約翰迪爾出售的一種感測器也能夠通過光譜法測量液體肥料中氮、磷、鉀化合物的含量，由於液體肥料是通過噴施法使用的，因此根據測量值能夠在噴施過程中實時調整肥料用量。這就解決了液體肥料難以標準化的問題，因為雖然液體肥料很好，但與已經商業化的成熟產品相比，它的困難之處在於噴施量的控制。

空中設備也在發生改變。根據人類操縱飛行早期的經驗總結，農業無人駕駛飛行器的製造商正在對一系列設計進行測試，以期找出最適合攜帶多光譜攝像頭飛過農場上空的裝置。某些公司如科羅拉多州博爾德的Agribotix更喜歡四軸飛行器，這種四驅發動機的現代設計裝置已經成為小型無人機的行業標配，雖然它的飛行範圍和時長均有限。一種流行的替代裝置是由位俄勒岡州威爾遜維爾的HoneyComb公司開發的AgDrone，這是一種單引擎飛行翼，看起來就像是從20世紀50年代航展會場逃出來的模型。另一種是由北卡羅萊納州羅利的PrecisionHawk公司開發的Lancaster 5飛行器，差不多與第二次世界大戰中使用的轟炸機一樣大。此外還有由位於法國圖盧茲的Delair-Tech公司研發的飛行器，可支持滑翔機裝配長而窄的機翼，以長時間保持空中飛行狀態。

不過，即使是可長時間飛行的無人機，也可能需要在一次飛行中完成超大農田面積的數據調查。因此，某些農場主從長期的支持性觀點考慮轉而尋求衛星的幫助。位於舊金山的一家名為Planet Labs的公司提供這類服務，他們使用一種被稱為CubeSats的裝置提供測量精度高達幾厘米的數據。它在衛星軌道中持有一支約由30隻衛星組成的小型巡邏艦隊，一旦有舊設備淘汰，就利用商業發射火箭將新設備送入軌道完成替換。感謝現代光學的發展，即使是這麼小型的衛星也能夠裝備上多光譜攝像頭，雖然其解析度僅有每像素3.5米（約合10英尺）。這個水平的解析度對外太空攝像來說可不算低，但遠遠不及無人機攝像頭的水平。

不過，衛星覆蓋在數據採集範圍和頻率方面都有優勢，而無人機一般只在其中某一方面具有高質量優勢。Planet Labs的衛星艦隊能夠至少每周一次對地球表面指定的土地進行拍照，因此它們會很快被發現那些出問題的地區，並能夠進行更為細緻的檢測。

最佳的解決方案是整合飛行設備和衛星覆蓋，這正是位於舊金山的Mavrx公司在努力實現的目標。它用類似「優步」的統籌方式取代無人機，與全美範圍內約100架輕型飛行器簽訂合約。每架簽約的飛行器都裝配有多光譜攝像頭，隨時準備按照Marvrx的要求執行任務。Marvx的攝像頭解析度為每像素20厘米，意味著它們能夠很好地對每一株植物進行拍照。

Marvx公司還將它的衛星照片外包出去，它的原始資料來源於Landsat以及其他一些公共衛星項目。它還有對這些項目資料庫的存取許可權，其中一些還包括30年前的照片。因此，Marvx公司能夠核查特定農田在近幾十年中的表現情況，計算這塊土地上的生物量多少，與那裡的作物生產率數據相關聯。隨後，在了解當前生長季中土地的生物量情況後，它就能大致預測本季產量。Mavrx的方法可按比例類推，擴展至整個地區甚至整個國家，在收穫之前進行產量預測，提供強有力的經濟和政治信息。

然而，一個真正自動化、工廠式的農場必須要完全地將人排除在外。這就意味著，與空中引入無人機一樣，也要在地面也引入機器人，而現在正有一大批前景大好的農業機器人製造商在努力這樣做。

在悉尼大學，澳大利亞農場機器人研究中心已經研製出了智能感知與精準應用型機器人（RIPPA），這是一種四輪的、以太陽能為能量來源的設備，它能識別出蔬菜田中的雜草，並將它們一棵一棵除去。此刻，它正在以精確的靶標劑量精準地對準每一棵雜草噴洒除草劑。不過，它（或是類似的機器）會改用微波光束進行除草，甚至是激光。那些不贊成使用化學藥劑處理作物的消費者們終於滿意了，進行這樣除草處理的蔬菜是「有機的」。

對於不太挑剔的作物來說，明尼阿波利斯的Rowbot Systems公司正在研製一種能夠在玉米植株行與行之間行走的機器人，可以在作物的旁邊施加補充性的肥料而不會碾碎玉米植株。事實上，在飛行器多光譜攝像頭對農場中每一棵植株的需求進行估算後，這種機器人將來有可能進行精準的按需噴施。

果樹和蔬菜種植者們也同樣對機器人很感興趣，而這些行業目前多是依靠手工採摘。水果的採摘是一項非常耗時的工作，採摘者的回報率很低。一旦自動化，這一過程的速度會大大提高，成本也會更低。採摘機器人正在興起。

由一家西班牙公司AGROBOT製造的SW6010機器人通過裝配的攝像頭識別草莓，並分辨哪些已經成熟，可以採摘。它們用刀片切斷那些被認為成熟的果子的莖桿，用籃子接住，通過傳送帶交由坐在機器人上的人類操作員進行包裝。在荷蘭，瓦赫寧根大學的研究人員正在研製一種收穫機器人，用於較大的農產品收割，比如辣椒。

所有這些上述儀器設備，以及其他類似的產品仍然還散發著希思·魯賓遜（Heath Robinson）式的漫畫氣息。但機器人技術正在飛速發展，運行這些機器所需要的控制系統一天比一天變得更好也更便宜。有人認為，只需十年左右的時間，發達國家的許多農場都可以通過機器人來操作。（註：William Heath Robinson，英國漫畫家和插圖畫家，他通過古怪複雜的畫面展示只會表演簡單或荒唐動作的「魯賓遜式小玩意兒」，來諷刺機器時代）

不過，還有其他一些人很想知道農民對自己農場「機器人化」的意願有多強烈。自主引導式的農業機械（比如約翰迪爾出售的那些機械）幾乎都變成機器人的工作了。它像一架客機，其中飛行員通常在起飛和著陸之間並沒有什麼事情做，因為電腦替他把所有的事情都做了。不過，約翰迪爾尚沒有計劃完全將控制權交給雲端系統，因為這不是它的客戶們想要的結果。

隧道版本

如果完全控制戶外耕作似乎看起來還有些遙遠，對一個完全人工環境中種植的作物進行遠程控制已經近在眼前。在倫敦南部，克拉珀姆地下隧道的農場中，「地下種植」（Growing Underground）公司正在做著名符其實的事情。第二次世界大戰中建起的防空洞的地下空間開始了新的生機，它在這裡種植著約20種用於製做色拉的植物，擬出售給城裡的大廚和三明治商店。

在許多方面，「地下種植」的農場與其他任何室內無土栽培農場都很相似。但有一個最大的不同。傳統的溫室都有著玻璃或聚碳酸酯類的牆壁，也就是說陽光越多越好。而「地下種植」公司則特別排除了這一點。相反，這裡的光照是由發光二極體（LED）提供的。在無土栽培的極簡主義精神下，這些LED燈的光譜進行了精確的調整，它們發射出的光線是植物光合作用所需要的最佳波長。

正如你所期望的那樣，由感測器觀察一切：溫度、溫度、光照，並將數據直接發送給劍橋大學的工程學院，與植物的生長信息一併進行處理，為未來的作物栽培制定出最佳的方案。

目前，「地下種植」公司的老總史蒂芬·德林（Steven Dring）將種植作物的類型限定為如小生菜和海蓬子這類能夠很快長到收穫體積的草藥和蔬菜。他將香菜的生長周期從21天縮減至14天。不過，測試表明，該系統也同樣適用於其他體積較大的作物。已經成功地用這種方法種植了蘿蔔和胡蘿蔔，雖然它們在地下種植未必會獲得足夠的利潤。但是，對於在倫敦郊區如克拉珀姆的時尚白領中很受歡迎的中國蔬菜——白菜來說，這種種植方法也適用。目前，從開始種植白菜到收穫需要5周的時間，而德林先生認為他能夠讓時間縮短為3周，其利潤就很可觀。

製造LED的公司也可以帶來好東西。德林先生來自於一家芬蘭公司Valoya。在瑞典，Heliospectra公司也在經營著同樣的業務。荷蘭電氣巨頭Philips也加入了這個陣營。在傳統的溫室中，這種光線是用於補充不足的太陽光，而在德林先生的無窗種植環境中，它們所發揮的作用日益增大。雖然它們不像太陽光一樣免費，但它們是如此高效而持久，其光譜優勢似乎很明顯（見圖表）。

這類種植其實沒必要非得在地下進行。像德林先生這樣的耕作方式也可以在大廈的樓頂上進行。在世界各地，舊式的肉類加工作坊、工廠和倉庫的都開始轉變為「垂直農場」。雖然它們無法讓全世界填飽肚子，但它們也遠不止是一時狂熱。相反，它們是這片土地被城市擴張所吞噬之前曾經繁華在城市邊緣——就像克拉珀姆這樣的地方——的市場花園的現代化版本。有了它們對輸入的精準控制，輸出也變得精準，它們還代表著農耕方式可能的終極模樣。