中关村大数据产业联盟
农业工作委员会首席科学家赵敏晖
非常感谢大家给我这个时间汇报。今天向大家报告的题目是“数字技术支撑下的4倍农业”，我想强调的是，农业的数字化在未来不再是锦上添花，它极可能是一个很本质的需求，我们会发现传统的思考、对农业的管理方式、对农业的组织方式已经不能应对或者不能满足未来农业的生产管理需要了。
不管是国内还是国际，整个从事农业的人都在回答这个问题，农业到底在追求什么？种植方面，农民脸朝黄土背朝天辛苦的种植，到底要收获什么？养殖方面，养牛、养猪、养羊、养鸡，我们希望得到什么？传统的农业告诉我们，种瓜得瓜，种豆得豆，养猪得猪肉，养奶牛得牛奶，这是传统的农业思考，单一的农业追求。
我们的研究揭示了这样一个关系，种植全植株有价值，养殖全产出有价值，在这儿我们定义了另外一个农业名词叫“植株农业”。我们把过去的农业称为“籽实农业”，我们把未来的农业称为“植株农业”，在植株农业面前，我们形成了粮牧模式、菜牧模式、果牧模式。传统的玉米、小麦种植，夏季种玉米，冬天种小麦，一亩土地一年的产值1750块，在植株农业里我们把它提升到一亩土地的全植株产出超过一万块，这就是我们所说的4倍农业。
我们觉得这样一个农业的命题——“农业到底在追求什么？”值得关注农业的朋友一块来想象、来回答。
在这儿就提出一个问题，到底4倍农业存在的基础是什么？
我们说种植植物，养殖动物，它本来就是一个活生生的生物体系，它就是一个生物系统，独立的物种和另外一个物种之间又构造了一个复合的生物系统。
一个物种的生物系统性导致了这个物种应该是多产出的，不是单一产出。就像我们说玉米植株产出玉米的籽实、玉米的杆茎、玉米的叶、玉米的根，这些都是劳动、阳光、土壤、肥料共同作用的一个产出物。我们发现一株玉米植株包含的总能量，籽实仅占47%，而它在杆茎里面所含有的能量占了53%，如果47%的能量等于今天我们玉米价格的话，那么53%的能量如果能把它价值化，它应该超过籽实的价值。
同样，我们大家看到养牛场，大量的饲料，动物吃进去，换来的是动物总体的增重，所以我们一个很重要的养殖厂的指标叫做料肉比，就是吃多少料长多少肉，一般来说，猪场大致3公斤或者低于3公斤料产出一公斤肉，但我们知道，一头牛一天吃掉9公斤干物质的饲料，它的体重长多重呢？一公斤。饲料吃进去以后，通过它的代谢、吸收，它利用不了的就排泄出来，我们就说那是排泄物，那是粪便，是污染物。
但是大家要注意，我们发现一头牛一天的排泄物含有等同于3公斤甚至超过3公斤标准煤的能量，把它液态化，就是3公斤到2.5公斤柴油的能量，2公斤半柴油值多少钱？是不是应该值12块？一头牛一天吃多少钱呢？它的伙食费是多少钱呢？11块，这个时候我们就发现，养牛在养什么？也许不是养它的肉，而是在养能源，而我们现在牛场辛辛苦苦的把料投进去，眼巴巴的看着这牛，希望它多长一点，因为7公斤料、9公斤料体重长一公斤，减少一两都在亏损，但是我把那个牛粪这么有价值的东西，我们把它视为废弃物，没有利用。
所以传统农业的思考，把农业的价值物作为废弃物，把它定义到另类，就低估了我们农业的价值，这种低估使得今天我们中国的农业举步艰难，大家都看得到都听得到，农村由于种地，刚才我说脸朝黄土背朝天，辛辛苦苦种了十亩地，一年的收入风调雨顺收到3000元，稍微天气不作美就要倒贴了，谁还会去种地呀？我们城里边都在说，食品不安全，大量的除草剂、洒农药，大家想，一亩地只能追求到三五百块钱的时候，他可能去投入人工进行安全生态的种植吗？当然是怎么简单怎么来。心疼一下农民吧，让我们忍一忍？！这就是农业现在的状况，不可从事，没有从事的价值。
养牛大家也知道，一头牛一天9公斤的饲料，折成饲料的伙食费，一头牛要吃到12块到14块的伙食费，它能增加多重呢？刚才我们说，一公斤是很好，在它的整个生长期平均生长一公斤，14块对这个一公斤，牛的屠宰率只有50%，也就是说一公斤有500克的肉。因此，中国的牛如果是我们自己养出来、屠宰完，肉摆到市场上去卖，要收回它的硬性成本，除非这个牛肉卖到48块钱一公斤，而且是直接销售，养殖户才能把他的饲料成本和牛犊的成本收回来。
大家知道澳洲、新西兰进口中国的牛肉运到口岸，交完关税多少钱一公斤呢？36块钱，我们的养牛业如履薄冰。养猪业，大家也知道，2016年猪价在15、16块一公斤，养猪业总算是碰到一个温暖的天气。但当猪价跌到12块一公斤以下，养猪业也是惨不忍睹。我们有人说了，中国每年那么多的外汇顺差，我们可不可以不养，让国际市场卖给我们吃，我们不养了，养殖又与人争粮，又破坏生态，我们可不可以不养？
别人说可以，我说不行。为什么不行？养殖本来就是生态里一个很重要的元素，如果中国的农业全部都变成耕作农业的话，我们的土地一定是碳氮比失调，现在大量的秸秆粉碎到地里，看上去有机质还田，但是更严重的影响是有机碳氮比失调，我们的氮源在哪里？养殖一直以来就是农业的很重要的要素，它平衡着自然，它平衡着种植，它平衡着植物的生长，如果我们哪一天，我们的养殖业说我们不养了，等着吃进口的肉吧，这个时候不是肉的安全问题，而是我们整个农业生态的安全问题。
所以我们必须要想出一个方法，让我们的牛、羊，让我们的养殖能够生存下去，能够和国际市场竞争，为什么国际市场的便宜呢？大家知道，农业本来就是一个资源化产业，农业资源非常丰富的国家，他们的养殖成本是非常低的，我们国内的粮食价格贵，我们的养殖产品当然也就贵了。
所以我们说如果你注意到牛、羊，动物的排泄就是能源的话，它富含能源的话，我们会发现我们的养殖业有机会。大家说我们有机会的时候，美国是不是也有机会呀？这就是我们要谈的另外一个问题，我们说美国的农业，我们称它叫资源农业，我们希望中国的农业是劳动力农业，我们的优势是劳动力优势。因此，我们比美国更有条件去挖掘秸秆的价值，挖掘排泄物的价值。
秸秆、排泄物它都是一种多组分的有机物，组分复杂，任何一种单一的秸秆利用都可能把其它的组分损失掉，秸秆的利用、排泄物的利用，如果构成一种链式的利用工艺，就可以把它的组分一层一层的价值化。在我们传统的农业里边原本是看得到这种影子的。
所以我们觉得4倍农业存在的基础，其一是物种本身的这种生物性；秸秆含有丰富的能量，排泄物也含有丰富的能量，把这些能量价值化，这是它存在的基础之二；基础之三就是工艺上，我们中国有劳动力，我们可以一层一层的抽丝剥茧的把这种多组分的物质价值化，只要这种劳动是有价值的，这个价值化的开发就是可行的。而美国不行，他没有这样的人工。
这样的一个4倍农业——植株农业，它是怎么完成的呢？我们的实验室就在河北的固安，北京正南边，我们自己种着300亩地的玉米、小麦，我们从2016年展开这个验证，一年玉米和小麦可以生产206吨籽实，秸秆和牧草混种以后，我们的杆草还可以收获400吨。
大家如果有过在农村的生活，你们可以判一下这个数字对不对，300亩地杆草混种，我们得到杆草400吨，我们一年把粮食卖掉，按照现在的玉米价格大致可以卖到53、54万，这是籽实收入。400吨的杆草，我们再外购200吨左右的饲料辅料，加工成饲料，这就是600吨左右的饲料。我们一年可以出栏100头牛，400只羊，400头山猪，这是这300亩地所提供的饲料的养殖规模，考虑到玉米小麦籽实用于置换饲料辅料，理论上我们所有饲料都不需要外购。
养殖完成以后，它的粪便，我们进行固液分离，可以把液态拿去制沼气，我们这个规模的农场一年可以产生5万方沼气，它完全支撑了我们整个饲料加工的能源，不管是燃料还是电，粪便的液态制了沼气，固态又种了蘑菇，养了蚯蚓，每天排出来沼液种了绿藻，绿藻变成了鱼的饲料。
这样我们养了鱼，每年我们可以有4吨鱼的产量，可以有6吨的蘑菇产出，鱼的饲料是我们的蚯蚓和绿藻，替代了70%的鱼饲料，只用了别人养鱼30%的鱼饲料，最后鱼池里边的水用于灌溉，蘑菇生长完以后，蘑菇基质和蚯蚓基质混合起来又是非常好的有机肥基质，这个有机肥还可以让我们种四五亩地的蔬菜，形成了这样一个封闭的，没有任何固态和液态的排放的一个农业体系，年产值327万左右，年利润可以达到90万左右，这是一个300亩的实验。
这种全植株农业它形成了农业的高价值，它完全的把农业的主产物和附生物全部利用，它揭示出了一个物种多种产出的一种关系，这种多产出关系，它同时又揭示了物种与物种之间通过它的产出而联系的关联关系。
这个时候农业产出高了，代价就是农业的问题复杂了，在传统农业面前如果某一个物种，比方说，小麦减产，农场长怎么办呢？马上想到的就是收益一定减了，很直接，因为一对一的嘛，物种是一对一产出的，收益马上就减了，作为场长他能怎么来降低这种损失呢？没办法，它只能把希望寄托在下一季，这是传统的思维模式，一对一的。
但是在4倍农业面前，面对同样一个物种减产，可以调整关联关系，也就是我们说的调整承载关系来解决。下一个农作物和它相关的那个产品怎么调整？调整承接关系、承接量，找出对整个目标影响最小的解决方案。换句话讲，如果我们有N个产品，有M个资源的约束，它就需要去解决一个N×M+N的这样一个矩阵来揭示这种相关关系，人是做不到的。
我们的实验农场的场长是旁边一个村子的村长，年富力强，40来岁，我们这个模式验证就他在村子里边，他管理指导着大家种的地是4200多亩。他问我们，你们种什么？我说玉米、小麦，他觉得很简单，他一定管得了。结果碰到第一次问题的时候，我告诉他我们的解决方案，他马上就说，赵老师你们这个好倒是好，但太复杂了。我们遇到的一次减产，几乎减了40%，但是最后调整下来，收益不减，他觉得这个关键是太复杂，人做不了。
这种复杂的关系主要形成原因，一个是物种的多产出性，物种与物种之间由于这种多产出性建立了物种与物种之间的关联性，第二就是它的多价值性。过去我们的农业主要是食品价值，不管是籽实还是肉蛋奶，主要是食品价值，今天我们的农业，在我们4倍农业的面前，它除了食品价值以外，它有工业原料价值，它有能源价值，它有培养基质的价值。所以它多价值性，一个价值兑现不了，还可以通过其他的价值回收。
它物种之间存在的相互支撑、相互约束、相互利用，直接消耗、间接消耗等等这样一些关联性，这样就使得全植株农业或者我们说的4倍农业，它面对的问题复杂了，面对的问题是人力不好应对的，这种复杂性就带来了我们数字技术的必要性，要把我们的土地由2000元左右的产值，提升到1万元，数字技术的支持变成了一个极其必要的手段。
我们正在完成一个4倍农业的运行支持平台，在这个运行支持平台下，我们所有4倍农业的用户他可以在远程通过手机的APP，把他的问题、过程定义进来，系统可以为他找到解决的方案。在这样一个平台支持下，我们相信一个农场主管理自己的农场，顺利完成4倍农业，完成全植株的综合利用就变成可行。
大家注意，我们所有链式利用的环节让每个农民来看，他们都说他会。他怎么不会呢？秸秆拿去喂牛，他会，种蘑菇他也会，重要的是把这些关联搞清楚，一个300亩到底做多大的蘑菇棚，带来最高效益的利用，一个300亩到底做一个多大的鱼池是最经济的利用，这个他不懂。所以有了这样一个平台，有了现在的整个互联网技术支持，在远端登陆，他就可以实时被平台的数字技术所支撑。
由于我们所有产出物的这种关联性相互支撑，相互消耗以及通过相互的关联形成的间接消耗，这种关系的复杂导致了我们一个农业的计划安排也复杂了。
举个例子说，我们300亩地，传统的农业可能是什么卖得好，什么种得简单，我就种什么了，但是我们想，当我们把籽实卖掉兑现一个价值，它的秸秆和草收回来，还要兑现另外价值的时候，我们就要考虑籽实的价值和草的价值表现，籽实可以简单由市场定价，草的价值表现在于你这些草用来做什么。
做饲料？好，它又表现在你养什么。养什么，杆和草的比例不一样。比方说，如果我的种植要和养殖结合，我是全部种玉米好呢，还是70%种玉米，30%种大豆呢？这个里边就有选择，大豆杆子里边蛋白高一点，但是大豆杆子产量低，这个怎么配合？
因此，在这样多物种、多产出面前，怎么来制定一个农业计划？怎么来计划我的资源的消耗？怎么来安排我的农业生产？30亩是一个问题，1万亩也是同样的问题，它需要规划，而且是多目标的规划。
这些关系从种植物到养殖物，冬季的、夏季的，综合利用物，每一项它都和农业资源有约束，和生产能力有约束，和环境有约束，我们的系统必须帮助他计算，比如我这块土地氮的承载力到底是多少，不能超过多少。
所以我们不能说养什么赚钱就养什么，，整个约束建立起来以后，怎么在满足这种约束的情况下，获得最佳的收益，这是必须在数字化技术支持下才能完成的，而且在数字化技术支持下，这个完成很简单的，恐怕也就是三个数字键入，一个回车，结论就可以出来了，不满意再可以进行迭代、递归，多次地计算，最后找出最满意的、最可执行的效果。
在电脑面前、在数字化技术面前，一部手机就可以把这个工作完成了。而这个工作对我们的植株农业，对我们的4倍农业又是非常非常关键的一个工作。
大家注意，我们这个模型它所有的参数不是一个定值，它是时变的，所有的阐述都是一个时变的参数，它不但是可以做规划，在你的农业生产活动开始之前帮你们做计划，这个模型还可以帮助你解决实时的进行动态校正。通过这种模型的计算，可以告诉你，你这块土地种什么、种多少、养什么、养多少，它会，大家看到中间有多个参数子集，数学上来看它是一些数字子集，返回到农业的操作和管理上来看，它就是一些管理要素。
比方说，有一个参数叫做牛的消化率，可以直接理解为料肉比，这个数字它定义着这头牛一天要吃多少，牛一天要给多少料，但是这个数字是它变的，不同的饲料结构，不同的饲料配方利用系数不同，不同的季节利用系数不同，不同品种或者阶段的牛的生产利用系数也不同。
而这些技术真正决定了农场的管理能力，它给出了农场应该在哪里实施作为管理的重点，它给出了农场场长平时农场管理的抓手，这些系数就成为了我们说的叫要素灵敏度分析，它给的第二个结论就是所有农业活动的管理要素的灵敏度分析。也就是说，我要生产这些，我要达到这样的效果，这些要素必须控制在什么样的边界，一旦它突破这个边界你就要去把管理的注意力集中到这儿来了。
我们谈的第三个方面，在植株农业和4倍农业，它在数字依赖的另一个方面。我们的物联网系统会把实时的监测数据反映上来，而这些实时监测数据需要建立一个物理量的要素标定，比如说这是土地温度，是一个物理数字，它怎么标定为这个农业的活动要素，这，这有一个标定模式，这一层就是标定模式，完成了这个标定模型，它又实时的可以把刚才我们说的敏感度分析边界分析出来。
所以它在每一个农业要素点上，农业节令点上都可以给出下一个节令期间，你的农业活动，我们叫农事活动的要点报告，你要做些什么，该不该浇水？浇水的可能性是多大？该不该补肥？该不该间苗？通过两个数字集的标定最后得出农事活动的报告，这个也是从事全植株4倍农业必须的一个技术支持平台。
就刚才我们说的，它为什么是必须呢？因为针对每一个农作物一旦抓到了它可能变换的趋势，系统就可以做出它未来对哪些环节有影响，哪些环节应该提前采取措施，猪是不是要减短栏？羊要不要减栏，这是4个月以后的事儿，等到发生了可能损失就大了。因此，4倍农业的支持，在数字技术的支持下是非常重要的。
我们整个实现是在固安的300亩地上，这个位置很近，离北京60公里。在传统的工作面前，这个农场一直是亏损的，每年亏损24万，因为土地租金一亩地是1200块钱，每年亏损24万。通过我们的系统，从2016年开始改造了以后，将生产规划分析和要素状态分析实施在300亩上。
这是我们的一个规划模型的实例，把可种植的有多少土地，有什么环境的约束，有什么生产资料的约束，最后来找它的最大值，就是生产安排的最大值。
它得到的效果，这边就是它计算的生产安排，这个产出值是按照大田交易，地头交易的产出值，我们这个种植基本上是一个生态种植，如果按照生态农产品的溢价交易的话，比这个值要高25%-30%。按照这个规划，它可以有96万的利润，原来亏损24万，在这样的一个分析下，它可以有96万的利润，同时它给出了一个要素的敏感范围，便于农场场长平时掌握这些要素的边界。
这里有三个实例，我简单讲一个实例，在去年4月份，我们的小麦发现已经有4个月没有有效降雨，基本上可以估计小麦的籽实是不饱满的，小麦的产量要损失，籽实不饱满，品质不好。系统出现了小麦产量从原来计划的358公斤到只有240公斤，系统马上出现一个警告，这个小麦销售和保留做饲料原料两种选择，它建议是保留为饲料，小麦如果保留为饲料的话，采用的就是籽实和小麦杆应该在灌浆以后很快收割，不能等到它成熟，这样小麦杆的木质化程度低，你的饲料价值就很高。
因此我们灌浆以后马上收割，并且系统规划提出了，你应该补栏，在现在羊存栏的基础再补充185只羊，按照系统的规定要求我们在6月份把羊补充185只，把小麦全部青储用来喂羊。反过来不仅没有因为小麦减产发生损失，还增加了大约2%左右的收益。面对全植株农业，数字化系统起到的很关键的作用。
我们马上会在陕西富平建立一个现代农业示范项目，那儿摆了一个现代农业示范园，这个园区我们将会开展三个部分的工作，第一，粮食农业的植株化，第二，果树农业的综合利用化，第三，蔬菜农业的综合利用化。
按照淡村2260亩粮食，419亩的蔬菜，2200亩的果树的示范规模，它每年新增利润，粮食部分新增1240万的利润，这是产品按溢价交易，如果不按溢价交易是790万的新增利润，2200亩的粮食种植，新增790万的利润。419亩的蔬菜，新增61万的利润，2200亩的果树新增562万的利润，这就是按4倍农业布局的淡村示范项目的设计内容。
这是我们对4倍农业的支撑平台的一个设想，现在正在着手做。
从我们的体会来说，我们国家解决农业增效、解决农民增收、解决农村美好，综合一体的植株农业是一个很有效的方法，它能让农业的基本面获得很重要的提升，而要完成这个全植株农业，数字技术是一个很重要的支撑，也是一个很重要的保证。所以我们觉得在中国农业向每亩产出突破万元的路上，数字农业平台将是这个改变的保驾技术。
这就是我想今天跟大家共享的一些心得。谢谢大家！
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