本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第1期
作者：查燕，吴文斌，余强毅，梁社芳，陆苗，钱建平，唐华俊
耕地和水资源极为宝贵，农业水土资源的合理开发利用事关国家粮食安全、生态安全与资源安全；实时准确地监测并获取农业水土资源数量及其利用状况信息，对国家稳定、民生福祉、经济社会至关重要。目前，我国农用水资源、耕地资源趋紧，粮食生产与水土资源分布错位，资源利用方式相对粗放，对农业生产形成了强约束，农业发展面临资源和环境双重制约。为摸清底数、掌握实情，加快构建统一、高效的现代化水土资源环境监测网络体系，支持农业水土资源环境监测发展，确保监测数据质量，促进监测信息共享，提升监测信息服务水平具有重要的现实意义。
一、前言
水是支撑经济社会可持续发展的重要战略资源，农田是农业生产最基本的物质条件，二者共同承载着食物供给与生态调节等多重功能。农业水土资源的合理开发利用事关国家粮食安全、生态安全、资源安全，实时准确地获取农业水土资源数量及其利用状况信息，对国家稳定、民生福祉、经济社会发展至关重要。发达国家的农业水土资源监测工作已有50多年历史，“立法–标准–监测”密切配合，监测体系较为完整；近年来重视信息化基础设施与农业数字化建设，积极发展传感器、人工智能（AI）、无人机、移动互联网等前沿技术；依托丰富的地面调查、统计、遥感等数据资源，将信息技术与模型仿真相结合，建立了功能完善的水土资源环境监测与信息服务体系；保持调查评估和信息的公开透明，使得监测数据共享程度高、信息发布规范有序。
相较传统农业水土资源的地面人工测量和调查，利用卫星遥感、无人机、物联网、云计算、大数据等技术来快速大范围地获取水土资源底数信息，可准确掌握其动态变化，做到资源数量可核算、空间可定位、权属可核查；技术性落实“早发现、早制止、严打击”监管目标，为水资源管理“三条红线”、耕地红线管控提供科学依据。在数字经济、“智能+”时代等新的形势和背景下，着眼于推进信息技术的农业水土资源监测与信息服务领域应用，本文开展我国农业水土资源监测发展现状分析，从数据、技术、应用方面凝练面临的问题；研判2050年前各阶段发展目标、技术发展路线，从基础设施建设、核心技术研发与集成、信息服务方面提出发展建议，以期为我国农业水土资源监测的高质量发展提供基础参考。
二、我国农业水土资源监测与信息服务体系发展情况分析
（一）发展现状
1.覆盖省、市、县三级农业水土资源环境监测网络初步形成
2.“天空地”一体化监测成为重要的农业水土资源监测技术手段
3.农业水土资源信息服务平台进入快速发展阶段
（二）面临的问题
1.农业水土资源监测的数据获取能力不足，监测精度与时效有待提升
2.农业水土资源模拟模型的耦合集成不够
按照建模理论与方法区分，农业土地资源监测模拟模型可分为地理模型、经济模型：前者侧重“环境”因子的影响，后者侧重“人”的选择与决策行为。农业水土资源的形成及变化受自然、人文因素的复合影响，具有综合性、复杂性、动态性特征。考虑农业水土资源变化与其所处的“人类–自然”耦合系统，综合运用多学科知识开展模型的耦合集成研究。耦合地理生态模型、社会经济模型的综合模型，是农业水土监测模型的发展方向；如将作物生长模型与农业经济模型相结合，从全球尺度着手，对未来主要农作物的空间格局开展模拟分析。也要注意到，农业水土系统耦合研究面临挑战：一方面，仍需加强耦合的尺度和速度研究，这是因为农业水土资源变化的相互作用速度不断加快，远距离耦合作用更为广泛；另一方面，鉴于农业水土系统耦合的多尺度、多因素、跨层级特征，应权衡农业生产、社会经济、生态环境、人类本身特性，考虑相邻区域、远距离乃至全球范围内相互作用的可能影响，建立大耦合的研究框架来进行农业水土资源优化配置。
3.农业水土资源监测信息共享开放程度及信息服务效能均不高
4.农业水土资源监测的行业性、国家级标准规范缺乏
水土资源的调查与监测具有严谨性、科学性，需以水环境、土壤环境等质量标准为准绳。我国现有水质监测标准189项、土地土质标准43项，如《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）、《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166—2004）。虽然监测方法标准具有数量优势，但很多检测方法没有统一的规则；标准数据比较混乱，不同部门颁发的环境监测技术标准与规范之间存在不一致之处，都影响了监测信息的整合与评价。此外，监测方式方法的制定过程缺乏足够的科学依据，数量、种类等方面与实际情况吻合度不佳。随着社会进步、信息技术发展，农业水土资源监测标准需要及时进行完善更新，切实增强监测标准体系的科学性、系统性、适用性。
5.农业水土资源监测人才储备不足
“天空地”一体化监测技术逐渐成为我国农业水土资源监测的重要技术手段，应用范围广阔，但对环境监测从业人员的综合素质提出了较高要求。目前，我国农业环境监测系统中专业技术人员的比例不高、新型业务素养偏低、人才梯队不合理，尤其是农业与信息技术跨界复合型人才稀缺；从事农业水土资源监测的基层队伍数量不足，缺乏严格、专业的新型业务培训。监测与信息服务队伍稳定性、人员数量与素质等都不能满足新时期环境监测发展要求。
三、农业水土资源监测与信息服务管理系统构架
农业水土资源监测与信息服务管理系统主要包括：构建“天空地”一体化的农业水土资源观测体系，重点开展水土资源数量、质量及时空动态，生态环境监测；建设农业水土资源监测与信息服务管理平台，支撑农业生产指导、决策服务及管理，提升监测监管的定量化、数字化、智能化水平，保障国家农业资源高效利用与绿色发展（见图1）。
图1农业水土资源监测与信息服务管理系统总体框架图
在“天空地”一体化的农业水土资源观测体系方面，综合运用在轨运行卫星（遥感、导航、通信）资源，开展多类型、多传感器、多星联合监测；推动国内现有多尺度航空遥感数据的共享联网，建设农业航空定位、成像、载荷集成、软件系统，发展无人机平台与移动车载平台的联合定位、交互通信、稳定传输、联动控制；研发新型农田土壤智能传感器、灌溉水质水量智能传感器，逐步建成卫星遥感、无人机遥感、地面传感网集成的农业水土资源监测“一张网”；构建农业水土资源立体监测网络（含监测业务网络、监测能力网络），提升农业水土资源监测数据的覆盖、获取、计算及服务水平。
在农业水土资源数量与质量监测方面，运用农业水土资源观测网络清查耕地等级、健康状况及产能，掌握全国耕地资源的质量状况；清查地表/地下水资源量、水资源总量/质量、河流年平均径流量、湖泊水库蓄水动态、地下水位动态的变化情况。
在农业水土资源利用的时空动态监测方面，基于农业水土资源承载能力研究进展，发展农业水土资源配置技术，实施农业水土资源利用预警与评估；提出我国五大粮食主产区的农业水土资源配置格局与实施路径，提高农业水土资源总量、分布与利用监测的服务范围；全面建成农业水土资源监测预警体系与空间优化配置体系，发挥农业水土资源监测与利用对经济社会可持续发展的保障作用。
在农业水土资源生态环境监测方面，立足高标准农田建设核查基础，评估高标准农田农业水土资源的投入产出，明确全国所需维持的农业水土资源红线；实施农业水土资源安全工程，全面覆盖全国农田土壤污染、面源污染、地下水水位、农产品产地环境监测，进一步控制农业用水量，推广水肥一体化技术；提高农业灌溉、水资源、化肥利用效率，提高农业绿色投入品比例，减少耕地污染、提高耕地质量。
在农业水土资源监测与信息服务管理平台方面，发展农业水土资源监测大数据能力，获得多目标、大区域、长时序的农业水土资源海量监测数据并开展清理、整合、查询、运算、挖掘、分析及可视化；研制基于区块链技术的农业水土资源监测数据共享与管理体系，高效对接监测系统智能传感设备与大数据平台，建成水土统筹、天地一体、上下协同、信息共享的农业水土资源监测基础设施；保持跨主体、跨部门、跨区域的农业水土资源监测数据资源开放共享，形成涵盖平台服务、具体应用服务的操作系统。
四、我国农业水土资源监测与信息服务体系发展构想
（一）发展思路
粮食安全是国民经济建设、社会稳定发展的基础，生态安全是可持续发展的前提，资源安全为生态环境健康、粮食产量稳定提供保障。未来30年，我国农业水土资源环境监测与信息服务体系发展面向粮食安全、生态安全、资源安全的重大需求，坚持绿色发展新理念，落实“农业资源环境自动化、智能化、无人化监测，监测信息服务市场化、社会化”的发展目标；通过“自主创新+成果引进”方式，实施农业资源环境传感器与泛在感知、农业资源大数据智能、农业物联网等共性关键技术攻关；促进监测技术和信息服务的产业应用，推动形成立体化监测、数字化设计、精确化作业、智能化管理的资源监测与信息服务产业体系，显著提升资源利用率和劳动生产率。
（二）阶段目标
至2025年，逐步建成“天空地”一体化的农业水土资源监测“一张网”，建立统一的农业资源环境大数据标准规范，推动建设农业资源环境要素、权属“一张图”，确保农业水土资源总量、分布、利用监测的覆盖度不低于80%；完成全国10亿亩（1亩≈666.7m2）高标准农田建设的核查工作，动态监测高标准农田水土资源利用情况，评估高标准农田农业水土资源的投入产出，稳定保障全国高标准农田的粮食产能（5×108t以上）；打破农业领域的资源监测数据壁垒，推进调查监测成果的共享与应用，实现农业业务部门内部与外部的数据共享。
至2035年，构建农业水土资源综合利用效率提升理论与技术体系；逐年开展重点区域耕地质量情况调查监测，确保农业水土资源监测覆盖度不低于90%；明确需要维持的耕地资源红线，实施土地资源安全工程；结合农业水资源、土地资源两个专项调查的监测信息，提出我国五大粮食主产区农业水土资源配置格局与实施路径，优化配置农业水土资源空间；农业水土资源监测信息服务逐步实现市场化、社会化。
至2050年，全国农田土壤污染、面源污染、地下水水位、农产品产地环境监测的覆盖度达到100%，确保实现农业治理现代化目标；农业用水量高效控制，水肥一体化技术全面推广，实现农业绿色发展目标；建成农业水土资源监测评价、政务服务、监管决策应用体系，形成“用数据监管、用数据服务、用数据决策”的管理模式。
（三）技术路线图
2025—2050年，围绕农业水土资源数量、质量监测、农业水土资源利用时空动态监测、农业水土资源生态环境监测三方面开展技术研发、集成与示范工作（见图2），力求提高农业水土资源利用率和产出率，优化资源空间配置，提升水土资源智能监测与服务水平。
图2我国农业水土资源监测与信息服务体系发展路线图（2020—2050年）
2025年，重点突破农田土壤智能传感器、灌溉水质水量智能传感器与泛在感知、农业资源大数据与认知计算等共性关键技术；研制农业水土资源监测数据采集、监测模式、大数据管理及应用等标准规范体系，编制农业水土资源监测数据开放共享目录清单；开展“天空地网”一体化农业水土资源监测系统建设，形成以“天空地网”移动监测平台为代表的感知装备体系。
2035年，加强智慧国土技术研发，重点突破包括土地资源调查、评价、规划、监管在内的全流程智能化关键技术；构建农业水土资源监测大数据平台，实现农业水土资源海量监测数据的清理、整合、查询、运算、挖掘、分析与可视化。
2050年，重点突破水土大数据分析与区块链应用技术，研制基于区块链技术的农业水土资源监测数据共享与管理体系，通过智能合约管理实现监测系统智能传感设备与大数据平台的高效对接；建成农业水土资源监测基础设施，实现水土统筹、天地一体、上下协同、信息共享；形成跨主体、跨部门、跨区域的农业水土资源监测数据资源开放共享机制，涵盖平台服务、具体应用服务的操作系统。
（四）重大项目建议
1.国家农业水土资源监测重大基础设施
打造“天空地网”一体化农业水土资源监测系统，涵盖农田土壤智能传感器、灌溉水质水量智能传感器、“天空地网”移动监测平台等感知装备，支持实现农业水土资源监测“全面设点、全国联网”。构建农业水土资源监测大数据平台，研制基于区块链技术的农业水土资源监测数据共享与管理体系，实现监测系统智能传感设备与大数据平台的高效对接，建成农业水土资源监测基础设施，形成农业水土资源监测数据资源开放、共享、集成的服务平台，支撑具体应用服务的操作系统。
2.“天空地网”一体化农业水土资源监测核心关键技术研发与集成
建立农业水土资源监测技术体系，包括服务农业水资源监测的降水–作物产量影响模拟监测、灌溉用水量监测、土壤水分遥感反演、田间作物需水与水分胁迫监测、农田灌排水质监测、农业水资源利用风险评估。加强“智慧国土”技术创新，重点突破土地资源监测关键技术，如土地利用变化监测与模拟、耕地质量退化监测、土壤重金属污染及风险预警、农田投入品与高强度利用监测、土地利用活动中的温室气体排放监测、农业土地系统生物多样性监测等技术。发展水土大数据分析与区块链应用技术，整合形成“天空地网”一体化农业水土资源监测核心关键技术，提升农业水土资源监测的科学化、系统化、精准化水平。
3.国家级农业水土资源业务化监测与信息服务系统
五、对策建议
（一）加强统筹布局，拓宽投资渠道
（二）强化基础设施建设，推动创新与应用
针对农业资源监测发展的迫切需求和薄弱环节，借助信息与通信技术在农业领域的应用及融合，不断完善农业水土资源监测与信息服务的基础设施，加快基础软硬件设施的可持续建设。加强前沿基础理论、关键共性技术、系统集成等方面的创新突破，如AI、区块链、大数据、海量数据管理、立体展示等技术在调查监测中的应用研究。实施关键共性技术攻关，如“天空地”多源立体协同的农业信息获取与数字解析、农业大数据存储与高效处理、“天空地”协同农业水土资源、草原生态环境和农情动态监测与预警、定量模拟与智能决策模型。鼓励科研院所、高校、企业组成创新联盟，合理确定利益分配机制，联合研发环境监测设备并提升国产化水平。
（三）搭建重要农业资源监测共享平台
农业资源环境监测涉及农业农村、水利、自然资源、生态环境、气象、林草等多个部门，建议在顶层规划的基础上，由国家发展改革委员会牵头商建多源数据共建共享机制；建立跨部门的农业资源监测数据传递的无障碍通道，提供基于用户、数据、服务分级的访问控制与系统监控功能；搭建重要农业资源监测数据共享平台，实现农业数据资源的并网建库。各地区整合机构力量，建立省、市、县的数据台账与数据子平台，与全国数据平台互通共享，保障农业资源台账制度畅通高效运行。
（四）整合多方力量，“政产学研用”协同发展
立足农业水土资源监测多学科、多领域、多部门的科研与产业优势，构建“政产学研用”创新平台。在科技方面，瞄准区域或产业发展中的关键问题，由政府、企业、高校、科研院所、监测单位共同参与，运用大联合、大协作模式，推动农业水土资源监测与信息服务理论、技术、系统、装备的原始突破与协同发展。在机制方面，建立各方利益合理兼顾的运作模式，探索长期可持续的发展路径，构建农业水土资源监测与信息服务科技创新及产业应用双向融合机制。
（五）“引育”并举，加强人才队伍建设
依托现有队伍组织，提升并发挥各自专业优势，分工推进调查监测任务实施，保持运转严密有序。建议结合事业单位分类改革，整合系统内现有的调查监测力量；优化农业资源调查监测工作机制，形成资源调查监测的专业化支撑队伍，逐步实现国家调查、地方举证、数据分发共享的农业资源调查监测新模式。注重农业资源监测与管理的理论、技术、方法、应用等方面的复合型专业人才培养工作，同时引导社会力量参与，培育市场化的调查监测队伍。积极吸纳科研院所、高校的研究力量参与调查监测工作，发挥专业特长与知识优势；引导国内创新人才和团队与世界一流的数字农业、遥感、信息技术研发机构开展深度合作。
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
唐华俊，农业土地资源专家，中国工程院院士。
长期从事基于遥感技术的农业土地资源合理利用、农作物种植面积空间分布和结构变化研究。在传统耕地资源研究基础上，开拓到耕地内部的农作物空间格局研究。发展了农作物遥感监测系统，科学监测农作物播种面积、种植区域及产量；创建了系列空间模型，定量解析了过去我国主要农作物种植面积空间分布和结构变化过程及规律；建立了耦合自然和社会经济因子的综合模型，模拟未来农作物空间分布变化趋势及其对我国粮食安全的影响。