本章前几节介绍了农业中机动机械化的趋势和动力，并讨论了数字技术在农业转型中的作用，尤其是在推动精准农业和扩大农业机械包容性方面的潜力。本节根据现有证据，将深入介绍数字自动化技术在农业中应用的现状，以及推动其采用的主要动力。
一项技术是否被持续使用是一个最有说服力的指标，这能表明这项技术能否至少为一部分农业生产者和企业带来好处。48相关文献分析了农业数字自动化进程带来的效益与挑战和采用的趋势。总而言之，数字自动化技术在农业中的采用有两个主要动力：自然资源减少，而对粮食的需求增加；其他经济部门的发展推动了农业部门的创新。48
由于数据匮乏（特别是在低收入和中等收入国家），为了了解农业数字自动化技术的趋势，必须从各种来源收集信息。此外，还没有一个国家或组织系统地收集关于农业数字自动化的使用数据。由于相关技术和国家各不相同，就事论事的个别分析的价值有限。只有把信息进行汇总，规律才会呈现出来。表2展示了农业数字自动化的若干里程碑，并列出了每项技术的先行者。确定每项技术被生产者采用的日期并非易事，因此表中列出的日期、国家和技术仅代表大致情况。事实上，没有哪项技术从实验室或设计工作室出来就尽善尽美，很多改进是在进入田间地头之后完成的。技术采用是一个迭代的过程，从基础研究发现潜在的应用开始，然后将科研人员的想法转化为可以实际使用的商业产品。延续本报告图2的做法，图5提供了本章所介绍的技术的大量实例，并按农业生产系统排列，这不是重复，而是对表2列出的技术的补充。
表2 农业数字自动化的部分里程碑
资料来源：Lowenberg-DeBoer，2022。48
图5 农业生产系统使用的部分数字技术和人工智能机器人技术
畜牧业生产的自动化进展
如表2所示，最早一批数字自动化技术不少是出自畜牧业。通过在动物身上或畜舍设备上安装传感器，可以调节环境气候，监测动物的健康状况、运动和需求，例如与繁育有关的需求，让精准养殖成为可能。67已经出现了好几种精准养殖技术，这些技术通过电子标识来完善对动物个体的管理，最常见的是挤奶机器人，可以在没有人类直接参与的情况下给奶牛挤奶。传统的挤奶机使用了真空技术，但是仍然需要操作员将挤奶机放置在奶牛身上，挤奶完毕后再移开。而挤奶机器人利用电子标识技术，可以访问储存奶牛乳房坐标的数据库，从而实现整个流程的自动化。68这种全自动系统适应牲畜生产的需求，可以节约成本和提高生产力，前景非常可观。69然而，挤奶机器人到底有没有带来经济回报，相关证据见仁见智：一些研究给出了肯定的回答；70, 71, 72而其他研究则认为，与传统挤奶机相比，挤奶机器人并没有产生经济收益。71因此看起来，是否采用新技术不仅有经济因素的考量，也有社会因素的考量，如工作时间更为灵活，生活质量得以提高，中小型奶牛场的经营者对此尤为看重。最近由于劳动力短缺，大型的奶牛场（超过1000头奶牛）加入了中小型奶牛场的行列，开始采用机器人挤奶系统。但是，在大型的奶牛场，决定使用挤奶机器人可能是处于完全不同的考虑。48插文5展示了非洲、欧洲、拉丁美洲及加勒比地区畜牧业数字自动化的例子。
插文5畜牧业的数字自动化：拉丁美洲、非洲和欧洲的案例
Cattler于2019年在阿根廷起步，后来将其业务扩展到其他国家，包括巴拉圭和乌拉圭，最近又扩展到巴西和美国。Cattler为肉牛养殖场提供基于卫星信息的自动化养殖场管理系统，并提供反馈和建议以改善养殖场的管理。该公司的目标客户是中型养殖场，而不是那些巨型养殖场。该公司称，养殖户有简化运营和获得投资回报的需求，这是推动他们采用数字解决方案的主要动力。
在布基纳法索和马里，在荷兰发展组织的支持下，GARBAL有针对性地向农民提供关于牲畜和作物生产、饲料、牛奶和谷物市场行情的信息和建议，而且很快会把业务推广到尼日尔。GARBAL的数字解决方案特别关注妇女和青年，帮助萨赫勒地区受气候变化影响的小规模生产者和牧民做出关于牧场、畜群迁移、天气和农作方式的决策。解决方案依赖于卫星图像、手机短信和非结构化补充业务数据，并设立了由讲当地方言的话务员组成的呼叫中心，使用手机就可以轻松地利用该解决方案。项目的推进主要得益于政府和私营部门开展合作，并向用户发放补贴。当地农民和牧民组织积极参与，传统经验和现代科学知识相互融合，也起到了积极作用。主要挑战包括如何确保解决方案契合特定用户的特定需求，如何应对一些国家国内动荡不安的局势。用户不具备相应的数字技能，能力建设任务极其繁重；网络基础设施薄弱，信号接收不好；数据质量低下，这些也是需要解决的问题。
Lely是荷兰的一个家族企业，为奶牛场提供机器人和管理软件解决方案，目标客户是拥有100头以上奶牛的大中型奶牛场，目前还没有服务超大型的奶牛场。Lely的主要技术是固定式挤奶机器人，其次是粪便清扫机器人和饲喂机器人，此外还有可以优化饲草产量的割草机器人，并且很快会推出有助于减少排放的产品。Lely还提供可用于所有农场作业的管理软件，其中包括管理动物状况和福利信息的功能。Lely的技术可以解决劳动力不足、排放监管和动物福利等问题。推动这些技术采用的主要动力是提高能源效率和减少使用化学制剂的需求，劳动力短缺也是一个助力因素。
资料来源：Ceccarelli等人，2022。2
自动挤奶系统的全球销售额从2016年的12亿美元增长到2019年的16亿美元，表明需求在不断增长，但目前仍主要集中在高收入国家，德国、荷兰和英国等国是第一批采用者。73, 74事实上，虽然没有各个区域和国家的采用统计数据，但有证据表明挤奶机器人的使用局限于高收入国家，主要是北欧。75农村劳动力的缺乏和农业人口新老更替是创造这种需求的原因。表2显示首个商业自动挤奶系统于1992年在荷兰使用，这种技术随后传播到了其他国家。69而中低收入国家缺乏这方面的数据，这表明中低收入国家几乎与这种技术无缘。48, 76
除了挤奶机之外，还有自动饲喂技术，可以根据产奶量向奶牛投喂不同数量的精饲料。77这同样适用于家禽养殖，饲喂系统会根据家禽的重量和产蛋数投喂饲料，计算机控制的通风系统会根据温度和湿度进行自动调节。78然而，关于这些技术的采用趋势及动力的数据和证据甚至更为匮乏。
种植业的自动化进展
作物生产自动化需要使用多项精准农业技术，包括可变速率技术、全球卫星导航系统、机器人、无人机和人工智能。这需要在地理信息系统的基础上收集空间数据，利用作物模拟模型提供的信息确定投入品的用量，从而实现产量和利润最大化。67这些应用的基础是传感器，包括近感（如测量土壤中的氮）和遥感（如卫星成像）。如果网络条件许可，操作人员可以用智能手机与利益相关方共享这些数据，通过简易的手机应用程序，将数据一目了然地呈现出来。35
这些技术的采用程度因农产品的种类、设备成本、劳动力成本和其他经济因素而异。无论如何，小规模农业生产者的采用少到几乎可以忽略不计，原因是几乎没有关于这些技术应用于小规模农业的研究，将这些用于机械化作业的技术拓展到非机械化作业也并非易事。
全球卫星导航系统和可变速率技术与机动机械相结合，在作物生产中得到极为广泛的应用，实现了自动调节和投入品的实时施用。基于全球卫星导航系统的技术在投入品（例如肥料）施用期间可以避免遗漏和重复，节省了投入品的用量，这是推动这些技术被采用的主要动力之一。其他动力包括减少疲劳，让家庭成员能够工作更长时间；可以雇用不太熟练或经验没那么丰富的人员作为操作员；减少重复施用对环境的影响；此外还有一些其他难以量化的好处。这些好处往往有助于抵消采用新技术带来的副作用。全球卫星导航系统的优势很快得到公认，例如，减少重复施用节省投入品的效果几乎是立竿见影，农民和周围邻居也都有目共睹，例如用传统的方式施用除草剂难免有遗漏，会留下一蔟蔟斑驳野草让村邻指指点点，这种效果的对比也有助于新技术的推广。48
可变速率技术可以减少投入品的施用，优化作物产量，这也带来了环境效益，如果能遏制过度施用，环境效益将更为明显。关于可变速率技术施肥机能否增加生产者的利润，相关证据并不统一，79, 80这或许能解释为什么基于地图的可变速率技术施肥机在世界范围内的采用程度只是尚可而已，而且大多是用于盈利比较稳定的作物，如给甜菜施用氮肥。
在最先进的自动化技术这一类别中，自主作物机器人直到最近才投入商业应用。作物机器人主要出现在高收入国家（如法国），用于为有机蔬菜和甜菜除草。81 2016年在英国启动了Hands Free Hectare（“解放双手”）项目，旨在开发和展示农业自动化，这是自主作物机器人参与商业作物的生产和收获的首次公开演示。64 随后，制造商纷纷宣布生产自主机器人（见表2），目前有超过40家初创企业正在进行研发。自主作物机器人可以节省劳动力，优化操作时间点，更准确施用投入品，减少土壤压实（尤其是小型集群机器人）。通过分析18个案例，我们发现用于收割、播种和除草的自主作物机器人在特定情况下具有经济可行性。82
在一些国家，自主作物机器需要始终有人在现场监督，在这种情况下，使用传统设备反而对农民更有利。83 一项研究发现，自主操作必须相对让人省心，才能采用远程监控，例如从农场的办公室进行监控。84这表明自主机器必须具备更强大的人工智能，能够在没有人工干预的情况下解决更多问题。同样道理，美国目前对自主作物机械进行限速，这有可能让使用这些机器得不偿失。85
有人提议为中小型农场开发小型和低成本的自主作物机械，以帮助解决中低收入国家农业劳动力不足的问题，这对农村青年尤其有利。86, 87, 88, 89遗憾的是，目前还没有针对中低收入国家的可行性分析。然而，现有文献表明，在中低收入国家采用自主机器人具有以下潜在好处：（1）在劳动力稀缺的地方，减少人力需求；（2）降低成本和支持小规模经营，使用传统机械化的小农场也能获得自主作物机械技术；（3）能够以较高的性价比利用不规整的田地，避免农村景观面目全非，统统变成单调的方块大田，破坏农村社区的肌理， 而传统的机械化特别适合整齐划一的大田。
类似于基于地图的可变速率技术，无人机也可用于收集信息和自动施用投入品。然而，由于担心滥用投入品、农药漂移和航空事故，无人机的使用通常受到严格的监管。90, 91例如，在英国，仅允许无人机去人类无法到达的地点施用除草剂，而且要遵守各种限制条件。而瑞士在这个问题上则更为灵活，可能会被其他欧洲国家效仿。83, 92 2021年，美国约有14%的农业零售商提供无人机施用投入品的服务，预计到2024年将增加到29%。92无人机施用投入品在一些中等收入国家也很常见，如巴西和中国。93
鲜为人知的自动化进展：水产养殖业、林业和受控环境中的种植业
由于劳动力短缺和工资上涨，水产养殖部门的数字自动化正在兴起。尽管投资成本高，但自动投喂和监控的创新技术已被广泛采用，因为这些技术能最大限度地降低劳动力成本和其他可变成本，雇佣几个熟练操作员就足以。94插文6展示了印度和墨西哥近期在水产养殖上的创新。
插文6新的水产养殖技术：印度和墨西哥的案例
水产养殖业在全球粮食安全和营养中的重要作用已经被世人公认，水产是世界上最主要的动物蛋白来源之一，自1970年以来产量每年增长7.5%。95鉴于水产养殖有进一步增长的潜力，以及该行业在提高产量时面临的巨大环境挑战，必须实施新的战略，实现水产养殖业的可持续发展。新战略需要利用饲料、遗传选择、生物安全、疾病控制和数字创新等领域的新技术，以提高精确度，改善决策，实现对鱼类的自动和持续监测，减少对体力劳动的依赖，改善工作人员的安全、鱼类健康和福利，同时提高效率、产量和环境可持续性。96
印度的Aquaconnect就是一个很好的例子。印度是世界上最大的水产生产国之一，2018年的产量达到700万吨，95但印度的水产养殖业缺乏透明度，价值链极其低效。Aquaconnect使用人工智能和卫星传感技术监控水产养殖场的表现，并向鱼虾养殖户（大多数是中小型规模）提供提高生产力的建议。该解决方案还联合了一个全渠道电商平台，让农民能以实惠的价格采购农业投入品。农民和金融机构之间的隔阂也被弥合，建立了紧密的业务联系。通过Aquaconnect，印度各地的6万多名鱼虾养殖户提高了效率，掌握了水产市场的行情，并有机会申请正规信贷和保险。1与此同时，印度政府已拨款约30亿美元用于农业现代化，其中包括建设水产养殖业和渔业的价值链，并表示有兴趣支持实施技术和促进创新的举措（如初创企业）。
另一个雄心勃勃并有望改变水产养殖业的项目是位于墨西哥瓦哈卡的Shrimpbox，这是世界上首个机器人养虾场（见附件1中的Atarraya案例研究）。该技术提供了自动化系统，可以通过有学习和决策能力的软件进行远程监控。系统集成了基于微生物技术的生物控制手段，可以减少硝酸盐积累、预防疾病，节约虾养殖的用水，从而显著降低水消耗、劳动力需求、疾病风险和损失。2该技术的发明者称，0.5公顷的机器人养虾场的产量与传统100公顷的养虾场相当，而只需要用5%的水，并且不含抗生素。97 Shrimpbox也可以用于寒冷的气候条件和不靠海的地区，这意味今天只能进口冷冻海产品的地区也可以吃上新鲜和高品质的虾。
Aquaconnect和Shrimpbox只是新技术的两个例子，这些技术旨在推动水产养殖业变得更可持续、更包容和更高效。然而，在非洲和其他技术落后、存在严重粮食不安全和营养不良的地区，当务之急仍然是积极发展水产养殖，提高产量。95
在林业部门，许多木材采伐作业已经高度自动化，使用的机动机械也逐步升级为数字工具。最近，移动技术与虚拟现实和遥感技术相结合，为在林场采用先进的自动机器铺平了道路。木材收割机和运送机（用于木材切割和运输的先进机器）是目前林业自动化的重点。98基于数字的新技术越来越普及。最近的一项研究显示，森林监测、规划和管理工作非常重视利用基于遥感的创新技术，其中机器学习技术也在数据收集、处理和分析中发挥了重要作用。数字工具的持续采用可能会对森林生态系统提出新的问题，牵涉到动态性、社会性、生态性和技术性的维度。未来的研究应密切地关注林业研究人员、管理人员和利益相关方的看法和态度，他们将如何预测和适应森林生态系统中的环境和技术不确定性。99插文7总结了机械化和新兴的数字自动化在林业部门的演变历程。
插文7林业部门的演变：机械化和数字自动化
从历史上看，林业部门的工作既辛苦又危险，尤其是在采伐阶段。没有技术含量的采伐需要组建一支专门的伐木小队，由一名伐木工和一名辅助工人组成，还需要配一组工人修剪树枝。树枝修剪后，还需由一名标记员、一名横向切割员和两到三名拖拉员组成另一个专门小队负责将树木切割成原木。100由于这套流程需要太多人手，而且对工人来说很危险，现在这样的人力采伐已经很少见了。
1950年代，伐木业的机械化和半自动化开始启动，以摆脱对手工劳动的依赖。林业采伐可以分为四个不同的阶段：砍倒树木、牵引出林场、在装车场分类和装载、运输到木材市场。木材采伐机已经能够进行多种操作（砍伐、牵引、切割和分类）。这种机器大大提高了效率，改善了工作条件。机械化和数字自动化还提升了采伐机操作员的安全性和舒适性。在此过程中，劳动生产率大幅提高。在瑞典，从1960年到2010年，每个工人的生产率增长了6倍（见下图）。
图 瑞典林业每个工作日的木材蓄积量，三年滚动平均值
然而，即使已经采用了机械化伐木，人工通常仍占欧洲国家木材企业运营成本的30%-40%。102而且工作环境压力很大，因为操作员需要迅速同时做出许多决定，例如操纵复杂的机械，并识别原木质量的差异，因此他们不能长时间工作。为了进一步提高效率，提高自动化水平不失为一种办法。效率和运营成本的考量推动了自主设备的采用。虽然半自动机器的速度通常慢于操作员操作，但仍更具成本优势，而且操作员可以同时操作多台半自动机器。
大多数现代林业机械很容易进行改造，以相对较低的成本转换为远程控制，可以选择的功能也非常多。如上所述，机器操作通常较慢，任务复杂的时候这一缺点尤为明显，如果仅仅是为了追求效率，这样的技术在林业中并不会被采用，之所以被采用往往是出于其他考量，例如保护操作员的安全，或全职的现场操作员的工作量并不饱和。
目前木材采伐尚未出现完全自主的系统，但是机器人利用全球定位系统导航，对树干和原木进行牵引然后运输的技术已经呼之欲出，所需的研发投资并不多，很快就可以实现。从长远来看，由机器人完成砍倒树木的作业，在经济上也是可行的，但这需要大量的投资进行研发。103最后，在木材供应链中，砍伐后的木材的公路运输作为林场经营的一部分，也需要提高效率。无人驾驶卡车技术发展迅速，其优势在于自动卡车降低了劳动力需求，从而降低了成本。除了公路上的卡车外，自动驾驶技术已经应用在矿山作业中，扩展到林业具有现实可行性。
更环保的伐木新技术也正在开发中。现在，步行式采伐机已经可以在陡峭、敏感或不平坦的地形上作业。研发的目标之一是通过定点触地减少对森林土壤的负面影响，避免轮式或履带式采伐机在土地上留下持续的压痕。103这种系统还远未达到商用阶段，但是在新西兰，摆动式森林采伐机可以在不接触森林土壤的情况下运行，不受地形条件（陡度和平整度等）影响，其原理是采伐机悬空，利用树木本身的支撑从一棵树移动到另一棵树，从而减少对土壤的扰动。104
开发这些对环境友好的技术对森林意义重大，因为在机械化砍伐会造成土壤压实和侵蚀，以及生物多样性的丧失。最后，人们需要认识到森林的作用远远超出供应木材，森林可以储存碳，提供非木材的森林产品，防止水土流失，净化水资源，供人们旅游休闲，因此如何通过基于传感器的数字自动化让这些效益最大化，相关评估工作势在必行。一个尤为重要的应用是利用卫星数据监测森林砍伐，特别是非法砍伐。监测毁林的能力已大大增强，数据的精确度不断提高，每月发布的全球森林数据分辨率目前已经达到5米。例如在亚马逊流域的厄瓜多尔，卫星监测发现油棕榈种植园肆意扩张，导致土著领地上的森林被毁。105在全球范围内免费提供这些数据，这是一个很好的做法，充分说明数字解决方案可以用于诊断问题。
另一个极具潜力的数字自动化领域是受控环境农业，包括温室农业和垂直农业。温室是受控环境农业最常见的形式，顾名思义，受控环境意味着很容易对环境进行监测、控制和优化。低成本和低功耗的传感器和仪器、通信设备、数据处理和移动应用不断创新，设计、模拟建模和园艺工程技术也在不断进步，推动了传统温室转变为智能控制环境。106一批专门从事受控环境农业的初创企业发展迅猛，显示这一领域的确具有潜力，如匈牙利的Food Autonomy、大韩民国的ioCrops和智利的UrbanaGrow。2
在进行大规模商业开发之前，鉴于温室自动化和垂直农业的初始成本较高，需要进行准确的经济分析。106与本章介绍的所有技术一样，实施自动化既会增加成本，也会增加利润，两者的相对关系如何把握极为关键，应在未来的研究中予以充分考虑，以证明进一步提高自动化的水平物有所值。
