本节讨论了农业自动化技术在不同类型的国家和农场的未来发展轨迹，分析了可能影响这些技术传播和采用的结构性因素。本节还探讨了实现机械化农业可持续发展的前景。机动机械化在带来种种好处的同时，也带来了一些负面的环境影响，特别是牺牲森林和非洲热带草原的草场换取更多的农田。50此外，本节还讨论了小型农业生产自动化的潜力，以及自动化进一步发展可能会造成的经济和社会影响。
高度机械化农业增强可持续性的前景
在高收入国家，农业已经高度机械化，在低收入和中等收入国家的许多商业化农场上也是如此，这主要是为了应对农业劳动力的稀缺或季节性短缺。为了实现规模经济，机械化主要使用大型机械，然而，证据表明这导致了土壤侵蚀、毁林、温室气体排放增加和生物多样性丧失。51在许多国家，服务提供商往往使用大型机械，服务对象通常是那些已经清除了地块上的树木和树桩的农场；40, 52但是，清除农场上的树木，再加上机械化导致的种植结构的变化，往往会引发水土流失。7此外，重型大型机械造成的土壤侵蚀和退化也会导致产量下降。38, 53大型拖拉机的使用从根本上改变了农村的景观面貌，生产者往往会扩大地块，改变地块的形状，为了生产粮食和发展农业，不惜让农田整齐划一，牺牲生物多样性。50, 52机动机械化也导致作物多样性降低，因为更容易机械化生产的作物会成为首选，如小麦、玉米和水稻。4遗憾的是，农民往往不会采用增强生物多样性的做法，如生态农业、间作和轮作，因为这些做法非常耗费人力。54机械化往往导致专业化程度提高，种植结构变得越来越单一，这可能会破坏农业生产者的韧性。55
为了应对这些挑战，机动机械化亟需创新，开发小型的轻便机械，从而减少土壤压实并减轻对环境的负面影响，因地制宜的自动化契合当地农业生产的规模，可以减少这些负面影响。由可再生能源驱动的自主机器人可以减少化学制剂的使用、能源的消耗和温室气体的排放。56开展应用技术和农艺研究，有助于找到最适合当地农业生态条件的机械化解决方案。政府还可以制定政策，推广经过验证的更加环保的机械和设备。38, 40
生态农业使用松土机或直接播种机代替犁铧，可以减少土壤侵蚀。结合作物轮作和永久土壤覆盖，这些尽量避免扰动土壤的做法可将土壤侵蚀降低99%。57生态农业似乎是农业的一大发展方向，但需要因地制宜的解决方案才能避免相应的阻力。58在此背景下，2019年5月，联合国可持续农业机械化中心（联合国亚洲及太平洋经济社会委员会下设的区域性机构）和在柬埔寨的各合作伙伴共同举办了关于适用于生态农业机械化的区域培训。59
向可再生能源过渡不仅是保护环境的要求，也是企业财务的要求。加纳的TROTRO Tractor和缅甸的Tun Yat的案例表明，燃料价格的上涨和波动是妨碍新技术采用的重要障碍（见附件1）。可再生能源也为沿着价值链推动自动化提供了新的契机，对偏远农村地区可能特别有吸引力。60然而，当前可用的可再生能源并不足以保证所有的农业操作都能高效运行，比如电力并不适合动力密集型的整地作业。需要开展研究，筛选出适当的离网可再生能源解决方案，最有效地为价值链上的各类机械提供动力。51
第2章表明，解决劳动力短缺，提高效率，增强应对气候冲击和压力的韧性，这些诉求正在推动高度机械化的农场采用数字自动化和人工智能机器人。证据表明这些技术对环境有益，并可用于进一步引领未来的创新。然而，鉴于数据有限，以及许多解决方案仍处于开发和商业化的早期阶段（见图6），无法对其潜在的好处一概而论。随着这些技术在世界范围内得到进一步开发和更广泛的采用，包括通过共享或租赁服务，采用范围可能会扩大到小农户。31
在高收入国家，机器人正在取代人的体力劳动，从事灌溉、侦察虫害、收获、除草和水果选摘。例如，在一个案例（Harvest CROO Robotics）中，服务提供商指出，美国已经有70%的草莓生产者购买了其开发的草莓收获机器人技术（见插文16）。机器人技术如果能减少或避免杀虫剂和除草剂的使用，将会给环境带来好处。自主作物机器人可以节省劳动力，改善作业时间，优化投入品的用量，减少土壤压实，小型集群机器人减少土壤压实的效果尤为明显。根据对18项研究的分析，在特定情况下，用自主作物机器人进行采摘、播种和除草具有经济可行性。61, 62, 63集群机器人用于小型不规则田地具有明显的成本优势。64政策制定者和生产者需要更清楚地认识到这些好处，以便增加对相关技术开发的投资。
插文16使用采摘机器人解决草莓农场的劳动力短缺
自动化采摘机可以自动采摘、检查、清洗和包装作物。美国开发了Harvest CROO Robotics，通过机器人采摘解决草莓行业劳动力短缺的问题。每台采摘机有16个独立工作的机器人，它们在农场中巡视，检查草莓的质量和成熟度，然后进行采摘、清洗和包装。因此，这项技术完全取代了诊断、决策和执行中的人力。
Harvest CROO Robotics是美国目前为数不多的草莓采摘解决方案之一，吸引了全美约70%的草莓种植者（通常是大规模种植者）的投资，以解决劳动力缺乏和成本的问题。采摘机采用先使用后付费的模式，种植者根据草莓的采摘量付费。
这项技术得以大规模采用后，计划组建一支可以从操作中心远程控制的采摘机机队，除了采摘、检查、清洗和包装外，还可以收集数据与种植者分享。
资料来源：Ceccarelli等人，2022。31
自动化对未机械化或机械化程度很低的小规模农业的潜在好处
小规模农业生产者彼此不尽相同，有些可能已经高度商业化并采用了现代技术，包括机动机械化，而有些则仅仅使用最简单的工具勉强自给自足。但总体而言，他们都严重依赖家庭劳动力，哪怕已经采用了机械化，也仅仅是对部分农场作业的机械化。在许多地方，扩大机械租赁市场可以让小规模生产者受益。租赁市场往往主要提供大型机械，这些机械在国内和跨越国境巡回，覆盖各种农业生态区。为了利用这样的农机服务，生产者不得不调整自己的农场和生产方式，向大规模农业生产靠拢。因此，迫切需要开发量身定制的机械化方案，首先解决机械化过去造成的负面影响，其次促进机械化的推广，从而以可持续的方式提高生产力。
小型机械更适合小规模农业
两轮拖拉机和小型四轮拖拉机等技术是亚洲提高其机械化水平的关键。2, 19, 20两轮拖拉机的经济效益可能更好，更适合小型农场。两轮拖拉机可以绕开树桩和石头，不需要大刀阔斧地清理场地，从而最大限度地减少了生物多样性的损失。两轮拖拉机也更容易操作、维护和修理，更容易申请到小额贷款。22, 65同样的道理也适用于其他各种小型农业机动机器，使用这些机器不需要大规模改造或清理场地，更有利于生物多样性。此外，小型机械也有可能促进性别平等（见插文17尼泊尔妇女使用小型机动机器的成功案例），通过节省劳动力和资源提升妇女地位。
插文17机动机械化对妇女的商业价值：来自尼泊尔的证据
机动机械化可以通过三种方式为女性赋能，满足她们的需求。妇女可以是：（1）机械化服务的客户，机械化减少了繁重的农业劳动，让妇女可以腾出时间休息或从事其他社会或经济活动；（2）机械和设备的操作员或租赁企业的雇员，她们可以利用自己的技能赚取收入；（3）创立和运营农业机械租赁业务的企业家，向其他农民提供机械化服务并创造收入。
粮农组织最近发布了一份报告，汇总了尼泊尔可用于作物种植和收获后作业的机械设备的信息，这些都是经过了市场检验行之有效的机械设备。此举是为了促进和支持妇女作为操作员和管理人员参与农业机动机械化。妇女采用的机动设备包括：
- 几种类型和尺寸的动力除草机，可以对蔬菜、玉米和甘蔗等宽行距作物进行除草和行间种植。报道称，与人工劳动相比，一台动力除草机可以清除大片土地上的杂草。来自当区种植玉米的女农民称，通过使用大功率除草机，她们省去了人工除草的费用，每比嘎（相当于0.66公顷的面积）可以节省10000卢比（84美元）。
- 移动式脱粒机是一种发动机驱动的机械，用于成捆的水稻或小麦，可以让人摆脱手工脱粒的苦差，不仅节省了时间，而且大大增加了脱粒的谷物量（比手工脱粒多8-10倍）。脱粒机效率很高，农民可以购置脱粒机以个人的身份提供脱粒服务，农机租赁中心也可以对外出租脱粒机。
- 玉米剥粒机用于从穗轴上把玉米粒剥离，可以让人摆脱手工剥玉米的枯燥和疼痛，节省了时间，并大大增加了单位时间内脱粒的谷物量（比手工脱粒快30-40倍）。脱粒后的玉米去掉了玉米棒，节省了空间，更容易储存。
资料来源：Justice、Flores Rojas和Basnyat，2022。66
数字自动化技术好处多多，但小规模农业采用数字自动化面临重重挑战
关于低收入和中等偏下收入国家实施精准农业的研究越来越多，深刻表明必须挖掘数字自动化技术用于小规模农业的潜力。67, 68, 69为了推动数字自动化技术的采用，一些服务提供商表示愿意向小规模生产者提供免费咨询服务，其商业模式是通过出售从农民那里收集的数据赚取收入。31这种模式有可能带来发令人鼓舞的变化，但前提是必须符合关于数据共享和隐私的标准。此外，相邻的农民往往倾向于种植同样的作物，以分摊无人机咨询服务的费用（例如在布基那法索70、加纳71和卢旺达72）。
数字技术有力地推动了面向小规模生产者的农业咨询业务。30 在低收入国家，自成一体的数字工具因为成本较低，是部署得最多的数字解决方案，但其对生产力和环境可持续性的影响基本上还没有定论。此外，现有数据仍然很匮乏，还不足以生成小规模生产者所需的个性化建议。此外，用户数字技能低下导致数字解决方案难以推广，数字鸿沟仍然触目惊心，妇女和其他弱势群体往往与数字解决方案无缘。许多国家缺乏数据隐私和保护的立法，这也是一个新问题，可能导致第三方滥用数据。73
关于使用无人机在小型农场施用化肥和化学制剂等投入品也有相应的研究，其中包括非洲。74, 75商业化应用已经起步，但大多数解决方案都是基于地图的应用，几乎没有自主决策的能力。通过无人机施用投入品有许多优势，包括提高精确性，减少农药暴露，在普通机械无法企及的场地中作业（因为场地过于潮湿或地形崎岖），避免机械移动对直立作物造成损害。采用无人机的经济效益取决于设备成本、施用的效果、点施模式节约的投入品，以及避免地面机械对作物的破坏而挽救的产量。小规模农业生产者通常自己并不拥有无人机，因此是否有无人机可供租赁，租金是否合理，这对于他们很重要。使用无人机也带来了许多技术挑战，例如如何重新填充喷雾罐、肥料箱或种子料斗，如何给电池充电，局部施用时如何根据不同片区使用不同的农药，如何培训用户，以及如何预防偏航进入非目标区域。克服这些问题需要相应的技术能力和机构能力，而对许多低收入和中等收入国家来说，这又构成了一个重大挑战。76
妨碍小规模生产者采用数字自动化的因素之一是成本，因此改进技术、调整规模和开发创新的商业模式尤为重要，这有助于降低用户的经济负担。计算机和智能手机这样的设备原来高不可攀，但一旦大量生产，价格就大幅度下降，可以在精准农业中广泛使用。31一些地方的农业生产面临缺水的挑战，马里有一个自动化温室的成功案例，用计算机控制灌溉和农药施用，表明数字自动化可以提高水和农药的使用效率。77
精准畜牧业
精准畜牧业的解决方案主要应用于高收入国家的集约化生产系统，通过传感器监测动物的健康、繁殖和行为。为了提高产品质量，电子标签和区块链越来越多地被用于对大型农场销售的牲畜进行追踪。29然而，对于低收入国家的绝大多数畜牧业生产者来说，这样的先进技术仍然过于昂贵，在这些国家，精准畜牧业解决方案更多地体现为虚拟围栏系统，通过音频警报、电击或其他提示，将牲畜限制在一定范围内，这有助于减少繁重的劳动和对劳动力的需求，改善动物繁殖管理，促进信息收集和集约管理，实体围栏也因此有可能变得可有可无。此外，全球卫星导航系统可以帮助生产者确定动物在大型开放牧场上的位置，还可以与传感器相连，监测动物体温、运动轨迹及其他与健康和生殖状态有关的指标。然而，目前对于大面积牧场来说，对每只动物都使用全球卫星导航系统的成本过于高昂。与用于种植业的解决方案一样，这些畜牧业解决方案需要重新设计，以降低成本和实现批量生产，并需要开发创新的商业模式，使这些技术可用于低收入国家的大型畜牧业生产系统。29开发应用程序，用于访问牲畜管理的相关信息，这是发展精准畜牧业极具潜力的领域。78来自肯尼亚的经验表明，牧民越来越多地使用这种应用程序来了解草原的状态，并相应地带着畜群四处移动以找到足够的饲草。79基于卫星数据的应用程序可以帮助发现和报告动物疾病，使牧民和养殖户能够迅速采取有针对性的措施。78
通过资产共享实现机械化
数字工具也可以有力地支持资产共享，帮助小规模生产者实现农业机械化。例如，类似于优步的共享出行模式，利用全球卫星导航系统跟踪农业机械，再配合车队管理软件，有望大幅降低小规模生产者与机械租赁公司之间的交易成本，并能让机械主人对机械使用情况进行监督。29这方面的案例包括非洲的TROTRO Tractor和亚洲的Tun Yat。当然这些解决方案仍面临着各种挑战，如道路破败和网络连接时断时续。需求的季节性也是一个问题，在特定时期会供不应求。租赁公司正在考虑利用制度创新来克服这一系列挑战，例如通过中介预订将小农户聚在一起，降低与农民打交道的交易成本，并避免机械闲置。80资产共享有可能逐步推动全球卫星导航系统的采用，实现精确定位和对机械的高度掌控，也有可能推动可变速率技术用于中低收入国家的精准农业。问题在于，在大型机械上使用全球卫星导航系统，要求场地必须是方正的，而许多小规模生产者的土地往往并不规整。
人工智能机器人
为高收入国家的农场设计的机器人通常并不适合低收入和中等收入国家。在这些国家，农业仍然以小规模生产者为主，主要依靠家庭劳动力手工完成各项操作。例如，高收入国家的自动棉花采摘机效率很高，但只适用于同时成熟的棉花，因为机器在采摘时会损毁棉花植株。这种解决方案并不适合印度或西非的传统农场，当地的棉花品质很高，但分批开花，开花季持续约150-160天，期间需要进行三到四次采摘。31
高昂的成本是采用机器人的另一个障碍，特别是对于低收入和中等收入国家的小规模生产者而言，这些国家采用机器人解决方案的例子非常少。在这些国家，传统种植的作物和相应的种植方式都以手工劳动作为前提，体现了当地的条件和制约因素，现有的农业结构无需进行大幅调整，甚至完全不需要调整。社会经济因素可能是推动采用机器人技术的动力，其中劳动力季节性短缺是一个突出因素。其他因素也在发挥作用，例如人们有了更好的受教育机会，农村人口流向城市，社会认为体力劳动低人一等，政府向失业人口发放救济金，这些都会导致人们对低收入体力工作逐渐失去兴趣。73, 81, 82, 83
文献表明，根据低收入和中等收入国家的国情专门设计的自主机器人可以带来以下好处：（1）减少对人力的需求；（2）降低成本和支持小规模经营，确保使用传统机械化的小型农场也能使用机器人；（3）在形状不规则的田地中高性价比地使用机器人，避免传统机械化导致农村景观变得单调和整齐划一。遗憾的是，目前还没有对这些国家投资机器人技术的可行性分析，无法论证这些技术的商业价值，29原因之一是开发机器人解决方案的企业往往是小型企业，面临大企业的竞争，很难吸引或留住能够进行这种分析的人才。31插文18展示了为小规模生产者开发机器人的潜在机遇和挑战。
插文18低成本自主作物机器人的前景
对于小规模生产者来说，小型轮式自主作物机器人值得关注，这种机器人可以播种、除草和收割，价格与一辆摩托车相当（500-1000美元），而低收入国家许多农业家庭都拥有摩托车，因此容易接受这个价格水平。腿式机器人因为可以跨越各种障碍，在田地中也很有用，但是价格要贵得多。自主作物机器人有通过人工智能进行学习的能力，有可能大幅度提高粮食产量，甚至远远超过当前的产量极限。然而，如果为每种作物和特定的农业生态条件专门生产机器人，成本会过于高昂，而且产量也上不去。因此，更为合理的商业模式似乎是，制造商生产一种通用的自主机器，并配备一系列适合不同任务的工具，其中一些工具可以是由各地自行制造。自主机器可以安装全球卫星导航系统，从而能够通过绘图体现各种信息，例如土壤颜色、基于锄地所需力量的土壤硬度、单产数据。自主机器人可以使用各种能源作为动力，例如化石燃料、太阳能和甲烷。农民可能会因为自主机器人高昂的价格而望而却步，尤其是在早期阶段，为此，自主机器人可以对外出租，或者按次向农场收取服务费。
有了通用的自主作物机器人，各种各样的数字自动化也成为可能。例如，通过结合作物传感器，自主机器人可以利用先前记录的土壤、植物和产量图，确定肥料需求，84 并识别害虫、疾病和杂草，根据需要施用杀虫剂、杀真菌剂或除草剂。
虽然对小规模生产者来说，实现数字自动化是一项挑战，但与此同时，数量庞大的生产者意味着巨大的商机和诱人的新市场。在非洲和南亚，密封储粮技术的研究、开发和商业化历程可以给我们提供一些启示。85在普渡大学推出改进作物储藏袋之前，制造商认为小规模生产者没有购买力，不愿意投资为他们开发粮食储藏的新技术。后来，普渡大学发明的改进作物储藏袋畅销30多个国家，销量已数百万计，原来对此不屑一顾的制造商纷纷效仿，加入到竞争的行列中。
资料来源：Lowenberg-DeBoer，2022。29
数字自动化技术对农业的其他影响
农业技术的经济、社会和环境影响往往远远超出农场本身的收益和成本。例如，农业机械化往往导致农场规模扩大，田地形状发生改变和农村人口减少。如前所述，应对高度机械化农业造成的环境问题，数字自动化技术极具潜力。如果能做到因地制宜，特别是与经过改造的机动机械相结合，数字自动化在小规模农业中也有巨大的潜力。展望未来，如果本章讨论的数字自动化技术（包括机器人和人工智能）能得到很好的开发和广泛采用，可能会产生极为广泛的积极影响，包括以下内容：
- 农场结构：小型集群机器人不受制于农场经营规模，生产者不必扩大农场规模，从而避免扰乱社会组织结构和破坏环境。小型集群机器人可以减少繁重的劳动，提高经济效益，提升农业作为高科技产业的形象，让年轻人愿意留在农村，并吸引其他部门的工人投身农业（详见第4章关于青年的内容）。机械化农业导致了形状不规则的小块农田被荒废，集群机器人可以实现对这些荒废土地的商业利用，这些土地通常土质良好，降雨充沛，邻近市场。集群机器人有助于提高这类农田的经济收益，从而降低政府对小规模农场进行补贴的经费开支。此外，小型农场和仍然依赖畜力牵引的大型农场都有可能跳过机动机械化，直接采用数字自动化，无需改变农村景观，从而保持丰富的生物多样性。
- 农业设备市场结构：确保中小型农业（包括种植业、畜牧业和水产养殖业）获得各种数字自动化技术，可能会导致相关设备市场发生结构性的变化，有技术能力的创业者因此会迎来商机，开发价格合理和性能可靠的自主机器和设备，并结合创新的商业模式推向市场。
- 作物保护作为一个服务项目：作物保护市场目前主要是依靠销售大量农药。有针对性的喷洒可以减少多达90%的农药用量，具有显著的环境效益，而利用机械或激光控制杂草可以完全替代除草剂。29这对于地方上的创业者来说是一大商机，他们可以提供标准化的自主机器来识别杂草和有害生物。这些机器可以按次收取服务费，或者直接卖给农民。
- 更安全、更高效、更有韧性的畜牧业和水产养殖业：数字自动化可以极大地促进远程作业，最大限度地减少工作负荷，同时改善管理。86越来越多的研究表明，数字技术用于水产养殖业极具潜力，可以推动行业商业模式和养殖场实现重大转型。87例如，物联网技术可以自动监控水体状况，便于养殖户立即采取行动。88在畜牧业中，生物传感器的使用越来越普及。生物传感器可以监控动物个体的健康和行为，让生产者获得实时信息，从而采取有针对性的行动，这可以带来诸多好处，包括减少抗生素的使用。传感器还支持区块链技术，可以保证动物产品从农场到餐桌的可追溯性，在监测疫情和预防相关经济损失与食源性流行病方面极具优势。89
随着技术的发展和日益普及，其他的影响也会相继显现。具体会有什么影响取决于多种因素，包括技术特征、网络连接、法律和监管框架、企业和创业者的商业决策、社交媒体上的反响，以及对农业数字自动化的社会态度。政府可以通过建设数字基础设施，制定适当的法律和监管措施，开展研究和教育培训，促进数字自动化的采用，实现正面的效果（见第5章）。
