“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的實(shí)踐與農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新

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21世紀(jì)，人類將逐步進(jìn)入知識經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，迅速發(fā)展與普及的信息技術(shù)將推動(dòng)人們在科學(xué)利用資源潛力，發(fā)展節(jié)本增效生產(chǎn)方式，改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于信息和知識的生產(chǎn)過程管理決策方面，突破許多傳統(tǒng)的模式和觀念，開拓出一批具有創(chuàng)新意義的技術(shù)體系，以支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在實(shí)踐當(dāng)今新的農(nóng)業(yè)科技革命中，九十年代初以來在一些發(fā)達(dá)國家開展的“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的研究與實(shí)踐，就是一種具有創(chuàng)新意義的技術(shù)思想，已經(jīng)引起一些國家政府和科技決策部門的重視。美國國家研究委員會(huì)（National Research Council）為此曾專門立項(xiàng)組織了一批多學(xué)科著名專家對有關(guān)發(fā)展研究進(jìn)行了評估，研究報(bào)告經(jīng)過由美國科學(xué)院，工程院和醫(yī)學(xué)科學(xué)院院士組成的評估組進(jìn)行審議后，于1997年發(fā)表了“Precision Agriculture in the 21st Century－Geospatial and Information Technologies in Crop Management” 研究專著，全面分析了美國農(nóng)業(yè)面臨的壓力、信息技術(shù)為改善作物生產(chǎn)管理決策和改善經(jīng)濟(jì)效益提供的巨大潛力，闡明了“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系研究的發(fā)展現(xiàn)狀，面臨的問題及其支持技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)研究的機(jī)遇。近兩年來，我國科技界在研究推進(jìn)新的農(nóng)業(yè)科技革命中，對國外這一技術(shù)體系的發(fā)展趨勢，引起了廣泛的關(guān)注。新聞媒體陸續(xù)有了一些報(bào)導(dǎo)，有的單位已開展了有關(guān)研究和試驗(yàn)示范工程準(zhǔn)備工作, 國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流與合作聯(lián)系開始活躍，國外有關(guān)產(chǎn)業(yè)界開始向我國推薦其技術(shù)產(chǎn)品，密切關(guān)注中國走向21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化中這一巨大的潛在技術(shù)市場?？梢灶A(yù)言：“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的試驗(yàn)示范及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)研究，將在世紀(jì)之交成為推進(jìn)我國新的農(nóng)業(yè)科技革命中的重要研究課題。信息技術(shù)革命為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展提供了新機(jī)遇，在開拓新的前沿科技應(yīng)用研究領(lǐng)域中，發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家的起跑線拉近了距離，時(shí)間上的差距在縮小。在某些重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)發(fā)展上的跨越，將是機(jī)遇性的挑戰(zhàn)。江澤民主席1998.9在安徽考察工作時(shí)的講話中指出：“現(xiàn)在一些發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)把基因育種工程、電子信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)等高新技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”。 “精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系是農(nóng)學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、電子與信息科技，管理科學(xué)等多種學(xué)科知識的組裝集成，其應(yīng)用研究發(fā)展必將帶動(dòng)一批直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者服務(wù)的電子信息高新技術(shù)與工程裝備技術(shù)的研究與開發(fā)，對推動(dòng)我國基于知識和信息的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性意義。 “精細(xì)農(nóng)業(yè)”，即國際上已趨于共識的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”學(xué)術(shù)名詞的中譯。國內(nèi)科技界及媒體報(bào)導(dǎo)中目前尚有各種不同的譯法和對其內(nèi)涵的理解。如譯為“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”、“精確農(nóng)業(yè)”、“精細(xì)農(nóng)業(yè)”等。 實(shí)際上，目前國外關(guān)于Precision Agriculture的研究，主要是集中于利用3S空間信息技術(shù)和作物生產(chǎn)管理決策支持技術(shù)（DSS）為基礎(chǔ)的面向大田作物生產(chǎn)的精細(xì)農(nóng)作技術(shù)，即基于信息和先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)田“精耕細(xì)作”技術(shù)。因此，作者認(rèn)為采用“精細(xì)農(nóng)業(yè)”或“精細(xì)農(nóng)作”譯名來表達(dá)當(dāng)前實(shí)踐的這一技術(shù)思想的內(nèi)涵可能更為確切。誠然，當(dāng)今實(shí)踐的“精細(xì)農(nóng)作”技術(shù)思想，應(yīng)該擴(kuò)展到設(shè)施園藝、集約養(yǎng)殖、產(chǎn)品加工及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的精細(xì)經(jīng)營管理方面，而形成為完整的“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系。“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)是直接面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者服務(wù)的技術(shù)，這一技術(shù)體系的早期研究與實(shí)踐，在發(fā)達(dá)國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農(nóng)學(xué)家在進(jìn)行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家系統(tǒng)應(yīng)用研究與實(shí)踐中進(jìn)一步揭示的農(nóng)田內(nèi)小區(qū)作物產(chǎn)量和生長環(huán)境條件的明顯時(shí)空差異性，從而提出對作物栽培管理實(shí)施定位、按需變量投入，或稱“處方農(nóng)作”而發(fā)展起來的；在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，自七十年代中期微電子技術(shù)迅速實(shí)用化而推動(dòng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的機(jī)電一體化、智能化監(jiān)控技術(shù)，農(nóng)田信息智能化采集與處理技術(shù)研究的發(fā)展，加上八十年代各發(fā)達(dá)國家對農(nóng)業(yè)經(jīng)營中必需兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、資源、環(huán)境問題的廣泛關(guān)切和有效利用農(nóng)業(yè)投入、節(jié)約成本、提高農(nóng)業(yè)利潤、提高農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力和減少環(huán)境后果的迫切需求，為“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的形成準(zhǔn)備了條件。海灣戰(zhàn)爭后GPS技術(shù)的民用化，使得它在許多國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得迅速發(fā)展，也推動(dòng)了“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的廣泛實(shí)踐。使得近20年來，基于信息技術(shù)支持的作物科學(xué)、農(nóng)藝學(xué)、土壤學(xué)、植保科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)和智能化農(nóng)業(yè)裝備與田間信息采集技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化決策支持技術(shù)等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個(gè)新的精細(xì)農(nóng)作技術(shù)體系和開展了試驗(yàn)實(shí)踐。迄今支持“精細(xì)農(nóng)業(yè)”示范應(yīng)用的基本技術(shù)手段已逐步研究開發(fā)出來，在示范應(yīng)用中預(yù)示了良好的發(fā)展前景。近五、六年來，已有數(shù)千計(jì)的研究成果，實(shí)驗(yàn)報(bào)告見諸于國際學(xué)術(shù)會(huì)議或?qū)W術(shù)刊物；每年都舉辦專題“國際精細(xì)農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)研討會(huì)”和有關(guān)裝備技術(shù)產(chǎn)品展示會(huì)；在萬維網(wǎng)上設(shè)置有多個(gè)專題網(wǎng)址，可以及時(shí)查詢到有關(guān)研究發(fā)展信息；美、英、澳、加等國一些著名大學(xué)設(shè)立了“精細(xì)農(nóng)業(yè)”研究中心，開設(shè)了有關(guān)博士、碩士研究方向及培訓(xùn)課程；日、韓等國近年來已加快開展研究工作，并得到了政府部門和相關(guān)企業(yè)的大力支持。國際上對這一技術(shù)體系的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有了廣泛的共識，將成為世紀(jì)之交發(fā)展農(nóng)業(yè)高新技術(shù)應(yīng)用研究的重要課題。 “精細(xì)農(nóng)作”技術(shù)思想的核心，是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、地形、植物營養(yǎng)、含水量、病蟲草害等）實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異性信息，分析影響小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，區(qū)別對待，按需實(shí)施定位調(diào)控的“處方農(nóng)作”。正是信息技術(shù)革命為這一技術(shù)思想的實(shí)踐，提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。千百年來的作物生產(chǎn)，都是以地區(qū)或田塊為基礎(chǔ)，在區(qū)域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進(jìn)行管理，如利用統(tǒng)一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農(nóng)藝措施，滿足于獲得區(qū)域、農(nóng)場或田塊的平均產(chǎn)量的認(rèn)識水平，很少顧及對農(nóng)田的盲目投入及過量施肥施藥造成的生產(chǎn)成本增加和環(huán)境污染后果。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣模式，也是在區(qū)域尺度上進(jìn)行品種選擇、土肥監(jiān)測，通過地區(qū)試驗(yàn)積累的適于當(dāng)?shù)氐脑耘喙芾泶胧┫蜣r(nóng)戶推薦使用。實(shí)際上，即使在同一農(nóng)田內(nèi)，地表上、下影響作物生長條件和產(chǎn)量的明顯時(shí)空分布差異性，包括農(nóng)田內(nèi)作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區(qū)發(fā)生，再逐步按時(shí)空變化蔓延的特性，早已為人們所認(rèn)識。幾世紀(jì)前，農(nóng)民把土地劃分為小田塊來耕作經(jīng)營，正是受到對作物生長環(huán)境和產(chǎn)量空間變異的感性知識的影響。我國農(nóng)民幾千年來在小塊土地上經(jīng)過勞動(dòng)密集的投入和積累的豐富生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)而形成的“傳統(tǒng)精耕細(xì)作”技術(shù)，也可以在小塊農(nóng)田內(nèi)達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，只是沒有現(xiàn)代科學(xué)方法的定量研究和現(xiàn)代工程手段的支持來形成大規(guī)模的生產(chǎn)力。本世紀(jì)初期，科學(xué)家就研究報(bào)告過作物產(chǎn)量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學(xué)C.M. Linsley和F.C.Bauer 發(fā)表文章勸告農(nóng)戶應(yīng)繪制自己田區(qū)內(nèi)的土壤酸度分布圖和按小區(qū)需求使用石灰的建議。

之后，一直都有關(guān)于農(nóng)田土壤和收獲量空間變異性研究的報(bào)導(dǎo)。八十年代以來，關(guān)于在農(nóng)田中實(shí)施土壤肥力、植保和作物生產(chǎn)定位管理（Site Specific Crop Management）的技術(shù)研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產(chǎn)量傳感器的現(xiàn)代谷物聯(lián)合收獲機(jī)，已可以在收獲過程中自動(dòng)采集以12-15m2為單元的小區(qū)產(chǎn)量與對應(yīng)地理坐標(biāo)位置的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步通過模糊聚類分析軟件自動(dòng)生成農(nóng)田內(nèi)作物產(chǎn)量分布圖。多年的試驗(yàn)實(shí)踐表明，田區(qū)內(nèi)小區(qū)平均產(chǎn)量的最大差異可以超過100％。由于作物生產(chǎn)還受到氣候變異的影響，經(jīng)連續(xù)多年對同一田區(qū)積累的數(shù)據(jù)表明，同一小區(qū)年際間的產(chǎn)量差異性也可能是十分明顯的。田區(qū)內(nèi)產(chǎn)量上述明顯的時(shí)空分布差異性，顯示了農(nóng)田資源利用存在的巨大潛力?，F(xiàn)代農(nóng)學(xué)技術(shù)與電子信息技術(shù)的發(fā)展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實(shí)施基于知識和現(xiàn)代科技的分布式調(diào)控，達(dá)到田區(qū)內(nèi)資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量成為可能。圖1是精細(xì)農(nóng)作技術(shù)思想的示意圖。其實(shí)施過程可描述為：帶定位系統(tǒng)和產(chǎn)量傳感器的聯(lián)合收獲機(jī)每秒自動(dòng)采集田間定位及對應(yīng)小區(qū)平均產(chǎn)量數(shù)據(jù) → 通過計(jì)算機(jī)處理，生成作物產(chǎn)量分布圖 → 根據(jù)田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數(shù)的空間數(shù)據(jù)分布圖，作物生長發(fā)育模擬模型，投入、產(chǎn)出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統(tǒng)，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖 → 根據(jù)處方圖采用不同方法與手段或相應(yīng)的處方農(nóng)業(yè)機(jī)械按小區(qū)實(shí)施目標(biāo)投入和精細(xì)農(nóng)作管理。由圖1可以看出，這一技術(shù)思想是通過多次循環(huán)的實(shí)踐，來不斷改善農(nóng)田資源環(huán)境，積累知識，逐步達(dá)到作物生產(chǎn)管理精細(xì)化的過程。由于大田作物生產(chǎn)受到眾多時(shí)空變化因素的影響，利用生產(chǎn)潛力的處方措施，還需要兼顧生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境后果的優(yōu)化目標(biāo)，因此，其技術(shù)思想并不是單純追求技術(shù)措施的“準(zhǔn)確”。事實(shí)上，目前應(yīng)用于獲取小區(qū)產(chǎn)量數(shù)據(jù)的空間尺度為12-15 m2, 獲取農(nóng)田土壤信息的尺度大多還只可能精細(xì)到60 m左右。在實(shí)際操作上，對獲取的空間信息還需要通過模糊聚類處理，生成技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的處方圖來指導(dǎo)處方農(nóng)作，因而還談不到“精準(zhǔn)”的操作。而且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是農(nóng)田土壤、作物苗情、病蟲草害信息實(shí)時(shí)快速采集技術(shù)的突破，農(nóng)業(yè)處方操作也將愈益精細(xì)化。上述精細(xì)農(nóng)作技術(shù)體系在許多發(fā)達(dá)國家的試驗(yàn)和應(yīng)用表明，可以顯著提高耕地的生產(chǎn)潛力，節(jié)約良種、化肥農(nóng)藥和能源投入，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，受到農(nóng)戶的歡迎。

“精細(xì)農(nóng)作”是基于田間小區(qū)作物生長條件的空間差異性，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化作物生產(chǎn)系統(tǒng)的目標(biāo)而提出的。但工程支持技術(shù)的開發(fā)研究，對實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)思想起著重要的作用。如：農(nóng)田信息采集與處方農(nóng)作的空間定位，需依靠全球衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)（DGPS）；地理空間信息管理和數(shù)據(jù)處理，需要應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)；未來大量地理空間數(shù)據(jù)的更新，需要遙感技術(shù)(RS) 的支持；作物產(chǎn)量計(jì)量與小區(qū)產(chǎn)量圖的生成需要能按秒記錄收獲機(jī)累計(jì)產(chǎn)量和對應(yīng)地理坐標(biāo)位置的智能型收獲機(jī)械，以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)量圖自動(dòng)生成軟件技術(shù)；田區(qū)空間變量信息的快速實(shí)時(shí)采集，需要研究基于新原理的傳感技術(shù)與信號處理技術(shù)；按小區(qū)實(shí)施自動(dòng)處方農(nóng)作、調(diào)控目標(biāo)投入需要變量處方農(nóng)業(yè)機(jī)械；制定科學(xué)的農(nóng)作處方需要農(nóng)學(xué)知識和計(jì)算機(jī)作物管理輔助決策支持系統(tǒng)的支持；作為一個(gè)能協(xié)調(diào)運(yùn)作的智能化系統(tǒng)需要有高效的信息集成以及有關(guān)信息傳輸、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的研究等等。

迄今“精細(xì)農(nóng)業(yè)”在發(fā)達(dá)國家也不過五、六年的應(yīng)用試驗(yàn)歷史，部分支持技術(shù)手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究還比較薄弱。“精細(xì)農(nóng)業(yè)”應(yīng)用實(shí)踐可根據(jù)不同國家、不同地區(qū)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)條件，圍繞提高生產(chǎn)、節(jié)本增效、保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)，采用不同的技術(shù)組裝方式，逐步提高作物生產(chǎn)管理的科學(xué)化與精細(xì)化水平。其中，獲取農(nóng)田小區(qū)產(chǎn)量空間分布的差異性信息是實(shí)踐“精細(xì)農(nóng)作”的基礎(chǔ)。有了小區(qū)產(chǎn)量分布圖，農(nóng)戶既可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)知識，分析小區(qū)產(chǎn)量差異的原因，選擇經(jīng)濟(jì)適用的對策，在現(xiàn)實(shí)可行條件下采取適當(dāng)措施實(shí)施調(diào)控；也可以根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的條件，利用先進(jìn)的科技手段或智能化變量處方農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)調(diào)控。

“精細(xì)農(nóng)業(yè)”研究的革命性的意義是提出了一種經(jīng)營現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新技術(shù)思想并付諸于實(shí)踐，發(fā)展前景已在國際上具有廣泛的共識。1998.1美國副總統(tǒng)戈?duì)柕谝淮翁岢鲆⒁?米分辯率的“數(shù)字地球”的概念，在地理信息學(xué)術(shù)界引起了廣泛的反響，它為認(rèn)識世界科技進(jìn)步對未來人類生存方式的影響提出了全新的觀念。“精細(xì)農(nóng)業(yè)”的實(shí)踐將在下一世紀(jì)開發(fā)“數(shù)字地球”的實(shí)踐中占有十分重要的地位。我國農(nóng)業(yè)仍處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的歷史過程中，全面實(shí)踐這一新技術(shù)體系的路程還很遙遠(yuǎn)。但啟動(dòng)這一新技術(shù)的示范與實(shí)踐研究，將有利與推動(dòng)實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識化與信息化進(jìn)程，改變傳統(tǒng)技術(shù)思想，追蹤科技進(jìn)步，有利于推動(dòng)基于信息和知識的農(nóng)用先進(jìn)支持技術(shù)產(chǎn)品制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的發(fā)展。在“精細(xì)農(nóng)業(yè)”技術(shù)體系的實(shí)踐中，也將可開發(fā)出一系列適用新技術(shù)產(chǎn)品。

為支持當(dāng)前的“科技興農(nóng)”服務(wù)。在發(fā)展研究中，個(gè)人認(rèn)為需要重視如下問題：

加強(qiáng)對國際有關(guān)發(fā)展信息和經(jīng)驗(yàn)的研究，提出符合國情的發(fā)展戰(zhàn)略。九十年代以來，國外許多單位已經(jīng)積累了一大批示范試驗(yàn)數(shù)據(jù)與支持技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)研究成果?？梢圆扇∫M(jìn)技術(shù)思想與部分裝備技術(shù)和自主創(chuàng)新相結(jié)合。找準(zhǔn)切入點(diǎn)，注重其支持技術(shù)產(chǎn)品的國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。“精細(xì)農(nóng)作”的技術(shù)思想在國際科技界共識的基礎(chǔ)上有其特定的涵義，即認(rèn)識農(nóng)田內(nèi)小區(qū)產(chǎn)量和影響作物生長條件的空間差異性，實(shí)施定位處方農(nóng)作。它是適應(yīng)集約化、規(guī)模化程度高的作物生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而提出的，在我國可先在規(guī)?；r(nóng)場、部分大城市郊區(qū)和農(nóng)業(yè)高新技術(shù)綜合開發(fā)試驗(yàn)區(qū)，力求在農(nóng)田小區(qū)的尺度上進(jìn)行研究與實(shí)踐。我國廣大農(nóng)村農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，生產(chǎn)手段仍較落后，實(shí)現(xiàn)廣域的現(xiàn)代農(nóng)田精細(xì)經(jīng)營尚需有較長的發(fā)展過程，有條件的地區(qū)可先以村片、農(nóng)田的尺度上對精細(xì)農(nóng)作的技術(shù)思想進(jìn)行示范試驗(yàn)研究，并可著重結(jié)合發(fā)展農(nóng)村社會(huì)化服務(wù)方式創(chuàng)新中，開拓出新的服務(wù)領(lǐng)域。這樣，既可以使我國的研究實(shí)踐與國際上的研究發(fā)展趨勢相接軌，又可以探索形成具有國情特色、有利于在農(nóng)村逐步推廣先進(jìn)的農(nóng)作技術(shù)體系。