点状喷洒农药的经济可行性：以德国西北部为例

《Precision Agriculture》：The economic viability of spot-spraying for pesticides: the case of Northwest Germany

　　

目的：作物保护中对农药的依赖带来了重大挑战，包括生物多样性丧失和环境污染。尽管精准农业技术（如点状喷洒机）具有减少农药施用的潜力，但其采用率仍然有限。先前关于精准喷洒经济可行性的文献较少，且未考虑技术可用性、价格、土地利用和采用决策之间的关系。
方法：研究人员在此使用混合整数线性规划生物经济农场模型（mixed-integer linear programming bio-economic farm model），分析和比较用于定点农药施用（site-specific pesticide applications）的不同类型智能点状喷洒机（smart spot-sprayers）的经济可行性。研究人员将该模型应用于德国西北部（欧洲生产率最高的农业区之一）的典型谷物和甜菜农场。在分析中，研究人员考虑了精准喷洒机（precision sprayers）的关键经济和性能参数，并检查了结果对技术和农场特征假设的敏感性。
结果：研究结果表明，实时点状喷洒除草剂（real-time spot-spraying of herbicides）对超过60-172公顷的甜菜农场和管理300-400公顷的谷物农场具有经济可行性。结果的大范围反映了点状喷洒机采用面临的重要挑战。它突显了经济可行性对技术类型、性能及农药价格（这些对农民而言通常是事先不确定的）变化的敏感性。将点状喷洒机的使用范围扩展到多种农药类型，并将较小且更精确的点状喷洒机与广谱喷洒机（broadcast sprayers）结合使用，可提高经济可行性。
结论：总体而言，研究人员的结果强调了智能点状喷洒机在减少农药使用的同时保持农民盈利能力的潜力，有助于可持续农业实践。基于研究结果，研究人员讨论了如何促进这些技术的采用，以实现环境目标并改善农场经济。

**论文解读：点状喷洒农药的经济可行性——以德国西北部为例**

**研究背景与问题**
当前作物保护主要依赖农药，导致生物多样性丧失和环境污染，欧盟“从农场到餐桌”战略提出到2030年减少50%农药使用。精准农业技术如点状喷洒机（spot-sprayers）可实时识别杂草或作物并单独喷洒，理论上减少农药施用高达95%，但实际采用率低。现有文献对精准喷洒的经济可行性研究稀少，且多采用静态预算方法，未考虑技术可用性、价格、土地利用与采用决策间的动态关系。因此，亟需系统性评估点状喷洒机在不同农场类型、规模及技术参数下的经济可行性，以识别采用障碍并推动可持续农业转型。

**研究内容与结论**
该研究发表于《Precision Agriculture》。研究人员通过构建混合整数线性规划生物经济农场模型（mixed-integer linear programming bio-economic farm model），模拟德国西北部典型谷物和甜菜农场的决策，分析两类智能点状喷洒机（SST_27m：27米喷杆、双喷洒系统，购价20.7万欧元；SST_6m：6米喷杆、更高精度，购价13万欧元）在两种场景下的经济可行性：场景FH（仅节省叶面活性除草剂成本）和场景MP（节省除草剂、杀菌剂、杀虫剂和植物生长调节剂等多类农药成本）。主要结论：实时点状喷洒除草剂对甜菜农场（超过60-172公顷）和谷物农场（300-400公顷以上）具有经济可行性；将点状喷洒机用于多种农药类型并搭配广谱喷洒机（broadcast sprayers）可提高经济性；农药价格上涨不一定促进采用，反而可能因减少农药密集型作物种植而降低采用。

**关键技术方法**
研究人员使用混合整数线性规划生物经济农场模型，基于德国KTBL（Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V.）数据库的农场规划数据，结合地块特异性数据（面积、距农场距离、产量水平、土壤类型），优化作物分配、收获目的、耕作制度及喷洒技术选择。模型假设完全理性利润最大化农民，采用CPLEX求解器。样本队列来源：基于Kuhn和Sch?fer（2018）的农场类型学，选取德国西北部土壤气候区141（甜菜农场）和142（谷物农场）的典型农场，数据来自Pahmeyer等（2021c）的农场数据集。敏感性分析采用蒙特卡洛模拟（1,000次随机抽样），变化性能因素（农药节省、劳动力、燃料、维修成本等）、外部因素（购价、农药价格、算法费用）和农场特征（地块大小、距离、产量水平、可喷洒天数）。

**研究结果**
**喷洒技术比较**
通过对比不同农场规模下每公顷利润，发现50公顷时广谱喷洒机利润高于点状喷洒机；随着规模增大，甜菜农场在172公顷（SST_6m，场景FH）和112公顷（SST_6m，场景MP）时点状喷洒机成为利润最大化选择；谷物农场在400公顷以下未实现点状喷洒机利润优势。成本结构分析显示，点状喷洒机降低农药成本，但增加固定机器成本、维修和燃料成本；SST_27m降低劳动力成本，SST_6m劳动力成本更高。

**敏感性分析——性能因素变化**
对甜菜农场，点状喷洒机盈亏平衡规模在场景FH为105-280公顷，场景MP为60-300公顷；农药节省增加、维修成本降低或劳动力需求减少可使盈亏平衡规模下降。谷物农场仅在场景MP且农药节省提高时，300-400公顷规模才可能盈利。燃料消耗变化影响轻微。

**外部因素变化**
购价低于100%时SST_27m更受欢迎；农药价格上涨至250%以上时，甜菜农场需更大规模才能盈利，因农药密集型作物（如甜菜）种植减少，导致点状喷洒机利用率下降。年度算法费用均匀降低两种点状喷洒机利润；按公顷计费可保留较小农场盈利性，但过高时SST_27m不再盈利。

**农场特征变化**
甜菜农场在场景FH的盈亏平衡规模为170-190公顷，场景MP为110-160公顷。较大地块和更少喷洒天数有利于SST_27m；较低土壤质量增强其相对优势。谷物农场结果类似，但规模阈值更高。

**讨论与结论**
讨论部分指出，点状喷洒机盈利性高度依赖利用率，扩大至多类农药喷洒可降低盈亏平衡规模至112公顷。较小精确点状喷洒机搭配广谱喷洒机是灵活策略，尤其适合已有广谱喷洒机的农民。政策建议：降低购价、引入按公顷计费以吸引小农场；但农药税不能简单促进采用，需考虑作物替代效应。结论部分原文翻译：
“我们在此评估了智能点状喷洒机的盈利性，这有助于实现当前的农药减量目标并提高农民作物保护的盈利能力。为此，我们开发了一个混合整数线性规划生物经济农场模型，并量化了采用阈值以及农场和技术类型、农场规模、技术性能、成本和定价对其盈利性的影响。我们发现，当前点状喷洒机仅对种植高除草剂用量作物（如甜菜）的大型农场有利可图。采用阈值在专用甜菜农场为50-280公顷，谷物农场为300公顷以上，具体取决于农场和技术特征。当多类农药（如叶面活性除草剂、杀菌剂、杀虫剂和植物生长调节剂）被定点施用时，点状喷洒机采用更具经济可行性。此外，较小且更精确的点状喷洒机对单个农场通常更具成本效益。成本效益的关键驱动因素是更高的农药节省、更低的购价以及使用更便宜、更大型的广谱喷洒机进行无法或不经济进行定点喷洒的操作。我们的结果还表明，更高的农药价格（例如通过税收）不一定导致点状喷洒机采用增加，因为更高成本可能导致农民转向农药密集型作物（采用最有利可图的作物）的种植。我们的结果可为设计促进点状喷洒机作为环境友好型精准农业技术采用的政策提供结论。首先，我们估计了需要弥合的广谱喷洒与点状喷洒之间的成本差距。其次，我们确定种植高除草剂用量作物的大型农场采用该技术的经济激励最高。我们由此得出结论：一方面，政策应聚焦于这些农场，成功机会最大，并允许技术随后扩散至其他农场；另一方面，政策可针对外部农业机械服务（如承包商），将规模效应转移给小农场。从政策角度，纳入环境影响和内部化外部成本可更全面判断点状喷洒机的效益，并允许与其他农药减量技术比较。最后，研究还应关注超出标准经济假设的农场行为障碍，因为这会极大影响这类环境友好型精准农业技术的成功。未来研究可基于此研究，利用开源模型代码探索不同农场类型和案例研究区域的精准农业技术其他方面。”