利用数字技术实现农业智能水资源管理

内容贡献者29Getty Images 图片：结论3 27执行摘要 4缩小农业用水效率差距1.1监测和评估水资源可用性111.2使用智能系统优化灌溉效率131.3基于水韧性的战略作物选择161.4利用技术最大限度地收集雨水18本文件由世界经济论坛发布，作为对某个项目、洞察领域或互动的贡献。此处表达的发现、解释和结论是经世界经济论坛促进和认可的合作过程的结果，但其结果不一定代表世界经济论坛、其全体成员、合作伙伴或其他利益相关者的观点。2025世界经济论坛。版权所有©版权所有。本出版物之任何部分均不得以任何形式或任何方式复制或传播，包括影印和录音，或通过任何信息存储和检索系统。2为农业数字水解决方案构建基础192.1建立智慧农业数据基础设施212.2扩大农村地区的连接性242.3提升农民的技能以利用数字技术242.4让智慧农业变得触手可及且可扩展25 1免责声明致谢 29前言3尾注31引言 5 利用数字技术实现农业更智能的水管理 前言今天，22亿人缺乏安全饮用水。到2030年，可能有7亿人因缺水而被迫搬迁。1全球气温升高，不可预测的天气模式和干旱日益频繁，进一步加剧了淡水资源短缺，破坏了粮食安全，并威胁着生命和生计。农业占全球淡水取用量的70%以上，并在应对全球水资源短缺挑战中发挥着关键作用。然而，许多农业系统仍然依赖过时的灌溉方法和低效的水管理实践，使其更容易受到气候变化引发的中断和农业生产力下降的影响。应对这些挑战需要从被动式水管理向前瞻性、数据驱动的方法转变，以实现长期内的韧性和可持续性提升。数字解决方案通过促进实时监测、预测分析和精准灌溉方法，为弥补这一差距提供了机会，从而大规模提高水效。没有数字化转型，农业将面临在应对气候变化导致的水资源短缺方面落后的风险。这些压力反映了一个更深层次的系统挑战：全球水文循环本身受到破坏，加剧了现有的脆弱性，并使生态系统不稳定。在Koç Holding的合作下，本报告探讨了数字技术如何推动农业用水管理。通过实际应用案例和实用策略，它展示了人工智能（AI）、物联网（IoT）、遥感和其他先进技术如何协同工作以监测 利用数字技术实现农业更智能的水管理水资源获取，优化灌溉并指导农业作物选择策略。借鉴行业领袖、学术界和世界经济论坛成员的见解适应气候变化的科技主动发起，水期货社区和食品创新中心该报告旨在帮助决策者在气候变化压力下的水资源管理复杂性中找到方向。为此，报告提出了基于现实而非理论模型的可操作见解，以及工具，以推进实施策略，并指导农业领域的投资、政策与合作倡议。将尖端数字技术与明确、战略性的多方利益相关者框架相结合，为提高农业用水管理系统的效率开辟了一条有希望的途径。通过推进强大的数据基础设施系统、能力建设以及协调的监管举措，可以实现显著减少用水浪费和提高农业用水管理效率。研究发现，通过合作和共享知识参与利益相关者合作，对于建立对未来水资源压力和冲击的长期韧性至关重要。采用这种整体方法创造了有效部署数字解决方案的必要条件，确保技术、政策和运营专业知识保持一致。到本报告结束时，政策制定者、商业领袖和水资源管理专家将配备可采取的行动建议，以提高用水效率、减少浪费并增强可持续性，为子孙后代推动长期水资源安全。 2 Tania Strauss海伦·伯德特地球科技，世界经济论坛头部，食物和水，世界经济论坛哈蒂切·亚尔迪尔数字化转型项目经理，科克控股 3 执行摘要利用数字技术实现农业更智能的水管理–人工智能卫星战略作物规划：成像可以分析气候、土壤和水文数据，以将适宜的作物与水资源供应相匹配。农民可以通过将作物类型与供水水平相协调来进行战略作物选择。–物联网赋能的精密优化灌溉：农业，通过人工智能驱动的灌溉调度和遥感技术，能够通过优化的灌溉实践减少水资源浪费，同时提高作物产量。– 监测和评估水资源状况：卫星图像、物联网传感器和人工智能驱动分析有助于实时监测土壤湿度、地下水位和干旱风险。这些技术提高了水资源的可视性，使农民能够就灌溉和干旱准备做出数据驱动的决策。气候变化导致的 hydrological cycles 扰乱加剧了特定地理区域更为严重和频繁的干旱。3低效的水资源战略进一步消耗自然资源，破坏粮食安全，给主要的淡水消费者带来巨大压力。农业是这场危机的核心。尽管该部门占全球淡水取水量的多数，但低效的灌溉、过时的基础设施和对水资源可用性缺乏透明度历来导致大量浪费和韧性下降。–与雨水收集优化：地理信息系统（GIS）驱动数字技术为提高农业用水效率、解锁水资源适应性和支持长期气候适应目标提供了一种途径。数字技术为优化用水、减少浪费和构建农业系统中的抗缺水能力铺平了道路。通过将数字工具和数据分析集成到农业实践中，农民可以实时做出更明智的决策，解决农业生产中的关键低效问题，例如： 水资源短缺需要各级采取紧急行动。通过共同实施数字水解决方案，政府、农业企业和技术供应商可以提高用水效率，推动可持续发展，并保障长期粮食生产。政府可以通过开放数据法规和基础设施投资来创造有利条件，而农业企业和技术供应商则提供所需的工具、实地知识和创新以扩大影响。这种公私合作可以加速获得先进的灌溉技术，提高数字素养，并降低农民的技术支出。在这一点上的持续合作将释放共享价值，提高采用率，并增强农业的水资源韧性，确保水和食物生态系统可持续且能适应气候变化。–保障宽带覆盖范围：通过强大的数字基础设施在偏远地区实现持续数据接入。–构建系统数据基础设施：在平台、工具和利益相关者之间实现无缝数据交换。关键基础构件加速了长期韧性的数字解决方案的实施：–克服财务价格实惠的获取途径：通过公私合作伙伴关系、财政激励和共享基础设施模式来克服障碍。–为农民提供数字化技能提升：数字培训及工具，用于理解和运用数字洞察。选址、智能分配决策和预测分析，通过高效的收集、存储和分配，雨水收集可以被优化。通过实施先进的地理空间分析、人工智能驱动监控和无人机，收集的雨水可以更有效地被使用。 4 引言联合国到 2050 年，随着人口增长加速需求，全球水资源短缺将加剧低风险到2025年，可能有18亿人面临联合国粮食及农业组织（FAO）称为“绝对水资源匮乏”的状况，而全球三分之二的人口预计将面临水资源压力。这张地图将到2050年的预期人口增长与水资源可用性进行了叠加。注意：世界银行（2023）。来农业中的有效水资源管理是实现气候驱动干扰下水资源适应性的关键切入点。四十亿人在一年中至少有一个月经历水资源压力，而人口增长最快的国家受影响最严重。7世界银行估计，随着人口增长、城市化和需求的转变，全球对淡水的需求将迅速超过供应。干旱的持续时间、频率和严重程度都在加剧。在2000年至2022年期间，与之前的二十年相比，干旱的数量和持续时间增加了29%。4这种令人担忧的趋势很可能是由人为气候变化驱动的，将曾经是地球气候循环自然组成部分的事物变成对生态系统、经济和社区的持续威胁。 中低风险高风险极高风险N/A6与突发的气候灾害不同，干旱逐渐发生，并且常常未被察觉，直到其影响变得广泛。它们的逐渐发生掩盖了其严重性，只有在粮食安全、经济稳定和生态系统已经承受压力时才会显现。5消费趋势推动用水量上升（见图1）。8预计到2050年，全球水资源消耗量将比目前增加20-50%，工业和民用领域增长最快。9 图1十亿复合肥力和水分胁迫一年中至少有一个月人们会经历用水紧张源： 81%82%10%5%9%13%利用数字技术实现农业更智能的水管理 7亚洲非洲原因，改善农业用水管理对于确保长期粮食安全和应对水资源短缺至关重要。在许多发展中国家，由于水利基础设施投入不足，获得现代灌溉系统的机会仍然有限。即使在有此类解决方案的地区，采用仍然有限，许多灌溉系统已过时且维护不善，导致因蒸发、径流和渗漏而造成的水资源浪费。灌溉效率低下也可能导致长期退化。例如，在长期的干旱期间，为灌溉过度开采地下水，已在土耳其的孔亚盆地农田造成了2200多个陷坑。15农业上使用的约60%的水由于灌溉系统和基础设施的不完善而被浪费，导致涝渍和盐渍化，这使得全球近50%的灌溉区生产力下降。16 21%51%60%57%34%15%22%15%25%全球用水主要受农业需求驱动联合国粮食及农业组织欧洲美洲大洋洲农业行业市政府农业在全球大部分大洲的水资源压力中脱颖而出，是全球来自河流、湖泊和含水层的取水量的主要驱动因素（见图2），约占全球取水总量的70%。11对于这个灌溉是农业用水的主要形式，也是低效的主要原因，因为许多农民仍然依赖传统的灌溉技术，如地表或喷灌，而不是更高效的系统，如滴灌或地下灌溉。13普遍的传统灌溉会导致大量水资源浪费，高达每英亩每分钟10加仑（每公顷每分钟93.5升），而滴灌等替代技术仅为每英亩每分钟3-7加仑（每公顷每分钟28-65升）。14 10%干旱地区的农业产量下降数字工具为提高效率提供了途径，通过赋能农业系统中的更快、更明智的决策。 世界经济论坛– 驱动物联网的实时土壤湿度监测。利用数字技术实现农业更智能化的水资源管理 8数字工具通过赋能农业系统中的更快速、更明智的决策，为提高效率提供了途径。这些解决方案并非取代传统实践，而是增强它们，使水资源利用更精准、更适应、更具韧性。数字解决方案为农业中的智能水资源管理提供了宝贵的洞察，例如：极端天气事件（尤其是热浪和干旱）的频率不断增加，也加剧了天气的不稳定性和不可预测性，给农业作业带来了重大挑战。近年来，受干旱影响的地区在恶劣天气下农业产量下降了10%。到2035年，严重高温和水资源短缺预计将导致普通农业企业的固定资产每年损失在4200万至4500万美元之间，具体取决于排放情景，凸显了有效水资源管理策略的紧迫性。19传统农业体系缺乏应对这种日益增加的气候变率的适应性。关键的是，它们忽视了自然过程（如渗透和蒸腾）在帮助保持水分和支撑有效水循环中的作用。这些生态系统功能因土地退化或糟糕的水管理而遭到破坏，导致蒸发和径流增加。在特定地区，当地社区已经创建了基于自然的解决方案（NbS），以帮助增强水的恢复能力，例如冰川嫁接，它利用季节性水储存和调节融水排放来减少径流并增强地下水分补。20拥抱这些方法为确定技术在何处可以最好地定位以补充它们提供了基本背景。 — 基于人工智能的预测分析，优化灌溉计划。条件17虽然不确定的气候模式已经导致小麦、玉米、水稻和豆类等作物的产量显著下降。18这类中断会危及粮食供应链的一致性，导致农业在经济中占据关键地位的国家出现经济不稳定。卫星成像和遥感技术，可提升对淡水资源的供水评估。这些技术的集成使农业运营能够做出基于数据的明智决策，减少水资源流失，并应对不断变化的水资源可用性而建立弹性。— 基于人工智能的作物规划模型，帮助农民根据特定的气候和土壤条件选择节水型作物。—支持雨水收集的数字监测，通过精确指出最佳收集和存储技术。— 自动化与精准灌溉系统，确保农田中水资源的最佳应用。 利用数字技术实现农业更智能的水管理 9数字技术通过在农业景观中提供定向、可扩展的解决方案，显著提高了农业用水效率。缩小农业用水效率差距 10利用数字技术实现农业更智能的水管理选择作物战略上最大化雨水利用对齐作物选择捕捉和分散雨水高效地选择，降低总体农业用水需求。确保存储的雨水有效利用和分发以支持灌溉和土壤湿度留存。依靠更智能的解决方案来避免耗尽水资源。通过在灌溉中利用数字技术，它们可以防止水资源浪费，同时提高农作物产量。 数字技术在水可利用性测量中的作用1.1 监测和评估水资源可用性Andrew Zolli，Planet Labs利用数字技术实现农业更智能的水管理使用的技术函数— 监测湖泊的变化，卫星影像– 地理信息系统制图— 检测湿度–被动微波卫星– 物联网土壤传感器– 基于人工智能的时间序列分析– 识别异常– 卫星-GIS 集成– 基于算法的评估– 评估地表水农业用水依赖于精确的用水可用性数据。没有这些信息，灌溉规划和水资源管理努力无法有效，特别是在水资源有限地区。卫星图像通过提供可靠、实时的水资源捕捉，增强了更广泛的水资源温度变化、极