从田间到未来:全球启示助力农业自动化转型

作者:Rob Bland、Vasanth Ganesan、Julia Kalanik、洪晟

中国正在努力实现从农业大国向农业强国的转型,而农业科技创新是实现这一目标的必由之路。尽管我国和发达国家的农业国情和科技发展程度存在差异,但都面临着一些共同的挑战和趋势。

本文介绍了发达国家与地区推动农场自动化技术发展的趋势,以及在打造农场自动化产品时需要考虑的多种因素。我们认为,这些趋势和因素对于我国农场自动化技术未来的发展具有广泛的借鉴意义。

全球农业都面临着诸多压力与挑战。农资产品和劳动力成本急剧增加,导致农户的盈利空间不断受到挤压。各国农户均表示,化肥、农药等农资产品价格在过去几年中上涨了80%至250%【1】。气候变化也在威胁着农户的收益。全球变暖导致天气更加多变、极端天气事件更加频繁、干旱持续时间更长,并带来了新的入侵作物和害虫,而这些变化都将导致农业减产。例如,美国西南部遭遇了持续特大干旱,过去二十年成为该地区至少1200年以来最干旱的二十年【2】。

为应对挑战、确保收益,农户需要创新解决方案,而农场自动化能在减少农业对气候变化影响的同时,帮助农户提高财务收益。农场自动化具有广泛的应用范围。如今,从半自动(如辅助农机转向)到全自动(如除草机器人)的解决方案得到了大量推广应用,而新一代的自动化技术通过对传感器、数据分析、机器人和自动化设备的综合运用,可帮助农户提升田间管理决策,达到事半功倍的效果。此外,随着生成式人工智能的不断发展,农户可基于大量现有数据提升决策自动化。潜在用例包括:帮助农户制定田间计划,适时适量地施用农资产品;帮助农户增收,实践可持续耕种等。与此同时,自动化技术可为大田作物和经济作物种植者带来巨大价值。例如,果园和葡萄园的应用案例显示,全自动技术可创造每年每英亩200-800美元的价值,让农户在自动化方面的投资回报翻一番至两番 (见图1)【3】。

然而,目前全自动化应用仍处于早期阶段。麦肯锡2022年农户全球洞察调查(McKinsey’s 2022 Farmer Global Insights Survey)数据显示,在亚洲、欧洲、北美和南美,只有不到5%的农户在使用这一新技术【4】。我们观察到,成本压力和可持续发展要求这两大趋势,将推动农业对全自动化解决方案的进一步应用部署。

成本是农户的直接痛点

农场自动化可帮助解决困扰农户多年的两大问题:不断上涨的农资成本和日益加剧的劳动力挑战。

农资成

2021年和2022年间,供应链中断和地缘政治挑战将化肥价格推向了十年新高(见图2)。麦肯锡的一项调查显示,美国农户将农资成本列为影响盈利能力的头号风险,其中化肥和农药的价格涨幅最大(见图3)【5】。

更高的自动化水平意味着农户可更高效地使用农药和化肥,从而降低相关成本。例如,自动化的精准喷洒可通过传感器和田间数据,自动测量作物之间的间隙,并相应地调整化学品的喷洒量与喷洒时间,从而减少整体用量;某些除草剂施用技术运用计算机视觉,可针对性地对杂草进行喷洒,并避开农作物。通过在美国大型玉米农场的应用证明,这些解决方案可降低80%的除草剂成本,创造每英亩30美元的价值,仅需两年便可回收投资成本【6】。同样,带有传感器的施肥机器人可在种植过程中控制直接施用于单个种苗的肥料量,每年为美国玉米农场节省超过9300万加仑的起始肥料【7】。

劳动力挑战

劳动力挑战也是农户持续面临的痛点。农场工人有着较高的人身风险。在美国,农户的致命工伤概率在所有职业中位列第一【8】。由于农场工作需要长时间暴露在化学品和日晒下,加深了人们对农场工作负担重和危险性高的印象【9】。在英国,由于采摘工人短缺,造成2022年有超过2200万磅的水果蔬菜在田间腐烂【10】。这种劳动力短缺,加上工人要求对不利工作条件进行补偿,加速了农场工人工资的增长。在美国,2000至2017年农场工人工资每年增长约为3%,而2018至2023年每年增长5.7%(见图4)。

农场自动化可从多个方面缓解这些挑战,包括改善农场工作条件、降低工人所需的操作技能以及降低农场劳动力成本等。例如,辅助转向系统等半自动化技术可引导拖拉机减少机耕通道间的重叠,从而减少设备操作的劳力消耗。全自动化设备在此基础上更进一步:操作员可远程监督多台机器,无需亲自驾驶机器进行农药喷洒等危险活动。这也提高了工人的生产效率,降低了人工成本。假设美国玉米农场的一名工人在全自动化设备的辅助下管理四台机器,则每英亩可节省15~20美元,美国所有玉米农场每年可释放高达15亿美元的价值【11】。对经济作物而言,由于劳动力是更大的成本驱动因素,全自动化可带来的价值潜力更大。例如,在同一假设场景中,一名工人管理四台机器,仅自动除草和割草便可为每英亩美国葡萄园节省30美元的劳动力。自动化除草减少了对劳动力的需求,使得农户可以更频繁地进行除草作业,因此减少了除草剂的投入(每英亩节省100美元)。

可持续发展是未来变革的推动力

不断攀升的投入成本直接推动了农场对自动化技术的采用,而来自可持续发展方面的推力尚未全面成形。在监管机构和消费者近年来的持续推动下,预计可持续发展将在不久的将来对农场采用自动化技术产生实质性促进作用。

监管机

全球多个国家地区都围绕农化产业制定了更为严格的可持续发展目标(见图5)。例如,《欧洲绿色新政》呼吁到2030年实现欧洲农业转型,包括减少50%的农药使用量(相较2020年)。此外,该计划旨在将四分之一的农业用地转变为有机农业,以减少化肥和化学除草剂的使用。同样,加拿大正在敦促农户在2030年前将化肥排放量减少30%(相较2020年)。农户可以可通过对化肥的高效管理与施用来实现这一自愿减排目标。

自动化是满足这些政策要求的重要抓手。农户可结合利用自动精准喷洒设备与自动除草或割草解决方案,大大减少农药和化肥使用,甚至完全避免相关使用。此外,由于自动化设备以数字方式记录了农药和化肥使用情况,农户可对相关数据进行无缝收集,形成操作记录。在数据的帮助下,农户更容易参与相关绿色认证,包括有机认证、“全球良好农业操作认证”(GlobalG.A.P.)等项目;与此同时,农户也能更好地遵守《欧洲绿色新政》等政策的申报要求。

消费者愈发希望看到更加可持续的食品体系。一些更积极的消费者会向上游的种植等环节施压,要求种植户改变生产方式。麦肯锡2023年的一项美国消费者研究发现,由于消费者相关兴趣的增加,可持续品牌已经获得了市场发展。在过去五年中,做出环境、社会和治理(ESG)相关声明的产品平均累计增长率为28%,而未做出此类声明的产品则为20%。做出多种ESG声明的产品(例如环境可持续性和有机农业方法),其增长速度约为仅提出一种声明的产品的两倍【12】。

为了响应消费者需求,消费品公司一直在积极做出一系列环境承诺,包括产品原材料和成分的采购与种植方式(见图6)。例如,雀巢已承诺到2050年实现净零排放,提高其原材料的可追溯性,并在2030年前减少农场的化学品使用【13】。消费者对可持续发展为导向的产品的逐步青睐,或将加速企业的ESG进程。

农场测量、报告和验证(MRV)平台以及农场管理系统等软件解决方案,已为农户实现“从农场到餐桌”的可追溯性提供了途径,包括对有关种植地点、生长时间以及肥料和农药使用数据的汇总和存储等。配备摄像头和传感器的自动化设备可进一步提高效率,农户不费力气即可收集和传输丰富、标准化的数据。这能够帮助农户落实消费品公司日益看重的可持续农业实践,包括减少化学品应用、更高效的灌溉以及更好的农收条件等。

农场自动化热度或将不断攀升

自动化农业设备的采用部署将受到多个因素的影响,包括技术成熟度和性能、宏观经济条件、地缘政治形势、监管决策和环境变化等。在打造相关产品服务时,农业公司需考虑以下四点:

  • 清晰传达价值:在价值主张、产品推介和销售材料中,农业公司应清晰传达自动化农业设备的投资回报率和近期价值驱动因素,帮助农户更好地理解自动化农业设备的经济效益和实际价值。
  • 重塑农业生产体验:农业公司应重塑农业生产体验,引入自动化设备,并打造数字生态。农户可利用一整套的软件和服务,完成田间测量、跟踪和优化,更好地管理农田。
  • 进商业模式:为了减少与新自动化设备相关的前期资本成本,农业公司可改进其商业模式。例如,向农户定期收取“使用/订阅费”或基于降本的成果收取部分费用,使新技术更具吸引力,农户也更负担得起。
  • 开展外部合作:农业公司可与消费品公司更紧密地合作,提高农业生产的透明度和可追溯性。同时,农业公司还可为农户提供简单明了的数据收集与共享工具以及相关的能力支持,帮助农户更好地管理农田。

我们预计,如若农业生产成本和可持续发展的压力持续加大,自动化技术在农业的推广进程将大大加速。与此同时,随着更多农户意识到农场自动化的三大好处:提升农业生产力和利润、保障农场安全以及实现环境可持续发展目标,相关技术应用与发展也必将不断升温,为我国的农业强国转型之路增添新的动能。

 

1   David FioccoVasanth GanesanMaria Garcia de la Serrana LozanoHussain SharifiAgtech: Breaking down the farmer adoption dilemma麦肯锡,202327日。

2   Henry FountainHow Bad Is the Western Drought? Worst in 12 CenturiesStudy Finds纽约时报,2022214日。

3   基于Monarch TractorConnectAutomate功能)和Global Unmanned Spraying SystemGUSS数据的分析;基于产量增加和加州葡园自动化使用案例(例如喷洒、收获、修剪和除草)的成本节约假设,每英亩EBITDA400美元;ROI计算基于EBITDA长潜力和自动化解决方案的报告成本(MonarchAutomate套餐每月699美元和GUSS机器298000美元)。

4   David FioccoVasanth Ganesan, Maria Garcia de la Serrana LozanoHussain SharifiAgtech: Breaking down the farmer adoption dilemma麦肯锡,202327日。

5   麦肯锡美国农户洞察调查,2022年夏季,n=222

6   BernsteinThe Long View: Green bytes – the impact of precision agriculture on chemical and machinery coverage

7   John DeereJohn Deere debuts new planting technology & electric excavator during CES 2023 keynote202315日。

8   Census of fatal occupational injuries summary2021,美国劳工统计局,20221216日。

9   Agricultural operations,美国劳工部,2023316数据

10 Megan DurisinUK worker shortage leaves £60 million of food to rot in fields,彭博社,2022815日。

11 国玉米数据显示,在整个季节中使用约1200个设备小时,相当于每英亩玉米的设备运营支出平均约为24美元(假设每小时15美元,每农场725亩)。更多信息,请参阅Corn planted acreage down 4% from 2021, soybean acreage up 1% from last year, National Agricultural Statistics Service2022630日;在大8200万英亩的玉米收获中进行比例缩放:参见Ganesh C. BoraJohn F. NowatzkiDavid C. Roberts, Energy savings by adopting precision agriculture in rural USAEnergy, Sustainability and Society2012年,第2卷,第22

12 Sherry FreyJordan Bar AmVinit DoshiAnndi MalikSteve NobleConsumers care about sustainability—and back it up with their wallets麦肯锡,202326日。

13 Creating shared value and sustainability report 2021,雀巢,20223数据

 

麦肯锡始终秉承将全球最前沿的战略洞见和最佳运营实践引入中国,助力中国企业跻身世界一流的行列。在农业价值链上,麦肯锡凭借丰厚的行业洞察和咨询经验,全程覆盖农业投入品、农业生产,以及农业加工和销售等各环节,长期为全球及国内领先企业提供相关服务,积累了深厚的行业洞见。我们将始终致力于协助中国农业企业创造长期价值,加速成为世界一流企业。

若您希望了解更多,请随时联系我们,以便进行深入交流和探讨。

 

作者:

洪晟

麦肯锡全球资深董事合伙人

常驻深圳分公司

Rob Bland

麦肯锡全球资深董事合伙人

常驻硅谷分公司

Vasanth Ganesan

麦肯锡全球董事合伙人

常驻纽约分公司

Julia Kalanik

麦肯锡项目经理

常驻芝加哥分公司

作者感谢李韵之、王一凡对本文的贡献。

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