第三課、精確施肥

　　1、精確農(nóng)業(yè)的概念及簡介

　　20世紀后半期世界農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術(shù)的進步和耕地面積、灌溉面積的擴大外，基本上是在化肥與農(nóng)藥等化學品和礦物能源的大量投入條件下獲得的。但由此引起的水土流失、土壤生產(chǎn)力下降、農(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題，已經(jīng)引起了國際社會的廣泛關(guān)注，并推動了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和精確農(nóng)業(yè)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。精確農(nóng)業(yè)是PrecisionAgriculture、PrecisionFarming、Site-specificFarming(Agiculture)等名詞的中譯。[4]精確農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代信息技術(shù)（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技術(shù)，農(nóng)業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式和管理模式，其核心思想是獲取農(nóng)田小區(qū)作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素（如土壤結(jié)構(gòu)、土壤肥力、地形、氣候、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異信息，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)濟上有效的調(diào)控措施，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積、大樣本平均投入的資源浪費作法，對作物栽培管理實施定位，按需變量投入。它包括精確播種，精確施肥，精確灌溉，精確收獲這幾個環(huán)節(jié)。而精確農(nóng)業(yè)的興起對合理施肥提出了新的理論和技術(shù)要求。從化肥的使用來看，化肥對糧食產(chǎn)量的貢獻率占40%，然而即使化肥利用率高的國家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，鉀60%左右，肥料利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸鹽含量過高等環(huán)境問題。總之施肥與農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、產(chǎn)品品質(zhì)、食品和環(huán)境污染等問題密切相關(guān)。精確施肥的理論和技術(shù)將是解決這一問題的有效途徑。

　　2、精確施肥（變量處方施肥）

　　2.1精確施肥的必要性

　　土壤--作物--養(yǎng)分間的關(guān)系十分復雜。雖然我們已確定了作物生長中必不可少的大量元素和微量元素，但作物需求養(yǎng)分的程度因植物的種類不同而有差別。即使是同一種作物，不同的生長期對各種養(yǎng)分的需求程度差別也很大。苗期是作物的營養(yǎng)臨界期，雖然在養(yǎng)分數(shù)量方面要求不多，但是要求養(yǎng)分必須齊全和速效，而且數(shù)量足夠。很多作物在營養(yǎng)**大效率期對某種養(yǎng)分需求數(shù)量**多，營養(yǎng)效果**好，同一作物不同養(yǎng)分的**大效率期不同，不同作物同一養(yǎng)分的**大效率期也不同。不同養(yǎng)分具有養(yǎng)分不可替代性即作物的產(chǎn)量主要受**少養(yǎng)分含量那個養(yǎng)分所限制，而這個**少的養(yǎng)分不能被其它養(yǎng)分所代替。為消除**小養(yǎng)分率的限制，大量的使用化肥，而這又造成一系列的環(huán)境問題。所以為取得良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，適應不同地區(qū)、不同作物、不同土壤和不同作物生長環(huán)境的需要，變量處方施肥是我們未來施肥的發(fā)展方向。

　　2.2精確施肥

　　我們認為精確施肥是將不同空間單元的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與其他多層數(shù)據(jù)（土壤理化性質(zhì)、病蟲草害、氣候等）的疊合分析為依據(jù)，以作物生長模型、作物營養(yǎng)專家系統(tǒng)為支持，以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保為目的的變量處方施肥理論和技術(shù)。精確施肥是信息技術(shù)（RS，GIS，GPS），生物技術(shù)，機械技術(shù)和化工技術(shù)的優(yōu)化組合。按作物生長期可分為基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分為耕施和撒施。按精施的時間性分為實時精施和時后精施。

　　3、理論及技術(shù)體系

　　3.1土壤數(shù)據(jù)和作物營養(yǎng)實時數(shù)據(jù)的采集

　　對于長期相對穩(wěn)定的土壤變量參數(shù)，象土壤質(zhì)地、地形、地貌、微量元素含量等，可一次分析長期受益或多年后再對這些參數(shù)做抽樣復測，在我國可引用原土壤普查數(shù)據(jù)做參考。對于中短期土壤變量參數(shù)，象N，P，K，有機質(zhì)、土壤水分等，這些參數(shù)時空變異性大，應以GPS定位或?qū)Ш綄崟r實地分析，也可通過遙感（RS）技術(shù)和地面分析結(jié)合獲得生長期作物養(yǎng)分豐缺情況。這是確定基肥、追肥施用量的基礎(chǔ)。20世紀90年代以來，土壤實時采樣分析的新技術(shù)、新儀器有了長足的發(fā)展進步。

　　3.1.1基于土壤溶液光電比色法開發(fā)的土壤主要營養(yǎng)元素測定儀，在我國已有若干實用化的產(chǎn)品推廣。

　　3.1.2基于近紅外（NIR）多光譜分析技術(shù)、半導體多離子選擇效應晶體管（ISFET）的離子敏傳感技術(shù)的研究已取得了初步的進展和研究成果[5,6]。

　　3.1.3基于近紅外（NIR）光譜技術(shù)和傳輸阻抗變換理論的土壤水分測量儀在我國已經(jīng)研制成功[7,8]。

　　3.1.4基于光譜探測和遙感理論的作物營養(yǎng)監(jiān)測技術(shù)研究也取得了一定的進展。

　　用植物光譜分析方法診斷植物營養(yǎng)水平具有快速、自動化、非破壞性等優(yōu)點，但診斷專一性不夠，解譯精度也有待提高。在作物N營養(yǎng)與作物光譜特性方面，無論是多光譜被動遙感，還是激光熒光雷達主動遙感的研究和應用都已較為成熟[9,10,11]，在外觀未發(fā)現(xiàn)缺氮癥狀時，已能區(qū)分作物的N素營養(yǎng)水平。日本首先研制了葉綠素計應用于田間作物氮素營養(yǎng)水平診斷及指導施肥，取得了較好的效果，據(jù)日農(nóng)機新聞1999年又報道了一種自動化施肥裝置，在水稻生長期間，可根據(jù)其葉子進行判斷，自動調(diào)節(jié)施肥量，用分光傳感器分析水稻生長情況，同時用GPS系統(tǒng)導航，任何人都能進行操作。但植物中P、K和微量元素的營養(yǎng)水平與作物光譜特性的關(guān)系研究較少。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)基于現(xiàn)在的儀器設(shè)備條件下，在嚴重缺磷時，光譜分析才能用作物磷營養(yǎng)診斷[12]；鉀只能區(qū)分3~4級營養(yǎng)水平[13]。但隨著一系列地球觀測衛(wèi)星的將在近幾年發(fā)射，衛(wèi)星影像空間分辨率和光譜分辨率的提高，遙感技術(shù)將在作物營養(yǎng)監(jiān)測的中扮演重要的角色。

　　3.2差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）

　　無論是田間實時土樣分析，還是精確施肥機的運作，都是以農(nóng)田空間定位為基礎(chǔ)的。全球定位系統(tǒng)（GPS）為精確施肥提供了基本條件。GPS接收機可以在地球表面的任何地方、任何時間、任何氣象條件下至少獲得4顆以上的GPS衛(wèi)星發(fā)出的定位定時信號，而每一衛(wèi)星的軌道信息由地面監(jiān)測中心監(jiān)測而精確知道，GPS接受機根據(jù)時間和光速信號通過三角測量法確定自己的位置。但由于衛(wèi)星信號受電離層和大氣層的干擾，會產(chǎn)生定位誤差，美國提供的GPS定位誤差可達100米，所以為滿足精確施肥或精確農(nóng)作需要，須給GPS接受機提供差分信號即差分定位系統(tǒng)（DGPS）。DGPS除了接收全球定位衛(wèi)星信號外，還需接收信標臺或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的差分校正信號。這樣可使定位精度大大提高。我們在實驗中用的美國GARMIN公司的GPS12XL接受機，接收差分輸入后可達到1~5的定位精度。現(xiàn)在民用DGPS已完全能滿足精確施肥的需要。現(xiàn)在的研究正向著GPS-GIS-RS一體化，GPS-智能機械一體化方向發(fā)展。日本**近實驗利用GPS定位插秧機、GPS定位自動施肥機，誤差在10cm以內(nèi)[14,15]。

　　3.3決策分析系統(tǒng)

　　決策分析系統(tǒng)是精確施肥的核心，直接影響精確施肥的技術(shù)實踐成果。決策分析系統(tǒng)包括地理信息系統(tǒng)（GIS）和模型專家系統(tǒng)二部分。GIS用于描述農(nóng)田空間屬性的差異性；作物生長模型和作物營養(yǎng)專家系統(tǒng)用于描述作物的生長過程及養(yǎng)分需求。只有GIS和模型專家系統(tǒng)緊密結(jié)合，才能制定出切實可行的決策方案，這也使現(xiàn)在國內(nèi)外GIS集成的研究熱點。在精確施肥中，GIS主要用于建立土壤數(shù)據(jù)、自然條件、作物苗情等空間信息數(shù)據(jù)庫和進行空間屬性數(shù)據(jù)的地理統(tǒng)計、處理、分析、圖形轉(zhuǎn)換和模型集成等。作物生長模型是將作物及氣象和土壤等環(huán)境作為一個整體，應用系統(tǒng)分析的原理和方法，綜合大量作物生理學、生態(tài)學、農(nóng)學、土壤肥料學、農(nóng)業(yè)氣象學等學科的理論和研究成果，對作物的生長發(fā)育、光合作用、器官建成和產(chǎn)量形成等生理過程與環(huán)境和技術(shù)的關(guān)系加以理論概括和數(shù)量分析，建立相應的數(shù)學模型。它是環(huán)境信息與作物生長的量化表現(xiàn)。通過作物生長模型我們可以得出任意生長時期作物對土壤生長環(huán)境的要求，以便采取相關(guān)的措施。在這方面美國的科學家們綜合考慮大氣-土壤-作物之間的相互作用，早在20世紀70年代研制出大型作物模擬模型CERES（覆蓋了玉米、小麥、高粱、大豆、花生等12種作物），國內(nèi)高亮之等系統(tǒng)的完成了水稻模型RICEMOD[16]。但這些模型在生理生態(tài)模擬方面仍比較簡單，其機理性、適用性有待于進一步發(fā)展和提高。我國20世紀80年代就就開發(fā)了作物營養(yǎng)專家系統(tǒng)，但無論是作物肥料效應函數(shù)模型為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)，還是測土施肥目標產(chǎn)量模型，都屬于統(tǒng)計模型，不同的統(tǒng)計模型計算的施肥量相差3倍以上[16]。以作物生理機理為基礎(chǔ)的作物營養(yǎng)模擬模型有待于進一步發(fā)展和提高。

　　3.4控制施肥

　　現(xiàn)在有二種形式，一是實時控制施肥。根據(jù)監(jiān)測土壤的實時傳感器信息，控制并調(diào)整肥料的投入數(shù)量，或根據(jù)實時監(jiān)測的作物光譜信息分析調(diào)節(jié)施肥量[18,19]。二是處方信息控制施肥。根據(jù)決策分析后的電子地圖提供的處方施肥信息，對田塊中肥料的撒施量進行定位調(diào)控。

　　4.理論技術(shù)存在的問題和未來發(fā)展方向

　　土壤數(shù)據(jù)采集儀器價格昂貴，性能較差，不能分析一些緩效態(tài)營養(yǎng)元素的含量，而遙感由于空間分辨率和光譜分辨率問題，使遙感信息和土壤性質(zhì)、作物營養(yǎng)脅迫的對應關(guān)系很不明確，不能滿足實際應用的需要。隨著高分辨率遙感衛(wèi)星服務的提供（1~3m），加強遙感光譜信息與土壤性質(zhì)、作物營養(yǎng)關(guān)系的研究和應用將是近幾年精確施肥研究的熱點和重點。DGPS的定位精度已完全能滿足精確施肥的技術(shù)需要，雖DGPS導航自動化施肥或耕作機械已有研究，但DGPS與GIS數(shù)據(jù)庫結(jié)合進行自動化機械施肥還有待于進一步發(fā)展，同時GPS-RS-GIS也正趨向于一提化。作物模型和專家系統(tǒng)方面，除進一步加強作物營養(yǎng)機理和生理機理研究外，模型的適用性和通用性方面應于精確施肥緊密結(jié)合，因為現(xiàn)在許多模型需要的變量過多或普通方法難以測定，即模型需要進一步簡單化和智能化。

　　5.中國發(fā)展精確施肥的思考

　　精確施肥在中國的必要性。我國的化肥投入突出問題是結(jié)構(gòu)不合理，利用率低。化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成養(yǎng)分投入比例失調(diào)，增加了肥料的投入成本。[20]我國肥料平均利用率較發(fā)達國家低10%以上，氮肥為30-35%，磷肥為10-25%，鉀肥為40-50%。肥料利用率低不僅使生產(chǎn)成本偏高，而且是環(huán)境污染特別是水體富營養(yǎng)化的直接原因之一，眾所周知的太湖、滇池的富營養(yǎng)化，其中來自肥料面源污染負荷高達1/3-1/2。隨著人們環(huán)境意識的加強和農(nóng)產(chǎn)品由數(shù)量型向質(zhì)量型的轉(zhuǎn)變，精確施肥將是提高土壤環(huán)境質(zhì)量，減少水和土壤污染，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的有效途徑。

　　精確農(nóng)業(yè)是為適應集約化、規(guī)模化程度高的作物生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展而提出的，其邊際效應與經(jīng)營規(guī)模成正相關(guān)，據(jù)報道，以小麥施肥為例，進行經(jīng)濟效益的分析得出，適用于精確農(nóng)作技術(shù)實踐的經(jīng)濟可行的**小面積約為85.6hm2。而我國農(nóng)田經(jīng)營規(guī)模小，農(nóng)業(yè)機械化水平低，實施廣域的精確施肥技術(shù)實踐尚需較長的發(fā)展過程。隨著農(nóng)村市場化和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在墾區(qū)農(nóng)場（如黑龍江大型農(nóng)場，新疆建設(shè)兵團）和大面積作物生產(chǎn)平原區(qū)建立精確施肥技術(shù)示范工程，或聯(lián)合一些高效益企業(yè)（煙草企業(yè)、中藥材企業(yè)等）來帶動精確施肥的發(fā)展是結(jié)合中國國情發(fā)展精確施肥的有效途徑。