03精准养分管理我国精准农业的技术体系与研究领域

1、精准养分管理我国精准农业的技术体系与研究领域白由路 金继运中国农科院土壤肥料研究所精准农业（precision agriculture）是近年来国际上农业科学研究的热点领域，也是现代信息技术与传统农业紧密结合的产物，精准农业一改传统农业经验型的粗放管理为科学精确的数字管理，许多学者都把精准农业看作是21世纪中国农业发展的模式之一1。精准农业的实质是利用遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和全球卫星定位系统（GPS）等相互补充，构成一个数据信息采集、处理和可用于实时实地操作的农业变量管理技术体系2。面对农业新技术的革命，它能否适合我国的基本国情？能否在我国实现？我们如何准备相应的技术去迎接挑

2、战？这都是我们必须面对的问题。1 “精准农业”在我国应用的前景精准农业是以信息技术为基础，以农业机械化为前提才能实现的技术，二者缺一不可，这也是精准农业实现的基本条件。纵观我国目前的国情，从条件和需要两方面分析，我国实现或部分实行精准农业是可能的。1.1 我国农业机械化水平的提高给精准农业的应用提供了前提我国农业生产的机械化水平已大幅度提高，据有关人士估计：至2012年，我国耕作的机械化率将达85%以上，农作物机播率将达到80%以上，作物收获机械化率将达60%以上，至此,我国农业可基本实现农业机械化。同时，根据我国目前主要作物产区的肥料投入结构看，肥料的施用基本上以化学肥料为主，这给精准农业的

3、实现提供了一定的工作基础。1.2 我国农技服务体系的改革为精准农业提供了技术保障精准农业的实现，需要一套技术服务队伍，我国目前的农业技术服务体系正处于一种由计划经济模式向市场经济模式转轨的关键时期，旧的体制基本打破，新的体制由于没有能在市场经济条件下找到自己合适的位置而不能重建。精准农业的实现，为广大的基层农业技术服务人员提供了施展才华的机会，也能使我国具有大专以上学历的农业科技人员在基层找到自己的位置而不至于大量流失，同时也可建立一套符合我国市场经济运行规律的农业技术产业化体系，这种体系将会保障精准农业在我国广大农村的实施。1.3 农业生产与环境保护需要精准农业在生态系统中，农业一直被认为是

4、环境生态系统的破坏者，其主要原因除毁林开荒、扩大耕地面积外，还有农业技术体系的不健全，农业技术措施不能得到有效的落实，使得农产品质量下降、农业生产成本提高和农业生态环境恶化。据1998年上半年对整个黄淮海平原约31万平方千米地下水中硝态氮含量的调查，有22.5%的面积地下水中硝态氮含量超过国际卫生组织规定的饮用水标准3；我国氮肥利用率较发达国家平均低10个百分点以上，蔬菜中硝态氮含量大部分超标，这一系列问题均与我国化肥施用不当有关，所以，在我国实施精准农业，一方面可以显著提高土肥水资源的利用效率、减少环境污染、提高农产品质量、降低农业生产成本和增加农民收入，同时，精准农业的系列化、机械化操作可

5、以促进我国农业机械化的进程，解放农村劳动力，还可以跨越农民科学技术水平低的限制，使农业以较快的速度进入现代化的行列。我国北方大部分地区小麦大面积机械化收割的普及速度之快，足以证明成熟实用的农业技术，农民是很容易接受的，也是便于推广的。但是，精准农业是在发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展形成的技术体系，尽管我国农业生产正在推进适度规模经营的进程，但党的“十五”大决定我国农村土地承包期再延长30年，决定了我国农村分散经营的状况在近期内不可能有较大的改变。所以，如何将精准农业技术体系适用于我国大部分地区分散经营的状况，尚需进一步的研究。但是，面对突飞猛进的信息技术和计算机技术，在我国目前状况下

6、部分地区或大部分地区实现精准农业技术可能性是勿庸置疑的，对此，我们必须做出心理上的和技术上的准备。2 实现我国“精准农业”的技术体系要在我国实现精准农业，必须建立相应的技术体系，以保障精准农业的顺利实施，这些技术体系主要有：2.1 农业空间信息技术体系空间信息是精准农业中实时性最强的信息，目前多用资源卫星的多光谱遥感信息经过解译后应用于农业控制，这在作物追肥、病虫害防治以及应付农业生产中的突发事件具有重要的作用，这项工作必须由有关部门提供，由精准农业服务机构解译，然后应用于农业生产，同时，精准农业服务机构必须建立自己的近地空遥感系统，如航空遥感、5000m以下的低空气球遥感或航模遥感等，通过卫

7、星遥感可获得大范围的农田信息，通过航空遥感可获得中等范围的遥感信息，而通过低空遥感可获得小范围的农田信息，获得信息的范围与精确程度成反比，可根据精准农业服务机构的服务范围和决策范围采用不同的遥感方式，通过对各种不同的遥感方式获取的信息经过解译，得到相应的信息资料，应用于精准农业技术中。 2.2 土壤信息捕获技术体系通过遥感可获得作物生长的情况和田间变异状况，但土壤性状的获得，则必须通过田间采样、室内分析的手段获得。鉴于目前精准农业还主要以变量施肥为主，在今后的精准农业尽管可变管理的项目会不断增加，但变量施肥也会占一定的比重。所以，建立土壤信息捕获的技术体系是精准农业中不可缺少的一部分。土壤性状

8、根据其时间变异情况可分三种，即相对稳定的土壤性状、半稳定性状和不稳定性状。相对稳定的土壤性状包括土壤质地、土壤导水率、田间持水量、土壤阳离子代换量等；半稳定性状包括土壤的中微量元素含量和大量元素的全量等；不稳定性状主要指作物营养三要素的速效性养分含量，同时也将反映该状况的植株速效养分含量归为该类。根据这些性状的变异情况，在精准农业中应区分对待，将稳定性状和半稳定性状纳入土壤基础性状数据库，不必每年或每季测定，只需在一定时间内更新即可，这些性状可在室内固定的实验室中进行。而不稳定性状需要测定的次数较多，可建立流动或半流动的测定设施，跟随田间取样设备深入田间地头进行测定，以便能较快地取得结果，供精

9、准农业技术体系参考使用。2.3 综合信息处理技术体系通过遥感或地面测试所得到的结果，需要经过一个数据信息处理的技术体系，经过处理的信息最后得到变量控制信号，这个信息处理体系应包括空间数据处理体系、土壤性状数据处理体系、土壤空间变异计算体系和变量决策体系等。经过该体系的数据处理与决策，最后形成变量控制信号，来指挥操作机械，实施精准农业。这个体系全部由计算机完成，但数据采集必须是带GPS位置信息的数据。同时，数据采集过程最好能实现实时实地采集。数据传输采用有线或无线传输，以避免人为输入所造成的不及时性和误差。2.4 农业机械变量控制技术体系精准农业实现的关键是农业机械的变量控制。在3S支持下得到的

10、土壤、作物等信息经一系列处理后，将会得到变量控制信息，最终控制农业机械，实施变量管理。3 实现精准农业需要研究解决的问题3.1 基于GIS的土壤性状数据库建设精准农业的实质是应用3S的现代数字化和智能化技术表达农田条件和作物状况的复杂空间变异，并实时实地做出操作处理，而这种农田条件的空间变异性是以土壤为基础的，我国在这方面与发达国家存在很大差距。仅就土壤养分管理而言，我国对土壤养分状况缺乏全面系统的了解，虽然进行过两次全国土壤普查，但由于周期长，结果难以应用，对精准农业而言更显得粗放，也没有一套适合于全国或地方的基于GIS的土壤信息数据库，特别是，我国农业生产以家庭联产承包为主，小规模、小地块

11、，土壤养分的空间变异复杂多变，要作到精确到亚米级的土壤性状空间分布图，其工作量和难度是可想而知的，但是，精准农业的基础和核心是土壤性状的空间变异，这方面的工作又不可缺少。所以，在精准农业的浪潮正向我们袭来之际，首先作些这方面的准备是必需的。土壤性状数据库建设可分为基础属性性状数据库和时效数据库两种，前者主要包括相对稳定的土壤性状和半稳定性状，如土壤质地、土壤导水率、田间持水量、土壤阳离子代换量以及土壤的中微量元素含量和大量元素的全量等，该数据库不必每年更新，实行周期更新，可由国家建设，公布于网上，供各地施用。时效数据库主要指作物营养三要素的速效性养分含量以及与此有关的植株速效养分含量和上季作物

12、产量等，该数据库的时效性及强，应由精准农业服务部门实时测定，精准农业的控制信号将根据土壤基础属性数据、实时土壤养分数据及遥感信息数据等一系列分析得出。所以，如何建立和规范这样一套数据库体系，供精准农业和区域养分管理使用，是精准农业发展中必须研究与解决的重要问题。3.2 土壤性状空间变异的理论体系研究目前土壤特性空间变异的研究方法主要是基于60年代初法国著名学者G. Matheron创立的地质统计学46，70年代后期传入我国，它是以区域化变量理论作为基础，以变异函数作为主要工具，对既具有随机性又具有结构性的变量进行统计学研究，先前是用在矿产勘查、矿山设计、矿山生产和地质科研等领域，目前已经成为估

13、计各种自然资源的有效手段和方法。其应用范围已经突破了地质科学，在环境、农林、农田水利等领域得到了广泛的应用。有些学者也将其称为“空间信息统计学”。 70年代以后，国内外许多学者开始将该方法应用于土壤性质的研究79。但这些研究主要偏重于土壤物理性质的研究，且研究的空间尺度较小。地统计学的原理告诉我们，该方法研究的空间尺度不同，其结论可能完全不同，主要是反映影响空间变异的因素不同所致。用地统计学的方法对土壤养分，特别是土壤速效性养分的研究尚少，所以，为了能在亚米级的精度内反映出土壤性状的空间变异状况及变异规律，确定其影响因素，为精准农业服务，其研究方法和理论体系有待于进一步深入的探讨。3.3 土壤

14、性状数据采集测试技术体系研究既然精准农业的核心是土壤性状的空间变异，那么如何获得土壤性状的数据，其采集与测试技术也是精准农业的重要问题。目前土壤性状的测试大部分还是选用常规方法，特别是土壤养分的测定一直沿用取样-风干-处理-浸提-测定的方法9，速度慢、周期长，分析成本高，大多需要专门的实验室才能够完成，由于土壤养分的复杂性，所得出的结果与作物吸收的相关性不强，结果很难准确用于施肥推荐。近年来，一些新的分析技术，如引进的土壤养分系统研究法、树脂膜、土壤植株养分反射测定仪等，尚需进行国产化改造和测试值的校正等一系列工作，适应于我国国情的土壤养分大型流动分析设备还基本上是空白，一些便携式的土壤养分测

15、试仪器由于不能批量测定，应用于精准农业土壤养分数据采集的可能性不大。再则，往往由于基层缺乏必要的技术和消耗品的及时补充，大多不能正常工作。为了适应精准农业实时快速的特点，土壤性状的原位电传感技术、数据遥测技术的研制和开发势在必行。过去曾研究使用的土壤盐分传感技术，土壤水分测定的TDR技术以及目前研制的硝态氮原位传感技术等，这些测定和研究的思路可应用于精准农业。数据遥测及计算机自动数据采集技术在土壤和作物中已有应用。同时，为了缩短土壤养分分析的周期，大型的土壤养分流动测试设备研制和与之相配套的测定方法也需研究与开发。总之，与精准农业相配套的土壤性状数据采集与测定技术体系有待于进一步探讨。3.4

16、作物产量依土壤性状空间变异的贡献率研究作物产量是多种因素影响下的农业技术的综合体现，土壤肥力对作物产量的形成有极其重要的作用。但是，对作物产量的影响往往是多种因素综合作用的结果，而人为对土壤性状的调控往往只能对一些因素进行，即使能同时调控几个因素，也不能全面调节。所以，为了能有效的调控土壤肥力诸因素，特别是土壤养分含量时，就需要把影响作物产量的因素进行分解，找出影响作物产量最大的因素，然后实施调控。在这方面，我国曾做过大量工作，特别是在各种肥料的肥效研究中。但是，鉴于目前精准农业的实施主要以施肥为主，由于作物实时计产装置的应用，使得获取田间作物产量的变异数据会更加容易，欲从作物产量变异数据中进

17、一步了解土壤的变异信息，就必须首先了解土壤各因素变异对作物产量的贡献率。这样，在原有数据的基础上，可以更加明确地分析上季作物产量中的限制因子，为更加合理地制订下季作物的管理方案提供依据。同时也能分析各种养分对作物产量的影响，为更合理的施肥提供依据。 3.5 实时遥感信息解译技术研究遥感信息是获得作物生长情况最实时、最有效的方法之一。它在地球资源勘测、气象服务等领域发挥了巨大的作用。同时在农业病虫害的测报、作物产量估测、土壤调查中也有不少的应用，如何将遥感信息应用于精准农业，在我国进行尚少。在精准农业中，遥感信息用于作物病虫害防治、作物追肥等具有很大潜力。但是，目前所用的地球资源卫星数据，由于其

18、地面分辨率为2530m，对作物施肥来讲，似乎有点太粗。所以，以施肥为目的的遥感信息最好是航模遥感、航空遥感或其它形式的近地面遥感。这方面的工作必须和遥感部门联合攻关才能取得较好的收效。同时，遥感信息的解译也是精准农业重要的研究内容，主要是根据作物长势、叶色等判断土壤养分状况，结合土壤养分的测定，用于施肥决策。该方法较用纯粹的土壤养分测定方法实时且费用也低。3.6 农用机械变量控制技术研究精准农业的先进性在于可以根据所获得的大量信息实施变量控制。所以，农用机械变量控制技术是实施农业变量控制的基本保证。变量控制技术在工业中已经广泛应用，但用于农业管理还少，目前我国的农业机械化还处于人为操作控制阶段

19、，为了保证精准农业的实施，变量控制的农业机械也可能成为今后农业机械的主流。在我国农业分散经营的情况，小型变量控制机械的研制与开发也是涉及到能否将我国精准农业推广普及的重要问题。3.7 精准农业中数字信息流的处理与接口技术研究在精准农业中，为了获得数字信息，并将这些信息进行处理，最后转化为能控制变量机械的信号，需要经过一系列的信息流及接口技术，如GPS与GIS的联接与传输、GPS与作物产量取样器及土壤采样器信号的叠加处理与传输、控制信号的形成与传输等，都是精准农业需要解决的问题。精准农业在我国基本上还是空白，我国不可能以农户为单位建造自己的精准农业体系，但可能以农户为单元进行操作，特别是在我国农业高度分散和高强度开发情况下，国外也没有可资借鉴的经验，其中，有许多技术问题，以及很多政策问题都需要我们在实践中不断地研究与探索。主要参考文献 1 石元春. 土壤学的数字化和信息化革命. 土壤学报, 2000,37(4):289295. 2 金继运. “精确农业”及其在我国的应用前景. 植物营养与肥料学报, 1998,4(1): 17.3 李保国，白由路，胡克林等. 黄淮海平原浅层地下水中NO3N含量的空间变异与分布特征. 中国工程科学，2001，3(4): 4245.4 孙洪泉. 地质统计学及其应用. 北京: