土壤学作物环境综合系统

1、1、精确农业的概念及简介20世纪后半期世界农业的高速发展，除了依靠生物技术的进步和耕地面积、灌 溉面积的扩大外，基本上是在化肥与农药等化学品和矿物能源的大量投入条件下 获得的。但由此引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体 富营养化等生态环境问题，已经引起了国际社会的广泛关注，并推动了农业可持 续发展和精确农业理论的产生和发展。精确农业是Precision Agriculture”、 Precision Farming Site-specific Farming（Agiculture）等名词的中译。 4精确农业是现代信息技术（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技术，农业工程

2、装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式 和管理模式，其核心思想是获取农田小区作物产量和影响作物生产的环境因素（如土壤结构、土壤肥力、地形、气候、病虫草害等）实际存在的空间和时间差 异信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行，经济上有效的调控措 施，改变传统农业大面积、大样本平均投入的资源浪费作法，对作物栽培管理实 施定位，按需变量投入。它包括精确播种，精确施肥，精确灌溉，精确收获这几 个环节。而精确农业的兴起对合理施肥提出了新的理论和技术要求。从化肥的使 用来看，化肥对粮食产量的贡献率占40%，然而即使化肥利用率高的国家，其氮 的利用率也只有50%左右，磷

3、30%左右，钾60%左右，肥料利用率低不仅使生产 成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸盐含量过高等环境问题。 总之施肥与农业产量、产品品质、食品和环境污染等问题密切相关。精确施肥的 理论和技术将是解决这一问题的有效途径。2、精确施肥（变量处方施肥）2.1精确施肥的必要性土壤一作物一养分间的关系十分复杂。虽然我们已确定了作物生长中必不可少 的大量元素和微量元素，但作物需求养分的程度因植物的种类不同而有差别。即 使是同一种作物，不同的生长期对各种养分的需求程度差别也很大。苗期是作物 的营养临界期，虽然在养分数量方面要求不多，但是要求养分必须齐全和速效， 而且数量足够。很多作物在营养最

4、大效率期对某种养分需求数量最多，营养效 果最好，同一作物不同养分的最大效率期”不同，不同作物同一养分的最大效 率期也不同。不同养分具有养分不可替代性即作物的产量主要受最少养分含 量那个养分所限制，而这个最少的养分不能被其它养分所代替。为消除最小养 分率的限制，大量的使用化肥，而这又造成一系列的环境问题。所以为取得良 好的经济效益和环境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长 环境的需要，变量处方施肥是我们未来施肥的发展方向。2.2精确施肥 我们认为精确施肥是将不同空间单元的产量数据与其他多层数据（土壤理化性 质、病虫草害、气候等）的叠合分析为依据，以作物生长模型、作物营养专家系 统

5、为支持，以高产、优质、环保为目的的变量处方施肥理论和技术。精确施肥是 信息技术（RS，GIS，GPS），生物技术，机械技术和化工技术的优化组合。按作 物生长期可分为基肥精施和追肥精施，按施肥方式可分为耕施和撒施。按精施的 时间性分为实时精施和时后精施。3、理论及技术体系3.1 土壤数据和作物营养实时数据的采集对于长期相对稳定的土壤变量参数，象土壤质地、地形、地貌、微量元素含量等， 可一次分析长期受益或多年后再对这些参数做抽样复测，在我国可引用原土壤普 查数据做参考。对于中短期土壤变量参数，象N，P，K，有机质、土壤水分等， 这些参数时空变异性大，应以GPS定位或导航实时实地分析，也可通过遥感（

6、RS） 技术和地面分析结合获得生长期作物养分丰缺情况。这是确定基肥、追肥施用量 的基础。20世纪90年代以来，土壤实时采样分析的新技术、新仪器有了长足的 发展进步。3.1.1基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营养元素测定仪，在我国已有若 干实用化的产品推广。3.1.2基于近红外（NIR）多光谱分析技术、半导体多离子选择效应晶体管（ISFET） 的离子敏传感技术的研究已取得了初步的进展和研究成果5,6。3.1.3基于近红外（NIR）光谱技术和传输阻抗变换理论的土壤水分测量仪在我 国已经研制成功7,8。3.1.4基于光谱探测和遥感理论的作物营养监测技术研究也取得了一定的进展。用植物光谱分析方法诊

7、断植物营养水平具有快速、自动化、非破坏性等优点，但 诊断专一性不够，解译精度也有待提高。在作物N营养与作物光谱特性方面，无 论是多光谱被动遥感，还是激光荧光雷达主动遥感的研究和应用都已较为成熟 9,10,11，在外观未发现缺氮症状时，已能区分作物的N素营养水平。日本首 先研制了叶绿素计应用于田间作物氮素营养水平诊断及指导施肥，取得了较好的 效果，据日农机新闻1999年又报道了一种自动化施肥装置，在水稻生长期间， 可根据其叶子进行判断，自动调节施肥量，用分光传感器分析水稻生长情况，同 时用GPS系统导航，任何人都能进行操作。但植物中P、K和微量元素的营养水 平与作物光谱特性的关系研究较少。国内外

8、研究发现基于现在的仪器设备条件 下，在严重缺磷时，光谱分析才能用作物磷营养诊断12；钾只能区分34级营 养水平13。但随着一系列地球观测卫星的将在近几年发射，卫星影像空间分辨 率和光谱分辨率的提高，遥感技术将在作物营养监测的中扮演重要的角色。3.2差分全球定位系统（DGPS）无论是田间实时土样分析，还是精确施肥机的运作，都是以农田空间定位为基础 的。全球定位系统（GPS）为精确施肥提供了基本条件。GPS接收机可以在地球 表面的任何地方、任何时间、任何气象条件下至少获得4颗以上的GPS卫星发出 的定位定时信号，而每一卫星的轨道信息由地面监测中心监测而精确知道，GPS 接受机根据时间和光速信号通过

9、三角测量法确定自己的位置。但由于卫星信号受 电离层和大气层的干扰，会产生定位误差，美国提供的GPS定位误差可达100 米，所以为满足精确施肥或精确农作需要，须给GPS接受机提供差分信号即差分 定位系统（DGPS）。DGPS除了接收全球定位卫星信号外，还需接收信标台或卫 星转发的差分校正信号。这样可使定位精度大大提高。我们在实验中用的美国 GARMIN公司的GPS12XL接受机，接收差分输入后可达到15的定位精度。现在 民用DGPS已完全能满足精确施肥的需要。现在的研究正向着GPS-GIS-RS 一体化， GPS-智能机械一体化方向发展。日本最近实验利用GPS定位插秧机、GPS定位自 动施肥机，

10、误差在10cm以内14,15。3.3决策分析系统决策分析系统是精确施肥的核心，直接影响精确施肥的技术实践成果。决策分析 系统包括地理信息系统（GIS）和模型专家系统二部分。GIS用于描述农田空间 属性的差异性；作物生长模型和作物营养专家系统用于描述作物的生长过程及养 分需求。只有GIS和模型专家系统紧密结合，才能制定出切实可行的决策方案， 这也使现在国内外GIS集成的研究热点。在精确施肥中，GIS主要用于建立土壤 数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库和进行空间属性数据的地理统计、 处理、分析、图形转换和模型集成等。作物生长模型是将作物及气象和土壤等环 境作为一个整体，应用系统分析的原理和方

11、法，综合大量作物生理学、生态学、 农学、土壤肥料学、农业气象学等学科的理论和研究成果，对作物的生长发育、 光合作用、器官建成和产量形成等生理过程与环境和技术的关系加以理论概括和 数量分析，建立相应的数学模型。它是环境信息与作物生长的量化表现。通过作 物生长模型我们可以得出任意生长时期作物对土壤生长环境的要求，以便采取相 关的措施。在这方面美国的科学家们综合考虑大气-土壤-作物之间的相互作用， 早在20世纪70年代研制出大型作物模拟模型CERES （覆盖了玉米、小麦、高粱、 大豆、花生等12种作物），国内高亮之等系统的完成了水稻模型RICEMOD16。 但这些模型在生理生态模拟方面仍比较简单，其

12、机理性、适用性有待于进一步发 展和提高。我国20世纪80年代就就开发了作物营养专家系统，但无论是作物肥 料效应函数模型为基础的专家系统，还是测土施肥目标产量模型，都属于统计模 型，不同的统计模型计算的施肥量相差3倍以上16。以作物生理机理为基础的 作物营养模拟模型有待于进一步发展和提高。3.4控制施肥现在有二种形式，一是实时控制施肥。根据监测土壤的实时传感器信息，控制并 调整肥料的投入数量，或根据实时监测的作物光谱信息分析调节施肥量18,19。 二是处方信息控制施肥。根据决策分析后的电子地图提供的处方施肥信息，对田 块中肥料的撒施量进行定位调控。理论技术存在的问题和未来发展方向土壤数据采集仪器

13、价格昂贵，性能较差，不能分析一些缓效态营养元素的含量， 而遥感由于空间分辨率和光谱分辨率问题，使遥感信息和土壤性质、作物营养胁 迫的对应关系很不明确，不能满足实际应用的需要。随着高分辨率遥感卫星服务 的提供（13m），加强遥感光谱信息与土壤性质、作物营养关系的研究和应用将 是近几年精确施肥研究的热点和重点。DGPS的定位精度已完全能满足精确施肥 的技术需要，虽DGPS导航自动化施肥或耕作机械已有研究，但DGPS与GIS数据 库结合进行自动化机械施肥还有待于进一步发展，同时GPS-RS-GIS也正趋向于 一提化。作物模型和专家系统方面，除进一步加强作物营养机理和生理机理研 究外，模型的适用性和通用性方面应于精确施肥紧密结合，因为现在许多模型需 要的变量过多或普通方法难以测定，即模型需要进一步简单化和智能化。中国发展精确施肥的思考精确施肥在中国的必要性。我国的化肥投入突出问题是结构不合理，利用率低。 化肥投入尤其是磷肥的投入普遍偏高，造成养分投入比例失调，增加