第三課、精確施肥

　　1、精確農業(yè)的概念及簡(jiǎn)介

　　20世紀后半期世界農業(yè)的高速發(fā)展，除了依靠生物技術(shù)的進(jìn)步和耕地面積、灌溉面積的擴大外，基本上是在化肥與農藥等化學(xué)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、農產(chǎn)品和地下水污染、水體富營(yíng)養化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)引起了國際社會(huì )的廣泛關(guān)注，并推動(dòng)了農業(yè)可持續發(fā)展和精確農業(yè)理論的產(chǎn)生和發(fā)展。精確農業(yè)是PrecisionAgriculture、PrecisionFarming、Site-specificFarming(Agiculture)等名詞的中譯。[4]精確農業(yè)是現代信息技術(shù)（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技術(shù)，農業(yè)工程裝備技術(shù)等一系列高新技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的一種重要的現代農業(yè)生產(chǎn)形式和管理模式，其核心思想是獲取農田小區作物產(chǎn)量和影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因素（如土壤結構、土壤肥力、地形、氣候、病蟲(chóng)草害等）實(shí)際存在的空間和時(shí)間差異信息，分析影響小區產(chǎn)量差異的原因，采取技術(shù)上可行，經(jīng)濟上有效的調控措施，改變傳統農業(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(shí)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(gè)環(huán)節。而精確農業(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(lái)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(guò)高等環(huán)境問(wèn)題?？傊┓逝c農業(yè)產(chǎn)量、產(chǎn)品品質(zhì)、食品和環(huán)境污染等問(wèn)題密切相關(guān)。精確施肥的理論和技術(shù)將是解決這一問(wèn)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--養分間的關(guān)系十分復雜。雖然我們已確定了作物生長(cháng)中必不可少的大量元素和微量元素，但作物需求養分的程度因植物的種類(lèi)不同而有差別。即使是同一種作物，不同的生長(cháng)期對各種養分的需求程度差別也很大。苗期是作物的營(yíng)養臨界期，雖然在養分數量方面要求不多，但是要求養分必須齊全和速效，而且數量足夠。很多作物在營(yíng)養**大效率期對某種養分需求數量**多，營(yíng)養效果**好，同一作物不同養分的**大效率期不同，不同作物同一養分的**大效率期也不同。不同養分具有養分不可替代性即作物的產(chǎn)量主要受**少養分含量那個(gè)養分所限制，而這個(gè)**少的養分不能被其它養分所代替。為消除**小養分率的限制，大量的使用化肥，而這又造成一系列的環(huán)境問(wèn)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、不同作物、不同土壤和不同作物生長(cháng)環(huán)境的需要，變量處方施肥是我們未來(lái)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)量數據與其他多層數據（土壤理化性質(zhì)、病蟲(chóng)草害、氣候等）的疊合分析為依據，以作物生長(cháng)模型、作物營(yíng)養專(zhuān)家系統為支持，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(cháng)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(shí)間性分為實(shí)時(shí)精施和時(shí)后精施。

　　3、理論及技術(shù)體系

　　3.1土壤數據和作物營(yíng)養實(shí)時(shí)數據的采集

　　對于長(cháng)期相對穩定的土壤變量參數，象土壤質(zhì)地、地形、地貌、微量元素含量等，可一次分析長(cháng)期受益或多年后再對這些參數做抽樣復測，在我國可引用原土壤普查數據做參考。對于中短期土壤變量參數，象N，P，K，有機質(zhì)、土壤水分等，這些參數時(shí)空變異性大，應以GPS定位或導航實(shí)時(shí)實(shí)地分析，也可通過(guò)遙感（RS）技術(shù)和地面分析結合獲得生長(cháng)期作物養分豐缺情況。這是確定基肥、追肥施用量的基礎。20世紀90年代以來(lái)，土壤實(shí)時(shí)采樣分析的新技術(shù)、新儀器有了長(cháng)足的發(fā)展進(jìn)步。

　　3.1.1基于土壤溶液光電比色法開(kāi)發(fā)的土壤主要營(yíng)養元素測定儀，在我國已有若干實(shí)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(jìn)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?jì)x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(yíng)養監測技術(shù)研究也取得了一定的進(jìn)展。

　　用植物光譜分析方法診斷植物營(yíng)養水平具有快速、自動(dòng)化、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，但診斷專(zhuān)一性不夠，解譯精度也有待提高。在作物N營(yíng)養與作物光譜特性方面，無(wú)論是多光譜被動(dòng)遙感，還是激光熒光雷達主動(dòng)遙感的研究和應用都已較為成熟[9,10,11]，在外觀(guān)未發(fā)現缺氮癥狀時(shí)，已能區分作物的N素營(yíng)養水平。日本首先研制了葉綠素計應用于田間作物氮素營(yíng)養水平診斷及指導施肥，取得了較好的效果，據日農機新聞1999年又報道了一種自動(dòng)化施肥裝置，在水稻生長(cháng)期間，可根據其葉子進(jìn)行判斷，自動(dòng)調節施肥量，用分光傳感器分析水稻生長(cháng)情況，同時(shí)用GPS系統導航，任何人都能進(jìn)行操作。但植物中P、K和微量元素的營(yíng)養水平與作物光譜特性的關(guān)系研究較少。國內外研究發(fā)現基于現在的儀器設備條件下，在嚴重缺磷時(shí)，光譜分析才能用作物磷營(yíng)養診斷[12]；鉀只能區分3~4級營(yíng)養水平[13]。但隨著(zhù)一系列地球觀(guān)測衛星的將在近幾年發(fā)射，衛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(yíng)養監測的中扮演重要的角色。

　　3.2差分全球定位系統（DGPS）

　　無(wú)論是田間實(shí)時(shí)土樣分析，還是精確施肥機的運作，都是以農田空間定位為基礎的。全球定位系統（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(shí)間、任何氣象條件下至少獲得4顆以上的GPS衛星發(fā)出的定位定時(shí)信號，而每一衛星的軌道信息由地面監測中心監測而精確知道，GPS接受機根據時(shí)間和光速信號通過(guò)三角測量法確定自己的位置。但由于衛星信號受電離層和大氣層的干擾，會(huì )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(mǎn)足精確施肥或精確農作需要，須給GPS接受機提供差分信號即差分定位系統（DGPS）。DGPS除了接收全球定位衛星信號外，還需接收信標臺或衛星轉發(fā)的差分校正信號。這樣可使定位精度大大提高。我們在實(shí)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?，F在民用DGPS已完全能滿(mǎn)足精確施肥的需要?，F在的研究正向著(zhù)GPS-GIS-RS一體化，GPS-智能機械一體化方向發(fā)展。日本**近實(shí)驗利用GPS定位插秧機、GPS定位自動(dòng)施肥機，誤差在10cm以?xún)萚14,15]。

　　3.3決策分析系統

　　決策分析系統是精確施肥的核心，直接影響精確施肥的技術(shù)實(shí)踐成果。決策分析系統包括地理信息系統（GIS）和模型專(zhuān)家系統二部分。GIS用于描述農田空間屬性的差異性；作物生長(cháng)模型和作物營(yíng)養專(zhuān)家系統用于描述作物的生長(cháng)過(guò)程及養分需求。只有GIS和模型專(zhuān)家系統緊密結合，才能制定出切實(shí)可行的決策方案，這也使現在國內外GIS集成的研究熱點(diǎn)。在精確施肥中，GIS主要用于建立土壤數據、自然條件、作物苗情等空間信息數據庫和進(jìn)行空間屬性數據的地理統計、處理、分析、圖形轉換和模型集成等。作物生長(cháng)模型是將作物及氣象和土壤等環(huán)境作為一個(gè)整體，應用系統分析的原理和方法，綜合大量作物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、農學(xué)、土壤肥料學(xué)、農業(yè)氣象學(xué)等學(xué)科的理論和研究成果，對作物的生長(cháng)發(fā)育、光合作用、器官建成和產(chǎn)量形成等生理過(guò)程與環(huán)境和技術(shù)的關(guān)系加以理論概括和數量分析，建立相應的數學(xué)模型。它是環(huán)境信息與作物生長(cháng)的量化表現。通過(guò)作物生長(cháng)模型我們可以得出任意生長(cháng)時(shí)期作物對土壤生長(cháng)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(xué)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），國內高亮之等系統的完成了水稻模型RICEMOD[16]。但這些模型在生理生態(tài)模擬方面仍比較簡(jiǎn)單，其機理性、適用性有待于進(jìn)一步發(fā)展和提高。我國20世紀80年代就就開(kāi)發(fā)了作物營(yíng)養專(zhuān)家系統，但無(wú)論是作物肥料效應函數模型為基礎的專(zhuān)家系統，還是測土施肥目標產(chǎn)量模型，都屬于統計模型，不同的統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的作物營(yíng)養模擬模型有待于進(jìn)一步發(fā)展和提高。

　　3.4控制施肥

　　現在有二種形式，一是實(shí)時(shí)控制施肥。根據監測土壤的實(shí)時(shí)傳感器信息，控制并調整肥料的投入數量，或根據實(shí)時(shí)監測的作物光譜信息分析調節施肥量[18,19]。二是處方信息控制施肥。根據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(jìn)行定位調控。

　　4.理論技術(shù)存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向

　　土壤數據采集儀器價(jià)格昂貴，性能較差，不能分析一些緩效態(tài)營(yíng)養元素的含量，而遙感由于空間分辨率和光譜分辨率問(wèn)題，使遙感信息和土壤性質(zhì)、作物營(yíng)養脅迫的對應關(guān)系很不明確，不能滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要。隨著(zhù)高分辨率遙感衛星服務(wù)的提供（1~3m），加強遙感光譜信息與土壤性質(zhì)、作物營(yíng)養關(guān)系的研究和應用將是近幾年精確施肥研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。DGPS的定位精度已完全能滿(mǎn)足精確施肥的技術(shù)需要，雖DGPS導航自動(dòng)化施肥或耕作機械已有研究，但DGPS與GIS數據庫結合進(jìn)行自動(dòng)化機械施肥還有待于進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)GPS-RS-GIS也正趨向于一提化。作物模型和專(zhuān)家系統方面，除進(jìn)一步加強作物營(yíng)養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合，因為現在許多模型需要的變量過(guò)多或普通方法難以測定，即模型需要進(jìn)一步簡(jiǎn)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(wèn)題是結構不合理，利用率低?；释度胗绕涫橇追实耐度肫毡槠?，造成養分投入比例失調，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(yíng)養化的直接原因之一，眾所周知的太湖、滇池的富營(yíng)養化，其中來(lái)自肥料面源污染負荷高達1/3-1/2。隨著(zhù)人們環(huán)境意識的加強和農產(chǎn)品由數量型向質(zhì)量型的轉變，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。

　　精確農業(yè)是為適應集約化、規?；潭雀叩淖魑锷a(chǎn)系統可持續發(fā)展而提出的，其邊際效應與經(jīng)營(yíng)規模成正相關(guān)，據報道，以小麥施肥為例，進(jìn)行經(jīng)濟效益的分析得出，適用于精確農作技術(shù)實(shí)踐的經(jīng)濟可行的**小面積約為85.6hm2。而我國農田經(jīng)營(yíng)規模小，農業(yè)機械化水平低，實(shí)施廣域的精確施肥技術(shù)實(shí)踐尚需較長(cháng)的發(fā)展過(guò)程。隨著(zhù)農村市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)結構的調整，在墾區農場(chǎng)（如黑龍江大型農場(chǎng)，新疆建設兵團）和大面積作物生產(chǎn)平原區建立精確施肥技術(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(lái)帶動(dòng)精確施肥的發(fā)展是結合中國國情發(fā)展精確施肥的有效途徑。