20世紀(jì)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(jìn)步和耕地面積、灌溉面積的擴(kuò)大外,基本上是在化肥與農(nóng)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(nóng)產(chǎn)品和地下水污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題,已經(jīng)引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注,并推動(dòng)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"Precision Agriculture"、"Precision Farming"、"Site-specific Farming(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(shí)際存在的空間和時(shí)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(jì)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(fèi)作法,對(duì)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(jié)。而精確農(nóng)業(yè)的興起對(duì)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(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)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?傊┓逝c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(fù)雜。雖然我們已確定了作物生長(zhǎng)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(zhǎng)期對(duì)各種養(yǎng)分的需求程度差別也很大。苗期是作物的"營(yíng)養(yǎng)臨界期",雖然在養(yǎng)分?jǐn)?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(yíng)養(yǎng)"最大效率期"對(duì)某種養(yǎng)分需求數(shù)量最多,營(yíng)養(yǎng)效果最好,同一作物不同養(yǎng)分的"最大效率期"不同,不同作物同一養(yǎng)分的"最大效率期"也不同。不同養(yǎng)分具有"養(yǎng)分不可替代性"即作物的產(chǎn)量主要受最少養(yǎng)分含量那個(gè)養(yǎng)分所限制,而這個(gè)最少的養(yǎng)分不能被其它養(yǎng)分所代替。為消除"最小養(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(jì)效益和環(huán)境效益,適應(yīng)不同地區(qū)、不同作物、不同土壤和不同作物生長(zhǎng)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(rèn)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(zhǎng)模型、作物營(yíng)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(jī)械技術(shù)和化工技術(shù)的優(yōu)化組合。按作物生長(zhǎng)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(shù)據(jù)和作物營(yíng)養(yǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集
對(duì)于長(zhǎng)期相對(duì)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(zhǎng)期受益或多年后再對(duì)這些參數(shù)做抽樣復(fù)測(cè),在我國可引用原土壤普查數(shù)據(jù)做參考。對(duì)于中短期土壤變量參數(shù),象N,P,K,有機(jī)質(zhì)、土壤水分等,這些參數(shù)時(shí)空變異性大,應(yīng)以GPS定位或?qū)Ш綄?shí)時(shí)實(shí)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(zhǎng)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(jì)90年代以來,土壤實(shí)時(shí)采樣分析的新技術(shù)、新儀器有了長(zhǎng)足的發(fā)展進(jìn)步。
3.1.1基于土壤溶液光電比色法開發(fā)的土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)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(dǎo)體多離子選擇效應(yīng)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(cè)量?jī)x在我國已經(jīng)研制成功[7,8]。
3.1.4基于光譜探測(cè)和遙感理論的作物營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)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(yǎng)水平具有快速、自動(dòng)化、非破壞性等優(yōu)點(diǎn),但診斷專一性不夠,解譯精度也有待提高。在作物N營(yíng)養(yǎng)與作物光譜特性方面,無論是多光譜被動(dòng)遙感,還是激光熒光雷達(dá)主動(dòng)遙感的研究和應(yīng)用都已較為成熟[9,10,11],在外觀未發(fā)現(xiàn)缺氮癥狀時(shí),已能區(qū)分作物的N素營(yíng)養(yǎng)水平。日本首先研制了葉綠素計(jì)應(yīng)用于田間作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平診斷及指導(dǎo)施肥,取得了較好的效果,據(jù)日農(nóng)機(jī)新聞1999年又報(bào)道了一種自動(dòng)化施肥裝置,在水稻生長(zhǎng)期間,可根據(jù)其葉子進(jìn)行判斷,自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥量,用分光傳感器分析水稻生長(zhǎng)情況,同時(shí)用GPS系統(tǒng)導(dǎo)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(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(yán)重缺磷時(shí),光譜分析才能用作物磷營(yíng)養(yǎng)診斷[12];鉀只能區(qū)分3~4級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平[13]。但隨著一系列地球觀測(cè)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(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)土樣分析,還是精確施肥機(jī)的運(yùn)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(jī)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(wèi)星發(fā)出的定位定時(shí)信號(hào),而每一衛(wèi)星的軌道信息由地面監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)而精確知道,GPS接受機(jī)根據(jù)時(shí)間和光速信號(hào)通過三角測(cè)量法確定自己的位置。但由于衛(wèi)星信號(hào)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(dá)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(jī)提供差分信號(hào)即差分定位系統(tǒng)(DGPS)。DGPS除了接收全球定位衛(wèi)星信號(hào)外,還需接收信標(biāo)臺(tái)或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的差分校正信號(hào)。這樣可使定位精度大大提高。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中用的美國GARMIN公司的GPS12XL 接受機(jī),接收差分輸入后可達(dá)到1~5的定位精度,F(xiàn)在民用DGPS已完全能滿足精確施肥的需要,F(xiàn)在的研究正向著GPS-GIS-RS一體化,GPS-智能機(jī)械一體化方向發(fā)展。日本最近實(shí)驗(yàn)利用GPS定位插秧機(jī)、GPS定位自動(dòng)施肥機(jī),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(shí)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(zhǎng)模型和作物營(yíng)養(yǎng)專家系統(tǒng)用于描述作物的生長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)。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(jìn)行空間屬性數(shù)據(jù)的地理統(tǒng)計(jì)、處理、分析、圖形轉(zhuǎn)換和模型集成等。作物生長(zhǎng)模型是將作物及氣象和土壤等環(huán)境作為一個(gè)整體,應(yīng)用系統(tǒng)分析的原理和方法,綜合大量作物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、土壤肥料學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)等學(xué)科的理論和研究成果,對(duì)作物的生長(zhǎng)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(yīng)的數(shù)學(xué)模型。它是環(huán)境信息與作物生長(zhǎng)的量化表現(xiàn)。通過作物生長(zhǎng)模型我們可以得出任意生長(zhǎng)時(shí)期作物對(duì)土壤生長(zhǎng)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(jì)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(jiǎn)單,其機(jī)理性、適用性有待于進(jìn)一步發(fā)展和提高。我國20世紀(jì)80年代就就開發(fā)了作物營(yíng)養(yǎng)專家系統(tǒng),但無論是作物肥料效應(yīng)函數(shù)模型為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng),還是測(cè)土施肥目標(biāo)產(chǎn)量模型,都屬于統(tǒng)計(jì)模型,不同的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算的施肥量相差3倍以上[16]。以作物生理機(jī)理為基礎(chǔ)的作物營(yíng)養(yǎng)模擬模型有待于進(jìn)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(shí)時(shí)控制施肥。根據(jù)監(jiān)測(cè)土壤的實(shí)時(shí)傳感器信息,控制并調(diào)整肥料的投入數(shù)量,或根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)田塊中肥料的撒施量進(jìn)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(jià)格昂貴,性能較差,不能分析一些緩效態(tài)營(yíng)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(yíng)養(yǎng)脅迫的對(duì)應(yīng)關(guān)系很不明確,不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著高分辨率遙感衛(wèi)星服務(wù)的提供(1~3m),加強(qiáng)遙感光譜信息與土壤性質(zhì)、作物營(yíng)養(yǎng)關(guān)系的研究和應(yīng)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足精確施肥的技術(shù)需要,雖DGPS導(dǎo)航自動(dòng)化施肥或耕作機(jī)械已有研究,但DGPS與GIS數(shù)據(jù)庫結(jié)合進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)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。 作物模型和專家系統(tǒng)方面,除進(jìn)一步加強(qiáng)作物營(yíng)養(yǎng)機(jī)理和生理機(jī)理研究外,模型的適用性和通用性方面應(yīng)于精確施肥緊密結(jié)合,因?yàn)楝F(xiàn)在許多模型需要的變量過多或普通方法難以測(cè)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題是結(jié)構(gòu)不合理,利用率低;释度胗绕涫橇追实耐度肫毡槠,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(dá)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(yǎng)化的直接原因之一,眾所周知的太湖、滇池的富營(yíng)養(yǎng)化,其中來自肥料面源污染負(fù)荷高達(dá)1/3-1/2。隨著人們環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)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。