第三課、精確施肥

　　1、精確農業的概念及簡介

　　20世紀后半期世界農業的高速發展，除了依靠生物技術的進步和耕地面積、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、土壤生產力下降、農產品和地下水污染、水體富營養化等生態環境問題，已經引起了國際社會的廣泛關注，并推動了農業可持續發展和精確農業理論的產生和發展。精確農業是PrecisionAgriculture、PrecisionFarming、Site-specificFarming(Agiculture)等名詞的中譯。[4]精確農業是現代信息技術（RS，GIS，GPS），作物栽培管理技術，農業工程裝備技術等一系列高新技術的基礎上發展起來的一種重要的現代農業生產形式和管理模式，其核心思想是獲取農田小區作物產量和影響作物生產的環境因素（如土壤結構、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，分析影響小區產量差異的原因，采取技術上可行，經濟上有效的調控措施，改變傳統農業大面積、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，精確收獲這幾個環節。而精確農業的興起對合理施肥提出了新的理論和技術要求。從化肥的使用來看，化肥對糧食產量的貢獻率占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境問題。總之施肥與農業產量、產品品質、食品和環境污染等問題密切相關。精確施肥的理論和技術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--養分間的關系十分復雜。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分的需求程度差別也很大。苗期是作物的營養臨界期，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。很多作物在營養**大效率期對某種養分需求數量**多，營養效果**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量主要受**少養分含量那個養分所限制，而這個**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境問題。所以為取得良好的經濟效益和環境效益，適應不同地區、不同作物、不同土壤和不同作物生長環境的需要，變量處方施肥是我們未來施肥的發展方向。

　　2.2精確施肥

　　我們認為精確施肥是將不同空間單元的產量數據與其他多層數據（土壤理化性質、病蟲草害、氣候等）的疊合分析為依據，以作物生長模型、作物營養專家系統為支持，以高產、優質、環保為目的的變量處方施肥理論和技術。精確施肥是信息技術（RS，GIS，GPS），生物技術，機械技術和化工技術的優化組合。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、理論及技術體系

　　3.1土壤數據和作物營養實時數據的采集

　　對于長期相對穩定的土壤變量參數，象土壤質地、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、土壤水分等，這些參數時空變異性大，應以GPS定位或導航實時實地分析，也可通過遙感（RS）技術和地面分析結合獲得生長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，土壤實時采樣分析的新技術、新儀器有了長足的發展進步。

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

　　3.1.2基于近紅外（NIR）多光譜分析技術、半導體多離子選擇效應晶體管（ISFET）的離子敏傳感技術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）光譜技術和傳輸阻抗變換理論的土壤水分測量儀在我國已經研制成功[7,8]。

　　3.1.4基于光譜探測和遙感理論的作物營養監測技術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水平具有快速、自動化、非破壞性等優點，但診斷專一性不夠，解譯精度也有待提高。在作物N營養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]，在外觀未發現缺氮癥狀時，已能區分作物的N素營養水平。日本首先研制了葉綠素計應用于田間作物氮素營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化施肥裝置，在水稻生長期間，可根據其葉子進行判斷，自動調節施肥量，用分光傳感器分析水稻生長情況，同時用GPS系統導航，任何人都能進行操作。但植物中P、K和微量元素的營養水平與作物光譜特性的關系研究較少。國內外研究發現基于現在的儀器設備條件下，在嚴重缺磷時，光譜分析才能用作物磷營養診斷[12]；鉀只能區分3~4級營養水平[13]。但隨著一系列地球觀測衛星的將在近幾年發射，衛星影像空間分辨率和光譜分辨率的提高，遙感技術將在作物營養監測的中扮演重要的角色。

　　3.2差分全球定位系統（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、任何時間、任何氣象條件下至少獲得4顆以上的GPS衛星發出的定位定時信號，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接受機根據時間和光速信號通過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，會產生定位誤差，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。現在民用DGPS已完全能滿足精確施肥的需要。現在的研究正向著GPS-GIS-RS一體化，GPS-智能機械一體化方向發展。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[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實踐成果。決策分析系統包括地理信息系統（GIS）和模型專家系統二部分。GIS用于描述農田空間屬性的差異性；作物生長模型和作物營養專家系統用于描述作物的生長過程及養分需求。只有GIS和模型專家系統緊密結合，才能制定出切實可行的決策方案，這也使現在國內外GIS集成的研究熱點。在精確施肥中，GIS主要用于建立土壤數據、自然條件、作物苗情等空間信息數據庫和進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。作物生長模型是將作物及氣象和土壤等環境作為一個整體，應用系統分析的原理和方法，綜合大量作物生理學、生態學、農學、土壤肥料學、農業氣象學等學科的理論和研究成果，對作物的生長發育、光合作用、器官建成和產量形成等生理過程與環境和技術的關系加以理論概括和數量分析，建立相應的數學模型。它是環境信息與作物生長的量化表現。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境的要求，以便采取相關的措施。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模擬方面仍比較簡單，其機理性、適用性有待于進一步發展和提高。我國20世紀80年代就就開發了作物營養專家系統，但無論是作物肥料效應函數模型為基礎的專家系統，還是測土施肥目標產量模型，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養模擬模型有待于進一步發展和提高。

　　3.4控制施肥

　　現在有二種形式，一是實時控制施肥。根據監測土壤的實時傳感器信息，控制并調整肥料的投入數量，或根據實時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行定位調控。

　　4.理論技術存在的問題和未來發展方向

　　土壤數據采集儀器價格昂貴，性能較差，不能分析一些緩效態營養元素的含量，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、作物營養脅迫的對應關系很不明確，不能滿足實際應用的需要。隨著高分辨率遙感衛星服務的提供（1~3m），加強遙感光譜信息與土壤性質、作物營養關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數據庫結合進行自動化機械施肥還有待于進一步發展，同時GPS-RS-GIS也正趨向于一提化。作物模型和專家系統方面，除進一步加強作物營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構不合理，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成本偏高，而且是環境污染特別是水體富營養化的直接原因之一，眾所周知的太湖、滇池的富營養化，其中來自肥料面源污染負荷高達1/3-1/2。隨著人們環境意識的加強和農產品由數量型向質量型的轉變，精確施肥將是提高土壤環境質量，減少水和土壤污染，提高作物產量和質量的有效途徑。

　　精確農業是為適應集約化、規模化程度高的作物生產系統可持續發展而提出的，其邊際效應與經營規模成正相關，據報道，以小麥施肥為例，進行經濟效益的分析得出，適用于精確農作技術實踐的經濟可行的**小面積約為85.6hm2。而我國農田經營規模小，農業機械化水平低，實施廣域的精確施肥技術實踐尚需較長的發展過程。隨著農村市場化和產業結構的調整，在墾區農場（如黑龍江大型農場，新疆建設兵團）和大面積作物生產平原區建立精確施肥技術示范工程，或聯合一些高效益企業（煙草企業、中藥材企業等）來帶動精確施肥的發展是結合中國國情發展精確施肥的有效途徑。