無人機(jī)獲取田塊激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。受訪單位供圖
天空地立體監(jiān)測系統(tǒng)界面。受訪單位供圖
隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，耕地質(zhì)量退化、土壤污染等問題日益凸顯，如何精準(zhǔn)監(jiān)測并有效保護(hù)耕地質(zhì)量，成為保障國家糧食安全的重要課題。近日，在第二屆黑土地耕地質(zhì)量監(jiān)測評(píng)價(jià)論壇上，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所發(fā)布天空地立體監(jiān)測技術(shù)。這一技術(shù)結(jié)合遙感與物聯(lián)網(wǎng)等多種設(shè)備和手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黑土地的多維監(jiān)測，為黑土地“診斷把脈”提供了理論支撐，更為搭建新型農(nóng)業(yè)場景提供了重要底層數(shù)據(jù)。
多維畫像 動(dòng)態(tài)管理
“我們的工作相當(dāng)于給土地看病，具體來說就是利用天空地?cái)?shù)據(jù)給黑土地做診斷。” 該所研究員劉煥軍說。
黑土地是世界上最肥沃的土壤，被譽(yù)為耕地中的“大熊貓”。盡管黑土高產(chǎn)豐產(chǎn)，但仍面臨土地肥力透支的問題。為此，３年前，劉煥軍團(tuán)隊(duì)聯(lián)合９家單位，開始研發(fā)黑土地耕地質(zhì)量天空地立體監(jiān)測技術(shù)。團(tuán)隊(duì)面向國家需求，圍繞“黑土地耕地質(zhì)量本底不清、變化不明”，“變薄、變瘦、變硬”等問題展開科研攻關(guān)。
“傳統(tǒng)的耕地質(zhì)量監(jiān)測手段依賴于人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還難以對(duì)大范圍耕地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和動(dòng)態(tài)管理。而天空地立體監(jiān)測技術(shù)可從多個(gè)維度了解耕地的具體情況。”劉煥軍說。
耕地質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)集成多源多模態(tài)衛(wèi)星遙感，有人機(jī)、無人機(jī)，以及地面?zhèn)鞲衅髋c地面采樣等設(shè)備和手段，為黑土地搭建起了高效、精準(zhǔn)、全面的耕地立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)把脈黑土質(zhì)量。“利用衛(wèi)星遙感，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍耕地的宏觀監(jiān)測，掌握耕地質(zhì)量的空間分布和變化趨勢；通過航空遙感技術(shù)，可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行中小尺度監(jiān)測，獲取更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)；通過地面站點(diǎn)監(jiān)測，可以對(duì)特定區(qū)域的耕地質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)測量和分析。這種多層次的監(jiān)測體系，確保了數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。”劉煥軍說。
此外，通過實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和處理，天空地立體監(jiān)測技術(shù)可對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理和預(yù)警。一旦發(fā)現(xiàn)耕地質(zhì)量下降，科研人員可立即采取治理和修復(fù)措施。
基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)可以制定更加科學(xué)合理的耕地保護(hù)政策和農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。例如，根據(jù)耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，監(jiān)測系統(tǒng)可以優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整施肥用藥方案、應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)等，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用效率。
地塊“會(huì)診” 精準(zhǔn)“手術(shù)”
水是關(guān)系糧食生產(chǎn)的大問題，有沒有一些新技術(shù)新方法，能把原來的“三跑田”變成能蓄、能排、能凈的海綿農(nóng)田？這是困擾北大荒九三分公司副總經(jīng)理劉文武多年的問題。如今，一份詳實(shí)的“地塊手術(shù)方案”已經(jīng)交到他的手中。
劉煥軍說，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的天空地立體監(jiān)測技術(shù)不僅可為黑土地“把脈問診”，還可為地塊進(jìn)行“高精度手術(shù)”。
針對(duì)北大荒九三分公司鶴山農(nóng)場的土地問題，團(tuán)隊(duì)利用天空地立體監(jiān)測技術(shù)，獲得地塊內(nèi)侵蝕障礙、作物長勢、高程坡度、土壤肥力等高精度數(shù)據(jù)，結(jié)合水肥運(yùn)移規(guī)律，為地塊“會(huì)診”。
中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員宋春雨介紹，制定“手術(shù)方案”過程中，團(tuán)隊(duì)依據(jù)地塊地形特點(diǎn)，將地塊壟線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)規(guī)劃，并融入等高種植技術(shù)，以縮短壟長，加速兩側(cè)排水，減少土壤侵蝕；在平均坡度超過５°的地塊修筑可耕作寬埂；在常年被侵蝕、黑土層流失殆盡的地塊，進(jìn)行有機(jī)培肥；在低洼內(nèi)澇處，鋪設(shè)地下暗管，加速排水；同時(shí)在耕地與其他生態(tài)功能區(qū)邊界處，修筑緩沖帶，減少養(yǎng)分外溢。
精準(zhǔn)施肥是提高作物產(chǎn)量，保護(hù)黑土地的有力措施。在天空地立體監(jiān)測技術(shù)助力下，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了變量施肥技術(shù)。
劉煥軍介紹：“通過監(jiān)測到的土壤養(yǎng)分含量差異，結(jié)合作物生長模型及水肥運(yùn)移規(guī)律等，我們可以給養(yǎng)分不均的地塊開具精準(zhǔn)施肥處方。”
根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)靶向問題與農(nóng)戶場景的不同，團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了不同技術(shù)方案。例如在友誼農(nóng)場針對(duì)格田改造后表土?xí)r空錯(cuò)配的問題，實(shí)行水田插秧機(jī)側(cè)深變量施肥；針對(duì)樺南地區(qū)的白漿土，研發(fā)了適合播種期間變量基肥的方式；結(jié)合松嫩平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，研發(fā)了秋季起壟變量施肥等。
“由于耕地質(zhì)量多不相同，我們力求因地制宜解決好各類土地問題。”劉煥軍說， 黑土地耕地質(zhì)量天空地立體監(jiān)測成果包含了黑土區(qū)尺度、生態(tài)區(qū)尺度、農(nóng)場／縣域尺度、地塊尺度與地塊內(nèi)部精準(zhǔn)管理分區(qū)５個(gè)尺度。
“在九三分公司與旗下的鶴山農(nóng)場，我們獲取了１０米空間分辨率的土壤有機(jī)質(zhì)空間分布數(shù)據(jù)，并根據(jù)農(nóng)場的地形與氣候特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，使土壤有機(jī)質(zhì)監(jiān)測精度高于９０％。”團(tuán)隊(duì)助理研究員羅沖解釋說，這不僅方便分公司與農(nóng)場掌握耕地的基本情況，還可以指導(dǎo)農(nóng)戶精準(zhǔn)施肥。
為讓農(nóng)戶們享受到立體監(jiān)測系統(tǒng)的決策成果，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了中科司農(nóng)智能農(nóng)業(yè)軟件。利用該軟件，農(nóng)戶只需要在屏幕上繪制地塊，即可獲得地塊的土壤含量、氣象、長勢、災(zāi)害、產(chǎn)量等各類信息，以及施肥、噴藥、播種、灌溉等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)方案，打通了科技賦農(nóng)的最后一公里。（記者 李麗云 朱 虹）
編輯：郭成
