精准养分管理精准农业及其在我国的应用前景.doc

1、精准养分管理精准农业及其在我国的应用前景金继运中国农业科学院土壤肥料研究所1 引言精准农业 (精确农业，精确农作) （Precision Agriculture或Precision Farming）是近年来国际上农业科学研究的热点领域。精准农业的含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。精准农业是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合，其核心技术是地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感技术（RS）和计算机自动控制系统15。精准农

2、业是信息农业的重要组成部分，其特点是应用地理信息系统将已有的土壤和作物信息资料整理分析，作为属性数据，并与矢量化地图数据一起制成具有实效性和可操作性的田间管理信息系统。在此基础上，通过GIS、GPS、RS和自动化控制技术的应用，按照田间每一操作单元（位点）上的具体条件，相应调整投入物资的施入量，达到减少浪费、增加收入和保护农业资源和环境质量的目的（图1）1,2。精准农业是在美国等发达国家的大规模经营和机械化操作条件下发展起来的，适于在国营农场等规模化经营的地区发展应用。但是，精准农业中建立管理信息系统，因地制宜调整投入物资施用量的原理则适用于任何经营管理体系，我们应在充分了解精准农业的原则和有

3、关技术原理的基础上，结合我国国情，研究发展适合我国情况的精准农业技术体系。(图：图1精准农业系统示意图)2 地理信息系统（GIS）地理信息系统是处理空间信息的软件系统，可用于组织、分析和图示同一区域内各种类型的空间信息资料。每一种信息可以组成一个GIS图层，不同图层的信息资料也可以通过分析组合形成新的图层（图2）1。(图：图2GIS图层示意图)精准农业的技术核心是GIS的应用。应用GIS系统，可以将土地边界、土壤类型、地形地貌、排灌水系统、历年的土壤测试结果、化肥和农药等使用情况以及历年产量结果做成各自的GIS图层管理起来12。通过历年产量图的分析，可以看出田间产量变异情况，找出低产区域。然后

4、通过产量图与其他相关因素图层的比较分析，找出影响产量的主要限制因素，在此基础上，制定出该地块的优化管理信息系统（ManagementInformation System,MIS）,用于指导当年的播种、施肥、除草、防治病虫害、中耕、灌水等管理措施。同时，当前的各项管理措施又作为一个新的GIS图层储存起来，用于下一季作物管理的决策参考4,5。对于某一管理措施做出的实施计划也用GIS系统管理。以施肥为例，按照某一地块的土壤测试结果、历年施肥历史和产量情况（均以GIS图层表示），制定出当季在不同位点上各种养分的适宜施用量，做成GIS施肥操作指导系统（图层），然后转移到自动控制变量施肥机上，实施该地块的

5、自动变量平衡施肥46。3 全球卫星定位系统（GPS）全球卫星定位系统是利用地球上空的24颗通讯卫星和地面上的接收系统而形成的全球范围的定位系统，最初只是用于军事目的。冷战结束后，逐渐开放，用于航海、航空、制图、定时、远洋捕捞、森林防火等民用目的2,7。目前，美国芝加哥市已在所有的消防车上装上了GPS接收器，而澳大利亚出租汽车公司已将GPS系统用于出租车的调度和指挥。在地球的任何位置上，使用GPS接收器（图3）在任何时候均可接收到24颗卫星中的412个以上卫星的信号。应用3个卫星上的信号，GPS接收器即可确定所在位置的经纬度（即地球表面上的位置）（图4）。而要同时确定所在位点的海拔高度，则至少需

6、要同时收到4个卫星的信号4。 (图：图3高精度GPS接收器图)(图：图4应用3个卫星信号进行地球表面定位示意图)应用一个GPS接收器与卫星对话而确定的接收器所在位置的坐标可能产生较大的误差，这是由于信号穿越大气层时受到种种干扰造成的。对于精度要求高的定位工作，就必须在一个已知经纬度和海拔高度的位点上设一个固定的基准GPS接收器（图5左），用来校正其他GPS接收器的定位误差，称为差分GPS（DGPS）4,2,8。校正后的DGPS定位可以将误差控制在几个厘米范围内9。GPS在精准农业上用于田间作业机具的准确定位。在翻耕机、播种机、田间取样机、施肥喷药机、收割机等机具上安装上GPS接收器，可以准确指

7、示机具所在位置的座标，使操作人员可以按计算机上GIS操作指示图进行定点作业（图5右）4,10。(图：图5固定的GPS接收器（左）和田间作业车上移动GPS接收器（右）)4 精准农业应用举例计算机和信息科学的发展为精准农业奠定了坚实的基础。对节约资源和保护环境的重视又进一步推动了精准农业的发展。进入90年代以来，精准农业在欧美发达国家发展很快，已初具规模。在美国，以土地平坦，经营规模大的中西部大平原地区发展最快。自1995年以来，每年召开一次“信息农业学术讨论会”（Information Agriculture Conference）,重点研讨信息、GIS、GPS、自动控制等与精准农业有关的技术。

8、目前，精准农业已涉及到施肥、植物保护、精量播种、耕作和水分管理等各有关领域。在北美的精准农业技术，又以在施肥上的应用最为成熟。在美国和加拿大的大型农场上，农场主在农业技术人员指导下，应用GPS取样器将田块按座标分格取样，约0.52ha取一土壤样品，分析各取土单元格（田间操作单元）内土壤理化性状和各大、中、微量养分含量4。应用GPS和GIS技术，作成该地块的地形图、土壤图、各年的土壤养分图等（图6）。同时在联合收割机上装上GPS接收器和产量测定仪，在收获的同时每隔1.2秒GPS定点一次，同时记载当时当地的产量。然后用GIS做成当季产量图（图7）2。所有这些资料，均用来作为下一年施肥种类和数量的决

9、策参考。作施肥决策时，调用数据库内所有有关资料进行分析，主要按照每一操作单元（0.52ha）的养分状况和上一季产量水平，参考其他因素，确定这一单元内的各种养分施肥量，应用GIS，做成各种肥料施用的施肥操作指挥系统（GIS施肥操作图层）。然后转移到施肥机具上，指挥变量平衡施肥。变量施肥机有用传统的施肥机改装的一次作业施一种肥料的简易型和新研制的大型多种肥料同时变量施肥的机具两种类型4,5。传统的施肥方式是在一个地块内使用一个平均施肥量。由于土壤肥力在地块不同区域差别较大，所以平均施肥在肥力低而其他生产性状好的区域往往施肥量不足，而在某种养分含量高而丰产性状不好的区域则引起过量施肥，其结果是浪费肥

10、料资源，影响产量，影响环境质量。而精准农业施肥技术（又称为自动变量施肥技术，Variable Rate Fertilization）实现了在每一操作单元上因土因作物全面平衡施肥，因而大大地提高了肥料利用率和施肥经济效益，同时，减少了肥料的浪费以及多余肥料对环境的不良影响，因此有很明显的经济、社会、生态效益，受到社会各界和农民的广泛接受4,11。1994年在明尼苏达州南部汉斯卡农场，明尼苏达大学按照传统的测土推荐施肥推荐的施氮量为每英亩130磅氮素，而按照精准农业变量施肥技术实际施氮量变幅在0180磅/英亩，平均仅为89磅/英亩，节省了约1/3的氮肥，同时提高了产量11。1993年在明尼苏达的扎

11、卡比森甜菜农场，传统的施肥推荐是每英亩施纯氮170磅，而精准农业变量施肥技术施氮量在31149磅/英亩范围之内，大大减少了氮肥用量，肥料投入每英亩平均减少了6.28美元。变量施肥技术的甜菜产量（18.7吨/英亩）比传统施肥方法稍有增加(18.0吨/英亩)，含糖量从16.59%增加到17.89%，每英亩产糖量从5415磅增加到6171磅，收入从599.51美元增加到744.51美元6。(图：图6美国印第安纳州普渡戴维斯农场1994年土壤速效磷图)(图：图7英国一农场1993年冬小麦产量图)5 精准农业在我国的应用前景分析精准农业是在信息科学发展的基础上，以3S（GIS、GPS、RS）为核心技术引

12、发的一场新的农业技术革命，也必将会对我国农业技术的发展产生重大影响。从形式上看，精准农业是在发达国家大规模经营和机械化操作条件下发展形成的新的技术体系，可能仅适用于我国规模化经营的大型国营农场和较发达的地区，而在以家庭联产承包责任制为主要经济形式的分散经营的大部分农村则难以应用。但是，我们必须清楚，精准农业发展的最基础的技术路线和原则是在充分了解土地资源和作物群体变异情况的条件下，因地制宜地根据田间每一操作单元的具体情况，精细准确地调整各项管理措施和各项物资投入的量，获取最大的经济效益。这些原则适用于任何形式和任何规模的农业生产。目前，计算机和信息技术突飞猛进发展，已逐渐深入到社会生产和生活的

13、各个层面，也必将会对我们的农业技术的革命产生重大影响。我们应该抓住这一机遇，结合我国具体情况，研究发展适用的精准农业技术体系，推动我国农业生产持续稳定发展。在土壤养分管理和施肥技术方面，我们与发达国家存在很大差距。发达国家，如美国，已经将土壤类型、土壤质地、土壤养分含量、历年施肥和产量情况等有关信息输入计算机，形成了资料齐全的土壤养分和肥料信息系统，在许多地区和农场，已将此类信息制成GIS土壤养分或肥料使用GIS图层，形成了信息农业和精准农业的技术支持体系。在此基础上发展形成了精准农业变量施肥技术，在田间任何位点上（或任何一个操作单元上）均实现了各种营养元素的全面平衡供应，使肥料投入更为合理，

14、使肥料利用率和施肥增产效益提高到较理想的水平。在这种管理水平下，氮肥当季利用率可达60%以上(Reetz, 1994)。 但是，在我国测土推荐平衡施肥尚未真正实现，在土壤养分状况、养分管理和施肥技术方面研究基础薄弱，现有的有限的资料也分散在各有关单位，没能真正在生产上发挥作用，以致于施肥上存在很大盲目性，氮磷钾肥比例不合理，中、微量元素缺乏没有得到及时纠正，肥料利用率低，氮肥当季利用率平均仅为30%左右，肥料的增产效益没能充分发挥。 因此，应在充分了解国际上精准农业发展的理论基础和技术原则的基础上，结合我国具体情况，从养分管理和施肥技术入手，研究发展适合我国情况的精准农业技术体系。具体建议如下

15、：1）规模化经营地区选点建立以GIS、GPS和RS为核心技术的精准农业试验示范区，引进国外先进技术，建立建全田间管理档案，应用GIS收集整理现有资料，逐渐建立起以土壤养分管理和施肥为主体的信息系统。引进GPS技术，改进现有施肥机具，研制适用的GIS施肥指导系统和自动调节变量施肥机具。在此基础上，建立23个规模化经营的精准农业试验示范农场。2）对家庭联产承包分散经营体制，在主要农业自然经济区选点研究不同生产条件下土壤养分状况、变化规律和变异情况，研究不同种植制度下土壤和植物体系内各种养分的循环规律和变化特征，应用GIS研究形成适用于当地条件的土壤养分地理信息系统，对农田系统中各种养分迁移规律、土

16、壤中各养分状况和变化特征进行图形化描述和信息化管理。在此基础上，以县或乡为单位，研究建立适合当地生产条件的区域性土壤养分信息系统和养分信息化动态管理模式，分区指导当地的养分管理和肥料合理施用，逐步建立起适合小规模分散经营体制下的精准农业养分信息化管理模式。3）在宏观上，逐步建立全国性的土壤肥力和肥料信息系统，以县为单位收集土壤类型、土壤肥力、肥料使用、作物类型及产量等有关信息，在GIS平台上建立包括全国2370个县的土壤肥力与养分资源信息系统，将分散的数据收集整理，随时了解全国肥力状况和施肥变化的时空特征，为国家主管决策部门服务。4）在上述规模化和家庭承包分散经营试验区内，组织土肥、植保、栽培

17、、农机等各领域专家的联合攻关，将精准农业从养分管理逐渐扩展到其他领域，最终形成按照当地条件精细准确调整各项土壤和作物管理措施的精准农业技术体系。主要参考文献1 Blackmore B S. Precision Farming: An Introduction. Outlook on Agriculture. 1994,23(4): 275280.CABI. 2 Blackmore B S. An Information System for Precision Farming. Presented at the Brighton Conference Pests and Diseases. B

18、ritish Crop Protection Council. November,1996:1821. 3 Johannsen C J. Precision Farming: An Overview. Department of Agronomy, Purdue University, April, 1995. (Paper received through INTENET).4 Reetz H F. Site-specific Nutrient Management Systems for the 1990s. Better Crops with Plant Food. 1994,78(4)

19、: 1419.5 Reetz H F. Maintenance + Buildup Nutrient Management for Site-specific Systems. Better Crops with Plant Food. 1996,80(3): 911.6 Hilde D. Fine-tuning Sugar Beet Fertility Management in the Red River Valley. Better Crop with Plant Food. 1994,78(4): 2627.7 Lechner W. Navstar GPS and GLONASS. I

20、n Press; Computers and Electronics in Agriculture, Special Issue; GPS in Agriculture. Elsevier Science Publishers. 1994.8 Shropshire G, Peterson C, Fisher K. Field Experience with Differential GPS, American Society of Agricultural Engineers, 1993: 1073.9 Saunders S P, Larscheid G, Blackmore B S, et

21、al. A Method for Direct Comparison of Differential Global Positioning Systems Suitable for Precision Farming. in 3rd International Conf. on Precision Agriculture, edited by Robert, Rust and Larson. (ASA, CSSA, SSSA, Madison, WI. 1996:663.10 Clark R L and McGuckin R L. Variable rate Application Equip

22、ment for Precision Farming. Presented at the 1996 Beltwide Cotton Conference. National Cotton Council of America, Nashville, Tennessee. January, 1996: 812.11 Malzer G L. Corn Yield Rresponse Variability and Potential Profitability of Site-specific Nitrogen Management. Better Crop with Plant Food. 1996,80(3): 68.12 Blackmore B S, Wheeler P N, Morris R M, et al. The Role of Precision Farming in Sustainable Agriculture; A European Perspective. Presented at the 2nd International Conference on Site-Specific Management for Agricultural Systems, Minneapolis USA. March, 1994.