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天空地立体监测:精准“把脉”黑土地质量

编辑:如思  时间:2024-10-20 23:05  来源:光明网   阅读量:14114   

无人机获取田块激光雷达数据。受访单位供图

天空地立体监测系统界面。受访单位供图

随着现代化进程的加快,耕地质量退化、土壤污染等问题日益凸显,如何精准监测并有效保护耕地质量,成为保障国家粮食安全的重要课题。近日,在第二届黑土地耕地质量监测评价论坛上,中国科学院东北地理与农业生态研究所发布天空地立体监测技术。这一技术结合遥感与物联网等多种设备和手段,实现了对黑土地的多维监测,为黑土地“诊断把脉”提供了理论支撑,更为搭建新型农业场景提供了重要底层数据。

多维画像 动态管理

“我们的工作相当于给土地看病,具体来说就是利用天空地数据给黑土地做诊断。” 该所研究员刘焕军说。

黑土地是世界上最肥沃的土壤,被誉为耕地中的“大熊猫”。尽管黑土高产丰产,但仍面临土地肥力透支的问题。为此,3年前,刘焕军团队联合9家单位,开始研发黑土地耕地质量天空地立体监测技术。团队面向国家需求,围绕“黑土地耕地质量本底不清、变化不明”,“变薄、变瘦、变硬”等问题展开科研攻关。

“传统的耕地质量监测手段依赖于人工采样和实验室分析,不仅费时费力,还难以对大范围耕地进行实时监测和动态管理。而天空地立体监测技术可从多个维度了解耕地的具体情况。”刘焕军说。

耕地质量监测技术集成多源多模态卫星遥感,有人机、无人机,以及地面传感器与地面采样等设备和手段,为黑土地搭建起了高效、精准、全面的耕地立体监测网络,精准把脉黑土质量。“利用卫星遥感,该技术可实现对大范围耕地的宏观监测,掌握耕地质量的空间分布和变化趋势;通过航空遥感技术,可以对重点区域进行中小尺度监测,获取更加详细的数据;通过地面站点监测,可以对特定区域的耕地质量进行精准测量和分析。这种多层次的监测体系,确保了数据的全面性和准确性。”刘焕军说。

此外,通过实时传输监测数据,并进行大数据分析和处理,天空地立体监测技术可对耕地质量进行动态管理和预警。一旦发现耕地质量下降,科研人员可立即采取治理和修复措施。

基于监测数据,监测系统可以制定更加科学合理的耕地保护政策和农业发展规划。例如,根据耕地质量评价结果,监测系统可以优化作物种植结构、调整施肥用药方案、应用节水灌溉技术等,提高农业生产效率和资源利用效率。

地块“会诊” 精准“手术”

水是关系粮食生产的大问题,有没有一些新技术新方法,能把原来的“三跑田”变成能蓄、能排、能净的海绵农田?这是困扰北大荒九三分公司副总经理刘文武多年的问题。如今,一份详实的“地块手术方案”已经交到他的手中。

刘焕军说,团队开发的天空地立体监测技术不仅可为黑土地“把脉问诊”,还可为地块进行“高精度手术”。

针对北大荒九三分公司鹤山农场的土地问题,团队利用天空地立体监测技术,获得地块内侵蚀障碍、作物长势、高程坡度、土壤肥力等高精度数据,结合水肥运移规律,为地块“会诊”。

中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员宋春雨介绍,制定“手术方案”过程中,团队依据地块地形特点,将地块垄线进行重新设计规划,并融入等高种植技术,以缩短垄长,加速两侧排水,减少土壤侵蚀;在平均坡度超过5°的地块修筑可耕作宽埂;在常年被侵蚀、黑土层流失殆尽的地块,进行有机培肥;在低洼内涝处,铺设地下暗管,加速排水;同时在耕地与其他生态功能区边界处,修筑缓冲带,减少养分外溢。

精准施肥是提高作物产量,保护黑土地的有力措施。在天空地立体监测技术助力下,团队研发了变量施肥技术。

刘焕军介绍:“通过监测到的土壤养分含量差异,结合作物生长模型及水肥运移规律等,我们可以给养分不均的地块开具精准施肥处方。”

根据农业生产靶向问题与农户场景的不同,团队还设计了不同技术方案。例如在友谊农场针对格田改造后表土时空错配的问题,实行水田插秧机侧深变量施肥;针对桦南地区的白浆土,研发了适合播种期间变量基肥的方式;结合松嫩平原农业生产特点,研发了秋季起垄变量施肥等。

“由于耕地质量多不相同,我们力求因地制宜解决好各类土地问题。”刘焕军说,黑土地耕地质量天空地立体监测成果包含了黑土区尺度、生态区尺度、农场/县域尺度、地块尺度与地块内部精准管理分区5个尺度。

“在九三分公司与旗下的鹤山农场,我们获取了10米空间分辨率的土壤有机质空间分布数据,并根据农场的地形与气候特点,将数据进一步优化,使土壤有机质监测精度高于90%。”团队助理研究员罗冲解释说,这不仅方便分公司与农场掌握耕地的基本情况,还可以指导农户精准施肥。

为让农户们享受到立体监测系统的决策成果,团队还开发了中科司农智能农业软件。利用该软件,农户只需要在屏幕上绘制地块,即可获得地块的土壤含量、气象、长势、灾害、产量等各类信息,以及施肥、喷药、播种、灌溉等农业生产指导方案,打通了科技赋农的最后一公里。

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