【中科院之聲】天空地立體監測：精準“把脈”黑土地質量
隨著現代化進程的加快，耕地質量退化、土壤污染等問題日益凸顯，如何精準監測并有效保護耕地質量，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量監測評價論壇上，中國科學院東北地理與農業生態研究所發布天空地立體監測技術。這一技術結合遙感與物聯網等多種設備和手段，實現了對黑土地的多維監測，為黑土地“診斷把脈”提供了理論支撐，更為搭建新型農業場景提供了重要底層數據。
▲無人機獲取田塊激光雷達數據。受訪單位供圖
多維畫像 動態管理
“我們的工作相當于給土地看病，具體來說就是利用天空地數據給黑土地做診斷。” 該所研究員劉煥軍說。
黑土地是世界上最肥沃的土壤，被譽為耕地中的“大熊貓”。盡管黑土高產豐產，但仍面臨土地肥力透支的問題。為此，3年前，劉煥軍團隊聯合9家單位，開始研發黑土地耕地質量天空地立體監測技術。團隊面向國家需求，圍繞“黑土地耕地質量本底不清、變化不明”，“變薄、變瘦、變硬”等問題展開科研攻關。
“傳統的耕地質量監測手段依賴于人工采樣和實驗室分析，不僅費時費力，還難以對大范圍耕地進行實時監測和動態管理。而天空地立體監測技術可從多個維度了解耕地的具體情況。”劉煥軍說。
耕地質量監測技術集成多源多模態衛星遙感，有人機、無人機，以及地面傳感器與地面采樣等設備和手段，為黑土地搭建起了高效、精準、全面的耕地立體監測網絡，精準把脈黑土質量。“利用衛星遙感，該技術可實現對大范圍耕地的宏觀監測，掌握耕地質量的空間分布和變化趨勢；通過航空遙感技術，可以對重點區域進行中小尺度監測，獲取更加詳細的數據；通過地面站點監測，可以對特定區域的耕地質量進行精準測量和分析。這種多層次的監測體系，確保了數據的全面性和準確性。”劉煥軍說。
此外，通過實時傳輸監測數據，并進行大數據分析和處理，天空地立體監測技術可對耕地質量進行動態管理和預警。一旦發現耕地質量下降，科研人員可立即采取治理和修復措施。
基于監測數據，監測系統可以制定更加科學合理的耕地保護政策和農業發展規劃。例如，根據耕地質量評價結果，監測系統可以優化作物種植結構、調整施肥用藥方案、應用節水灌溉技術等，提高農業生產效率和資源利用效率。
▲天空地立體監測系統界面。受訪單位供圖
地塊“會診” 精準“手術”
水是關系糧食生產的大問題，有沒有一些新技術新方法，能把原來的“三跑田”變成能蓄、能排、能凈的海綿農田？這是困擾北大荒九三分公司副總經理劉文武多年的問題。如今，一份詳實的“地塊手術方案”已經交到他的手中。
劉煥軍說，團隊開發的天空地立體監測技術不僅可為黑土地“把脈問診”，還可為地塊進行“高精度手術”。
針對北大荒九三分公司鶴山農場的土地問題，團隊利用天空地立體監測技術，獲得地塊內侵蝕障礙、作物長勢、高程坡度、土壤肥力等高精度數據，結合水肥運移規律，為地塊“會診”。
中國科學院東北地理與農業生態研究所研究員宋春雨介紹，制定“手術方案”過程中，團隊依據地塊地形特點，將地塊壟線進行重新設計規劃，并融入等高種植技術，以縮短壟長，加速兩側排水，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，進行有機培肥；在低洼內澇處，鋪設地下暗管，加速排水；同時在耕地與其他生態功能區邊界處，修筑緩沖帶，減少養分外溢。
精準施肥是提高作物產量，保護黑土地的有力措施。在天空地立體監測技術助力下，團隊研發了變量施肥技術。
劉煥軍介紹：“通過監測到的土壤養分含量差異，結合作物生長模型及水肥運移規律等，我們可以給養分不均的地塊開具精準施肥處方。”
根據農業生產靶向問題與農戶場景的不同，團隊還設計了不同技術方案。例如在友誼農場針對格田改造后表土時空錯配的問題，實行水田插秧機側深變量施肥；針對樺南地區的白漿土，研發了適合播種期間變量基肥的方式；結合松嫩平原農業生產特點，研發了秋季起壟變量施肥等。
“由于耕地質量多不相同，我們力求因地制宜解決好各類土地問題。”劉煥軍說， 黑土地耕地質量天空地立體監測成果包含了黑土區尺度、生態區尺度、農場/縣域尺度、地塊尺度與地塊內部精準管理分區5個尺度。
“在九三分公司與旗下的鶴山農場，我們獲取了10米空間分辨率的土壤有機質空間分布數據，并根據農場的地形與氣候特點，將數據進一步優化，使土壤有機質監測精度高于90%。”團隊助理研究員羅沖解釋說，這不僅方便分公司與農場掌握耕地的基本情況，還可以指導農戶精準施肥。
為讓農戶們享受到立體監測系統的決策成果，團隊還開發了中科司農智能農業軟件。利用該軟件，農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、災害、產量等各類信息，以及施肥、噴藥、播種、灌溉等農業生產指導方案，打通了科技賦農的最后一公里。
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