日前，2015年度國家科技進步獎公布，南京農(nóng)業(yè)大學兩項科研成果“稻麥生長指標光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)”、“有機肥作用機制和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣”分別摘得國家科技進步二等獎。其中“稻麥生長指標光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)”立足“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”科技，以水稻和小麥為主要研究對象，圍繞作物主要生長指標的特征光譜波段和光譜參數(shù)、定量監(jiān)測模型、實時調(diào)控方法、監(jiān)測診斷產(chǎn)品等開展了深入系統(tǒng)的研究，集成建立了基于反射光譜的作物生長光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)體系，實現(xiàn)了為農(nóng)田實時“開處方”；“有機肥作用機制和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣”項目創(chuàng)新研究了有機肥、有機無機復混肥養(yǎng)分在土壤-植物-動物體系中的循環(huán)與轉(zhuǎn)化及對土壤性質(zhì)的影響，研發(fā)出商品有機肥和有機無機復混肥生產(chǎn)工藝與技術(shù)，進行推廣施用，發(fā)揮了化肥和有機肥兩者之長。
現(xiàn)代傳感技術(shù)給農(nóng)田實時“開處方”
傳感器一“轉(zhuǎn)”，就能監(jiān)測農(nóng)田肥水情況？無人機一“瞄”，就能判斷作物生長走勢？農(nóng)民和種植大戶們手機在手，就能實時獲得量化的施肥建議，再也不必苦守著農(nóng)技人員下田看苗，擔心錯過了最佳的診斷時機？沒錯！南京農(nóng)業(yè)大學一項最新的“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”科技——稻麥生長指標光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)，以水稻和小麥為主要研究對象，圍繞作物主要生長指標的特征光譜波段和光譜參數(shù)、定量監(jiān)測模型、實時調(diào)控方法、監(jiān)測診斷產(chǎn)品等開展了深入系統(tǒng)的研究，集成建立了基于反射光譜的作物生長光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)體系。
“水稻、小麥等糧食作物在生長過程中需要監(jiān)測肥水、病蟲害等情況，傳統(tǒng)的‘看苗診斷’依托的是農(nóng)技人員“人眼看”、“下田看”，大部分都是‘拍腦袋’、‘憑經(jīng)驗’，不能定量化，而且受人力所限，一天只能看一兩塊田，這樣‘看’下來時間長、效率低，常常錯過了最佳‘診療期’”。
南京農(nóng)業(yè)大學田永超教授向記者介紹，項目組研發(fā)的現(xiàn)代看苗診斷技術(shù)就是針對這些缺點逐一突破，原理是根據(jù)作物吸收太陽光的情況，葉綠素含量高的作物，吸收的相關(guān)可見光多，反射的光譜就少，從而制作出“反射光譜庫”，構(gòu)建“光譜”與作物生長關(guān)系模型；同時研制便攜式和機載式的監(jiān)測診斷設備，通過在農(nóng)田傳感器、無人機上安裝“機械眼”，實現(xiàn)從點到面的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測覆蓋。
“革新后的技術(shù)優(yōu)勢明顯，一是更加客觀、精確，從人眼看變成傳感器看，能夠消除大量的經(jīng)驗性誤差；二是更加快速，以往通過對化驗葉綠素，最起碼要10天的周期，等化驗結(jié)果出來，最佳施肥施藥期已過，現(xiàn)在是‘實時’監(jiān)測，農(nóng)戶只需手機下載相關(guān)軟件，足不出戶就可以實時查收作物監(jiān)測情況以及量化的施肥建議；三是適應規(guī)模化農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，未來農(nóng)業(yè)必將走適度規(guī)模的發(fā)展道路，規(guī)模就帶來需求，無人機等領(lǐng)先技術(shù)的應用將為規(guī)?；C械化、大面積農(nóng)田的作物監(jiān)測提供精確的分類指導?！?/p>
動態(tài)設計生產(chǎn)軌跡：作物生長的“營養(yǎng)師”
說到此項技術(shù)的創(chuàng)新點，田永超為記者打了一個形象的比喻，“就像專業(yè)的營養(yǎng)師，會根據(jù)人的不同年齡階段，定制相應的體格指數(shù)、體質(zhì)標準，我們做的則是針對作物不同生長階段特定的水肥需求情況，通過軟件建模，動態(tài)設計其生產(chǎn)軌跡?！?/p>
據(jù)了解，項目牽頭人，南京農(nóng)業(yè)大學曹衛(wèi)星教授，放棄國外優(yōu)厚待遇回到南農(nóng)，從2000年起來，帶領(lǐng)團隊潛心研究“稻麥生長指標光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)”。
“我們的項目歷時16年，之前做在的是‘基肥’的精確定量研究，即在作物下田之前，給出合適的水肥使用量指導，近年來，主要針對‘追肥’，即作物生長過程中的實時監(jiān)測?！?/p>
田永超告訴記者，項目組借助自主研發(fā)的作物生長監(jiān)測診斷系統(tǒng)、生長監(jiān)測診斷儀、農(nóng)田感知與智慧管理平臺等軟硬件產(chǎn)品，以作物長勢分布圖、肥水處方圖、產(chǎn)量品質(zhì)分布圖等為主要應用形式，為農(nóng)戶繪制出簡便實用的作物生長“營養(yǎng)圖”。
據(jù)了解，從2015年開始，農(nóng)業(yè)部組織開展了到2020年“化肥使用量零增長”和“農(nóng)藥使用量零增長”的“雙減行動”，推進化肥、農(nóng)藥減量增效，南京農(nóng)業(yè)大學的這項稻麥生長指標光譜監(jiān)測與定量診斷技術(shù)，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高化肥農(nóng)藥使用效率，提供了核心的支撐技術(shù)。
既然做的是“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”，自然少不了“計算機+農(nóng)學”的復合人才加盟。“從軟件到硬件，從實時診斷到定量調(diào)控，核心技術(shù)都是由團隊成員自主設計完成。”田永超介紹起這支具有復合專業(yè)背景的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技團隊，不無自豪?！拔覀儓F隊現(xiàn)有核心成員11人，專業(yè)背景涉及計算機、遙感、地理信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)工程等不同學科門類，在人才培養(yǎng)上，通過與植物保護學院、信息科技學院的合作，實現(xiàn)交叉性復合型人才的自主培養(yǎng)。”
“智慧農(nóng)業(yè)是未來的發(fā)展方向，我們屬于應用研究型學科，從基礎(chǔ)理論到應用推廣，橫跨農(nóng)業(yè)的上、中、下游，我們的研究既強調(diào)攀登理論前沿，又強調(diào)對接產(chǎn)業(yè)需求、提升團隊成員的實踐創(chuàng)新能力；既要能發(fā)表具有理論突破的論文，又要能發(fā)明專利，推出實用創(chuàng)新型產(chǎn)品?！?/p>
抓住“氮”，讓農(nóng)作物生長更快
氮（N）是植物生長需要量最大的元素，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)民往往大量施用氮肥。然而，氮同時又是十分活躍的元素，極易流失，不僅影響產(chǎn)量、造成浪費，還會對水體環(huán)境和人類健康造成危害。沈其榮告訴記者，研究團隊首次建立了采用同位素13C15N雙標記作物秸稈、畜禽糞便等有機肥料的技術(shù)。通過研究揭示，土壤中殘留的有機13C約有15%存在于土壤腐殖酸類物質(zhì)中，80%在土壤胡敏素中，5%左右在土壤微生物體內(nèi)。也就是說，通過有機肥使化肥15N快速轉(zhuǎn)化成微生物有機15N，再被礦化出無機氮，構(gòu)成土壤有效氮的存儲“過渡庫”，使土壤氮素供應過程與作物吸氮更相吻合，減少了氮素的揮發(fā)和浪費。這項有機無機肥料氮素協(xié)同增效的主要機制改變了以往化肥無機氮供應太快、土壤有機氮供應太慢的特性，用碳素“抓牢”氮素，為確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供了良好的氮素供應模式，為國內(nèi)外同行運用氮素進行相關(guān)研究打通了“快速通道”。
研究結(jié)果表明，與施用化肥相比，長期有機培肥不僅顯著提高土壤微生物量、多樣性及土壤酶活性，更使土壤微生物類群分布均勻，植物有益菌類群，如假單胞菌、芽孢桿菌、擬桿菌等豐富度增加，而喜酸環(huán)境的酸桿菌類顯著減少，這是長期有機培肥抑制土壤酸化根本原因。有機培肥還使土壤氮素循環(huán)相關(guān)的功能基因拷貝數(shù)顯著增多。此外，施用有機肥和有機無機復混肥還能降低土壤有機質(zhì)分解，并有助于土壤有機質(zhì)積累和土壤團粒結(jié)構(gòu)。這些研究結(jié)果的取得為提高有機肥施用量，減少化肥用量提供了重要的理論支撐。
為了讓更多的農(nóng)民能用上有機肥，該項目還建立了新鮮畜禽糞便生物脫水工藝。和傳統(tǒng)的固液分離工藝相比，新工藝不僅降低了脫水成本、減少環(huán)境污染，也減少了脫水環(huán)節(jié)的養(yǎng)分流失。研究人員在此基礎(chǔ)上還建立了適合于現(xiàn)代畜禽糞便的腐熟度檢測方法企業(yè)用比色法，使有機肥的生產(chǎn)更加方便高效。
有機肥作用機制關(guān)鍵問題的解決，使得具有“揚長避短”特點的商品有機肥和有機無機復混肥產(chǎn)品得到大面積推廣應用。在此基礎(chǔ)上，南農(nóng)的科研人員修訂了有機肥料的行業(yè)標準，提高了有機肥養(yǎng)分含量，這一舉措不僅為有機肥產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展保駕護航，還將有效促進我國耕地質(zhì)量的提升。商品有機肥和有機無機復混肥產(chǎn)品對生產(chǎn)和環(huán)境顯而易見的優(yōu)勢，也得到了相關(guān)部門的充分肯定，財政部國家稅務總局出臺有機肥產(chǎn)品免征增值稅政策，農(nóng)業(yè)部出臺土壤有機質(zhì)提升和商品有機肥補貼政策，提高了農(nóng)民施用有機肥的積極性。（通訊員 許天穎 陳潔）