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mg游戏网站:新型GIS农田管理决策系统节水省肥20,为全世界农业发展提供探索
发布时间:2020-03-26 06:55
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mg游戏网站 1中国的梯田,研究人员在此提升作物产量至接近其生物物理极限。

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“中国70%的淡水资源用于农田灌溉,40%的农业成本是化肥,但有些地区灌溉用水的利用率只有2/3、化肥的利用率只有1/3。除了浪费,过量灌溉、施肥的环境代价极高,会污染地下水、产生温室气体。”近日,在第四届中澳科技研讨会上,澳大利亚墨尔本大学土地与食品资源学院教授陈德立介绍了在中澳合作项目中研发的农田管理决策系统,该系统可以给农民提供因地制宜的最佳农田管理方法,并节水省肥、降低成本和污染,已在中国3个县实验成功,正向澳大利亚推广。 灌溉和施肥是增加粮食产量的最重要途径,中国45%的农田是灌溉田,这些灌溉田生产了全国80%的粮食。然而,中国这个严重缺水的国家却存在灌溉用水和施肥过量的问题。“据我们调查,华北平原有20%的农户施肥量比最高产量需要的化肥还要高。”陈德立在接受《科学时报》采访时表示,在达到一定量之后,增加肥料对产量增加的影响很少,因此导致化肥利用率降低,并造成地下水污染、温室气体排放——氮肥产生的N2O的温室气体效应是CO2的300倍。中国和澳大利亚4%~6%的温室气体都是由施肥排放的。 与中国类似,澳大利亚的农田灌溉消耗了65%的淡水资源,0.5%的灌溉耕地创造了23%的产值,出口了80%的粮食;90%的农户还在使用漫灌,很少用喷灌、滴灌;除发电厂外,农业是澳大利亚第二大温室气体排放源,之后才是交通。 为什么农民会使用过多的肥料和水,进而造成浪费和低效率?陈德立表示:“通过我们多年的调查,发现3个原因:第一,农民没有这方面的信息,可能觉得施肥越多越好。其实,面对不同的土壤条件、气候带、庄稼,应该实施因地制宜的管理措施。第二,水价不合理,较低的水价造成农民没有动力节约用水。其实,现在补贴水价的政策可以换为补贴粮价、增加水价,实际省水就能省钱了。第三,农民缺乏环境意识。” 可持续发展说起来容易,做起来难。但是如果有一个简单、易用的工具,既能因地制宜地管理土地,也能考虑到经济效益和环境效益的平衡,则较易实行。基于这样的考虑和两国类似的问题,自1997年起,澳大利亚墨尔本大学与中科院南京土壤所、中国农业大学在华北平原、山西等地合作开展了两个联合项目,研究最佳的农田水氮管理方法,经过10年的研究做出了基于GIS的农田决策支持系统。 项目完成后,澳大利亚基金会雇用独立评估公司到中国进行调查。结果,在ADDS所实验的3个县,50%~70%的农户采用了化肥管理措施,少用化肥20%~23%,减少灌溉相当于节约资金每公顷10~45澳元,作物年度增产4%。单位农田成本降低12%~18%,相当于农民每年增加收入50~109澳元,项目经济效益评估为2.16亿澳元。 作为项目负责人,陈德立向《科学时报》记者演示了ADDS。打开界面是一张河南省丰丘县地图,图上不同颜色的地块代表了不同类型的土壤。用鼠标点击其中一块,系统就会给出既考虑了土壤、气候条件又考虑了环境效益的最佳决策,告诉农民一年中需要施肥、灌溉的日期和用量;并能显示产量、肥料进入空气损失的量,肥料以温室气体形式释放的量和对地下水造成的污染量等。 在同一地块,陈德立将用水量和施用的氮肥量从系统给出的最佳值345提高到有些农民使用的450。结果,产量虽然从12.1吨增加到13吨,但肥料成本同时上涨,而对地下水的污染也从7公斤变成21公斤,温室气体排放也增加了30%,综合评价指标立即下降。 减少了用水量、地下水污染、温室气体排放,这笔经济账怎么算?陈德立说:“这很复杂,涉及到资源定价的问题。但是我们调查了几百户农民的环境意识,可接受的肥料价、水价,验证不同政策对环境、水、肥料的影响,刚刚做出了生物物理模型与经济学模型结合的环境经济学模型,可以根据这个模型找到水价、肥料价格和产量、收入之间最佳的平衡点。” 陈德立的研究组还把决策模型放到掌上电脑中。借助摄像头拍下当地小麦照片,之后根据照片中绿色小麦和暗色土壤的比例,算出土壤的供氮能力,就可获得实时土壤数据用于ADDS。据悉,只要摄像头分辨率达到200万像素,市场上任何一款普通PDA都能应用。实验所用PDA价格约1000澳元。 陈德立说:“这种方法可以提高精度,获得实时数据。农民或者农业技术推广人员只要拿着一台PDA就可以操作。在澳大利亚,PDA可以无线上网获得气象局的免费气象资料,加上照片的实时土壤资料,精度达到80%以上,可以更科学地指导农民。” 如此简单、好用的系统,背后却有10年的工作、试验、测定、验证。 “过去10多年间全世界都在想怎么把过程模型和地理信息系统结合起来形成空间模型,最后形成决策模型,我们的工作目前世界领先,但是需要大量人力、财力、时间。”陈德立表示,这两个项目有20多位来自两国的水、大气、化学、土壤等不同领域的科学家参与,需要模拟水分循环、养料循环、植物生长、地下水运动、土壤有机质分解等生物化学过程和不同人为管理措施的影响,并要大量验证;在华北平原丰丘、栾城和曲周3个县,以30米×30米地块为单位,研究人员模拟了所有土地,其中仅丰丘县土地面积就为9万公顷;研究还使用了世界上最先进的设备,如开路激光的微气象方法、用卫星遥感采集大面积的植物生长数据。从1998年到2007年,项目持续获得双方包括人员工资在内近400万澳元的资金。 除了中国和澳大利亚,ADDS可以在世界其他地方使用。陈德立说:“世界各国用于农业灌溉的淡水都差不多,大约占国家淡水资源的60%~70%。斯坦福大学地球科学学院院长PamelaMatson认可我们的决策模型是世界领先的,她去年派博士生到我们这里学习,之后做出墨西哥农田决策模型,目前正在墨西哥作小麦、玉米的试验。” 对于未来的市场推广,陈德立表示:“我们的研究是公益性研究,而且我们的研究经费都是由政府、基金会出的,工资是大学发的,并且服务对象是农民,我们不会收费。”

过去二十年来,评论员把转基因作物称作是解决世界食品危机的灵丹妙药。然而,想要避免土壤的进一步退化、自然栖息地的破坏和空气与水的污染,同时让粮食显著增产,以养活持续增长的世界人口,农业仍需吸纳多种方法。

过去二十年来,评论员把转基因作物称作是解决世界食品危机的灵丹妙药。然而,想要避免土壤的进一步退化、自然栖息地的破坏和空气与水的污染,同时让粮食显著增产,以养活持续增长的世界人口,农业仍需吸纳多种方法。

中国正在推进这种混合策略,这给世界其他地方提供了一个非比寻常的实验室。从2003年到2011年,中国谷物增产了大约32%(是世界平均水平的二倍还多[1])。这其中主要靠的是改善低效农田的效率。然而要满足未来二十年中国的预计需求,仍需要增产30-50% [2]。中国几乎没有更多可以开垦的土地,而且有些地方水资源短缺已触及警戒线。更糟的是,化肥滥用是空气污染的罪魁之一[3],而空气污染是造成每年成千上百例早逝的主要风险因素。滥用化肥也导致众多河湖、沿海地区受水华之害,其中以华南为甚。

中国正在推进这种混合策略,这给世界其他地方提供了一个非比寻常的实验室。

受如此迫切的需求驱动,为了生产更多的粮食,也为了减轻农业的环境危害,中国科学家正运用政府资金致力于提升粮食产量至其生物物理极限。关于如何用最少的经济环境成本换取最大的产量,发展中和发达经济体要向中国寻求指导,整合包括基因改造在内的各种实验和建模研究。

从2003年到2011年,中国谷物增产了大约32%。这其中主要靠的是改善低效农田的效率。然而要满足未来二十年中国的预计需求,仍需要增产30-50% [2]。

多种方法让农田更肥沃

中国几乎没有更多可以开垦的土地,而且有些地方水资源短缺已触及警戒线。更糟的是,化肥滥用是空气污染的罪魁之一[3],而空气污染是造成每年成千上百例早逝的主要风险因素。

在美国,人均耕地面积有半公顷多一点。相比之下,中国13亿人,人均可利用耕地仅有十分之一公顷。这个国家有2.3亿块农田,其中90%多都很小——比如,华北平原一块典型的农田大概7米宽,160米长[4]。这些农田的所有者经常在临近的市镇有别的工作,而土地又如此之小,因此对他们来说,投资机械设备和全年作物与土壤管理没有什么经济意义。同时,连年耕作耗尽了中国许多土壤的天然营养储备,而肥料滥用又造成了土壤酸化[5]。总体上,施于土地的肥料只有不到50%被作物吸收了[6]——剩余的大部分都泄漏进了环境。

滥用化肥也导致众多河湖、沿海地区受水华之害,其中以华南为甚。

面对此种挑战,中国农业科学家正试图通过农田生态系统分析,给玉米、大米、小麦等本国主要粮食增产。在试验田和农田研究中,他们追踪了水、营养、遗传物质、太阳能与化石能源、人畜力等输入产出项。例如,通过化学检测雨水和灌溉水、监视化肥和粪肥的添加量,研究人员估算出了进入系统的营养物质的总量与种类。通过调整重复实验田的条件和方法,并经过多年跟踪,各类输入产出已经能够达到最优,能消耗最少的资源和营养物质获得最大的收益。在北京,一个由中国农业大学带头、16所院校及研究所共同参与的项目中,研究人员在过去5年研究了11个省份、将近500块实验田里玉米、大米、小麦的生长。迄今他们已经实验田中获得作物增产和氮肥效率提高30%-50%。

受如此迫切的需求驱动,为了生产更多的粮食,也为了减轻农业的环境危害,中国科学家正运用政府资金致力于提升粮食产量至其生物物理极限。

研发新作物品种和杂交品种的基础研究,也是增加作物产量和减少环境危害的一个重要部分,而在这其中转基因技术近年变得日益重要。中国首例获准商业使用的转基因作物——转基因Bt棉的种植,让农民自1997年起增收约6%,减少杀虫剂使用大概80%。即便中国公众对转基因粮食作物持谨慎态度,中国中央政府仍于2008年建立了一项耗资250亿人民币(相当于当时37亿美元)、针对转基因的12年研发计划。仰仗省级政府的资助[8],该计划得以囊括中国的主粮作物。

关于如何用最少的经济环境成本换取最大的产量,发展中和发达经济体要向中国寻求指导,整合包括基因改造在内的各种实验和建模研究。

农学家同时在以下方面开展了研究:茎、叶、谷粒的生长过程中水、营养和阳光的分配;土壤构造和根部化学过程的作用;生物、化学、地质作用如何决定土壤性质。这些研究让我们能知悉使用肥料的最佳时机,抑或是决定种植日期与植株密度,以最好的利用水和阳光。例如,得益于近来在20个省份、5000多块试验田进行的一项根区养分管理研究,由中国农业大学带头的一个团队在7年的时间里,使作物平均增产12%,同时减少了24%的肥料使用。

多种方法让农田更肥沃

mg游戏网站 3由于附近的田地排放了过量肥料,湖北的一片湖被藻类阻塞。

在美国,人均耕地面积有半公顷多一点。相比之下,中国13亿人,人均可利用耕地仅有十分之一公顷。

已经取得的成果

这个国家有2.3亿块农田,其中90%多都很小——比如,华北平原一块典型的农田大概7米宽,160米长[4]。

得益于从实验田和实际农田里学到的知识,中国科学家已经在维持产量的前提下把肥料使用降到了经济最优水平。2003到2006年,一项囊括49个位于华北平原和太湖地区的真实农田的田间试验的研究里,在不造成大米、小麦或玉米减产的前提下,来自各机构的研究人员减少了30-60%的肥料用量[6]。(此研究支持了前文提到的肥料利用和效率的其他研究。)其他一些生态系统建模得出的结论也很有前景。

这些农田的所有者经常在临近的市镇有别的工作,而土地又如此之小,因此对他们来说,投资机械设备和全年作物与土壤管理没有什么经济意义。

为了实现全国粮食增产30%-50%的目标,中国政府在农业研究的投入,从2000年的70亿人民币提高到了2009年的244亿人民币,是原先的三倍还多;两者分别占国内生产总值的0.36%和0.66%。自2008年起,国家已经给发展现代农业技术的全国性组织网络分配了30亿资金。这一网络成立之初即包括50所高校、340家研究所、200家公司,以及超过2000名农学家。

同时,连年耕作耗尽了中国许多土壤的天然营养储备,而肥料滥用又造成了土壤酸化[5]。总体上,施于土地的肥料只有不到50%被作物吸收了[6]——剩余的大部分都泄漏进了环境。

即使如此,把如此多的研究结果转化成大量的小型农田实践,依然是一项严峻挑战。为了完成知识到技术的转化,中国政府在全国主持了1.2万多项研发主导的作物和土壤管理示范;同时建立了一些项目津贴,比如去年,在指导农民肥料添加的用时用量的试验里投入了15亿人民币。

面对此种挑战,中国农业科学家正试图通过农田生态系统分析,给玉米、大米、小麦等本国主要粮食增产。

mg游戏网站 4中国大多农田都很小,同时做到增产和降低空气污染等环境成本很难。

在试验田和农田研究中,他们追踪了水、营养、遗传物质、太阳能与化石能源、人畜力等输入产出项。

中国农业研究需要紧跟不同寻常的社会变化,还要关注日益增长的粮食、资源和环境需求。随着数百万人涌入北上广等城市寻求工作机会,南北方农业中心劳动力将日益短缺。农田可能会合并,一个人就要管理几公顷土地。另一方面,随着更多的肉类和奶制品需求,饲料进口将增加。比如中国2012年将近80%的大豆(5840万吨)都是进口的。

例如,通过化学检测雨水和灌溉水、监视化肥和粪肥的添加量,研究人员估算出了进入系统的营养物质的总量与种类。

中国这种数百万小块农田组成的农业系统很特殊。然而中国农业研究的视角、质量和历程,还有应对基本环境挑战的意愿和需要,值得印度、孟加拉等国从中国科学家和系统中获得指导。欧洲、北美、新西兰、澳大利亚等地的农户同样能从中国的方法中学到东西。节约资源,减少环境影响,应对气候变化,不断增产,这些对每一个国家都是至关重要的目标。

通过调整重复实验田的条件和方法,并经过多年跟踪,各类输入产出已经能够达到最优,能消耗最少的资源和营养物质获得最大的收益。

本文作者张福锁为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心主任。陈新平为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心教授;Peter Vitousek为美国斯坦福大学生物系教授。

在北京,一个由中国农业大学带头、16所院校及研究所共同参与的项目中,研究人员在过去5年研究了11个省份、将近500块实验田里玉米、大米、小麦的生长。迄今他们已经实验田中获得作物增产和氮肥效率提高30%-50%。

本文编译自Nature:An experiment for the world

研发新作物品种和杂交品种的基础研究,也是增加作物产量和减少环境危害的一个重要部分,而在这其中转基因技术近年变得日益重要。

图片来自Nature

 

中国首例获准商业使用的转基因作物——转基因Bt棉的种植,让农民自1997年起增收约6%,减少杀虫剂使用大概80%。即便中国公众对转基因粮食作物持谨慎态度,中国中央政府仍于2008年建立了一项耗资250亿人民币、针对转基因的12年研发计划。仰仗省级政府的资助[8],该计划得以囊括中国的主粮作物。

农学家同时在以下方面开展了研究:茎、叶、谷粒的生长过程中水、营养和阳光的分配;土壤构造和根部化学过程的作用;生物、化学、地质作用如何决定土壤性质。

这些研究让我们能知悉使用肥料的最佳时机,抑或是决定种植日期与植株密度,以最好的利用水和阳光。

例如,得益于近来在20个省份、5000多块试验田进行的一项根区养分管理研究,由中国农业大学带头的一个团队在7年的时间里,使作物平均增产12%,同时减少了24%的肥料使用。

已经取得的成果

得益于从实验田和实际农田里学到的知识,中国科学家已经在维持产量的前提下把肥料使用降到了经济最优水平。

2003到2006年,一项囊括49个位于华北平原和太湖地区的真实农田的田间试验的研究里,在不造成大米、小麦或玉米减产的前提下,来自各机构的研究人员减少了30-60%的肥料用量[6]。其他一些生态系统建模得出的结论也很有前景。

为了实现全国粮食增产30%-50%的目标,中国政府在农业研究的投入,从2000年的70亿人民币提高到了2009年的244亿人民币,是原先的三倍还多;两者分别占国内生产总值的0.36%和0.66%。

自2008年起,国家已经给发展现代农业技术的全国性组织网络分配了30亿资金。这一网络成立之初即包括50所高校、340家研究所、200家公司,以及超过2000名农学家。

即使如此,把如此多的研究结果转化成大量的小型农田实践,依然是一项严峻挑战。为了完成知识到技术的转化,中国政府在全国主持了1.2万多项研发主导的作物和土壤管理示范;同时建立了一些项目津贴,比如去年,在指导农民肥料添加的用时用量的试验里投入了15亿人民币。

中国农业研究需要紧跟不同寻常的社会变化,还要关注日益增长的粮食、资源和环境需求。

随着数百万人涌入北上广等城市寻求工作机会,南北方农业中心劳动力将日益短缺。农田可能会合并,一个人就要管理几公顷土地。

另一方面,随着更多的肉类和奶制品需求,饲料进口将增加。比如中国2012年将近80%的大豆都是进口的。

中国这种数百万小块农田组成的农业系统很特殊。然而中国农业研究的视角、质量和历程,还有应对基本环境挑战的意愿和需要,值得印度、孟加拉等国从中国科学家和系统中获得指导。

欧洲、北美、新西兰、澳大利亚等地的农户同样能从中国的方法中学到东西。节约资源,减少环境影响,应对气候变化,不断增产,这些对每一个国家都是至关重要的目标。

本文作者张福锁为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心主任。陈新平为中国农业大学资源环境与粮食安全研究中心教授;Peter Vitousek为美国斯坦福大学生物系教授。

来源:果壳网

本文编译自Nature:An experiment for the world

图片来自Nature

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