精準施藥、肥、水的環(huán)境效益與展望

王子輝 刀劍 吳建 王悅 時玲

摘要：精準農(nóng)業(yè)是一種兼顧農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生產(chǎn)方式。本文主要論述了精準農(nóng)業(yè)中精準施藥、精準施肥和精準灌溉的環(huán)境效益，分析了目前在實際生產(chǎn)中應用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的限制因素，并給出加強其推廣應用的建議。

關(guān)鍵詞：精準農(nóng)業(yè);精準施藥;精準施肥;精準灌溉;生態(tài)環(huán)境效益;限制因素

中圖分類號：S127文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0156-05

隨著人口不斷增長，未來幾十年全球農(nóng)作物需求將持續(xù)增長，不僅將加重農(nóng)作物和可耕地的生產(chǎn)壓力，同時也意味著農(nóng)藥、化肥和農(nóng)業(yè)用水的使用量將會大幅增加，由此產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)污染將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中引入和采用一些先進的科學技術(shù)以降低農(nóng)業(yè)污染物對環(huán)境的影響，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-3]。

精準農(nóng)業(yè)是以農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學和資源環(huán)境保護為指導思想，鼓勵人們朝著更可持續(xù)的做法和行為轉(zhuǎn)變來進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可在增加現(xiàn)有農(nóng)田糧食產(chǎn)量的同時盡可能減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境造成的壓力[4-6]。自20世紀90年代以來，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，目前一些國家或地區(qū)特別是發(fā)達國家或地區(qū)對該技術(shù)進行了有效的推廣，已在施藥、施肥和灌溉等方面得到廣泛應用，在節(jié)能、增產(chǎn)和環(huán)保等方面均取得了顯著成效[7]。

本文系統(tǒng)地綜述了精準農(nóng)業(yè)技術(shù)在減少化學藥品使用、節(jié)肥和節(jié)水方面的環(huán)境效益，分析了在實際生產(chǎn)中采用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)存在的主要問題和制約因素，并提出解決策略。

1 精準施藥的環(huán)境效益

農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)病蟲害管理中發(fā)揮了重要作用，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[8]。使用化學農(nóng)藥能有效控制作物病、蟲、草害，全世界每年可挽回農(nóng)作物總產(chǎn)量損失的30%～40%，挽回經(jīng)濟損失約3 000億美元[9]。但農(nóng)藥的使用也導致了河流及地下水污染，破壞生態(tài)環(huán)境[3]。Rasmussen等[10]通過對丹麥地區(qū)淡水中殘留農(nóng)藥成分的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥施用是淡水系統(tǒng)中殘留農(nóng)藥的主要貢獻者;農(nóng)藥及其殘留物可能會持續(xù)存在，甚至在淡水生態(tài)系統(tǒng)的沉積物中積累。目前應用量最大的農(nóng)藥也是地表水中最常見的農(nóng)藥，水溶性和持久性化合物的濃度水平較高[11，12]。

糧食生產(chǎn)當前和未來的增長必須以質(zhì)量更好、毒性更低的食品生產(chǎn)為目的[13]。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)被認為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)的主要貢獻者，可以使農(nóng)藥等化學藥品的使用量和排放量大幅減少[14]。精準施藥以提高農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)藥殘留對食品和環(huán)境的污染為目的，是施藥發(fā)展的方向[15]。以除草劑的精準施用為例：Bargaheiser等[16]采用圖像分析方法對特定的雜草進行檢測，節(jié)省了20%～90%的除草劑施用量。Rsch等[17]研究表明農(nóng)藥的地區(qū)特定使用可以將殺真菌劑的施用量減少約20%，除草劑減少50%以上。Tian等[18]開發(fā)和測試了應用機器視覺系統(tǒng)引導的精密噴霧器，能夠?qū)崟r估算雜草密度和大小，實現(xiàn)特定地點的雜草控制，并有效降低玉米和大豆田除草劑的施用量，可以節(jié)省48%的除草劑。Giles等[19]研發(fā)了一種機器視覺制導、用于小型植物葉面藥物噴灑的精確噴霧器，在目標上的沉積效率為傳統(tǒng)噴霧器的2.6～3.6倍，而非目標區(qū)沉積減少72%～99%。此外，在植物最敏感部位使用微量注射劑進行精確的除草劑防治，可以進一步減少化學藥品的使用[20]。精準施藥在降低土壤和水源中農(nóng)藥成分含量的同時，也將符合食品安全生產(chǎn)的政策。

2 精準施肥的環(huán)境效益

化肥投入是影響糧食產(chǎn)量增長的重要因素，1978—2006年間化肥投入對我國糧食產(chǎn)量增長的彈性值為0.20，貢獻率達56.81%，是所有投入要素中貢獻最大的一項[21]。為了防止營養(yǎng)缺乏或降低產(chǎn)量損失，農(nóng)民往往在整個農(nóng)場以統(tǒng)一的速度施用投入品（如肥料和殺蟲劑），忽略了土壤肥力和病蟲害在田間分布存在的差異性[22]，易導致投入品施用過量，而過度施用導致的淋溶和徑流損失不僅對資源質(zhì)量（例如土壤和水）產(chǎn)生不利影響，而且對整個生態(tài)系統(tǒng)及經(jīng)濟和人口也會產(chǎn)生相應的影響。因此，資源不適配制對于糧食安全的可持續(xù)性具有嚴重影響。

精準施肥是依據(jù)土壤養(yǎng)分狀況、作物需肥規(guī)律和目標產(chǎn)量，調(diào)節(jié)施肥量、氮磷鉀比例和施肥時期，達到提高化肥利用率、最大限度利用土地資源、以合理的肥料投入量獲取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟效益、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和自然資源的目的，是精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的核心內(nèi)容[23]。現(xiàn)代遙感技術(shù)（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等為精準施肥提供了可能。例如，可以通過遠、近端（衛(wèi)星和無人機）遙感技術(shù)對作物葉面的營養(yǎng)狀況進行監(jiān)測，通過一些便攜式的儀器（如葉綠素計）對田間作物進行農(nóng)學參數(shù)測定，同時采用這兩種數(shù)據(jù)，利用GPS技術(shù)，可以實現(xiàn)田間營養(yǎng)成分的變速率施用，為精準施肥提供決策參考[24，25]。Takcs-Gyrgy等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在歐盟27國采用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)后，相同的預期產(chǎn)量水平下，化肥的有效成分用量可減少34萬噸，而農(nóng)藥使用可節(jié)約3萬噸（以2012年的劑量水平計算）;如果16個歐盟同盟國中約30%的農(nóng)作物和混合農(nóng)場采用這種新技術(shù)，將使環(huán)境負荷降低10%～35%。Delgado等[27]研究表明，利用RS、GPS、GIS和建模來評估氮的最佳管理方法，可將玉米田土壤中殘留硝酸鹽的淋失損失降到最低。

綜之，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)可以顯著減少化肥和其他農(nóng)用化學品的用量及水的消耗量，進而降低農(nóng)業(yè)對水資源富營養(yǎng)化的影響。

3 精準灌溉的環(huán)境效益

灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)用水占到了全球淡水消耗的69%[28]。因此，在季節(jié)性降雨量不足以滿足作物需水量的地區(qū)，需綜合考慮土壤和植物的狀態(tài)及氣候變化，改進灌溉規(guī)劃系統(tǒng)，開發(fā)利用新的灌溉技術(shù)，以提高灌溉效率[29]。

灌溉與否及灌水量的多少主要由四個因素決定——土壤含水量、作物需水量、降雨量和灌溉系統(tǒng)的效率[30]。精準灌溉正是綜合考慮這四個因素、在滿足作物正常需水量的同時提高灌溉效率的一種灌溉方式。滴灌是精準灌溉的主要代表，在部分國家被廣泛采用，其水分利用效率與傳統(tǒng)的表面灌溉方法相比更高[28]。目前澳大利亞農(nóng)田灌溉的總面積約250萬公頃，其中約10%使用滴灌系統(tǒng)灌溉，應用該灌溉系統(tǒng)的農(nóng)田單位面積產(chǎn)量是其他灌溉方式的4～6倍，年收獲量可以達到該國全年農(nóng)業(yè)總收獲量的40%，并且應用滴灌系統(tǒng)可以有效減少根區(qū)養(yǎng)分的淋失和浸出，提高土壤養(yǎng)分和水分利用率[31]。

另有研究表明，在精準農(nóng)業(yè)中，采用激光精確地平整農(nóng)田后灌溉效率將顯著增加，水的平均應用效率為65%，貯存率為70%，水的分布率為80%[32]，水稻、豌豆的產(chǎn)量也增加了12%～20%[25]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也為精準施肥和灌溉提供了技術(shù)保障，可通過傳感器實時監(jiān)測土壤養(yǎng)分和水分含量，及時、準確地做出施肥、灌溉決策，更好地實現(xiàn)精準施肥和灌溉[33，34]。

4 精準農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣應用的限制因素及建議

4.1 限制因素

4.1.1 人們對精準農(nóng)業(yè)環(huán)境效益的認識有待增強 平衡農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的影響已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，但是，除少數(shù)發(fā)達國家外，多數(shù)發(fā)展中國家對此仍然缺乏足夠的重視。迫于人口增長對糧食需求的壓力，提高糧食產(chǎn)量仍然是多數(shù)發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的首要目標，在此大環(huán)境影響下，人們往往忽略生態(tài)環(huán)境保護與切身利益之間的聯(lián)系，缺乏對精準農(nóng)業(yè)環(huán)境效益的認知。而政府部門未充分發(fā)揮對精準農(nóng)業(yè)的宣傳示范和引領作用，也影響了人們對精準農(nóng)業(yè)環(huán)境效益的關(guān)注、理解和行動。

4.1.2 精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用和推廣存在困難 雖然目前已有許多國家發(fā)展了更有益于本國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的精準技術(shù)，但是仍有相當部分國家對該技術(shù)的應用和實際推廣嚴重滯后于該技術(shù)研究所取得的成果[35]。主要原因如下：首先，精準農(nóng)業(yè)實施的前期投入較高，若政府不提供經(jīng)費資助或補貼，以家庭為單位的農(nóng)戶多無力承擔，目前精準農(nóng)業(yè)僅在部分中型和大型農(nóng)場中實施。其次，農(nóng)民采用新技術(shù)的主要目的是提高盈利能力，其對新技術(shù)能否盈利的不確定性會受到新技術(shù)可行性和投資成本的顯著影響。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)前期成本較高，農(nóng)戶獨自實施難度大，且短期內(nèi)與采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相比在經(jīng)濟回報方面差異甚微，嚴重影響了農(nóng)民采用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的意愿[36]。另外，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用同樣要求使用者不僅要有較高的專業(yè)知識和技術(shù)水平，還要有較高水平的管理技能，但目前很少有針對如何應用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的培訓，農(nóng)民缺乏相關(guān)的專業(yè)知識和技能[37]，這也在一定程度上限制了精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣。

4.2 建議

4.2.1 建立健全農(nóng)業(yè)環(huán)保法規(guī)，加強各項環(huán)保政策的實施 政府部門需制定健全的環(huán)保法規(guī)，加強對化肥、農(nóng)藥和其他化學品使用的監(jiān)管和監(jiān)督，并使用一些激勵手段促進農(nóng)戶采用對環(huán)境影響較小的生產(chǎn)實踐活動。如美國政府為了控制養(yǎng)分流失和溫室氣體等污染，實施了各種各樣的農(nóng)業(yè)政策，如排碳、氮稅[38];歐盟于1991年規(guī)定每年氮肥的施用量不超過170 kg/hm2，以降低環(huán)境中的硝酸鹽積累量[39]。

4.2.2 繼續(xù)加大對精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應用 精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的實施應用需要大量信息技術(shù)驅(qū)動的分析技能，不僅需要收集機械操作的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，還需要能對復雜數(shù)據(jù)進行管理、解釋和決策[40，41]。因此，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的提供方需要建立培訓中心，幫助生產(chǎn)者更好地掌握和使用該技術(shù)。

政府部門也需要在培訓費和前期投入上提供資金補貼和優(yōu)惠政策，依靠稅收、補貼、成本分攤計劃和類似的財政激勵措施來提升生產(chǎn)者采用精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的意愿。

從增加農(nóng)民收入著手，繼續(xù)深入研究精準農(nóng)業(yè)技術(shù)，設計開發(fā)一些操作簡單、價位低廉的產(chǎn)品，降低精準農(nóng)業(yè)的實施成本，提高其可操作性[42，43]，并通過提升農(nóng)民對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的認知水平，推動精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的普及和應用。

5 精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用展望

精準農(nóng)業(yè)是通過適當?shù)馁Y源利用和管理，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好型農(nóng)業(yè)的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)，有助于開發(fā)農(nóng)業(yè)的綜合管理潛力，實現(xiàn)不可再生資源的可持續(xù)利用，大幅增加農(nóng)民收入并減少工作量。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的變革，是未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。

從精準農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展到成熟再到其廣泛應用仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)，今后需進一步加大對精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應用，更好地發(fā)揮其提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量及增強農(nóng)業(yè)對生態(tài)環(huán)境效益的最大潛力。

參 考 文 獻：

[1]Tilman D， Balzer C， Hill J， et al. Global food demand and the sustainable intensification of agriculture [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2011， 108（50）：20260-20264.

[2]Bisoyi L K. Inter-linking of river basins of India—risks vs benefits [C]//Proceeding of 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in High-Tech Agriculture and Horticulture. Bangalore， India， 2006： 218.

[3]Ju X T，Xing G X，Chen X P，et al. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2009，106（19）： 3041-3046.

[4]Garnett T， Appleby M C， Balmford A， et al. Sustainable intensification in agriculture： premises and policies [J]. Science，2013， 341（6141）：33-34.

[5]Balafoutis A， Bert B， Fountas S， et al.Precision Agriculture Technologies positively contributing to GHG emissions mi-tigation， farm productivity and economics [J]. Sustainability， 2017， 9（8）：1339.

[6]Huang Y X， Yang Q. Impact of precision agriculture on environment [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（13）：250-254.

[7]Mondal P， Basu M. Adoption of precision agriculture technologies in India and in some developing countries： scope， present status and strategies [J]. Progress in Natural Science， 2009， 19（6）：659-666.

[8]Beddington J. Food security： contributions from science to a new and greener revolution [J]. Philosophical Transact-ions of the Royal Society of London B： Biological Sciences， 2010， 365（1537）：61-71.

[9]紀明山. 農(nóng)藥對農(nóng)業(yè)的貢獻及發(fā)展趨勢[J].新農(nóng)業(yè)，2011（4）：43-44.

[10]Rasmussen J J， Wiberg-Larsen P， Baattrup-Pedersen A， et al. The legacy of pesticide pollution： an overlooked factor in current risk assessments of freshwater systems [J].Water Research， 2015， 84（1）：25-32.

[11]Dai G H， Liu X H， Liang G， et al. Evaluating the exchange of DDTs between sediment and water in a major lake in North China [J].Environmental Science and Pollution Research， 2014， 21（6）：4516-4526.

[12]Moschet C， Irene W， Simovict J， et al.How a complete pesticide screening changes the assessment of surface water quality[J].Environmental Science and Technology，2014， 48（10）：5423-5432.

[13]Carvalho F P. Pesticides， environment， and food safety[J]. Food and Energy Security， 2017， 6（2）：48-60.

[14]Aubert B A， Schroeder V， Grimaudo J， et al. IT as enabler of sustainable farming：an empirical analysis of farmers adoption decision of precision agriculture technology[J]. Decision Support Systems， 2012，54（1）：510-520.

[15]張波，翟長遠，李瀚哲， 等. 精準施藥技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)機化研究， 2016， 38（4）： 1-5， 28.

[16]Bargaheiser K， Nordmeye D H. Greening of mortars with pozzolans[J]. Journal of ASTM International， 2006， 3（9）：1-9.

[17]Rsch C， Dusseldorp M. Precision agriculture： how innovative technology contributes to a more sustainable agriculture[J]. GAIA-Ecological Perspectives for Science and Society， 2007， 16（4）： 272-279.

[18]Tian L， Reid J F， Hummel J W. Development of a precision sprayer for site-specific weed management[J]. Transactions of the ASAE， 1999， 42（4）：893-900.

[19]Giles D K， Slaughter D C. Precision band sprayer with machinevision guidance and adjustable yaw nozzles [J].Transactions of the ASAE， 1997， 40（1）： 29-36.

[20]Slaughter D C， Giles D K， Downey D.Autonomous robotic weed control systems： a review[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2008， 61（1）：63-78.

[21]王祖力，肖海峰. 化肥施用對糧食產(chǎn)量增長的作用分析[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟問題， 2008（8）： 65-68.

[22]Khanna M. Site-specific crop management： adoption patterns and incentives [J].Review of Agricultural Economics，1999，21（2）：455-472.

[23]陳桂芬，馬麗， 陳航. 精準施肥技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學學報， 2013，35（3）： 253-259.

[24]Mulla D J. Twenty five years of remote sensing in precision agriculture： key advances and remaining knowledge gaps [J]. Biosystems Engineering， 2013， 114（4）：358-371.

[25]Chaudhuri D， Mathankar S K， Singh V V， et al. Effect of precision land leveling on production of pigeonpea crop— a case study [C]// Proceedings of the 40th Annual Convention and Symposium of ISAE.2006.

[26]Takcs-Gyrgy K. Economic aspects of an agricultural innovation precision crop production [J]. APSTRACT： Applied Studies in Agribusiness and Commerce， AGRIMBA， 2012， 6（1/2）： 1-8.

[27]Delgado J A， Bausch W C. Potential use of precision conservation techniques to reduce nitrate leaching in irrigated crops[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 2005， 60（6）：379-387.

[28]Al-Jamal M S， Ball S， Sammis T W. Comparison of sprinkler， trickle and furrow irrigation efficiencies for onion production [J]. Agric. Water Manage.， 2001， 46（3）： 253-266.

[29]López-Riquelme J A， Pavón-Pulido N， Navarro-Hellín H， et al. A software ??architecture based on FIWARE cloud for Precision Agriculture[J]. Agricultural Water Management， 2016， 183： 123-135.

[30]Shafian S， Maas S J. Index of soil moisture using raw landsat image digital count data in Texas High Plains[J]. Remote Sensing，2015，7（3）：2352-2372.

[31]Cook F J， Hutson J L， Rassam D W， et al.Soil-water and solute movement under ?precision irrigation： knowledge gaps for managing sustainable root zones [J]. Irrigation Science， 2007， 26（1）： 91-100.

[32]Rajput T B S， Patel N. Laser land leveling a step towards precision agriculture [C]// Proceedings of the 19th National Convention of Agricultural Engineers on Role of Information Technology in ??????High-tech Agriculture and Horticulture.Bangalore， India， 2006： 120-130.

[33]Mouazen A M， Maleki M R， De Baerdemaeker J， et al. Online measurement of some selected soil properties using a VIS-NIR sensor [J].Soil and Tillage Research， 2007， 93（1）：13-27.

[34]Sparovek G， Schnug E. Soil tillage and precision agriculture-a theoretical case study for soil erosion control in Brazilian sugar cane production [J]. Soil and Tillage Research， 2001， 61（1）：47-54.

[35]Lindblom J， Lundstrm C， Ljung M， et al. Promoting sustainable intensification in precision agriculture： review of decision support systems development and strategies [J]. Precision Agriculture， 2017， 18（3）： ?309-331.

[36]Carr P M， Carlson G R， Jacobsen J S， et al. Farming soils， not field： a strategy for increasing fertilizer profitability[J]. Journal of Production Agriculture， 1991， 4（1）： 57-61.

[37]Nábrádi A. Role of innovations and ?knowledge—infrastructure and institutions [J]. Applied Studies in Agribusiness and Commerce （APSTRACT），2010， DOI： 10.19041/Apstract/2010/3-4/1.

[38]Goulder L H， Parry I W H. Instrument choice in environmental policy [J].Review of Environmental Economics and Policy， 2008， 2（2）：152-174.

[39]European Union. The EU Nitrates Directive [R/OL]. Publications Office， European Commission， 2010. http：//ec.europa.eu/environment/pubs/pdf/factsheets/nitrates.pdf.

[40]Roberts R K， English B C， Larson J A， et al. Adoption of site-specific information and variable-rate technologies in cotton precision farming [J]. Journal of Agricultural and Applied Economics， 2004， 36（1）： 143-158.

[41]Robertson M J， Llewellyn R S， Mandel R， et al. Adoption of variable rate fertiliser application in the Australian grains industry： status， issues and prospects [J]. Precision Agriculture， 2012， 13（2）：181-199.

[42]Chavas J P. A cost approach to economic analysis under state-contingent [J].Amer. J. Agr. Econ.， 2008， 90（2）： 435-446.

[43]Jochinke D C， Noonon B J， Wachsmann N G， et al. The adoption of precision agriculture in an Australian broadacre cropping system—challenges and opportunities [J]. Field Crops Research， 2007， 104（1/2/3）：68-76.