精準施藥、肥、水的環境效益與展望

王子輝 刀劍 吳建 王悅 時玲

摘要：精準農業是一種兼顧農業產量和生態環境質量的生產方式。本文主要論述了精準農業中精準施藥、精準施肥和精準灌溉的環境效益，分析了目前在實際生產中應用精準農業技術的限制因素，并給出加強其推廣應用的建議。

關鍵詞：精準農業;精準施藥;精準施肥;精準灌溉;生態環境效益;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，未來幾十年全球農作物需求將持續增長，不僅將加重農作物和可耕地的生產壓力，同時也意味著農藥、化肥和農業用水的使用量將會大幅增加，由此產生的農業污染將對生態環境產生巨大影響，因此，在農業生產中引入和采用一些先進的科學技術以降低農業污染物對環境的影響，對農業可持續發展具有重要意義[1-3]。

精準農業是以農業可持續發展、農業經濟學和資源環境保護為指導思想，鼓勵人們朝著更可持續的做法和行為轉變來進行農業生產，可在增加現有農田糧食產量的同時盡可能減少農業生產對環境造成的壓力[4-6]。自20世紀90年代以來，精準農業技術發展迅速，目前一些國家或地區特別是發達國家或地區對該技術進行了有效的推廣，已在施藥、施肥和灌溉等方面得到廣泛應用，在節能、增產和環保等方面均取得了顯著成效[7]。

本文系統地綜述了精準農業技術在減少化學藥品使用、節肥和節水方面的環境效益，分析了在實際生產中采用精準農業技術存在的主要問題和制約因素，并提出解決策略。

1 精準施藥的環境效益

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

糧食生產當前和未來的增長必須以質量更好、毒性更低的食品生產為目的[13]。精準農業技術被認為是農業生產效率和農業環境可持續的主要貢獻者，可以使農藥等化學藥品的使用量和排放量大幅減少[14]。精準施藥以提高農藥利用率、降低農藥殘留對食品和環境的污染為目的，是施藥發展的方向[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，節省了20%～90%的除草劑施用量。Rsch等[17]研究表明農藥的地區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]開發和測試了應用機器視覺系統引導的精密噴霧器，能夠實時估算雜草密度和大小，實現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，可以節省48%的除草劑。Giles等[19]研發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噴霧器的2.6～3.6倍，而非目標區沉積減少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藥成分含量的同時，也將符合食品安全生產的政策。

2 精準施肥的環境效益

化肥投入是影響糧食產量增長的重要因素，1978—2006年間化肥投入對我國糧食產量增長的彈性值為0.20，貢獻率達56.81%，是所有投入要素中貢獻最大的一項[21]。為了防止營養缺乏或降低產量損失，農民往往在整個農場以統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量（例如土壤和水）產生不利影響，而且對整個生態系統及經濟和人口也會產生相應的影響。因此，資源不適配制對于糧食安全的可持續性具有嚴重影響。

精準施肥是依據土壤養分狀況、作物需肥規律和目標產量，調節施肥量、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量和最大經濟效益、保護農業生態環境和自然資源的目的，是精準農業技術的核心內容[23]。現代遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）和全球定位系統（GPS）等為精準施肥提供了可能。例如，可以通過遠、近端（衛星和無人機）遙感技術對作物葉面的營養狀況進行監測，通過一些便攜式的儀器（如葉綠素計）對田間作物進行農學參數測定，同時采用這兩種數據，利用GPS技術，可以實現田間營養成分的變速率施用，為精準施肥提供決策參考[24，25]。Takcs-Gyrgy等[26]研究發現，在歐盟27國采用精準農業技術后，相同的預期產量水平下，化肥的有效成分用量可減少34萬噸，而農藥使用可節約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%的農作物和混合農場采用這種新技術，將使環境負荷降低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，精準農業技術可以顯著減少化肥和其他農用化學品的用量及水的消耗量，進而降低農業對水資源富營養化的影響。

3 精準灌溉的環境效益

灌溉是農業生產的重要組成部分，據聯合國統計，農業用水占到了全球淡水消耗的69%[28]。因此，在季節性降雨量不足以滿足作物需水量的地區，需綜合考慮土壤和植物的狀態及氣候變化，改進灌溉規劃系統，開發利用新的灌溉技術，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的表面灌溉方法相比更高[28]。目前澳大利亞農田灌溉的總面積約250萬公頃，其中約10%使用滴灌系統灌溉，應用該灌溉系統的農田單位面積產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業總收獲量的40%，并且應用滴灌系統可以有效減少根區養分的淋失和浸出，提高土壤養分和水分利用率[31]。

另有研究表明，在精準農業中，采用激光精確地平整農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、豌豆的產量也增加了12%～20%[25]。

物聯網技術的發展也為精準施肥和灌溉提供了技術保障，可通過傳感器實時監測土壤養分和水分含量，及時、準確地做出施肥、灌溉決策，更好地實現精準施肥和灌溉[33，34]。

4 精準農業技術推廣應用的限制因素及建議

4.1 限制因素

4.1.1 人們對精準農業環境效益的認識有待增強 平衡農業生產對生態環境的影響已經引起了人們的廣泛關注，但是，除少數發達國家外，多數發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，提高糧食產量仍然是多數發展中國家農業發展的首要目標，在此大環境影響下，人們往往忽略生態環境保護與切身利益之間的聯系，缺乏對精準農業環境效益的認知。而政府部門未充分發揮對精準農業的宣傳示范和引領作用，也影響了人們對精準農業環境效益的關注、理解和行動。

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

4.2 建議

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

4.2.2 繼續加大對精準農業技術的推廣應用 精準農業技術的實施應用需要大量信息技術驅動的分析技能，不僅需要收集機械操作的有關數據信息，還需要能對復雜數據進行管理、解釋和決策[40，41]。因此，精準農業技術的提供方需要建立培訓中心，幫助生產者更好地掌握和使用該技術。

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者采用精準農業技術的意愿。

從增加農民收入著手，繼續深入研究精準農業技術，設計開發一些操作簡單、價位低廉的產品，降低精準農業的實施成本，提高其可操作性[42，43]，并通過提升農民對現代農業生產技術的認知水平，推動精準農業技術的普及和應用。

5 精準農業技術的應用展望

精準農業是通過適當的資源利用和管理，將傳統農業轉變為環境友好型農業的一種農業生產管理技術，有助于開發農業的綜合管理潛力，實現不可再生資源的可持續利用，大幅增加農民收入并減少工作量。精準農業技術將給農業生產帶來巨大的變革，是未來農業可持續發展的方向。

從精準農業技術發展到成熟再到其廣泛應用仍然存在著巨大的挑戰，今后需進一步加大對精準農業技術的推廣應用，更好地發揮其提高農業產量和質量及增強農業對生態環境效益的最大潛力。

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