在未來,“高精度數(shù)字土壤”還將提供更多的產(chǎn)品和服務(wù),可以預(yù)報土壤變化
天覆地載,萬物生于土中,土壤生命生存的基礎(chǔ)要素之一,但如何認(rèn)識土壤、管理土壤,讓土壤更好地為人類服務(wù)?4月6日,中國農(nóng)科院發(fā)布消息稱,由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所牽頭完成的一項名為“高精度數(shù)字土壤”科研項目完成。該項目耗時21年,含九大圖層,包含多項土壤數(shù)據(jù),同時整合了長達40年的土壤數(shù)據(jù),是我國迄今為止最完整、最精細的土壤資源與質(zhì)量的科學(xué)記載,此外,“土壤大數(shù)據(jù)”還有分析、預(yù)報土壤變化等功能,對土壤資源利用與環(huán)境管控中進行分區(qū)、分類的精準(zhǔn)施策具有重要意義。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字土壤研究團隊整裝待發(fā),在海南進行土壤采樣。受訪者供圖
什么是數(shù)字土壤?
什么是“數(shù)字土壤”?該成果完成第一人、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所張維理研究員介紹,“數(shù)字土壤”是利用“3S”,即地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感技術(shù)(RS)等現(xiàn)代信息技術(shù)方法,模擬、重現(xiàn)土壤類型、土壤養(yǎng)分等土壤性狀的空間分布特征?!案呔葦?shù)字土壤”能直觀、精細展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況。
我國人均耕地資源緊缺,因此,掌握土壤質(zhì)量狀況,更有利于精準(zhǔn)耕作,發(fā)揮耕地的作用。因此,自上世紀(jì)80年代以來,我國進行了多次土壤調(diào)查,獲得了大量土壤科學(xué)數(shù)據(jù)。不過,受當(dāng)時的技術(shù)限制,這些資料大多比較分散且份數(shù)稀少,張維理介紹,“一個縣的紙質(zhì)手繪圖件,也就2-3份,且有些已經(jīng)存放了40年。其中的數(shù)據(jù)本身,可能上萬年都還有效,因為土壤中有些基礎(chǔ)的東西,演變是非常緩慢的。但紙質(zhì)文件不耐儲存,對它們的搶救性收集刻不容緩”。
該“數(shù)字土壤”項目于1999年啟動,隨著科技的進步,越來越多的科技手段被運用到“數(shù)字土壤”項目中,包括人工智能、人機交互等技術(shù)。
張維理介紹,“數(shù)字土壤”不止是紙質(zhì)資料的數(shù)字化,更通過科研人員設(shè)計的數(shù)百個模型,將全國各地40年來的數(shù)據(jù)加以整合和研究,最終建立了一個覆蓋全域、高精度的“數(shù)據(jù)庫”。
數(shù)字土壤能做什么?
據(jù)了解,構(gòu)建完成的中國“高精度數(shù)字土壤”還有9大圖層,包含土壤理化性狀、土壤和環(huán)境容量、中微量養(yǎng)分含量等狀況。其精度可以達到100米×100米,即1公頃。這意味著,每公頃耕地都有數(shù)十項土壤數(shù)據(jù),可以直接供農(nóng)民進行農(nóng)田管理。
網(wǎng)格尺寸100米的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)可直接供農(nóng)民進行農(nóng)田管理。受訪者供圖
張維理介紹,比如農(nóng)田管理,把全國的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機載的智能裝置里,就可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的施肥和農(nóng)田管理,這也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械主要的考核指標(biāo)之一。
“高精度數(shù)字土壤”還可以幫助進行“土壤的培肥和障礙農(nóng)田的修復(fù)”,張維理介紹,如酸化的土壤,水土流失的土壤都在什么地方,怎么修復(fù)?都需要用到這個數(shù)據(jù)。
“適種作物評價”,即通過對土壤中多種元素的分析,找到不同區(qū)域中土壤的適種作物,“比如一塊地,是適合種葡萄,還是更適合種板栗,是可以分析出來的”,張維理說。
“高精度數(shù)字土壤”對農(nóng)田氮磷流失控制、土壤污染防治與污染土壤修復(fù)、水土流失防治與減災(zāi)等,也都有非常重要的意義。
此外,張維理表示,“高精度數(shù)字土壤”還可以幫助科學(xué)家進行氣候變化、碳足跡等方面的科學(xué)研究。
我國耕地有機質(zhì)平均含量提升
據(jù)介紹,該數(shù)據(jù)庫包含了全國40年來的數(shù)據(jù),張維理表示,“我們將40年來多次土壤調(diào)查的數(shù)據(jù),進行了時空整合,并用成圖來表達。通過大數(shù)據(jù)可以看出,我國0-30公分的農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量在過去的40年中增加了大約9%,而且根據(jù)分析,在未來20年中還要繼續(xù)增加?!?/p>
盡管近年來我國一直在加強耕地輪作的工作,但過去數(shù)十年高強度的耕作,仍然對一些地方的土壤造成了較大的影響,比如眾所周知的東北黑土地變薄。
然而,大數(shù)據(jù)卻顯示,在全國范圍內(nèi),土壤有機質(zhì)并沒有減少,反而在增加?為何會出現(xiàn)這樣的情況?
張維理解釋說,“土壤有機質(zhì)的變化是一個長期過程,可能需要30年才能看出明顯的變化。過去40年的數(shù)據(jù)顯示,在一部分地方,農(nóng)田有機質(zhì)含量確實在降低,比如東北三省、內(nèi)蒙古靠近東北的一部分。但在其他地方如黃淮平原等,有機質(zhì)含量卻在提升,所以總體是提升的。我國農(nóng)田有機質(zhì)含量平均水平為1.98%,過去四十年中,相對量提高了9%。即相對于原本的含量來說提升了9%”。
為何農(nóng)田有機質(zhì)會提升?張維理說,“這和農(nóng)作物產(chǎn)量增加有關(guān),和上世紀(jì)80年代比,我們產(chǎn)量增加了1倍,這意味著,更多的農(nóng)作物根系殘留物留在了土壤中,這是有機質(zhì)增加的主要原因。此外,我們判斷,在未來20年中,增加的趨勢仍在延續(xù),也就是說,還會增加。這是因為,產(chǎn)量還在提升,同時,這些年來我推行的秸稈還田,也會逐漸發(fā)揮作用?!?/p>
有機質(zhì)含量提升是否意味著土壤變得更肥沃?張維理表示,“一般來說,衡量土壤肥力的過程中,有機質(zhì)含量占有很大的比重,所以在某些情況下,確實可以認(rèn)為土壤變肥沃了。不過,也要注意土壤養(yǎng)分非均衡化的問題,同時,有機質(zhì)含量在淺層較高、深層較低的情況也應(yīng)注意。”
像預(yù)報天氣一樣預(yù)報土壤變化
從項目啟動到完成,“高精度數(shù)字土壤”歷經(jīng)21年。同時,該項目在建設(shè)過程中,已經(jīng)開始提供服務(wù)。
高精度數(shù)字土壤可以為種植者提供土壤管理、適種作物等多種幫助。受訪者供圖
據(jù)介紹,項目采取邊建設(shè)邊應(yīng)用的方式進行,從2003年起至今,已為我國60余家專業(yè)科研機構(gòu)提供數(shù)據(jù)進行相關(guān)研究,并為31個省、市、自治區(qū)的農(nóng)業(yè)、環(huán)境、自然資源管理部門提供數(shù)據(jù),用于實施耕地保護與地力提升等國家工程。
在未來,“高精度數(shù)字土壤”還將提供更多的產(chǎn)品和服務(wù)。張維理介紹說,“土壤變化也可以進行預(yù)報,就像天氣預(yù)報一樣。目前我們可以做到宏觀預(yù)報,事實上,近幾年來,我們幾乎每年都給農(nóng)業(yè)部等相關(guān)部門上報土壤數(shù)據(jù)?!?/p>
高精度數(shù)字土壤能直觀、精細展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況,為農(nóng)業(yè)、環(huán)境、科學(xué)研究提供重要信息。受訪者供圖
那么,是否能夠?qū)γ恳粔K地的土壤變化進行監(jiān)測和預(yù)報,給種植者提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)呢?張維理認(rèn)為,要做到這一點,還需要10年左右。“已經(jīng)有一些農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家,可以做到精準(zhǔn)預(yù)報了,比如荷蘭。我國是農(nóng)業(yè)大國,但還不是農(nóng)業(yè)強國,農(nóng)業(yè)科技起步較晚,還有很大的發(fā)展空間。在土壤數(shù)據(jù)預(yù)報方面,種植者當(dāng)然希望知道自己的土地上,土壤的情況是怎樣的,種植什么作物合適?該進行什么樣的土壤管理?要具體到這個程度,我們可能還需10年。當(dāng)然,土壤預(yù)報和天氣預(yù)報還是有區(qū)別的,比如不需要每天都報一次,因為土壤的變化是相對緩慢的,一般來說,兩三年預(yù)報一次就夠了。”