天空地立体监测：精准“把脉”黑土地质量

无人机获取田块激光雷达数据。受访单位供图

天空地立体监测系统界面。受访单位供图

随着现代化进程的加快，耕地质量退化、土壤污染等问题日益凸显，如何精准监测并有效保护耕地质量，成为保障国家粮食安全的重要课题。近日，在第二届黑土地耕地质量监测评价论坛上，中国科学院东北地理与农业生态研究所发布天空地立体监测技术。这一技术结合遥感与物联网等多种设备和手段，实现了对黑土地的多维监测，为黑土地“诊断把脉”提供了理论支撑，更为搭建新型农业场景提供了重要底层数据。

多维画像 动态管理

“我们的工作相当于给土地看病，具体来说就是利用天空地数据给黑土地做诊断。” 该所研究员刘焕军说。

黑土地是世界上最肥沃的土壤，被誉为耕地中的“大熊猫”。尽管黑土高产丰产，但仍面临土地肥力透支的问题。为此，3年前，刘焕军团队联合9家单位，开始研发黑土地耕地质量天空地立体监测技术。团队面向国家需求，围绕“黑土地耕地质量本底不清、变化不明”，“变薄、变瘦、变硬”等问题展开科研攻关。

“传统的耕地质量监测手段依赖于人工采样和实验室分析，不仅费时费力，还难以对大范围耕地进行实时监测和动态管理。而天空地立体监测技术可从多个维度了解耕地的具体情况。”刘焕军说。

耕地质量监测技术集成多源多模态卫星遥感，有人机、无人机，以及地面传感器与地面采样等设备和手段，为黑土地搭建起了高效、精准、全面的耕地立体监测网络，精准把脉黑土质量。“利用卫星遥感，该技术可实现对大范围耕地的宏观监测，掌握耕地质量的空间分布和变化趋势；通过航空遥感技术，可以对重点区域进行中小尺度监测，获取更加详细的数据；通过地面站点监测，可以对特定区域的耕地质量进行精准测量和分析。这种多层次的监测体系，确保了数据的全面性和准确性。”刘焕军说。

此外，通过实时传输监测数据，并进行大数据分析和处理，天空地立体监测技术可对耕地质量进行动态管理和预警。一旦发现耕地质量下降，科研人员可立即采取治理和修复措施。

基于监测数据，监测系统可以制定更加科学合理的耕地保护政策和农业发展规划。例如，根据耕地质量评价结果，监测系统可以优化作物种植结构、调整施肥用药方案、应用节水灌溉技术等，提高农业生产效率和资源利用效率。

地块“会诊” 精准“手术”

水是关系粮食生产的大问题，有没有一些新技术新方法，能把原来的“三跑田”变成能蓄、能排、能净的海绵农田？这是困扰北大荒九三分公司副总经理刘文武多年的问题。如今，一份详实的“地块手术方案”已经交到他的手中。

刘焕军说，团队开发的天空地立体监测技术不仅可为黑土地“把脉问诊”，还可为地块进行“高精度手术”。

针对北大荒九三分公司鹤山农场的土地问题，团队利用天空地立体监测技术，获得地块内侵蚀障碍、作物长势、高程坡度、土壤肥力等高精度数据，结合水肥运移规律，为地块“会诊”。

中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员宋春雨介绍，制定“手术方案”过程中，团队依据地块地形特点，将地块垄线进行重新设计规划，并融入等高种植技术，以缩短垄长，加速两侧排水，减少土壤侵蚀；在平均坡度超过5°的地块修筑可耕作宽埂；在常年被侵蚀、黑土层流失殆尽的地块，进行有机培肥；在低洼内涝处，铺设地下暗管，加速排水；同时在耕地与其他生态功能区边界处，修筑缓冲带，减少养分外溢。

精准施肥是提高作物产量，保护黑土地的有力措施。在天空地立体监测技术助力下，团队研发了变量施肥技术。

刘焕军介绍:“通过监测到的土壤养分含量差异，结合作物生长模型及水肥运移规律等，我们可以给养分不均的地块开具精准施肥处方。”

根据农业生产靶向问题与农户场景的不同，团队还设计了不同技术方案。例如在友谊农场针对格田改造后表土时空错配的问题，实行水田插秧机侧深变量施肥；针对桦南地区的白浆土，研发了适合播种期间变量基肥的方式；结合松嫩平原农业生产特点，研发了秋季起垄变量施肥等。

“由于耕地质量多不相同，我们力求因地制宜解决好各类土地问题。”刘焕军说，黑土地耕地质量天空地立体监测成果包含了黑土区尺度、生态区尺度、农场/县域尺度、地块尺度与地块内部精准管理分区5个尺度。

“在九三分公司与旗下的鹤山农场，我们获取了10米空间分辨率的土壤有机质空间分布数据，并根据农场的地形与气候特点，将数据进一步优化，使土壤有机质监测精度高于90%。”团队助理研究员罗冲解释说，这不仅方便分公司与农场掌握耕地的基本情况，还可以指导农户精准施肥。

为让农户们享受到立体监测系统的决策成果，团队还开发了中科司农智能农业软件。利用该软件，农户只需要在屏幕上绘制地块，即可获得地块的土壤含量、气象、长势、灾害、产量等各类信息，以及施肥、喷药、播种、灌溉等农业生产指导方案，打通了科技赋农的最后一公里。