精准农业技术对生态环境的影响评价研究进展

　　摘要:精准农业是保证作物产量和农业环境质量双赢的重要途径。综述了水肥精准管理和病虫草害精准管理的生态环境效益，精准农业通过节省资源投入、减少资源损失、提高利用效率，降低农业生产对土壤和水体环境的污染。但目前的评价内容主要集中在资源投入、残留损失、利用效率以及水土质量方面;其次，由于田间变量信息的获取途径不一致、模型预测和田间应用效果的差异、土壤质地以及作物种类的不同等原因，导致精准农业的环境效益评价结果不确定性较大。未来研究应建立精准农业技术田间定位试验，进行长期的生态环境效益评价研究，为精准农业技术的推广和应用提供数据支持。

　　关键词:精准农业技术;环境效益评价;影响因素

　　随着人口数量的不断增加和城市化的加剧，需要从不断减少的土地上生产出更多的食物，肥料、农药和灌溉的不断投入增加了作物产量，但导致土壤退化，农药和养分流失污染河流以及地下水，破坏生态环境［1］。精准农业是保证作物产量和农业环境质量双赢的重要途径［2］，精准农业的实践活动源于20世纪80年代，其概念于1990年在美国蒙塔纳州立大学的农业研讨会上被提出，其指导思想是农业可持续发展、农业经济学和资源环境保护。精准农业依靠信息技术、装备技术、生物技术，充分获取田间的变量信息，通过决策分析，在合适的时间和区域，进行变量实施［3］，最终目的是在保证作物产量、质量以及食品安全的前提下，减少对环境的危害，提高农业的可持续性［4］，实现农业生产的投入和产出最优化，并使农业生产过程的污染最小化(图1)。

　　1精准农业技术评价

　　1．1在水肥精准管理方面的应用

　　水肥是农业生产的关键，从1960年到2000年，施肥和灌溉对全球粮食增产的贡献比例达70%［10］。但传统农业没有考虑田间的异质性，按照统一的标准进行灌水和施肥，使部分田块水肥过剩，生态环境受到影响;部分田块水肥缺乏，作物产量难以保证。精准农业依靠信息技术和GPS技术发现、分析和管理田间植物和土壤的时空变异，并进行水肥变量投入。水肥精准管理的生态环境效益主要来自两方面，一是在作物需要的时间和地点施用，节省水肥施用量;二是提高作物的水肥料利用效率，减少损失。

　　2精准农业技术的影响因素

　　2．1变量获取方法

　　田间变量信息的获取是精准农业的根本，获取方法的差异影响环境效益的评价结果。变量施肥技术对田间养分变异的获取主要有样点土壤养分分析法、产量图法和植物遥感法［14］。而精准喷药方法对田间杂草和病虫害的获取有机器视觉获取法［29］，以及利用田间已获取病虫草害诊断和分布情况、根据系统决策的处方图实施法［26］。其次，大多评价研究并不是田间实际应用的结果，而是模型估计的结果［9］。Bongiovanni等［3］对精准施肥和精准喷药技术的环境效益进行了综述评价，认为缺少实测数据研究，下一步的评价重点应集中在田间实施和监测上。

　　2．2土壤质地与肥力

　　土壤质地和肥力的高低，不仅决定施肥量的高低，同时影响作物对施入肥料的利用程度，从而影响精准农业技术实施的效果。Larson等［35］研究发现，与传统农业技术相比，精准施氮对减缓土壤氮素淋失的不确定性与土壤质地有关，在壤砂土中的减缓作用较大，而在壤质土中几乎没有减缓作用。在大麦、棉花和土豆种植上的模型分析结果表明，土壤硝态氮残留的时空变异与土壤质地存在极显著的负相关关系［36］。综合分析也认为，土壤性质是影响精准喷药环境效益的因素之一［3］，主要通过影响农药的去向和杂草的密度，土壤pH和有机质显著影响土壤对农药的吸附［32］。土壤的肥沃程度与否对精准施肥的效果具有显著的影响［3］，土壤养分含量是影响变量施氮技术的环境效益的重要因素［37］。

　　2．3作物种类

　　不同的作物对养分的需求量和需求时间不一致，发生病虫害的种类、时间与面积也不一致，因此，精准农业技术在不同作物上实施的效果会存在差异。Timmermann等［38］发现，精准喷药技术对灭草剂使用的减少作用与作物有关。精准喷药技术在谷物上的作用为47%～80%［39］，在玉米上则为42%［40］;而Gerhards等［41］也有类似研究结果，精准喷药对玉米、甜菜、冬小麦和冬大麦中灭草剂使用量的降低作用存在较大差异。其次，作物的冠层密度影响精准喷药机械田间操作过程中农药的损失量［33］。

　　3存在问题

　　目前，围绕精准农业的环境效益评价工作开展了大量的研究，但研究内容较为集中，主要为资源投入、残留损失、利用效率以及水土质量方面。在全球变化的大背景下，针对精准农业技术对农田土壤温室气体排放的研究较少，仅有的部分研究主要是通过模型模拟［8，9］，缺少田间试验数据的支持。CoolFarmTool模型的结果表明，氮肥精准管理显著降低了小麦种植中CO2和N2O的排放［8］;而Pampolino等［9］利用DNDC模拟的结果表明，氮肥精准管理增加了水稻的氮素利用效率，降低了N2O排放;Mosquera等［13］利用静态箱法研究发现，精准农业能显著降低土壤CH4和N2O的排放。其次，精准农业技术涉及农业生产的各个过程，应用类型包括“Single”，“Package”和“Integrated”3种［42］，但评价工作大多针对单项技术开展，缺少对多项技术集成的环境效益评价。例如，精准施肥能增加氮素利用效率，降低土壤硝化和反硝化过程产生的N2O［9］，但耕作条件影响土壤通气状况和氮素矿化，增加N2O排放［43］，使得两项技术结合应用对土壤N2O通量的影响存在争议。因此，加强对多项精准农业综合应用的环境效果的评价，能为精准农业技术的推广提供数据支持和优化组合。除此之外，虽然精准农业的环境效益被普遍认可，但环境效益是来源于作物产量的增加对盈余养分的利用［25，37］，还是源于对肥料投入的节省［44］，尚不明确;而且环境效益的评价结果不确定性较大，如水肥药的节省比例和利用效率［14，20］，需要加强对内在机制的探讨，来解释结果的差异性。

　　4展望

　　针对上述问题，应首先梳理当前精准农业应用的环境效益评价方向，针对薄弱环境，尤其是土壤温室气体通量影响的评价较少的情况，结合当前全球变化的大背景，将农田土壤碳氮储量和温室气体排放纳入评价范畴。其次，在评价对象方面，应加强对两项或者多项精准农业技术结合应用的评价研究，评价结果可为精准农业技术提供推广模式，为精准农业技术的集成应用提供数据支持。同时针对已有的评价工作进行集成分析，从国内外相关文献中对相关数据进行提取和整合，研究精准农业技术对水肥药的节省量、利用效率的提升率以及损失量的降低程度，明确精准农业应用的环境效益。最后，建立精准农业技术的田间应用与评价试验，利用田间试验平台结合室内综合分析，深入探讨精准农业技术对环境影响的内在机制，解释研究方法、土壤性质以及作物种类等对精准农业技术应用评价结果的影响。

　　参考文献

　　［1］JuXT，XingGX，ChenXP，etal．．ＲeducingenvironmentalriskbyimprovingNmanagementinintensiveChineseagriculturalsystems［J］．Proc．Natl．Acad．Sci．USA，2009，106(19):3041－3046．

　　［2］PierceFJ，NowakP．Aspectsofprecisionagriculture［J］．Adv．Agron．，1999，67:1－85．

　　［3］BongiovanniＲ，Lowenberg-DeBoerJ．Precisionagricultureandsustainability［J］．Precis．Agric．，2004，5(4):359－387．

　　［4］GebbersＲ，AdamchukVI．Precisionagricultureandfoodsecurity［J］．Science，2010，327(5967):828－831．

　　［5］SchiefferJ，DillonC．Theeconomicandenvironmentalimpactsofprecisionagricultureandinteractionswithagro-environmentalpolicy［J］．Precis．Agric．，2015，16(1):46－61．

　　［6］McBratneyA，WhelanB，AncevT，etal．．Futuredirectionsofprecisionagriculture［J］．Precis．Agric．，2005，6(1):7－23．

　　［7］LinkJ，BatchelorWD，GraeffS，etal．．Evaluationofcurrentandmodel-basedsite-specificnitrogenapplicationsonwheat(TriticumaestivumL．)yieldandenvironmentalquality［J］．Precis．Agric．，2008，9(5):251－267．

　　王永生1，2，陈静1，2，陶欢1，2，胡海棠1，2，李存军1，2*，史磊刚1，2