陈欢欢

 

［科学时报 陈欢欢报道］“中国70%的淡水资源用于农田灌溉，40%的农业成本是化肥，但有些地区灌溉用水的利用率只有2/3、化肥的利用率只有1/3。除了浪费，过量灌溉、施肥的环境代价极高，会污染地下水、产生温室气体。”近日，在第四届中澳科技研讨会上，澳大利亚墨尔本大学土地与食品资源学院教授陈德立介绍了在中澳合作项目中研发的农田管理决策系统，该系统可以给农民提供因地制宜的最佳农田管理方法，并节水省肥、降低成本和污染，已在中国3个县实验成功，正向澳大利亚推广。

 

灌溉和施肥是增加粮食产量的最重要途径，中国45%的农田是灌溉田，这些灌溉田生产了全国80%的粮食。然而，中国这个严重缺水的国家却存在灌溉用水和施肥过量的问题。“据我们调查，华北平原有20%的农户施肥量比最高产量需要的化肥还要高。”陈德立在接受《科学时报》采访时表示，在达到一定量之后，增加肥料对产量增加的影响很少，因此导致化肥利用率降低，并造成地下水污染、温室气体排放——氮肥产生的N2O的温室气体效应是CO2的300倍。中国和澳大利亚4%～6%的温室气体都是由施肥排放的。

 

与中国类似，澳大利亚的农田灌溉消耗了65%的淡水资源，0.5%的灌溉耕地创造了23%的产值，出口了80%的粮食；90%的农户还在使用漫灌，很少用喷灌、滴灌；除发电厂外，农业是澳大利亚第二大温室气体排放源，之后才是交通。

 

为什么农民会使用过多的肥料和水，进而造成浪费和低效率？陈德立表示：“通过我们多年的调查，发现3个原因：第一，农民没有这方面的信息，可能觉得施肥越多越好。其实，面对不同的土壤条件、气候带、庄稼，应该实施因地制宜的管理措施。第二，水价不合理，较低的水价造成农民没有动力节约用水。其实，现在补贴水价的政策可以换为补贴粮价、增加水价，实际省水就能省钱了。第三，农民缺乏环境意识。”

 

可持续发展说起来容易，做起来难。但是如果有一个简单、易用的工具，既能因地制宜地管理土地，也能考虑到经济效益和环境效益的平衡，则较易实行。基于这样的考虑和两国类似的问题，自1997年起，澳大利亚墨尔本大学与中科院南京土壤所、中国农业大学在华北平原、山西等地合作开展了两个联合项目，研究最佳的农田水氮管理方法，经过10年的研究做出了基于GIS（地理信息系统）的农田决策支持系统（ADDS）。

 

项目完成后，澳大利亚基金会雇用独立评估公司到中国进行调查。结果，在ADDS所实验的3个县，50%～70%的农户采用了化肥管理措施，少用化肥20%～23%，减少灌溉相当于节约资金每公顷10～45澳元（约合65～292元人民币），作物年度增产4%。单位农田成本降低12%～18%，相当于农民每年增加收入50～109澳元（约合325～708元人民币），项目经济效益评估为2.16亿澳元（约合14亿元人民币）。

 

作为项目负责人，陈德立向《科学时报》记者演示了ADDS。打开界面是一张河南省丰丘县地图，图上不同颜色的地块代表了不同类型的土壤。用鼠标点击其中一块，系统就会给出既考虑了土壤、气候条件又考虑了环境效益的最佳决策，告诉农民一年中需要施肥、灌溉的日期和用量；并能显示产量、肥料进入空气损失的量，肥料以温室气体形式释放的量和对地下水造成的污染量等。

 

在同一地块，陈德立将用水量和施用的氮肥量从系统给出的最佳值345提高到有些农民使用的450。结果，产量虽然从12.1吨增加到13吨，但肥料成本同时上涨，而对地下水的污染也从7公斤变成21公斤，温室气体排放也增加了30%，综合评价指标立即下降。

 

减少了用水量、地下水污染、温室气体排放，这笔经济账怎么算？陈德立说：“这很复杂，涉及到资源定价的问题。但是我们调查了几百户农民的环境意识，可接受的肥料价、水价，验证不同政策对环境、水、肥料的影响，刚刚做出了生物物理模型与经济学模型结合的环境经济学模型，可以根据这个模型找到水价、肥料价格和产量、收入之间最佳的平衡点。”

 

陈德立的研究组还把决策模型放到掌上电脑（PDA）中。借助摄像头拍下当地小麦照片，之后根据照片中绿色小麦和暗色土壤的比例，算出土壤的供氮能力，就可获得实时土壤数据用于ADDS。据悉，只要摄像头分辨率达到200万像素，市场上任何一款普通PDA都能应用。实验所用PDA价格约1000澳元。

 

陈德立说：“这种方法可以提高精度，获得实时数据。农民或者农业技术推广人员只要拿着一台PDA就可以操作。在澳大利亚，PDA可以无线上网获得气象局的免费气象资料，加上照片的实时土壤资料，精度达到80%以上，可以更科学地指导农民。”

 

如此简单、好用的系统，背后却有10年的工作、试验、测定、验证。

 

“过去10多年间全世界都在想怎么把过程模型和地理信息系统结合起来形成空间模型，最后形成决策模型，我们的工作目前世界领先，但是需要大量人力、财力、时间。”陈德立表示，这两个项目有20多位来自两国的水、大气、化学、土壤等不同领域的科学家参与，需要模拟水分循环、养料循环、植物生长、地下水运动、土壤有机质分解等生物化学过程和不同人为管理措施的影响，并要大量验证；在华北平原丰丘、栾城和曲周3个县，以30米×30米地块为单位，研究人员模拟了所有土地，其中仅丰丘县土地面积就为9万公顷；研究还使用了世界上最先进的设备，如开路激光的微气象方法、用卫星遥感采集大面积的植物生长数据。从1998年到2007年，项目持续获得双方包括人员工资在内近400万澳元（约合2600万元人民币）的资金。

 

除了中国和澳大利亚，ADDS可以在世界其他地方使用。陈德立说：“世界各国用于农业灌溉的淡水都差不多，大约占国家淡水资源的60%～70%。斯坦福大学地球科学学院院长Pamela Matson认可我们的决策模型是世界领先的，她去年派博士生到我们这里学习，之后做出墨西哥农田决策模型，目前正在墨西哥作小麦、玉米的试验。”

 

对于未来的市场推广，陈德立表示：“我们的研究是公益性研究，而且我们的研究经费都是由政府、基金会出的，工资是大学发的，并且服务对象是农民，我们不会收费。”