日前，2015年度國家科技進步獎公布，南京農業大學兩項科研成果“稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術”、“有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣”分別摘得國家科技進步二等獎。其中，“稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術”立足“互聯網+農業”科技，以水稻和小麥為主要研究對象，圍繞作物主要生長指標的特征光譜波段和光譜參數、定量監測模型、實時調控方法、監測診斷產品等開展了深入系統的研究，集成建立了基于反射光譜的作物生長光譜監測與定量診斷技術體系，實現了為農田實時“開處方”；“有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣”項目創新研究了有機肥、有機無機復混肥養分在土壤-植物-動物體系中的循環與轉化及對土壤性質的影響，研發出商品有機肥和有機無機復混肥生產工藝與技術，進行推廣施用，發揮了化肥和有機肥兩者之長。
稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術給農田實時“開處方”
傳感器一“轉”，就能監測農田肥水情況？無人機一“瞄”，就能判斷作物生長走勢？農民和種植大戶們手機在手，就能實時獲得量化的施肥建議，再也不必苦守著農技人員下田看苗，擔心錯過了最佳的診斷時機？沒錯！南京農業大學一項最新的“互聯網+農業”科技——稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術，以水稻和小麥為主要研究對象，圍繞作物主要生長指標的特征光譜波段和光譜參數、定量監測模型、實時調控方法、監測診斷產品等開展了深入系統的研究，集成建立了基于反射光譜的作物生長光譜監測與定量診斷技術體系，日前獲得國家科技進步二等獎。
現代看苗診斷：“人眼”變成了“機械眼”
“水稻、小麥等糧食作物在生長過程中需要監測肥水、病蟲害等情況，傳統的‘看苗診斷’依托的是農技人員“人眼看”、“下田看”，大部分都是‘拍腦袋’、‘憑經驗’，不能定量化，而且受人力所限，一天只能看一兩塊田，這樣‘看’下來時間長、效率低，常常錯過了最佳‘診療期’”。
南京農業大學田永超教授向記者介紹，項目組研發的現代看苗診斷技術就是針對這些缺點逐一突破，原理是根據作物吸收太陽光的情況，葉綠素含量高的作物，吸收的相關可見光多，反射的光譜就少，從而制作出“反射光譜庫”，構建“光譜”與作物生長關系模型；同時研制便攜式和機載式的監測診斷設備，通過在農田傳感器、無人機上安裝“機械眼”，實現從點到面的數據傳輸和監測覆蓋。
“革新后的技術優勢明顯，一是更加客觀、精確，從人眼看變成傳感器看，能夠消除大量的經驗性誤差；二是更加快速，以往通過對化驗葉綠素，最起碼要10天的周期，等化驗結果出來，最佳施肥施藥期已過，現在是‘實時’監測，農戶只需手機下載相關軟件，足不出戶就可以實時查收作物監測情況以及量化的施肥建議；三是適應規模化農業的發展趨勢，未來農業必將走適度規模的發展道路，規模就帶來需求，無人機等領先技術的應用將為規模化、機械化、大面積農田的作物監測提供精確的分類指導。”
動態設計生產軌跡：作物生長的“營養師”
說到此項技術的創新點，田永超為記者打了一個形象的比喻，“就像專業的營養師，會根據人的不同年齡階段，定制相應的體格指數、體質標準，我們做的則是針對作物不同生長階段特定的水肥需求情況，通過軟件建模，動態設計其生產軌跡。”
據了解，項目牽頭人，南京農業大學曹衛星教授，放棄國外優厚待遇回到南農，從2000年起來，帶領團隊潛心研究“稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術”。
“我們的項目歷時16年，之前做在的是‘基肥’的精確定量研究，即在作物下田之前，給出合適的水肥使用量指導，近年來，主要針對‘追肥’，即作物生長過程中的實時監測。”
田永超告訴記者，項目組借助自主研發的作物生長監測診斷系統、生長監測診斷儀、農田感知與智慧管理平臺等軟硬件產品，以作物長勢分布圖、肥水處方圖、產量品質分布圖等為主要應用形式，為農戶繪制出簡便實用的作物生長“營養圖”。
據了解，從2015年開始，農業部組織開展了到2020年“化肥使用量零增長”和“農藥使用量零增長”的“雙減行動”，推進化肥、農藥減量增效，南京農業大學的這項稻麥生長指標光譜監測與定量診斷技術，為優化農業結構、提高化肥農藥使用效率，提供了核心的支撐技術。
先進技術出來了，如何真正送到農田，讓農戶知道并愿意用這“新鮮的家伙”？據介紹，在推廣應用上，項目組富有創造性地建立起“農推部門—合作社（企業）—農戶”的三層技術推廣模式，注重面向規模性種植大戶、家庭農場主等新型農業經營主體，通過與政府、企業、合作社、種植大戶相結合，將試驗、示范與推廣同步。自2009年開始，該技術在江蘇、河南、江西、安徽、浙江、河北、湖南等我國主要稻麥生產區進行了示范應用，節氮約7.5%，增產約5%。據不完全統計，近5年累計推廣有效面積4920.21萬畝，新增效益24.28億元。
跨專業人才團隊：既懂農學也懂工程
既然做的是“互聯網+農業”，自然少不了“計算機+農學”的復合人才加盟。“從軟件到硬件，從實時診斷到定量調控，核心技術都是由團隊成員自主設計完成。”田永超介紹起這支具有復合專業背景的現代農業科技團隊，不無自豪。“我們團隊現有核心成員11人，專業背景涉及計算機、遙感、地理信息系統、農業工程等不同學科門類，在人才培養上，通過與植物保護學院、信息科技學院的合作，實現交叉性復合型人才的自主培養。”
“智慧農業是未來的發展方向，我們屬于應用研究型學科，從基礎理論到應用推廣，橫跨農業的上、中、下游，我們的研究既強調攀登理論前沿，又強調對接產業需求、提升團隊成員的實踐創新能力；既要能發表具有理論突破的論文，又要能發明專利，推出實用創新型產品。”
據了解，該研究成果豐碩，目前已授權國家發明專利17項、實用新型專利5項，登記國家計算機軟件著作權16項；推廣便攜式作物生長監測診斷儀286臺、農田感知節點368套；發表學術論文158篇，出版專著1部；培養研究生及博士后56名。
沈其榮教授團隊破解有機肥作用機制關鍵難題
傳統化肥養分高，見效快，能促進農作物產量大幅度提高，解決人類的溫飽問題。然而，隨著人們生活水平的提高，消費者對農作物的品質要求也日趨增高，越來越多的人不僅僅滿足于“有的吃”，還要能“吃得好”。傳統有機肥能提高農產品的品質，改善口味，增加營養，而且能有效解決長期施用化肥造成的土壤板結問題，顯著提高土壤微生物量、多樣性及土壤酶活性。但傳統有機肥異味大，難儲存，很難大量生產和堆放，在生產生活中，往往形成大量固體有機廢棄物而被隨處棄置，浪費養分資源，污染環境。
化肥、有機肥各有長處和不足，如何揚長避短，進一步提高農產品品質，改善土壤環境？南農大沈其榮教授團隊的研究成果“有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣”，針對這些“長短”，創新研究了有機肥、有機無機復混肥養分在土壤-植物-動物體系中的循環與轉化及對土壤性質的影響，研發出商品有機肥和有機無機復混肥生產工藝與技術，進行推廣施用。此舉不僅發揮了兩者之“長”，而且通過關鍵技術的研發，使這種“揚長避短”成為可能。
揚長！抓住“氮”，讓農作物生長更快
氮（N）是植物生長需要量最大的元素，為了提高產量，農業生產過程中，農民往往大量施用氮肥。然而，氮同時又是十分活躍的元素，極易流失，不僅影響產量、造成浪費，還會對水體環境和人類健康造成危害。沈其榮告訴記者，研究團隊首次建立了采用同位素13C15N雙標記作物秸稈、畜禽糞便等有機肥料的技術。通過研究揭示，土壤中殘留的有機13C約有15%存在于土壤腐殖酸類物質中，80%在土壤胡敏素中，5%左右在土壤微生物體內。也就是說，通過有機肥使化肥15N快速轉化成微生物有機15N，再被礦化出無機氮，構成土壤有效氮的存儲“過渡庫”，使土壤氮素供應過程與作物吸氮更相吻合，減少了氮素的揮發和浪費。這項有機無機肥料氮素協同增效的主要機制改變了以往化肥無機氮供應太快、土壤有機氮供應太慢的特性，用碳素“抓牢”氮素，為確保作物高產穩產提供了良好的氮素供應模式，為國內外同行運用氮素進行相關研究打通了“快速通道”。
避短！少施化肥，讓環境變得更好
長期施用化肥會讓土壤板結，有機肥到底是如何解決板結問題、改善土壤質量的呢？長期有機培肥真的比用化肥好嗎？沈教授團隊給出了科學證據。研究結果表明，與施用化肥相比，長期有機培肥不僅顯著提高土壤微生物量、多樣性及土壤酶活性，更使土壤微生物類群分布均勻，植物有益菌類群，如假單胞菌、芽孢桿菌、擬桿菌等豐富度增加，而喜酸環境的酸桿菌類顯著減少，這是長期有機培肥抑制土壤酸化根本原因。有機培肥還使土壤氮素循環相關的功能基因拷貝數顯著增多。此外，施用有機肥和有機無機復混肥還能降低土壤有機質分解，并有助于土壤有機質積累和土壤團粒結構。這些研究結果的取得為提高有機肥施用量，減少化肥用量提供了重要的理論支撐。
為了讓更多的農民能用上有機肥，該項目還建立了新鮮畜禽糞便生物脫水工藝。和傳統的固液分離工藝相比，新工藝不僅降低了脫水成本、減少環境污染，也減少了脫水環節的養分流失。研究人員在此基礎上還建立了適合于現代畜禽糞便的腐熟度檢測方法企業用比色法，使有機肥的生產更加方便高效。
推動“揚長避短”成為行業新標準
有機肥作用機制關鍵問題的解決，使得具有“揚長避短”特點的商品有機肥和有機無機復混肥產品得到大面積推廣應用。在此基礎上，南農的科研人員修訂了有機肥料的行業標準，提高了有機肥養分含量，這一舉措不僅為有機肥產業快速發展保駕護航，還將有效促進我國耕地質量的提升。商品有機肥和有機無機復混肥產品對生產和環境顯而易見的優勢，也得到了相關部門的充分肯定，財政部國家稅務總局出臺有機肥產品免征增值稅政策，農業部出臺土壤有機質提升和商品有機肥補貼政策，提高了農民施用有機肥的積極性。
優秀團隊帶頭攻關
“有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣”成果利國利民，不僅在國內具有當然的領先優勢，也是一項造福人類的先進技術。而帶頭進行科研攻關的正是由沈其榮為首的南京農業大學有機肥和土壤微生物研究團隊，這支科研隊伍由20多名中青年高水平科研人員組成，多年來從事有機肥和土壤微生物領域的學術前沿研究和科技攻關，以及有機肥生產新工藝的推廣應用。作為行業的領頭羊，團隊先后主持過國家973項目、國家基金重點項目和公益性農業行業專項等重大項目，帶領全國同行長期進行有機肥的基礎和應用研究，使中國有機肥研究進入世界領先行業。
多年的研究工作也為團隊帶來了諸多榮譽。團隊研發的“克服土壤連作障礙的微生物有機肥產品研制與產業化開發”成果獲2011年國家技術發明獎二等獎和2010年江蘇省科學技術獎一等獎；“有機肥作用機制和產業化關鍵技術研究與推廣”成果獲2015年國家科技進步獎二等獎和2013年教育部科技進步獎一等獎；“一種能防除連作作物枯萎病的拮抗菌及其微生物肥料”專利獲2010年國家專利金獎和2009年江蘇省專利金獎；“有機（類）肥料產品研發和推廣”成果獲第四屆中國技術市場協會獎金橋獎（2009）；有機肥與土壤微生物創新團隊于2015年獲得農業部和中華農業科技獎（優秀創新團隊獎）。
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