【科技日報】空、天、地協同，為農場黑土地做“體檢”
對比之前的監測手段，此次實驗結合了太空、天空和地面的數據，實驗成果摸清測區黑土地土壤與耕地質量家底，診斷黑土地土壤與耕地質量及退化狀況，為黑土地保護技術提供時空精準處方，助力保護黑土資源、促進農業現代化和可持續發展。
◎本報記者 楊 侖
5月上旬，東北廣袤的黑土地上春潮涌動，千里沃野，農事正忙。
在黑龍江友誼農場，一場特殊的“體檢”正在進行。之所以特殊，是因為“體檢”的對象是一塊900平方公里的黑土地。
保護好黑土地，是糧食生產中的關鍵一環。近日，依托于中國科學院“黑土糧倉”科技會戰三江示范區項目，中國科學院東北地理與農業生態研究所(以下簡稱東北地理所)聯合中國科學院空天信息創新研究院等16家單位，在友誼農場開展了為期10天的黑土地航空飛行綜合觀測實驗，利用衛星、大飛機和地面采樣相結合的辦法，完成了這次特殊的“體檢”。
給黑土地質量“把脈問診”
東北黑土區是我國重要的糧食生產基地，糧食產量約占全國的四分之一，糧食商品率高，是保障糧食市場供應的重要來源，是保障國家糧食安全的壓艙石。要保護黑土地，先要摸清我國黑土地質量本底與時空動態變化，系統診斷黑土地退化成因，才能為黑土地精準保護和可持續利用提供科學依據。
為了這次“體檢”，科研人員們籌謀已久，設備也足夠“豪華”。在太空中，僅衛星就組織了15顆，過境高達50次;在天空上，首次利用大飛機搭載多種高精尖設備進行多次亞米級/米級高光譜、熱紅外、激光雷達和合成孔徑雷達觀測。
而在地面上，由多個單位、近百人組成的大部隊蓄勢待發。科研人員們分成4個地物光譜采集組、5個地面采樣組、9個無人機飛行組和3個三維激光掃描組，配置4臺便攜式光譜儀、5套地面采樣設備、56套地面自動觀測設備等百余套高精尖設備……
不僅裝備豪華，時間節點的選擇也非常講究。
“東北黑土地耕作土壤春季有裸土窗口期。”東北地理所研究員劉煥軍告訴記者。與之前地面采樣相比，空天地立體化的檢測方式，可以定量監測亞米級、米級土壤理化性質、耕地質量與退化類型、程度，為黑土地種肥水藥智能管控精細處方圖制作、水土流失防控與小流域綜合治理提供科學數據與技術支撐。
為期10天的黑土地航空飛行綜合觀測實驗，實現了土壤有機質、墑情、“破皮黃”、白漿化、土壤質地、侵蝕溝、魚眼泡及耕地質量米級空間分辨率定量監測。
“對比之前的監測手段，此次實驗結合了太空、天空和地面的數據，實驗成果摸清測區黑土地土壤與耕地質量家底，診斷黑土地土壤與耕地質量及退化狀況，為黑土地保護技術提供時空精準處方，助力保護黑土資源、促進農業現代化和可持續發展。”劉煥軍說。
國產航空載荷“大顯身手”
在本次黑土地的“體檢”中，航空遙感系統作為承上啟下的重要環節，承擔了區域高分辨率多源遙感數據獲取、天—地真實性傳遞驗證等關鍵任務。
中國科學院空天院航空遙感中心主任潘潔研究員表示，中國科學院空天院航空遙感中心抽調了優勢技術力量，發揮了國家大科學裝置航空遙感系統多載荷協同觀測的能力和優勢，根據任務要求優選了多光譜光學相機、高光譜相機和多維度合成孔徑雷達等一批先進的國產航空載荷，實現了對示范區全區域的多載荷綜合協同觀測。
“一架飛機同時裝載了8套大型遙感設備，包含了多光譜、高光譜和P、L、S、C、X、Ka6個微波波段載荷，這些載荷可實現同步對地觀測，同步獲取多種類型、高現勢性、綜合客觀的科學數據，這樣類型的綜合航空遙感試驗在黑龍江，乃至中國黑土研究試驗中尚屬首次。”潘潔說。
國家民用空間基礎設施陸地觀測衛星共性應用支撐平臺項目綜合實驗場負責人陶醉表示，此次天空地綜合實驗期間，項目組協調國產衛星同步開機觀測，涵蓋空基系列以及高分系列衛星，累計覆蓋測區的同步衛星影像50余景。
黑土糧倉科技會戰三江示范區多要素立體監測與模式應用評價負責人、東北地理所副研究員鄭興明認為，此次黑土區天空地綜合觀測實驗充分實現了天空地協同，具有航空飛行載荷全、頻次高，衛星充分協同，地面測試參數全的特點，通過融合多尺度、多載荷觀測數據，能夠有效支撐黑土地土壤屬性、地形地貌、耕地質量等米級分辨率空間制圖，服務于農業技術的綜合效益評估和適宜推廣區劃定。
保護黑土地再出“三江模式”
針對黑土地變薄、變瘦等問題，近年來，研究人員提出了一系列保護性耕作方案。
在與三江示范區的科研人員交流中，他們提到最多的就是“三江模式”。
“黑土地保護需要因地制宜，根據不同地域的氣候、土地特征出臺針對性措施。”東北地理所副所長武海濤告訴記者。
據介紹，三江平原黑土地保護面臨的低溫冷涼、土壤障礙嚴重、水資源安全壓力大、智能化水平有待提升等問題，因此才對應提出以“秸稈翻埋、深松減障、水土優化、智能管控”為核心技術內涵的“三江模式”。
白漿土旱田障礙消減與地力提升技術、寒地水田地力提升與抗逆豐產技術、水土資源高效利用與優化配置、天空地立體監測、黑土地保護與智慧農業融合發展技術模式的集成示范，為三江平原地區提供了多尺度系統解決方案。形成的白漿土全鏈條的障礙消減與地力提升技術體系，使有效耕層增加到30厘米，玉米和大豆增產14%以上;闡明基于積溫梯度的寒地稻田秸稈還田腐解規律，實現水田增產12%以上;實現綜合節水27%，農田退水氮磷凈化效率提升35%。
“2023年將在作物全生長周期繼續推進多次航空飛行綜合觀測實驗，提高黑土地耕地產能與質量監測能力。”劉煥軍說。
他預計在未來3年內，“黑土糧倉”三江示范區將建立時空精準的多要素立體監測技術體系，時空精準推廣黑土地保護“三江模式”，為我國黑土地立體監測技術體系建設、黑土地保護模式推廣貢獻樣板。
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