空、天、地协同,为农场黑土地做“体检”

探索2023-06-10 20:11:378

对比之前的体检监测手段,此次实验结合了太空、空天天空和地面的地协地数据,实验成果摸清测区黑土地土壤与耕地质量家底,农场诊断黑土地土壤与耕地质量及退化状况,黑土为黑土地保护技术提供时空精准处方,体检助力保护黑土资源、空天促进农业现代化和可持续发展。地协地

5月上旬,农场东北广袤的黑土黑土地上春潮涌动,千里沃野,体检农事正忙。空天

在黑龙江友谊农场,地协地一场特殊的农场“体检”正在进行。之所以特殊,黑土是因为“体检”的对象是一块900平方公里的黑土地。

保护好黑土地,是粮食生产中的关键一环。近日,依托于中国科学院“黑土粮仓”科技会战三江示范区项目,中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理所)联合中国科学院空天信息创新研究院等16家单位,在友谊农场开展了为期10天的黑土地航空飞行综合观测实验,利用卫星、大飞机和地面采样相结合的办法,完成了这次特殊的“体检”。

给黑土地质量“把脉问诊”

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,粮食产量约占全国的四分之一,粮食商品率高,是保障粮食市场供应的重要来源,是保障国家粮食安全的压舱石。要保护黑土地,先要摸清我国黑土地质量本底与时空动态变化,系统诊断黑土地退化成因,才能为黑土地精准保护和可持续利用提供科学依据。

为了这次“体检”,科研人员们筹谋已久,设备也足够“豪华”。在太空中,仅卫星就组织了15颗,过境高达50次;在天空上,首次利用大飞机搭载多种高精尖设备进行多次亚米级/米级高光谱、热红外、激光雷达和合成孔径雷达观测。

而在地面上,由多个单位、近百人组成的大部队蓄势待发。科研人员们分成4个地物光谱采集组、5个地面采样组、9个无人机飞行组和3个三维激光扫描组,配置4台便携式光谱仪、5套地面采样设备、56套地面自动观测设备等百余套高精尖设备……

不仅装备豪华,时间节点的选择也非常讲究。

“东北黑土地耕作土壤春季有裸土窗口期。”东北地理所研究员刘焕军告诉记者。与之前地面采样相比,空天地立体化的检测方式,可以定量监测亚米级、米级土壤理化性质、耕地质量与退化类型、程度,为黑土地种肥水药智能管控精细处方图制作、水土流失防控与小流域综合治理提供科学数据与技术支撑。

为期10天的黑土地航空飞行综合观测实验,实现了土壤有机质、墒情、“破皮黄”、白浆化、土壤质地、侵蚀沟、鱼眼泡及耕地质量米级空间分辨率定量监测。

“对比之前的监测手段,此次实验结合了太空、天空和地面的数据,实验成果摸清测区黑土地土壤与耕地质量家底,诊断黑土地土壤与耕地质量及退化状况,为黑土地保护技术提供时空精准处方,助力保护黑土资源、促进农业现代化和可持续发展。”刘焕军说。

国产航空载荷“大显身手”

在本次黑土地的“体检”中,航空遥感系统作为承上启下的重要环节,承担了区域高分辨率多源遥感数据获取、天—地真实性传递验证等关键任务。

中国科学院空天院航空遥感中心主任潘洁研究员表示,中国科学院空天院航空遥感中心抽调了优势技术力量,发挥了国家大科学装置航空遥感系统多载荷协同观测的能力和优势,根据任务要求优选了多光谱光学相机、高光谱相机和多维度合成孔径雷达等一批先进的国产航空载荷,实现了对示范区全区域的多载荷综合协同观测。

“一架飞机同时装载了8套大型遥感设备,包含了多光谱、高光谱和P、L、S、C、X、Ka6个微波波段载荷,这些载荷可实现同步对地观测,同步获取多种类型、高现势性、综合客观的科学数据,这样类型的综合航空遥感试验在黑龙江,乃至中国黑土研究试验中尚属首次。”潘洁说。

国家民用空间基础设施陆地观测卫星共性应用支撑平台项目综合实验场负责人陶醉表示,此次天空地综合实验期间,项目组协调国产卫星同步开机观测,涵盖空基系列以及高分系列卫星,累计覆盖测区的同步卫星影像50余景。

黑土粮仓科技会战三江示范区多要素立体监测与模式应用评价负责人、东北地理所副研究员郑兴明认为,此次黑土区天空地综合观测实验充分实现了天空地协同,具有航空飞行载荷全、频次高,卫星充分协同,地面测试参数全的特点,通过融合多尺度、多载荷观测数据,能够有效支撑黑土地土壤属性、地形地貌、耕地质量等米级分辨率空间制图,服务于农业技术的综合效益评估和适宜推广区划定。

保护黑土地再出“三江模式”

针对黑土地变薄、变瘦等问题,近年来,研究人员提出了一系列保护性耕作方案。

在与三江示范区的科研人员交流中,他们提到最多的就是“三江模式”。

“黑土地保护需要因地制宜,根据不同地域的气候、土地特征出台针对性措施。”东北地理所副所长武海涛告诉记者。

据介绍,三江平原黑土地保护面临的低温冷凉、土壤障碍严重、水资源安全压力大、智能化水平有待提升等问题,因此才对应提出以“秸秆翻埋、深松减障、水土优化、智能管控”为核心技术内涵的“三江模式”。

白浆土旱田障碍消减与地力提升技术、寒地水田地力提升与抗逆丰产技术、水土资源高效利用与优化配置、天空地立体监测、黑土地保护与智慧农业融合发展技术模式的集成示范,为三江平原地区提供了多尺度系统解决方案。形成的白浆土全链条的障碍消减与地力提升技术体系,使有效耕层增加到30厘米,玉米和大豆增产14%以上;阐明基于积温梯度的寒地稻田秸秆还田腐解规律,实现水田增产12%以上;实现综合节水27%,农田退水氮磷净化效率提升35%。

“2023年将在作物全生长周期继续推进多次航空飞行综合观测实验,提高黑土地耕地产能与质量监测能力。”刘焕军说。

他预计在未来3年内,“黑土粮仓”三江示范区将建立时空精准的多要素立体监测技术体系,时空精准推广黑土地保护“三江模式”,为我国黑土地立体监测技术体系建设、黑土地保护模式推广贡献样板。

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