對比之前的監(jiān)測手段，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)合了太空、天空和地面的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)成果摸清測區(qū)黑土地土壤與耕地質(zhì)量家底，診斷黑土地土壤與耕地質(zhì)量及退化狀況，為黑土地保護(hù)技術(shù)提供時(shí)空精準(zhǔn)處方，助力保護(hù)黑土資源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。
5月上旬，東北廣袤的黑土地上春潮涌動(dòng)，千里沃野，農(nóng)事正忙。
在黑龍江友誼農(nóng)場，一場特殊的“體檢”正在進(jìn)行。之所以特殊，是因?yàn)椤绑w檢”的對象是一塊900平方公里的黑土地。
保護(hù)好黑土地，是糧食生產(chǎn)中的關(guān)鍵一環(huán)。近日，依托于中國科學(xué)院“黑土糧倉”科技會(huì)戰(zhàn)三江示范區(qū)項(xiàng)目，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡稱東北地理所）聯(lián)合中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等16家單位，在友誼農(nóng)場開展了為期10天的黑土地航空飛行綜合觀測實(shí)驗(yàn)，利用衛(wèi)星、大飛機(jī)和地面采樣相結(jié)合的辦法，完成了這次特殊的“體檢”。
給黑土地質(zhì)量“把脈問診”
東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)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(yīng)的重要來源，是保障國家糧食安全的壓艙石。要保護(hù)黑土地，先要摸清我國黑土地質(zhì)量本底與時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，系統(tǒng)診斷黑土地退化成因，才能為黑土地精準(zhǔn)保護(hù)和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。
為了這次“體檢”，科研人員們籌謀已久，設(shè)備也足夠“豪華”。在太空中，僅衛(wèi)星就組織了15顆，過境高達(dá)50次；在天空上，首次利用大飛機(jī)搭載多種高精尖設(shè)備進(jìn)行多次亞米級(jí)/米級(jí)高光譜、熱紅外、激光雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)觀測。
而在地面上，由多個(gè)單位、近百人組成的大部隊(duì)蓄勢待發(fā)?？蒲腥藛T們分成4個(gè)地物光譜采集組、5個(gè)地面采樣組、9個(gè)無人機(jī)飛行組和3個(gè)三維激光掃描組，配置4臺(tái)便攜式光譜儀、5套地面采樣設(shè)備、56套地面自動(dòng)觀測設(shè)備等百余套高精尖設(shè)備……
不僅裝備豪華，時(shí)間節(jié)點(diǎn)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?！睎|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(jiān)測亞米級(jí)、米級(jí)土壤理化性質(zhì)、耕地質(zhì)量與退化類型、程度，為黑土地種肥水藥智能管控精細(xì)處方圖制作、水土流失防控與小流域綜合治理提供科學(xué)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。
為期10天的黑土地航空飛行綜合觀測實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)、墑情、“破皮黃”、白漿化、土壤質(zhì)地、侵蝕溝、魚眼泡及耕地質(zhì)量米級(jí)空間分辨率定量監(jiān)測。
“對比之前的監(jiān)測手段，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)合了太空、天空和地面的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)成果摸清測區(qū)黑土地土壤與耕地質(zhì)量家底，診斷黑土地土壤與耕地質(zhì)量及退化狀況，為黑土地保護(hù)技術(shù)提供時(shí)空精準(zhǔn)處方，助力保護(hù)黑土資源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展?！眲ㄜ娬f。
國產(chǎn)航空載荷“大顯身手”
在本次黑土地的“體檢”中，航空遙感系統(tǒng)作為承上啟下的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)了區(qū)域高分辨率多源遙感數(shù)據(jù)獲取、天—地真實(shí)性傳遞驗(yàn)證等關(guān)鍵任務(wù)。
中國科學(xué)院空天院航空遙感中心主任潘潔研究員表示，中國科學(xué)院空天院航空遙感中心抽調(diào)了優(yōu)勢技術(shù)力量，發(fā)揮了國家大科學(xué)裝置航空遙感系統(tǒng)多載荷協(xié)同觀測的能力和優(yōu)勢，根據(jù)任務(wù)要求優(yōu)選了多光譜光學(xué)相機(jī)、高光譜相機(jī)和多維度合成孔徑雷達(dá)等一批先進(jìn)的國產(chǎn)航空載荷，實(shí)現(xiàn)了對示范區(qū)全區(qū)域的多載荷綜合協(xié)同觀測。
“一架飛機(jī)同時(shí)裝載了8套大型遙感設(shè)備，包含了多光譜、高光譜和P、L、S、C、X、Ka6個(gè)微波波段載荷，這些載荷可實(shí)現(xiàn)同步對地觀測，同步獲取多種類型、高現(xiàn)勢性、綜合客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)，這樣類型的綜合航空遙感試驗(yàn)在黑龍江，乃至中國黑土研究試驗(yàn)中尚屬首次。”潘潔說。
國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施陸地觀測衛(wèi)星共性應(yīng)用支撐平臺(tái)項(xiàng)目綜合實(shí)驗(yàn)場負(fù)責(zé)人陶醉表示，此次天空地綜合實(shí)驗(yàn)期間，項(xiàng)目組協(xié)調(diào)國產(chǎn)衛(wèi)星同步開機(jī)觀測，涵蓋空基系列以及高分系列衛(wèi)星，累計(jì)覆蓋測區(qū)的同步衛(wèi)星影像50余景。
黑土糧倉科技會(huì)戰(zhàn)三江示范區(qū)多要素立體監(jiān)測與模式應(yīng)用評(píng)價(jià)負(fù)責(zé)人、東北地理所副研究員鄭興明認(rèn)為，此次黑土區(qū)天空地綜合觀測實(shí)驗(yàn)充分實(shí)現(xiàn)了天空地協(xié)同，具有航空飛行載荷全、頻次高，衛(wèi)星充分協(xié)同，地面測試參數(shù)全的特點(diǎn)，通過融合多尺度、多載荷觀測數(shù)據(jù)，能夠有效支撐黑土地土壤屬性、地形地貌、耕地質(zhì)量等米級(jí)分辨率空間制圖，服務(wù)于農(nóng)業(yè)技術(shù)的綜合效益評(píng)估和適宜推廣區(qū)劃定。
保護(hù)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(hù)性耕作方案。
在與三江示范區(qū)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(hù)需要因地制宜，根據(jù)不同地域的氣候、土地特征出臺(tái)針對性措施?！睎|北地理所副所長武海濤告訴記者。
據(jù)介紹，三江平原黑土地保護(hù)面臨的低溫冷涼、土壤障礙嚴(yán)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(yīng)提出以“秸稈翻埋、深松減障、水土優(yōu)化、智能管控”為核心技術(shù)內(nèi)涵的“三江模式”。
白漿土旱田障礙消減與地力提升技術(shù)、寒地水田地力提升與抗逆豐產(chǎn)技術(shù)、水土資源高效利用與優(yōu)化配置、天空地立體監(jiān)測、黑土地保護(hù)與智慧農(nóng)業(yè)融合發(fā)展技術(shù)模式的集成示范，為三江平原地區(qū)提供了多尺度系統(tǒng)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(shù)體系，使有效耕層增加到30厘米，玉米和大豆增產(chǎn)14%以上；闡明基于積溫梯度的寒地稻田秸稈還田腐解規(guī)律，實(shí)現(xiàn)水田增產(chǎn)12%以上；實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)水27%，農(nóng)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(xù)推進(jìn)多次航空飛行綜合觀測實(shí)驗(yàn)，提高黑土地耕地產(chǎn)能與質(zhì)量監(jiān)測能力?！眲ㄜ娬f。
他預(yù)計(jì)在未來3年內(nèi)，“黑土糧倉”三江示范區(qū)將建立時(shí)空精準(zhǔn)的多要素立體監(jiān)測技術(shù)體系，時(shí)空精準(zhǔn)推廣黑土地保護(hù)“三江模式”，為我國黑土地立體監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)、黑土地保護(hù)模式推廣貢獻(xiàn)樣板。
