日前，2015年度国家科技进步奖公布，南京农业大学两项科研成果“稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术”、“有机肥作用机制和产业化关键技术研究与推广”分别摘得国家科技进步二等奖。其中“稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术”立足“互联网+农业”科技，以水稻和小麦为主要研究对象，围绕作物主要生长指标的特征光谱波段和光谱参数、定量监测模型、实时调控方法、监测诊断产品等开展了深入系统的研究，集成建立了基于反射光谱的作物生长光谱监测与定量诊断技术体系，实现了为农田实时“开处方”；“有机肥作用机制和产业化关键技术研究与推广”项目创新研究了有机肥、有机无机复混肥养分在土壤-植物-动物体系中的循环与转化及对土壤性质的影响，研发出商品有机肥和有机无机复混肥生产工艺与技术，进行推广施用，发挥了化肥和有机肥两者之长。
现代传感技术给农田实时“开处方”
传感器一“转”，就能监测农田肥水情况？无人机一“瞄”，就能判断作物生长走势？农民和种植大户们手机在手，就能实时获得量化的施肥建议，再也不必苦守着农技人员下田看苗，担心错过了最佳的诊断时机？没错！南京农业大学一项最新的“互联网+农业”科技——稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术，以水稻和小麦为主要研究对象，围绕作物主要生长指标的特征光谱波段和光谱参数、定量监测模型、实时调控方法、监测诊断产品等开展了深入系统的研究，集成建立了基于反射光谱的作物生长光谱监测与定量诊断技术体系。
“水稻、小麦等粮食作物在生长过程中需要监测肥水、病虫害等情况，传统的‘看苗诊断’依托的是农技人员“人眼看”、“下田看”，大部分都是‘拍脑袋’、‘凭经验’，不能定量化，而且受人力所限，一天只能看一两块田，这样‘看’下来时间长、效率低，常常错过了最佳‘诊疗期’”。
南京农业大学田永超教授向记者介绍，项目组研发的现代看苗诊断技术就是针对这些缺点逐一突破，原理是根据作物吸收太阳光的情况，叶绿素含量高的作物，吸收的相关可见光多，反射的光谱就少，从而制作出“反射光谱库”，构建“光谱”与作物生长关系模型；同时研制便携式和机载式的监测诊断设备，通过在农田传感器、无人机上安装“机械眼”，实现从点到面的数据传输和监测覆盖。
“革新后的技术优势明显，一是更加客观、精确，从人眼看变成传感器看，能够消除大量的经验性误差；二是更加快速，以往通过对化验叶绿素，最起码要10天的周期，等化验结果出来，最佳施肥施药期已过，现在是‘实时’监测，农户只需手机下载相关软件，足不出户就可以实时查收作物监测情况以及量化的施肥建议；三是适应规模化农业的发展趋势，未来农业必将走适度规模的发展道路，规模就带来需求，无人机等领先技术的应用将为规模化、机械化、大面积农田的作物监测提供精确的分类指导。”
动态设计生产轨迹：作物生长的“营养师”
说到此项技术的创新点，田永超为记者打了一个形象的比喻，“就像专业的营养师，会根据人的不同年龄阶段，定制相应的体格指数、体质标准，我们做的则是针对作物不同生长阶段特定的水肥需求情况，通过软件建模，动态设计其生产轨迹。”
据了解，项目牵头人，南京农业大学曹卫星教授，放弃国外优厚待遇回到南农，从2000年起来，带领团队潜心研究“稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术”。
“我们的项目历时16年，之前做在的是‘基肥’的精确定量研究，即在作物下田之前，给出合适的水肥使用量指导，近年来，主要针对‘追肥’，即作物生长过程中的实时监测。”
田永超告诉记者，项目组借助自主研发的作物生长监测诊断系统、生长监测诊断仪、农田感知与智慧管理平台等软硬件产品，以作物长势分布图、肥水处方图、产量品质分布图等为主要应用形式，为农户绘制出简便实用的作物生长“营养图”。
据了解，从2015年开始，农业部组织开展了到2020年“化肥使用量零增长”和“农药使用量零增长”的“双减行动”，推进化肥、农药减量增效，南京农业大学的这项稻麦生长指标光谱监测与定量诊断技术，为优化农业结构、提高化肥农药使用效率，提供了核心的支撑技术。
既然做的是“互联网+农业”，自然少不了“计算机+农学”的复合人才加盟。“从软件到硬件，从实时诊断到定量调控，核心技术都是由团队成员自主设计完成。”田永超介绍起这支具有复合专业背景的现代农业科技团队，不无自豪。“我们团队现有核心成员11人，专业背景涉及计算机、遥感、地理信息系统、农业工程等不同学科门类，在人才培养上，通过与植物保护学院、信息科技学院的合作，实现交叉性复合型人才的自主培养。”
“智慧农业是未来的发展方向，我们属于应用研究型学科，从基础理论到应用推广，横跨农业的上、中、下游，我们的研究既强调攀登理论前沿，又强调对接产业需求、提升团队成员的实践创新能力；既要能发表具有理论突破的论文，又要能发明专利，推出实用创新型产品。”
抓住“氮”，让农作物生长更快
氮（N）是植物生长需要量最大的元素，为了提高产量，农业生产过程中，农民往往大量施用氮肥。然而，氮同时又是十分活跃的元素，极易流失，不仅影响产量、造成浪费，还会对水体环境和人类健康造成危害。沈其荣告诉记者，研究团队首次建立了采用同位素13C15N双标记作物秸秆、畜禽粪便等有机肥料的技术。通过研究揭示，土壤中残留的有机13C约有15%存在于土壤腐殖酸类物质中，80%在土壤胡敏素中，5%左右在土壤微生物体内。也就是说，通过有机肥使化肥15N快速转化成微生物有机15N，再被矿化出无机氮，构成土壤有效氮的存储“过渡库”，使土壤氮素供应过程与作物吸氮更相吻合，减少了氮素的挥发和浪费。这项有机无机肥料氮素协同增效的主要机制改变了以往化肥无机氮供应太快、土壤有机氮供应太慢的特性，用碳素“抓牢”氮素，为确保作物高产稳产提供了良好的氮素供应模式，为国内外同行运用氮素进行相关研究打通了“快速通道”。
研究结果表明，与施用化肥相比，长期有机培肥不仅显著提高土壤微生物量、多样性及土壤酶活性，更使土壤微生物类群分布均匀，植物有益菌类群，如假单胞菌、芽孢杆菌、拟杆菌等丰富度增加，而喜酸环境的酸杆菌类显著减少，这是长期有机培肥抑制土壤酸化根本原因。有机培肥还使土壤氮素循环相关的功能基因拷贝数显著增多。此外，施用有机肥和有机无机复混肥还能降低土壤有机质分解，并有助于土壤有机质积累和土壤团粒结构。这些研究结果的取得为提高有机肥施用量，减少化肥用量提供了重要的理论支撑。
为了让更多的农民能用上有机肥，该项目还建立了新鲜畜禽粪便生物脱水工艺。和传统的固液分离工艺相比，新工艺不仅降低了脱水成本、减少环境污染，也减少了脱水环节的养分流失。研究人员在此基础上还建立了适合于现代畜禽粪便的腐熟度检测方法企业用比色法，使有机肥的生产更加方便高效。
有机肥作用机制关键问题的解决，使得具有“扬长避短”特点的商品有机肥和有机无机复混肥产品得到大面积推广应用。在此基础上，南农的科研人员修订了有机肥料的行业标准，提高了有机肥养分含量，这一举措不仅为有机肥产业快速发展保驾护航，还将有效促进我国耕地质量的提升。商品有机肥和有机无机复混肥产品对生产和环境显而易见的优势，也得到了相关部门的充分肯定，财政部国家税务总局出台有机肥产品免征增值税政策，农业部出台土壤有机质提升和商品有机肥补贴政策，提高了农民施用有机肥的积极性。（通讯员 许天颖 陈洁）