親土在線-貴州省刺梨產業智能土壤修復實施方案設想

賈丹丹, 林 瑛, 何 耀, 袁 宸, 段路路, 金厚成, 樸成淳

(1.上海化工研究院有限公司 上海 200062; 2.上海海洋大學 上海 201306;3.金友立生態農業〔上海〕股份有限公司 上海 200062)

我國各地的地理、氣候、土壤等生態環境不同,造就了許多當地獨有的植物種類,貴州刺梨就是生長在云貴高原的一種野果特產,已具有千年歷史[1-2]。 近年來,隨著對刺梨研究的深入,人們發現刺梨在醫藥、保健、食品等領域具有巨大的開發與利用空間,因此刺梨被人工大量栽培。 但在國內外實用性研究中發現,野生刺梨和人工種植刺梨的營養成分、藥用價值有著明顯的差別,人工種植刺梨由于品質的下降,已影響到刺梨的原有功能、利用價值、新產品開發及加工產品的質量[1-3]。

刺梨品質的下降與刺梨種植土壤的變化息息相關。 近年來,中國、韓國的科技人員利用農業技術對貴州刺梨不同生長地域土壤中的有機質、各種天然的好氧/厭氧微生物、各種微量元素等的含量進行了研究,并按照刺梨在原生態土壤條件下生長的規律,制定并實行一地一策的智能化解決方案修復貴州各地種植刺梨的土壤,使種植刺梨的土壤環境達到適宜刺梨生長的最佳狀態,從而獲得優質的刺梨,此過程被稱作“智能土壤修復解決方案”。

通過調研國內市場發現,目前國內尚無針對刺梨的可直接使用的智能土壤修復平臺,也無相關市場運行模式。 在調研過程中,同時收集了各種植戶和刺梨產品生產商的意見和想法,意在建立一個既可對土壤進行定期評估、精準調理和科學修復,又可指導農戶高效、科學管理土地的智能化平臺,即親土在線-智能原生態土壤修護云服務平臺(以下簡稱智能土壤修護云服務平臺)。該平臺重點聚焦貴州刺梨非標準化種植導致的農產品質量波動的問題,以刺梨人工種植土壤修復為主要目標,通過智能化手段開展研究和實施土壤修復。 本文旨在對該平臺操作和實施過程進行探討。

1 智能土壤修護云服務平臺

1.1 刺梨原生態種植土壤調查和檢測分析

1.1.1 原生態土壤場地調查

原生態土壤場地調查是開展土壤數據采集的重要過程。 場地調查主要包括生態種植場地基本情況調查及原生態土壤樣本采樣。

場地基本情況調查:對場地一些基本屬性的確認,包含場地的地理位置、海拔、朝向、坡度情況,以及所產出刺梨的品質、產量等。

種植土壤樣本采樣:種植土壤樣本是數據采集的基礎,一個種植土壤樣本可以產生一條數據樣本;為了合理擴大土壤數據集的樣本數量,建議同一區域采集多個種植土壤樣本。

原生態土壤樣本采集數量和采集方法:為了正確分析原生態土壤,需采集充分的土樣,建議選取貴州省內10 處以上刺梨原生態場地開展土壤數據采集工作;單一場地建議通過合理布點方式,采取不同位置的土壤樣本10 個以上(要求單點相距10 m,且在刺梨生長范圍內),每個采集點分別采集不同深度的土壤樣本3 個,包括腐葉層、表土層和心土層。

除了組織實地樣本采集獲取刺梨原生態土壤數據,同時可采取文獻調查方式獲取優質數據,用以補充刺梨原生態土壤數據庫。 值得注意的是,刺梨品質明顯低下的非原生態土壤樣本也是數據集的重要補充部分。

1.1.2 原生態土壤樣本的檢測分析

通過科學的土樣采集方法獲取具有代表性的土壤樣本后,需要對土壤樣本進行全方位、多指標的科學分析。

土壤檢測的指標一般可分為土壤物理性指標、肥力性指標和微生物性指標等。 土壤物理性指標包括pH、土性、容積密度、硬度、孔隙率、透水性、含水率等;土壤肥力性指標包括全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、有機質、中量元素(Mg、Ca、S)、微量元素(Cu、Fe、Zn、Mo、Mn、B、Cl)等含量;土壤微生物指標包括土壤微生物含量、優勢有益菌種等。

1.2 原生態土壤指標標定

原生態土壤標準的建立有助于支持貴州刺梨的標準化種植工作。

依據原生態土壤的檢測分析結果和場地的調查情況,一一對應數據形成原生態土壤數據集的主體部分。 同時,通過文獻調研形式獲取數據樣本用于對數據集的補充,所調查數據(見表1)可作為土壤評價的指標參考使用。

表1 土壤物理性、肥力性及微生物性指標標準樣式

數據搜集是利用現有人工智能技術(人工神經網絡、支持向量機、模式識別等)創建貴州刺梨原生態土壤模型,通過模型在較短的時間內完成大量不同維度土壤特征的虛擬土壤樣本的預報,即依靠人工智能模型獲取能達到原生態土壤指標要求的土壤樣本。 以大量預報的虛擬土壤樣本數據為基礎,采取統計學方法逐步確認每個土壤特征的取值范圍與原生態土壤是否達標的概率關系。 根據合理的概率要求進行設計,形成符合貴州刺梨種植需求的原生態土壤標準。

1.3 土壤修復方法

常規的土壤修復方法包括物理修復、化學修復和生物修復。

在種植果樹時,深土層土壤物理性是影響果樹根部生長的主要要素。 良好的深土層土壤物理性是有效土層深厚,孔隙率豐富,下層土透氣性和保水率良好,根圈發達。 此外,物理性良好的深土層可提供微生物增殖的棲息空間,對促進土壤微生物繁殖具有重要的作用。 深土層物理修復技術有深耕并施用有機物、鋪設半明渠或排水暗渠、爆氣式深土破碎等(見圖1)。 深耕并施用有機物可在建設果園前整地時應用;爆氣式深土破碎對果樹樹根損傷最小,除果樹生長旺盛期外都可以實施,節約人力,近年來廣受國外果農歡迎。

圖1 深土層物理修復技術

化學修復有很多技術,目前具備工程實用價值的修復技術主要是土壤調理劑修復技術[4]。該技術通過向土壤中加入各種適合的材料對土壤進行修復,主要用于修復土壤物理和化學性質,一定程度上也能夠間接改善土壤微生物的生存環境,是具有極強應用價值的土壤修復技術之一。根據常見的土壤調理劑的成分來源,主要可分為天然無機礦物類、天然或半合成有機物類、人工合成高分子類和工業副產物等。 不同成分的土壤調理劑加入到土壤中,可取得不同的修復效果。 目前能通過土壤調理劑技術滿足各種土壤實際需求,如調節土壤物理結構、酸堿度、可溶性鹽濃度(EC 值)、有機質含量,改善土壤保肥保水能力,補充嚴重缺失的中微量元素,鈍化土壤有害重金屬元素等,最終實現保護土壤生態、增強土壤水肥利用效率、提高作物的品質和產量等[5-7]。

生物修復主要是植物改良和微生物修復。 土壤微生物在土壤形成、能量轉移、養分循環和生態系統長期穩定的過程中發揮著重要作用[8]。 近年來,國內外的研究主要聚焦于具有特殊功能的微生物的發現和篩選上,如可以促進植物生長的植物根際促生菌(PGPR)[9-11],可以改善土壤生態環境的芽孢桿菌和假單胞桿菌[8],具有解磷作用的解磷真菌、叢枝菌根真菌等。 為了進一步提高微生物改良的效果和穩定性,原土原菌技術被研究和開發,并形成了一種實用的土壤微生物改良技術。 原土原菌技術從原理上是以原生土壤中的微生物族群為基礎,從中篩選出對土壤和作物都具有正面效果的有益菌株,然后通過生物培養進行擴培和小規模生產,最后將大量的目標菌用于當地的土壤微生物修復。 原土原菌技術的優點是定向篩選和培養的目標菌株在待修復土壤中有非常高的生物適應性,配合土壤理化修復的成果,可以長期改善土壤的微生物生態[12]。

1.4 智能土壤修護云服務平臺管理器

以上述土壤標準模型為內核,打造智能土壤修護云服務平臺的雛形管理器(見圖2)。 該管理器將通過長期的數據積累和跟蹤以及模型迭代,逐步建立科學有效的人工智能分析能力,支持包括土壤采樣送檢體系、土壤檢測分析體系、土壤評價診斷體系、肥料和土壤調理劑調配標準體系、原土原菌培養體系的工作。

圖2 智能土壤修護云服務平臺管理器

智能土壤修護云服務平臺的功能設想包括:①各地區制定的地標性農作物土壤指標數據占智能土壤修護云服務平臺基礎數據的80%,國內(國家或各省、區)農業土壤相關標準數據占基礎數據的15%,國際農業土壤標準數據占基礎數據的5%;②每次輸入地區(經緯度)、農作物品種、土壤檢測數據,通過智能土壤修護云服務平臺分析、評估、診斷,并且建立土壤采樣送檢體系、土壤檢測分析體系、土壤評價診斷體系;③按照智能土壤修護云服務平臺分析、評估,提出一地一物一策的智能土壤修復解決方案,并提供相關技術和產品及施工監理服務;④通過智能土壤修護云服務平臺的云計算,提供精準施肥方案(肥料和土壤調理劑調配標準體系、原土原菌體系)。

2 示范區土壤修復

2.1 示范區土壤診斷和修復目標生成

首先采集示范區土壤樣本,然后進行土壤樣本檢測分析。 將檢測結果輸入土壤模型中進行預報驗證,確認其是否符合土壤目標的要求。 若不符合,則將示范區場地種植土樣的分析指標與原生態土壤的標準指標進行比較,確認關鍵差異性。根據土壤改良的經驗,對示范區土壤的差異指標進行修正,并輸入計算模型中進行預報驗證,擇優選取可行且經濟的示范區土壤修正指標作為土壤修復的目標(見表2)。

表2 示范區土壤修復目標示例

2.2 示范區土壤修復實施

根據示范區土壤修復目標值,制定土壤修復綜合性方案,包括土壤物理性、肥力性和生物性修復方案,并測試其修復的效果。 土壤修復示范區面積300～500 畝(1 畝=667 m2)。

化學性修復施用的材料選擇綠色、無害化的土壤調理劑。 物理性修復以深耕和有機物共同施用為主,推薦使用的有機物是示范區附近容易采購的經濟性農業副產物(稻草、麥稈、粗糠、鋸末等)、家畜糞尿(豬糞、牛糞、雞糞、羊糞等),以實地情況為準。 生物性修復使用的微生物是原生態土壤的土著微生物菌,需要采集、篩選及培養符合物理性修復效果的原生態土壤土著微生物。 示范區土壤修復方法及適用技術見表3。

表3 示范區土壤修復方法及適用技術

2.3 刺梨種植系統應用試驗

(1)試驗地塊設計和種植管理

在試驗中設計空白對照地塊和智能化種植處理地塊進行種植效果對比。 空白對照地塊采用常規人工決策和管理的方式進行常規種植;處理地塊完全按照系統決策信號進行種植,田間實施主要通過自動化設施執行,自動化設施無法執行的則由人工執行彌補。

(2)產量和品質數據收集

刺梨主要考察指標包括產量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、固酸比、可溶性總糖含量、還原糖含量、可溶性蛋白含量、類黃酮含量、維生素C 含量、SOD 活性、氨基酸含量等。 可溶性固形物含量采用手持式折光儀法測定;可滴定酸含量采用酸堿滴定法測定;可溶性總糖含量采用蒽酮比色法測定;還原糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定;類黃酮含量采用硝酸鋁顯色法測定;維生素C 含量采用鉬藍比色法測定;SOD 活性采用羥胺法測定;參考《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》(GB 5009.124—2016)中的氨基酸自動分析儀法,測定不同地區的刺梨中17 種水解氨基酸的含量。

通過在示范區開展的原生態土壤種植試驗,采集不同處理樣本中刺梨的產量和品質數據,進行綜合分析,評估試驗效果,形成結果評估報告。

3 結語

本文結合實地收集的刺梨種植戶和產品制造商的想法和建議,就刺梨種植的土壤修復問題提出了修復方案設想,給出了適合貴州刺梨種植產業土壤修復的流程、參考方法和數據支撐,以期為從事人工種植刺梨研究的科研人員提供參考。

智能土壤修護云服務平臺可對土壤進行定期評估、精準調理和科學修復,指導農戶高效、科學地管理和調理土地。 通過此法,有望實現減少化肥和農藥的使用量,提升農業的產出效率,逐步阻止土壤的惡化,修復并維護土壤的健康狀態,為未來實現貴州刺梨行業種植過程的標準化和智能化奠定基礎,對推動貴州省種植出高質量、高產量的刺梨產品和刺梨產業發展起到示范和推廣的作用。