亲土在线-贵州省刺梨产业智能土壤修复实施方案设想

贾丹丹, 林 瑛, 何 耀, 袁 宸, 段路路, 金厚成, 朴成淳

(1.上海化工研究院有限公司 上海 200062; 2.上海海洋大学 上海 201306;3.金友立生态农业〔上海〕股份有限公司 上海 200062)

我国各地的地理、气候、土壤等生态环境不同,造就了许多当地独有的植物种类,贵州刺梨就是生长在云贵高原的一种野果特产,已具有千年历史[1-2]。 近年来,随着对刺梨研究的深入,人们发现刺梨在医药、保健、食品等领域具有巨大的开发与利用空间,因此刺梨被人工大量栽培。 但在国内外实用性研究中发现,野生刺梨和人工种植刺梨的营养成分、药用价值有着明显的差别,人工种植刺梨由于品质的下降,已影响到刺梨的原有功能、利用价值、新产品开发及加工产品的质量[1-3]。

刺梨品质的下降与刺梨种植土壤的变化息息相关。 近年来,中国、韩国的科技人员利用农业技术对贵州刺梨不同生长地域土壤中的有机质、各种天然的好氧/厌氧微生物、各种微量元素等的含量进行了研究,并按照刺梨在原生态土壤条件下生长的规律,制定并实行一地一策的智能化解决方案修复贵州各地种植刺梨的土壤,使种植刺梨的土壤环境达到适宜刺梨生长的最佳状态,从而获得优质的刺梨,此过程被称作“智能土壤修复解决方案”。

通过调研国内市场发现,目前国内尚无针对刺梨的可直接使用的智能土壤修复平台,也无相关市场运行模式。 在调研过程中,同时收集了各种植户和刺梨产品生产商的意见和想法,意在建立一个既可对土壤进行定期评估、精准调理和科学修复,又可指导农户高效、科学管理土地的智能化平台,即亲土在线-智能原生态土壤修护云服务平台(以下简称智能土壤修护云服务平台)。该平台重点聚焦贵州刺梨非标准化种植导致的农产品质量波动的问题,以刺梨人工种植土壤修复为主要目标,通过智能化手段开展研究和实施土壤修复。 本文旨在对该平台操作和实施过程进行探讨。

1 智能土壤修护云服务平台

1.1 刺梨原生态种植土壤调查和检测分析

1.1.1 原生态土壤场地调查

原生态土壤场地调查是开展土壤数据采集的重要过程。 场地调查主要包括生态种植场地基本情况调查及原生态土壤样本采样。

场地基本情况调查:对场地一些基本属性的确认,包含场地的地理位置、海拔、朝向、坡度情况,以及所产出刺梨的品质、产量等。

种植土壤样本采样:种植土壤样本是数据采集的基础,一个种植土壤样本可以产生一条数据样本;为了合理扩大土壤数据集的样本数量,建议同一区域采集多个种植土壤样本。

原生态土壤样本采集数量和采集方法:为了正确分析原生态土壤,需采集充分的土样,建议选取贵州省内10 处以上刺梨原生态场地开展土壤数据采集工作;单一场地建议通过合理布点方式,采取不同位置的土壤样本10 个以上(要求单点相距10 m,且在刺梨生长范围内),每个采集点分别采集不同深度的土壤样本3 个,包括腐叶层、表土层和心土层。

除了组织实地样本采集获取刺梨原生态土壤数据,同时可采取文献调查方式获取优质数据,用以补充刺梨原生态土壤数据库。 值得注意的是,刺梨品质明显低下的非原生态土壤样本也是数据集的重要补充部分。

1.1.2 原生态土壤样本的检测分析

通过科学的土样采集方法获取具有代表性的土壤样本后,需要对土壤样本进行全方位、多指标的科学分析。

土壤检测的指标一般可分为土壤物理性指标、肥力性指标和微生物性指标等。 土壤物理性指标包括pH、土性、容积密度、硬度、孔隙率、透水性、含水率等;土壤肥力性指标包括全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机质、中量元素(Mg、Ca、S)、微量元素(Cu、Fe、Zn、Mo、Mn、B、Cl)等含量;土壤微生物指标包括土壤微生物含量、优势有益菌种等。

1.2 原生态土壤指标标定

原生态土壤标准的建立有助于支持贵州刺梨的标准化种植工作。

依据原生态土壤的检测分析结果和场地的调查情况,一一对应数据形成原生态土壤数据集的主体部分。 同时,通过文献调研形式获取数据样本用于对数据集的补充,所调查数据(见表1)可作为土壤评价的指标参考使用。

表1 土壤物理性、肥力性及微生物性指标标准样式

数据搜集是利用现有人工智能技术(人工神经网络、支持向量机、模式识别等)创建贵州刺梨原生态土壤模型,通过模型在较短的时间内完成大量不同维度土壤特征的虚拟土壤样本的预报,即依靠人工智能模型获取能达到原生态土壤指标要求的土壤样本。 以大量预报的虚拟土壤样本数据为基础,采取统计学方法逐步确认每个土壤特征的取值范围与原生态土壤是否达标的概率关系。 根据合理的概率要求进行设计,形成符合贵州刺梨种植需求的原生态土壤标准。

1.3 土壤修复方法

常规的土壤修复方法包括物理修复、化学修复和生物修复。

在种植果树时,深土层土壤物理性是影响果树根部生长的主要要素。 良好的深土层土壤物理性是有效土层深厚,孔隙率丰富,下层土透气性和保水率良好,根圈发达。 此外,物理性良好的深土层可提供微生物增殖的栖息空间,对促进土壤微生物繁殖具有重要的作用。 深土层物理修复技术有深耕并施用有机物、铺设半明渠或排水暗渠、爆气式深土破碎等(见图1)。 深耕并施用有机物可在建设果园前整地时应用;爆气式深土破碎对果树树根损伤最小,除果树生长旺盛期外都可以实施,节约人力,近年来广受国外果农欢迎。

图1 深土层物理修复技术

化学修复有很多技术,目前具备工程实用价值的修复技术主要是土壤调理剂修复技术[4]。该技术通过向土壤中加入各种适合的材料对土壤进行修复,主要用于修复土壤物理和化学性质,一定程度上也能够间接改善土壤微生物的生存环境,是具有极强应用价值的土壤修复技术之一。根据常见的土壤调理剂的成分来源,主要可分为天然无机矿物类、天然或半合成有机物类、人工合成高分子类和工业副产物等。 不同成分的土壤调理剂加入到土壤中,可取得不同的修复效果。 目前能通过土壤调理剂技术满足各种土壤实际需求,如调节土壤物理结构、酸碱度、可溶性盐浓度(EC 值)、有机质含量,改善土壤保肥保水能力,补充严重缺失的中微量元素,钝化土壤有害重金属元素等,最终实现保护土壤生态、增强土壤水肥利用效率、提高作物的品质和产量等[5-7]。

生物修复主要是植物改良和微生物修复。 土壤微生物在土壤形成、能量转移、养分循环和生态系统长期稳定的过程中发挥着重要作用[8]。 近年来,国内外的研究主要聚焦于具有特殊功能的微生物的发现和筛选上,如可以促进植物生长的植物根际促生菌(PGPR)[9-11],可以改善土壤生态环境的芽孢杆菌和假单胞杆菌[8],具有解磷作用的解磷真菌、丛枝菌根真菌等。 为了进一步提高微生物改良的效果和稳定性,原土原菌技术被研究和开发,并形成了一种实用的土壤微生物改良技术。 原土原菌技术从原理上是以原生土壤中的微生物族群为基础,从中筛选出对土壤和作物都具有正面效果的有益菌株,然后通过生物培养进行扩培和小规模生产,最后将大量的目标菌用于当地的土壤微生物修复。 原土原菌技术的优点是定向筛选和培养的目标菌株在待修复土壤中有非常高的生物适应性,配合土壤理化修复的成果,可以长期改善土壤的微生物生态[12]。

1.4 智能土壤修护云服务平台管理器

以上述土壤标准模型为内核,打造智能土壤修护云服务平台的雏形管理器(见图2)。 该管理器将通过长期的数据积累和跟踪以及模型迭代,逐步建立科学有效的人工智能分析能力,支持包括土壤采样送检体系、土壤检测分析体系、土壤评价诊断体系、肥料和土壤调理剂调配标准体系、原土原菌培养体系的工作。

图2 智能土壤修护云服务平台管理器

智能土壤修护云服务平台的功能设想包括:①各地区制定的地标性农作物土壤指标数据占智能土壤修护云服务平台基础数据的80%,国内(国家或各省、区)农业土壤相关标准数据占基础数据的15%,国际农业土壤标准数据占基础数据的5%;②每次输入地区(经纬度)、农作物品种、土壤检测数据,通过智能土壤修护云服务平台分析、评估、诊断,并且建立土壤采样送检体系、土壤检测分析体系、土壤评价诊断体系;③按照智能土壤修护云服务平台分析、评估,提出一地一物一策的智能土壤修复解决方案,并提供相关技术和产品及施工监理服务;④通过智能土壤修护云服务平台的云计算,提供精准施肥方案(肥料和土壤调理剂调配标准体系、原土原菌体系)。

2 示范区土壤修复

2.1 示范区土壤诊断和修复目标生成

首先采集示范区土壤样本,然后进行土壤样本检测分析。 将检测结果输入土壤模型中进行预报验证,确认其是否符合土壤目标的要求。 若不符合,则将示范区场地种植土样的分析指标与原生态土壤的标准指标进行比较,确认关键差异性。根据土壤改良的经验,对示范区土壤的差异指标进行修正,并输入计算模型中进行预报验证,择优选取可行且经济的示范区土壤修正指标作为土壤修复的目标(见表2)。

表2 示范区土壤修复目标示例

2.2 示范区土壤修复实施

根据示范区土壤修复目标值,制定土壤修复综合性方案,包括土壤物理性、肥力性和生物性修复方案,并测试其修复的效果。 土壤修复示范区面积300～500 亩(1 亩=667 m2)。

化学性修复施用的材料选择绿色、无害化的土壤调理剂。 物理性修复以深耕和有机物共同施用为主,推荐使用的有机物是示范区附近容易采购的经济性农业副产物(稻草、麦秆、粗糠、锯末等)、家畜粪尿(猪粪、牛粪、鸡粪、羊粪等),以实地情况为准。 生物性修复使用的微生物是原生态土壤的土著微生物菌,需要采集、筛选及培养符合物理性修复效果的原生态土壤土著微生物。 示范区土壤修复方法及适用技术见表3。

表3 示范区土壤修复方法及适用技术

2.3 刺梨种植系统应用试验

(1)试验地块设计和种植管理

在试验中设计空白对照地块和智能化种植处理地块进行种植效果对比。 空白对照地块采用常规人工决策和管理的方式进行常规种植;处理地块完全按照系统决策信号进行种植,田间实施主要通过自动化设施执行,自动化设施无法执行的则由人工执行弥补。

(2)产量和品质数据收集

刺梨主要考察指标包括产量、可溶性固形物含量、可滴定酸含量、固酸比、可溶性总糖含量、还原糖含量、可溶性蛋白含量、类黄酮含量、维生素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仪法测定;可滴定酸含量采用酸碱滴定法测定;可溶性总糖含量采用蒽酮比色法测定;还原糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定;类黄酮含量采用硝酸铝显色法测定;维生素C 含量采用钼蓝比色法测定;SOD 活性采用羟胺法测定;参考《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》(GB 5009.124—2016)中的氨基酸自动分析仪法,测定不同地区的刺梨中17 种水解氨基酸的含量。

通过在示范区开展的原生态土壤种植试验,采集不同处理样本中刺梨的产量和品质数据,进行综合分析,评估试验效果,形成结果评估报告。

3 结语

本文结合实地收集的刺梨种植户和产品制造商的想法和建议,就刺梨种植的土壤修复问题提出了修复方案设想,给出了适合贵州刺梨种植产业土壤修复的流程、参考方法和数据支撑,以期为从事人工种植刺梨研究的科研人员提供参考。

智能土壤修护云服务平台可对土壤进行定期评估、精准调理和科学修复,指导农户高效、科学地管理和调理土地。 通过此法,有望实现减少化肥和农药的使用量,提升农业的产出效率,逐步阻止土壤的恶化,修复并维护土壤的健康状态,为未来实现贵州刺梨行业种植过程的标准化和智能化奠定基础,对推动贵州省种植出高质量、高产量的刺梨产品和刺梨产业发展起到示范和推广的作用。