冬虫夏草红外光声光谱鉴定
30 25
Photoacoustic intensity
20 15 10 5 0 4000
1：西宁 2：西藏墨竹 3：达日 4：那曲聂荣乡 5：西宁 6：达日
7：西藏那曲 8：西藏第四批 9：西宁 10：湖北 11：四川汉源 12：云南
3500
3000
2500 2000 1500 Wavenumber(cm-1)
快速获取土壤信息
计算机软件与系统
廉价环保缓控释肥料
精准施肥信息系统 高效专用肥及应用
二、主研究内容
1 基于红外光谱的土壤肥力信息获取 2 水基包衣控释肥料的研制 3 精准施肥信息系统的构建及应用
1、基于红外光谱的土壤肥力信 息获取
土壤信息的获取
土壤分析量巨大，传统化学分析方法耗时长，成本高、且具破 坏性，无法适应海量土壤信息的获取, 原位分析！ 仪器分析方法为土壤信息的快速、实时采集提供可能，而红外 光谱则是未来重要发展方向
土壤肥力信息获取 需及时、快速和准确 养分供需匹配 需廉价环保缓控释肥
总体思路
配方设计 肥力评估
时间-作物
材料选择
空间-土壤
实验室测定
工艺参数 关键技术
都市农业
高效肥料技术与产品
现代农业
技术路线
养分时空变化 土壤肥力空间变异 现代化学计量学 养分吸收时间变化
红外光声光谱技术
预测模型
水基包膜控释技术
COCHCHNH
R N
NHCHCHOC
2 2
O CO CHCH NH
2 2
O R N NHCHCHOC
2 2
25
Zhao et al., 2010; Du et al., 2013
缓控释材料的合成
合成材料 目的性和针对性强 控释灵活 可以通过设计目标膜的理化性质 控制养分的释放 环境友好 无毒无污染，并充当土壤调理剂 价格低廉 与传统材料相比，价格大幅下降
缺少学科交叉型人才：材料、设备、工艺、软件、自动控制等 肥料企业缺乏自主的研发动力 缺乏相对持续支持：碎片化、周期长、收益低、风险大
致 谢
感谢 国家自然科学基金 (41130749) 国家“十二”科技支撑计划 (2011BAD11B01-02)
周健民 研究员
杜昌文 研究员
张延亮 博士
申亚珍 博士
Du et al., 2015
光谱预测制图
实测值
预测值
实测值
预测值
2、水基聚合物包衣控释肥料
原位水基反应成膜技术
以水为溶剂，环境更友好，控释更灵活 COOH + 原位反应成膜、兼有保水性能 全封闭循环流化床包衣设备及其工艺
O N R N
+ HOOC
O
2 2
COOH +
N
R N
+ HOOC
2 3
3
漫反射光谱
1 0 -1 -2 4000 2 1
衰减全反射光谱
2 1 0
光声光谱
0 -1 1000 4000
-1
3500 3000 2500 2000 1500
3500
3000
2500
2000
1500
-2 1000 4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
Yang, et al., 2012; Du et al., 2014; Lu et al., 2014, 2015; Wang et al., 2015
基于反向传递人工神经网络模型，快速、准确、智能化
Du et al., 2008; Shen et al., 2012
水基包衣控释肥料生产工艺与设备研制
全封闭式流化床包 衣设备 塔式连续 生产流化 床包衣设备，生产 效率可提高 5-10 倍
3、精准施肥信息系的构建与应用
精准施肥技术体系
云计算、物联网
Shen et al., 2013, 2014, 2015
模型膜和控释模型优化
0 1 3 D(t t ') gt ( Cs ) l 6 s r C 3D (t T ) 1 s e rl s
t t'
t' t T
t>T
理论模型: Fick第二扩散定理
中国植物营养与肥料学会八届四次理事会暨 2015 年学术年会
精准施肥信息系统构建与应用
杜昌文 中国科学院南京土壤研究所
2015 年 9 月 24 日 郑州
报告内容
一、引 言 二、主要研究内容 三、结 语
一、引 言
我国农业中的化肥利用
近 40 年来，化肥用量增加 15 倍，粮食产量仅增加 3 倍多 我国主要粮食作物生产中，氮肥的当季利用率氮仅为 30% 左 右；经济植物的种植迅猛发展，养分投入不断加大，养分利用 低 肥料损失导致巨大经济损失和严重环境污染：每年氮素直接损 失约 400 亿元 (资源和能源)，水体营养化
3
黑土 （n = 647)
2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1
500 -1.5 4000
潮土 （n = 221)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
12 10
3
黄土 （n = 348)
2.5 2 1.5 1
红壤 （n = 1948)
photoacostic intensity
Remote soil sensing?
IUSS Working group on Digital Soil Mapping IUSS Working group on Proximal Soil Sensing
不同土壤红外光声光谱
1.6 Gromasol Hamra Terra Rossa Loess Masua Red soil Rice soil Chao soil Peat soil Rendzina 1.4
1.2
Photoacoustic intensity
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 4000
3500
3000
2500 2000 Wavenumber(cm-1)
1500
1000
500
Du et al., 2007, 2008, 2009; Du & Zhou, 2009
我国典型农田土壤红外光声光谱
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000
我国肥料使用面临粮食安全和生态环境保护的双重压力，提高养分利
用率的需求十分迫切，而精准施肥是适应这一需要求的重要途径之一， 土壤研究所有基础、有能力在这一需求中发挥重要作用 国家已对测土方、有机肥、相关农机等实行补贴，也开始了控释肥料 补贴试点，同时出台相关政策、实施相关科技重大专项
挑战：人才、平台、资源
盗窃（纵火）刑事案件物证分析
案件背景： 2014 年 1-2 月，内蒙古额尔古纳市三 河牧场多起油菜籽被盗事件，涉及三 个品种，警方发现嫌疑车辆，并从车 辆中提取油菜籽约 90 粒。
表明待鉴定样本为多个品种 的混和样，根据与被盗样品 的鉴定结果，待鉴定样中混 有被盗的两个品种
2015 年 5 月，纵火案， 鉴定案发再场与嫌疑 人射身上稻草的一致 性
8 6 4 2 0 4000
0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
3500
3000
2500 2000 1500 W avenumber(cm-1)
1000
500
Du et al, 2012, 2013, 2014, 2015
土壤光谱属性
土壤光谱属性：土壤指纹 土壤光谱属性可融合土壤 理化属性和土壤空间属性 化学计量学、现代计算机 技术和软件技术的发展
Soil f ( s )
s: soil spectroscopic property Soil extraction Du & Zhou, 2010; Du, 2012 Spectra extraction (data mining)
基于 FTIR-PAS 和 RGB 原理的土壤变异表征
栗水区
PCA1=74.21%、PCA2=12.49%，PCA3=5.27%
Ma et al., 2015
交通事故定责
3 1 7 2 5
交通肇事案背景： 2012 年 3 月 6 号，安徽省凤阳县， 一箱式货车与一个 82 岁骑自车的老 人发生“碰擦”，老人倒地受伤，后 抢救无效身亡。货车车主不承认发 生碰擦，死者家属则认定发生碰擦， 交警定责困难。
土壤 (植物) 光谱数据库应用
Du et al., 2015
测土-配方-配肥一体技术示范与应用
黑土
潮土
红壤
黄土
水稻土
三、结 语
精准施肥:现代农业的发展方向
结合红外光谱，利用多元校正的数学方法开展了土壤定性和
定量分析，提出土壤指纹和土壤光谱属性; 同时植物具有明显 的红外光声光谱特征，这些特征与植物的养分状况以及品质 存在内在关联，为土壤肥力评估和植物营养诊断提供新手段
国家需求：粮食安全与环境保护
开发新型绿色高效专用肥料，是保障粮食高 产和有效解决农业面源污染的重要手段之一 国家中长期科技发展规划纲要和中央一号文 件提出加快发展新型绿色高效肥料 力争 2020 年化肥零增长，2030 年化肥减施 20%
中国肥料利用率提高的现实困难
人多地少，要保持作物高产，肥料的高投入不可避免， 不能像发达国家那样为保护环境而减少产量 高施肥量需要更精准的肥料管理才能提高利用率 中国农民小规模的分散生产模式给肥料配方技术应用带 来实际困难