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信息技术在农业环境污染防治中的应用

  摘要:以云计算、大数据及物联网为核心的信息技术被应用于各个领域,特别是在农业环境污染防治方面更具优势。针对目前农业环境污染特点及环境污染防治问题,综合比较了传统农业环境污染防治技术和现代以信息技术为载体的智慧农业环境污染防治技术的优缺点,介绍了当前在农业环境污染治理过程中常见的信息技术及其在农业生态管理、水体、大气和土壤污染防治方面的具体应用,现代信息技术服务于农业环境污染治理的方式和途径,分析了当前信息技术在与环境污染防治技术相互结合过程中存在的问题,提出了相关解决办法,为未来农业环境污染防治技术的信息化发展提供参考。

  关键词:农业环境;污染防治;信息技术

信息技术在农业环境污染防治中的应用

  引文格式:赵玉鑫,张祎.信息技术在农业环境污染防治中的应用[J].吉林农业大学学报,2021,43(2):244-250.

  随着社会的进步和现代化进程加快,科技发展突飞猛进,以信息技术为关键力量的新一轮科技革命正改变人们的生产和生活。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出,我国的远景目标是基本实现新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化。

  农业环境污染是近几年人们关注的重点,也是治理的难点[1],它最大的特点是污染源分散,很难做到集中治理[2]。污染物可以通过水体、大气和土壤等多种途径对环境造成污染,进而影响人体健康[3]。这些污染物一般浓度较低,持续时间长,同时存在多种污染成分,容易在环境中发生富集效应,污染物一旦进入环境中,则很难消除[4]。农业污染不但会危害人体健康,还会影响农作物生长[5]。据《中国农村统计年鉴》统计,2019年中国农药使用量为139.2万t,化肥使用量达5403.6万t,塑料地膜使用量为240.8万t。这些人造复合材料虽对农产品种植有益,但却是生态环境的敌人,它们往往含有大量的重金属和挥发性有机污染物,不仅会渗进土壤,使土壤重金属含量超标,还会随地表径流进入河道,污染水体,甚至会污染地下水[6]。

  我国的农村常依水、依山而建,污染物如果进入到食物链,会影响广大农村地区的生态安全。此外,农机尾气、秸秆燃烧等也会对大气造成污染。这些污染发生以后,受气象条件和地表性质影响,被扩散、稀释或聚集,使受污染的范围变大,而污染控制机动反应慢,这使农村地区大气污染难以治理[7]。

  1农业环境污染防治现状

  传统农业环境污染防治手段主要依赖于法律约束、清洁生产、环境监测、回收农业废弃物和减少农药化肥使用等[8-11]。

  1.1法律约束

  我国设立了多部关于农业环境污染防治的法律,在《农业法》中明确规定农民和农业生产经营组织者应当保养耕地,合理使用化肥、农药、农用薄膜,增加使用有机肥料,采用先进技术保护和提高地力,防止农用地污染、破坏和地力衰退。同时,在《环境保护法》中也明确规定施用农药、化肥等农业投入品及进行灌溉时,应当采取措施,防止重金属和其他有毒有害物质污染环境。但这些法律条文笼统,只规定了规范性主题内容,并没有对如何进行农业污染防治进行具体规定和指导。

  1.2清洁生产

  农业上的清洁生产主要是指在农业生产的全过程中使用清洁化的技术和方式,减少农业污染,降低农业生产对人和环境的不利影响[12]。清洁生产是21世纪可持续发展任务的新课题,特别是农业方面的清洁生产,更是一个全新的领域,在实际操作中,我国部分农村地区仍在使用较为粗放的生产方式,不能达到清洁生产的要求。

  1.3环境监测

  环境监测是农业环境管理的重要内容,也是开展农业环境保护工作的基础,高效、灵敏的监测是农业污染防治的保障。目前,我国大部分地区的环境监测工作以人工操作为主,定时采集样品,送回实验室检测。以陕西省某县进行土壤监测工作为例,按照年度工作方案要求需要布设142个土壤监测点位,经过实地查找—经纬定位—点位勘察—采集样品—样品处理—资料备案—样品资料送报七道程序才能完成监测工作[13]。显然,这种方式不但需要大量人力和时间,而且运输过程中极易发生意外,从而导致监测数据不准确。

  1.4回收农业废弃物

  根据减量化、再使用、再循环原则(“3R”原则),回收农业废弃物对发展循环经济具有重要意义[14]。农业废弃物包括秸秆、地膜等,将这些废弃物统一回收,并资源化利用,或集中处理,从源头上治理污染,符合可持续发展的要求,对环境有积极正向作用[15]。

  秸秆是常见的产量最大的农业废弃物,常就地燃烧,导致大气环境的严重污染,危害人体健康,现在通常通过发酵工程使秸秆发酵产沼气,所产沼气作为农民日常生活的燃料,从而节约能源。对于不适合采用秸秆发酵产沼气的地区,秸秆还常被用于新材料的研制,以提高秸秆的附加值,增加效益。

  塑料地膜是一种难以降解的农业废弃物,其随意丢弃可影响土壤肥力,进而影响农作物产量,但回收废弃地膜成本高,处理困难,很多农民不愿意收集废塑料地膜,从而出现地膜污染问题[16]。推广有机地膜,减少农作废弃物对环境造成污染是现代农业研究的重要发展方向[17]。

  1.5减少农药化肥使用

  农药化肥能提高农作物产量,但如果使用不合理,常会对土壤、水体和地下水产生污染,因此减少农药化肥使用,实现农药化肥零增长是近几年农业部的重点工作[18]。在20世纪中期丹麦就提出了专门调控农药的法案,并于1983年建立了病虫害监测系统(PDM)和植物保护信息系统(PPIS),1992年颁布了《肥料和植物覆盖物的农业使用法》,做到了精细化农药和化肥管理[19],我国有化肥和农药施用不合理现象,亩均施用量偏高,东西部地区施用量不均衡,有机肥资源利用率低,与国外相比,我国传统人工施肥方式仍占主导地位[20]。

  2应用于农业环境污染防治的信息技术

  传统的农业环境污染防治手段虽然在过去一段时间内发挥了重要作用,但随着经济社会的快速发展,常需要对农业生产活动数据、水文数据、气象数据、土地和地形数据等多种数据进行掌握、分析,从而综合考虑才能制定适宜的污染防治措施[21]。获取和分析数据成为治理农业环境污染的关键环节之一,传统的环境污染防治手段已不能适应当前农业环境污染特性,防治效率低,迫切需要研发新技术。

  以感测技术、生物技术[22]、自动化数据平台[23]、物联网[24]等技术为基础的信息技术能够对信息进行快速搜集、筛选和整合,具有数字化和智能化特点。将信息技术引入环境污染治理体系,并将信息技术与环境污染防治技术相结合,在污染物全生命周期实行科学化、信息化管理,可提高环境污染防治工作效率,对传统农业环境污染防治和治理具有无可比拟的优越性。常见应用于农业的信息技术主要有以下几种。

  2.1遥感技术

  遥感技术是通过传感器,对远距离目标进行探测的技术,在军事、地质勘探、地图测绘和环境监测等方面具有独特的优势。将遥感用于生态环境管理可以监测广泛的环境参数,以获得污染物来源和传播途径,为污染物的治理提供基础数据。Wang等[25]利用卫星遥感能够准确定位和识别空气重污染地区,实行动态监测管理,并建立高分辨率图像,这项技术可有效减小大气条件对污染物扩散和传播的影响。遥感技术也可以与其他技术结合使用,例如与地理信息系统(GIS)结合使用,前者对土地进行动态监测,后者对前者监测到的数据进行决策和分析,叠加使用能更方便地服务于防治环境污染。Schaefer等[26]将遥感技术和GIS结合,对胡志明市的农业空间分布进行分析和评估,该方法为政府规划部门的城乡规划提供理论框架,保证了土地使用的合理性。

  2.2物联网

  物联网是使用特定的方案或技术,连接到In-ternet,实现物与物或物与人之间的交互,在交通运输、医疗保健、智能家居和农业管理等方面应用广泛。在农业生态环境中,物联网为农业活动提供精准的污染物监测,降低了人力、时间和金钱成本。Lin等[27]从经济效益和环境效益角度出发,创新设计了一种遗传算法模型,优化了农作物施肥的浓度和pH,并通过物联网实现了水肥配比的长期管理,这种设计不仅节约了投资成本,而且减少了农药化肥的滥用。Wonohardjo等[28]将传感器检测到的空气中一氧化碳浓度覆盖到谷歌地图上,构建了一体化污染检测测绘系统,实现了一氧化碳浓度实时监测,提高了污染物监测水平。

  2.3人工智能

  人工智能是利用计算机软件和硬件来模拟人类的某些智能行为,具有科学可靠的决策能力。面对突发的环境污染,人工智能可以准确地分析数据,并针对污染物的防治做出正确决策,可有效避免机动反应慢问题。Zhang等[29]研究了一种基于无线传感器网络的人工智能,并辅以物联网,进行环境监测,与传统方法相比,准确率提高95.6%,效率提高93.7%,简化了环境监测步骤。

  2.4大数据

  大数据是对所有数据进行分析处理,而不是选取部分数据或抽样调查的方法,具有大量、高速、多样、低价值密度和真实性特点,常与云计算相结合[30]。通常首选大数据获取环境基础数据,这样在获取数据时覆盖所有环境要素,然后将数据上传到云端,进行储存和分析,以备需要时提取信息。Zhang等[31]从资源协调的视角,提出了一个关于大数据分析流程的模型,结果表明,大数据的分析能力是创造价值的关键,要想使大数据技术获得更广泛的应用,需加强对大数据分析能力的研究。

  3信息技术应用于农业环境污染防治实例

  3.1农业生态管理

  信息技术在农业生态管理中的应用可以对农作物生长环境进行监测和分析,及时掌控农作物生长情况,有效避免农业污染的发生,并且能优化农作物种植方式,达到资源的可持续利用。Zhou等[32]将GIS技术与互联网连接,建立了化学农药对生态环境污染的监控系统,不仅可以分析农药的使用情况,而且可以分析使用地区的使用趋势,并以图表的形式在计算机上显示,同时可以结合遥感影像技术获取农业景观,以便用户及时监测农药对生态环境的污染情况。Chen等[33]利用大数据技术,对农村农业生态环境系统的肥料消耗、病虫害程度、水污染程度和碳氮吸收情况进行计算和分析,促进了农村生态环境改善。Tang等[34]将遥感信息与Penman-Monteith法和虚拟水结合,建立了多目标规划模型,帮助确定适宜研究地区的作物类型,并能计算作物的空间需水量和生态系统服务价值,达到优化资源配置目的。赵荣阳等[35]将物联网技术和现代农业相结合,设计了一套关于农业大棚生产环境监控系统,可实时采集农作物的生产信息和大棚周围环境信息并上传至管理平台,用户可以通过手机APP、PC对现场设备进行远程操作,有效提升农业大棚的管理效率。Talaviya等[36]在调查大量农业自动化信息基础上,分别探讨了机器人和无人机除草系统在面对极端天气、杂草和灌溉系统挑战时,不同的人工智能调控策略,从而实现精确除草,降低农作物损失,减少杀虫剂和除草剂的使用量。

  3.2水体污染防治

  借助遥感技术可以实现水体污染自动化监测,通过红外线、电磁波或可见光对水体中目标污染物进行探测和识别,能更好地监控水质变化,面对突发水体污染事件可以反应更灵敏,对消除黑臭水体,特别是分散在广大农村的黑臭水体起到极大的监控作用。Chen等[37]将近红外光谱技术与智能卷积神经网络模型相结合,使近红外光谱技术智能化,提高了近红外光谱法定量分析水体COD的能力。Wu等[38]通过计算机模型模拟,开发了一种协同生态区划技术体系,利用ArcGIS估算非点源污染物负荷,为全国协同策略研究提供数据支持。Barati等[39]通过对伊朗的地下水资源分析,建立了地下水循环模型,并以此为基础开发了一个智能监控系统,不仅可以缓解水资源匮乏,还可以指出不同计划、项目和政策对地下水的影响,帮助管理者做出更好的决定。2015年,我国环保部就针对京津冀地区提出要建立布局合理、覆盖全面的环境质量监测网络,通过在河道、水体和地下水等各个层面进行系统化部署,并在跨界位置实行联合监测,形成责任清晰的管理格局,有效杜绝违法排放,在2020年底前已基本消除黑臭水体[40]。

  3.3大气污染防治

  借助互联网和传感器等装置,搭建环境空气质量智能监控和解析系统平台[41],不仅能监测空气质量,还可以源头追溯,实时记录污染动态扩散数据,对可能发生的污染进行预警和定位,为环境执法部门提供依据,提高政府部门的监督和预警能力,使大气污染防治更加便利。Rohi等[42]利用电子无人机与传感器结合,实现了空气质量自动监测,同时生成空气质量地图,对重污染地区进行检测和分析。刘婷等[43]选取MODIS卫星监测的数据,对河南省某小麦产区秸秆焚烧情况进行分析,结果表明,在试验日期内监测到的火点共1799个,火点主要分布在南阳、驻马店及平顶山地区。Nair等[44]利用遥感技术对德里市的秸秆燃烧产生的污染物进行监测,并分析了秸秆燃烧对该地区空气质量的影响,结果表明,该地区发生的重污染与秸秆燃烧有直接关系,由此可见,遥感技术为污染源分析提供了重要手段。

  3.4土壤污染防治

  2016年由国务院发布的《土壤污染防治行动计划》中指出,要建设土壤环境质量监测网络,提升土壤环境信息化管理水平。地理信息系统(GIS)和卫星遥感影像是土壤污染防治的常用手段,通过GIS绘制土壤地形图和数据图,收集基础环境数据,然后将GIS与其他信息技术结合,对渗透进土壤中的农药、化肥进行分析和评价,对改善农业面源污染有重要作用。李梅等[45]以河南省某产田为例,利用GIS技术确定网格布点方法,将布点图层与土壤图进行叠加,建立空间数据库,为后续的土壤环境监测和其他研究工作奠定了基础。李向等[46]利用GIS和多智能体技术(MAS)建立了土壤重金属污染评价及安全预警系统,通过对土壤中重金属污染情况分析,准确监控土壤中低浓度污染物的排放和去除情况。Guo等[47]以油菜农田为研究对象,将观测卫星从10月至翌年3月的工作时长作为观测周期,记录油菜生长情况,并利用遥感卫星影像对土壤中的有机碳进行制图,有效解决了地形原因致土壤属性变化不敏感问题,为其他低地形区域土壤中重金属的分布制图提供思路。

  4信息技术参与农业环境污染防治的方式

  将信息技术应用于农业环境污染防治不仅能实现对农业环境污染的远程监控,还可以实现污染物扩散模型和预警模型的快速建立,为政府部门制定污染防控策略提供依据,有利于生态环境改善[48]。目前,我国信息技术服务于农业环境污染防治还处于起步阶段,缺乏相关经验,主要通过以下几方面参与到农业环境污染防治中。

  4.1完善环境基础数据,构建数据共享平台

  遥感技术和大数据等信息技术可以实现大量搜集和储存环境基础数据,并对数据进行分析和筛选,从而建立生态环境监测网络,通过不断完善环境要素基础数据,实现政府各部门之间、不同区域间的数据共联、共享,有利于实现各地区、各部门协同治理环境污染。

  4.2开放技术接口,打造智慧平台

  实现农业环境污染防治现代化、信息化,需要农业参与者积极开放技术接口,打造智慧平台,将信息技术与农田灌溉、庄稼施肥和农药喷洒相结合,精准计算并投放农田所需的化肥与农药,利用计算机算法和模型分析、决策、处置突发环境问题[49]。

  4.3建立生态环境区块链,杜绝数据造假

  信息技术具有操作简便,反应灵敏的特点,但也易受黑客攻击,或者是人为干扰,建立健全数字保护机制,建立生态环境区块链,记录生产环节污染物排放数据,可有效避免数据被篡改[50]。在这方面,山东省滨州市生态环境局滨州分局率先于2020年12月建设了全国首个区块链生态环境监管平台。利用区块链技术分布式、不可篡改和协同共识特性,使环境监测证据材料“原装”上链固证,全周期留痕,实现环保部门、排污企业和设备厂商等24h链上治理[51]。

  5结语

  农业环境污染具有隐蔽性、分散性、面源性、难于控制等特点,将信息技术与农业环境污染防治技术相结合,及时弥补了现有农业环境污染防治技术的局限性。将信息技术应用于农业生态管理、水体、大气和土壤污染的预防和治理,可以从全局出发,统筹管理,及时监测和防控农业水体、土壤、大气环境污染,利用先进的信息技术和丰富的信息资源来预测环境污染趋势,制定最优污染物防治方案,进一步推进大数据、物联网和人工智能与农业环境工程深度融合,提升农业生态环境管理的智能化、数字化、自动化水平,构建合理的农业生态管理系统,为农业生产和农村生活更好地服务将是未来的发展方向。

  我国的农业信息技术起步较晚,以信息技术为工具,对我国农业环境污染防控和治理更是处于起步阶段,还存在许多问题需要解决。首先面临的就是政府的决策和支持问题,政府部门应进一步完善数据共享平台,真正推行数据共建共联机制,在河流的上下游治理、跨区域土壤治理和大气治理过程中,保证各部门、各区域的数据完整一致;国家应鼓励科研机构信息技术创新,对农业参与者进行适当的政策补贴,以保证信息技术在农业污染防治领域的起步阶段快速成长。要在广大农村地区全面覆盖物联网、遥感监测等,迫切需要大量掌握信息技术和环境污染防治技术的综合性技术人员,不仅需要能够研发适用于农业生产活动的研究型人才,还需要大量的设备维护人员。由于社会条件限制,大多数农民对信息技术的了解甚少,在设备使用和维护过程中,需要专业人士培训或指导。

  第二,注意各种信息技术的交叉融合。信息技术并不一定以一种形式服务于生态、水体、大气和土壤环境污染治理,彼此之间需要有机融合。正如遥感技术和物联网技术的交互融合,不仅能实现生态景观的监测,还可以控制化肥施用量,从而构建良好的反馈机制。在遥感监测到农作物长势缓慢时,通过物联网向农作物施加化肥,同时,物联网分析所得的农作物生长情况也可反馈给感测系统,从而实现彼此融合。

  第三,信息技术应用于我国农业环境污染防控和治理的许多成果仍处于实验室研究阶段。

作者:赵玉鑫,张祎 单位:吉林建筑大学市政与环境工程学院,