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農作學與土壤學原理范文第1篇

關鍵詞：農業工程；土木工程；交叉學科；研究生課程

作者：鄭鑫，楊光，葛建銳

中圖分類號：G642.3文獻標識碼：A文章編號：1002-4107（2013）08-0040-02

隨著經濟與社會的高速發展，對復合型高素質人才的需求越來越大。面對這種現狀，培養具有跨學科、交叉學科學習背景的復合型人才，是當下研究生教育需要認真解決的問題，也是未來培養創新型研究生的必經之路，更是研究生教育教學改革的主要方向。要想達到這種要求，合理設置交叉學科的課程體系是成功的關鍵。

一、構建交叉學科課程體系的意義

（一）構建交叉學科課程體系是培養創新型人才的基礎保障

交叉學科設置課程可以幫助研究生夯實數、理、化基礎、計算機應用和程序設計技術等基本知識，為參與交叉學科項目研究提供基礎保障。在國內，北京大學于2006年成立“前沿交叉學科研究院”，該研究院下設有理論生物學中心（CenterforTheoreticalBiology，CTB）。CTB的課程由4門必修課程、13門專業選修課程、20門專業限選課程、15門跨專業選修課程和8門跨專業限選課程組成。研究生必須根據不同的專業背景進行課程學習，50%為跨學科專業課程[1]。在國外，美國威斯康辛大學麥迪遜分校（theUniversityofWisconsin-Madison，簡稱UWM）于1998年發起了一項大學/州伙伴關系創新性計劃（ClusterHiringInitiative，簡稱CHI）[2]。在教學上，CHI中幾乎每個研究集群都開發了新的課程，一些研究集群甚至已開發出新的跨學科計劃[3]。

（二）構建交叉學科課程體系是增強研究生創新能力的有效手段

交叉學科的課程體系，會結合跨學科課題所涉及的知識面的寬度及學科的前沿性調整研究生教學的選課及授課內容。交叉學科的課程體系一般涵蓋不同學科的基礎必修課程、選修課及相關方向的補修課。一個人具備了廣博的知識才能從整體上把握知識間的縱橫關系，充分發揮知識間的相互啟發、相互促進的作用[4]。因此，如何構建合理的交叉學科課程體系是研究生增強創新能力的有效手段。

（三）構建交叉學科課程體系是培養研究生學術興趣的必要途徑

交叉學科一般涉及學科的多個領域，通過對多學科課程內容的整合，課程的精彩程度和趣味性會有很大提高。研究生在交叉學科領域學習過程中，會結合自身的長處、特點，在交叉學科領域的課題研究中找到落腳點，有利于發揮學生的主觀能動性，有益于開發學生的探索精神，有利于激發學生的創新動力。

二、當前跨學科課程體系的弊端

（一）課程體系固化，以專業為主

從高校研究生培養計劃可以看出，研究生的課程受專業限制很大，這就導致本專業研究生與跨專業研究生幾乎沒有什么區別，個體差異關注不夠，課程內容前沿性、綜合性不夠，交叉學科課程、綜合性課程較少[5]。

（二）跨學科人才培養中，研究生課程體系構建導師起主導作用

首先，由于理工類研究生大多是在各自導師的指導下進行個別培養，受導師自身專業背景的局限與依賴，各學科之間存在著較大跨度等原因，致使學生很難進行跨學科研究[6]。其次，當前的研究生培養模式中，導師的課題方向決定研究生的選課方向。

（三）院系設置以學科為主導，不利于跨學科課程整合

目前，我國高校主要以學科為主導設置院系，而以跨學科設置院系的高校較少。現有院系設置不利于不同學科之間的溝通與交流，不利于不同專業之間的課程整合。這樣的局面勢必會影響學生對知識的追求熱情，勢必會影響學生的科研積極性，勢必會影響學生的創新欲望。

三、農業工程與土木工程跨學科課程體系的構建

前面系統地討論了建立跨學科培養研究生課程體系的意義及目前存在的弊端，現結合黑龍江八一農墾大學工程學院農業工程與土木工程兩個學科的實際，對北方寒區農業水利工程與水利資源利用和設施農業結構防災減災兩個方向進行跨學科課程體系分析。在確立課程體系時我們設計了《農業工程和土木工程跨學科培養研究生課程體系建設調查問卷》。在制作調查問卷設計時，我們充分考慮兩個交叉專業可能出現的課程共通性，盡可能設計更多的課程，力求使交叉學科的研究生具有寬泛的理論基礎，使交叉學科的研究生所學到的知識適應兩個專業發展的需要。

（一）調查問卷統計

本次發放調查問卷的對象是黑龍江八一農墾大學工程學院的在職教師，共收到23份有效問卷。參與問卷調查的教師年齡集中在28―38歲和38歲以上兩個年齡區間，具有碩士研究生以上學歷的占95.65%，具有副教授職稱和教授職稱的總和占65.20%，問卷填寫教師的任職專業主要集中在機械設計制造及其自動化專業，農業機械化及其自動化專業和土木工程專業，其他專業總和低于10%。

（二）交叉學科課程體系分析

1.北方寒區農業水利工程與水利資源利用方向。交叉學科研究生培養方案要求學術型研究生所修學分總數大于等于30學分，扣除英語、中國特色社會主義理論與實踐研究及自然辯證法概論等必修課外，交叉學科研究生必須選修不少于五門的基礎必修課，其中數值分析是學位必修課，還需要選修4門基礎必修課。基礎必修課的數據統計結果如下：在備選的15門課程中，數值分析得票最高23票，土壤水文過程模擬得票最少僅為8票。考慮到交叉學科研究內容的寬泛性，結合統計結果，去掉土壤水文過程模擬、土壤物理化學、噴微灌理論與技術三門課程。這樣在北方寒區農業水利工程與水利資源利用方向就剩下12門課在基礎必修課模塊內供交叉學科研究生選修。課程名稱如下：數值分析、數學物理方程、土壤水動力學、水工建筑物健康監測與檢測、節水灌溉工程學、計算流體力學、水土資源規劃與評價、高等水工建筑物、新型建筑材料及其應用、灌溉原理與技術、地下水資源評價理論與方法、流體仿真與軟件應用。研究生培養方案要求在選修課模塊所修學分大于等于10學分，而每門課的學分分配是1.5或2學分。結合統計結果，選修課模塊去除土壤學與肥料學及環境水利學兩門課，保留其余12門得票較多的課程供交叉學科研究生選修。課程名稱如下：水生態工程學、粘性流體動力學、彈塑性力學、生態水文學、現代環境監測與控制、環境水動力學、土壤學與農作物學、水工鋼結構、水工混凝土、水文學與水利計算、農田水利學水力學。

2.設施農業結構防災減災方向。交叉學科研究生培養方案要求研究生所修學分大于等于30學分。去掉中國特色社會主義理論與實踐研究、自然辯證法概論、英語及學位課數值分析，每位交叉學科的研究生必需選擇不少于4門基礎必修課。問卷結果表明，除設施環境工程學獲得11票外，其他13門課，每門課程所得票數比較均衡，最低票數是15票，最高票數是22票。考慮到設施環境工程學和防災減災的關聯性不是很大，結合統計結果把設施環境工程學去掉不作為基礎必修課的選用課程，這樣基礎必修課就改成13門課，供交叉學科研究生選擇。課程名稱如下：數值分析、數學物理方程、農業設施概論、農業生物環境工程、結構動力學、高等結構力學、計算力學、有限元原理、工程結構加固技術、建筑火災安全新技術、地震工程學、建筑結構抗風設計、工程結構優化設計。

農作學與土壤學原理范文第2篇

關鍵詞：玉米；數字化；精確農業

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/ki.jlny.2017.10.020

農作物模擬技術的發展為我國的農業建設提供了廣闊的發展空間，同時作為現代農業信息技術發展過程中的重要組成部分，其主要方式是應用現代先進的計算機技術，分析和管理作物的生長，一面通過數據結合作物的生理學和生態學原理，可以更好地將作物的生長過程加以概括和抽象，通過抽象的分析建立一個作物生長相關的物候發育、光合生產、器官建成和產量形成等生理過程的模擬數字化程序，同時結合環境因子的關系組建一個動態數學模型，這個系統兼具解釋能力強、應用面較寬，同時容易控制等優良的性能，可以及時地為設計者提供優化的動態決策。以現有的農業系統模型為核心基礎，模擬優化互相結合，與專家進行溝通，形成現有模型下的優化配套，系統分析的數據涉及作物科學、系統科學、農業氣象學、土壤學和植物保護學以及計算機信息技術，具有整體性反饋控制、優化和動態定量決策的特點，是實現“精確農業”的前提和基礎。

1 研究的意義

玉米在我國的整體種植面積位居第三，也是生長期最長的作物之一，其生育期適中，適應能力較強。玉米的實用性廣泛，從生活到養殖，從農業到工業，玉米都是具有很高的價值，對我國的農業發展具有舉足輕重的作用。為了更好地促進民生發展，玉米的發展至關重要，為此我國的玉米優質高產是農業發展永恒不變的話題。

為了使玉米種植得到更好的發展，建立計算機模擬動態程序是一種非常優秀的方式，利用玉米生育過程中與環境之間的切合程度，建立一套玉米、光、溫度、水分、土壤等條件相結合，模擬玉米的整體生育過程，從光合作用、呼吸作用到作物的生長和干物質的積累，最后到各個器官的發展和生理分配的過程。這是一個系統性的工程，從作物的營養吸收到作物的生長，可以系統地對玉米生長進行分析和總結，可以將相關的知識點應用到其他種類的作物上，更好地推動種植業的深化發展，經過不斷發展得到的理論將成為農業發展的一個全新領域。

2 研究的發展

在目前的農業發展方面，研究農業模型的重點還是生物生理生態的過程，利用計算機強大的處理作用，形成結構化的生長模型，建立一種長效的生殖生長和生長生長，營養元素的同化方面的系統模擬，同時利用現有的多媒體技術制成相應的動態動畫，以期更好地分析營養元素的攝入與生長間的總體關系。

這種系統可以應用到大田間試驗中，代替人對田間進行更加系統的管理，但是與人的管理存在一定的局限。一是系統的開發過程中是以輸入來產生的智能，這在很大程度上無法建立決策支撐系統，多數的實踐都是應用到科學的發展上，造成系統中知識密集型不足；二是這種系統的建立過程復雜，同時也涉及建設者的問題，地域性決定了無法大面積應用，除非建立一個全世界的專家庫，而這種設備建立的過程太復雜，沒有辦法完成；三是建立的知識無法自動更新，農業生產是一個動態變化的過程，但是系統的知識總是跟不上模型的發展，建立的系統生育模型往往不能準確概括生育的整個過程，我國現有的發展不能更好的概括，所以采用的往往是國外現有的模型，但只對我國的氣候、種植現狀、生育特點等方面的內容都存在著不同的誤差；四是模型的建立還是應用于數值的估算，對于理論的疊加和數字理論的吸收過少，造成系統分析不夠全面；五是由于模型建立過程中對現實的依據采集較少，所以模型的實用性有限，其中大部分數據的輸出單一，沒有系統的分析和解讀，對于大多數使用者來說相對比較復雜，沒有專家加以輔導很難對所有數據進行分析，實用價值比較低。

3 模型在我國的發展現狀

模型的建立與發展在我國起步較晚，其應用到玉米上就更晚了。近年來，我國的模型研究都是在外國基礎模型的基礎上發展起來的，隨著我國軟件開發工作的發展開始取得了一些顯著的進步，建立了一系列的典型玉米生長模型進行動態的生長分析，不斷應用到現有的農業生產中。

隨著農業發展的加快，農民對知識的認識程度不斷增加，這種技術模型在我國一些地區比較成型，且有較大影響能力的模型相繼成型并問世。我國最早將這種模型應用到生產中，還要追溯到玉米生產光學模型的建立，例如1987年山東省農業科學院高新學等發表了“玉米光強的光合速率的數學模型分析”，這是我國發現的比較早的模型建立和應用了，之后在1993年葉修祺等研究室通過在數據支撐的基礎上分析，建立了玉米產量與整體氣候間的氣候模型，比較接近現在的研究是1999年在沈陽農業大學尚宗波等通過對數據的比較和模擬，建立和完善了玉米生育發展的綜合動力模擬，其主要研究目的是可以使系統通過利用氣溫、降水量和日照時數，形成氣候要素的影響因子，分析和建立土壤水分動態模型分析系統，這種通過系統的研究發現了土壤水分可以為植物生長帶來不同影響，對我國玉米生長發育作出了卓越的貢獻。

農作學與土壤學原理范文第3篇

關鍵詞：精細農業精細農作GPS和GIS工程技術創新

引言

近兩年來，我國科技界在研究推進新的農業科技革命中，關于國外“精細農業”技術的發展，引起了廣泛的關注。新聞媒體陸續有了一些報導，科技部在篩選“面向21世紀解決16億人口食物安全的關鍵技術”項目、組織S-863農業高技術領域發展計劃研究以及農業部948引進項目立項中，也受到了重視。有的單位已開展了有關研究和試驗示范工程準備工作,加強了和國外的學術交流與合作聯系，國內學術交流也開始活躍。國外有關產業界開始向我國推薦其技術產品，密切關注中國走向21世紀實現農業現代化、信息化中這一巨大的潛在技術市場。可以預言：“精細農業”技術體系的試驗示范及其相關技術產品的開發研究，將在世紀之交成為推進我國新的農業科技革命中的重要研究課題。信息技術革命為農業生產現代化發展提供了新機遇，在開拓新的前沿科技應用研究領域中，發達國家和一些發展中國家的起跑線拉近了距離，時間上的差距在縮小。在某些重要領域實現技術發展上的跨越，將是機遇性的挑戰。主席1998.9在安徽考察工作時的講話中指出：“現在一些發達國家，已經把基因育種工程、電子信息互聯網絡、衛星地面定位系統等高新技術應用于農業。我們必需有緊迫感，盡快迎頭趕上”。“精細農業”技術體系是農學、農業工程、電子與信息科技等多種學科知識的組裝集成，其應用研究發展必將帶動一批直接面向農業生產者應用服務的電子信息高新技術，如：衛星定位系統、地理信息系統、遙感技術的農業應用；農田信息快速采集儀器、農田耕作、土肥管理、農藥利用、污染控制等適用技術和農業工程裝備及其產業化技術的研究與開發，對推動我國基于知識和信息的傳統農業現代化，具有深遠的戰略性意義。“精細農業”，即國際上已趨于共識的“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming”學術名詞的中譯。國內科技界及媒體報導中目前尚有各種不同的譯法和對其內涵的理解。實際上，目前國外關于PrecisionFarming的研究，基本上仍是集中于利用3S空間信息技術和作物生產管理決策支持技術（DSS）為基礎的面向大田作物生產的精細農作技術，即基于信息和先進技術為基礎的現代農田“精耕細作”技術。因此，作者認為采用“精細農作”譯名來表達當前這一技術思想的內涵可能更為確切。“精細農作”是直接面向農業生產者服務的技術，這一技術體系的早期研究與實踐，在發達國家始于八十年代初期從事作物栽培、土壤肥力、作物病蟲草害管理的農學家在進行作物生長模擬模型、栽培管理、測土配方施肥與植保專家系統應用研究與實踐中進一步揭示的農田內小區作物產量和生長環境條件的明顯時空差異性，從而提出對作物栽培管理實施定位、按需變量投入，或稱“處方農作”而發展起來的；在農業工程領域，自七十年代中期微電子技術迅速實用化而推動的農業機械裝備的機電一體化、智能化監控技術，農田信息智能化采集與處理技術研究的發展，加上八十年代各發達國家對農業經營中必需兼顧農業生產力、資源、環境問題的廣泛關切和有效利用農業投入、節約成本、提高農業利潤、提高農產品市場競爭力和減少環境后果的迫切需求，為“精細農作”技術體系的形成準備了條件。海灣戰爭后GPS技術的民用化，使得它在許多國民經濟領域的應用研究獲得迅速發展，也推動了“精細農作”技術體系的廣泛實踐。使得近20年來，基于信息技術支持的作物科學、農藝學、土壤學、植保科學、資源環境科學和智能化農業裝備與田間信息采集技術、系統優化決策支持技術等，在GPS、GIS空間信息科技支持下組裝集成起來，形成和完善了一個新的精細農作技術體系和開展了試驗實踐。迄今支持“精細農作”示范應用的基本技術手段已逐步研究開發出來，在示范應用中預示了良好的發展前景。近

五、六年來，已有數千計的研究成果，實驗報告見諸于國際學術會議或學術刊物；每年都舉辦專題“國際精細農業學術研討會”和有關裝備技術產品展示會；在萬維網上設置有多個專題網址，可以及時查詢到有關研究發展信息；美、英、澳、加等國一些著名大學設立了“精細農業”研究中心，開設了有關博士、碩士研究方向及培訓課程；日、韓等國近年來已加快開展研究工作，并得到了政府部門和相關企業的大力支持。國際上對這一技術體系的發展潛力及應用前景有了廣泛的共識，將成為世紀之交發展農業高新技術應用研究的重要課題。

“精細農作”技術思想的內涵及其主要支持技術：

“精細農作”技術思想的核心，是獲取農田小區作物產量和影響作物生長的環境因素（如土壤結構、地形、植物營養、含水量、病蟲草害等）實際存在的空間和時間差異性信息，分析影響小區產量差異的原因，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，區別對待，按需實施定位調控的“處方農作”。正是信息技術革命為這一技術思想的實踐，提供了先進的技術手段。千百年來的作物生產，都是以地區或田塊為基礎，在區域或田塊的尺度上，把耕地看作是具有作物均勻生長條件的對象進行管理，如利用統一的耕作、播種、灌溉、施肥、噴藥等農藝措施，滿足于獲得區域、農場或田塊的平均產量的認識水平，很少顧及對農田的盲目投入及過量施肥施藥造成的環境后果。傳統的農業技術推廣模式，也是在區域尺度上進行品種選擇、土肥監測，通過地區試驗積累的適于當地的栽培管理措施向農戶推薦使用。實際上，即使在同一農田內，地表上、下影響作物生長條件和產量的明顯時空分布差異性，包括農田內作物病、蟲、草害總是先以斑塊形式在小區發生，再逐步按時空變化蔓延的特性，早已為人們所認識。幾世紀前，農民把土地劃分為小田塊來耕作經營，正是受到對作物生長環境和產量空間變異的感性知識的影響。我國農民幾千年來在小塊土地上經過勞動密集的投入和積累的豐富生產管理經驗而形成的“傳統精耕細作”技術，也可以在小塊農田內達到很好的經濟產量，只是沒有現代科學方法的定量研究和現代工程手段的支持來形成大規模的生產力。本世紀初期，科學家就研究報告過作物產量和田間土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田間分布具有明顯的差異性。1929年，Illinois大學C.M.Linsley和F.C.Bauer發表文章勸告農戶應繪制自己田區內的土壤酸度分布圖和按小區需求使用石灰的建議。之后，一直都有關于農田土壤和收獲量空間變異性研究的報導。八十年代以來，關于在農田中實施土壤肥力、植保和作物生產定位管理（SiteSpecificCropManagement）的技術研究受到廣泛的重視。世界著名廠商先后向市場提供了裝有空間定位和產量傳感器的現代谷物聯合收獲機，已可以在收獲過程中自動生成以12-15m2為單元組成的農田小區產量分布圖。多年的試驗實踐表明，田區內小區平均產量的最大差異可以超過100％。由于作物生產還受到氣候變異的影響，經連續多年對同一田區積累的數據表明，同一小區年際間的產量差異性也可能是十分明顯的。田區內產量上述明顯的時空分布差異性，顯示了農田資源利用存在的巨大潛力。現代農學技術與電子信息技術的發展，為定量獲取這些影響作物生長因素及最終收成的空間差異性信息，實施基于知識和現代科技的分布式調控，達到田區內資源潛力的均衡利用和獲取盡可能高的經濟產量成為可能。圖1是精細農作技術思想的示意圖。其實施過程可描述為：帶定位系統和產量傳感器的聯合收獲機每秒自動采集田間定位及對應小區平均產量數據通過計算機處理，生成作物產量分布圖根據田間地形、地貌、土壤肥力、墑情等參數的空間數據分布圖，作物生長發育模擬模型，投入、產出模擬模型，作物管理專家知識庫等建立作物管理輔助決策支持系統，并在決策者的參與下生成作物管理處方圖根據處方圖采用不同方法與手段或相應的處方農業機械按小區實施目標投入和精細農作管理。上述精細農作技術體系在許多發達國家的試驗和應用表明，可以顯著節約投入，獲得良好的經濟效益，受到農戶的歡迎。

“精細農作”是基于田間小區農作條件的空間差異性，為實現優化作物生產系統的目標而提出的。但工程支持技術的開發研究，對實現這一技術思想起著關鍵的作用。如：農田信息采集與處方農作的空間定位，需依靠衛星定位系統（GPS）；地理空間信息管理和數據處理，需要應用地理信息系統(GIS)；未來大量地理空間數據的更新，需要遙感技術(RS)的支持；作物產量計量與小區產量圖的生成需要能按秒記錄收獲機累計產量和對應地理坐標位置的智能型收獲機械，以及計算機數據處理和產量圖自動生成技術；田區空間變量信息的快速實時采集，需要研究基于新原理的傳感技術與信號處理技術；按小區實施自動處方農作、調控目標投入需要變量處方農業機械；制定科學的農作處方需要計算機作物管理輔助決策支持系統的支持；作為一個能協調運作的智能化系統需要有高效的信息集成以及有關信息傳輸、標準化技術的研究等等。

迄今“精細農業”在發達國家也不過

五、六年的應用試驗歷史，部分支持技術手段還不十分成熟，有待不斷研究完善，相關的應用基礎研究還比較薄弱。“精細農作”應用實踐可根據不同國家、不同地區的社會、經濟條件，圍繞提高生產、節本增效、保護環境的目標，采用不同的技術組裝方式，逐步提高作物生產管理的科學化與精細化水平。其中，獲取農田小區產量空間分布的差異性信息是實踐精細農作的基礎。有了小區產量分布圖，農戶既可以根據自己的經驗知識，分析小區產量差異的原因，選擇經濟適用的對策，在現實可行條件下采取適當措施實施調控；也可以根據技術經濟發展的條件，利用先進的科技手段或智能化變量處方農業機械實現生產過程的自動調控。建立一個完整的精細農作技術體系，需要有多種技術知識和先進技術裝備的集成支持

3.“精細農作”技術發展與工程技術創新

3.13S技術農業應用研究：

“精細農作”中的定位信息采集與處方農作實施，需要采用全球衛星定位系統（GPS）。已經建成投入運行的有美國GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統。美國GPS系統包括在離地球約20,000km高空近似圓形軌道上運行的24顆地球衛星，其軌道參數和時鐘，由設于世界各大洲的五個地面監測站和設于其本土的一個地面控制站進行監測和控制。使得在近地曠野的GPS接收機在晝夜任何時間、任何氣象條件下最少能接受到4顆以上衛星的信號，通過測量每一衛星發出的信號到達接收機的傳輸時間，即可計算出接收機所在的地理空間位置。信號處理技術的發展，可使微弱的衛星信號為便攜式或掌上型接收機的小型天線所接收。這是一個功能強大、對任何人、在全球任何地方都可以免費享用的空間信息資源。盡管美國政府對其GPS系統施加了“選擇可用性政策”(SA)的影響和衛星信號在空間傳輸過程中發生的各種累積誤差，但技術上可通過差分誤差校正方式及信息處理技術使通用接收機的動態3維定位精度容易達到米級或分米級，測量型GPS接收機動態定位精度可達厘米級要求。近幾年來，GPS產業技術發展迅速，若干大公司迅速涉足農業領域，提供了用于農田測量、定位信息采集和與智能化農業機械配套的DGPS產品。這類產品通常均具有12個可選擇的衛星信號接收通道、動態條件下每秒能自動提供一個3維定位數據，動態定位精度一般可達分米和米級，并具有與計算機和農機智能監控裝置的通用標準接口。如美國Trimble公司Ag13212通道GPS接收機，可接收信標臺的地區性差分校正信號免費服務或獲得由近地衛星轉發的廣域差分收費校正信號服務，提供可靠的分米級定位和0.1米/小時的速度測量精度。系統可用于農田面積和周邊測量、引導田間變量信息定位采集、作物產量小區定位計量、變量作業農業機械實施定位處方施肥、播種、噴藥、灌溉和提供農業機械田間導航信息等。配置這一系統需要考慮本地區可能提供的差分信號現有條件，或在缺乏上述服務條件下購置兩臺Ag132和配套通信電臺建立獨立的自用差分GPS系統，另還可配置必要的專用可選件如：基站附件、導航附件、背負式田間信息采集附件、掌上型計算機及必要的聯接信號電纜等。Ashtect公司的AgNavigator結構設計有些不同，但功能大體相當。DGPS技術的迅速發展，使得近幾年來各國提供局域差分信號免費服務的信標站迅速建設起來，至1996年末，美國這類信標站的地區覆蓋范圍已接近國土的2/3。信標站差分信號服務半徑約計300km。我國在東南沿海原交通部也建立了近20個這類信標站。以近地衛星作為星載GPS廣域差分信號服務系統在今后幾年內也可望在我國部分地區相繼建立。在競爭中謀求信息高新技術產品市場的商業利益，將是今后GPS技術發展競爭的總趨勢。今年3月30日美國副總統戈爾在白宮新聞會上，宣布開放GPS衛星的L2頻道并進一步開放L3頻道民用服務，這將大大有利于進一步改善GPS衛星服務的精度和可靠性，使用戶獲得性能價格比更好的精確定位、定時技術服務。GPS用戶系統外觀結構簡單，小型化，操作方便，但技術含量高。現有國外農機廠商配套的GPS產品，大多采用OEM方式引進關鍵部件進行二次開發后嵌入于農業機械應用系統中，可使性能價格比顯著改善。DGPS作為農業空間信息管理的基礎設施，一旦建立起來，即不但可服務于“精細農作”，也可用于農村規劃、土地測量、資源管理、環境監測、作業調度中的定位服務，其農業應用技術開發的前景廣闊。地理信息系統（GIS）作為用于存儲、分析、處理和表達地理空間信息的計算機軟件平臺，技術上已經成熟。它在“精細農作”技術體系中主要用于建立農田土地管理，土壤數據、自然條件、作物苗情、病蟲草害發生發展趨勢、作物產量的空間分布等的空間信息數據庫和進行空間信息的地理統計處理、圖形轉換與表達等，為分析差異性和實施調控提供處方信息。它將納入作物栽培管理輔助決策支持系統，與作物生產管理與長勢預測模擬模型、投入產出分析模擬模型和智能化農作專家系統一起，并在決策者的參與下根據產量的空間差異性，分析原因、作出診斷、提出科學處方，落實到GIS支持下形成的田間作物管理處方圖，指導科學的調控操作。由于農業活動涉及廣闊的地理空間和各種管理信息都有明顯的空間隨機分布特征，GIS在農業中具有廣泛的應用價值。在形成農業空間信息地理圖形時，采樣密度、采樣成本與信息處理的方法如何能更準確反映參數的空間分布，仍然是尚待深入研究的課題。由于商用GIS系統的功能一般都照顧到各種類型用戶的需要，針對農業資源信息管理和精細農業實踐的需要和農村用戶的特點，開發基于GIS設計規范的簡單實用、易于向基層農村用戶推廣、界面友好的田間地理信息系統（FIS）已引起學術界的注意，值得我國農業工程師進行創新研究。

遙感（RS）技術是未來精細農作技術體系中獲得田間數據的重要來源。它可以提供大量的田間時空變化信息。近30多年來，RS技術在大面積作物產量預測，農情宏觀預報等方面作出了重要貢獻。由于衛星遙感數據目前尚達不到必要的空間分辨率和提供滿足農作需要的實時性，目前還未用于作物生產的精細管理。然而，遙感技術領域積累起來的農田和作物多光譜圖象信息處理及成像技術、傳感技術和作物生產管理需求密切相關。RS獲得的時間序列圖象，可顯示出由于農田土壤和作物特性的空間反射光譜變異性，提供農田作物生長的時空變異性的信息，在一季節中不同時間采集的圖象，可用于確定作物長勢和條件的變化。基于遙感產業界對“精細農作”的商業興趣，一系列的地球觀測衛星將在近幾年內發射，到2005年，將有超過40個這類衛星提供服務。大部分這類衛星采集的全色圖象，空間分辯率將達1～3米，多光譜圖象分辯率預計可達3～15米，掃視區6～30km。由于采用衛星遙感比航空攝影的成本將低一半以上，衛星遙感技術可預期在近3～5年內，在“精細農作”技術體系中扮演重要角色。農業工程師應該涉足這一領域，了解有關的知識，參與應用研究，現在的RS軟件已可裝載在PC機上使用，性能價格比已可為普通用戶所接受。

3.2收獲機械產量計量與產量分布圖生成技術

作物產量是許多因素綜合影響形成的結果和評價種植管理水平的基礎。“精細農作”技術思想也正是從獲得田間小區產量的差異性信息出發，分析原因，指導管理決策。在“精細農業”研究發展中，雖然也有關于甜菜、土豆、甘蔗、牧草、棉花、水果等收獲機械產量計量及產量分布圖自動生成的試驗研究成果，但迄今已商品化的產品仍集中于谷類作物收獲機械方面。據報導，美國目前約有20個制造商供應谷物聯合收獲機產量計量系統，1997年底，全國使用這一技術的聯合收獲機約17,000臺，其中約有一半帶GPS定位系統可支持產量分布圖自動生成。一個主要生產廠商宣稱，至2001年其生產的90%谷物聯合收獲機將裝備產量監視器。迄今已進入商品化的這類產品主要是基于沖擊式-力傳感技術（如美國JohnDeree和CaseIH）、容積式光電計量技術（如英國RDS產品）和γ射線流量傳感技術（如MasseyFerguson產品）等。在谷物流量自動傳感過程中，還可同時測量凈糧含水量，在小區產量分布圖基礎上結合定位處方投入的成本分析直接顯示小區經濟效益分布圖（GrossMarginVariabilityMap）。“精細農作”體系中的產量圖自動生成技術，需要解決如下的科學技術問題：

流量傳感器的計量精度、穩定性、通用性、標定簡便性的進一步改善；

產量計量中同時獲得收獲機的實際割幅和前進速度信息；

生成產量分布圖需要的空間分辨率不大于收獲機械工作幅寬的DGPS定位系統；

針對不同收獲機械建立谷物由割臺至流量測量點的谷物運移過程模型，以校正產量分布信息的動態誤差；

研究采集的定位數據和產量數據編碼格式與快速存儲傳輸方式。這些數據通常都是存儲在軟盤或IC智能卡中，能一次存儲至少一個作業班內的全部數據，然后再傳入PC機進行處理和生成產量分布圖；

開發PC上進行產量分布圖生成的軟件，含文件結構、數據結構、誤差校正、數據圖形化、顯示方式等；

上述技術都還需要繼續完善。研究適于不同國家的農業機械裝備、種植特點、適于不同作物和更為精確的上述各環節的智能化技術，仍然是農業工程師面臨的挑戰。谷物聯合收獲機電子裝置，包括谷物產量自動計量和產量圖自動生成技術，是當代農機研究的一個重要方向，也應是我國農機裝備機電一體化、信息化研究的優先發展方向之一。對于改善易地收獲、農機社會化服務，提高農機作業信息化意識，促進作物生產科學管理，都有十分重要的現實意義，應是世紀之交我國農機技術創新的重要課題。3.3田間變量信息采集與處理技術

快速、有效采集和描述影響作物生長環境的空間變量信息，是實踐“精細農作”的重要基礎。優先需予考慮的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤壓實、耕作層深度和作物病、蟲、草害及作物苗情分布信息采集等。目前田間信息快速采集技術的研究仍大大落后于支持精細農作的其它技術發展，已成為國際上眾多單位攻關研究的重要課題。現有的土壤信息采集方法是基于定點采樣與實驗室分析相結合，耗資費時、空間尺度大、難于較精細地描述這些信息的空間變異性。技術創新的方向是研究開發可快速操作，有利于提高采樣密度，測量精度能滿足實際生產要求的新傳感技術和進一步改善空間分布信息的定量描述與近似處理方法。部分參數將可用掃描方式通過安裝于作業機械上的傳感器連續采集和進一步自動生成空間信息分布圖。已經取得實用化或具有良好開發前景的成果，如：土壤含水量測量將在TDR成熟技術基礎上，在開發經濟實用的基于駐波比、頻域法原理、近紅外技術的快速測量儀方面拓寬研究領域。土壤主要肥力因素（N、P、K）測量儀器開發方面，基于傳統化學分析技術基礎上的快速肥力分析儀，目前國內已有實用化產品投入使用，其穩定性、操作性和測量精度雖然尚待改進，但對農田主要肥力因素的快速近似測量具有實用價值；一種基于近紅外技術通過間接葉面反射光譜特性進行農田氮肥肥力水平快速評估儀器已在試驗使用，它與遙感技術的農業應用密切相關，可以相互借鑒相關技術研究成果；一種基于離子選擇場效應晶體管（ISFET）集成元件的土壤主要礦物元素含量測量技術的研究在國外已取得進展，將是值得關注的技術突破性研究方向。土壤耕作層深度對評價土壤持水能力和指導定位處方耕作，確定播種深度、施肥用量密切相關，在美、加、澳等已經開發出不接觸式、基于電磁場測量土壤電導率用于評價土層深度分布圖的儀器已試驗使用，可對指導定位處方深耕取得良好的經濟效益；關于SOM傳感器，早在數年前已有報導，通過NIR原理研制的可用于田間在線測量的多光譜SOM測量儀已有商品化產品。在作物生長有關變量信息的采集方面，田間雜草識別是“精細農業”支持技術中引起廣泛關注的領域。在雜草識別的光譜響應特性方面已有許多研究成果及參考數據可供借鑒。其它田間作物變量傳感與空間信息處理技術方面的研究，將圍繞新的物理原理與數學方法的應用，如多光譜識別、NIR視角技術、圖象模式識別、人工智能方法（ANN、Fuzzy系統分析、ES應用）、狀態空間分析、小波分析、卡爾曼濾波方法等。在實踐“精細農作”方面，開發基于新的物理原理的近似快速信息采集技術與改善空間地理信息處理方法，仍然是科技工作者面臨的艱巨任務。

3.4智能型處方農作機械

七十年代中期微電子應用技術的迅速發展，使得工業化國家的農業機械進入到一個以迅速融合電子技術向機電一體化方向發展的新時期。農業機械的設計中，廣泛引入了微電子監控技術用于作業工況監測和控制。八十年代后期起，其監控系統又迅速趨向智能化，由單元控制發展到分布式控制，由單機作業系統向與管理決策系統集成的方向發展。這新一代農業機械裝備技術的發展，與過去十多年來基于信息技術的作物生產管理決策支持系統的迅速發展，都是近五年來“精細農作”技術得以進入日益廣泛試驗實踐的重要條件。雖然，迄今支持“精細農作”的若干主要農機裝備，除了如前述帶產量圖自動生成的谷物收獲機以外，實施按處方圖進行農田投入調控的智能化農業機械,如安裝有DGPS定位系統及處方圖讀入裝置的，可自動選擇作物品種（二選一）、可按處方圖調節播量和播深的谷物精密播種機；可自動選擇調控兩種化肥配比的自動定位施肥機和自控噴藥機；可分別控制噴水量的定位噴灌機均已有商品化產品，并在繼續完善。拖拉機駕駛室已安裝智能化顯示器，在一個LED顯示屏上，可隨意調用各種圖形化可視界面,監控機器各部分的工況和顯示處方作業和導航信息。現代帶有多處理器的智能型農業機械，已經引用了工業部門中采用的控制器局部網總線技術（CAN），相互間采用光纜傳輸信息，建立了工業化設計標準。我國當今農業機械技術水平從總體上看與發達國家落后了不止20年，需要在某些領域推動高新技術的應用研究與實踐。開發適于我國國情的先進技術。“精細農作”的示范試驗研究有可能成為農業機械裝備領域應用信息高新技術實現技術創新的切入點。3.5系統集成技術新晨

“精細農業”技術體系是一個集成系統，它涉及到多種學科知識的支持，需要學習應用不同子系統已經形成的硬、軟件設計規范、標準、數據格式與通信協議，應用已有的單項技術成果，研究建立某些支持技術的新標準。近幾年來，國外研究實踐中已經積累了一些進行“精細農業”技術體系集成組裝的經驗。我國科技工作者要研究這方面的進展，參與國際交流。作為工程師，要善于根據工程項目的整體目標，既能從具體技術角度去思考和研究問題，具有不斷突破現有解決實際問題的觀念與模式的創新意識；又能注意進行項目目標的整體評估，協調技術先進性與經濟可行性的綜合優化目標，提出推動技術進步的試驗實踐方案。

4.問題與思考

農作學與土壤學原理范文第4篇

【關鍵詞】土壤肥料 作物生產技術專業 教學改革

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2013）01C-0074-02

一、土壤肥料課程教學改革背景

土壤肥料是農業的基本生產資料，是發展農業的基礎。土壤肥料知識是種植類專業的重要專業知識。土壤肥料學是農業院校的傳統學科，是作物栽培、果蔬栽培、中草藥栽培等專業課的前導課和橋梁課，主要介紹土壤基礎知識和肥料的性質作用。在多年的教學過程中，該專業教師積累了豐富的教學經驗，但隨著知識的快速更新，土壤肥料的新知識和新理念不斷涌現，如配方施肥、無土栽培、營養診斷和新型肥料等；同時，隨著學科交叉程度的不斷加深、教學課時的壓縮以及高職教育新理念的出現，原來的土壤肥料課程日益顯現出與當前實際不相符的狀況，如課程目標定位不清晰、學科體系模式過濃、教材內容陳舊、教學方法不適應現在的高職生，等等。在課時緊縮的前提下，為順應社會發展的需求，大部分農業高職院校將土壤學、肥料學和植物營養學等農類專業基礎課進行整合，廣西農業職業技術學院就是其中之一。筆者以廣西農業職業技術學院為例，對土壤肥料課程教學改革進行探討。

二、土壤肥料課程教學改革總體思路

教育部《關于加強高職高專教育人才培養工作的意見》中指出：“高職高專是我國高等教育的重要組成部分，培養擁護黨的基本路線，適應生產、建設、管理、推廣、經營、服務第一線需要的，德、智、體、美等方面全面發展的高等技術應用性專門人才；學生應在具有必備的理論基礎知識和專門知識的基礎上，重點掌握從事本專業領域實際工作的基本能力和基本技能”。可見高職教育主要培養技能型和應用型人才，課程教學中必須突出技能的培養與提升。時下推行的“教、學、做”一體化職業教育新模式就是基于此目的。

鑒于此，廣西農業職業技術學院將原土壤肥料學和植物營養方面的學科整合為土壤肥料與應用課程，其主體內容為土壤肥料的知識，但在其中融入營養學知識。總課時為80學時，旨在讓學生在有限的學習時間內，在掌握土壤肥料基礎知識的前提下，突出掌握植物營養診斷技能和土壤肥料在生產上的應用。此外，該學院還在課程內容、教學模式、教學環節、教材選取及考核制度等方面進行革新，立足于學以致用、為社會經濟發展服務的根本目標，力求在教學改革中遵循科學性、系統性和實用性。

三、土壤肥料課程教學改革的具體方案

（一）構架內容體系

立足于原來土壤肥料課程，結合作物生產技術專業特點，對其內容進行合理增刪，優化知識結構。

改革后該課程內容分理論與實踐兩大部分。理論部分可分為土壤、植物營養、土壤農化技術應用3個篇幅，共12章：土壤形成與固相組成、土壤基本性質、土壤肥力因素、我國土壤資源狀況、植物營養原理、土壤養分與化學肥料、有機肥料、高產穩產農田建設及中低產土壤改良、土壤免耕技術、設施農業土壤的管理、測土配方施肥、信息技術在土壤肥料中的應用。實踐部分包括11個實驗項目和6個實訓項目。此外，該課程中還穿插了部分選修內容，以滿足不同專業方向的教學需求并激發學生學習的興趣。其內容體系構架見圖1。

課程內容需體現種植類專業特點，要與生產結合，在保證基礎理論前提下，突出方法技能的訓練。針對原課程基礎理論內容偏多、實用方法技能過少的情況，新課程一方面保留原課程精華部分，如土壤組成、土壤基本性質、土壤速效養分測定、肥料合理施用技術等基本內容和技能性較強的內容，另一方面對原有部分內容進行擴展和補充，如設施農業土壤的管理、測土配方施肥、營養化學診斷、信息技術在土壤肥料中的應用等，并增加方法技能方面的內容，如土壤種類鑒別、低產地的沃良、化學肥料系統鑒別等。

（二）改革教學模式

所謂“教、學、做”一體化是指教師站在較高的角度，對教材內容進行總體把握并解析、抽取其中一個個具體的知識技能點，再結合實踐，設計出具體的問題、情境和案例。其中，每個案例包含若干個知識技能點，每次課程完成一個案例。教師在課程教學時應選擇典型的、實用的、可操作的內容來進行情境設計。比如土壤肥料課上，教師應在學生掌握土壤肥料基本知識和技能的基礎上，鼓勵和指導學生自己去做，即根據設計的目標讓學生去完成該項任務，在完成任務的過程中運用知識、提升技能。此外，也可結合教師的某項科研工作或學生論文，教師與學生一起設計不同試驗項目，以學生為主體，讓其去查找資料，然后實地考察，根據試驗設計目的采集土壤樣本，帶回實驗室進行處理和分析，整個項目試驗完成后，再要求其寫出實習報告。這樣可使學生主動投入整個試驗中，并充分理解試驗原理、方法和過程。“教、學、做”一體化教學模式將教學過程與生產過程緊密相連，實現教學與生產的無縫對接，加深了學生對知識的理解并提高了學生的實踐動手、綜合分析等能力。

（三）加強教學實踐

實踐教學是職業教育的特色。土壤肥料課程實踐操作性較強，因此應注重加強和改進實踐教學，培養學生動手能力。原土壤肥料課程共56學時，實踐教學僅24學時。教學時只能進行一些驗證性的實驗，學生基本上是依葫蘆畫瓢。現土壤肥料與應用課程共80課時，其中實踐課程40學時，占總課時一半。此外，新課程對實訓內容也進行了優化，將實踐教學分為實驗（驗證理論為主）和實訓（自主、創新為主）兩部分。實驗課主要在實驗室內對一些基本分析操作進行學習；實訓則構建以綜合性、設計性、實用性為主的教學內容，教師給出多個項目，學生可自行選擇其一，然后教師引導學生自主設計和操作。這與“教、學、做”一體化教學模式相一致。

培土施肥是作物栽培過程中一個經常涉及的技術環節，而作物生產技術專業的栽培課程很多，有農作物栽培、果蔬栽培等。教師可以設計一些綜合實訓項目，既可以對栽培技能進行實踐，又可以進行田間施肥的試驗。具體做法為：將土壤肥料與應用課程同栽培課程的實踐教學部分重疊安排在一起，在試驗田里栽培作物，再劃分小區，各田間小區分別進行配方施肥試驗。學生通過參與整個作物種植和田間管理過程，既能掌握作物栽培的技能，又能充分實踐土壤肥料的管理，而且更為系統地掌握綜合技能，學會綜合應用知識的技能，還節約了實訓資源和時間。此外，還可安排學生到校外實訓基地或生產單位（肥料廠、種植園區等）進行實戰和學習等。這樣，學生對實訓有充分的自主性、系統性，才能發揮他們的實踐能力、創新能力、設計能力和動手能力，達到教學目的。

（四）創新教學方法

傳統的課堂教學方法多是教師講、學生聽，學生被動接受知識。高職學生基礎較差，對農業尤其是土壤的興趣原本就不大，若全部采用灌輸式教學法，盡管教師課堂講得很清楚，但學生主觀能動性發揮極差，教學效果不甚理想。因此，教師應進行教學方法的改革和創新，變被動教學為主動教學，因對象而異，采用啟發式、提問式等各種教學方法，激發學生學習熱情，引導學生主動思考。如在土壤有機質的教學中，可用“問題―探研”的方法引導學生：“一般從外觀看，你們認為什么樣的土壤比較肥？為什么呢？”大多學生知道顏色深、濕潤的土壤較肥沃，至于原因就需要查找資料或聽教師分析了，對此教師可先讓學生進行討論，最后再進行總結，以此來加深學生對知識的理解。又如在講解土壤含水量的計算時，可先向學生提出問題：“公式分母用的是烘干土重，而不是我們通常認為的鮮土重，原因是什么？”并提示他們需要在教師講解完之后回答問題，以提問吸引學生注意力。同時，在教學中還應補充一些相關的時事和前沿動態等，以豐富教學內容和提高學生學習興趣。

（五）優化考核制度

考核是檢驗教學效果的手段。高職院校往往采取理論考試+技能考核+平時成績的考核方式，但在實際操作中，這三方面容易脫節。因此，應注意將理論與實踐技能的考核有機結合，也就是理論考試中應能體現技能的掌握程度，而技能考核中也要求學生弄清原理，即“知其然，知其所以然”。如在化學肥料定性鑒定的技能考核中，除鑒別化學肥料的種類外，還應回答鑒別的理論依據和過程。將“教―學―做―考”一體化，才能將知識融匯貫通，學習的內容也才具有持續性。

（六）選擇適用教材

課程體系的改革依賴于其載體――教材，教學內容的更新、優化也需要通過教材建設來實現。廣西農業職業技術學院原來使用農業出版社出版的《土壤肥料（第二版）》，在過去的教學和人才培養中較為適用，但其理論內容偏多，應用內容稍少。尤其隨著知識和生產的快速發展，新知識、新理念的涌現，原有教材顯得過于陳舊和模式化。結合作物生產技術專業人才培養方案與課程內容體系，經篩選，筆者認為化學工業出版社出版的高職高專“十一五”規劃教材――《土壤肥料》適合作物生產技術專業的土壤肥料與應用課程使用。此外，教學中還應收集和補充本地區土壤與肥料的相關資料和信息，并組織編寫適合本校的校本教材。

土壤肥料課程教學改革勢在必行。通過探索，基本理清了土壤肥料課程改革思路，針對其課程內容、教學模式、實踐教學環節、教學方法、考核制度和教材等方面提出了一系列改革方案和措施，達到了增強教學效果的目的。而課程的教學改革是個系統工程，提高課程教學水平是一項長期任務，需要不斷探索和完善，進一步深化。

【參考文獻】

[1]張亞麗等.土壤肥料學通論課程教學改革的實踐[J].高等農業教育，2004（11）

[2]孫愛芹，李文娟，王華.高職院校《土壤肥料學》課程改革與創新研究[J].職教論壇，2012（6）

[3]宋志偉.土壤肥料[M].北京：高等教育出版社，2009

[4]李純華.改進土壤肥料學實驗教學方法的探索[J].實驗室研究與探索，2006（8）

【基金項目】廣西教育廳2010新世紀教改課題（桂教高教[2010]130號）

農作學與土壤學原理范文第5篇

【關鍵詞】污染土壤；微生物；修復原理；修復技術

土壤污染已經成為全球性的重要環境問題之一。由于礦山開采、金屬冶煉以及工業污水和污泥的農業應用，大量的有毒有害重金屬元素進入土壤系統，在土壤中的滯留時間長，具有難降解性、隱蔽性和不可逆性的特點，不僅導致土壤的退化、農作物產量和品質的降低，而且還可能通過食物鏈危及人類的健康和生命。

目前，用于土壤重金屬污染治理的方法包括物理修復、化學修復和生物修復。物理修復、化學修復雖能達到一定的效果，但是能耗大、二次污染等問題也限制了其應用[1]，尤其對于大面積有害的低濃度重金屬污染，更是難以處理。重金屬污染土壤的原位生物修復是利用各種天然生物過程而發展起來的一種現場處理土壤環境污染的技術，可利用生物削減土壤中重金屬含量或降低重金屬毒性[2]。根據修復主體的不同，它主要分為微生物修復、植物修復和植物-微生物聯合修復。微生物修復較物理修復、化學修復有著無可比擬的優越性，操作簡單、處理費用低、效果好，對環境不會造成二次污染，可以就地進行處理等，具有很大的潛力和廣闊的應用前景。

1.微生物修復機理

重金屬對人的毒性作用常與它的存在狀態有密切的關系。一般地說，金屬存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解和破壞重金屬，但可以對土壤中的重金屬進行固定、移動或轉化，改變它們在土壤中的環境化學行為，可促進有毒、有害物質解毒或降低毒性，從而達到生物修復的目的。

1.1 微生物的轉化作用

微生物對重金屬的轉化作用包括氧化還原作用、甲基化與去甲基化作用以及重金屬的溶解和有機絡合配位降解。土壤中的一些重金屬元素可以多種價態和形態存在，不同價態和形態的溶解性和毒性不同，可通過微生物的氧化還原作用和去甲基化作用改變其價態和形態，從而改變其毒性和移動性。

1.1.1 氧化還原作用

微生物可通過改變重金屬的氧化還原狀態，使重金屬化合價發生變化，改變重金屬的穩定性。Silver等[3]提出，在細菌作用下氧化還原是最有希望的有毒廢物生物修復系統。微生物能氧化土壤中多種重金屬元素，某些自養細菌如硫-鐵桿菌類 （Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假單孢桿菌屬 （Pseudomonas）能使As、Fe和Mn等發生生物氧化，降低這些重金屬元素的活性。微生物對重金屬的轉化作用常見的有對鉻、汞、硒和砷等的轉化。如假單胞菌（ Pseudomonadsp.） 可以把六價鉻還原為三價鉻，從而降低其毒性[4]。

1.1.2 甲基化與去甲基化作用

微生物可通過改變重金屬的甲基化和去甲基化作用改變重金屬的環境效應。Fwukowa從土壤中得到假單胞桿菌K-62，它能分解無機汞和有機汞而形成元素汞，元素汞的生物毒性比無機汞和有機汞低得多。Frankenber等通過耕作、優化管理、施加添加劑等來加速硒的原位生物甲基化，使其揮發而降低硒的毒性，此生物技術已在美國西部灌溉農業中用于清除硒污染[5]。有些真菌和細菌能使無機As轉化為揮發性有機As，從而降低其毒性[6]。

1.1.3 重金屬溶解或配位絡合作用

一些微生物，如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，能夠產生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團，與重金屬離子形成絡合物。如Bargagli在Hg礦附近土壤中分離得到很多高級真菌，一些菌根種和所有腐殖質分解菌都能積累Hg達到100 mg/kg土壤干重[7]。

1.2 微生物的積累和吸著作用

土壤中重金屬離子有5種形態：可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態、殘渣態。前3種形態穩定性差，后2種形態穩定性強。重金屬污染物的危害主要來自前3種不穩定的重金屬形態[6]。微生物固定作用可將重金屬離子轉化為后兩種形態或積累在微生物體內，從而使土壤中重金屬的濃度降低或毒性減小。微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞內積累作用3種形式。其作用方式有以下幾種：①金屬磷酸鹽、金屬硫化物沉淀；②細菌胞外多聚體；③金屬硫蛋白、植物螯合肽和其他金屬結合蛋白；④鐵載體；⑤真菌來源物質及其分泌物對重金屬的去除[8]。

1.2.1 胞外吸附作用

胞外吸附作用主要是指重金屬離子與微生物的產物或細胞壁表面的一些基團通過絡合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價吸附等作用中的一種或幾種相結合的過程[2]。許多研究表明細菌及其代謝產物對溶解態的金屬離子有很強的絡合能力，這主要因為細菌表面有獨特的化學組成。細胞壁帶有負電荷而使整個細菌表面帶負電荷，而細菌的產物或細胞壁表面的一些基團如-COOH、-NH2、-SH、-OH等陰離子可以增加金屬離子的絡合作用[9]。研究表明，許多微生物，包括細菌、真菌和藻類可以生物積累（bioaccumulation）和生物吸著 （biosorption）環境中多種重金屬和核素[10]。一些微生物如動膠菌、藍細菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類，能夠產生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的陰離子基團，與重金屬離子形成絡合物。

1.2.2 胞外沉淀作用

胞外沉淀作用指微生物產生的某些代謝產物與重金屬結合形成沉淀的過程。在厭氧條件下，硫酸鹽還原菌中的脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）和腸狀菌屬（Desulfotomaculum）可還原硫酸鹽生成硫化氫，硫化氫與Hg2+形成HgS沉淀，抑制了Hg2+的活性[11]。某些微生物產生的草酸與重金屬形成不溶性草酸鹽沉淀。

1.2.3 胞內積累作用

胞內積累作用是指重金屬被微生物吸收到細胞內而富集的過程。重金屬進入細胞后，通過區域化作用分布在細胞內的不同部位，微生物可將有毒金屬離子封閉或轉變成為低毒的形式[12]。微生物細胞內可合成金屬硫蛋白，金屬硫蛋白與Hg、Zn、Cd、Cu、Ag 等重金屬有強烈的親合性，結合形成無毒或低毒絡合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黃被包霉通過區域化作用對Cd、Hg都有很強的胞內積累作用[13]。研究表明，微生物的重金屬抗性與MT積累呈正相關，這使細菌質粒可能有抗重金屬的基因，如丁香假單胞菌和大腸桿菌均含抗 Cu基因，芽孢桿菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，產堿菌含抗Cd、抗 Ni及抗Co基因，革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌中含抗As和抗Sb基因。Hiroki[14]發現在重金屬污染土壤中加入抗重金屬產堿菌可使得土壤水懸浮液得以凈化。可見，微生物生物技術在凈化污染土壤環境方面具有廣泛的應用前景。

2.重金屬污染土壤微生物修復技術及其研究進展

微生物修復重金屬污染的技術主要為原位修復和異位修復。微生物原位修復技術是指不需要將污染土壤搬離現場，直接向污染土壤投放N、P等營養物質和供氧，促進土壤中土著微物或特異功能微生物的代謝活性，降解污染物主要包括：生物通風法（bioventing）、生物強化法（enhanced-bioremediation）、土地耕作法（1and farming）和化學活性柵修復法（chemical activated bar）等幾種。異位微生物修復是把污染土壤挖出，進行集中生物降解的方法。主要包括預制床法（preparedbed）、堆制法（composting biorernediation）及泥漿生物反應器法（bioslutrybioreactor）。

2.1 生物刺激技術

生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生長所需的氮、磷等營養元素以及電子受體，刺激土著微生物的生長來增加土壤中微生物的數量和活性。關于這方面的研究國外文獻已有報道。Reddy KR，Cutright T J對鉻污染土壤的微生物修復進行的研究表明，限制鉻污染場地修復進程的一個共同因素是污染場地通常缺乏足夠的營養以供引進的外來微生物或土著微生物生長，以至這些微生物自身具備的還原Cr6+的潛力得不到充分發揮；為使其潛力得到充分發揮，需向其生活的環境中投加營養物質來刺激鉻還原菌的新陳代謝和繁殖，促進鉻污染土壤的修復[15]。HigginsT E將堆肥、鮮肥、牛糞、泥炭加入鉻污染土壤進行原位修復，提高了修復效果[16]。

2.2 生物強化技術

生物強化技術即向重金屬污染土壤中加入一種高效修復菌株或由幾種菌株組成的高效微生物組群來增強土壤修復能力的技術。所加入的高效菌株可通過篩選培育或通過基因工程構建，也可以通過微生物表面展示技術表達重金屬高效結合肽，從而得到高效菌株。

2.2.1 高效菌株篩選

高效菌株有2個來源：一是從重金屬污染土壤中篩選；二是從其他重金屬污染環境中篩選。從重金屬污染土壤中篩選分離出土著微生物，將其富集培養后再投入到原污染的土壤，這是本土生物強化技術（本土生物強化技術是由日本科學家Ueno A等人于2007年首次提出的[17]）。篩選、富集的土著微生物更能適應土壤的生態條件，進而更好地發揮其修復功能。目前已從Cr（VI）、Zn、Pb污染土壤中篩選分離出菌種Pseudo-monasmesophillca和maltophiliaP，Barton等對這2種菌株去除Se、Pb毒性的可能性進行了研究，發現上述菌種均能將硒酸鹽、亞硒酸鹽和二價鉛轉化為不具毒性且結構穩定的膠態硒與膠態鉛。Robinson等研究了從土壤中篩選的4種熒光假單胞菌對Cd的富集與吸收效果，發現這4種細菌對Cd的富集達到環境中的100倍以上[1]。

2.2.2 基因工程菌構建

基因工程可以打破種屬的界限，把重金屬抗性基因或編碼重金屬結合肽的基因轉移到對污染土壤適應性強的微生物體內，構建高效菌株。由于大多數微生物對重金屬的抗性系統主要由質粒上的基因編碼，且抗性基因亦可在質粒與染色體間相互轉移，許多研究工作開始采用質粒來提高細菌對重金屬的累積作用，并取得了良好的應用效果[18]。

2.2.3 微生物表面展示技術

微生物表面展示技術是將編碼目的肽的DN段通過基因重組的方法構建和表達在噬菌體表面、細菌表面（如外膜蛋白、菌毛及鞭毛）或酵母菌表面（如糖蛋白），從而使每個顆粒或細胞只展示一種多肽[19]。微生物表面展示技術可以把編碼重金屬離子高效結合肽的基因通過基因重組的方法與編碼細菌表面蛋白的基因相連，重金屬離子高效結合肽以融合蛋白的形式表達在細菌表面，可以明顯增強微生物的重金屬結合能力，這為重金屬污染的防治提供了一條嶄新的途徑。

LamB、冰晶蛋白、凝集素、a-凝集素和葡萄球菌蛋白A都是表面蛋白，在微生物表面展示技術中用來定位、錨定外源多肽[20-21]。Sousa C等將六聚組氨酸多肽展示在E.coliLamB蛋白表面，可以吸附大量的金屬離子，重組菌株對Cd2+的吸附和富集比E.coli大11倍[22]；Xu Z、Lee S Y將多聚組氨酸（162個氨基酸） 與Omp C融合，重組菌株吸附Cd的能力達32 mol/ g干菌[23]；Schembri M A等將隨機肽庫構建于E.coli 的表面菌毛蛋白FimH粘附素上，經數輪篩選和富集，獲得對PbO2、CoO、MnO2、Cr2O3具有高親和力的多肽[24]；KurodaK、UedM將酵母金屬硫蛋白（YMT） 串聯體在酵母表面展示表達后，四聚體對重金屬吸附能力提高5.9倍，八聚體提高8.7倍[25]。表面展示技術用于重金屬污染土壤原位修復的研究雖然取得了許多成果，但離實際應用尚有一段距離。其主要原因是用于展示金屬結合肽的受體微生物種類及適應性有限，并且缺乏選擇金屬結合肽的有效方法[19]。

3. 結論與展望

從目前來看，微生物修復是最具發展和應用前景的生物修復技術，人們在微生物材料、降解途徑以及修復技術研發等方面取得了一定的研究進展，并展示了一些成功的修復案例。但重金屬污染土壤原位微生物修復技術目前還存在以下幾個方面的問題：（1）修復效率低，不能修復重污染土壤。（2）加入到修復現場中的微生物會與土著菌株競爭，可能因其競爭不過土著微生物，而導致目標微生物數量減少或其代謝活性喪失。（3）重金屬污染土壤原位微生物修復技術大多還處于研究階段和田間試驗與示范階段，還存在大規模實際應用的問題。（4）微生物個體微小，難以從土壤中分離；重金屬回收困難。

污染場地應用是各種生物修復技術研發的最終目的。一般說來，實驗室的微生物修復研究，因修復條件較為理想化，擾因素極少，其修復可能很好。如一旦將室內的微生物修復技術放大到現場條件下，干擾因素復雜，一系列的新問題可能會出現，甚至可能會遭致完全否定等現象。因此，微生物修復技術的場地應用是一項復雜的系統工程，必須融合環境工程、水利學、環境化學及土壤學等多學科知識，創造現場的修復條件，如土地翻耕、農藝措施、添加物質、高效微生物、植物修復，季節更替等，構建出一套因地因時的污染土壤田間修復工程技術。

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