农作学与土壤学原理
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农作学与土壤学原理范文第1篇
关键词：农业工程；土木工程；交叉学科；研究生课程
作者：郑鑫，杨光，葛建锐
中图分类号：G642.3文献标识码：A文章编号：1002-4107（2013）08-0040-02
随着经济与社会的高速发展，对复合型高素质人才的需求越来越大。面对这种现状，培养具有跨学科、交叉学科学习背景的复合型人才，是当下研究生教育需要认真解决的问题，也是未来培养创新型研究生的必经之路，更是研究生教育教学改革的主要方向。要想达到这种要求，合理设置交叉学科的课程体系是成功的关键。
一、构建交叉学科课程体系的意义
（一）构建交叉学科课程体系是培养创新型人才的基础保障
交叉学科设置课程可以帮助研究生夯实数、理、化基础、计算机应用和程序设计技术等基本知识，为参与交叉学科项目研究提供基础保障。在国内，北京大学于2006年成立“前沿交叉学科研究院”，该研究院下设有理论生物学中心（CenterforTheoreticalBiology，CTB）。CTB的课程由4门必修课程、13门专业选修课程、20门专业限选课程、15门跨专业选修课程和8门跨专业限选课程组成。研究生必须根据不同的专业背景进行课程学习，50%为跨学科专业课程[1]。在国外，美国威斯康辛大学麦迪逊分校（theUniversityofWisconsin-Madison，简称UWM）于1998年发起了一项大学/州伙伴关系创新性计划（ClusterHiringInitiative，简称CHI）[2]。在教学上，CHI中几乎每个研究集群都开发了新的课程，一些研究集群甚至已开发出新的跨学科计划[3]。
（二）构建交叉学科课程体系是增强研究生创新能力的有效手段
交叉学科的课程体系，会结合跨学科课题所涉及的知识面的宽度及学科的前沿性调整研究生教学的选课及授课内容。交叉学科的课程体系一般涵盖不同学科的基础必修课程、选修课及相关方向的补修课。一个人具备了广博的知识才能从整体上把握知识间的纵横关系，充分发挥知识间的相互启发、相互促进的作用[4]。因此，如何构建合理的交叉学科课程体系是研究生增强创新能力的有效手段。
（三）构建交叉学科课程体系是培养研究生学术兴趣的必要途径
交叉学科一般涉及学科的多个领域，通过对多学科课程内容的整合，课程的精彩程度和趣味性会有很大提高。研究生在交叉学科领域学习过程中，会结合自身的长处、特点，在交叉学科领域的课题研究中找到落脚点，有利于发挥学生的主观能动性，有益于开发学生的探索精神，有利于激发学生的创新动力。
二、当前跨学科课程体系的弊端
（一）课程体系固化，以专业为主
从高校研究生培养计划可以看出，研究生的课程受专业限制很大，这就导致本专业研究生与跨专业研究生几乎没有什么区别，个体差异关注不够，课程内容前沿性、综合性不够，交叉学科课程、综合性课程较少[5]。
（二）跨学科人才培养中，研究生课程体系构建导师起主导作用
首先，由于理工类研究生大多是在各自导师的指导下进行个别培养，受导师自身专业背景的局限与依赖，各学科之间存在着较大跨度等原因，致使学生很难进行跨学科研究[6]。其次，当前的研究生培养模式中，导师的课题方向决定研究生的选课方向。
（三）院系设置以学科为主导，不利于跨学科课程整合
目前，我国高校主要以学科为主导设置院系，而以跨学科设置院系的高校较少。现有院系设置不利于不同学科之间的沟通与交流，不利于不同专业之间的课程整合。这样的局面势必会影响学生对知识的追求热情，势必会影响学生的科研积极性，势必会影响学生的创新欲望。
三、农业工程与土木工程跨学科课程体系的构建
前面系统地讨论了建立跨学科培养研究生课程体系的意义及目前存在的弊端，现结合黑龙江八一农垦大学工程学院农业工程与土木工程两个学科的实际，对北方寒区农业水利工程与水利资源利用和设施农业结构防灾减灾两个方向进行跨学科课程体系分析。在确立课程体系时我们设计了《农业工程和土木工程跨学科培养研究生课程体系建设调查问卷》。在制作调查问卷设计时，我们充分考虑两个交叉专业可能出现的课程共通性，尽可能设计更多的课程，力求使交叉学科的研究生具有宽泛的理论基础，使交叉学科的研究生所学到的知识适应两个专业发展的需要。
（一）调查问卷统计
本次发放调查问卷的对象是黑龙江八一农垦大学工程学院的在职教师，共收到23份有效问卷。参与问卷调查的教师年龄集中在28―38岁和38岁以上两个年龄区间，具有硕士研究生以上学历的占95.65%，具有副教授职称和教授职称的总和占65.20%，问卷填写教师的任职专业主要集中在机械设计制造及其自动化专业，农业机械化及其自动化专业和土木工程专业，其他专业总和低于10%。
（二）交叉学科课程体系分析
1.北方寒区农业水利工程与水利资源利用方向。交叉学科研究生培养方案要求学术型研究生所修学分总数大于等于30学分，扣除英语、中国特色社会主义理论与实践研究及自然辩证法概论等必修课外，交叉学科研究生必须选修不少于五门的基础必修课，其中数值分析是学位必修课，还需要选修4门基础必修课。基础必修课的数据统计结果如下：在备选的15门课程中，数值分析得票最高23票，土壤水文过程模拟得票最少仅为8票。考虑到交叉学科研究内容的宽泛性，结合统计结果，去掉土壤水文过程模拟、土壤物理化学、喷微灌理论与技术三门课程。这样在北方寒区农业水利工程与水利资源利用方向就剩下12门课在基础必修课模块内供交叉学科研究生选修。课程名称如下：数值分析、数学物理方程、土壤水动力学、水工建筑物健康监测与检测、节水灌溉工程学、计算流体力学、水土资源规划与评价、高等水工建筑物、新型建筑材料及其应用、灌溉原理与技术、地下水资源评价理论与方法、流体仿真与软件应用。研究生培养方案要求在选修课模块所修学分大于等于10学分，而每门课的学分分配是1.5或2学分。结合统计结果，选修课模块去除土壤学与肥料学及环境水利学两门课，保留其余12门得票较多的课程供交叉学科研究生选修。课程名称如下：水生态工程学、粘性流体动力学、弹塑性力学、生态水文学、现代环境监测与控制、环境水动力学、土壤学与农作物学、水工钢结构、水工混凝土、水文学与水利计算、农田水利学水力学。
2.设施农业结构防灾减灾方向。交叉学科研究生培养方案要求研究生所修学分大于等于30学分。去掉中国特色社会主义理论与实践研究、自然辩证法概论、英语及学位课数值分析，每位交叉学科的研究生必需选择不少于4门基础必修课。问卷结果表明，除设施环境工程学获得11票外，其他13门课，每门课程所得票数比较均衡，最低票数是15票，最高票数是22票。考虑到设施环境工程学和防灾减灾的关联性不是很大，结合统计结果把设施环境工程学去掉不作为基础必修课的选用课程，这样基础必修课就改成13门课，供交叉学科研究生选择。课程名称如下：数值分析、数学物理方程、农业设施概论、农业生物环境工程、结构动力学、高等结构力学、计算力学、有限元原理、工程结构加固技术、建筑火灾安全新技术、地震工程学、建筑结构抗风设计、工程结构优化设计。
农作学与土壤学原理范文第2篇
关键词：玉米；数字化；精确农业
中图分类号： TP391.9 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/ki.jlny.2017.10.020
农作物模拟技术的发展为我国的农业建设提供了广阔的发展空间，同时作为现代农业信息技术发展过程中的重要组成部分，其主要方式是应用现代先进的计算机技术，分析和管理作物的生长，一面通过数据结合作物的生理学和生态学原理，可以更好地将作物的生长过程加以概括和抽象，通过抽象的分析建立一个作物生长相关的物候发育、光合生产、器官建成和产量形成等生理过程的模拟数字化程序，同时结合环境因子的关系组建一个动态数学模型，这个系统兼具解释能力强、应用面较宽，同时容易控制等优良的性能，可以及时地为设计者提供优化的动态决策。以现有的农业系统模型为核心基础，模拟优化互相结合，与专家进行沟通，形成现有模型下的优化配套，系统分析的数据涉及作物科学、系统科学、农业气象学、土壤学和植物保护学以及计算机信息技术，具有整体性反馈控制、优化和动态定量决策的特点，是实现“精确农业”的前提和基础。
1 研究的意义
玉米在我国的整体种植面积位居第三，也是生长期最长的作物之一，其生育期适中，适应能力较强。玉米的实用性广泛，从生活到养殖，从农业到工业，玉米都是具有很高的价值，对我国的农业发展具有举足轻重的作用。为了更好地促进民生发展，玉米的发展至关重要，为此我国的玉米优质高产是农业发展永恒不变的话题。
为了使玉米种植得到更好的发展，建立计算机模拟动态程序是一种非常优秀的方式，利用玉米生育过程中与环境之间的切合程度，建立一套玉米、光、温度、水分、土壤等条件相结合，模拟玉米的整体生育过程，从光合作用、呼吸作用到作物的生长和干物质的积累，最后到各个器官的发展和生理分配的过程。这是一个系统性的工程，从作物的营养吸收到作物的生长，可以系统地对玉米生长进行分析和总结，可以将相关的知识点应用到其他种类的作物上，更好地推动种植业的深化发展，经过不断发展得到的理论将成为农业发展的一个全新领域。
2 研究的发展
在目前的农业发展方面，研究农业模型的重点还是生物生理生态的过程，利用计算机强大的处理作用，形成结构化的生长模型，建立一种长效的生殖生长和生长生长，营养元素的同化方面的系统模拟，同时利用现有的多媒体技术制成相应的动态动画，以期更好地分析营养元素的摄入与生长间的总体关系。
这种系统可以应用到大田间试验中，代替人对田间进行更加系统的管理，但是与人的管理存在一定的局限。一是系统的开发过程中是以输入来产生的智能，这在很大程度上无法建立决策支撑系统，多数的实践都是应用到科学的发展上，造成系统中知识密集型不足；二是这种系统的建立过程复杂，同时也涉及建设者的问题，地域性决定了无法大面积应用，除非建立一个全世界的专家库，而这种设备建立的过程太复杂，没有办法完成；三是建立的知识无法自动更新，农业生产是一个动态变化的过程，但是系统的知识总是跟不上模型的发展，建立的系统生育模型往往不能准确概括生育的整个过程，我国现有的发展不能更好的概括，所以采用的往往是国外现有的模型，但只对我国的气候、种植现状、生育特点等方面的内容都存在着不同的误差；四是模型的建立还是应用于数值的估算，对于理论的叠加和数字理论的吸收过少，造成系统分析不够全面；五是由于模型建立过程中对现实的依据采集较少，所以模型的实用性有限，其中大部分数据的输出单一，没有系统的分析和解读，对于大多数使用者来说相对比较复杂，没有专家加以辅导很难对所有数据进行分析，实用价值比较低。
3 模型在我国的发展现状
模型的建立与发展在我国起步较晚，其应用到玉米上就更晚了。近年来，我国的模型研究都是在外国基础模型的基础上发展起来的，随着我国软件开发工作的发展开始取得了一些显著的进步，建立了一系列的典型玉米生长模型进行动态的生长分析，不断应用到现有的农业生产中。
随着农业发展的加快，农民对知识的认识程度不断增加，这种技术模型在我国一些地区比较成型，且有较大影响能力的模型相继成型并问世。我国最早将这种模型应用到生产中，还要追溯到玉米生产光学模型的建立，例如1987年山东省农业科学院高新学等发表了“玉米光强的光合速率的数学模型分析”，这是我国发现的比较早的模型建立和应用了，之后在1993年叶修祺等研究室通过在数据支撑的基础上分析，建立了玉米产量与整体气候间的气候模型，比较接近现在的研究是1999年在沈阳农业大学尚宗波等通过对数据的比较和模拟，建立和完善了玉米生育发展的综合动力模拟，其主要研究目的是可以使系统通过利用气温、降水量和日照时数，形成气候要素的影响因子，分析和建立土壤水分动态模型分析系统，这种通过系统的研究发现了土壤水分可以为植物生长带来不同影响，对我国玉米生长发育作出了卓越的贡献。
农作学与土壤学原理范文第3篇
关键词：精细农业精细农作GPS和GIS工程技术创新
引言
近两年来，我国科技界在研究推进新的农业科技革命中，关于国外“精细农业”技术的发展，引起了广泛的关注。新闻媒体陆续有了一些报导，科技部在筛选“面向21世纪解决16亿人口食物安全的关键技术”项目、组织S-863农业高技术领域发展计划研究以及农业部948引进项目立项中，也受到了重视。有的单位已开展了有关研究和试验示范工程准备工作,加强了和国外的学术交流与合作联系，国内学术交流也开始活跃。国外有关产业界开始向我国推荐其技术产品，密切关注中国走向21世纪实现农业现代化、信息化中这一巨大的潜在技术市场。可以预言：“精细农业”技术体系的试验示范及其相关技术产品的开发研究，将在世纪之交成为推进我国新的农业科技革命中的重要研究课题。信息技术革命为农业生产现代化发展提供了新机遇，在开拓新的前沿科技应用研究领域中，发达国家和一些发展中国家的起跑线拉近了距离，时间上的差距在缩小。在某些重要领域实现技术发展上的跨越，将是机遇性的挑战。主席1998.9在安徽考察工作时的讲话中指出：“现在一些发达国家，已经把基因育种工程、电子信息互联网络、卫星地面定位系统等高新技术应用于农业。我们必需有紧迫感，尽快迎头赶上”。“精细农业”技术体系是农学、农业工程、电子与信息科技等多种学科知识的组装集成，其应用研究发展必将带动一批直接面向农业生产者应用服务的电子信息高新技术，如：卫星定位系统、地理信息系统、遥感技术的农业应用；农田信息快速采集仪器、农田耕作、土肥管理、农药利用、污染控制等适用技术和农业工程装备及其产业化技术的研究与开发，对推动我国基于知识和信息的传统农业现代化，具有深远的战略性意义。“精细农业”，即国际上已趋于共识的“PrecisionAgriculture”或“PrecisionFarming”学术名词的中译。国内科技界及媒体报导中目前尚有各种不同的译法和对其内涵的理解。实际上，目前国外关于PrecisionFarming的研究，基本上仍是集中于利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术（DSS）为基础的面向大田作物生产的精细农作技术，即基于信息和先进技术为基础的现代农田“精耕细作”技术。因此，作者认为采用“精细农作”译名来表达当前这一技术思想的内涵可能更为确切。“精细农作”是直接面向农业生产者服务的技术，这一技术体系的早期研究与实践，在发达国家始于八十年代初期从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害管理的农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”而发展起来的；在农业工程领域，自七十年代中期微电子技术迅速实用化而推动的农业机械装备的机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究的发展，加上八十年代各发达国家对农业经营中必需兼顾农业生产力、资源、环境问题的广泛关切和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为“精细农作”技术体系的形成准备了条件。海湾战争后GPS技术的民用化，使得它在许多国民经济领域的应用研究获得迅速发展，也推动了“精细农作”技术体系的广泛实践。使得近20年来，基于信息技术支持的作物科学、农艺学、土壤学、植保科学、资源环境科学和智能化农业装备与田间信息采集技术、系统优化决策支持技术等，在GPS、GIS空间信息科技支持下组装集成起来，形成和完善了一个新的精细农作技术体系和开展了试验实践。迄今支持“精细农作”示范应用的基本技术手段已逐步研究开发出来，在示范应用中预示了良好的发展前景。近
五、六年来，已有数千计的研究成果，实验报告见诸于国际学术会议或学术刊物；每年都举办专题“国际精细农业学术研讨会”和有关装备技术产品展示会；在万维网上设置有多个专题网址，可以及时查询到有关研究发展信息；美、英、澳、加等国一些著名大学设立了“精细农业”研究中心，开设了有关博士、硕士研究方向及培训课程；日、韩等国近年来已加快开展研究工作，并得到了政府部门和相关企业的大力支持。国际上对这一技术体系的发展潜力及应用前景有了广泛的共识，将成为世纪之交发展农业高新技术应用研究的重要课题。
“精细农作”技术思想的内涵及其主要支持技术：
“精细农作”技术思想的核心，是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异性信息，分析影响小区产量差异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控的“处方农作”。正是信息技术革命为这一技术思想的实践，提供了先进的技术手段。千百年来的作物生产，都是以地区或田块为基础，在区域或田块的尺度上，把耕地看作是具有作物均匀生长条件的对象进行管理，如利用统一的耕作、播种、灌溉、施肥、喷药等农艺措施，满足于获得区域、农场或田块的平均产量的认识水平，很少顾及对农田的盲目投入及过量施肥施药造成的环境后果。传统的农业技术推广模式，也是在区域尺度上进行品种选择、土肥监测，通过地区试验积累的适于当地的栽培管理措施向农户推荐使用。实际上，即使在同一农田内，地表上、下影响作物生长条件和产量的明显时空分布差异性，包括农田内作物病、虫、草害总是先以斑块形式在小区发生，再逐步按时空变化蔓延的特性，早已为人们所认识。几世纪前，农民把土地划分为小田块来耕作经营，正是受到对作物生长环境和产量空间变异的感性知识的影响。我国农民几千年来在小块土地上经过劳动密集的投入和积累的丰富生产管理经验而形成的“传统精耕细作”技术，也可以在小块农田内达到很好的经济产量，只是没有现代科学方法的定量研究和现代工程手段的支持来形成大规模的生产力。本世纪初期，科学家就研究报告过作物产量和田间土壤特性，如N、P、K、pH、SOM含量等在田间分布具有明显的差异性。1929年，Illinois大学C.M.Linsley和F.C.Bauer发表文章劝告农户应绘制自己田区内的土壤酸度分布图和按小区需求使用石灰的建议。之后，一直都有关于农田土壤和收获量空间变异性研究的报导。八十年代以来，关于在农田中实施土壤肥力、植保和作物生产定位管理（SiteSpecificCropManagement）的技术研究受到广泛的重视。世界著名厂商先后向市场提供了装有空间定位和产量传感器的现代谷物联合收获机，已可以在收获过程中自动生成以12-15m2为单元组成的农田小区产量分布图。多年的试验实践表明，田区内小区平均产量的最大差异可以超过100％。由于作物生产还受到气候变异的影响，经连续多年对同一田区积累的数据表明，同一小区年际间的产量差异性也可能是十分明显的。田区内产量上述明显的时空分布差异性，显示了农田资源利用存在的巨大潜力。现代农学技术与电子信息技术的发展，为定量获取这些影响作物生长因素及最终收成的空间差异性信息，实施基于知识和现代科技的分布式调控，达到田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的经济产量成为可能。图1是精细农作技术思想的示意图。其实施过程可描述为：带定位系统和产量传感器的联合收获机每秒自动采集田间定位及对应小区平均产量数据通过计算机处理，生成作物产量分布图根据田间地形、地貌、土壤肥力、墒情等参数的空间数据分布图，作物生长发育模拟模型，投入、产出模拟模型，作物管理专家知识库等建立作物管理辅助决策支持系统，并在决策者的参与下生成作物管理处方图根据处方图采用不同方法与手段或相应的处方农业机械按小区实施目标投入和精细农作管理。上述精细农作技术体系在许多发达国家的试验和应用表明，可以显著节约投入，获得良好的经济效益，受到农户的欢迎。
“精细农作”是基于田间小区农作条件的空间差异性，为实现优化作物生产系统的目标而提出的。但工程支持技术的开发研究，对实现这一技术思想起着关键的作用。如：农田信息采集与处方农作的空间定位，需依靠卫星定位系统（GPS）；地理空间信息管理和数据处理，需要应用地理信息系统(GIS)；未来大量地理空间数据的更新，需要遥感技术(RS)的支持；作物产量计量与小区产量图的生成需要能按秒记录收获机累计产量和对应地理坐标位置的智能型收获机械，以及计算机数据处理和产量图自动生成技术；田区空间变量信息的快速实时采集，需要研究基于新原理的传感技术与信号处理技术；按小区实施自动处方农作、调控目标投入需要变量处方农业机械；制定科学的农作处方需要计算机作物管理辅助决策支持系统的支持；作为一个能协调运作的智能化系统需要有高效的信息集成以及有关信息传输、标准化技术的研究等等。
迄今“精细农业”在发达国家也不过
五、六年的应用试验历史，部分支持技术手段还不十分成熟，有待不断研究完善，相关的应用基础研究还比较薄弱。“精细农作”应用实践可根据不同国家、不同地区的社会、经济条件，围绕提高生产、节本增效、保护环境的目标，采用不同的技术组装方式，逐步提高作物生产管理的科学化与精细化水平。其中，获取农田小区产量空间分布的差异性信息是实践精细农作的基础。有了小区产量分布图，农户既可以根据自己的经验知识，分析小区产量差异的原因，选择经济适用的对策，在现实可行条件下采取适当措施实施调控；也可以根据技术经济发展的条件，利用先进的科技手段或智能化变量处方农业机械实现生产过程的自动调控。建立一个完整的精细农作技术体系，需要有多种技术知识和先进技术装备的集成支持
3.“精细农作”技术发展与工程技术创新
3.13S技术农业应用研究：
“精细农作”中的定位信息采集与处方农作实施，需要采用全球卫星定位系统（GPS）。已经建成投入运行的有美国GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。美国GPS系统包括在离地球约20,000km高空近似圆形轨道上运行的24颗地球卫星，其轨道参数和时钟，由设于世界各大洲的五个地面监测站和设于其本土的一个地面控制站进行监测和控制。使得在近地旷野的GPS接收机在昼夜任何时间、任何气象条件下最少能接受到4颗以上卫星的信号，通过测量每一卫星发出的信号到达接收机的传输时间，即可计算出接收机所在的地理空间位置。信号处理技术的发展，可使微弱的卫星信号为便携式或掌上型接收机的小型天线所接收。这是一个功能强大、对任何人、在全球任何地方都可以免费享用的空间信息资源。尽管美国政府对其GPS系统施加了“选择可用性政策”(SA)的影响和卫星信号在空间传输过程中发生的各种累积误差，但技术上可通过差分误差校正方式及信息处理技术使通用接收机的动态3维定位精度容易达到米级或分米级，测量型GPS接收机动态定位精度可达厘米级要求。近几年来，GPS产业技术发展迅速，若干大公司迅速涉足农业领域，提供了用于农田测量、定位信息采集和与智能化农业机械配套的DGPS产品。这类产品通常均具有12个可选择的卫星信号接收通道、动态条件下每秒能自动提供一个3维定位数据，动态定位精度一般可达分米和米级，并具有与计算机和农机智能监控装置的通用标准接口。如美国Trimble公司Ag13212通道GPS接收机，可接收信标台的地区性差分校正信号免费服务或获得由近地卫星转发的广域差分收费校正信号服务，提供可靠的分米级定位和0.1米/小时的速度测量精度。系统可用于农田面积和周边测量、引导田间变量信息定位采集、作物产量小区定位计量、变量作业农业机械实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供农业机械田间导航信息等。配置这一系统需要考虑本地区可能提供的差分信号现有条件，或在缺乏上述服务条件下购置两台Ag132和配套通信电台建立独立的自用差分GPS系统，另还可配置必要的专用可选件如：基站附件、导航附件、背负式田间信息采集附件、掌上型计算机及必要的联接信号电缆等。Ashtect公司的AgNavigator结构设计有些不同，但功能大体相当。DGPS技术的迅速发展，使得近几年来各国提供局域差分信号免费服务的信标站迅速建设起来，至1996年末，美国这类信标站的地区覆盖范围已接近国土的2/3。信标站差分信号服务半径约计300km。我国在东南沿海原交通部也建立了近20个这类信标站。以近地卫星作为星载GPS广域差分信号服务系统在今后几年内也可望在我国部分地区相继建立。在竞争中谋求信息高新技术产品市场的商业利益，将是今后GPS技术发展竞争的总趋势。今年3月30日美国副总统戈尔在白宫新闻会上，宣布开放GPS卫星的L2频道并进一步开放L3频道民用服务，这将大大有利于进一步改善GPS卫星服务的精度和可靠性，使用户获得性能价格比更好的精确定位、定时技术服务。GPS用户系统外观结构简单，小型化，操作方便，但技术含量高。现有国外农机厂商配套的GPS产品，大多采用OEM方式引进关键部件进行二次开发后嵌入于农业机械应用系统中，可使性能价格比显著改善。DGPS作为农业空间信息管理的基础设施，一旦建立起来，即不但可服务于“精细农作”，也可用于农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的定位服务，其农业应用技术开发的前景广阔。地理信息系统（GIS）作为用于存储、分析、处理和表达地理空间信息的计算机软件平台，技术上已经成熟。它在“精细农作”技术体系中主要用于建立农田土地管理，土壤数据、自然条件、作物苗情、病虫草害发生发展趋势、作物产量的空间分布等的空间信息数据库和进行空间信息的地理统计处理、图形转换与表达等，为分析差异性和实施调控提供处方信息。它将纳入作物栽培管理辅助决策支持系统，与作物生产管理与长势预测模拟模型、投入产出分析模拟模型和智能化农作专家系统一起，并在决策者的参与下根据产量的空间差异性，分析原因、作出诊断、提出科学处方，落实到GIS支持下形成的田间作物管理处方图，指导科学的调控操作。由于农业活动涉及广阔的地理空间和各种管理信息都有明显的空间随机分布特征，GIS在农业中具有广泛的应用价值。在形成农业空间信息地理图形时，采样密度、采样成本与信息处理的方法如何能更准确反映参数的空间分布，仍然是尚待深入研究的课题。由于商用GIS系统的功能一般都照顾到各种类型用户的需要，针对农业资源信息管理和精细农业实践的需要和农村用户的特点，开发基于GIS设计规范的简单实用、易于向基层农村用户推广、界面友好的田间地理信息系统（FIS）已引起学术界的注意，值得我国农业工程师进行创新研究。
遥感（RS）技术是未来精细农作技术体系中获得田间数据的重要来源。它可以提供大量的田间时空变化信息。近30多年来，RS技术在大面积作物产量预测，农情宏观预报等方面作出了重要贡献。由于卫星遥感数据目前尚达不到必要的空间分辨率和提供满足农作需要的实时性，目前还未用于作物生产的精细管理。然而，遥感技术领域积累起来的农田和作物多光谱图象信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。RS获得的时间序列图象，可显示出由于农田土壤和作物特性的空间反射光谱变异性，提供农田作物生长的时空变异性的信息，在一季节中不同时间采集的图象，可用于确定作物长势和条件的变化。基于遥感产业界对“精细农作”的商业兴趣，一系列的地球观测卫星将在近几年内发射，到2005年，将有超过40个这类卫星提供服务。大部分这类卫星采集的全色图象，空间分辩率将达1～3米，多光谱图象分辩率预计可达3～15米，扫视区6～30km。由于采用卫星遥感比航空摄影的成本将低一半以上，卫星遥感技术可预期在近3～5年内，在“精细农作”技术体系中扮演重要角色。农业工程师应该涉足这一领域，了解有关的知识，参与应用研究，现在的RS软件已可装载在PC机上使用，性能价格比已可为普通用户所接受。
3.2收获机械产量计量与产量分布图生成技术
作物产量是许多因素综合影响形成的结果和评价种植管理水平的基础。“精细农作”技术思想也正是从获得田间小区产量的差异性信息出发，分析原因，指导管理决策。在“精细农业”研究发展中，虽然也有关于甜菜、土豆、甘蔗、牧草、棉花、水果等收获机械产量计量及产量分布图自动生成的试验研究成果，但迄今已商品化的产品仍集中于谷类作物收获机械方面。据报导，美国目前约有20个制造商供应谷物联合收获机产量计量系统，1997年底，全国使用这一技术的联合收获机约17,000台，其中约有一半带GPS定位系统可支持产量分布图自动生成。一个主要生产厂商宣称，至2001年其生产的90%谷物联合收获机将装备产量监视器。迄今已进入商品化的这类产品主要是基于冲击式-力传感技术（如美国JohnDeree和CaseIH）、容积式光电计量技术（如英国RDS产品）和γ射线流量传感技术（如MasseyFerguson产品）等。在谷物流量自动传感过程中，还可同时测量净粮含水量，在小区产量分布图基础上结合定位处方投入的成本分析直接显示小区经济效益分布图（GrossMarginVariabilityMap）。“精细农作”体系中的产量图自动生成技术，需要解决如下的科学技术问题：
流量传感器的计量精度、稳定性、通用性、标定简便性的进一步改善；
产量计量中同时获得收获机的实际割幅和前进速度信息；
生成产量分布图需要的空间分辨率不大于收获机械工作幅宽的DGPS定位系统；
针对不同收获机械建立谷物由割台至流量测量点的谷物运移过程模型，以校正产量分布信息的动态误差；
研究采集的定位数据和产量数据编码格式与快速存储传输方式。这些数据通常都是存储在软盘或IC智能卡中，能一次存储至少一个作业班内的全部数据，然后再传入PC机进行处理和生成产量分布图；
开发PC上进行产量分布图生成的软件，含文件结构、数据结构、误差校正、数据图形化、显示方式等；
上述技术都还需要继续完善。研究适于不同国家的农业机械装备、种植特点、适于不同作物和更为精确的上述各环节的智能化技术，仍然是农业工程师面临的挑战。谷物联合收获机电子装置，包括谷物产量自动计量和产量图自动生成技术，是当代农机研究的一个重要方向，也应是我国农机装备机电一体化、信息化研究的优先发展方向之一。对于改善易地收获、农机社会化服务，提高农机作业信息化意识，促进作物生产科学管理，都有十分重要的现实意义，应是世纪之交我国农机技术创新的重要课题。3.3田间变量信息采集与处理技术
快速、有效采集和描述影响作物生长环境的空间变量信息，是实践“精细农作”的重要基础。优先需予考虑的主要是土壤含水量、肥力、SOM、土壤压实、耕作层深度和作物病、虫、草害及作物苗情分布信息采集等。目前田间信息快速采集技术的研究仍大大落后于支持精细农作的其它技术发展，已成为国际上众多单位攻关研究的重要课题。现有的土壤信息采集方法是基于定点采样与实验室分析相结合，耗资费时、空间尺度大、难于较精细地描述这些信息的空间变异性。技术创新的方向是研究开发可快速操作，有利于提高采样密度，测量精度能满足实际生产要求的新传感技术和进一步改善空间分布信息的定量描述与近似处理方法。部分参数将可用扫描方式通过安装于作业机械上的传感器连续采集和进一步自动生成空间信息分布图。已经取得实用化或具有良好开发前景的成果，如：土壤含水量测量将在TDR成熟技术基础上，在开发经济实用的基于驻波比、频域法原理、近红外技术的快速测量仪方面拓宽研究领域。土壤主要肥力因素（N、P、K）测量仪器开发方面，基于传统化学分析技术基础上的快速肥力分析仪，目前国内已有实用化产品投入使用，其稳定性、操作性和测量精度虽然尚待改进，但对农田主要肥力因素的快速近似测量具有实用价值；一种基于近红外技术通过间接叶面反射光谱特性进行农田氮肥肥力水平快速评估仪器已在试验使用，它与遥感技术的农业应用密切相关，可以相互借鉴相关技术研究成果；一种基于离子选择场效应晶体管（ISFET）集成元件的土壤主要矿物元素含量测量技术的研究在国外已取得进展，将是值得关注的技术突破性研究方向。土壤耕作层深度对评价土壤持水能力和指导定位处方耕作，确定播种深度、施肥用量密切相关，在美、加、澳等已经开发出不接触式、基于电磁场测量土壤电导率用于评价土层深度分布图的仪器已试验使用，可对指导定位处方深耕取得良好的经济效益；关于SOM传感器，早在数年前已有报导，通过NIR原理研制的可用于田间在线测量的多光谱SOM测量仪已有商品化产品。在作物生长有关变量信息的采集方面，田间杂草识别是“精细农业”支持技术中引起广泛关注的领域。在杂草识别的光谱响应特性方面已有许多研究成果及参考数据可供借鉴。其它田间作物变量传感与空间信息处理技术方面的研究，将围绕新的物理原理与数学方法的应用，如多光谱识别、NIR视角技术、图象模式识别、人工智能方法（ANN、Fuzzy系统分析、ES应用）、状态空间分析、小波分析、卡尔曼滤波方法等。在实践“精细农作”方面，开发基于新的物理原理的近似快速信息采集技术与改善空间地理信息处理方法，仍然是科技工作者面临的艰巨任务。
3.4智能型处方农作机械
七十年代中期微电子应用技术的迅速发展，使得工业化国家的农业机械进入到一个以迅速融合电子技术向机电一体化方向发展的新时期。农业机械的设计中，广泛引入了微电子监控技术用于作业工况监测和控制。八十年代后期起，其监控系统又迅速趋向智能化，由单元控制发展到分布式控制，由单机作业系统向与管理决策系统集成的方向发展。这新一代农业机械装备技术的发展，与过去十多年来基于信息技术的作物生产管理决策支持系统的迅速发展，都是近五年来“精细农作”技术得以进入日益广泛试验实践的重要条件。虽然，迄今支持“精细农作”的若干主要农机装备，除了如前述带产量图自动生成的谷物收获机以外，实施按处方图进行农田投入调控的智能化农业机械,如安装有DGPS定位系统及处方图读入装置的，可自动选择作物品种（二选一）、可按处方图调节播量和播深的谷物精密播种机；可自动选择调控两种化肥配比的自动定位施肥机和自控喷药机；可分别控制喷水量的定位喷灌机均已有商品化产品，并在继续完善。拖拉机驾驶室已安装智能化显示器，在一个LED显示屏上，可随意调用各种图形化可视界面,监控机器各部分的工况和显示处方作业和导航信息。现代带有多处理器的智能型农业机械，已经引用了工业部门中采用的控制器局部网总线技术（CAN），相互间采用光缆传输信息，建立了工业化设计标准。我国当今农业机械技术水平从总体上看与发达国家落后了不止20年，需要在某些领域推动高新技术的应用研究与实践。开发适于我国国情的先进技术。“精细农作”的示范试验研究有可能成为农业机械装备领域应用信息高新技术实现技术创新的切入点。3.5系统集成技术新晨
“精细农业”技术体系是一个集成系统，它涉及到多种学科知识的支持，需要学习应用不同子系统已经形成的硬、软件设计规范、标准、数据格式与通信协议，应用已有的单项技术成果，研究建立某些支持技术的新标准。近几年来，国外研究实践中已经积累了一些进行“精细农业”技术体系集成组装的经验。我国科技工作者要研究这方面的进展，参与国际交流。作为工程师，要善于根据工程项目的整体目标，既能从具体技术角度去思考和研究问题，具有不断突破现有解决实际问题的观念与模式的创新意识；又能注意进行项目目标的整体评估，协调技术先进性与经济可行性的综合优化目标，提出推动技术进步的试验实践方案。
4.问题与思考
农作学与土壤学原理范文第4篇
【关键词】土壤肥料 作物生产技术专业 教学改革
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2013）01C-0074-02
一、土壤肥料课程教学改革背景
土壤肥料是农业的基本生产资料，是发展农业的基础。土壤肥料知识是种植类专业的重要专业知识。土壤肥料学是农业院校的传统学科，是作物栽培、果蔬栽培、中草药栽培等专业课的前导课和桥梁课，主要介绍土壤基础知识和肥料的性质作用。在多年的教学过程中，该专业教师积累了丰富的教学经验，但随着知识的快速更新，土壤肥料的新知识和新理念不断涌现，如配方施肥、无土栽培、营养诊断和新型肥料等；同时，随着学科交叉程度的不断加深、教学课时的压缩以及高职教育新理念的出现，原来的土壤肥料课程日益显现出与当前实际不相符的状况，如课程目标定位不清晰、学科体系模式过浓、教材内容陈旧、教学方法不适应现在的高职生，等等。在课时紧缩的前提下，为顺应社会发展的需求，大部分农业高职院校将土壤学、肥料学和植物营养学等农类专业基础课进行整合，广西农业职业技术学院就是其中之一。笔者以广西农业职业技术学院为例，对土壤肥料课程教学改革进行探讨。
二、土壤肥料课程教学改革总体思路
教育部《关于加强高职高专教育人才培养工作的意见》中指出：“高职高专是我国高等教育的重要组成部分，培养拥护党的基本路线，适应生产、建设、管理、推广、经营、服务第一线需要的，德、智、体、美等方面全面发展的高等技术应用性专门人才；学生应在具有必备的理论基础知识和专门知识的基础上，重点掌握从事本专业领域实际工作的基本能力和基本技能”。可见高职教育主要培养技能型和应用型人才，课程教学中必须突出技能的培养与提升。时下推行的“教、学、做”一体化职业教育新模式就是基于此目的。
鉴于此，广西农业职业技术学院将原土壤肥料学和植物营养方面的学科整合为土壤肥料与应用课程，其主体内容为土壤肥料的知识，但在其中融入营养学知识。总课时为80学时，旨在让学生在有限的学习时间内，在掌握土壤肥料基础知识的前提下，突出掌握植物营养诊断技能和土壤肥料在生产上的应用。此外，该学院还在课程内容、教学模式、教学环节、教材选取及考核制度等方面进行革新，立足于学以致用、为社会经济发展服务的根本目标，力求在教学改革中遵循科学性、系统性和实用性。
三、土壤肥料课程教学改革的具体方案
（一）构架内容体系
立足于原来土壤肥料课程，结合作物生产技术专业特点，对其内容进行合理增删，优化知识结构。
改革后该课程内容分理论与实践两大部分。理论部分可分为土壤、植物营养、土壤农化技术应用3个篇幅，共12章：土壤形成与固相组成、土壤基本性质、土壤肥力因素、我国土壤资源状况、植物营养原理、土壤养分与化学肥料、有机肥料、高产稳产农田建设及中低产土壤改良、土壤免耕技术、设施农业土壤的管理、测土配方施肥、信息技术在土壤肥料中的应用。实践部分包括11个实验项目和6个实训项目。此外，该课程中还穿插了部分选修内容，以满足不同专业方向的教学需求并激发学生学习的兴趣。其内容体系构架见图1。
课程内容需体现种植类专业特点，要与生产结合，在保证基础理论前提下，突出方法技能的训练。针对原课程基础理论内容偏多、实用方法技能过少的情况，新课程一方面保留原课程精华部分，如土壤组成、土壤基本性质、土壤速效养分测定、肥料合理施用技术等基本内容和技能性较强的内容，另一方面对原有部分内容进行扩展和补充，如设施农业土壤的管理、测土配方施肥、营养化学诊断、信息技术在土壤肥料中的应用等，并增加方法技能方面的内容，如土壤种类鉴别、低产地的沃良、化学肥料系统鉴别等。
（二）改革教学模式
所谓“教、学、做”一体化是指教师站在较高的角度，对教材内容进行总体把握并解析、抽取其中一个个具体的知识技能点，再结合实践，设计出具体的问题、情境和案例。其中，每个案例包含若干个知识技能点，每次课程完成一个案例。教师在课程教学时应选择典型的、实用的、可操作的内容来进行情境设计。比如土壤肥料课上，教师应在学生掌握土壤肥料基本知识和技能的基础上，鼓励和指导学生自己去做，即根据设计的目标让学生去完成该项任务，在完成任务的过程中运用知识、提升技能。此外，也可结合教师的某项科研工作或学生论文，教师与学生一起设计不同试验项目，以学生为主体，让其去查找资料，然后实地考察，根据试验设计目的采集土壤样本，带回实验室进行处理和分析，整个项目试验完成后，再要求其写出实习报告。这样可使学生主动投入整个试验中，并充分理解试验原理、方法和过程。“教、学、做”一体化教学模式将教学过程与生产过程紧密相连，实现教学与生产的无缝对接，加深了学生对知识的理解并提高了学生的实践动手、综合分析等能力。
（三）加强教学实践
实践教学是职业教育的特色。土壤肥料课程实践操作性较强，因此应注重加强和改进实践教学，培养学生动手能力。原土壤肥料课程共56学时，实践教学仅24学时。教学时只能进行一些验证性的实验，学生基本上是依葫芦画瓢。现土壤肥料与应用课程共80课时，其中实践课程40学时，占总课时一半。此外，新课程对实训内容也进行了优化，将实践教学分为实验（验证理论为主）和实训（自主、创新为主）两部分。实验课主要在实验室内对一些基本分析操作进行学习；实训则构建以综合性、设计性、实用性为主的教学内容，教师给出多个项目，学生可自行选择其一，然后教师引导学生自主设计和操作。这与“教、学、做”一体化教学模式相一致。
培土施肥是作物栽培过程中一个经常涉及的技术环节，而作物生产技术专业的栽培课程很多，有农作物栽培、果蔬栽培等。教师可以设计一些综合实训项目，既可以对栽培技能进行实践，又可以进行田间施肥的试验。具体做法为：将土壤肥料与应用课程同栽培课程的实践教学部分重叠安排在一起，在试验田里栽培作物，再划分小区，各田间小区分别进行配方施肥试验。学生通过参与整个作物种植和田间管理过程，既能掌握作物栽培的技能，又能充分实践土壤肥料的管理，而且更为系统地掌握综合技能，学会综合应用知识的技能，还节约了实训资源和时间。此外，还可安排学生到校外实训基地或生产单位（肥料厂、种植园区等）进行实战和学习等。这样，学生对实训有充分的自主性、系统性，才能发挥他们的实践能力、创新能力、设计能力和动手能力，达到教学目的。
（四）创新教学方法
传统的课堂教学方法多是教师讲、学生听，学生被动接受知识。高职学生基础较差，对农业尤其是土壤的兴趣原本就不大，若全部采用灌输式教学法，尽管教师课堂讲得很清楚，但学生主观能动性发挥极差，教学效果不甚理想。因此，教师应进行教学方法的改革和创新，变被动教学为主动教学，因对象而异，采用启发式、提问式等各种教学方法，激发学生学习热情，引导学生主动思考。如在土壤有机质的教学中，可用“问题―探研”的方法引导学生：“一般从外观看，你们认为什么样的土壤比较肥？为什么呢？”大多学生知道颜色深、湿润的土壤较肥沃，至于原因就需要查找资料或听教师分析了，对此教师可先让学生进行讨论，最后再进行总结，以此来加深学生对知识的理解。又如在讲解土壤含水量的计算时，可先向学生提出问题：“公式分母用的是烘干土重，而不是我们通常认为的鲜土重，原因是什么？”并提示他们需要在教师讲解完之后回答问题，以提问吸引学生注意力。同时，在教学中还应补充一些相关的时事和前沿动态等，以丰富教学内容和提高学生学习兴趣。
（五）优化考核制度
考核是检验教学效果的手段。高职院校往往采取理论考试+技能考核+平时成绩的考核方式，但在实际操作中，这三方面容易脱节。因此，应注意将理论与实践技能的考核有机结合，也就是理论考试中应能体现技能的掌握程度，而技能考核中也要求学生弄清原理，即“知其然，知其所以然”。如在化学肥料定性鉴定的技能考核中，除鉴别化学肥料的种类外，还应回答鉴别的理论依据和过程。将“教―学―做―考”一体化，才能将知识融汇贯通，学习的内容也才具有持续性。
（六）选择适用教材
课程体系的改革依赖于其载体――教材，教学内容的更新、优化也需要通过教材建设来实现。广西农业职业技术学院原来使用农业出版社出版的《土壤肥料（第二版）》，在过去的教学和人才培养中较为适用，但其理论内容偏多，应用内容稍少。尤其随着知识和生产的快速发展，新知识、新理念的涌现，原有教材显得过于陈旧和模式化。结合作物生产技术专业人才培养方案与课程内容体系，经筛选，笔者认为化学工业出版社出版的高职高专“十一五”规划教材――《土壤肥料》适合作物生产技术专业的土壤肥料与应用课程使用。此外，教学中还应收集和补充本地区土壤与肥料的相关资料和信息，并组织编写适合本校的校本教材。
土壤肥料课程教学改革势在必行。通过探索，基本理清了土壤肥料课程改革思路，针对其课程内容、教学模式、实践教学环节、教学方法、考核制度和教材等方面提出了一系列改革方案和措施，达到了增强教学效果的目的。而课程的教学改革是个系统工程，提高课程教学水平是一项长期任务，需要不断探索和完善，进一步深化。
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【基金项目】广西教育厅2010新世纪教改课题（桂教高教[2010]130号）
农作学与土壤学原理范文第5篇
【关键词】污染土壤；微生物；修复原理；修复技术
土壤污染已经成为全球性的重要环境问题之一。由于矿山开采、金属冶炼以及工业污水和污泥的农业应用，大量的有毒有害重金属元素进入土壤系统，在土壤中的滞留时间长，具有难降解性、隐蔽性和不可逆性的特点，不仅导致土壤的退化、农作物产量和品质的降低，而且还可能通过食物链危及人类的健康和生命。
目前，用于土壤重金属污染治理的方法包括物理修复、化学修复和生物修复。物理修复、化学修复虽能达到一定的效果，但是能耗大、二次污染等问题也限制了其应用[1]，尤其对于大面积有害的低浓度重金属污染，更是难以处理。重金属污染土壤的原位生物修复是利用各种天然生物过程而发展起来的一种现场处理土壤环境污染的技术，可利用生物削减土壤中重金属含量或降低重金属毒性[2]。根据修复主体的不同，它主要分为微生物修复、植物修复和植物-微生物联合修复。微生物修复较物理修复、化学修复有着无可比拟的优越性，操作简单、处理费用低、效果好，对环境不会造成二次污染，可以就地进行处理等，具有很大的潜力和广阔的应用前景。
1.微生物修复机理
重金属对人的毒性作用常与它的存在状态有密切的关系。一般地说，金属存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解和破坏重金属，但可以对土壤中的重金属进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，可促进有毒、有害物质解毒或降低毒性，从而达到生物修复的目的。
1.1 微生物的转化作用
微生物对重金属的转化作用包括氧化还原作用、甲基化与去甲基化作用以及重金属的溶解和有机络合配位降解。土壤中的一些重金属元素可以多种价态和形态存在，不同价态和形态的溶解性和毒性不同，可通过微生物的氧化还原作用和去甲基化作用改变其价态和形态，从而改变其毒性和移动性。
1.1.1 氧化还原作用
微生物可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。Silver等[3]提出，在细菌作用下氧化还原是最有希望的有毒废物生物修复系统。微生物能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫-铁杆菌类 （Thiobacillus ferrobacillus）能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假单孢杆菌属 （Pseudomonas）能使As、Fe和Mn等发生生物氧化，降低这些重金属元素的活性。微生物对重金属的转化作用常见的有对铬、汞、硒和砷等的转化。如假单胞菌（ Pseudomonadsp.） 可以把六价铬还原为三价铬，从而降低其毒性[4]。
1.1.2 甲基化与去甲基化作用
微生物可通过改变重金属的甲基化和去甲基化作用改变重金属的环境效应。Fwukowa从土壤中得到假单胞杆菌K-62，它能分解无机汞和有机汞而形成元素汞，元素汞的生物毒性比无机汞和有机汞低得多。Frankenber等通过耕作、优化管理、施加添加剂等来加速硒的原位生物甲基化，使其挥发而降低硒的毒性，此生物技术已在美国西部灌溉农业中用于清除硒污染[5]。有些真菌和细菌能使无机As转化为挥发性有机As，从而降低其毒性[6]。
1.1.3 重金属溶解或配位络合作用
一些微生物，如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物。如Bargagli在Hg矿附近土壤中分离得到很多高级真菌，一些菌根种和所有腐殖质分解菌都能积累Hg达到100 mg/kg土壤干重[7]。
1.2 微生物的积累和吸着作用
土壤中重金属离子有5种形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态。前3种形态稳定性差，后2种形态稳定性强。重金属污染物的危害主要来自前3种不稳定的重金属形态[6]。微生物固定作用可将重金属离子转化为后两种形态或积累在微生物体内，从而使土壤中重金属的浓度降低或毒性减小。微生物固定作用有胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞内积累作用3种形式。其作用方式有以下几种：①金属磷酸盐、金属硫化物沉淀；②细菌胞外多聚体；③金属硫蛋白、植物螯合肽和其他金属结合蛋白；④铁载体；⑤真菌来源物质及其分泌物对重金属的去除[8]。
1.2.1 胞外吸附作用
胞外吸附作用主要是指重金属离子与微生物的产物或细胞壁表面的一些基团通过络合、螯合、离子交换、静电吸附、共价吸附等作用中的一种或几种相结合的过程[2]。许多研究表明细菌及其代谢产物对溶解态的金属离子有很强的络合能力，这主要因为细菌表面有独特的化学组成。细胞壁带有负电荷而使整个细菌表面带负电荷，而细菌的产物或细胞壁表面的一些基团如-COOH、-NH2、-SH、-OH等阴离子可以增加金属离子的络合作用[9]。研究表明，许多微生物，包括细菌、真菌和藻类可以生物积累（bioaccumulation）和生物吸着 （biosorption）环境中多种重金属和核素[10]。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物。
1.2.2 胞外沉淀作用
胞外沉淀作用指微生物产生的某些代谢产物与重金属结合形成沉淀的过程。在厌氧条件下，硫酸盐还原菌中的脱硫弧菌属（Desulfovibrio）和肠状菌属（Desulfotomaculum）可还原硫酸盐生成硫化氢，硫化氢与Hg2+形成HgS沉淀，抑制了Hg2+的活性[11]。某些微生物产生的草酸与重金属形成不溶性草酸盐沉淀。
1.2.3 胞内积累作用
胞内积累作用是指重金属被微生物吸收到细胞内而富集的过程。重金属进入细胞后，通过区域化作用分布在细胞内的不同部位，微生物可将有毒金属离子封闭或转变成为低毒的形式[12]。微生物细胞内可合成金属硫蛋白，金属硫蛋白与Hg、Zn、Cd、Cu、Ag 等重金属有强烈的亲合性，结合形成无毒或低毒络合物。如真菌木霉、小刺青霉和深黄被包霉通过区域化作用对Cd、Hg都有很强的胞内积累作用[13]。研究表明，微生物的重金属抗性与MT积累呈正相关，这使细菌质粒可能有抗重金属的基因，如丁香假单胞菌和大肠杆菌均含抗 Cu基因，芽孢杆菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，产碱菌含抗Cd、抗 Ni及抗Co基因，革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中含抗As和抗Sb基因。Hiroki[14]发现在重金属污染土壤中加入抗重金属产碱菌可使得土壤水悬浮液得以净化。可见，微生物生物技术在净化污染土壤环境方面具有广泛的应用前景。
2.重金属污染土壤微生物修复技术及其研究进展
微生物修复重金属污染的技术主要为原位修复和异位修复。微生物原位修复技术是指不需要将污染土壤搬离现场，直接向污染土壤投放N、P等营养物质和供氧，促进土壤中土著微物或特异功能微生物的代谢活性，降解污染物主要包括：生物通风法（bioventing）、生物强化法（enhanced-bioremediation）、土地耕作法（1and farming）和化学活性栅修复法（chemical activated bar）等几种。异位微生物修复是把污染土壤挖出，进行集中生物降解的方法。主要包括预制床法（preparedbed）、堆制法（composting biorernediation）及泥浆生物反应器法（bioslutrybioreactor）。
2.1 生物刺激技术
生物刺激即向污染的土壤中添加微生物生长所需的氮、磷等营养元素以及电子受体，刺激土著微生物的生长来增加土壤中微生物的数量和活性。关于这方面的研究国外文献已有报道。Reddy KR，Cutright T J对铬污染土壤的微生物修复进行的研究表明，限制铬污染场地修复进程的一个共同因素是污染场地通常缺乏足够的营养以供引进的外来微生物或土著微生物生长，以至这些微生物自身具备的还原Cr6+的潜力得不到充分发挥；为使其潜力得到充分发挥，需向其生活的环境中投加营养物质来刺激铬还原菌的新陈代谢和繁殖，促进铬污染土壤的修复[15]。HigginsT E将堆肥、鲜肥、牛粪、泥炭加入铬污染土壤进行原位修复，提高了修复效果[16]。
2.2 生物强化技术
生物强化技术即向重金属污染土壤中加入一种高效修复菌株或由几种菌株组成的高效微生物组群来增强土壤修复能力的技术。所加入的高效菌株可通过筛选培育或通过基因工程构建，也可以通过微生物表面展示技术表达重金属高效结合肽，从而得到高效菌株。
2.2.1 高效菌株筛选
高效菌株有2个来源：一是从重金属污染土壤中筛选；二是从其他重金属污染环境中筛选。从重金属污染土壤中筛选分离出土著微生物，将其富集培养后再投入到原污染的土壤，这是本土生物强化技术（本土生物强化技术是由日本科学家Ueno A等人于2007年首次提出的[17]）。筛选、富集的土著微生物更能适应土壤的生态条件，进而更好地发挥其修复功能。目前已从Cr（VI）、Zn、Pb污染土壤中筛选分离出菌种Pseudo-monasmesophillca和maltophiliaP，Barton等对这2种菌株去除Se、Pb毒性的可能性进行了研究，发现上述菌种均能将硒酸盐、亚硒酸盐和二价铅转化为不具毒性且结构稳定的胶态硒与胶态铅。Robinson等研究了从土壤中筛选的4种荧光假单胞菌对Cd的富集与吸收效果，发现这4种细菌对Cd的富集达到环境中的100倍以上[1]。
2.2.2 基因工程菌构建
基因工程可以打破种属的界限，把重金属抗性基因或编码重金属结合肽的基因转移到对污染土壤适应性强的微生物体内，构建高效菌株。由于大多数微生物对重金属的抗性系统主要由质粒上的基因编码，且抗性基因亦可在质粒与染色体间相互转移，许多研究工作开始采用质粒来提高细菌对重金属的累积作用，并取得了良好的应用效果[18]。
2.2.3 微生物表面展示技术
微生物表面展示技术是将编码目的肽的DN段通过基因重组的方法构建和表达在噬菌体表面、细菌表面（如外膜蛋白、菌毛及鞭毛）或酵母菌表面（如糖蛋白），从而使每个颗粒或细胞只展示一种多肽[19]。微生物表面展示技术可以把编码重金属离子高效结合肽的基因通过基因重组的方法与编码细菌表面蛋白的基因相连，重金属离子高效结合肽以融合蛋白的形式表达在细菌表面，可以明显增强微生物的重金属结合能力，这为重金属污染的防治提供了一条崭新的途径。
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术中用来定位、锚定外源多肽[20-21]。Sousa C等将六聚组氨酸多肽展示在E.coliLamB蛋白表面，可以吸附大量的金属离子，重组菌株对Cd2+的吸附和富集比E.coli大11倍[22]；Xu Z、Lee S Y将多聚组氨酸（162个氨基酸） 与Omp C融合，重组菌株吸附Cd的能力达32 mol/ g干菌[23]；Schembri M A等将随机肽库构建于E.coli 的表面菌毛蛋白FimH粘附素上，经数轮筛选和富集，获得对PbO2、CoO、MnO2、Cr2O3具有高亲和力的多肽[24]；KurodaK、UedM将酵母金属硫蛋白（YMT） 串联体在酵母表面展示表达后，四聚体对重金属吸附能力提高5.9倍，八聚体提高8.7倍[25]。表面展示技术用于重金属污染土壤原位修复的研究虽然取得了许多成果，但离实际应用尚有一段距离。其主要原因是用于展示金属结合肽的受体微生物种类及适应性有限，并且缺乏选择金属结合肽的有效方法[19]。
3. 结论与展望
从目前来看，微生物修复是最具发展和应用前景的生物修复技术，人们在微生物材料、降解途径以及修复技术研发等方面取得了一定的研究进展，并展示了一些成功的修复案例。但重金属污染土壤原位微生物修复技术目前还存在以下几个方面的问题：（1）修复效率低，不能修复重污染土壤。（2）加入到修复现场中的微生物会与土著菌株竞争，可能因其竞争不过土著微生物，而导致目标微生物数量减少或其代谢活性丧失。（3）重金属污染土壤原位微生物修复技术大多还处于研究阶段和田间试验与示范阶段，还存在大规模实际应用的问题。（4）微生物个体微小，难以从土壤中分离；重金属回收困难。
污染场地应用是各种生物修复技术研发的最终目的。一般说来，实验室的微生物修复研究，因修复条件较为理想化，扰因素极少，其修复可能很好。如一旦将室内的微生物修复技术放大到现场条件下，干扰因素复杂，一系列的新问题可能会出现，甚至可能会遭致完全否定等现象。因此，微生物修复技术的场地应用是一项复杂的系统工程，必须融合环境工程、水利学、环境化学及土壤学等多学科知识，创造现场的修复条件，如土地翻耕、农艺措施、添加物质、高效微生物、植物修复，季节更替等，构建出一套因地因时的污染土壤田间修复工程技术。
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