06精准养分管理-基于GIS的土壤养分分区管理模型研究

精准养分管理基于GIS的土壤养分分区管理模型研究白由路金继运杨俐苹梁鸣早中国农科院土壤肥料研究所施用化学肥料是农业生产中投入资金最多的项目之一，但是，化肥的当季利用率还不足50%，氮素化肥的利用率更低[1]。其原因除施用方法不当外，也与土壤养分的空间变异密切相关[2~4]。国内外对于测土推荐施肥都做了大量的研究[5~6]，但是，大部分是基于大田平均值，或基于大田混合样品进行的[5]。近年来，随着GPS、GIS和地统计学等方法应用于土壤领域[7]，土壤特性的空间变异越来越受到人们的重视，特别在土壤养分管理上，以精准农业（precisionagriculture）为中心的养分管理正成为土壤养分管理的热点[8~9]。但是，我国目前农业生产管理主要以农户为单位，地块面积较小。再由于农业生产特别是粮食生产的比较效益低下，以农户地块为单位的测土推荐施肥难以进行。以大区域或大面积混合样品的测定结果进行施肥推荐时，推荐量不能适合所有地点，造成推荐偏差[6]。本研究结合我国农村的实际，应用地理信息系统，研究区域土壤养分分区管理的模式，旨在为充分发挥土壤的生产潜力、提高肥料利用率、保护生态环境提供有关的科学理论依据和发展模式。1材料与方法1.1地点及取样试验区在河北省辛集市马兰村进行，面积为173.4ha，地势平坦，土壤为潮土，质地为中壤，主要种植制度为小麦-玉米轮作。2000年6月初在小麦刚收获后，用差分式GPS在试验区用100m的网格采取土壤耕层样品，风干备用[10]。1.2分析项目与方法用土壤养分状况系统研究法（ASI）[11]分析土壤养分状况。土壤速效磷(P)、钾(K)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)和锌(Zn)采用ASI联合浸提剂（0.25mol/LNaHCO3-0.01mol/LEDTA-0.01mol/LNH4F）浸提；速效硼(B)和硫(S)用0.08mol/L的过磷酸钙溶液浸提；速效钙(Ca)、镁(Mg)和铵态氮(N)用1mol/L的KCl浸提；有机质用0.2mol/LNaOH-0.01mol/LEDTA-2%甲醇溶液提取。有机质和非金属元素用比色法测定，金属元素用原子吸收分光光度计测定。1.3数据处理平台GIS平台为ESRI公司的Arc/Info7.0和Arcview3.0[12]。2结果与分析2.1土壤养分分区管理的概念模型在我国目前以农户为单位的农业生产体制下，地块既小又不连片，每个地块面积仅0.1~0.2ha，若以该面积为取样单位，会大幅度提高单位面积测土推荐施肥的费用，难以有效推广。当以较大面积为测土施肥推荐单元时，由于空间变异，测土施肥的推荐量不具有较强的代表性，所以，在建立土壤养分分区管理模型时，必须克服上述问题。本研究以土壤特性相对均匀的村为单位，建立以地块或农户为单位的土壤养分分区管理模型(图1)。该模型以土壤网格取样和ASI的土壤养分推荐模型为基础，经地理信息系统的一系列处理，形成土壤养分管理图，由于地理信息系统中的数据库管理功能，也可将土壤养分管理方法以表的形式输出。在该管理模型中，管理单元是人为划分的，在较小的规模下，管理单元可以是农户的地块，也可以是生产小组的地块。在比较宏观的情况下，也可以以村或县为单位。(图：图1土壤养分管理的概念模型)2.2模型实现的基本步骤为了实现土壤养分的分区管理，以Arc/Info7.1为基本平台[12]，对土壤养分管理进行了探索。在该模型中，所需的基本数据与图层为取样点图、区域边界图、分区边界图和基于ASI养分管理的作物类型、产量目标及土壤养分分级。在Arc/Info平台上需建立11个文件，进行9个步骤的处理。同时，还需要在数据库平台或EXCEL等软件上进行必要的数据处理过程。如果没有GPS定位工具，可采用相对坐标。在较大比例尺的地图上进行数字化也可以得到相同的效果。有高精度GPS定位工具时，田间图包括地界图都可用GPS定位，然后导入GIS中，不必进行数字化。Kriging插值是该过程的关键步骤之一。可根据养分管理的精度进行插值[13]。养分分类是施肥推荐准确程度的重要依据，养分测定方法要与施肥推荐方法一致。为了便于管理和实施，在一个管理单元内，只能有一种施肥量。但是，由于土壤养分的空间变异性，在大多数情况下，一个管理单元内会有多种养分等级和施肥量，需要进行必要的归类，可供选择的归类方法有：①面积优先法：即在一个管理单元内，用面积最大的某一类养分的值代表该单元的养分值。②加权平均法：即在一个管理单元内，用面积作权重，对养分进行加权平均，用平均值代表该单元的养分值进行施肥推荐。③最高产量法：对一个施肥量稍高而不影响产量的元素，可用该管理单元中最低的一个级别养分代表该单元的养分进行施肥推荐，以使所有单元内土壤养分都不会发生亏缺。④最小施肥量法：即以管理单元内最高的养分含量代表该单元的养分进行施肥推荐，以使所有单元内的养分含量都不超过作物的需求量，从而不造成肥料的浪费和环境污染。在该模型中，土壤养分的管理均以单个元素的管理为主，具体实施时，对不同的养分可采用不同的方法。2.3试验区养分管理模型的应用通过对河北省辛集市马兰试验区的网格取样、室内养分分析，应用上述土壤养分分区管理模型，针对试验区内的土壤养分状况进行了施肥推荐。鉴于试验区每个农户每个地块的面积平均不足0.2ha，最窄幅不足2m，考虑到分户分块管理工作量极大，研究中采用了以生产小组分块管理（图2）。通过对试验区土壤养分的分析，经过Kriging插值,可得到了该试验区不同的养分含量分布图，由于ASI方法一次可得到11种大中微量营养元素的结果，这里仅以土壤钾素的管理说明该模型在养分分区管理中的应用，其它元素与钾素基本相同。经Kriging插值后，得到土壤速效钾的田间分布图（图3）。结果表明：试验区的土壤钾素除个别地点高于临界值外，大部分区域土壤速效钾低于临界值，且以中部缺乏更为严重，通过该图与分区边界图叠加，用面积优先法对土壤养分进行整理，得到不同分区中土壤速效钾的分级图（图4）。然后导出其属性表，用ASI方法进行施肥推荐，得到不同分区不同养分的推荐施肥量，然后将其导入GIS，得到不同分区的土壤养分管理图（图5）。(图：图2马兰试验区地块图)(图：图3土壤速效钾田间分布图)(图：图4不同地块土壤速效钾分级图)(图：图5不同地块土壤速效钾管理图)土壤养分管理中，有些养分需要补充，另一些养分仅需要监测而已。对需要补充的元素，要制订详细合理的施肥方案，必须分配到管理单元。对不需要施肥的元素，则不进行施肥方案的确定。通过试验区养分含量的分析，需要通过施肥补充的营养元素有氮、磷、钾、硫、锌等。这里不再一一赘述。2.4土壤养分管理模型的应用效果通过对模型的应用，以钾为例，当用大田平均值推荐施肥时，整个大田速效钾含量平均为59.9mg/L，推荐的施钾量为75kg/ha；用养分分区管理模型进行施肥推荐时，可将整个试验区的土壤速效钾分为3类：一类、二类和三类的面积分别为8.4ha、26.7ha和138.6ha，其推荐施钾量分别为150kg/ha、112.5kg/ha和75kg/ha。这样，通过采用土壤养分分区管理模型，整个试验区氧化钾施用量由采用大田平均推荐量的13005kg提高为14636kg，使得严重缺钾的地块及时补充了钾。其它元素的管理也有类似的结果。通过土壤养分分区管理模型的应用，可以看出，当采用大田平均推荐施肥时，由于多点测定结果的平均或多点样品混合测定，掩盖了土壤的空间变异性，使得某些元素严重缺乏的区域不能及时补充，难以获得均衡增产的作用。而分区土壤养分管理，可较充分地考虑土壤的空间变异性，做到因地施肥。同时，使用该方法也可解释过去在施肥推荐中常常遇到的问题，即对某区域进行土壤样品测定时，该元素不缺乏，但在该区内某地方使用这种肥料也有明显的增产作用。3结论与讨论在地理信息系统平台上，可将以网格取样进行测土推荐施肥的过程更加合理。该方法可较好地应用于区域土壤养分的分区管理。通过对河北省辛集市马兰试验区的实施与验证，在Arc/Info平台上，使用土壤养分分区管理模型进行推荐施肥是可行的，它避免了土壤养分空间变异性所造成的施肥推荐偏差，又符合我国目前农村分散经营的现状。用土壤养分分区管理模型进行测土推荐施肥的推荐量可能比采用大田平均推荐方法的施肥量要大，这主要是与土壤养分严重缺乏有关。土壤养分分区管理模型是结合我国农村以户为单位进行土壤管理的实际提出的，适用的区域最好是村级。当用于较大区域时，管理单元应相应扩大。主要参考文献[1]赵其国.现代土壤学与农业持续发展.土壤学报,1996,33(1):1~12.[2]ReetzHF,Jr.Site-specificnutrientmanagementsystemofthe1990s.Bettercropswithplantfood,1994,78(4):14~19.[3]McBratneyAB,WebsterR.Choosingfunctionsforsemi-variogramsofsoilpropertiesandfittingthemtosamplingestimates.JournalofSoilScience,1986,37:617~639.[4]AssadianNW,EsparraLC,etal.SpatialvariabilityofheavymetalsinirrigationalfalfafieldintheupperRioGrandRiverbasin.Agriculturalwatermanagement,1998(36):141~156[5]王兴仁,陈新平,张福锁等.施肥模型在我国推荐施肥中的应用.植物营养与肥料学报,1998,4(1):67~73.[6]R.GaryKachanoskiandGordonL.Fairchild.Fieldscalefertilizerrecommendationandspatialvariabilityofsoiltestvalues.Bettercropswithplantfood.1994,78(4):20~21.[7]周勇,李学垣,贺纪正等.ARC/INFO信息系统在农地分等定级中的应用.土壤学报,1998,l35(4):450~460.[8]金继运.“精准农业”及其在我国的应用前景.植物营养与肥料学报,1998,4(1):1~7.[9]石元春.土壤学的数字化和信息化革命.土壤学报,2000,37(4):289~295.[10]WollenhauptNC,WolkowskiRP.Gridsoilsampling.Bettercropswithplantfood,1994,78(4):6~7.[11]吴荣贵.土壤基本肥力的快速分析与应用前景.土壤养分养状况系统研究法.北京：中国农业科技出版社,1992:54~70.[12]FlynnJ,PittsT.InsideArcInfo(2ndEdition).OnWordPress,2000.[13]OliverM.A.Kriging:Amethodofinterpolationforgeographicalinformationsystems.InternationalJournalofGeographicInformationSystems,1990,4(4):313~332.