3S在农业测土施肥上的应用111

7023S在农业测土施肥上的应用周旭②樊文有①鲁雷②①中国地质大学（武汉）信息工程学院湖北武汉430074②教育部GIS软件及其应用工程研究中心湖北武汉430074Email：[e-mail]摘要：中国是一个肥料生产和施用大国，不合理施肥，造成土壤板结，结构变差，土壤综合肥力下降，因此，发展可持续农业，迫切需要推广科学的施肥技术。本文重点讨论3S技术在农业测土施肥上的应用，介绍了以MAPGIS平台为基础开发的土壤肥力信息管理系统。关键字：3S土壤肥力MAPGISAbstract:Chinaisfertilizerproducesandemploysthegreatnation,doesnotapplyfertilizerrationally,createsthesoiltoharden,thestructurechangesthedifference,thesoilcomprehensivefertilitydrops,therefore,developsthesustainableagriculture,isurgentneedstopromotethesciencetoapplyfertilizerthetechnology.ThisarticleasksforwithemphasisvisitstheStechnologyintheagriculturetomeasuretheearthappliesfertilizeronapplication,introducedtaketheMAPGISplatformasthefoundationdevelopmentsoilfertilityinformationmanagementsystem。keyword:3SsoilfertilityMAPGIS1.引言1.1.背景知识肥料是作物的粮食，在粮食的增产诸因素中，化肥占有40%左右的作用。我国是肥料生产及施用大国，化肥的大量使用，对增加农作物产量发挥了巨大作用。但有些农民为了追求高产，盲目大量施用化肥，在化肥施用过程中存在许多不合理现象，如：重施化肥，轻施有机肥；氮、磷、钾投入比例失调，普遍存在重氮、轻磷、不施钾的现象；不能因土、因作物合理搭配氮、磷、钾和微肥的施用量和施用比例；区域投肥不平衡，两熟高产区和经济发达地区化肥用量偏大，低产区和经济欠发达区施肥量较小；氮肥作追肥时以撒施为主，养分流失、挥发等损失严重。不合理施肥，不仅造成土壤板结，结构变差，土壤综合肥力下降，而且使化肥施用成本增加，农产品品质下降，增产不增收。另外，不合理施肥引起的水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水污染、水体富营养化等生态环境问题，已经引起了国际社会的广泛关注，因此，发展可持续农业，迫切需要推广科学的施肥技术。1.2.精确施肥的定义施肥是一项科学性很强的综合农业技术，它涉及到作物、土壤、肥料和环境等条件。精确农业是PrecisionAgriculture、PrecisionFarming、Site-specificFarming(Agiculture)等名词的中译。精确农业是现代信息技术（RS，GIS，GPS），作物栽培703管理技术，农业工程装备技术等一系列高新技术的基础上发展起来的一种重要的现代农业生产形式和管理模式，其核心思想是获取农田小区作物产量和影响作物生产的环境因素（如土壤结构、土壤肥力、地形、气候、病虫草害等）实际存在的空间和时间差异信息，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，改变传统农业大面积、大样本平均投入的资源浪费作法，对作物栽培管理实施定位，按需变量投入。它包括精确播种，精确施肥，精确灌溉，精确收获这几个环节。而精确农业的兴起对合理施肥提出了新的理论和技术要求。从化肥的使用来看，化肥对粮食产量的贡献率占40%，然而即使化肥利用率高的国家，其氮的利用率也只有50%左右，磷30%左右，钾60%左右，肥料利用率低不仅使生产成本偏高，而且造成地下水和地表水污染、水果蔬菜硝酸盐含量过高等环境问题。总之施肥与农业产量、产品品质、食品和环境污染等问题密切相关。精确施肥的理论和技术将是解决这一问题的有效途径。1.3.精确施肥的重要性土壤--作物--养分间的关系十分复杂。虽然我们已确定了作物生长中必不可少的大量元素和微量元素，但作物需求养分的程度因植物的种类不同而有差别。即使是同一种作物，不同的生长期对各种养分的需求程度差别也很大。苗期是作物的营养临界期，虽然在养分数量方面要求不多，但是要求养分必须齐全和速效，而且数量足够。很多作物在营养最大效率期对某种养分需求数量最多，营养效果最好，同一作物不同养分的最大效率期不同，不同作物同一养分的最大效率期也不同。不同养分具有养分不可替代性即作物的产量主要受最少养分含量那个养分所限制，而这个最少的养分不能被其它养分所代替。为消除最小养分率的限制，大量的使用化肥，而这又造成一系列的环境问题。所以为取得良好的经济效益和环境效益，适应不同地区、不同作物、不同土壤和不同作物生长环境的需要，变量处方施肥是我们未来施肥的发展方向。2.应用于测土施肥的数据来源2.1.测土施肥的数据土壤水分：土壤水分是植物吸收水分的主要来源，主要来自降雨和灌溉水，它以固态、液态和气态三种形态存在，其中最重要的是液态水，它是土壤表现出各种性质和进行各种过程不可缺少的条件。土壤水分在诸肥力因素中是最活跃的一个因素，对土壤肥力有很大的影响。土壤水并不是纯水，而是含有多种无机盐与有机物的水溶液，其浓度一般在200-1000mg/kg之间。土壤空气：土壤空气是土壤的重要组成之一，它对植物的生长发育、土壤中微生物的活动和养分的转化有很大的作用。土壤空气存在于土壤孔隙中，它与土壤水分经常处于相互消长的运动过程中。土壤温度：土壤温度是土壤热量的反映，土壤中一切生物的生命活动都要求一定的土壤温度。土壤中许多物理、化学过程也与土壤温度有密切关系。土壤温度还影响土壤水分、空气和养分的转化。土壤温度重要决定于土壤热量的收支和土壤的热性质。土壤养分：作物体的组成很复杂，大约有70多种元素，其中有些是所有植物都必需的，称为必需营养元素。包括碳、氢、氧、土壤酸碱性反应是土壤的重要属性之一。它影响土壤养分的存在状态、转化和有效性，对植物的生长发育有直接影响。一般PH小于5.5为酸性土壤,5.5-6.5为微酸性土壤,6.5-7.5704为中性土壤,大于7.5-8.5为微碱性土壤,大于8.5为强碱性土壤。石灰性土壤PH一般为7.5-8.5。2.2.土壤数据和作物营养实时数据的采集对于长期相对稳定的土壤变量参数，像土壤质地、地形、地貌、微量元素含量等，可一次分析长期受益或多年后再对这些参数做抽样复测，在我国可引用原土壤普查数据做参考。对于中短期土壤变量参数，像N，P，K，有机质、土壤水分等，这些参数时空变异性大，应以GPS定位或导航实时实地分析，也可通过遥感（RS）技术和地面分析结合获得生长期作物养分丰缺情况。这是确定基肥、追肥施用量的基础。20世纪90年代以来，土壤实时采样分析的新技术、新仪器有了长足的发展进步。基于土壤溶液光电比色法开发的土壤主要营养元素测定仪，在我国已有若干实用化的产品推广。基于近红外（NIR）多光谱分析技术、半导体多离子选择效应晶体管（ISFET）的离子敏传感技术的研究已取得了初步的进展和研究成果。基于近红外（NIR）光谱技术和传输阻抗变换理论的土壤水分测量仪在我国已经研制成功。基于光谱探测和遥感理论的作物营养监测技术研究也取得了一定的进展。3.系统设计流程土地区划图评价因子图土壤肥力现状图评价指数数据管理样品采集与测定决策分析分等定级农业地图集数据分类评价指数各类地图配方方案7054.系统模块功能随着“数字农业”工程的建设，土壤肥力在农业生产中的重要性与日俱增。MAPGIS具有强大的图形处理与编辑功能，提供了标准的、通用的数据格式，强大的二次开发工具，是当今国内比较流行的GIS软件，因此很多专业性软件都是基于MAPGIS的二次开发。土壤肥力信息系统就是基于MAPGIS之上开发出来的。土壤肥力信息系统突破了以往我国土壤肥力状况评估主要以全国土壤普查的结果为依据的作法，而采用发达国家同类系统的做法，综合利用以下来源的参数进行土壤肥力评判。统计的数据包括与土壤肥力及土壤养分收支平衡状况有关的50余项数据如耕地面积、灌溉面积、各种作物的播种面积及产量、肥料的产量及消费量、农业产值、牲畜及家禽等。为进行土壤肥力及肥料施用水平综合评估及相关的分析、决策，系统采用了养分平衡记录单模型法、非线性模拟等5种目前国际上流行的模型及模拟技术。土壤肥力信息系统是对土壤肥力与养分资源状况进行统计及分析的信息系统。本系统将为我国农业、环境、化工、生资、农业投资等部门的高层主管和决策机关提供我国土壤肥力状况及化肥利用率的动态变化信息，并进行决策支持；可为全国省、市、区、县农业主管、推广部门及化肥生产、经销部门进行区域性化肥合理规划和调配提供依据。利用地理信息系统、模拟技术和业内的研究成果，在地理信息系统平台上建立我国各个省县的土壤肥力与肥料状况信息。4.1.数据管理模块手工单个录入：将多年前积累的没有形成电子文档的资料手工录入到数据库中；报表文件批量录入：将已形成的电子文档的报表资料通过“批量录入”功能，一次性自动录入到数据库中；遥感文件处理：在获取遥感遥测资料后，通过系统对图片处理，建立遥感遥测信息区文件，并提交数据库；数据信息的浏览：实现所有数据形式的在VIEW视窗的显示，可以用不同的符号来表现空间对象，也可以根据某个属性值对图形进行分级设色，还可以在图形上标注文字；数据信息的查询：包括地域查询、土地等级查询、时间查询、物资准备与使用情况查询，可设定一个或两个查询条件，查找符合条件的空间对象，并能快速进行定位；编辑功能：对数据提供输入、浏览、修改、删除功能；数据管理：将所有数据备份；数据库恢复：复原备份数据(注：关闭已打开的报表后才能实现此功能)；数据加载：将其它数据加入报表数据库中；文件传输：联网发送或提取文件；数据上传与下载：实现数据上传到数据库和从服务器下载的功能；报表与统计图打印：对统计图形、各地区统计图、各年度趋势图、专题分析图进行操作；用户管理：由四项组成，分别为：添加用户、删除用户、修改口令和查看使用情况；图件输出：可以将当前显示的图形输出到剪贴板、文件或打印机。4.2.土地分等定级评价模块此模块主要是对数据进行评价工作。准备工作模块：1）图层叠置主要评价因子层与原始评价单元的叠置分析。7062）查看评价因子是为了查看属性项便于属性项标准化，和检查对属性项的操作是否进行。3）属性添加与删除：完成属性项标准化。4）拓扑关系的构件，叠置分析后都必须重新构建拓扑关系。评价因子模块：1）查看评价因子项：主要查看评价因子的属性项和对照表，以便选取分级数据。2）分级选取：按照一定的标准对因子进行选取3）分级赋值：选定后赋值4）评价因子图显示：图形按等级显示评价单元转换：完成原始评价单元与评价因子图的叠置分析后，建立评价单元图。1）查看评价因子项：主要查看评价因子的属性项和对照表，以便选取分级数据。2）分级指数输入：输入个评价因子各等级对应的指数。3）转换：进行转换工作，生成平均指数并存储到原始评价单元形成评价单元图4)适宜性分级：这里主要是进行适宜性评价操作1）适宜性分析模块：与适宜性评价系统的联接，我们将采用提供一个表单的方式，让使用者自己填写所需的评价模块的表单的路径。注：评价模块的设计应符合此系统的属性设置要求，否则就必须对属性表的属性项再次进行标准化处理以方便使用和防止混淆提供与分析模块的联接。2）分级赋SYMBOL值：为显示适宜性评价图提供颜色的属性。3）适宜性图显示：依据SYMBOL值对土地适宜性进行显示。4）查询：使用选择SELECT语句和LIST来查询一点或多点属性的属性。4.3.决策分析模块决策分析模块包括地理信息系统（GIS）和模型专家系统二部分。GIS用于描述农田空间属性的差异性；作物生