29精准养分管理-中国土壤肥料信息系统及其在养分资源管理上的应用

精准养分管理中国土壤肥料信息系统及其在养分资源管理上的应用张维理，梁鸣早，卢昌艾，武淑霞，徐爱国，李志宏，龙怀玉（中国农业科学院土壤肥料研究所，北京100081）我国农业和农村经济发展中面临资源和市场的双重压力。

化肥使用不合理造成肥料利用率低，农产品质量低下，土壤退化，环境污染，严重影响了我国农业和农村经济的持续发展，也使加入WTO后我国农产品进入国际市场面临严峻挑战[1]。

导致肥料利用率低的重要原因之一是，我国推广农化技术与农村小农户的生产方式不匹配，很久以来我国在施肥技术的研究和推广中，主要沿袭发达国家的做法，通过到农户地块的测土、配方，进行平衡施肥。

由于我国种植业中小农户经营为主体的格局尚未改变，农民文化水平低、经营规模小，户均耕地仅0.42ha，因而经济实力弱，专业化程度低。

尽管国家和地方在过去进行了很大的努力，实际上仍很难在农村真正推广。

在过去20年中，我国农户间、区域间肥料用量的不平衡在加剧，全国化肥利用率平均仅35%，在集约化农业地区尚不到20%。

为此，探索先进而适合我国国情的施肥技术，是扭转因盲目、不合理施肥造成肥料利用率下降的关键。

本研究的目的是通过建立中国土壤肥料信息系统，为农业技术推广、化肥生产和销售等部门不同层次的决策者提供一个有效工具，以便这些部门能够方便地根据不同地区土壤条件和作物需求，进行区域性肥料和养分资源的合理规划和配置，为不同地区生产、配制或调拨养分比例及数量适合当地土壤条件和作物需求的专用肥、复混肥，便于农民采用，以此提高整个区域内的肥料利用率，缩小区域间肥料用量的贫富悬殊，提高我国肥料和养分资源的管理和利用水平。

1 材料与方法鉴于目前难于在我国农村以农户地块为单元，进行测土、配方和平衡施肥，本研究的总体思路是以提高区域对化肥和养分资源的管理和利用水平作为提高我国肥料利用率的突破口，以我国过去50年来在土壤肥料方面的研究成果为基础，通过地理信息系统和土壤肥料空间数据库的应用，实现不同层面、不同时段、土壤、肥料及其相关数据、模型和研究结果的版块链接和融合运用，为农业、农技推广、化工、农资等部门了解各地养分平衡、土壤肥力及化肥利用率的动态变化，进行区域性养分资源和化肥的合理规划和配置，提供有实用价值的决策支持。

1.1 研究技术方案建立中国土壤肥料信息系统的技术方案为以下6个步骤：1.1.1 根据系统目标进行系统设计系统设计是系统研发的第一步，在认真研究国内外重要的农业专家系统的基础上，大量浏览国内外商务软件、城市地理信息系统及微软的软件产品，吸取和借鉴其设计思路和创意，完成系统设计草案后，广泛征求农业、化工、生资等部门的意见，并根据用户意见，对系统设计进行反复修改，以增强本系统对部门和企业决策者的实用性。

1.1.2 构建土壤肥料空间数据库中国土壤肥料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结果为依据的做法，采用发达国家同类系统的做法，收集、整理、分析、汇总了我国过去50年来在土壤肥料方面的研究成果，包括两次土壤普查、全国两次化肥网和80年代以来全国各地的肥料试验资料，1980年以来我国省、县两级与土壤肥力及土壤养分收支平衡状况有关的数万余项统计数据，如耕地面积、灌溉面积、各种作物的播种面积及产量、肥料的生产量及消费量资料，通过空间数据模型和叠加、复合等空间分析方法，将土壤数据与其他影响土壤肥力最重要因素如气象、植被、地貌、种植结构和轮作制度等数据层面进行了链接，完成了可全面反映我国各地农田土壤肥力和肥效的时空变异特征的中国土壤肥料空间数据的构建，是目前我国数据量最大、数据层面最为完整的土壤肥料信息数据库。

1.1.3 系统开发平台和系统用户支持平台的选择、确定详细考察和测试了国内外11个GIS平台如：ArcView、MapObject、Genamap、MapInfo、Apsis、Citystar、 SICAD、WinGIS 等平台的基础上选择了性能及价格兼顾的SICAD/SD作为系统的开发平台，该平台与数据库采用灵活的链接方式，这一点对农业专家系统尤为重要，因为农业数据类型复杂，很难采用某一种固定的数据模式。

此外，SICAD/SD的空间分析功能强，是具有真正的拓扑关系的GIS平台，可以进行最短路径分析、运算等，与其它常用地理信息系统平台如MapInfo, ArcInfo 也可进行数据转换。

1.1.4 建立专业模型根据系统设计构建专业模型为本项研究的核心。

在认真研究、比较了国内外主要的相关研究工作的基础上，系统采用并设计了以下6类专业模型。

1) 养分平衡模型为进行养分平衡计算，参照了目前国际影响较大的模型如Repro、 Befus[2]，并根据我国的试验结果及实际情况，对模型进行了修订。

本模型涉及土壤、作物、环境等方面的上万项模型参数，为便于模型的不断改进，构建了养分平衡记录单模型参数库。

模型结构为：(图：养分平衡模型结构图)2) 土壤生产力评估模型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做法，而综合利用各类土壤、肥料、作物生产相关数据如轮作、产量、养分平衡、气象、灌溉条件及土壤普查等多层面数据, 通过主成分分析、权重分析、聚类判别、地理统计分析等方法，进行综合评价，从而有利于全面、客观的了解各地农田肥力和生产力状况。

3) 施肥推荐模型采用了目标产量法和分区指标，建立了40多种作物在不同轮作制度、不同区域、不同土壤肥力、不同目标产量下的施肥推荐模型，可对全国任一地区直至县以下的数个亚区的各种农田作物进行区域性或到地块的施肥推荐。

4) 区域性肥料推荐与规划模型土壤养分状况、作物需求、农田养分收支平衡、种植结构调整等因素均为进行区域性肥料推荐与规划的重要依据。

针对系统中主要参数具有很强的地域性特征，采用了区域性参数库，可以方便地仅通过更新参数库，不断增强系统的准确性和适用性。

5) 配肥模型本模型的作用是指导企业根据农田作物养分需求进行配肥，生产复混肥、专用肥。

在配肥模型中，通过多目标优化方法，可根据肥料的理化性状及肥料资源的价格、库存，在满足养分需求、不降低复混肥养分有效性的条件下，使生产成本最低。

6) 预测模型采用非线性拟合、滑动平均和年递增条件指标等不同方法，不仅分析肥料用量随时间序列的变化，还同时考虑到土壤养分状况、作物养分平衡、作物产量水平和布局的变化等等，对区域性的肥料用量进行预测。

为增强决策支持模型的功能和灵活性，各类模型均是通过构件化的设计套装到中国土壤肥料信息系统中。

系统中设计并加载了相关、累计、序列分析、地点条件选择、逻辑条件选择等统计功能，便于用户对土壤肥料时空变异特征进行更深入的分析。

1.1.5 构建具有库结构的程序设计开发文挡-系统数据库的设计由于本系统数据量大，模型种类和模型参数多，系统设计工作量极大，为便于数据库和系统的更新，研究者成功的创建和运用了系统数据库，存放程序，使编制的程序命令模块化、结构化。

系统数据库是根据系统设计将系统中的土壤肥料空间数据库、专家模型、地理模型和用户界面连接在一起的纽带（图1）。

通过系统数据库可方便地对系统中的任一模块进行修改和更新。

(图：图1 系统数据库的设计框架)1.1.6 通过系统数据库进行程序编制系统用户界面的开发则在规划上采用系统工程的原理和方法，使系统具有较高的效率和较强的科学性。

系统软件开发是在Visual Basic上进行的，采用可视化编程的原理和方法、采用较经典的算法来提高系统的运行速度和系统的易扩展性。

编程过程中按照标准规范，为系统的后期维护和扩展打下较好的基础。

为保证本系统数据的不断改进、扩充和更新，系统的数据库字段定名采用了统一的规范，采用的数据及模型均采用通用数据库平台和通用软件完成，对其它平台有较好的兼容性。

系统界面简洁、美观、易用，具有完善的在线帮助，易于操作，既可通过链指针方式，在地图上分省、县多个层次查询各地的土壤肥力信息，也可通过目录检索，寻找需要的信息。

即使不具备很多土壤肥料和计算机知识的用户,也可容易的通过菜单、对话框、提示框进行操作，调用所需的信息，进行决策支持。

1.2 系统主要功能模块根据用户需求，中国土壤肥料信息系统设定了以下6个主模块。

1.2.1 土壤信息用于了解各地农田土壤养分和肥力状况，包括土类的地理分布、土壤的养分状况、耕地的稳产性能、农业生产的自然和社会条件、大部分农作物的产量水平等。

可通过地理检索或目录检索的方式在地图上查询全国任意一个省、县以图、文、表方式表达的土壤肥力及土壤生产力信息(图2)。

(图：图2 土壤信息功能模块)(图：图2-1 土壤信息功能模块)1.2.2 肥料信息用于进行肥料利用状况评估，可了解全国30个省、2370个县化肥生产、施用、各种养分的平衡及肥效现状(图3)。

(图：图3 肥料信息功能模块)(图：图3-1 肥料信息功能模块)1.2.3 肥料变化主要用于了解我国肥料和土壤养分以及与之相关的农业信息中长期变化趋势，包括肥料施用量、肥料生产量、土壤肥力、作物布局、农业生产的自然和社会条件等方面的时空变化趋势(参图4)。

(图：图4 肥料变化功能模块)(图：图4-1 肥料变化功能模块)1.2.4 预测系统提供了四种模型对我国肥料和土壤养分以及与之相关的农业信息进行预测，包括肥料生产与消费、作物生产、农业经济、农业资源以及人口、土地等(图5)。

(图：图5 预测系统功能模块)(图：图5-1 预测系统功能模块)1.2.5 土壤肥料专家包括中国土壤、作物养分、肥料专家、推荐施肥、肥料配方、区域肥料规划等专家系统。

以图文表、多媒体技术提供各地区不同轮作下最佳的养分及肥料品种、用量、施肥期、施肥方法以及土壤肥料专家的决策建议等，可对全国31个省、2300多个县、40余种作物进行氮、磷、钾和中微量元素进行施肥推荐。

由于既可通过用户自定义，也可基于中国土壤肥料信息数据库进行推荐，与国内现有施肥推荐系统相比具有更广的地域适用性(图6)。

(图：图6-1 土壤肥料专家功能模块)1.2.6 农业地图集提供农业相关电子地图集500余幅，如中国植被、中国土壤、土壤养分含量、中国水系、中国农业气候区划、肥料消费量、肥料生产量、主要农作物播种面积和产量等(图7)。

(图：图7-1 农业地图集专家功能模块)1.3 中国土壤肥料信息系统2.0版的研制及其新增功能本着边研制、边应用的原则，中国土壤肥料信息系统的研究始于1997年，于1999年6月完成了决策功能尚不完善的1.0版，并提交用户使用，2001年8月完成2.0版。

2.0版除完成了原系统设计的全部功能外，新增加了区域肥料规划与推荐、最优配肥等方面的决策辅助功能，以及相关、序列分析、累计、逻辑条件选择等统计功能，使用户能够方便地对土壤肥料时空变异特征进行更深入的分析。