县域测土配方施肥专家系统开发与应用研究

李文西 毛伟 陈明 张月平 张炳宁 杭天文 姜义 徐迅燕 褚宏远

摘要    县域测土配方施肥专家系统是基于GIS开发的一款应用软件，该软件可以完成从空间及属性数据的采集、编辑、分析、存贮、统计、输出、InterNet信息发布等一系列功能，实现对一个县辖区内的土壤、土地、农田水利等相关信息的有效管理，并进行测土配方施肥配方设计与方案推荐，为化肥减量增效决策行为提供技术支持。本文以江苏省仪征市为例，介绍了该系统的技术路线、技术流程、主要功能以及在测土配方施肥方面的应用。

关键词    测土配方施肥;地理信息系统;技术路线;江苏仪征

中图分类号    S14-3        文献标识码    A

文章編号   1007-5739（2020）21-0208-05                                                开放科学（资源服务）标识码（OSID）

耕地是农业生产最重要的物质基础，是人们获取粮食及其他农产品不可替代的生产资料，也是无法通过贸易途径获得弥补的战略性资源。近年来，我国由于城镇化水平加快、工业化快速发展、生态退耕等原因，耕地数量不断减少[1-3]。另外，由于大量施用化肥且肥料品种配比不合理，导致肥料利用率低，进一步增加了农业环境污染的风险[4-5]。因此，科学施肥、合理利用耕地资源是当今社会所面临的紧迫课题，也是今后长期存在的艰巨任务。

中华人民共和国成立以来，我国进行了2次大规模的土壤普查，特别是第二次土壤普查对我国耕地土壤的分类、物理化学性质、作物生长的障碍因素等方面进行了全面、详细调查，积累了大量宝贵的资料。2005年，农业部在全国启动了测土配方施肥工作，对已经取得或正在取得的这些大量资料如何管理、如何分析、如何服务于科研、服务于生产、服务于农民，特别是如何将先进的测土配方施肥技术落实到每一个田块、进入到每一个农户，是政府部门、农业技术推广机构、广大农技人员的当务之急和迫切需求。在这样的背景条件下，笔者参与研制开发了以组件式GIS为支撑平台、以一个县为应用对象、以地块为管理单元、以实际生产应用为服务目标，集数据库、专家系统等技术于一体的“县域测土配方施肥专家系统”，并集成了测土配方施肥模块，主要用于测土配方施肥配方设计与方案推荐，指导农民科学施肥。

1    系统设计

1.1    系统目标

县域测土配方施肥专家系统以全国农业技术推广服务中心《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》及《全国测土配方施肥技术规范》为技术依据;以全国耕地地力调查与质量评价项目采用的《县域耕地资源管理信息系统数据字典》为数据标准。系统的数据标准、数据流程、处理模型、分析方法、成果表达、肥料预测方法等均符合全国农业技术推广服务中心的统一要求。软件系统设计为开放式通用系统，程序与数据、模型、知识等完全分离，应用单位可以根据数据规范准备空间数据、属性数据、相关参数、模型等，为当地的农业产业结构调整、资源合理利用、科学施肥等服务，通过功能组合，还可应用于农业生产决策的许多方面。该软件及系统构建方法、数据标准适用于全国范围。

1.2    运行环境

以Microsoft Visual Basic 6.0为开发语言;以组件式GIS产品MapObjects为空间数据显示、编辑、分析工具;以Access MDB数据库和Dbase DBF数据库保存属性及多媒体数据，实现开发语言、数据库、GIS无缝集成。

1.3    数据管理

数据包括空间数据、属性数据及多媒体数据。空间数据采用ArcView的Shape格式，属性数据（指独立的外部数据）采用Access的MDB格式，多媒体数据则分为文本、图像、视频、音频及HTML，支持常见的数据格式。工作空间是数据管理核心，所有空间数据、属性数据均保存在工作空间中[6]。

系统能够识别和导入的空间数据有Shape、Coverage、CAD、GeoDatabase等格式，属性数据有Access的MDB、dBase的DBF等格式，多媒体数据支持常见格式。空间数据的属性表中只保存与空间实体密切相关的实体编码等信息，其他属性数据全部以外部数据表的形式保存，应用时通过关键字实现关联。

系统以图集为单位对工作空间中的数据进行访问应用，分为数据采集、数据管理、数据分析、数据应用4个部分（图1）。

1.4    系统功能

县域测土配方施肥专家系统能够实现各类空间数据、属性数据的采集、管理、输出以及空间分析、查询等基本功能[6]，加载肥料用量预测模型、目标产量预测模型、施肥参数、肥料运筹方案，为不同作物推荐最佳配方施肥方案。

2    应用实例

以江苏省仪征市为例，应用县域测土配方施肥专家系统进行测土配方施肥应用。

2.1    试验区概况

仪征市位于江苏省中西部，长江北岸，地处长江三角洲的顶端，属北亚热带季风气候区，气候温和湿润，四季分明，常年降水量在1 100 mm左右，年平均温度为15.1 ℃，光温水热资源较为充沛。地貌类型有丘陵、岗地和平原，土壤类型主要有石质土、黄棕壤、潮土和水稻土，农业生产以稻、麦为主，是国家级商品粮基地。

2.2    基础数据

2.2.1    空间数据。采集土壤图、行政区划图、土地利用现状图等进行矢量化、标准化（表1）。

2.2.2    属性数据。属性数据以Access的MDB文件存储于系统工作空间中，通过关键字段与空间图件实现关联与调用（表2）。

2.3    施肥指导单元

施肥指导单元由土壤图（土种）、土地利用现状图（农用地地块图）、行政区划图（村）叠加产生，这样生成的每个单元其土壤类型一致（同一土种）、利用方式一致（同一地类）、行政隶属关系一致（同一个村），且为测土配方施肥应用的施肥指导单元。

2.4    耕地适宜性评价

耕地适宜性评价主要是根据所在地特定气候区域及地形地貌、成土母质、土壤理化性状、农田基础设施等要素确定种植作物的高度适宜、适宜、勉强适宜、不适宜区域范围[3]。仪征市水稻种植适宜性评价结果见表3。

2.5    土壤养分状况评价

参照土壤养分丰缺法[7]确定仪征市水稻种植的土壤养分丰缺状况以及结果统计（表4、5）。

2.6    测土配方施肥方案推荐

2.6.1    作物参数。品种为武运粳23;全生育期为158 d;大田生产潜力产量为9 750 kg/hm2;百千克籽粒耗氮（N）量为2 kg。

2.6.2    基础地力产量。仪征市主要土壤类型的水稻基础地力相对产量如表6所示。

2.6.3    肥料运筹方案。仪征市水稻（武运粳23）肥料运筹方案如表7所示。

2.6.4    施肥方案推荐。本施肥方案以“一图一表”的形式表达，“一图”即施肥分区图（即施肥指导单元图），该图由土壤图与行政区划图叠加而成，主要用于确定施肥指导单元所在村及土壤类型;“一表”即施肥方案推荐表，根据施肥指导单元的村名及土壤类型在该表上检索出该单元的施肥方案。为方便应用，“一图一表”以乡为单位提交。仪征市水稻施肥分区图及施肥方案推荐（部分）如表8、图2所示。

3    结论与讨论

本系统采用ESRI公司提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能组件-MapObjects，以Visual Basic为开发平台进行二次集成开发，直接将GIS功能嵌入应用系统中，实现地理信息系统、数据库管理系统和决策支持系统的集成。系统具有GIS通用功能，如数据采集、编辑、管理、图形显示、专题制图、空间分析、信息查询、图件输出等，还具有各种层次的数据统计分析、格式汇总、系列专题评价、各种作物施肥方案咨询、作物营养诊断等专业应用功能。整个系统技术先进、目标明确、系统紧凑、运行速度快，对用户的软件和硬件要求不高，运行成本较低，适合于大范围推广应用。

（1）以《县域耕地资源管理信息系统数据字典》《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》《测土配方施肥技术规范》和《全国测土配方施肥数据规范》为数据标准和技术依据，数据采集、存储、分析以及土壤养分丰缺状况评价、测土配方施肥方案咨询等专业应用适用于全国范围，为全国的工作部署、成果汇总奠定了基础。

（2）本系统采用C/S结构，以工作空间虚拟空间数据库管理本地空间数据、属性数据和多媒体数据，通过网络访问Oracle数据库和GeoDatabase，既实现了本地数据的标准化管理，又可通过网络实现工作空间与省级数据中心的数据交换。因此，本系统既可接入网络作为省级数据中心的客户端，也可离开网络单机运行。

（3）以土地利用现状图、土壤图（土种）、行政区划图（村）叠加所形成的图斑为耕地资源管理单元，这与我国分散经营的农业生产体制比较吻合，为实施精准农业奠定了良好的基础;以土壤图、行政区划图叠加所形成的图斑为施肥指导单元，系统推荐的施肥方案以“一图一表”的形式到达售肥点、农户、田块，保证了测土配方施肥技术大面积全面实施，并真正能够进入到千家万户，落实到每个田块。

（4）本系统中首创的“层次分析—模糊分析—累积曲线”评价模式完全依据耕地自然要素进行评价，最大限度地减少人为因素对评价结果的影响，适用于耕地生产潜力评价（地力评价）、耕地适宜性评价、耕地经济性评价、地价评估等多目的耕地专题评价，其结果在农业产业结构调整、作物布局、肥料规划、土地流转等决策行为中有很高的应用价值，其理论和方法得到越来越多同行的认可和支持[7]。

目前，该软件已经在全国2 400多个县成功应用，在当地农业产业结构调整中发挥了重要作用，以施肥指导单元为基础的测土配方施肥技术，为指导当地平衡施肥、精确施肥发挥了重要的作用。

4    参考文献

[1] 张炳宁.基本农田管理信息系统的建立及其应用[J].土壤学报，1999，36（4）：510-521.

[2] 何亮，李偉峰，田淑芬，等.长江经济带快速城镇化对耕地保护的影响[J].生态学报，2018，38（21）：7782-7789.

[3] 李文西，张月平，毛伟，等.水稻种植适宜性评价及指标选取研究[J].农学学报，2013，3（4）：19-24.

[4] 李仁岗.肥料效应函数[M].北京：农业出版社，1987：88-154.

[5] 吴良泉，武良，崔振岭，等.中国小麦区域氮磷钾肥推荐用量及肥料配方研究[J].中国农业大学学报，2019，24（11）：30-40.

[6] 张月平，张炳宁，田有国，等.县域耕地资源管理信息系统开发与应用[J].土壤通报，2013，44（6）：1309-1314.

[7] 毛伟，李文西，唐宝国，等.县级测土配方施肥指标体系建立研究：以江苏省江都区水稻为例[J].植物营养与肥料学报，2014，20（2）：396-406.

基金项目   国家重点研发计划“化肥减施增效技术信息化服务系统建设研究”（2016YFD0201303）;公益性行业（农业）科研项目（201403014）;农业农村部耕地质量保护项目。

作者简介   李文西（1983—），男，河南南阳人，博士，从事土壤肥料技术信息化应用工作。

收稿日期   2020-06-22