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。此外，2.0版的空间分析、地理查询功能更为强大，既可通过链指针或目录检索方式，在地图上分省、县多个层次查询各地的土壤肥力信息，也可通过地点条件选择、逻辑条件查询，进行空间分析和显示。通过地图或直方图等多种方式显示数据，更能直观地揭示数据蕴涵的深层含义，便于进一步进行决策。

2 结果

2.1 系统应用示例

2.1.1检索、查询举例

实例1：如用户需要了解各个地区的肥料使用量状况，只需点击肥料信息主模块下的子模块[施用量]，即可打开2370个县的肥料用量图（图8），如想了解某些县肥料使用的详细情况，可通过在地图上直接点击这些县，或键入这些县的县名调出以图、文、表表达的相关信息。

(图：图8 中国化肥用量现状图)

实例2：推荐施肥。用户需要了解某一地区适合的养分配比和肥料品种、用量，只需点击[土壤肥料专家]主模块下的子模块[推荐施肥]，选择所需了解的县，并且通过交互界面选择作物类型,即获得这一地区不同作物的适合养分配比和肥料用量推荐(图9)。

(图：图9 推荐施肥查询结果)

实例3：其它应用示例

依此方式,用户可根据自己的需求通过菜单调用各个模块。如想了解土壤有效钾素含量水平可调用 [土壤养分状况]，咨询各地适宜的化肥用量和NPK比例可调用[施肥推荐]等功能模块。

2.2 土壤肥力及肥料使用时空变异特征分析示例

中国土壤肥料信息系统由于既具有数据量大、数据层面丰富的空间土壤肥料数据库作为后台数据库，同时又拥有十分强大的空间分析、地理查询以及相关、序列分析、累计、逻辑条件选择等统计功能，因而具强大的分析功能。可通过链指针或目录检索方式，在地图上分省、县多个层次查询各地的土壤肥力信息，也可通过地点条件选择、逻辑条件查询，进行空间分析和显示。通过地图或直方图等多种方式显示数据，能直观地揭示数据蕴涵的深层含义，便于进一步进行决策。

2.2.1 肥料用量的时空变异特征分析

应用中国土壤肥料信息系统对县级肥料使用状况的分析结果表明，近20年来，随全国化肥平均用量的普遍增长，区域间肥料消费量的不平衡扩大，肥料用量悬殊进一步拉大。目前，在我国用量最低的200个县（占全国的近1/10县），每公顷播种面积化肥用量仅为43 kg/ha；而用量最高的200个县已达532 kg/ha。尽管化肥用量较高的地区主要分布于我国生产条件较好的东南部省份，低化肥用量的地区主要分布于西部和北部，但地理分析同时显示，在一些生产条件、产量水平、种植结构相近的地区，化肥用量的贫富悬殊仍然很大。为此，优化NPK养分配比的同时，控制高用量地区化肥用量的盲目增长，适当增加低用量地区的化肥投入量，将是提高产量和作物养分及肥料资源利用率的重要途径。

2.2.2 区域性农田氮磷钾养分平衡特征分析

模型计算和地理分析结果显示，80年代以来，全国大部分区域单位面积耕地的氮、磷养分累计平衡均呈盈余现象。在东南沿海许多地区，农田氮素的剩余累计已经超过2000kg/ha。中部黄淮海主要的农业区氮素剩余平均也已经超过

1500kg/ha，与此同时这一地区在同期内土壤钾素（K2O）的亏缺普遍超过500kg/ha，许多重要的农业大县钾素的亏缺已经超过2000kg/ha（图10）。这种养分资源的不合理配置不仅使化肥利用率下降，还将在这一地区引起作物品质的下降和较为严

重的环境问题。

(图：图10 1980年以来中国县级农田氮素养分平衡等级

图)

2.2.3 种植结构调整对我国化肥用量的影响特征分析

分析结果表明，近20年来，粮食、蔬菜和果树在种植结构中所占的比重高低是影响单位面积耕地化肥用量的关键因素。粮食作物播种面积所占比例越高，单位面积耕地化肥用量越低；蔬菜作物所占比例越高，单位面积耕地化肥用量越高；棉花和油料在种植结构中的比重对单位播面化肥用量影响不大。

2.3 系统实际应用情况

本系统自1999年以来开始推广使用，在农业、化工、环境、经济等领域受到不同层次决策者的欢迎和关注。目前本系统的试用户主要为中央一级农业、石化、农业生产资料主管部门，各省、市农业主管及农业技术推广部门、化肥生产厂家、经销部门及农业科研单位。

根据用户反馈回的信息，中央及地方的农业主管及农业技术推广部门和农业科研单位主要用于了解我国土壤肥力、化肥使用、化肥利用率的动态变化及其对农业、环境和经济的影响，以便进行相关决策。化肥生产厂、农资经销部门主要用来了解各地种植结构、农田养分收支平衡、肥料用量和农田生产力的时空变异特征，进行区域性肥料生产和优化配置，或利用系统提供的施肥推荐、配肥功能模块和专家系统辅助进行施肥推荐，进行化肥特别是专用肥、复混肥的生产规划，市场预测，根据统计，目前本系统已经在我国7个部委、19个省、二十多个科研院所和几十个肥料生产和经销企业得到应用，系统影响的农田面积累计已达808.9万公顷，产生了较大的影响。

3 讨论

将视窗、地理信息系统、数据库、空间分析、空间数据模型、专家模型等高新技术与我国50年以来在土壤肥料方面的研究成果的融合应用，是研制中国土壤肥料信息系统的一大特色，但本项研究的主要创新还不仅于此。与微软的WINDOWS、OFFICE等产品的面世和大量普及，无形中正在改变今天人们的生活、工作方式一样，中国土壤肥料信息系统的研制和在我国农业、化工、环境等部门和企业的普及，也正在深刻影响着我国农化技术服务的方式、方法和理念，这一技术进步对提高我国肥料和养分资源的管理和利用水平，提高我国农业科技水平正在产生深远的影响[3]。

中国土壤肥料信息系统综合利用土壤、肥料、轮作、气象等不同层面的数据，建立了我国目前数据层面最为完整的土壤肥料空间数据库。包括第一次和第二次全国土壤普查的图形、数字和文字资料，全国两次化肥网试验和80年代以来全国各地的肥料试验资料，1980年以来我国省、县两级与土壤肥料相关的数万项统计资料及水资源、气象、种植结构和轮作制度等数据，总数据量达3GB。通过空间分析和空间数据模型技术，实现了不同种类、不同时段、多层面数据的链接，和对其进行综合分析的手段，为系统化、定量化地了解和解决我国土壤和养分资源的配置和优化利用提供了一个范例。

农业生产涉及的因素复杂，用户要求决策支持系统功能多，在系统研制中，以系统功能的模块化程序设计为核心，分层管理的数据模型为基础,通过数据库化的系统程序编制-系统数据库的构建，将程序编制、数据、专家模型及GIS、视窗、用户界面和多媒体等信息技术有序的融合为一体，既保证了系统各种功能的实现，也便于系统的维护和实时更新。

在系统研制中为保证数据交换、数据库扩充、更新、可视化和网络化的需求，在多次试用、修改的基础上，建立了一套包括数据单位、字段命名、数据类型及关系表模式的标准化技术规程，并以此作为土壤肥料数据库和信息系统开发的标准。此标准目前已经在北京、天津、河北、河南、山东、福建、广东、黑龙江、吉林、陕西、山西、云南、宁夏、青海、新疆、甘肃、广西、贵州等20多个省、市、自治区用于我国土壤肥料信息技术的研究和应用，推动了我国各地土壤肥料资源的信息化管理和农业信息网络技术的发展。

4 结论

中国土壤肥料信息系统的建立首次为我国的土壤、肥料资源建立了多层面的、较为详尽的档案，对了解和研究我国农田生产力、化肥利用率和农业生产与环境现状及中长期变化有重要作用。

我国人口密集，资源紧缺，这一技术同时为提高我国肥料和养分资源的管理、利用水平提供了一套适合中国国情的途径和技术。

目前，制约我国农业信息技术发展的关键问题在于用户定位不准与软件水平低。本系统较好的解决了这两个问题，试用版推出后，即受到用户的欢迎，系统的研制、推广为发展适合我国国情的农业信息技术，利用信息技术提高对农业资源的管理利用水平提供了一个较好的模式。

主要参考文献

[1] Zhang W L,. Tian Z X, Zhang N, et al. Nitrate pollution of ground water in North China. Agriculture, Ecosystems & Environment 1996，59: 223~231.

[2] Bach M , Frede H G & Lang G Handbuch N-, P-, K-Bilanzierung Gesell. F. Boden u. Gewaesserschutz, Wetterberg, 1997.

[3] 张维理，梁鸣早. 农业信息技术在我国的发展前景和机遇. 土壤肥料,1998（3）:1~4.

说明

中国土壤肥料信息系统的研制是在农业部植物营养学重点开放实验室完成的。参加项目的研究人员还有张认莲、张祖承、岳现录、雷秋良，刘宏斌、张业利、王红艳、左强、刘海龙、孙欣景、刘维鸽。项目的协作单位有山东省农业科学院土壤肥料研究所、陕西省农业科学院土壤肥料研究所、广西壮族自治区农业科学院土壤肥料研究所、河南省土壤肥料总站、河北省土壤肥料总站。这一科研项目先后被列为农业部重点科研计划、国家高技术研究发展计划（863）项目、国家重点科技攻关项目和中国农业科学院“九五”重点课题，得到了美国IMC Global公司的赞助，加拿大钾磷研究所（PPIC）的支持和上海英塔公司、德国西门子公司SICAD技术部的大力协作。