縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

李文西 毛偉 陳明 張月平 張炳寧 杭天文 姜義 徐迅燕 褚宏遠(yuǎn)

摘要? ? 縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)是基于GIS開發(fā)的一款應(yīng)用軟件，該軟件可以完成從空間及屬性數(shù)據(jù)的采集、編輯、分析、存貯、統(tǒng)計、輸出、InterNet信息發(fā)布等一系列功能，實現(xiàn)對一個縣轄區(qū)內(nèi)的土壤、土地、農(nóng)田水利等相關(guān)信息的有效管理，并進(jìn)行測土配方施肥配方設(shè)計與方案推薦，為化肥減量增效決策行為提供技術(shù)支持。本文以江蘇省儀征市為例，介紹了該系統(tǒng)的技術(shù)路線、技術(shù)流程、主要功能以及在測土配方施肥方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞? ? 測土配方施肥;地理信息系統(tǒng);技術(shù)路線;江蘇儀征

中圖分類號? ? S14-3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）21-0208-05? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人們獲取糧食及其他農(nóng)產(chǎn)品不可替代的生產(chǎn)資料，也是無法通過貿(mào)易途徑獲得彌補的戰(zhàn)略性資源。近年來，我國由于城鎮(zhèn)化水平加快、工業(yè)化快速發(fā)展、生態(tài)退耕等原因，耕地數(shù)量不斷減少[1-3]。另外，由于大量施用化肥且肥料品種配比不合理，導(dǎo)致肥料利用率低，進(jìn)一步增加了農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的風(fēng)險[4-5]。因此，科學(xué)施肥、合理利用耕地資源是當(dāng)今社會所面臨的緊迫課題，也是今后長期存在的艱巨任務(wù)。

中華人民共和國成立以來，我國進(jìn)行了2次大規(guī)模的土壤普查，特別是第二次土壤普查對我國耕地土壤的分類、物理化學(xué)性質(zhì)、作物生長的障礙因素等方面進(jìn)行了全面、詳細(xì)調(diào)查，積累了大量寶貴的資料。2005年，農(nóng)業(yè)部在全國啟動了測土配方施肥工作，對已經(jīng)取得或正在取得的這些大量資料如何管理、如何分析、如何服務(wù)于科研、服務(wù)于生產(chǎn)、服務(wù)于農(nóng)民，特別是如何將先進(jìn)的測土配方施肥技術(shù)落實到每一個田塊、進(jìn)入到每一個農(nóng)戶，是政府部門、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣機構(gòu)、廣大農(nóng)技人員的當(dāng)務(wù)之急和迫切需求。在這樣的背景條件下，筆者參與研制開發(fā)了以組件式GIS為支撐平臺、以一個縣為應(yīng)用對象、以地塊為管理單元、以實際生產(chǎn)應(yīng)用為服務(wù)目標(biāo)，集數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)等技術(shù)于一體的“縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)”，并集成了測土配方施肥模塊，主要用于測土配方施肥配方設(shè)計與方案推薦，指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? ? 系統(tǒng)目標(biāo)

縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)以全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》及《全國測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》為技術(shù)依據(jù);以全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價項目采用的《縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典》為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)流程、處理模型、分析方法、成果表達(dá)、肥料預(yù)測方法等均符合全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心的統(tǒng)一要求。軟件系統(tǒng)設(shè)計為開放式通用系統(tǒng)，程序與數(shù)據(jù)、模型、知識等完全分離，應(yīng)用單位可以根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范準(zhǔn)備空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、相關(guān)參數(shù)、模型等，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、資源合理利用、科學(xué)施肥等服務(wù)，通過功能組合，還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的許多方面。該軟件及系統(tǒng)構(gòu)建方法、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)適用于全國范圍。

1.2? ? 運行環(huán)境

以Microsoft Visual Basic 6.0為開發(fā)語言;以組件式GIS產(chǎn)品MapObjects為空間數(shù)據(jù)顯示、編輯、分析工具;以Access MDB數(shù)據(jù)庫和Dbase DBF數(shù)據(jù)庫保存屬性及多媒體數(shù)據(jù)，實現(xiàn)開發(fā)語言、數(shù)據(jù)庫、GIS無縫集成。

1.3? ? 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及多媒體數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)采用ArcView的Shape格式，屬性數(shù)據(jù)（指獨立的外部數(shù)據(jù)）采用Access的MDB格式，多媒體數(shù)據(jù)則分為文本、圖像、視頻、音頻及HTML，支持常見的數(shù)據(jù)格式。工作空間是數(shù)據(jù)管理核心，所有空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)均保存在工作空間中[6]。

系統(tǒng)能夠識別和導(dǎo)入的空間數(shù)據(jù)有Shape、Coverage、CAD、GeoDatabase等格式，屬性數(shù)據(jù)有Access的MDB、dBase的DBF等格式，多媒體數(shù)據(jù)支持常見格式?？臻g數(shù)據(jù)的屬性表中只保存與空間實體密切相關(guān)的實體編碼等信息，其他屬性數(shù)據(jù)全部以外部數(shù)據(jù)表的形式保存，應(yīng)用時通過關(guān)鍵字實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)以圖集為單位對工作空間中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問應(yīng)用，分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用4個部分（圖1）。

1.4? ? 系統(tǒng)功能

縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各類空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的采集、管理、輸出以及空間分析、查詢等基本功能[6]，加載肥料用量預(yù)測模型、目標(biāo)產(chǎn)量預(yù)測模型、施肥參數(shù)、肥料運籌方案，為不同作物推薦最佳配方施肥方案。

2? ? 應(yīng)用實例

以江蘇省儀征市為例，應(yīng)用縣域測土配方施肥專家系統(tǒng)進(jìn)行測土配方施肥應(yīng)用。

2.1? ? 試驗區(qū)概況

儀征市位于江蘇省中西部，長江北岸，地處長江三角洲的頂端，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，四季分明，常年降水量在1 100 mm左右，年平均溫度為15.1 ℃，光溫水熱資源較為充沛。地貌類型有丘陵、崗地和平原，土壤類型主要有石質(zhì)土、黃棕壤、潮土和水稻土，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以稻、麥為主，是國家級商品糧基地。

2.2? ? 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2.1? ? 空間數(shù)據(jù)。采集土壤圖、行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖等進(jìn)行矢量化、標(biāo)準(zhǔn)化（表1）。

2.2.2? ? 屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)以Access的MDB文件存儲于系統(tǒng)工作空間中，通過關(guān)鍵字段與空間圖件實現(xiàn)關(guān)聯(lián)與調(diào)用（表2）。

2.3? ? 施肥指導(dǎo)單元

施肥指導(dǎo)單元由土壤圖（土種）、土地利用現(xiàn)狀圖（農(nóng)用地地塊圖）、行政區(qū)劃圖（村）疊加產(chǎn)生，這樣生成的每個單元其土壤類型一致（同一土種）、利用方式一致（同一地類）、行政隸屬關(guān)系一致（同一個村），且為測土配方施肥應(yīng)用的施肥指導(dǎo)單元。

2.4? ? 耕地適宜性評價

耕地適宜性評價主要是根據(jù)所在地特定氣候區(qū)域及地形地貌、成土母質(zhì)、土壤理化性狀、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施等要素確定種植作物的高度適宜、適宜、勉強適宜、不適宜區(qū)域范圍[3]。儀征市水稻種植適宜性評價結(jié)果見表3。

2.5? ? 土壤養(yǎng)分狀況評價

參照土壤養(yǎng)分豐缺法[7]確定儀征市水稻種植的土壤養(yǎng)分豐缺狀況以及結(jié)果統(tǒng)計（表4、5）。

2.6? ? 測土配方施肥方案推薦

2.6.1? ? 作物參數(shù)。品種為武運粳23;全生育期為158 d;大田生產(chǎn)潛力產(chǎn)量為9 750 kg/hm2;百千克籽粒耗氮（N）量為2 kg。

2.6.2? ? 基礎(chǔ)地力產(chǎn)量。儀征市主要土壤類型的水稻基礎(chǔ)地力相對產(chǎn)量如表6所示。

2.6.3? ? 肥料運籌方案。儀征市水稻（武運粳23）肥料運籌方案如表7所示。

2.6.4? ? 施肥方案推薦。本施肥方案以“一圖一表”的形式表達(dá)，“一圖”即施肥分區(qū)圖（即施肥指導(dǎo)單元圖），該圖由土壤圖與行政區(qū)劃圖疊加而成，主要用于確定施肥指導(dǎo)單元所在村及土壤類型;“一表”即施肥方案推薦表，根據(jù)施肥指導(dǎo)單元的村名及土壤類型在該表上檢索出該單元的施肥方案。為方便應(yīng)用，“一圖一表”以鄉(xiāng)為單位提交。儀征市水稻施肥分區(qū)圖及施肥方案推薦（部分）如表8、圖2所示。

3? ? 結(jié)論與討論

本系統(tǒng)采用ESRI公司提供的建立在OCX技術(shù)基礎(chǔ)上的GIS功能組件-MapObjects，以Visual Basic為開發(fā)平臺進(jìn)行二次集成開發(fā)，直接將GIS功能嵌入應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)的集成。系統(tǒng)具有GIS通用功能，如數(shù)據(jù)采集、編輯、管理、圖形顯示、專題制圖、空間分析、信息查詢、圖件輸出等，還具有各種層次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、格式匯總、系列專題評價、各種作物施肥方案咨詢、作物營養(yǎng)診斷等專業(yè)應(yīng)用功能。整個系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、目標(biāo)明確、系統(tǒng)緊湊、運行速度快，對用戶的軟件和硬件要求不高，運行成本較低，適合于大范圍推廣應(yīng)用。

（1）以《縣域耕地資源管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典》《全國耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》《測土配方施肥技術(shù)規(guī)范》和《全國測土配方施肥數(shù)據(jù)規(guī)范》為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)依據(jù)，數(shù)據(jù)采集、存儲、分析以及土壤養(yǎng)分豐缺狀況評價、測土配方施肥方案咨詢等專業(yè)應(yīng)用適用于全國范圍，為全國的工作部署、成果匯總奠定了基礎(chǔ)。

（2）本系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，以工作空間虛擬空間數(shù)據(jù)庫管理本地空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)訪問Oracle數(shù)據(jù)庫和GeoDatabase，既實現(xiàn)了本地數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，又可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工作空間與省級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換。因此，本系統(tǒng)既可接入網(wǎng)絡(luò)作為省級數(shù)據(jù)中心的客戶端，也可離開網(wǎng)絡(luò)單機運行。

（3）以土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖（土種）、行政區(qū)劃圖（村）疊加所形成的圖斑為耕地資源管理單元，這與我國分散經(jīng)營的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體制比較吻合，為實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ);以土壤圖、行政區(qū)劃圖疊加所形成的圖斑為施肥指導(dǎo)單元，系統(tǒng)推薦的施肥方案以“一圖一表”的形式到達(dá)售肥點、農(nóng)戶、田塊，保證了測土配方施肥技術(shù)大面積全面實施，并真正能夠進(jìn)入到千家萬戶，落實到每個田塊。

（4）本系統(tǒng)中首創(chuàng)的“層次分析—模糊分析—累積曲線”評價模式完全依據(jù)耕地自然要素進(jìn)行評價，最大限度地減少人為因素對評價結(jié)果的影響，適用于耕地生產(chǎn)潛力評價（地力評價）、耕地適宜性評價、耕地經(jīng)濟性評價、地價評估等多目的耕地專題評價，其結(jié)果在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、作物布局、肥料規(guī)劃、土地流轉(zhuǎn)等決策行為中有很高的應(yīng)用價值，其理論和方法得到越來越多同行的認(rèn)可和支持[7]。

目前，該軟件已經(jīng)在全國2 400多個縣成功應(yīng)用，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮了重要作用，以施肥指導(dǎo)單元為基礎(chǔ)的測土配方施肥技術(shù)，為指導(dǎo)當(dāng)?shù)仄胶馐┓?、精確施肥發(fā)揮了重要的作用。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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基金項目? ?國家重點研發(fā)計劃“化肥減施增效技術(shù)信息化服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)研究”（2016YFD0201303）;公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研項目（201403014）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量保護項目。

作者簡介? ?李文西（1983—），男，河南南陽人，博士，從事土壤肥料技術(shù)信息化應(yīng)用工作。

收稿日期? ?2020-06-22