基于GIS和豐缺指標法的區(qū)域施肥管理體系的構建

高宏艷，索全義，鄭海春，郜翻身

（1 內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內蒙古呼和浩特 010018；2 內蒙古自治區(qū)土壤肥料和節(jié)水農業(yè)工作站，內蒙古呼和浩特 010010；3 內蒙古自治區(qū)農牧業(yè)科學院，內蒙古呼和浩特 010037）

構建區(qū)域施肥管理體系是根據(jù)不同地域土壤養(yǎng)分狀況進行精確施肥管理的重要途徑。根據(jù)土壤養(yǎng)分管理分區(qū)的情況，科學合理地確定肥料的投入量，不僅可以有效地提高肥料的利用率，促進土壤生產潛力的發(fā)揮，而且還能夠提高作物產量和改善作物品質[1-4]。近年來，國內外學者針對不同研究區(qū)域進行了大量的分區(qū)施肥管理研究，在土壤養(yǎng)分管理分區(qū)時，采用的方法和分區(qū)標準各有不同，未形成統(tǒng)一的方法。以中小尺度為研究對象時，通常采用模糊c-均值聚類法、K均值聚類法等定量分析法[5-6]，而針對大尺度的施肥區(qū)劃多數(shù)是基于定性分析[7-8]，綜合考慮土壤、氣候等環(huán)境因素，并參考生態(tài)分區(qū)或種植業(yè)分區(qū)等區(qū)劃類型，而缺乏定量分析的理論支撐。研究表明，土壤養(yǎng)分管理分區(qū)可以有效區(qū)分土壤養(yǎng)分的空間變異性，可以將不同管理分區(qū)土壤養(yǎng)分的均值作為變量施肥的依據(jù)[9-10]。土壤養(yǎng)分豐缺指標法是區(qū)域養(yǎng)分分級和分區(qū)的經典方法，適合應用于有大量田間試驗數(shù)據(jù)和土壤測試數(shù)據(jù)支撐的區(qū)域。根據(jù)不同作物、不同土壤養(yǎng)分條件確定最佳肥料用量的方法也多種多樣，大致可以分為基于土壤養(yǎng)分的推薦施肥方法和基于作物的推薦施肥方法兩大類[11]。最經典的肥料推薦方法主要是肥料效應函數(shù)法和目標產量法，而肥料效應函數(shù)法又是平衡施肥中廣泛應用的一種方法，也是養(yǎng)分管理中確定推薦施肥量的常用方法[12-13]。

內蒙古西遼河平原土壤肥沃，耕地面積廣，種植的主要糧食作物是玉米，素有“北方糧倉”之稱[14]，對該區(qū)域土壤養(yǎng)分進行分區(qū)管理是玉米科學施肥的基礎，也是摸清區(qū)域土壤養(yǎng)分特征的重要手段，對于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義[15]。但是，由于西遼河平原耕地面積大且地塊分散，不能實現(xiàn)每個地塊土壤養(yǎng)分的測試。土壤養(yǎng)分在空間分布上表現(xiàn)出一定的空間異質性，而傳統(tǒng)的區(qū)域推薦施肥方法不能滿足空間數(shù)據(jù)分析的需要，存在一定的局限性，且缺少空間上的直觀展示效果?；谶@個原因，將GIS方法與土壤養(yǎng)分豐缺指標法、肥料效應函數(shù)法等經典方法結合起來，劃分土壤養(yǎng)分的分級和制定準確的施肥方案。本研究借助地統(tǒng)計學和GIS手段，將分散的土壤點狀養(yǎng)分測試結果，賦值到面域，依托土壤養(yǎng)分的大數(shù)據(jù)基礎，對土壤養(yǎng)分進行分區(qū)管理，并以大量的玉米“3414”肥料試驗為基礎，采用土壤養(yǎng)分豐缺指標法結合GIS方法，構建了不同土壤養(yǎng)分分區(qū)的玉米施肥體系，旨在探索科學的區(qū)域施肥推薦方法和先進的養(yǎng)分管理技術，為農業(yè)生產和科學施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

研究中數(shù)據(jù)為內蒙古西遼河平原2009年15421個土壤樣品的堿解氮、有效磷、速效鉀測試數(shù)據(jù)和143個玉米“3414”試驗數(shù)據(jù)，分布于開魯縣 (Kailu Country，KL)、科爾沁區(qū) (Horqin District，HQ)、科爾沁左翼后旗 (簡稱科左后旗，Horqin Left Back Banner，HLB)、科爾沁左翼中旗 (簡稱科左中旗，Horqin Left Middle Banner，HLM)、奈曼旗 (Naiman Banner，NM)。以上數(shù)據(jù)均來自農業(yè)農村部測土配方施肥項目 (土壤采樣點分布見圖1)，“3414”試驗點分布見圖2。

圖1 土壤采樣點分布圖Fig. 1 Distribution map of soil sampling points

圖2 試驗點分布圖Fig. 2 Distribution map of test points

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

1.2.1 經濟最佳施肥量和最高產量施肥量的計算方法用Excel軟件作回歸分析，分別模擬143個玉米“3414”試驗的氮、磷、鉀肥料用量 (純量) 和相應處理玉米產量的一元二次效應函數(shù)。將符合肥料報酬遞減律和一元二次函數(shù)曲線特點的方程，進行邊際效應分析，采用微分求導法[16]計算經濟最佳施肥量和最高產量施肥量。

1.2.2 相對產量計算方法 相對產量是指在不施某種肥料時，作物單位面積的籽粒產量與施用所有肥料時單位面積產量的比值，常用百分數(shù)來表示。研究中采用3種不同的方法計算相對產量，通過對比得出最優(yōu)相對產量。相對產量1 (RY1) 是肥料效應函數(shù)中無肥區(qū)產量與最經濟產量的比值；相對產量2(RY2) 是肥料效應函數(shù)中無肥區(qū)產量與最高產量的比值；相對產量3 (RY3) 是無肥區(qū)產量與N2P2K2處理區(qū)產量的比值。

1.2.3 土壤養(yǎng)分空間插值方法 采用普通克里格插值法 (Ordinary Kriging)[17]對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量進行空間插值，該方法是以變異函數(shù)理論和結構分析為基礎，通過對已知樣本點賦權重來求得未知樣本點 (區(qū)域) 的值，其計算公式為：Z(χ0)=n∑i=1 λiZ(χi)，式中，Z(χ0) 是未知樣點χ0處的估計值，Z(χi) 是已知采樣點 χi處的實測值，λi為第 i個已知采樣點對未知樣點的影響權重系數(shù)，n為搜索半徑內已知采樣點的個數(shù)。

1.3 軟件平臺

應用SPSS軟件和Excel軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和散點圖的制作。應用ArcMap 10.5軟件進行GIS圖件制作。

2 結果與分析

2.1 確定經濟最佳施肥量和最高產量施肥量

通過玉米“3414”試驗點數(shù)據(jù)，計算經濟最佳施肥量和最高產量施肥量，用于對比不同方法計算相對產量的差異以及為推薦區(qū)域施肥量提供點狀數(shù)據(jù)。按照等距離法將經濟最佳施肥量和最高產量施肥量分別劃分為5個等級區(qū)間，統(tǒng)計不同等級區(qū)間分布的試驗數(shù)量占比 (表1)。

由表1可知，西遼河平原玉米的經濟最佳施N、P2O5、K2O量和最高產量施N、P2O5、K2O量均存在較大變幅，在不同的施肥量等級區(qū)間均有分布且分布不均，因此，需要對西遼河平原地區(qū)進行分區(qū)施肥管理。

表1 不同產量目標施肥量等級的試驗數(shù)量占比Table 1 Proportion of test number at different levels of fertilizer

2.2 建立土壤有效養(yǎng)分的豐缺指標

2.2.1 劃分相對產量等級 以往內蒙古劃分土壤養(yǎng)分豐缺指標，將相對產量取值65%定為低級，相對產量取值90%定為高級[18]。經過計算統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)相對產量小于70%和大于90%時，所對應的土壤養(yǎng)分含量在實際中分布很少，沒有實際劃分意義。因此，我們將西遼河平原土壤有效養(yǎng)分的豐缺指標調整為相對產量85%和75%。

2.2.2 土壤堿解氮、有效磷、速效鉀豐缺指標 分別模擬3種不同方法確定的相對產量與各試驗點的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量的對數(shù)函數(shù)關系。

選擇F值和R2較大的函數(shù)關系式用于計算各養(yǎng)分的豐缺指標。將75%、85%分別代入相對產量和土壤養(yǎng)分的函數(shù)關系式中，即得到了土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標 (表2)。由表2可知，堿解氮 ≤ 69.5 mg/kg為低級，69.5～107.9 mg/kg為中級，＞107.9 mg/kg為高級。有效磷 ≤ 4.18 mg/kg為低級，4.18～10.40 mg/kg為中級，＞10.40 mg/kg為高級。速效鉀 ≤ 90.3 mg/kg為低級，90.3～152.5 mg/kg為中級，＞152.5 mg/kg為高級。

表2 不同相對產量劃分的土壤養(yǎng)分豐缺指標Table 2 Soil nutrient abundance index of different relative yields

2.3 建立經濟最佳施肥量與土壤有效養(yǎng)分含量的施肥模型

各試驗點經濟最佳肥料用量與土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量存在對數(shù)函數(shù)關系 (圖3)。

將土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標所對應的土測值分別代入到圖3 N、P2O5、K2O最佳施肥量的施肥模型中，可以得到相應的N、P2O5、K2O的經濟最佳肥料用量，根據(jù)內蒙古西遼河平原土壤養(yǎng)分的極大值和極小值確定經濟合理施肥的區(qū)間取值范圍 (表3)。

表3 不同豐缺指標下玉米最佳N、P2O5、K2O肥料用量Table 3 Maize optimal fertilizer use under different ranges of soil nutrient content

圖3 玉米最佳氮磷鉀肥經濟施用量與土壤養(yǎng)分含量的函數(shù)關系圖Fig. 3 The function relationship between optimal nutrient rate and soil available nutrient content

2.4 構建區(qū)域施肥管理體系

將西遼河平原15421個土壤樣品的堿解氮、有效磷、速效鉀測試值進行空間插值。按照土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺指標，對西遼河平原耕地土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀含量水平進行高、中、低等級的賦值。將耕地圖與行政區(qū)劃圖疊加，形成耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量水平分布圖，并在Arcgis10.5軟件中進行疊加處理，形成堿解氮、有效磷、速效鉀的豐缺水平組合圖。根據(jù)西遼河平原土壤氮磷鉀養(yǎng)分豐缺水平組合分布圖，將每個管理單元的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量代入土壤測試值與最佳施肥量的函數(shù)關系式，得到每個管理單元玉米的最佳N、P2O5、K2O肥料用量。統(tǒng)計分析內蒙古西遼河平原每種土壤氮磷鉀養(yǎng)分豐缺水平組合的平均N、P2O5、K2O肥料用量，將平均值作為該組合的N、P2O5、K2O肥料用量，并用不同的顏色顯示，生成了西遼河平原不同土壤養(yǎng)分分區(qū)玉米的N、P2O5、K2O最佳肥料用量圖(圖4)。

從圖4可以看出，西遼河平原耕地土壤養(yǎng)分狀況以低氮-中磷-中鉀的面積占比最高，為42.4%，即土壤堿解氮含量 ≤ 69.5 mg/kg、有效磷4.18～10.4 mg/kg、速效鉀90.3～152.5 mg/kg；其次是中氮-中磷-中鉀組合、中氮-中磷-高鉀組合、低氮-低磷-低鉀組合，耕地面積占比分別為14.1%、13.5%、10.2%，以上4種組合的面積占比之和為80.2%，其他14種組合的面積占比只有19.8%，說明內蒙古西遼河平原耕地的整體養(yǎng)分狀況以這4種組合方式為主，且耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量空間分布不均勻，需要根據(jù)耕地土壤的不同養(yǎng)分狀況進行合理的推薦施肥。由圖4可知，該4種土壤養(yǎng)分組合模式下，種植玉米所需的最佳N、P2O5、K2O用量 (kg/hm2) 組合分別為202-110-58、168-107-57、164-102-47、218-130-68。

圖4 西遼河平原土壤養(yǎng)分分區(qū)及氮磷鉀肥料最佳用量Fig. 4 Soil nutrient zoning and the optimal fertilizer rate in Xiliao River Plain

3 討論

采用科學的方法對土壤養(yǎng)分進行分區(qū)是養(yǎng)分管理最重要的一個環(huán)節(jié)。向德明等[19]采用GPS和模糊C-均值聚類相結合的方法，將湘西植煙區(qū)劃分為3個土壤養(yǎng)分管理區(qū)。張云貴等[20]將土壤無機氮、有效磷、速效鉀作為數(shù)據(jù)源，運用聚類分析的方法對研究地塊進行了養(yǎng)分管理分區(qū)。近年來，我國學者也有針對灌區(qū)農作物使用豐缺指標法進行推薦施肥的研究[21-23]。付瑩瑩等[24]、劉芬等[25]采用豐缺指標法和肥料效應函數(shù)法建立了關中灌區(qū)夏玉米、冬小麥的豐缺指標體系，并確定了不同肥力水平下的平均推薦施肥量。土壤養(yǎng)分豐缺指標法是國際上最通用的測土配方施肥方法[26-27]，也是中國進行測土配方施肥工作所形成的較為成熟的方法之一。本研究中將傳統(tǒng)方法與GIS方法相結合，從空間上全方位的將耕地土壤堿解氮、有效磷、速效鉀的養(yǎng)分進行了區(qū)域劃分，并根據(jù)養(yǎng)分的空間分布狀況確定了氮、磷、鉀肥料的用量，具有較好的空間展示效果，實現(xiàn)了土壤養(yǎng)分和推薦施肥的區(qū)域化管理。

在土壤養(yǎng)分豐缺指標的相關研究中，學者們確定豐缺指標分級時采用的分級標準并不統(tǒng)一。在測土配方施肥技術要覽中，相對產量小于50%時所對應的養(yǎng)分含量為極低，50%～75%為低，75%～90%為中等，90%～95%為高，大于95%為極高，推薦使用該分級標準進行分級[28]。由于研究區(qū)域土壤養(yǎng)分含量水平不同，在劃分豐缺指標時會出現(xiàn)缺少極低或極高等級的情況，學者對分級標準 (臨界值)做了不同程度的調整。陳新平等[29]以相對產量50%、75%和95%作為劃分土壤養(yǎng)分的豐缺標準，將我國農田的大量元素養(yǎng)分劃分為極低、低、中、高4個等級。黃億等[30]在構建川中丘陵區(qū)油菜施肥指標體系時，以相對產量75%、80%、85%、90%為標準，將土壤有效磷的豐缺程度劃分為低、較低、中、較高、高5個等級。戢林等[31]以水稻相對產量75%、80%、85%、90%和95%為標準，將川中丘陵區(qū)土壤有效養(yǎng)分劃分為低、較低、中、較高和高5個等級。本研究依據(jù)第二次土壤普查的標準初步判斷西遼河平原灌區(qū)耕地土壤養(yǎng)分的水平屬于中氮中磷中鉀，缺少較低和較高含量水平的類型。經統(tǒng)計，在西遼河平原的143個試驗點中，與相對產量小于70%和大于90%相對應的土壤養(yǎng)分在實際中的分布很少，因此，把相對產量的分級標準定為75%、85%，將土壤養(yǎng)分豐缺指標劃分為低、中、高三級。由于不能充分覆蓋土壤養(yǎng)分肥力的分布區(qū)間范圍，這可能是因為西遼河平原常年大量施用化學肥料，致使耕地土壤養(yǎng)分肥力水平有所提高，玉米的相對產量也有所提高。但是化學肥料的長期施用破壞了土壤結構，使得土壤養(yǎng)分沒有出現(xiàn)極高的含量，因此，大于90%的作物相對產量也極少。這個分級標準與其他學者的標準不同，經過驗證表明該分級標準適合西遼河平原的土壤養(yǎng)分分級。

學者們通過相對產量分級建立了不同作物的土壤養(yǎng)分豐缺指標，但是在計算相對產量時采用的方法也不同。大部分學者用無肥區(qū)產量與全肥區(qū)產量的比值來計算相對產量[30,32]。也有學者用“3414”試驗中無肥區(qū)產量與4個處理中最高產量的比值來計算相對產量[33]。本研究中在劃分土壤養(yǎng)分豐缺指標時，采用3種不同的方法計算了相對產量，不同方法得到的相對產量與土壤養(yǎng)分的函數(shù)模型的模擬效果不同，氮肥、磷肥、鉀肥的相對產量分別以RY3、RY2、RY1的擬合效果最優(yōu)。由于研究對象的不同，試驗設計的不同，沒有形成統(tǒng)一的相對產量的計算方法。因此，需要根據(jù)不同研究對象的特點來確定適宜的計算方法。豐缺指標的高中低分級標準也不統(tǒng)一，應該根據(jù)研究區(qū)域土壤養(yǎng)分的高低和具體的分布特征，來確定合理的分級標準。

4 結論

在西遼河平原，以75%和85%的相對產量作為劃分土壤有效氮磷鉀高中低豐缺指標的臨界值更為合理。按照此標準，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀最主要的組合方式為低氮-中磷-中鉀、中氮-中磷-中鉀、中氮-中磷-高鉀組合，面積占比分別為42.4%、14.1%、13.5%，對應的玉米所需的最佳N、P2O5、K2O用量 (kg/hm2) 組合分別為202-110-58、168-107-57、164-102-47。