標題土壤養分速測施肥指導系統研究報告

一、項目研究開發的目的、范圍和意義
土壤是農作物生長發育的場所，土壤肥力的高低是農作物實現高產優質的基礎，測定土壤養分進行土壤營養珍斷，提出合適的施肥方案是實現作物優化施肥，減少施肥的盲目性、提高產量、改善品質和保護環境的重要手段。
作物施肥專家系統是今后科學施肥的方向，也是信息技術發展的必然，它的基本特點是：利用土壤學、肥料學、作物學和氣象學等不同學科的知識，以計算機為手段，根據不同作物生長發育對不同土壤、不同肥料的肥效反應，結合專家們的經驗提出不同土壤、不同作物、不同產量水平的施肥方案。
本項目研究開發的目的在于：通過智能化農業信息技術把作物施肥理論與技術成果進行科學組裝和集成，把專家的知識、成熟的農業科研成果、量化的施肥模式等有機的結合起來，為生產者提供一套較為科學的、規范的、實用的施肥系統，實現對作物施肥的科學指導和宏觀監測，提高作物施肥效率、節本增效，增加農民收入，加速實現土壤養分的測定與施肥決策。
本項目是在利用自制的土壤養分快速測定儀進行養分速測的基礎上，進行小麥、玉米、水稻、棉花、煙草和油菜6種作物的施肥指導系統開發。
二、項目研究開發原理、方法和技術路線
1.土壤施肥的基本原理、方法與評價
    施肥的基本原理是基于李比希提出的“養分歸還學說”、“最小養分律”以及經濟學家杜爾哥提出的“報酬遞減律”，在這些理論指導下，我國的土壤肥料科技工作者，探索出了一系列很多適合不同類型區的作物高產、優質、高效的施肥方法，這些方法都取得了顯著的增產效應，下面簡要介紹生產上應用最廣、效果最好的方法。
（1）平衡施肥法：該方法的基本點是：根據計劃產量需肥量減去土壤供肥量之差，通過施肥得以補充，這就要求了解計劃產量需肥量等幾個參數，就計劃產量而言，以當地前三年的作物平均產量為基礎，再增加15% -20%作為當年的計劃產量或叫目標產量，然后利用養分系數計算出實現該計劃產量所需要的養分總量；用土壤養分測定值乘以換算系數（0.15），再乘以土壤養分校正系數，得出土壤養分供應總量，用目標產量所需養分總量減去土壤養分供應總量，得到應向土壤施加的養分總量，根據肥料種類、品種、養分含量以及相關條件的肥料利用率，最后計算出應施用的化肥用量，其公式為：
       作物單位產量某養分吸收量（kg/畝）×計劃產量-土壤某養分測定值×0.15×校正系數
肥料施用量=－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
（kg/畝）           肥料中某養分含量×肥料當季利用率（%）
該方法的數據來自田間試驗和多年的試驗結果，具有一定的可靠性和準確性，較為省事。但是土壤是一個大的緩沖庫，不同土壤中化肥利用效率的可變性很大；另外，確定計劃產量時，如前三年有自然災害發生，則目標產量確定遇到麻煩，同時，在測定土壤養分總量時土測值的準確性也至關重要，應用時要盡可能測定準確。
（2）相對產量指標法：這種方法的原理是按不施某種養分的產量與施完全養分的產量之比而劃分土壤肥力高低的辦法，利用田間試驗，一方面測定土壤養分，另一方面計算產量，最后按不同的相對產量劃分高、中、低、極低標準，而對應的土壤養分測定值為土壤肥力指標，然后再作施肥量試驗，即可得出不同產量水平的施肥量，這樣可以制成不同作物的土壤養分豐缺指標及應施肥料數量的檢索表。當取得某一土壤養分測定值后，對照檢索表即可了解到土壤中該養分的豐缺情況以及應施肥料數量的大致范圍。
該方法應建立在田間試驗和土壤養分測定基礎之上，具有宏觀指導意義，所以應用時要多考慮當地的施肥經驗。
（3）肥料效應函數法：是以田間試驗為基礎，采用回歸設計將不同處理得到的產量和相應的施肥量進行數理統計，求得在供試條件下產量與施肥量之間的數量關系，即肥料效應函數，然后，利用邊際分析原理，計算出最高產量施肥量、經濟最適施肥量和最大利潤率施肥量等。
該方法是建立在一定的試驗基礎之上，具有客觀反映施肥效應和及時反饋信息的優點。但是其施肥參數的確定需要大量的人力和物力進行試驗測定，并且建立的效應函數具有嚴格的地域性，一般不易掌握。
本系統的研究是利用上述（1）和（2）的施肥方法綜合考慮而形成的。
2.作物測土施肥指導系統的技術路線
根據現有的施肥技術，在充分發揮各種施肥技術優點的基礎上，從實用和簡捷入手，達到直觀實用的目的。
具體的技術路線是：在土壤養分快速測定儀器推廣的基礎上，以營養平衡、因子綜合作用理論為指導，以不同作物的營養特性、土壤與環境條件的不同作用為依據，采用以產定氮、測土配置磷鉀的施肥方法，把土壤肥力劃分為5個等級，并根據生產實際建立知識庫與數據庫，確定知識規則與推理機制，組裝優質高效小麥、棉花等6種作物的經濟高效施肥系統，通過生產試驗示范、檢驗與修正，完成了軟件運行的優化環境，最終完成小麥、棉花等6種作物智能化快速測土施肥支持系統。
三、知識庫的建立
知識庫的建立是本研究的關鍵所在，對此進行了較為廣泛的數據收集和整理工作。
第一，以土壤和植物營養學知識為基礎，結合作物栽培與耕作學知識，以《中國土壤肥力》（沈善敏，1998）、《農作物配方施肥》（慕成功，鄭義，1995）及《作物栽培學》（北方本）等書本知識為理論依據，通過查閱有關作物與施肥關系等大量的文獻，確定了小麥、棉花、玉米、水稻、油菜和煙草等6大作物最適宜的土壤持性；
第二，結合河南省農作物生產實際和專家意見，通過對專家的咨詢和相關農作物配方施肥資料，把作物產量和土壤養分劃分成5個等級；
第三，在對土壤肥料專家和農學專家進一步咨詢的基礎上，對數據進行新的歸類和整理，初步擬定了6大作物在河南省適宜土壤質地上的知識庫；
第四，邀請土壤學和作物栽培學相關專家對初擬知識庫進行修定和完善；
第五，對知識庫的相關內容進行規則組合，同時，組織計算機技術人員進行計算機程序的編寫，并對偏粘或偏砂土壤的情況在編程時做適當的數量增減處理。6種作物土壤施肥指導系統知識庫的建立過程與具體內容分述如下：
1.小麥施肥指導系統的建立
小麥是我國第二大糧食作物，同時又是河南省第一大糧食作物，實現小麥生產的優化施肥，對實現小麥優質高產高效益持續性發展具有重要意義。根據小麥生長發育與需肥規律，通過對河南省小麥生產實踐的調查，把河南省小麥生產劃分成了550-600kg/畝的超高產水平、450-550kg/畝的高產水平、350-450kg/畝的中等水平（一般水平）、250-350kg/畝的中低產水平和低于250kg/畝的低產水平5個生產水平及對應的養分指標。在此基礎上，先后與國家小麥工程技術研究中心的專家及科研人員座談和查閱相關文獻，整理并組合了小麥施肥指導系統知識庫和知識規則（如表1）
表1 小麥田土壤施肥系統知識表
土 壤 養 分 測 定 值目標產量
（kg/畝）施 肥 決 策
（kg/畝）
有機質
（g/kg）全N（g/kg）堿解氮
（mg/kg）有效磷（P2O5）（mg/kg）速效鉀（K2O）（mg/kg）NP2O5K2O
>1.5
1.2-1.5
1.0-1.2
0.6-1.0
<0.6>0.12
0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
<0.06>80
70-80
60-70
40-60
<40>40
30-40
20-30
10-20
<10>120
100-120
90-100
<90
<90550-600
450-550
350-450
250-350
<25013-15
11-13
8-11
8
87.5
6-7
6
8
76-8
6
5
0
0
注:施氮量與產量目標相對應.
2．水稻施肥指導系統的建立
水稻是我省重要的糧食作物之一，主要分布于沿黃地區和信陽地區，常播種面積800萬畝左右，建立水稻施肥指導系統不僅可以對河南省水稻生產發揮直接的指導作用，同時對周邊省市的水稻生產也具有一定的輻射作用。為建立水稻生產施肥指導系統，參照了南京農業大學凌啟宏教授“關于江蘇省不同土壤質地超高產水稻施肥技術”的研究報告，在結合河南省水稻專家的生產經驗，綜合南北方生態、生產水平的差異性，總結建立了河南省水稻施肥指導系統的知識庫（表2）。
 
表2 水稻田土壤施肥系統的知識表
土 壤 養 分 測 定 值 分 級目標產量
（kg/畝）施肥決策
（kg/畝） 
有機質
（g/kg）全N
（g/kg）堿解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效鉀（K2O）（mg/kg）NP2O5K2O
>2.0
1.8-2.0
1.5-1.8
1.0-1.5
<1.0>0.12
0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
<0.06>80
70-80
60-70
50-60
<50>30
20-30
15-20
10-15
<10>120
100-120
80-100
60-80
<60650-750
550-650
450-550
350-450
250-350
18-20
15-18
12-15
9-12
98-9
7-8
8
8-10
106-7
5-6
5
0
0
3．玉米施肥指導系統的建立
玉米是需肥水較多的C4作物，在一定肥力基礎上，其產量水平的提高主要取決于追肥水平的高低，結合河南省玉米超高產攻關的研究資料和河南省玉米栽培專家們的意見，把玉米產量分為了5個水平級，即750-900 kg/畝的超高產水平、600-750kg/畝的高產水平、500-600kg/畝的中高產水平、400-500kg/畝的大田常規水平和300-400kg/畝的中低產水平，同時把要實現這些產量目標的土壤基礎肥力及對應的追肥用量組建成了玉米施肥指導系統知識表（表3）。
 
表3 玉米田施肥決策系統的知識表
土 壤 養 分 測 定 值目標產量
（kg/畝）施肥決策（kg/畝）
有機質
（g/kg）全N
（g/kg）堿解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效鉀（K2O）
（mg/kg）NP2O5K2O
>1.5
1.0-1.5
0.8-1.0
0.6-0.8
<0.6>0.12
0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
<0.06>80
70-80
60-70
50-60
<50>30
20-30
15-20
10-15
<10>120
100-120
90-100
<90
<90750-900
600-750
500-600
400-500
300-40018-23
16-18
14-16
12-14
128-10
7-8
7
8
108
6
5
0
0
注：如果玉米與小麥為接茬復種，則要求磷肥和鉀肥應以麥田底施為主。
 
4.棉花施肥指導系統的建立
河南省棉花生產在黃淮棉花產區占有重要地位，但是如何合理施肥，減少蕾鈴脫落，提高棉花產量和質量是實現河南省棉花生產持續發展的重要因素。在參閱中國農科院棉花研究所關于棉花生產與施肥技術等相關資料（黃淮�；蚝幽鲜≡囼灢牧希┑幕�礎上，參照河南省棉花科技人員的生產實踐，對土壤肥力、棉花產量及相應施肥量指標進行了多次訂證，最后組建了5個產量水平級及相應地力和施肥用量的知識庫（表4）。
 
 
表4 棉花田土壤施肥系統的知識表
土 壤 養 分 測 定 值 分 級目標產量
（kg/畝）施肥決策（kg/畝）
有機質
（g/kg）全N
（g/kg）堿解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效鉀
（mg/kg）NP2O5K2O
>1.5
1.2-1.5
1.0-1.2
0.8-1.0
<0.8>0.12
0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
<0.06>70
60-70
55-60
50-55
<50>25
20-25
15-20
10-15
<10>120
100-120
90-100
60-90
<60>150
125-150
100-125
75-100
50-7518-19
17-18
16-17
13-15
138-9
7-8
7-8
8-10
1010
8
6
5
5
 
5.煙草施肥指導系統的建立
    煙草是一種特殊的經濟作物，氮、磷、鉀肥的合理配比是實現豐產優質煙葉的重要措施。因此，根據國家煙草栽培生理生化研究基地國際優質煙開發的有關資料和煙草栽培專家的經驗，總結歸納了實現豐產優質煙草生產的養分指標、與期產量和施肥標準，并組建了煙草施肥指導系統知識表（表5）。
表5 煙草田土壤施肥系統知識表
 
土 壤 養 分 測 定 值 分 級目標產量
（kg/畝）
施肥決策（kg/畝）
有機質
（%）全N
（%）堿解N
（mg/kg）
有效磷（P2O5）
（mg/kg）
速效鉀（K2O）
（mg/kg）NP205K20
>1.2
1-1.2
0.8-1
0.6-0.8
<0.60.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
0.05-0.06
<0.05>60
50-60
40-50
30-40
<30>30
25-30
20-25
15-20
<15>150
>120
100-120
<100
<100不宜種煙
160-170
150-160
120-150
1202
3
3.5-4
4-4.53
4-5
5-6
6-88-9
10-12
11-13
12-14
 
 
6. 油菜施肥指導系統的建立
 油菜是我國重要的油料作物之一，在當前農業結構調整中發揮著先鋒作物的作用，
但如何做好油菜生產中的施肥工作，是制約油菜生產發展的一個重要因素。本系統在建立施肥知識庫的過程中，以秦油1號油菜品種的產量水平為參考，以南方油菜生產管理為依據，綜合河南省油菜生態和生產的實際進行整理、組合了河南省油菜施肥指導系統知識庫（表6）。
 
表6 油菜土壤施肥系統知識表
 
土 壤 養 分 測 定 值 分 級目標產量
（kg/畝）
施肥決策（kg/畝）
有機質
（g/kg）全N
（g/kg）堿解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效鉀（K2O）
（mg/kg）NP2O5K2O
>1.5
1.2-1.5
1.0-1.2
0.8-1.0
<0.8>0.12
0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
<0.06>70
60-70
50-60
40-50
<40>30
26-30
20-25
15-20
<15>120
>120
90-100
<90
<90225-300
200-225
175-200
150-175
100-15013-15
12-13
10-12
8-10
88-9
7-8
6
8
100
0
5
6
6
 
四、快速測土施肥決策系統的應用及效果
在開發中，根據智能化農作物施肥指導系統的結構要求，先后完成了小麥、棉花、玉米、油菜、水稻、煙草等6種作物的地力水平、產量目標與施肥量的數據庫，在此基礎上組合規則約500條。系統完成后分別在許昌市、南陽市的宛城區、濟源市等地進行測試施肥驗證，共測土壤樣品2000多個，測定數據10000余個，并直接指導了大田生產，系統的實施為當地農作物的施肥管理提供了重要的依據，為當地農業生產提供了快速、科學的指導，受到當地黨政領導和廣大農民群眾的歡迎。部分地區應用系統后的測試結果如表7和表8。
 
表7 鄢陵縣土壤養分速測及施肥決策值
 
測定       棉花（砂壤土）
項目    速測值 肥料   指導施肥
      （mg/kg） 種類   量（kg/畝）
小麥（中壤土）
速測值    肥料    指導施肥
（mg/kg） 種類    量（kg/畝）
棉花（重壤土）
速測值   肥料   指導施肥
（mg/kg） 種類 量（kg/畝）
 
速效鉀    49    KCL      15-16
（K2O）（或）   K2SO4     17-18
有效磷    11   普鈣      45-50
（P2O5）（或） 一銨       12-13
       （或） 二銨       13-16   
水解氮 88      碳銨      105-110
       （或）     硝銨      52-55
（或）   尿素      39-41
產量指標     130kg/畝   
較CK產量增減   20 kg/畝
90       KCL     11-12
（或）     K2SO4      13-15
13.3     普鈣      45-50
（或）    一銨      12-13
（或）     二銨      13-16 
129.8     碳銨    90-100
（或）     硝銨      50
（或）      尿素      35
510kg/畝
40 kg/畝
112     KCL     14
（或）    K2SO4   16-18
27      普鈣    40-45  
（或）   一銨    13-15
（或）   二銨    15-18
127     碳銨    90-100
（或）   硝銨     50
（或）    尿素     35
150 kg/畝
0
 
表8 許昌縣煙草土壤養分速測與施肥決策值
 
測定項目         潮土                   褐土                       潮土
    速測值 肥料種類 用肥量 速測值 肥料種類 用肥量    速測值 肥料種類  用肥量
    （mg/kg）       （kg/畝） （mg/kg）        （kg/畝）   （mg/kg）           （kg/畝）
 
有效鉀    154  K2SO4    18-20    136     K2SO4   22-27     112     K2SO4      27-31
（K2O）
有效磷   34   普鈣      35-40     15     普鈣    57-70      13      普鈣      70-85
（P2O5）（或） 一銨     10-12   （或）   一銨   16-20   （或）     一銨       20-24
   （或） 二銨      14-18   （或）   二銨    20-25   （或）     二銨       30-35
水解氮 41.7   硝銨      8.5-10    42.1    硝銨    8.5-10    54      硝銨      5.5-7
五、土壤養分快速測定與施肥量決策過程
1．程序設計原理與技術路線
在建立不同作物土壤肥力水平、目標產量與優化施肥等相應資料知識庫的基礎上，進行知識規則的組合，以作物類型、目標產量、肥料種類和肥料養分含量為基礎再分別建立數據庫，把應用土壤養分速測儀測定出來的土壤養分速測值作為中間變量建立中間型數據庫，根據對不同土壤養分速測的結果，確定不同土壤養分速測值與實際值間的變異系數，并把變異系數整合于程序之中，最后根據速測數據的轉換和知識規則的正向推理，確定計劃產量和計劃產量條件下的施肥量，在屏幕上顯示結果，根據用戶需要進行打印。依據系統的硬件限制，在程序編寫中采用了匯編語言進行編程。
2．程序設計框圖與操作過程
選擇作物（小麥、棉花、玉米、水稻、油菜、煙草）
 
選擇養分種類（有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀）
顯示或輸入已知養分測定值
確認或修改土壤換算系數
選擇化肥種類（硝酸銨、碳酸氫銨、尿素、過磷酸鈣、磷酸一銨、磷酸二銨、氯化鉀、硫酸鉀、硝酸銨）
根據所選土壤、作物、化肥種類以及測定的養分含量檢索數據庫，并根據計劃產量計算施化肥用量
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選擇土壤種類（褐土、砂姜黑土、水稻土）
       進入施肥指導系統               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 六、結語與討論
1．土壤養分快速測定與作物智能化施肥決策管理是當今農業發展的迫切需要，也是今后發展精準農業的重要組成部分，本系統結合河南省農業發展現狀，針對小麥、玉米、水稻、棉花、煙草和油菜6大作物的施肥指導系統進行了一些償試，建立了知識庫和知識規則，并將研究結果應用于不同農業類型區進行了田間驗證，取得了一些資料和數據，對某些地區的作物施肥進行了田間指導，顯示了土壤養分速測儀指導農業生產的優勢和作用。
2．土壤養分速測施肥指導系統是在土壤養分速測儀的基礎上，實現施肥決策的智能化過程，通過數據庫、知識規則和推理機制的建立，基本實現了對不同土壤養分速測指標和不同作物產量水平的施肥指導。但是，由于速測儀是一種便攜式單片機儀器，受其硬件的限制，內存容量較小，所以在編寫程序的過程中，不如應用個人電腦那樣自如，有很多作物施肥的應變問題不能在系統中完全反映出來，所以本系統只能是一個簡易的施肥指導系統。
3．盡管受單片機容量所限，本儀器只能裝入一個省主要作物的數據，但本系統的軟件框架為一通用性框架，在其他某省有條件時可以將河南省數據更換為該某省的數據，供該省用戶使用，但這項工作需要極其龐大的信息資源，這些資源的獲取需要一定的經費條件，希望得到進一步的支持。