标题土壤养分速测施肥指导系统研究报告

一、项目研究开发的目的、范围和意义
土壤是农作物生长发育的场所，土壤肥力的高低是农作物实现高产优质的基础，测定土壤养分进行土壤营养珍断，提出合适的施肥方案是实现作物优化施肥，减少施肥的盲目性、提高产量、改善品质和保护环境的重要手段。
作物施肥专家系统是今后科学施肥的方向，也是信息技术发展的必然，它的基本特点是：利用土壤学、肥料学、作物学和气象学等不同学科的知识，以计算机为手段，根据不同作物生长发育对不同土壤、不同肥料的肥效反应，结合专家们的经验提出不同土壤、不同作物、不同产量水平的施肥方案。
本项目研究开发的目的在于：通过智能化农业信息技术把作物施肥理论与技术成果进行科学组装和集成，把专家的知识、成熟的农业科研成果、量化的施肥模式等有机的结合起来，为生产者提供一套较为科学的、规范的、实用的施肥系统，实现对作物施肥的科学指导和宏观监测，提高作物施肥效率、节本增效，增加农民收入，加速实现土壤养分的测定与施肥决策。
本项目是在利用自制的土壤养分快速测定仪进行养分速测的基础上，进行小麦、玉米、水稻、棉花、烟草和油菜6种作物的施肥指导系统开发。
二、项目研究开发原理、方法和技术路线
1.土壤施肥的基本原理、方法与评价
    施肥的基本原理是基于李比希提出的“养分归还学说”、“最小养分律”以及经济学家杜尔哥提出的“报酬递减律”，在这些理论指导下，我国的土壤肥料科技工作者，探索出了一系列很多适合不同类型区的作物高产、优质、高效的施肥方法，这些方法都取得了显著的增产效应，下面简要介绍生产上应用最广、效果最好的方法。
（1）平衡施肥法：该方法的基本点是：根据计划产量需肥量减去土壤供肥量之差，通过施肥得以补充，这就要求了解计划产量需肥量等几个参数，就计划产量而言，以当地前三年的作物平均产量为基础，再增加15% -20%作为当年的计划产量或叫目标产量，然后利用养分系数计算出实现该计划产量所需要的养分总量；用土壤养分测定值乘以换算系数（0.15），再乘以土壤养分校正系数，得出土壤养分供应总量，用目标产量所需养分总量减去土壤养分供应总量，得到应向土壤施加的养分总量，根据肥料种类、品种、养分含量以及相关条件的肥料利用率，最后计算出应施用的化肥用量，其公式为：
       作物单位产量某养分吸收量（kg/亩）×计划产量-土壤某养分测定值×0.15×校正系数
肥料施用量=－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
（kg/亩）           肥料中某养分含量×肥料当季利用率（%）
该方法的数据来自田间试验和多年的试验结果，具有一定的可靠性和准确性，较为省事。但是土壤是一个大的缓冲库，不同土壤中化肥利用效率的可变性很大；另外，确定计划产量时，如前三年有自然灾害发生，则目标产量确定遇到麻烦，同时，在测定土壤养分总量时土测值的准确性也至关重要，应用时要尽可能测定准确。
（2）相对产量指标法：这种方法的原理是按不施某种养分的产量与施完全养分的产量之比而划分土壤肥力高低的办法，利用田间试验，一方面测定土壤养分，另一方面计算产量，最后按不同的相对产量划分高、中、低、极低标准，而对应的土壤养分测定值为土壤肥力指标，然后再作施肥量试验，即可得出不同产量水平的施肥量，这样可以制成不同作物的土壤养分丰缺指标及应施肥料数量的检索表。当取得某一土壤养分测定值后，对照检索表即可了解到土壤中该养分的丰缺情况以及应施肥料数量的大致范围。
该方法应建立在田间试验和土壤养分测定基础之上，具有宏观指导意义，所以应用时要多考虑当地的施肥经验。
（3）肥料效应函数法：是以田间试验为基础，采用回归设计将不同处理得到的产量和相应的施肥量进行数理统计，求得在供试条件下产量与施肥量之间的数量关系，即肥料效应函数，然后，利用边际分析原理，计算出最高产量施肥量、经济最适施肥量和最大利润率施肥量等。
该方法是建立在一定的试验基础之上，具有客观反映施肥效应和及时反馈信息的优点。但是其施肥参数的确定需要大量的人力和物力进行试验测定，并且建立的效应函数具有严格的地域性，一般不易掌握。
本系统的研究是利用上述（1）和（2）的施肥方法综合考虑而形成的。
2.作物测土施肥指导系统的技术路线
根据现有的施肥技术，在充分发挥各种施肥技术优点的基础上，从实用和简捷入手，达到直观实用的目的。
具体的技术路线是：在土壤养分快速测定仪器推广的基础上，以营养平衡、因子综合作用理论为指导，以不同作物的营养特性、土壤与环境条件的不同作用为依据，采用以产定氮、测土配置磷钾的施肥方法，把土壤肥力划分为5个等级，并根据生产实际建立知识库与数据库，确定知识规则与推理机制，组装优质高效小麦、棉花等6种作物的经济高效施肥系统，通过生产试验示范、检验与修正，完成了软件运行的优化环境，最终完成小麦、棉花等6种作物智能化快速测土施肥支持系统。
三、知识库的建立
知识库的建立是本研究的关键所在，对此进行了较为广泛的数据收集和整理工作。
第一，以土壤和植物营养学知识为基础，结合作物栽培与耕作学知识，以《中国土壤肥力》（沈善敏，1998）、《农作物配方施肥》（慕成功，郑义，1995）及《作物栽培学》（北方本）等书本知识为理论依据，通过查阅有关作物与施肥关系等大量的文献，确定了小麦、棉花、玉米、水稻、油菜和烟草等6大作物最适宜的土壤持性；
第二，结合河南省农作物生产实际和专家意见，通过对专家的咨询和相关农作物配方施肥资料，把作物产量和土壤养分划分成5个等级；
第三，在对土壤肥料专家和农学专家进一步咨询的基础上，对数据进行新的归类和整理，初步拟定了6大作物在河南省适宜土壤质地上的知识库；
第四，邀请土壤学和作物栽培学相关专家对初拟知识库进行修定和完善；
第五，对知识库的相关内容进行规则组合，同时，组织计算机技术人员进行计算机程序的编写，并对偏粘或偏砂土壤的情况在编程时做适当的数量增减处理。6种作物土壤施肥指导系统知识库的建立过程与具体内容分述如下：
1.小麦施肥指导系统的建立
小麦是我国第二大粮食作物，同时又是河南省第一大粮食作物，实现小麦生产的优化施肥，对实现小麦优质高产高效益持续性发展具有重要意义。根据小麦生长发育与需肥规律，通过对河南省小麦生产实践的调查，把河南省小麦生产划分成了550-600kg/亩的超高产水平、450-550kg/亩的高产水平、350-450kg/亩的中等水平（一般水平）、250-350kg/亩的中低产水平和低于250kg/亩的低产水平5个生产水平及对应的养分指标。在此基础上，先后与国家小麦工程技术研究中心的专家及科研人员座谈和查阅相关文献，整理并组合了小麦施肥指导系统知识库和知识规则（如表1）
表1 小麦田土壤施肥系统知识表
土 壤 养 分 测 定 值目标产量
（kg/亩）施 肥 决 策
（kg/亩）
有机质
（g/kg）全N（g/kg）碱解氮
（mg/kg）有效磷（P2O5）（mg/kg）速效钾（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:施氮量与产量目标相对应.
2．水稻施肥指导系统的建立
水稻是我省重要的粮食作物之一，主要分布于沿黄地区和信阳地区，常播种面积800万亩左右，建立水稻施肥指导系统不仅可以对河南省水稻生产发挥直接的指导作用，同时对周边省市的水稻生产也具有一定的辐射作用。为建立水稻生产施肥指导系统，参照了南京农业大学凌启宏教授“关于江苏省不同土壤质地超高产水稻施肥技术”的研究报告，在结合河南省水稻专家的生产经验，综合南北方生态、生产水平的差异性，总结建立了河南省水稻施肥指导系统的知识库（表2）。
 
表2 水稻田土壤施肥系统的知识表
土 壤 养 分 测 定 值 分 级目标产量
（kg/亩）施肥决策
（kg/亩） 
有机质
（g/kg）全N
（g/kg）碱解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效钾（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．玉米施肥指导系统的建立
玉米是需肥水较多的C4作物，在一定肥力基础上，其产量水平的提高主要取决于追肥水平的高低，结合河南省玉米超高产攻关的研究资料和河南省玉米栽培专家们的意见，把玉米产量分为了5个水平级，即750-900 kg/亩的超高产水平、600-750kg/亩的高产水平、500-600kg/亩的中高产水平、400-500kg/亩的大田常规水平和300-400kg/亩的中低产水平，同时把要实现这些产量目标的土壤基础肥力及对应的追肥用量组建成了玉米施肥指导系统知识表（表3）。
 
表3 玉米田施肥决策系统的知识表
土 壤 养 分 测 定 值目标产量
（kg/亩）施肥决策（kg/亩）
有机质
（g/kg）全N
（g/kg）碱解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效钾（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：如果玉米与小麦为接茬复种，则要求磷肥和钾肥应以麦田底施为主。
 
4.棉花施肥指导系统的建立
河南省棉花生产在黄淮棉花产区占有重要地位，但是如何合理施肥，减少蕾铃脱落，提高棉花产量和质量是实现河南省棉花生产持续发展的重要因素。在参阅中国农科院棉花研究所关于棉花生产与施肥技术等相关资料（黄淮海或河南省试验材料）的基础上，参照河南省棉花科技人员的生产实践，对土壤肥力、棉花产量及相应施肥量指标进行了多次订证，最后组建了5个产量水平级及相应地力和施肥用量的知识库（表4）。
 
 
表4 棉花田土壤施肥系统的知识表
土 壤 养 分 测 定 值 分 级目标产量
（kg/亩）施肥决策（kg/亩）
有机质
（g/kg）全N
（g/kg）碱解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效钾
（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.烟草施肥指导系统的建立
    烟草是一种特殊的经济作物，氮、磷、钾肥的合理配比是实现丰产优质烟叶的重要措施。因此，根据国家烟草栽培生理生化研究基地国际优质烟开发的有关资料和烟草栽培专家的经验，总结归纳了实现丰产优质烟草生产的养分指标、与期产量和施肥标准，并组建了烟草施肥指导系统知识表（表5）。
表5 烟草田土壤施肥系统知识表
 
土 壤 养 分 测 定 值 分 级目标产量
（kg/亩）
施肥决策（kg/亩）
有机质
（%）全N
（%）碱解N
（mg/kg）
有效磷（P2O5）
（mg/kg）
速效钾（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不宜种烟
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. 油菜施肥指导系统的建立
 油菜是我国重要的油料作物之一，在当前农业结构调整中发挥着先锋作物的作用，
但如何做好油菜生产中的施肥工作，是制约油菜生产发展的一个重要因素。本系统在建立施肥知识库的过程中，以秦油1号油菜品种的产量水平为参考，以南方油菜生产管理为依据，综合河南省油菜生态和生产的实际进行整理、组合了河南省油菜施肥指导系统知识库（表6）。
 
表6 油菜土壤施肥系统知识表
 
土 壤 养 分 测 定 值 分 级目标产量
（kg/亩）
施肥决策（kg/亩）
有机质
（g/kg）全N
（g/kg）碱解N
（mg/kg）有效磷（P2O5）
（mg/kg）速效钾（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、快速测土施肥决策系统的应用及效果
在开发中，根据智能化农作物施肥指导系统的结构要求，先后完成了小麦、棉花、玉米、油菜、水稻、烟草等6种作物的地力水平、产量目标与施肥量的数据库，在此基础上组合规则约500条。系统完成后分别在许昌市、南阳市的宛城区、济源市等地进行测试施肥验证，共测土壤样品2000多个，测定数据10000余个，并直接指导了大田生产，系统的实施为当地农作物的施肥管理提供了重要的依据，为当地农业生产提供了快速、科学的指导，受到当地党政领导和广大农民群众的欢迎。部分地区应用系统后的测试结果如表7和表8。
 
表7 鄢陵县土壤养分速测及施肥决策值
 
测定       棉花（砂壤土）
项目    速测值 肥料   指导施肥
      （mg/kg） 种类   量（kg/亩）
小麦（中壤土）
速测值    肥料    指导施肥
（mg/kg） 种类    量（kg/亩）
棉花（重壤土）
速测值   肥料   指导施肥
（mg/kg） 种类 量（kg/亩）
 
速效钾    49    KCL      15-16
（K2O）（或）   K2SO4     17-18
有效磷    11   普钙      45-50
（P2O5）（或） 一铵       12-13
       （或） 二铵       13-16   
水解氮 88      碳铵      105-110
       （或）     硝铵      52-55
（或）   尿素      39-41
产量指标     130kg/亩   
较CK产量增减   20 kg/亩
90       KCL     11-12
（或）     K2SO4      13-15
13.3     普钙      45-50
（或）    一铵      12-13
（或）     二铵      13-16 
129.8     碳铵    90-100
（或）     硝铵      50
（或）      尿素      35
510kg/亩
40 kg/亩
112     KCL     14
（或）    K2SO4   16-18
27      普钙    40-45  
（或）   一铵    13-15
（或）   二铵    15-18
127     碳铵    90-100
（或）   硝铵     50
（或）    尿素     35
150 kg/亩
0
 
表8 许昌县烟草土壤养分速测与施肥决策值
 
测定项目         潮土                   褐土                       潮土
    速测值 肥料种类 用肥量 速测值 肥料种类 用肥量    速测值 肥料种类  用肥量
    （mg/kg）       （kg/亩） （mg/kg）        （kg/亩）   （mg/kg）           （kg/亩）
 
有效钾    154  K2SO4    18-20    136     K2SO4   22-27     112     K2SO4      27-31
（K2O）
有效磷   34   普钙      35-40     15     普钙    57-70      13      普钙      70-85
（P2O5）（或） 一铵     10-12   （或）   一铵   16-20   （或）     一铵       20-24
   （或） 二铵      14-18   （或）   二铵    20-25   （或）     二铵       30-35
水解氮 41.7   硝铵      8.5-10    42.1    硝铵    8.5-10    54      硝铵      5.5-7
五、土壤养分快速测定与施肥量决策过程
1．程序设计原理与技术路线
在建立不同作物土壤肥力水平、目标产量与优化施肥等相应资料知识库的基础上，进行知识规则的组合，以作物类型、目标产量、肥料种类和肥料养分含量为基础再分别建立数据库，把应用土壤养分速测仪测定出来的土壤养分速测值作为中间变量建立中间型数据库，根据对不同土壤养分速测的结果，确定不同土壤养分速测值与实际值间的变异系数，并把变异系数整合于程序之中，最后根据速测数据的转换和知识规则的正向推理，确定计划产量和计划产量条件下的施肥量，在屏幕上显示结果，根据用户需要进行打印。依据系统的硬件限制，在程序编写中采用了汇编语言进行编程。
2．程序设计框图与操作过程
选择作物（小麦、棉花、玉米、水稻、油菜、烟草）
 
选择养分种类（有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾）
显示或输入已知养分测定值
确认或修改土壤换算系数
选择化肥种类（硝酸铵、碳酸氢铵、尿素、过磷酸钙、磷酸一铵、磷酸二铵、氯化钾、硫酸钾、硝酸铵）
根据所选土壤、作物、化肥种类以及测定的养分含量检索数据库，并根据计划产量计算施化肥用量
显示系统提示
 
打印报表
系统结束选择
 
重选项目
打印
报表
结束操作
退出专家
系统
 
 
打印
完成
选择土壤种类（褐土、砂姜黑土、水稻土）
       进入施肥指导系统               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 六、结语与讨论
1．土壤养分快速测定与作物智能化施肥决策管理是当今农业发展的迫切需要，也是今后发展精准农业的重要组成部分，本系统结合河南省农业发展现状，针对小麦、玉米、水稻、棉花、烟草和油菜6大作物的施肥指导系统进行了一些偿试，建立了知识库和知识规则，并将研究结果应用于不同农业类型区进行了田间验证，取得了一些资料和数据，对某些地区的作物施肥进行了田间指导，显示了土壤养分速测仪指导农业生产的优势和作用。
2．土壤养分速测施肥指导系统是在土壤养分速测仪的基础上，实现施肥决策的智能化过程，通过数据库、知识规则和推理机制的建立，基本实现了对不同土壤养分速测指标和不同作物产量水平的施肥指导。但是，由于速测仪是一种便携式单片机仪器，受其硬件的限制，内存容量较小，所以在编写程序的过程中，不如应用个人电脑那样自如，有很多作物施肥的应变问题不能在系统中完全反映出来，所以本系统只能是一个简易的施肥指导系统。
3．尽管受单片机容量所限，本仪器只能装入一个省主要作物的数据，但本系统的软件框架为一通用性框架，在其他某省有条件时可以将河南省数据更换为该某省的数据，供该省用户使用，但这项工作需要极其庞大的信息资源，这些资源的获取需要一定的经费条件，希望得到进一步的支持。