基于GIS的变量施肥尺度效应模拟系统

为从理论上研究变量施肥尺度效应提供可能，解决单纯利用田间试验方法研究变量施肥尺度效应存在的研究周期长、费用大且几乎得不到系统完整的结果问题，研究了变量施肥尺度效应模拟系统的设计、实现与应用。该模拟系统由数据管理、模型管理、模拟分析和决策分析四部分构成。系统通过随机数生成法或地统计分析法生成最小尺度条件下的土壤养分空间分布数据，以此为基础，采用GIS、计算机模拟技术模拟不同尺度的养分空间分布，并以肥料效应模型和产量模型计算不同尺度条件下的施肥量、产量和肥料利用效率，最后通过曲线图、三原色合成影像和GIS专题图实现形象直观地表达模拟结果。结果表明GIS空间分析和可视化技术及计算机模拟技术能在数据处理、分析和结果可视化方面为变量施肥理论研究提供有力的支持。     

基于GPS和SMS技术的土壤养分水分速测系统的研究

为了满足精确施肥中对高密度、全面的农田土壤信息采集、数据无线传输和施肥决策的需要,本系统利用计算机技术和无线数传技术(SMS)对GPS、GIS和土壤养分水分速测系统进行有机集成.一方面通过AT891v55单片机,使差分GPS和土壤水分测定仪有机集成,实现土壤采样、水分测定、定位一体化;另一方面研制开发了集成针对石灰性褐土的速测值向常规值转换模型的土壤养分速测仪,并利用BENQ M22 SMS数传模块实现土壤养分速测系统与土壤养分管理决策系统的远程数据通讯和资源共享;同时利用Visual Basic和MapObjects控件集成GIS,实现具有空间属性的土壤养分数据可视化管理和分析处理.     

基于VTK土壤养分三维可视化研究与实现

土壤养分空间分布的三维可视化对描述土壤中元素的空间分布规律、变量施肥及评价具有重要意义。三维可视化与传统的二维空间变异专题图相比,表示三维数据更自然、更清晰、更直观。利用Python语言引入三维可视化类库VTK,采用三维Kriging插值方法,实现了土壤养分空间分布的三维交互。以榆树市试验田土壤养分三维可视化为例,在肥力评价的基础上,验证了变量施肥的实验结果,比二维空间变异图更加直观,更有说服力。     

WebGIS支持下的黑土农田施肥决策支持系统--以黑龙江省双城市为例

以双城市农田耕层0-20 cm采样数据和土壤图、区划图、土地利用图为基础,通过地统计学和空间叠加分析方法,生成了施肥管理图.并以长期田间试验和施肥模型为依据,建立了推荐施肥指导数据库和专家系统.在ArcGIS Server平台上,利用JAVA Script编程语言开发了双城市施肥决策支持系统.该系统可以在全市范围内按照不同的地力和养分等级进行施肥指导.系统操作简便,可视化程度高,可以帮助农户获得合理的施肥建议,可为决策者对区域土壤养分动态变化的监测和管理提供数据支持,为促进农村信息化建设、提高土壤肥力质量和作物产量,保护生态环境提供了基于GIS的信息化管理平台.     

针对农户地块的施肥决策支持系统的设计与实现

针对中国耕地管理单元散乱、施肥盲目性大的现状,以地块为施肥单元的决策支持系统可以为农户提供更精确的按需定位的施肥指导。以海伦市光荣村为例,以遥感数据、田间采样数据、农户调查数据为数据源, 利用GIS和地统计学的研究方法建立基于农户地块的施肥决策方案管理单元图, 根据长期定位实验数据和养分平衡原理设计施肥模型;在Super Map Object平台上研制开发了光荣村施肥决策支持系统,实现了针对农户承包地块的可视化的施肥指导平台。利用该平台帮助农民按需施肥,从而减少施肥盲目性,促进黑土区土壤生态修复,保护生态环境。     

北京市大兴区土壤养分空间结构及影响因素分析

为了揭示土壤养分的空间分布特征和指导土壤培肥管理,以北京市大兴区为例,首先基于地统计学和GIS技术对大兴区土壤养分进行空间克里格插值和模糊隶属度函数模型标准化处理;其次利用主成分分析方法获取了大兴区土壤养分的空间结构,即全氮、碱解氮、有机质、有效磷和速效钾所占空间比例分别为0.32,0.25,0.23,0.03,0.17;最后对土壤养分空间结构的影响因素进行了系统分析。研究表明:大兴区土壤中氮含量最高,有机质含量较高,钾含量较低,磷含量极低,整体上大兴区土壤养分高值区主要分布在东北部,低值区主要分布在西南部和中部区域;主要与大兴区土壤类型、质地、农户土地利用方式和施肥结构等密切相关。     

云南玉溪植烟土壤速效养分空间变异特征及应用

为探讨烟田土壤养分空间变异特征及利用空间变异进行分区管理的技术路线,以全国烤烟种植典型产区云南省玉溪市烟田土壤为例,形成土壤养分空间变异分析—空间分布—肥料养分推荐—分区配方的技术思路。基于烟区土壤养分数据,应用地理信息系统(GIS),采用地统计学方法研究烟区耕作层(0~20 cm)土壤碱解氮、有效磷和速效钾的变异特征和空间分布。以乡镇作为管理单元,依据烟田土壤肥力评价及养分管理指标体系,计算出乡镇烤烟养分管理的氮、磷、钾肥料推荐量。采用聚类分析方法,结合烤烟养分管理"核心是氮、品质元素是钾"的特点,提出玉溪烤烟养分管理5个管理分区、5个基肥配方、2个追肥配方。研究表明:玉溪烟田土壤速效养分为中等强度空间变异,拟合模型为指数模型,变异来源于结构性因素和施肥等人为因素;土壤有效磷的变异最大,高于速效钾和碱解氮,与氮肥和钾肥用量相对稳定,而磷肥相对随机等农艺措施相关;超过67%的土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量处于高和极高水平,肥料氮、磷、钾推荐量低于云南省烤烟养分管理平均水平11%左右;提出5个烤烟养分管理分区及相应的基肥和追肥配方,以满足"大配方、小调整"原则,实现分类指导和分区管理。     

待复垦村庄土壤养分特征研究——以山西省西郜村为例

掌握复垦村庄土壤养分状况,有助于探究长期作为村庄的土壤养分特点,为土地复垦过程中改善土壤质量与土壤培肥提供依据。以山西省晋城市泽州县西郜村煤炭基地复垦村庄为研究区,运用地统计学与GIS相结合的方法,研究土壤中有机质、全氮、速效钾和有效磷养分含量及空间分布特征,并在地理信息系统支持下绘制土壤养分的空间分布图。研究结果表明:土壤这4种养分的变异系数范围为19.78%~29.45%,变异程度较小,有机质、速效钾的半方差拟合模型为球状模型,全氮、有效磷的半方差拟合模型为高斯模型;有机质、全氮、速效钾和有效磷的变程分别为59.70,54.47,55.89,66.87 m,块金系数分别为74.2%,74.9%,69.1%,76.5%,具有中等程度的空间相关性;研究区内4种养分分布略有差异,但整体上均在村庄中部含量较高,逐次向周围递减,土壤养分空间分布格局是在地形变化、人类活动以及其他随机因素共同作用下而形成的。掌握村庄土壤养分的空间分布规律,能够为煤炭基地村庄复垦后耕地质量提升、农田土壤养分精准管理和施肥决策提供一定的依据。     

基于GIS的县域耕地测土配方施肥技术研究

该文以山东广饶县为例,进行了面向管理层面的县域耕地测土配方施肥技术研究.在耕地地力调查分析数据及其地力评价的基础上,采用GIS支持下的"地力分区 目标产量法"确定区域施肥配方.以耕地地力等级图和作物布局图叠加的方法划分配方单元,通过田间试验得到各种参数,通过GIS将配方单元图与相应属性数据模型的联结,采用养分平衡法计算各养分需要量和施肥配方.结果显示,广饶县耕地氮、磷、钾养分含量空间分布差异较大,得到的施肥配方种类较多,全县共有14种施肥配方,其中氮磷钾配方比例分布在1:0.04～1.53:0.05～0.82之间.该研究较好地探索了基于GIS的县域耕地测土配方施肥技术方法,对县域耕地利用和施肥管理工作有积极的指导作用.     

紫色土丘陵地区农田土壤养分空间分布预测

为深入研究紫色土丘陵区农田土壤养分空间分布规律,在GIS技术的支持下,利用研究区450个土壤实测数据,结合地形因子和土地利用类型,运用多重线性回归构建了土壤养分预测模型,对养分的空间分布进行预测。结果表明,土壤有机质和碱解氮含量与地形因子之间的相关性较强,有效磷和速效钾含量与地形因子之间的相关性较弱。土壤水田和旱地中有机质、碱解氮和有效磷含量均值间的差异显著(P<0.01),速效钾之间不显著(P=0.34)。基于地形因子的土壤养分预测模型与基于地形因子和土地利用方式组合的土壤养分预测模型预测结果精度对比表明,在预测变量中增加土地利用类型对提高预测模型的拟合度和预测精度作用非常微小,且仅用地形因子预测土壤养分的空间分布更方便,因此选用该模型对验证集数据进行预测。以验证集数据进行预测结果与实测值进行比较,结果显示预测值与实测值之间的差异甚小,有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的相对偏差分别为0.09、0.19、0.08和0.12,均方根误差分别为1.38、3.42、1.03和1.57,说明基于地形因子的土壤养分预测模型的精度较高,可以很好地预测土壤养分分布规律。该研究结果可为丘陵地区农田合理施肥提供理论依据。     

分散经营条件下烤烟精准养分管理研究

【目的】西南烤烟种植区的典型特征是"缓坡条件"和"分散经营",基于自然地块的变量施肥技术体系,研究分散经营条件下烤烟养分分区管理,以探讨分散经营条件下作物精准施肥的经济效益和应用可行性。【方法】分散经营土壤养分管理分区的基本步骤:计算土壤养分插值,以地块为单元统计土壤养分,依据施肥模型针对地块进行肥料养分推荐、聚类分析地块肥料养分,形成针对地块的养分管理分区。在云南宜良县,以50×50 m的网格进行土壤取样,应用地统计方法进行土壤养分空间变异分析、Kriging方法进行空间插值、空间叠加分析方法统计地块养分、聚类分析方法建立养分管理分区,大田试验检验养分分区管理方法的应用效果。【结果】研究结果表明,试验地块为中等肥力,土壤养分存在区域分布特征,适合分区养分管理。地统计分析显示,土壤养分变异主要来源于结构因素,可以进行地统计分析和空间插值,满足精准养分分区管理的要求。无机氮的有效变程最小,控制采样密度,缓坡农田和分散经营条件下精准养分管理的网格采样间距在50 m左右。根据空间分析结果,结合施肥指标体系,提出了111块烟田的推荐施肥量,并通过聚类分析的方法将111块农田的肥料养分推荐量分为8个管理区。与对照相比,烤烟精准养分分区管理可以节约氮、磷肥料分别为10.7%、10.3%,氮、磷养分投入分别节约成本43.2yuan/hm2、50.0 yuan/hm2,因增加钾素养分投入增加成本6.9 yuan/hm2,累计节省肥料成本86.3 yuan/hm2。烤烟产量、上等烟比例、均价、产值均有增加,其中,产量增加幅度6.7%~14.5%,平均增产10.6%;上等烟比例增加幅度4.2%~13.0%,平均增加7.3%;均价增加幅度0.13~0.54 yuan/kg,平均增加0.48 yuan/kg;产值增加幅度7.50~18.3%,平均增加14.0%;与常规施肥相比,分散经营条件下烤烟精准养分管理使烤烟增产增收5454.63 yuan/hm2,节本增效5140.9 yuan/hm2。【结论】以地块为操作单元建立养分管理分区的方法不仅能够节省肥料,增加农田收益,还能够有利于分散经营农户组织实施,对精准施肥技术应用具有理论和实践意义。     

村级农田施肥专家系统设计与应用

[目的]实现田块尺度的施肥决策和精准施肥,达到测土配方施肥成果数字化延伸。[方法]采用GIS组件ArcEngine,将GIS,RS,GPS和农业专家技术进行集成,以遥感影像为索引,建立基于农户田块为基本管理单元的触摸屏村级农田施肥专家系统。并以犍为县定文镇炮房村为案例区进行了实际应用。利用四川省2005—2009年"3414"试验数据,结合区域实际,构建了系统的主要粮油作物推荐施肥模型。[结果]该系统不但实现了田块尺度的施肥决策和养分管理,同时还具备农田基本信息、缺素诊断、病虫害防治、政策法规和安全常识等查询功能。[结论]该系统具有界面友好,操作简单明了的特点,并在村级田块尺度上实现了精确施肥。     

基于GIS和丰缺指标法的区域施肥管理体系的构建

  【目的】  采用GIS定位和养分丰缺指标相结合的方法,研究西辽河平原耕地土壤碱解氮、有效磷、速效钾的空间分布特点,建立直观、精准的推荐施肥系统。  【方法】  西辽河平原包括科尔沁区、开鲁县、奈曼旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗。以该区域的15421个土壤测试数据和143个玉米“3414试验”数据为基础,运用GIS方法计算耕地土壤碱解氮、有效磷、速效钾的空间插值结果,结合土壤丰缺指标,将西辽河平原耕地土壤碱解氮、有效磷、速效钾养分分区,确定不同土壤氮磷钾养分组合下的施肥量,并制作玉米氮磷钾分区施肥图。  【结果】  西辽河平原耕地土壤养分空间分布不均,大部分土壤碱解氮含量较低,有效磷、速效钾含量中等。耕地土壤有效氮、磷、钾养分含量呈低氮–中磷–中钾 (碱解氮 ≤ 69.5 mg/kg、有效磷4.18～10.40 mg/kg、速效钾90.3～152.5 mg/kg)、中氮–中磷–中钾 (碱解氮69.5～107.9 mg/kg、有效磷4.18～10.40 mg/kg、速效钾90.3～152.5 mg/kg)、中氮–中磷–高钾 (碱解氮69.5～107.9 mg/kg、有效磷4.18～10.40 mg/kg、速效钾 > 152.5 mg/kg) 的面积占比分别为42.4%、14.1%、13.5%。土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量 (x) 与经济最佳施肥量 (y) 之间存在较好的对数关系,氮施肥模型y = –102.5ln(x) + 617.22,磷施肥模型y = –36.11ln(x) + 174.1,钾施肥模型为y = –25.89ln(x) + 180.96。不同土壤养分组合种植玉米所需的经济最佳N–P₂O₅–K₂O用量 (kg/hm2) 组合分别为202–110–58、168–107–57、164–102–47。  【结论】  土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量与相对产量存在较好的对数函数关系。西辽河灌区土壤有效氮磷钾丰缺指标的划分以75%和85%作为相对产量的分级区间较为合适。在土壤有效氮磷钾养分大数据的支撑下,采用GIS和丰缺指标法相结合的方法,可以准确快捷地构建区域施肥管理体系。     

GIS支持下的变量施肥尺度效应模拟研究

以玉米N肥变量施肥为例,采用GIS技术对不同土壤肥力水平下的变量施肥尺度对施肥量、产量和肥料增产效率的影响进行模拟计算和可视化表达。首先用揟urning Band Method敺椒ㄋ婊煞现付ň怠⒎讲詈涂占浞植?半方差模型)的一组表示最小施肥单元的土壤养分数据,每组104个数据,对每组数据进行了100个等级尺度单元的相关效应计算和分析。模拟结果表明:(1)随着变量施肥单元面积减小,平均单位面积的施肥量增加或保持不变,产量一般增加,总的肥料增产效率也提高;(2)施肥临界养分过渡带的变量施肥合理性和产量受尺度影响较大,土壤肥力较高时,空间变异小,变量施肥尺度效应不明显。     

大数据时代精准施肥模式实现路径及其技术和方法研究展望

自上世纪70年代起，我国开展了田间养分精准管理方法与技术的研究和推广，包括测土配方施肥、土壤养分测试和作物营养诊断，积累了大量土壤类型、肥力等基础数据以及农村地籍调查、农业普查、作物需肥规律等田间养分管理相关数据。但田间养分精准管理目前依旧存在重研究、轻应用，重理论、轻技术，专业分工太细，分割化、碎片化严重，传统与现代融合不够，可实际应用的产品、技术较少，农户体验差等问题。日渐成熟的信息互联、互通、互享技术与平台，功能日益强化的人工智能技术等，为实现田间养分管理走向精细化、信息化与系统化，进而为实现跨越式发展提供了契机。本文从我国农田经营分散的实际国情出发，根据精准施肥原理、认识与定位，提出了“基准+精准”模式的田间养分管理方案，以测土配方施肥为基础，结合数据挖掘技术对现有数据进行综合分析，更新制定当年田间养分管理“基准”施肥方案，包括基肥和追肥的施用数量及施用时间，同时利用云GIS可实现农田数据的空间信息化和施肥方案田块化管理的可视化，为移动端施肥方案的推送和实现田块尺度上的信息化精细管理奠定基础。以数字图像无损诊断作为技术支撑，通过机器学习作物数字图像特征参数来建立营养诊断模型，判断得出作物营养胁迫种类及程度，从而对当季田间作物长势及营养状况进行准实时监测与评价，进而实现对田间“基准”施肥方案特别是追肥施用的“精准”修正。最后通过构建“云+手持终端+数字图像”系统架构实现“基准方案推送—无损诊断—精准修订—成效反馈—方案优化”的动态实施和更新，对测土配方施肥技术体系进行完善，同时实现相关成果更新和持续利用，解决成果应用的“最后一公里”问题。     

基于GIS和测土配方数据的晋北县域春玉米专用肥配方筛选

为改善当前施肥过高或过低等问题,促进区域合理施肥,该研究依据测土配方施肥项目田间试验数据和土样分析数据,以应县为研究区域,遵循"氮肥总量控制,分期调控及磷、钾恒量监控"的技术原理,利用地理信息系统(geographic information system,GIS)技术开展县域春玉米专用肥配方筛选研究。采用肥料效应函数法对测土配方施肥项目田间试验数据进行模拟分析,确定研究区域平均适宜施氮用量为200 kg/hm2,其中80 kg/hm2氮素作为播种前基肥,120 kg/hm2作为大喇叭口期追肥。综合利用养分丰缺指标法、肥料效应函数法建立磷、钾养分丰缺指标及磷、钾肥的推荐施肥指标体系。基于GIS技术形成区域土壤养分分布图、氮磷钾养分推荐用量图,制定区域氮磷钾养分配方图,并筛选出适合县域推广的春玉米专用肥大配方。结果表明,应县氮磷钾养分空间变异特征明显,形成的11个专用肥配方经筛选后最优春玉米专用肥配方为20-17-8(为专用肥氮磷钾养分含量比例,即N-P2O5-K2O,专用肥总养分45%)、17-19-9和21-12-12。该研究将GIS技术和测土配方施肥技术有机结合,促进了测土配方施肥项目结果推广应用,为县域春玉米养分资源高效利用提供了参考。     

应用于精确农业变量施肥地理信息系统的开发研究

利用GIS软件MapInfo及其二次开发语言MapBasic6.0开发了一套专门用于实施精确农业变量施肥作业的田间地理信息系统。该系统通过MapInfo的内置关系性数据库建立了一个包括土壤营养成分、作物历年产量、肥料使用情况等相关数据库,可进行数据的输入与输出、更新与查询及统计等功能,且根据不同地块诸影响因素给出施肥决策。决策结果可显示查询,还可通过RS-232C串行接口,将施肥指令传输到单片机去控制施肥机动作