縣域測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫研究

方 舒，郭 熙*，毛平豐，朱安繁 ,葉英聰

(1.江西農(nóng)業(yè)大學/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西 南昌330045；2.江西省萬年縣土壤肥料工作站，江西 萬年335500；3.江西省土壤肥料技術推廣站，江西 南昌330046)

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縣域測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫研究

方 舒1，郭 熙1*，毛平豐2，朱安繁3,葉英聰1

(1.江西農(nóng)業(yè)大學/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西 南昌330045；2.江西省萬年縣土壤肥料工作站，江西 萬年335500；3.江西省土壤肥料技術推廣站，江西 南昌330046)

摘要：將萬年縣耕地土壤采土檢測的數(shù)據(jù)進行上圖并核實空間位置的準確性以及數(shù)據(jù)的可靠性，并且對萬年縣第二次土壤普查相關數(shù)據(jù)進行處理，提取耕地土壤類型等相關信息，并在實地予以核實校對。在此基礎上，按照測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)功能的要求，構建了土壤類型數(shù)據(jù)、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)、地形坡度數(shù)據(jù)、水稻需肥信息、肥料利用率信息庫等數(shù)據(jù)庫，并建立了實體-關系模型(E-R)，按綜合相關信息以及生產(chǎn)能力劃分萬年縣水稻施肥單元，構建了基于施肥單元的基礎數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)相關施肥模型計算不同施肥單元的肥料施用量與施用方案，推薦了萬年縣水稻施肥各個施肥單元的配方。

關鍵詞：水稻；測土配方施肥；基礎數(shù)據(jù)庫

0引言

測土配方施肥技術是使化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的正面作用最大化，同時又使化肥對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負面效應最小化的最佳途徑，也是現(xiàn)階段建立科學施肥體系的核心技術[1]。由于當前耕地資源管理水平不高，測土配方施肥項目產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)[2-3]，需要有一套科學的方法來管理它們，由于當時技術水平有限，第二次土壤普查取得的數(shù)據(jù)，隨著時間變遷，部分數(shù)據(jù)瀕臨消失[4]。利用先進的信息技術和網(wǎng)絡技術，開發(fā)應用測土配方施肥專家系統(tǒng)，可使廣大農(nóng)民能夠及時、便利地分享施肥專家的經(jīng)驗和知識，這是推廣測土配方施肥技術的有效途徑[5-7],通知中要求：“選擇工作積極性高、基礎條件好、縣域測土配方施肥專家咨詢系統(tǒng)符合要求的縣(市)，以12316農(nóng)業(yè)信息服務平臺或當?shù)刂饕r(nóng)業(yè)信息服務平臺為主，開展測土配方施肥綜合信息服務試點工作，采用農(nóng)民聽得懂的語音、看得懂的信息、收得到的方式，指導農(nóng)民選肥、用肥。”

江西省萬年縣作為江西省第一家開發(fā)縣域測土配方施肥專家咨詢系統(tǒng)試點單位，自2013年就開展了這項工作的前期準備工作， 完成了田間采土、檢測以及現(xiàn)場驗證等工作，為萬年縣測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)的開發(fā)與建設打下了堅實的基礎。開展萬年縣測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫建設，主要是為了進一步摸清萬年縣耕地(尤其是水田)耕層土壤的養(yǎng)分狀況，同時構建一個適合萬年縣測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)使用的關于萬年縣水田耕層土壤(包括土壤質(zhì)地、養(yǎng)分狀況、水稻需肥規(guī)律、水稻施肥專家知識等綜合信息)的基礎數(shù)據(jù)庫。

1數(shù)據(jù)庫建設需求分析和設計思路

1.1數(shù)據(jù)庫需求分析

數(shù)據(jù)庫應管理萬年縣測土配方施肥過程中所需的各種數(shù)據(jù)，建立施肥決策專家系統(tǒng)，為測土配方施肥工作提供科學、方便管理及施肥輔助決策。

數(shù)據(jù)庫應能滿足基于B/S架構[8-9]，能夠發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)，使用戶通過電腦上網(wǎng)即可使用產(chǎn)品，查詢測土配方施肥建議；應提供基于Android系統(tǒng)的智能手機軟件，滿足用戶使用手機查詢的需求；應提供基于短信的查詢方式，滿足網(wǎng)絡不通暢地區(qū)的用戶使用短信查詢的需求。

在測土配方施肥工作中，屬性數(shù)據(jù)庫建設是一項非常重要的基礎性工作。屬性數(shù)據(jù)庫的錄入和管理是對數(shù)據(jù)進行綜合分析、利用、挖掘的基礎。就是將在測土配方施肥各環(huán)節(jié)中成果以數(shù)據(jù)的形式沉淀下來，通過開發(fā)通用性的測土配方施肥屬性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立規(guī)范化和標準化的測土配方施肥屬性數(shù)據(jù)庫，能為科學決策、指導施肥提供良好的數(shù)據(jù)支持[10, 11]。根據(jù)測土配方施肥項目要求，按照《測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)》的標準要求，緊扣測土配方施肥數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)采集工作，對“字典管理”進行修改和完善，初步形成基礎資源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的深入挖掘利用。對數(shù)據(jù)各錄入環(huán)節(jié)從技術手段上充分予以保障，全部數(shù)據(jù)入庫前都要進行嚴格的審核，保證入庫數(shù)據(jù)都能滿足專家系統(tǒng)規(guī)程中數(shù)據(jù)字典的要求，為今后工作打下良好的基礎[2,12]。

1.2數(shù)據(jù)庫設計思路

一方面將萬年縣耕地土壤進行采土檢測的數(shù)據(jù)進行上圖并核實空間位置的準確性以及數(shù)據(jù)的可靠性，另一方面對萬年縣第二次土壤普查相關數(shù)據(jù)進行處理，提取耕地土壤類型等相關信息，并在實地予以核實校對；在此基礎上，按照測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)功能的要求，構建土壤類型數(shù)據(jù)、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)、地形坡度數(shù)據(jù)、水稻需肥信息庫，肥料利用率信息庫等數(shù)據(jù)庫，綜合相關信息以及生產(chǎn)能力劃分萬年縣水稻施肥單元，構建基于施肥單元的基礎數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)相關施肥模型計算不同施肥單元的肥料施用量與施用方案，建立萬年縣水稻(早稻、晚稻)施肥的配方(圖1)。

圖1　構建測土配方綜合數(shù)據(jù)庫流程

2數(shù)據(jù)庫對象關系(E-R)模型的構建

數(shù)據(jù)庫設計的核心工作是將地理現(xiàn)實抽象成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)模型。由于人們理解地理現(xiàn)象的方式與計算機處理數(shù)據(jù)的方式相去甚遠，直接將地理現(xiàn)實描述成計算機數(shù)據(jù)模型有較大困難。在數(shù)據(jù)庫設計過程中，通常經(jīng)過現(xiàn)實世界到概念模型、邏輯模型，最后到物理模型的多次轉換，最終建立計算機能夠處理的數(shù)據(jù)模型。所以，建立數(shù)據(jù)過程的概念模型是建立數(shù)據(jù)庫的很重要的一個過程。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計采用 “實體-關系”方法來建立數(shù)據(jù)庫的概念模型(E-R模型)[13-15]。在這個過程中，不考慮特定的硬件和軟件環(huán)境，不考慮信息在計算機內(nèi)部組織和存儲的細節(jié)，只需要根據(jù)數(shù)據(jù)信息抽象出各個實體、實體的屬性以及實體間的關系即可。

2.1實體分析

要建立實體關系模型首先必須從用戶需求當中確定實體以及屬性。實體是現(xiàn)實世界能夠相互區(qū)別并且可以被人們所認識的物、事以及概念等的抽象，一般實體擁有若干特征，而這些特征叫做屬性，每個實體的屬性都會有具體的取值；實體一般具有唯一的主鍵，也是所謂的標識碼，即能夠用來標識實體的屬性或者屬性組；當然實體也可以具有外鍵，它在本實體中僅僅是一個屬性，但在另外一個實體中被當作主鍵。

經(jīng)過對系統(tǒng)推薦施肥的數(shù)據(jù)進行研究分析，可以找到明顯的實體：田塊、作物、養(yǎng)分、肥料。同時對推薦施肥所用的施肥模型進一步研究，發(fā)掘出田塊類型也是實體。另外，推薦施肥所需要的土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，一般都可以通過田間采樣并通過實驗室化驗分析得到，在這個過程中土壤樣品、采樣方案、土壤化驗指標都是實體(表1)。

表1　系統(tǒng)中的實體

2.2關系分析

建立實體關系模型的第二階段就是根據(jù)第一階段確定的實體以及用戶描述分析實體之間的關系。關系是對實體之間聯(lián)系的描述，基本的關系有3類：(1)一對一的關系代表實體A的一個實例相應地對應實體B的一個實例。此時，實體B作為實體A的一個屬性；(2)一對多的關系則表示實體A的一個實例可以對應實體B的多個實例。通常是實體A的主鍵與實體B的外鍵之間建立一對多關系。本文中地塊與土壤采樣方案、地塊類型與地塊、土壤采樣方案與土壤樣品都是這種一對多的關系；(3)多對多的關系表示實體A的一個實例可以對應實體B的多個實例，同時實體B的一個實例對應實體A的多個實例。這種關系較為復雜，分析研究起來也稍微困難一些。

通過對測土配方施肥模型的研究分析，可以總結實體之間的關系情況，最終利用VISIO軟件繪制出E-R圖(圖2)。

3耕地信息及樣點信息空間數(shù)據(jù)庫構建

利用2013～2015年萬年縣土壤采樣點信息，收集第二次全國土地調(diào)查的耕地圖斑、地形圖、土壤類型圖等資料形成各耕地圖斑的土壤基礎信息數(shù)據(jù)庫(圖3～圖5)。通過對萬年采樣點土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行空間分析，進行土壤pH、N、P、K等分布規(guī)律的預測，建立萬年縣土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)庫；通過田間小區(qū)試驗數(shù)據(jù)獲得水稻生長和田間管理數(shù)據(jù)，建立水稻生長知識庫、田間管理知識庫和水稻施肥模型庫。然后，對多源數(shù)據(jù)進行融合，形成萬年縣水稻施肥配方庫。最終通過空間數(shù)據(jù)庫技術形成基于Geodatabase的萬年縣水稻測土配方綜合數(shù)據(jù)庫成果(圖6)。

4基于養(yǎng)分平衡逐步調(diào)整思路的施肥模型參

數(shù)庫的建立

養(yǎng)分平衡逐步調(diào)整法的基本原理是從長期保護耕地地力的角度出發(fā)，根據(jù)作物對養(yǎng)分的總體需求，密切結合農(nóng)戶當前施肥習慣，提出較為合理的肥料基準用量，并按照土壤肥力狀況逐步調(diào)整肥料的實際用量，從而制定相對科學、比較切實可行的施肥方案，達到保護耕地地力，控制環(huán)境污染，協(xié)調(diào)作物、土壤、肥料間的相互關系，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，增加施肥整體效益的目的。

根據(jù)作物的目標產(chǎn)量查出對應產(chǎn)量水平下的肥料養(yǎng)分基準用量，根據(jù)某個施肥單元的土壤測試結果查出相應的養(yǎng)分豐缺調(diào)整系數(shù)，則可計算出肥料養(yǎng)分實際用量，公式如下：

肥料養(yǎng)分實際用量=作物產(chǎn)量/100×肥料養(yǎng)分基準用量×養(yǎng)分豐缺調(diào)整系數(shù)

其中，養(yǎng)分豐缺調(diào)整系數(shù)=1 kg養(yǎng)分/100 kg產(chǎn)量。

4.1養(yǎng)分基準用量參數(shù)

初步估算肥料養(yǎng)分基準用量后，要結合田間試驗、田間示范、植株測試等資料對肥料養(yǎng)分基準用量進行修正。

圖2　施肥數(shù)據(jù)庫E-R圖

圖3　萬年縣耕地土壤樣點分布

對于水稻而言，氮肥不易被土壤固定，易揮發(fā)流失，隨水損失，可以根據(jù)肥料效應田間試驗回歸分析的結果來調(diào)整氮肥的用量；而磷肥、鉀肥容易被土壤固定，能夠為作物長期利用，可以從養(yǎng)分總體平衡的角度出發(fā)，根據(jù)作物對養(yǎng)分的需求量(植株測試獲得)來調(diào)整磷肥、鉀肥用量。

通常地，如果農(nóng)戶按照本方法制定的施肥方案進行施肥，經(jīng)過一段時間后，重新對土壤進行測試，如果發(fā)現(xiàn)土壤某個元素的含量有較大幅度的提高或減少，必須及時修正肥料養(yǎng)分基準用量；甚至有的區(qū)域出現(xiàn)因為施肥原因產(chǎn)量沒有達到預期效果，也必須及時修正肥料養(yǎng)分基準用量。

根據(jù)萬年縣農(nóng)戶施肥習慣和地形地貌、土壤養(yǎng)分情況以及歷年“3414”測土配方施肥試驗結果計算得到萬年縣施肥模型參數(shù)庫如表2～表5。

圖4　萬年縣耕地圖斑分布

4.2土壤養(yǎng)分豐缺指標分級界限及調(diào)整系數(shù)確定

土壤養(yǎng)分豐缺指標理論上應該由室外田間試驗或室內(nèi)盆栽試驗結果得出，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中很難獲得。

養(yǎng)分平衡逐步調(diào)整法暫不過多考慮作物對養(yǎng)分的敏感程度，直接將土壤養(yǎng)分測試值按中間多、兩頭少的原則劃分為若干個等級，確定每個等級的分級界限，然后參考相關試驗結果、第二次土壤普查資料以及專家經(jīng)驗，適當調(diào)整分級界限(表5)。

表2　萬年縣每100 kg早稻肥料基準用量 kg/hm2

表3　萬年縣每100 kg中稻肥料基準用量 kg/hm2

表4　萬年縣每100 kg晚稻肥料基準用量 kg/hm2

表5　土壤養(yǎng)分豐缺指標體系

4.3肥料分施方案

方案中提出配方肥中主要營養(yǎng)元素的養(yǎng)分比例，用于指導肥料生產(chǎn)企業(yè)按方生產(chǎn)配方肥；農(nóng)戶施肥建議，通常必須明確給出針對具體施肥單元的作物施肥建議，施肥建議的主要內(nèi)容包括施肥時期、施用方法、施用數(shù)量(肥料實物用量)等(表6)，用于指導農(nóng)戶施肥實踐。

一般地，配方肥(大配方)的養(yǎng)分比例要能滿足該區(qū)域作物對肥料養(yǎng)分的基本需求；更精確地，某個特定施肥單元的土壤測試值、目標產(chǎn)量等因素有差異，可能需要進行小調(diào)整，也就是補充少量單質(zhì)肥料。

表6　肥料分施方案 %

4.4肥料信息參數(shù)庫

根據(jù)肥料種類整理萬年縣主要肥料品種信息如表7。

5案例計算與配方方案

以萬年縣陳營鎮(zhèn)南崗村057號地塊為例，該地塊基本信息和施肥方案如圖7～圖8。

圖5　萬年縣耕地土壤養(yǎng)分分布、地貌類型分布表7　肥料信息參數(shù)

編號肥料名稱養(yǎng)分含量/%NP2O5K2O肥料價格/(元/kg)忽略用量/(kg/hm2)微量元素僅做基肥僅做追肥A101尿素46001.807.5是A102碳酸氫銨17000.5315.0是A103氯化銨24000.7015.0是A201鈣鎂磷肥01000.4415.0是A202過磷酸鈣01000.4515.0A301氯化鉀00602.107.5是A302硫酸鉀00502.007.5是B10150%玉露牌配方肥(22-11-17)2211172.207.5鋅B10245%玉露牌配方肥(20-10-15)2010152.007.5鋅C10145%復合肥(15-15-15)1515152.007.5C10225%復混肥(11-5-9)11591.067.5

圖6　萬年縣陳營鎮(zhèn)測土配方施肥單元分布

6討論

該研究將土地“二調(diào)”耕地數(shù)據(jù)與農(nóng)村土地承包經(jīng)營權確權資料相疊合，以耕地圖斑為研究對象，參照多種基礎數(shù)據(jù)，進行多源數(shù)據(jù)融合，保證了數(shù)據(jù)的可靠性；該基于B/S架構的數(shù)據(jù)庫，能夠直接提供電腦端、Android系統(tǒng)終端及手機短信方式的用戶查詢，滿足各類不同人群對測土配方施肥方案結果數(shù)據(jù)的需求；該綜合數(shù)據(jù)庫的建立，摸清了整個萬年縣縣域的耕地質(zhì)量，提供精確的縣域的施肥分區(qū)及其相應的配方方案，為施肥的科學管理提供決策依據(jù)，為農(nóng)民提供實時的、精確的施肥服務，指導科學種田。

圖7　萬年縣陳營鎮(zhèn)南崗村057號地塊的基本信息

圖8　萬年縣陳營鎮(zhèn)南崗村057號地塊施肥方案

將GIS與農(nóng)業(yè)信息相結合是農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，也是進入“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的重要標志。作為江西省試點項目，萬年縣測土配方施肥綜合信息服務系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫的成功建立，將有力地促進江西省智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為江西省測土配方施肥信息服務探明新的途徑，具有重要的理論意義和廣闊的應用前景。

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(責任編輯：許晶晶)

收稿日期：2015-12-03

基金項目：江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目(YC2015-S197);江西省贛鄱英才“555”領軍人才項目“鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源利用和生態(tài)的研究與應用”(201295)和江西省測土配方施肥。

作者簡介：方舒(1990─)，女，安徽歙縣人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)資源利用與“3S”研究。 *通訊作者：郭熙。

中圖分類號：S126

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0046-07

Research on Basic Database of Integrated Information Service System for County-scale Soil Testing and Formulated Fertilization

FANG Shu1, GUO Xi1*, MAO Ping-feng2, ZHU An-fan3, YE Ying-cong1

(1. Key Laboratory of Agricultural Resources and Ecology of Poyang Lake Basin in Jiangxi Province/ Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2. Soil and Fertilizer Station of Wannian County in Jiangxi Province, Wannian 335500, China; 3. Jiangxi Soil and Fertilizer Extension Station, Nanchang 330046, China)

Abstract：Collected the soil test data of Wannian county and droped it on the map to verify the accuracy of the spatial location and made sure that the data was reliable, and processed the second soil survey data of Wannian county and extract the soil types and other related information, then checked on the spot. On this basis and for the demands of integrated information service system of soil testing and formulated fertilization, built soil type database, soil nutrient database, terrain slope database, rice nutrient information database, utilization rate of fertilizer information database, and established the entity relationship (E-R) model, and divided fertilization units by comprehensive related information and production capacity, in order to build the basic database based on the fertilization units, get the fertilizer application rate and fertilization scheme according to those related fertilization models to recommend rice fertilization formula of each fertilizer unit in Wannian county.

Key words:Rice; Soil testing and formulated fertilization; Basic database