基于GIS的山地村域水稻推薦施肥量研究

牟桂婷 馮躍華李杰 許桂玲 黃佑崗 葉勇 管正策 張佳鳳 唐鑫

（貴州大學(xué)，貴陽550025；第一作者：137098354@qq.com；*通訊作者：fengyuehua2006@126.com）

基于GIS的山地村域水稻推薦施肥量研究

牟桂婷 馮躍華*李杰 許桂玲 黃佑崗 葉勇 管正策 張佳鳳 唐鑫

（貴州大學(xué)，貴陽550025；第一作者：137098354@qq.com；*通訊作者：fengyuehua2006@126.com）

為探究山地村域水稻合理施肥量，以貴州省安順市西秀區(qū)舊州鎮(zhèn)文星村吳章組稻田為研究區(qū)域，于2014-2016年進(jìn)行“3414”肥料試驗，對3年11個點(diǎn)的“3414”試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立基于地力的施肥模型；利用ArcGIS軟件對吳章組稻田24個隨機(jī)取樣點(diǎn)土壤各養(yǎng)分含量進(jìn)行插值分析，生成吳章組稻田土壤各有效養(yǎng)分含量分布圖，預(yù)測吳章組所有田塊土壤有效養(yǎng)分含量；根據(jù)吳章組田塊土壤有效養(yǎng)分含量，應(yīng)用基于地力施肥模型，獲得吳章組各田塊的推薦施肥量。

GIS；土壤養(yǎng)分；施肥模型；施肥量

水稻是我國重要的糧食作物，據(jù)統(tǒng)計，我國水稻種植面積約占全國谷物種植面積的30%，稻谷產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)的40%[1-3]。肥料作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要資料，對水稻產(chǎn)量的形成起著舉足輕重的作用，合理施肥是提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)和保護(hù)環(huán)境的一項重要技術(shù)措施[4]。目前在我國農(nóng)村，基本都是采用傳統(tǒng)施肥模式，該模式雖然施用方式簡單，但主要是根據(jù)經(jīng)驗來確定施肥量，隨機(jī)性大，忽略了農(nóng)田間的差異性，肥料施用常常不合理，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量不高、肥料浪費(fèi)甚至破壞生態(tài)環(huán)境[5-9]。因此，探尋一種提高肥料利用效率、減少對環(huán)境的污染、降低生產(chǎn)成本和增加農(nóng)民收入的施肥技術(shù)迫在眉睫[10-15]。本文以貴州省安順市西秀區(qū)舊州鎮(zhèn)文星村吳章組水稻種植區(qū)為研究區(qū)域，開展基于GIS的山地村域水稻推薦施肥量研究，為在山地村域種植水稻區(qū)域精確施肥帶來新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在貴州省安順市西秀區(qū)舊州鎮(zhèn)文星村吳章組稻田（以下簡稱“吳章組稻田”）進(jìn)行，試驗地位于安順市東南面（東經(jīng)106°08′55.8″～106°09′29.2″，北緯26° 14′45.7″～26°15′28.5″），稻田總面積約30.4 hm2，總計614塊，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，雨量充沛，無霜期269.9 d，年均降雨量1 360 mm，緊鄰邢江河，水源充足[16-17]。

1.2 試驗設(shè)計

于2014-2016年每年選取3～4塊具有代表性的田塊開展“3414”試驗，小區(qū)面積為15 m2（5 m×3 m），采用隨機(jī)區(qū)組排列方法，2次重復(fù)。每667 m2推薦施肥量：純N 10 kg、P2O56.4 kg、K2O 9 kg。肥料施用方式：氮肥分4次施，基肥占35%、分蘗肥占20%、促花肥占30%、?；ǚ收?5%；磷肥作基肥一次性施用；鉀肥分2次施用，基肥和穗肥各占50%。為防止肥水滲漏，在小區(qū)四周筑高30 cm、寬20 cm的田埂，并鋪塑料薄膜入土30 cm。栽培管理同一般生產(chǎn)田[18]。

分別以24個采樣點(diǎn)土壤各養(yǎng)分信息為基礎(chǔ)，采用克里金插值分析方法，形成克里金插值分析圖，預(yù)測吳章組所有稻田土壤的各種養(yǎng)分含量。

根據(jù)稻田土壤各養(yǎng)分含量，通過基于地力施肥模型，精確計算出各稻田肥料的適宜施用量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集及養(yǎng)分含量

土壤樣品采集時間為油菜收割前（2017年4月26日），采用隨機(jī)抽樣方法，在吳章組稻田隨機(jī)選取24個土壤采樣點(diǎn)[20]（圖1），根據(jù)混合土壤采集方法，分別以取樣點(diǎn)為圓心，以5 m為半徑，選擇該圓上的4個對稱點(diǎn)，再分別采集這4個點(diǎn)和圓心15～20 cm耕層的土壤樣品各1 kg左右，并將5個點(diǎn)的樣品混合均勻作為該取樣點(diǎn)的土壤樣品[21]。置于通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干、去雜、磨碎、過篩，分別采用擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法、火焰光度法測定土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀含量[19，22-23]。

1.3.2 取樣點(diǎn)地理信息采集

本文試驗中取樣點(diǎn)地理信息的采集使用explorist 610手持GPS儀，定位精度為3～5 m，使用時應(yīng)盡量避免周圍較高實物，并保持GPS儀與水平方向呈45°角，以提高定位的精度度。取樣點(diǎn)地理信息的測定過程：握住GPS儀站在取樣點(diǎn)，使GPS儀與取樣點(diǎn)在垂直方向上重合，點(diǎn)擊GPS儀上“平均位置”按鈕，獲得該取樣點(diǎn)的地理信息。

5)綜合木墊板對錨桿預(yù)緊力損失、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化效率、預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果影響的研究結(jié)論，建議在井下錨桿托盤下盡量不使用木墊板，以免大幅度降低支護(hù)效果。

使用手持GPS儀采集的取樣點(diǎn)地理信息文件格式為.gpx，通過MapTrack軟件將取樣點(diǎn)的地理信息先轉(zhuǎn)換為.shp文件格式，再導(dǎo)入至ArcMap軟件中。

1.3.3 克里金插值分析

本試驗中，采用普通克里金插值分析方法，對吳章組稻田土壤各養(yǎng)分含量進(jìn)行預(yù)測，具體過程如下：在ArcMap軟件中，添加24個土壤取樣點(diǎn)的養(yǎng)分含量，使用克里金插值分析工具下的普通克里金插值分析，設(shè)定處理范圍為吳章組稻田區(qū)域，獲得吳章組稻田土壤各養(yǎng)分含量的預(yù)測值。

使用ArcMap軟件中的統(tǒng)計分析工具，即可獲得吳章組水稻種植區(qū)各田塊各養(yǎng)分含量的平均值[24]。

1.3.4 基于地力施肥模型構(gòu)建方法

通過“3414”試驗，根據(jù)氮肥、磷肥、鉀肥施用量與相應(yīng)產(chǎn)量之間的關(guān)系，分別進(jìn)行三元二次回歸分析、二元二次回歸分析（設(shè)其中1個施肥量為定值）、一元二次回歸分析（設(shè)其中2個施肥量為定值），獲得4個施肥量與產(chǎn)量間關(guān)系的模型，三元二次方程的模型為：Y=a1X1+a2X2+a3X3+a4X1X2+a5X1X3+a6X2X3+a7X12+a8X22+ a9X32+a0；二元二次方程的模型共有3個，分別為：Y= a1X1+a2X2+a3X1X2+a4X12+a5X22+a0、Y=a1X1+a2X3+a3X1X3+a4X12+a5X32+a0、Y=a1X2+a2X3+a3X2X3+a4X22+a5X32+a0；一元二次方程的模型共有3個，分別為：Y=a1X1+a2X12+ a0、Y=a1X2+a2X22+a0、Y=a1X3+a2X32+a0。式中，Y為水稻每hm2產(chǎn)量，X1為每hm2氮肥施用量，X2為每hm2磷肥施用量，X3為每hm2鉀肥施用量，a0～a9為回歸系數(shù)。

圖1 土壤取樣點(diǎn)分布圖

將各回歸方程分別對X1、X2、X3求偏導(dǎo)或求導(dǎo)，根據(jù)N、P2O5、K2O的價格，PN=5元/kg，PP=6.25元/kg，PK= 6.17元/kg，稻谷的價格Py=3元/kg，可以計算出水稻最佳施氮量、施磷量及施鉀量。

通過對3年11個點(diǎn)水稻經(jīng)濟(jì)最佳施肥量與對應(yīng)土壤各養(yǎng)分含量進(jìn)行回歸分析，得到水稻經(jīng)濟(jì)最佳施肥量與對應(yīng)土壤各養(yǎng)分含量之間的關(guān)系模型[4，18，25-26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量分布圖

分別以24個隨機(jī)采樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分含量為依據(jù)，對吳章組稻田養(yǎng)分含量進(jìn)行進(jìn)行克里金插值分析后，得到該組稻田各養(yǎng)分預(yù)測含量分布圖。

由圖2可知，吳章組稻田堿解氮含量基本呈北高南低的趨勢，最高含量為218.357 mg/kg，位于吳章組稻田的東北角處，最低含量為118.680 mg/kg，位于吳章組稻田的中部地區(qū)。

由圖2可知，吳章組稻田速效磷含量基本呈南高北低的趨勢，最高含量為21.985 mg/kg，位于吳章組稻田的南部地區(qū)，最低含量為3.982 mg/kg，位于吳章組稻田的東北地區(qū)。

由圖2可知，吳章組稻田速效鉀含量差異較大，其最高含量為417.102 mg/kg，位于吳章組稻田的偏西部地區(qū)，最低含量為60.682 mg/kg，位于吳章組稻田的中部地區(qū)。

2.2 田塊土壤養(yǎng)分含量平均值

采用ArcMap軟件中“Zonal Statistics as Table”工具，分別對土壤養(yǎng)分預(yù)測含量分布圖進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算出吳章組各稻田的土壤養(yǎng)分含量均值（表1）。該組總計稻田614塊，田塊面積相差較大。

圖2 堿解氮、速效磷和速效鉀含量分布圖

表1 吳章組各稻田養(yǎng)分含量均值和水稻推薦施肥量

2.3 水稻推薦施肥量

通過對3年11點(diǎn)水稻經(jīng)濟(jì)最佳施肥量與對應(yīng)土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行回歸分析，可得到水稻經(jīng)濟(jì)最佳施肥量與對應(yīng)土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系模型。

土壤堿解氮含量與水稻經(jīng)濟(jì)最佳施氮量關(guān)系模型為：Y=0.0134X2-4.86X+556.46；土壤速效磷含量與水稻經(jīng)濟(jì)最佳施磷量關(guān)系模型為：Y=-0.14X2+0.13X+ 89.19；土壤速效鉀含量與水稻經(jīng)濟(jì)最佳施鉀量關(guān)系模型為：Y=812.41X-0.49。以吳章組稻田土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均值為自變量，計算出各稻田的氮、磷、鉀肥施用量（表1）。由表1可知，吳章組614塊稻田氮肥施用量最高為168.61 kg/hm2，最低為134.51 kg/ hm2；磷肥施用量最高為87.43 kg/hm2，最低為22.66 kg/ hm2；鉀肥施用量最高為108.58 kg/hm2，最低為42.11 kg/hm2。

3 結(jié)論與討論

本文根據(jù)土壤養(yǎng)分含量存在明顯的空間變異性的特點(diǎn)，通過測定24個取樣點(diǎn)的土壤各養(yǎng)分有效含量，利用ArcGIS軟件，生成吳章組稻田土壤各養(yǎng)分含量分布圖，預(yù)測吳章組總計614塊稻田各養(yǎng)分含量，并計算出614塊稻田各養(yǎng)分含量均值。同時，結(jié)合“3414”試驗，建立最佳經(jīng)濟(jì)施肥量與土壤有效養(yǎng)分含量間的關(guān)系模型，分別根據(jù)最佳經(jīng)濟(jì)施肥量與土壤各有效養(yǎng)分含量間的關(guān)系模型，計算出吳章組各稻田的氮、磷、鉀肥適宜施用量。

該研究方法與傳統(tǒng)施肥方法相比，通過測定少量取樣點(diǎn)的土壤各有效養(yǎng)分含量，結(jié)合基于地力施肥模型，根據(jù)土壤各有效養(yǎng)分含量，推薦不同地力下的肥料施用量，解決了傳統(tǒng)施肥不考慮土壤條件的問題。但也需進(jìn)一步研究：1）山地稻田土壤養(yǎng)分空間插值分析方法的選擇；2）田塊各養(yǎng)分含量均值計算方法的選擇；3）基于地力施肥模型的精確性。

合理施肥對提高水稻產(chǎn)量、改善水稻品質(zhì)和保護(hù)環(huán)境起著舉足輕重的作用。本研究采用的基于GIS山地村域水稻推薦施肥方法，綜合考慮土壤養(yǎng)分的空間變異性、土壤有效養(yǎng)分含量與施肥量間的關(guān)系，為精細(xì)農(nóng)業(yè)在山地地區(qū)的推廣應(yīng)用提供了一種新方法，同時避免了對每塊稻田進(jìn)行土壤有效養(yǎng)分含量測定后確定施肥量的不現(xiàn)實性。

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Study on Recommend Fertilization Dosage of Rice at Village-region in Mountainous Area Based on GIS

MU Guiting,FENG Yuehua,LI Jie,HUANG Yougang,XU Guiling,Ye Yong,Guan Zhengce,ZHANGg Jiafeng,TANG Xin
（Guizhou University,Guiyang 550025,China;1st author:137098354@qq.com;*Corresponding author:fengyuehua2006@126.com）

In order to explore rational fertilization of rice at village-region in mountainous area,the‘3414’fertilizer experiment was carried out in Wuzhang Group,Wenxing Village,Jiuzhou Town,Xixiu District,Anshun City,Guizhou Provincein in 2014-2016.The fertilization model is set based on the experiment data from 11 different testing points in 2014-2016 by regression analysis.The distribution maps of each soil available nutrient content（SANC）were created respectively by spacial interpolation analysis,the data of SANC from 24 random sampling points at the testing field through ArcGIS software,and predicted the SANC of all Wuzhang Group’s fields.So we could give suitable fertilization amounts for the fields according to the SANC calculated by the fertilization model based on the soil fertility.

rice;GIS;soil nutrient;fertilization model;fertilization dosage

S511.062

A

1006-8082（2017）04-0119-04

2017－06－25

國家自然科學(xué)基金（31360311；31160263）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503118-03）；貴州省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項目（黔科合NY[2011]3085號；黔科合NY [2013]3005號、黔科合支撐[2016]2563號）；貴州省作物學(xué)省級重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)計劃（黔學(xué)位合字ZDXK[2014]8號）；貴州省普通高等學(xué)校糧油作物遺傳改良與生理生態(tài)特色重點(diǎn)實驗室項目（黔教合KY字[2015]333）