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”、“zui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zui广、效果zui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，zui后计算出应施用的化肥用量，其公式为：
肥料施用量（kg/亩）= （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，zui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zui高产量施肥量、经济zui适施肥量和zui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，zui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。
*，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zui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*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） | N | P2O5 | K2O | ||||||
>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 <90 | 550-600 450-550 350-450 250-350 <250 | 13-15 11-13 8-11 8 8 | 7.5 6-7 6 8 7 | 6-8 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） | N | P2O5 | K2O | ||||||
>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 <60 | 650-750 550-650 450-550 350-450 250-350 |
18-20 15-18 12-15 9-12 9 | 8-9 7-8 8 8-10 10 | 6-7 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） | N | P2O5 | K2O | |
>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 <90 | 750-900 600-750 500-600 400-500 300-400 | 18-23 16-18 14-16 12-14 12 | 8-10 7-8 7 8 10 | 8 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，zui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） | N | P2O5 | K2O | |
>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 50-75 | 18-19 17-18 16-17 13-15 13 | 8-9 7-8 7-8 8-10 10 | 10 |
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