淺談GIS在土壤養分資源利用方面的應用與展望

彭夢蘇 王冬梅 孫禹 邵超 許翠華 張義彬 郭來春

摘要：在目前農業發展中，如何合理利用土壤的養分以達到合理施肥前提下提高作物產量是現在農業面臨的重要問題之一，而GIS技術的發展給解決這個問題提供了強有力的技術支持。該文簡述了GIS在土壤養分資源方面的應用，分別從地力評價、養分空間變異以及精準施肥方面進行了介紹。并對GIS技術在以后土壤養分管理方面的發展方向進行了展望。

關鍵詞：GIS;地力評價;養分空間變異;精準農業

隨著世界人口的不斷增長，必須增加糧食產量才能滿足日益增長的人口需求，增加糧食產量的途徑包括擴大耕地面積和提高單位面積產量，然而根據現狀繼續擴大耕地面積的潛力不大，所以決定了必須提高單位面積產量，根據聯合國糧食及農業組織（FAO）統計，化肥在農作物增產份額中占40%～60%，同時過量的施肥會造成環境的破壞，如何合理利用土壤的養分以達到合理施肥前提下提高作物產量是現在農業面臨的重要問題之一。

地理信息系統即GIS（Geographic Information System），是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統設計支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題[1]，是近幾年新興產業，是一個空間型的信息系統，計算機支持是其重要特征，其輸入、管理和輸出的數據信息具有空間性和動態性特征[2]。隨著GIS技術的發展，在農業中的應用日趨廣泛，也給農業養分資源利用乃至綠色農業發展帶來了更多的可能性。

1? ? GIS在土壤養分資源利用方面的應用

1.1? ?在耕地地力評價方面的應用

耕地是農業發展的重要物質基礎，是獲取糧食的重要生產資料，同時耕地的質量和數量，也是直接影響農業產業結構，農產品質量的重要因素[3]，通過耕地的地力評價掌握區域耕地地力情況，可以為實現耕地保護、農業綠色發展提供重要的理論依據[4]。隨著GIS技術的發展，使耕地地力評價走向了定量化和自動化，也使得耕地地力評價的工作開展更為深入、更為高效[5]。

GIS在地力評價中主要是將土地的屬性信息與空間信息整合，結合專家打分、層次分析、模糊數學等方法進行綜合評價每個因子的權重，然后根據空間分析、地統計分析等模塊進行屬性信息分析，最后通過空間插值模塊將耕地地力級別通過地圖方式直觀展現出來。如：張海濤等[6]利用GIS，將層次分析的原理和方法引入耕地地力評價以確定參評因子的權重，快速準確地對江漢平原后湖地區的耕地自然地力進行了綜合評價。王瑞燕等[7]在GIS技術的支持下，通過模糊數學等方法和模型對青州市耕地進行地力等級的評價，并通過驗證青州市地力等級統計狀況，證明了GIS技術在耕地地力等級評價方面的科學性和合理性。陳雪梅等[8]在GIS支持下，對黃山市耕地地力等級進行了評價，并對市級及其縣級地力等級的差值進行比較研究和分析，結果實現了不同區域之間的地力等級可比性，對市級地力匯總評價具有一定指導性意義。白根川等[9]通過GIS平臺，運用層次分析法以及模糊數學法對平昌縣耕地進行了地力綜合評價，同時驗證了GIS可以快速有效地對耕地地力進行評價，還可以更方便快捷地更新耕地資源信息。周俊等[10]采用層次分析法和模糊數學法和綜合指數法，運用GIS軟件計算耕地綜合自然要素的指數來表示和區分耕地地力，并根據指數值的大小把張掖市耕地劃分為一等地、二等地、三等地、四等地和五等地五個等級。朱海娣等[11]通過采用GIS平臺將土壤屬性數據通過克里金和反式距離權重進行插值，生成柵格數據，用均方差或均差作為評估插值效果的標準，最后獲得合肥市耕地地力評價單元數據。

1.2? ?GIS在養分空間變異方面的應用

土壤的養分是維持植物生長的重要來源，但是受母質、地形、氣候、生物等因素影響其具有高度的空間變異性，尤其在大尺度上更為明顯，這不僅降低了施肥的準確性，同時也降低了肥料的利用率，過量的施肥也同時帶來了土壤的污染。

以往土壤養分空間變異性的研究方法是采用Fisher的統計方法進行，但是這種統計理論值是基于純隨機變量，隨著人們對土壤養分空間的變異性認識逐漸深入，發現許多土壤性質在空間上不屬于純隨機變量，而是在空間上具有一定的相關性[12]。隨著地統計學和GIS、GPS的有效結合，極大地促進了土壤養分空間變異的研究[13]，GIS所具有的強大空間分析功能和可視化展現能力，為相關環境因素對土壤性質空間變異性的影響研究提供了強大的分析工具。在應用過程中，通常情況下是將土壤性質的影響因素作為輸入集，結合構建模型進行研究。大量研究表明，變異函數和克里金插值法在土壤養分空間變異的研究中取得了很大的成功，并得到了廣泛的應用[15，16]。程先富等[17]在GIS的支持下，將土壤有機質和全氮作為輸入集，生成樣點圖，并根據變異函數為理論模型，通過克里金插值得出土壤表層全氮和有機質含量的空間分布格局。宋云等[18]基于GIS平臺，將有機質、全氮、有效磷和有效鉀作為輸入集，運用地統計學和疊置分析等方法，研究了崇明三島表層土壤主要養分空間分布特征，揭示了崇明三島存在一定程度施肥結構不合理的問題。吳美玲等[19]通過克里金插值以及空間自相關分析，和地統計學的半變異分析，研究了黔西北山區土壤養分狀況及空間變異規律。陳桂香等[20]采用GIS和地統計學相結合的方法，分析了福州市農田土壤養分的空間分布特征及其與地形等因子的相關性，結果說明有機質、堿解氮與地形起伏度、高程及坡度等呈顯著正相關，而與有效磷和速效鉀呈顯著負相關。

1.3? ?GIS在精準施肥方面的應用

精準施肥就是把農作物生長的農田分成若干網格為單位的操作單元，并依據每一塊操作單元上的土壤養分時空變異規律以及作物養分平衡規律，調整化肥的施入量以達到合理投入、增加收入和保護農業生態環境的目的[21]。

在精準施肥管理中GIS系統是核心，首先通過GPS（全球定位系統）和GIS平臺將獲取的田塊位置信息、土壤養分數據以及作物生長信息進行整合分析，生成帶有土壤養分數據庫的地圖數據，再根據計算機軟件制成具有實效性和可操作性的田間土壤養分管理信息系統。然后，農業機械則按照田間每一操作單元（位點）上的具體特性，通過變量控制等技術，調整肥料的用量，最大限度地滿足作物需求同時達到減少浪費、提高經濟效益、保護農業生態環境的目的[22]。熊柳梅[23]等運用GPS以及GIS系統在廣西柳江縣4塊水稻田進行了精準施肥與常規施肥對比試驗，試驗結果表明，運用GPS和GIS技術進行精準施肥均比常規施肥增產，增產率達5.6%，且節省了開支，平均減支579.0元/公頃，平均增收1276.1元/公頃，達到了減支、增產、增收目的。隨著互聯網技術的發展，網絡GIS（WebGIS）使精準施肥研究上升了一個新高度。許鑫等[25]基于GIS平臺，利用元數據和和WebGIS技術，建立了小麥生產精準施肥決策系統，實現了小麥處方信息的多源和多系統自由共享。李文文等[24]以國內外典型的精準施肥理論為基礎，運用計算機網絡技術和3S（GPS、GIS以及RS）集成技術，開發出精準施肥專家系統，針對不同農作物和土壤現狀，能夠及時、有效地收到來自施肥專家提供的相應的施肥建議，同時還能為用戶提供圖文并茂的農業百科知識。司秀麗等[26]通過WebGIS平臺設計了玉米精準施肥系統，實現了玉米施肥分析、效益分析等功能，并且實現了地理空間信息的網絡發布，使用戶能夠更方便的獲取信息。王嬌嬌等[27]結合常用的施肥模型，集成移動GIS實現了農田精準施肥系統。既實現了GIS分析功能和可視化功能，同時該系統使用方式更靈活、方便，相對于桌面端或Web端，對使用人員技術要求低，更利于系統普及，更適合目前中國家庭農場的現狀。

2? ? GIS在土壤養分資源利用方面的應用前景

隨著GIS技術的發展，在我國土壤養分資源利用方面應用日益廣泛，在我國農業領域的地位也日益重要起來，在養分資源利用方面的應用趨勢主要有以下4個方面：

1.隨著土壤養分數據迅速增長，以及影響土壤養分因素的多樣性和復雜性的增加，使得這些大型的、動態的、不確定的數據需要更全面、更精準的模型進行分析預測，如何加強專業模型與GIS的整合，成為今后GIS在土壤養分研究乃至整個農業問題研究中的一個重要的發展方向。

2.完善與網絡的結合。WebGIS可以將空間信息網絡化，使用戶可以更便利地查詢，分析土壤空間信息，實現土壤信息的多元共享以及輔助決策和管理，降低農業生產成本，大大提高農業生產效率。隨著5G的到來，移動GIS也將會在農業發展中呈現更多的可能性。

3.與三維技術結合的發展。二維GIS空間分析功能常常具有一定的局限性，無法實現地質分析、坡度分析、剖面分析、日照分析等高級空間分析功能，三維GIS不僅能實現這些功能，還具有動態交互可視化功能，可以把抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，為農業問題分析提供更多維度空間分析功能。

4.與遙感技術以及GPS技術的集成發展。3S技術的集成，能夠動態監測土壤環境，為實時、準確動態監測提供了全新的前景，有助于采取合適的施肥措施，防止施肥過量造成的土壤質量破壞以及環境污染。

3? ? 結語

土壤是不可再生資源，怎樣高效利用土壤養分進行合理施肥，不僅關系到人民生計，也關系到土壤的可持續發展。GIS空間問題的超強處理能力給土壤養分管理以及土壤的可持續發展帶來了強有力的技術支持，因此，應該廣泛應用GIS在土壤方面以及農業其他領域所發揮的長處，使GIS能夠給農業發展帶來更廣闊的前景。

參考文獻：

[1] 黃杏元，馬勁松.地理信息系統概論[M]，北京：高等教育出版，2008：10-12.

[2] 龔宇，王璞，王聰玲，等.GIS在現代化農業中的應用研究[J]. 農產品加工（學刊），2005（6）：34-39.

[3] 馬文杰，馮中朝.2005.糧食綜合生產能力與耕地流失的關系研究.農業現代化研究，26（s）：353-357.

[4] 張艷粉，任圓圓，陳偉強.基于GIS的洛陽市耕地地力評價研究[J].河南農業大學學報，2013，47（4）：470-474.