全 文 ：第 11卷 第 1期
2 0 0 3年 1月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．1
Jan．， 2003
稻田变量施肥作业图的形成与施肥模型应用 *
汪金舫 李本银 颜廷梅
(中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 对 130hm 弱 碱 性壤 质 水 稻 田 的 土 壤 养 分 空 间变 异 进 行研 究 ，将 田块 划 分 为 75m ×75m 的 网格 ，采 用
DGPs定位取 0～20cm 表层土样 281个，应用地统计学的方法对测定数据进行分析结果表明，土壤有机质、水解氮 、
有 效磷 和 有效 钾 等养分 的 空 间分 异特 性有 明显 差 异 ，75m 的取 样 间距 较好地 反 映土壤 养 分 的 空 间 变异 状 况。 利 用
土壤 养 分 丰缺 判 断指标 和 结合 Kriging内插 法 ，绘制 出养 分 的 空 间分 异 等 值 线 图 ，并 建 立 N、P、K 肥 变量 施 用 的数
学模 型。 水稻 施肥 试验 产 量稳 定保 持在 8250～9000kg／hm 。
关键词 水稻田 变量施肥 等值线图 数学模型
Mapping of variable rate fertilizing and model of fertilizer application in paddy field．WANG Jin Fang，LI Ben‘Yin，
YAN Ting‘Mei(Institute of Soil Science，Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008)，CJEA ，2003，11(1)：59～61
Abstract To obtain basic information for variable rate fertilizer for rice production，spatial variability of soil chemical
properties is evaluated in a slight alkaline paddy field of approximate 1 30hm ．Two hundred and eighty‘one surface soil
samples(0～20cm)are colected from each of the 75m×75m plots after harvest to investigate the spatial variability of
their chemical properties such as organic matter，hydrolysis nitrogen，available phosphorus，and available potassium ．
Geostatistical analysis is carried out to examine within‘field spatial variability using kriged maps and the contour maps of
soil nutrients are charted．Mathematic model of variable rate fertilizing iS established according to the criterion of soil nu—
trient，function of fertilizer and yield of paddy．The experiment shows that the yield of paddy can be stably retained in
8250～9000kg／hm by the adopted variable rate fertilizing．
Key words Paddy field，Variable rate fertilizing，Contour map，Mathematic model
变量施肥是实 现精准农 业种植管理最 重要的环节之一 ，是通 过对耕 地土壤 的逐 块 区别 管理 方式 确定最
经济、最合理的农业投入 ，以获得资源 、生态 、环境、经济效益等方面最高回报的一种管理策略。从 20世纪
90年代初我国开始引进精准农业的概念 ，近年来精准农业 已成为我国现代农业研究的热点 ，并开展了一定
规模的理论研究和生产实践。本试验研究了稻田土壤养分的时空分异特性 ，依据水稻产量与土壤养分供应
的相互关系和平衡施肥原理 ，初步确定了稻田土壤变量施肥的原则 ，绘制了土壤养分空间变异图，为实施稻
田精准种植变量施肥提供理论依据。
1 试验材料与方法
试验 在上海市奉 贤县 中国科学 院上海精准农 业试 验示 范基地 进行 ，供试 耕地 130hm ，由 20世 纪 60年
代与 70年代滩涂围垦而成，地势平坦开阔，土壤为中性和弱碱性壤土，pH值为 7，9～8，0，0～20cm耕层含
盐量为 0．8g／kg，地下水矿化度年均 5．1g／L，土壤有机质 12～14g／kg、速效氮 60．5mg／kg、速效磷 23．1mg／kg、
速效钾 230mg／kg、Hg0．034mg／kg、Pbl8．56mg／kg。将试验地划分为 75m×75m的网格 ，设 281个取样点 ，在
水稻种植前采集 0～20cm土层土壤样品，根据《中国生态系统研究网络观测与分析标准方法 ·土壤理化分析
与剖面描述》的标准，对土壤样品 pH、有机质 、有效氮等进行分析测定。应用上海精准农业技术有限公司、上
海交通大学机器 人研究所 、中国科学 院地 理科 学与资源 研究所合 作研制 的“精准 1号”测 产 系统对 试验地 水
稻进行 GPS定位 收获测定 。
* 中国科学院知识创新工程重要方向性项目“长江三角洲水稻精准种植技术体系的研究、集成与示范”(KZCX2-412)资助
收稿 日期 ：2002—06-26 改回日期：2002—07—18
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60 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
2 结果与分析
2．1 土壤养分的空间变异特性与取样网格设置
实施变量施肥的前提是充分了解土壤养分空间变异特性，在保证正确反映土壤 中各种养分空间变异特
有机质 水解氮 有效磷 有效钾
图 1 不同养分含量土壤样品数占总样本比例
Fig．1 Ratio of samples of different
soil nutrients tO total soil samples
性下，节省取样成本和采集一定量的土壤样 品一直是精准农业种植实
施 变量施肥首要研究 的问题 。不 同的土壤 养分所产生 的空间变异特 征
不一，Olsson J．等 分析研究农业土壤中近 20种地球化学元素含量的
空间变异结果表明，其变异是非线性变化，随机迭代模型能较好反映其
变化 。不 同种植作 物 、不 同土壤类 型 和土壤 利用方 式对 土 壤养分 的 空
间变异影 响很大 ，在尼 日尔典 型聚铁 网纹半 干 旱淋溶 土壤进 行 的珍珠
粟 田间试验结果表明，珍珠粟产量与土壤 pH、阳离子交换量等有显著
相关性 ，3～5m 的取样间隔最适宜。在 日本水稻田试验中将稻 田划分
为 5m ×10m 的 网格 ，20～30m 的取 样 间距 较好 地反 映稻 田表 层 土壤
pH、电导率 、总 N和总 C量及交换性钠含量的变化。40m的取样间距
较好地反 映土 壤 有 效磷 、矿 化 氮 和交 换 性 钙 和 镁 的含 量 变 化。50～
60m的取样间距较好地反映土壤 c／N率和交换性钾的含量变化。我国在粉砂质潮土小麦和玉米轮作地中
划分为 10m×10m的网格，对不同土壤含水率下 0～20cm土层和 80～100cm土层土壤 HN N、NO 一N、有
效磷等养分空间变异研究表明，22．4～58．5m间距取样能较好地反映其空间变异特性，土壤含水量不同其各
养分的空间结构不同 。
对 本试 验稻 田土壤样 品的分析结果表 明 ，75m 取样间距可较好地反 映土壤 中有机质 、有效氮 、有效磷 、有
效钾等养分的空间变异状况，在采用土壤养分丰缺值的判断指标进行区分后 ，这种由海相冲击物沉积发育的
土壤中有效磷和有效钾含量较高，在分别 占总样本 11％和 43％的土壤样品中有机质含量<15g／kg、水解氮
含量<60mg／kg，而土壤有效磷含量全部 >6．5mg／kg以上 ，有效钾含量 >65mg／kg(见图 1)。
2．2 水稻施肥模型的建立
建立相应的施肥模型是实施变量施肥的理论基础，据报道，20世纪 70年代美国 Ilinois州就建立了小麦
产量和土壤性质相关模型(CYSP)，90年代在平均管理水平下对 161个土壤数据更新和 22年小麦产量趋势
分析 ，并建立起更精准的模型。我国江苏省高产稻 田施肥量(折纯)580～590kg／hm 。上海市郊滨海盐土水
稻需 N试验结果 表 明，水 稻需 N 量与 叶龄 间有 良好的相关关系 ，并提 出不 同肥力不 同产量 水稻需 N 量(土
壤 一N+植株 一N)与 叶龄关 系 的多种 多项式 施 表 1 土壤养分分级指标
肥数学模 型。 Tab．1 Criterion of soil nutrients
本研究将试验稻 田土壤主要养分含量划分
为 5个 级 别 (见表 1)，采 用 综合 配 方法 于水 稻
GPS定位测产后 ，重新 回归校 正施肥 量 ，经 2年
田间试验建立 了依 据 土壤养 分含 量和 水稻产 量
的 N、P和 K施肥数 学函数模 型 ：
Y = 358．44—1．5959X (1)
项 目
Items
养分分级 Criterion of nutrients
极缺乏 缺 乏 中 等 丰 富 极丰富
Over—lack Deficient M ean Sumdent Over-rich
式中，y。为 N肥施用量(kg／hm )，X。为土壤水解氮含量(N mg／kg)。
Y2 = 100．74— 6．7442X2
式 中，y 为 P肥施用量(P O kg／hm )，X 为土壤有效磷含量(P mg／kg)。
Y3= 115．39— 0．5622X3
式中，y 为 K肥施用量(K O kg／hm )，X，为土壤有效钾含量(K mg／kg)。
施肥实践表明，水稻产量可稳定在 8250～9000kg／hm 。
2．3 水稻变量施肥作业图的生成
(2)
(3)
采 用该施 肥模 型进 行 水稻 变量
根据稻 田表层 土壤养分分析结果 ，采 用 Kriging最优 内插 法绘制 出反映 土壤 有机 质 、水解 氮 、有效 磷 和
有效钾含量的空间变异等值线图(见图2)。为便于实际施肥操作，本研究仅考虑 N、P、K肥的施用，采用表 1
土壤养分丰缺判断标准，根据上述各种肥料的施肥模型可计算出稻 田不同地块各种肥料需用量。若将这一
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第 1期 汪金舫等 ：稻 田变量施肥作业图的形成 与施肥模型应用 61
施肥 模 型 制 成 模 块 安 装
在智 能 机 械 上 即可 进 行
水 稻 精 准 变 量 施 肥 。 目
前 只 是 根 据 绘 制 出 的 土
壤养 分 空 间变 异 等 值 线
图进 行 人 工 变 量 施 肥 处
理 ，2年 变 量 施 肥试 验 水
稻 产 量 稳 定 在 8250～
9000kg／hm 。图 2a和图
2b表 明试 验 田块 的东 北
角养分含量均最高 ，有机
质含 量 > 15g／kg，水 解 氮
含 量 >90mg／kg；而 东 南
角养分 含量 均最 低 ，有 机
质含 量 < 15g／kg，水 解 氮
含量 <60mg／kg。统计 分
析结 果 表 明 土 壤 有 机 质
图 2a 土壤 有机 质 含量 分 布等值 线 图
Fig．2a The contour map of organic
matter content distribution
图 2c 土壤 有效 磷 含量 分 布等 值线 图
Fig．2c The contour map of available
phosphorus content distribution
图 2b 土壤水解氮含量分布等值线图
Fig．2b The contour map of hydrolysis
nitrogen content distribution
图 2d 土 壤 有效钾 含 量分 布等 值 线 图
Fig．2d The contour map of available
potassium content distribition
与水解 氮含量 间呈 显著
正 相 关 。在 田块 中部 水
解 氮含量 相对 较 低 (60～
90mg／kg)，故进 行 变量 施
肥 时 N 肥 应 多施 用 在 田
块 中部 。图 2c表 明 田块
中部有效磷含量较低 ，属
中 等 含 量 (6．5～ 13
mg／kg)，田块 东北 和西 北
角 含 量 最 高 (>35
mg／kg)，故 P肥多施在中
部较好 。 图 2d表 明整个
田块 土壤有 效钾含量 丰
富 ，仅 西 北 角 相 对 低 些
(125～ 165mg／kg)，其 他
地块均 >165mg／kg，故不
必施用 K肥 。
3 小 结
在海滩涂发育形成的中性和弱碱性壤质水稻田进行变量施肥试验结果表明 ，采用 75m×75m 的网格 ，利
用 DGPS定 位和地统计学 方法 及 Kriging内插法 ，可较 好地 反 映稻 田 0～20cm 表 层 土壤 多种养 分 的空间变
异特性；依据土壤养分空间变异状况所绘制的含量分布等值图，进行精准变量施用 N、P肥可满足水稻生产
的需要；根据土壤养分丰缺判断标准，结合水稻产量图和数学统计分析建立的 N、P、K肥变量施肥数学模
型，经过 2年试验验证取得较好的结果 ，使水稻产量稳定保持在 8250～9000kg／hm 。
参 考 文 献
1 胡克林 ，李保国，林启美等 农田土壤养分的空间变异性特征．农业工程学报 ．1999．15(3)：33～38
2 Olsson J．，Bahri A．，Persson M ．．et a1．Nonlinear and scaling spatial properties of soil geochemical element contents．W ater Reso urces Re．
search，2001．37(4)：1031～1042
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