县域测土配方施肥综合信息服务系统基础数据库研究

方 舒，郭 熙*，毛平丰，朱安繁 ,叶英聪

(1.江西农业大学/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌330045；2.江西省万年县土壤肥料工作站，江西 万年335500；3.江西省土壤肥料技术推广站，江西 南昌330046)



县域测土配方施肥综合信息服务系统基础数据库研究

方 舒1，郭 熙1*，毛平丰2，朱安繁3,叶英聪1

(1.江西农业大学/江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌330045；2.江西省万年县土壤肥料工作站，江西 万年335500；3.江西省土壤肥料技术推广站，江西 南昌330046)

摘要：将万年县耕地土壤采土检测的数据进行上图并核实空间位置的准确性以及数据的可靠性，并且对万年县第二次土壤普查相关数据进行处理，提取耕地土壤类型等相关信息，并在实地予以核实校对。在此基础上，按照测土配方施肥综合信息服务系统功能的要求，构建了土壤类型数据、土壤养分数据、地形坡度数据、水稻需肥信息、肥料利用率信息库等数据库，并建立了实体-关系模型(E-R)，按综合相关信息以及生产能力划分万年县水稻施肥单元，构建了基于施肥单元的基础数据库，并依据测土配方施肥综合信息服务系统相关施肥模型计算不同施肥单元的肥料施用量与施用方案，推荐了万年县水稻施肥各个施肥单元的配方。

关键词：水稻；测土配方施肥；基础数据库

0引言

测土配方施肥技术是使化肥在农业生产中的正面作用最大化，同时又使化肥对农业生产的负面效应最小化的最佳途径，也是现阶段建立科学施肥体系的核心技术[1]。由于当前耕地资源管理水平不高，测土配方施肥项目产生了海量的数据[2-3]，需要有一套科学的方法来管理它们，由于当时技术水平有限，第二次土壤普查取得的数据，随着时间变迁，部分数据濒临消失[4]。利用先进的信息技术和网络技术，开发应用测土配方施肥专家系统，可使广大农民能够及时、便利地分享施肥专家的经验和知识，这是推广测土配方施肥技术的有效途径[5-7],通知中要求：“选择工作积极性高、基础条件好、县域测土配方施肥专家咨询系统符合要求的县(市)，以12316农业信息服务平台或当地主要农业信息服务平台为主，开展测土配方施肥综合信息服务试点工作，采用农民听得懂的语音、看得懂的信息、收得到的方式，指导农民选肥、用肥。”

江西省万年县作为江西省第一家开发县域测土配方施肥专家咨询系统试点单位，自2013年就开展了这项工作的前期准备工作， 完成了田间采土、检测以及现场验证等工作，为万年县测土配方施肥综合信息服务系统的开发与建设打下了坚实的基础。开展万年县测土配方施肥综合信息服务系统基础数据库建设，主要是为了进一步摸清万年县耕地(尤其是水田)耕层土壤的养分状况，同时构建一个适合万年县测土配方施肥综合信息服务系统使用的关于万年县水田耕层土壤(包括土壤质地、养分状况、水稻需肥规律、水稻施肥专家知识等综合信息)的基础数据库。

1数据库建设需求分析和设计思路

1.1数据库需求分析

数据库应管理万年县测土配方施肥过程中所需的各种数据，建立施肥决策专家系统，为测土配方施肥工作提供科学、方便管理及施肥辅助决策。

数据库应能满足基于B/S架构[8-9]，能够发布在互联网，使用户通过电脑上网即可使用产品，查询测土配方施肥建议；应提供基于Android系统的智能手机软件，满足用户使用手机查询的需求；应提供基于短信的查询方式，满足网络不通畅地区的用户使用短信查询的需求。

在测土配方施肥工作中，属性数据库建设是一项非常重要的基础性工作。属性数据库的录入和管理是对数据进行综合分析、利用、挖掘的基础。就是将在测土配方施肥各环节中成果以数据的形式沉淀下来，通过开发通用性的测土配方施肥属性数据库管理系统，建立规范化和标准化的测土配方施肥属性数据库，能为科学决策、指导施肥提供良好的数据支持[10, 11]。根据测土配方施肥项目要求，按照《测土配方施肥数据管理系统》的标准要求，紧扣测土配方施肥数据管理系统属性数据采集工作，对“字典管理”进行修改和完善，初步形成基础资源数据，实现对数据的深入挖掘利用。对数据各录入环节从技术手段上充分予以保障，全部数据入库前都要进行严格的审核，保证入库数据都能满足专家系统规程中数据字典的要求，为今后工作打下良好的基础[2,12]。

1.2数据库设计思路

一方面将万年县耕地土壤进行采土检测的数据进行上图并核实空间位置的准确性以及数据的可靠性，另一方面对万年县第二次土壤普查相关数据进行处理，提取耕地土壤类型等相关信息，并在实地予以核实校对；在此基础上，按照测土配方施肥综合信息服务系统功能的要求，构建土壤类型数据、土壤养分数据、地形坡度数据、水稻需肥信息库，肥料利用率信息库等数据库，综合相关信息以及生产能力划分万年县水稻施肥单元，构建基于施肥单元的基础数据库，并依据测土配方施肥综合信息服务系统相关施肥模型计算不同施肥单元的肥料施用量与施用方案，建立万年县水稻(早稻、晚稻)施肥的配方(图1)。

图1　构建测土配方综合数据库流程

2数据库对象关系(E-R)模型的构建

数据库设计的核心工作是将地理现实抽象成计算机能够处理的数据模型。由于人们理解地理现象的方式与计算机处理数据的方式相去甚远，直接将地理现实描述成计算机数据模型有较大困难。在数据库设计过程中，通常经过现实世界到概念模型、逻辑模型，最后到物理模型的多次转换，最终建立计算机能够处理的数据模型。所以，建立数据过程的概念模型是建立数据库的很重要的一个过程。本系统的数据库设计采用 “实体-关系”方法来建立数据库的概念模型(E-R模型)[13-15]。在这个过程中，不考虑特定的硬件和软件环境，不考虑信息在计算机内部组织和存储的细节，只需要根据数据信息抽象出各个实体、实体的属性以及实体间的关系即可。

2.1实体分析

要建立实体关系模型首先必须从用户需求当中确定实体以及属性。实体是现实世界能够相互区别并且可以被人们所认识的物、事以及概念等的抽象，一般实体拥有若干特征，而这些特征叫做属性，每个实体的属性都会有具体的取值；实体一般具有唯一的主键，也是所谓的标识码，即能够用来标识实体的属性或者属性组；当然实体也可以具有外键，它在本实体中仅仅是一个属性，但在另外一个实体中被当作主键。

经过对系统推荐施肥的数据进行研究分析，可以找到明显的实体：田块、作物、养分、肥料。同时对推荐施肥所用的施肥模型进一步研究，发掘出田块类型也是实体。另外，推荐施肥所需要的土壤养分数据，一般都可以通过田间采样并通过实验室化验分析得到，在这个过程中土壤样品、采样方案、土壤化验指标都是实体(表1)。

表1　系统中的实体

2.2关系分析

建立实体关系模型的第二阶段就是根据第一阶段确定的实体以及用户描述分析实体之间的关系。关系是对实体之间联系的描述，基本的关系有3类：(1)一对一的关系代表实体A的一个实例相应地对应实体B的一个实例。此时，实体B作为实体A的一个属性；(2)一对多的关系则表示实体A的一个实例可以对应实体B的多个实例。通常是实体A的主键与实体B的外键之间建立一对多关系。本文中地块与土壤采样方案、地块类型与地块、土壤采样方案与土壤样品都是这种一对多的关系；(3)多对多的关系表示实体A的一个实例可以对应实体B的多个实例，同时实体B的一个实例对应实体A的多个实例。这种关系较为复杂，分析研究起来也稍微困难一些。

通过对测土配方施肥模型的研究分析，可以总结实体之间的关系情况，最终利用VISIO软件绘制出E-R图(图2)。

3耕地信息及样点信息空间数据库构建

利用2013～2015年万年县土壤采样点信息，收集第二次全国土地调查的耕地图斑、地形图、土壤类型图等资料形成各耕地图斑的土壤基础信息数据库(图3～图5)。通过对万年采样点土壤养分数据进行空间分析，进行土壤pH、N、P、K等分布规律的预测，建立万年县土壤养分数据库；通过田间小区试验数据获得水稻生长和田间管理数据，建立水稻生长知识库、田间管理知识库和水稻施肥模型库。然后，对多源数据进行融合，形成万年县水稻施肥配方库。最终通过空间数据库技术形成基于Geodatabase的万年县水稻测土配方综合数据库成果(图6)。

4基于养分平衡逐步调整思路的施肥模型参

数库的建立

养分平衡逐步调整法的基本原理是从长期保护耕地地力的角度出发，根据作物对养分的总体需求，密切结合农户当前施肥习惯，提出较为合理的肥料基准用量，并按照土壤肥力状况逐步调整肥料的实际用量，从而制定相对科学、比较切实可行的施肥方案，达到保护耕地地力，控制环境污染，协调作物、土壤、肥料间的相互关系，提高作物产量，改善作物品质，增加施肥整体效益的目的。

根据作物的目标产量查出对应产量水平下的肥料养分基准用量，根据某个施肥单元的土壤测试结果查出相应的养分丰缺调整系数，则可计算出肥料养分实际用量，公式如下：

肥料养分实际用量=作物产量/100×肥料养分基准用量×养分丰缺调整系数

其中，养分丰缺调整系数=1 kg养分/100 kg产量。

4.1养分基准用量参数

初步估算肥料养分基准用量后，要结合田间试验、田间示范、植株测试等资料对肥料养分基准用量进行修正。

图2　施肥数据库E-R图

图3　万年县耕地土壤样点分布

对于水稻而言，氮肥不易被土壤固定，易挥发流失，随水损失，可以根据肥料效应田间试验回归分析的结果来调整氮肥的用量；而磷肥、钾肥容易被土壤固定，能够为作物长期利用，可以从养分总体平衡的角度出发，根据作物对养分的需求量(植株测试获得)来调整磷肥、钾肥用量。

通常地，如果农户按照本方法制定的施肥方案进行施肥，经过一段时间后，重新对土壤进行测试，如果发现土壤某个元素的含量有较大幅度的提高或减少，必须及时修正肥料养分基准用量；甚至有的区域出现因为施肥原因产量没有达到预期效果，也必须及时修正肥料养分基准用量。

根据万年县农户施肥习惯和地形地貌、土壤养分情况以及历年“3414”测土配方施肥试验结果计算得到万年县施肥模型参数库如表2～表5。

图4　万年县耕地图斑分布

4.2土壤养分丰缺指标分级界限及调整系数确定

土壤养分丰缺指标理论上应该由室外田间试验或室内盆栽试验结果得出，但在农业生产实践中很难获得。

养分平衡逐步调整法暂不过多考虑作物对养分的敏感程度，直接将土壤养分测试值按中间多、两头少的原则划分为若干个等级，确定每个等级的分级界限，然后参考相关试验结果、第二次土壤普查资料以及专家经验，适当调整分级界限(表5)。

表2　万年县每100 kg早稻肥料基准用量 kg/hm2

表3　万年县每100 kg中稻肥料基准用量 kg/hm2

表4　万年县每100 kg晚稻肥料基准用量 kg/hm2

表5　土壤养分丰缺指标体系

4.3肥料分施方案

方案中提出配方肥中主要营养元素的养分比例，用于指导肥料生产企业按方生产配方肥；农户施肥建议，通常必须明确给出针对具体施肥单元的作物施肥建议，施肥建议的主要内容包括施肥时期、施用方法、施用数量(肥料实物用量)等(表6)，用于指导农户施肥实践。

一般地，配方肥(大配方)的养分比例要能满足该区域作物对肥料养分的基本需求；更精确地，某个特定施肥单元的土壤测试值、目标产量等因素有差异，可能需要进行小调整，也就是补充少量单质肥料。

表6　肥料分施方案 %

4.4肥料信息参数库

根据肥料种类整理万年县主要肥料品种信息如表7。

5案例计算与配方方案

以万年县陈营镇南岗村057号地块为例，该地块基本信息和施肥方案如图7～图8。

图5　万年县耕地土壤养分分布、地貌类型分布表7　肥料信息参数

编号肥料名称养分含量/%NP2O5K2O肥料价格/(元/kg)忽略用量/(kg/hm2)微量元素仅做基肥仅做追肥A101尿素46001.807.5是A102碳酸氢铵17000.5315.0是A103氯化铵24000.7015.0是A201钙镁磷肥01000.4415.0是A202过磷酸钙01000.4515.0A301氯化钾00602.107.5是A302硫酸钾00502.007.5是B10150%玉露牌配方肥(22-11-17)2211172.207.5锌B10245%玉露牌配方肥(20-10-15)2010152.007.5锌C10145%复合肥(15-15-15)1515152.007.5C10225%复混肥(11-5-9)11591.067.5

图6　万年县陈营镇测土配方施肥单元分布

6讨论

该研究将土地“二调”耕地数据与农村土地承包经营权确权资料相叠合，以耕地图斑为研究对象，参照多种基础数据，进行多源数据融合，保证了数据的可靠性；该基于B/S架构的数据库，能够直接提供电脑端、Android系统终端及手机短信方式的用户查询，满足各类不同人群对测土配方施肥方案结果数据的需求；该综合数据库的建立，摸清了整个万年县县域的耕地质量，提供精确的县域的施肥分区及其相应的配方方案，为施肥的科学管理提供决策依据，为农民提供实时的、精确的施肥服务，指导科学种田。

图7　万年县陈营镇南岗村057号地块的基本信息

图8　万年县陈营镇南岗村057号地块施肥方案

将GIS与农业信息相结合是农业发展的大趋势，也是进入“互联网+”时代的重要标志。作为江西省试点项目，万年县测土配方施肥综合信息服务系统基础数据库的成功建立，将有力地促进江西省智慧农业的发展，为江西省测土配方施肥信息服务探明新的途径，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

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(责任编辑：许晶晶)

收稿日期：2015-12-03

基金项目：江西省研究生创新专项资金项目(YC2015-S197);江西省赣鄱英才“555”领军人才项目“鄱阳湖流域农业资源利用和生态的研究与应用”(201295)和江西省测土配方施肥。

作者简介：方舒(1990─)，女，安徽歙县人，硕士研究生，从事农业资源利用与“3S”研究。 *通讯作者：郭熙。

中图分类号：S126

文献标志码：A

文章编号：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