精準養(yǎng)分管理小麥玉米水稻施肥模型的建立

1、精準養(yǎng)分管理 小麥、玉米、水稻施肥模型的建立張寧，金繼運（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，北京 100081）玉田縣位于河北省唐山市區(qū)的西北部， 地處京、津、唐三市的中心。面積1165km2，其中耕地面積 7.47×104ha。土壤以褐土和潮上為主，褐土面積3.55×104ha，潮土7.98×104ha，在潮上中沼澤化潮上占3.99×104ha，主要分布于玉田縣南部十個封閉大洼內(nèi)。玉田縣北部是山區(qū)，屬于燕山山脈，全縣北高南低，土壤呈帶狀和垂直分布，北部為褐土帶，中部是潮土帶，南部和西部則是沼澤化潮上。從高度看，海拔15m以上為褐土帶，海拔在315m間以潮土

2、為主，海拔l3m處為脫沼澤化潮土，海拔1m處為沼澤化潮土和草甸土。據(jù)1989年及1990年二年統(tǒng)計資料，全縣10.53×104ha糧食作物，年施N1.8×104T，P2O5 0.69×104T，平均每季作物每公頃施N174kg，P2O5 66kg，在0.7×104ha大田上施用K肥0.3×104T，平均每公頃施112.5Kg K2O。 1989年開始中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土肥所與加拿大鉀磷研究所在合作研究中引進起始于美國北卡洛里納州立大學(xué)的國際土壤測試計劃中推行的系統(tǒng)研究法1，1990年在北京建立“中加合作土壤植物測試實驗室”。實驗室全套設(shè)備從美國國際

3、農(nóng)化服務(wù)中心引進，目的是能夠快速進行土壤、植株樣本的測試和進行土壤對養(yǎng)分的吸附測定，以配合系統(tǒng)研究法的進行。目前該實驗室一人操作每天能完成3060個土樣14個樣次的全部測定。1992年開始，中國農(nóng)科院土肥所與玉田縣農(nóng)業(yè)局合作，采用系統(tǒng)研究法在玉田縣4×104ha洼地上開展施肥推薦工作。第一年的工作從選擇的四個有代表性的鄉(xiāng)開始，每個鄉(xiāng)選近66.7ha的地塊，各取十個土樣進行土壤分析，并在其中一個大土樣上進行盆缽試驗2，檢查缺素反應(yīng)。1993年各鄉(xiāng)的地塊擴大至666.7ha，全縣取土樣100個，作物增加了西瓜和芹菜，1994年再次擴大到七個鄉(xiāng)2667ha耕地，取土樣100個。兩年來已進行

4、玉米試驗5個，示范98個，水稻試驗2個，示范14個，小麥試驗3個，示范14個。這些試驗和示范的資料為施肥模型的建立創(chuàng)造了條件。1 試驗示范的設(shè)計和土樣測定 試驗通常設(shè)47個處理三次重復(fù)，一個是推薦施肥量，其余大多數(shù)為磷鉀肥的半量或不施，再則是不施某種微量元素的處理。示范則很簡單，將農(nóng)戶的田塊一分為二，一半按推薦量施肥，一半按其原定方案施肥。試驗和示范都進行簡單的田間記載和測定單產(chǎn)。土樣中11種有效養(yǎng)分由“中加合作土壤植物測試實驗室”測定3。為進一步分析土壤對P、K和其它元素的吸附能力，實驗室采用在土壤樣品中分別加入一定體積而含有不同元素含量的溶液，自然風(fēng)干后，測定未被土壤吸附或固定的剩余量，從

5、而了解土壤對這些元素的固定能力，通常每種元素施入45個等級的濃度，土壤固定后的剩余量與施入量之間將得到一條擬合直線Y=ABX，式中Y是未被固定的量，X是施入量，A和B是直線的兩個系數(shù)，其中B值的大小正好反映了土壤對該元素吸附固定能力之大小，B值越大反映土壤吸附固定越少，B值小則反映土壤對該元素的吸附固定能力很強。目前實驗室測定七種元素，在建模中僅選用對P、K的吸附系數(shù)Sp、Sk。2 建模原始數(shù)據(jù)的準備 通常為建立一個施肥效應(yīng)函數(shù)的統(tǒng)計模型都是針對每一個田間試驗進行統(tǒng)計分析，取得一個特定的施肥模型。在一個地區(qū)如果進行了一批田間試驗，則存在一個匯總的問題，最簡單的匯總方法是幾個試驗相同處理的產(chǎn)量取

6、平均數(shù)。用此平均數(shù)建立一個施肥模型4。但面對所進行的少量田間試驗及大量的示范結(jié)果，如何根據(jù)這些資料建立起統(tǒng)計模型，采用以上的方法是很難完成的。我們采用的方法是把在玉米所進行的試驗或示范結(jié)果均看作兩個或多個的記錄所組成，每一個記錄除最后得到的產(chǎn)量外，還包括該示范點的土壤測試結(jié)果，肥料的施用量及其他和生產(chǎn)有關(guān)的參數(shù)。因此一個示范就取得兩個記錄，它們的土測值是相同的，但由于施肥量的不同，產(chǎn)量是不一樣的。對于一個試驗，則有多個處理和重復(fù)就有和總小區(qū)數(shù)相同數(shù)的記錄，這一批記錄上測試值是一致的，但不同處理由于施肥量的不同，產(chǎn)量就也不一樣?；谶@樣一個原則，整理兩年的資料我們?nèi)〉昧?87個用于玉米建模的記錄

7、，59個用于水稻和56個用于小麥的記錄。3 模型的建立3.1 直接測定值N-土壤銨態(tài)氮測定值 P-土壤速效磷測定位 K-土壤速效鉀測定值 S-土壤含硫量測定值 CA-土壤有效鈣測定值 MG-土壤有效鎂測定值CU-土壤有效銅測定值 FE-土壤有效鐵測定值 MN-上鑲有效錳測定值ZN-土壤有效鋅測定值 OM-土壤有機質(zhì)測定值 PH-土壤pH值 AN-氮素用量 AP-P2O5用量 AK-K2O用量 AMN-錳肥用量 AZN-鋅肥用量 AS-硫肥用量SP-磷的吸附系數(shù) SK-鉀的吸附系數(shù)3.2 交互項NP、NK、PK、OMN、OMP、OMK、ANAP、ANAK、NPAK、NAN、PAP、KAK、OMA

8、N、OMAP、OMAK、SPAP、SPP、SKAK、SKK、MNAMN、ZNAZN3.3 特殊項 CAMG、 MGK。CAMG即鈣鎂測定值的比值，MGK即鎂鉀測定值的比值3.4 二次項 ANAN、 APAP、 AKAK3.5 虛擬變量項 YEAR、EXP、V1、V2。 虛擬變量的取值只能為0或1。在本建模過程中，變量YEAR對于1992年的記錄取0，1993年記錄取1，變量EXP如是試驗結(jié)果取0，示范結(jié)果則取1。試驗和示范結(jié)果來自三個地域片，因此地域變量要兩個，即V1和V2。V1=0和V2=1代表第一個地域，V1=l和V2=0代表第二個地域，V1=0和V2=0則代表第三個地域。 應(yīng)用SAS統(tǒng)計

9、軟件包中的回歸分析過程進行逐步回歸，除去不顯著的因子，使推算值的均方差逐步減少，得到目前可以應(yīng)用的玉米、水稻、小麥三個施肥模型。 玉米施肥模型回歸系數(shù)值：常數(shù)項= 689.517586bAN= 44.657741 bAP=20.394223 bAK=15.15156946 bANAP=1.089569bAPAK=0.5737 bANAN=0.7165350 bAKAK=-0.32670 bN=-21.594704bP=-11.313209 bOM=-206.004105 bCA=-11.052630 bMG=-57.197878bMGK=9.591924 bS=0.304221 bFE=-2.

10、34081 bMN=2.490537bPH=-7.784967 bAMN=-83.878154 bOMAN=2.914611 bNAN=1.295709bKAK=-34.42145 bMNAMN=37.479218 bP=-0.066468 bKK=-3776.778815bPK=-28.357317 bOMN=5.550545 bMK=1104.836634 bYKAN=45142626bSP=170.720947 bSPP=29.690197 bSKK=16908 (表：表1 玉米模型的方差分析 )來源自由度方差平方和方差F檢驗值F值顯著的概率模型311446606.426946664.7

11、234534.6720.0001機誤252339160.226081345.87391總和2831785766.6530預(yù)測值均方差=36.68615 相關(guān)系數(shù)平方和=0.8101 相關(guān)系數(shù)平方和修訂值=0.7867小麥施肥模型回歸系數(shù)值：常數(shù)項=-8728.259bAN=13.2758220 bAK=247.430769 bANAP=2.698716 bANAK=-21.581681bANAN=4.847762 bAPAP=-1.413889 bAKAK=1.372191 bN=524.524461bCA=-192.462039 bMG= 874.826205 bCAMG=725.98838

12、1 bMGK=28.829760bS=10.681981 bCU=760.603304 bFE=-11.562173 bZN=-425.293747bAMN=338.78618 bAZN=-39.633942 bAS=10.675142 bOMAN=-119.42987bOMAK=9.204296 bNAN=-14.066411 bPAP=-2.524116 bMNAMN=117.636700bZNAZN=33.572752 bNN=-13.172758 bPK=168.767846 bBSPAP=21.444865bSKAK=56.327753 (表：表2 小麥模型的方差分析 )來源自由度方

13、差平方和方差F檢驗值F值顯著的概率模型29256020.014778828.2763741.6660.0001機誤285932.74594211.88391總和57261952.76431 預(yù)測值均方差=14.55623 相關(guān)系數(shù)平方和=0.9774 相關(guān)系數(shù)平方和修訂值=0.9539水稻施肥模型回歸系數(shù)值；常數(shù)項=4145.535628bAN=-175.534226 bAK=224.634740 bANAK=-3.525872 bAPAK=2.612075 bANAN=2.991773 bAPAP=-0.454182 bAKAK=-0.527907 bOM=-440.383860bCA=14

14、1.922071 bCAMG=-1403.253151 bMGK=-24.443743 bCU=-265.716984bFE=-13.384897 bAMN=58.346704 bOMAM=43.794835 bOMAP=-15.546598bOMAK=-14.897987 bNAN=5.309631 bKAK=-416.054321 bNK=-253.062716bSKAK= 56.327753 (表：表3 水稻模型的方差分析 )來源自由度方差平方和方差F檢驗值F值顯著的概率模型21115675.402025508.3524817.6740.0001機誤3310284.80634311.66

15、080總和54125960.20836預(yù)測值均方差=17.65392 相關(guān)系數(shù)平方和=0.9183 相關(guān)系數(shù)平方和修訂值=0.86644 模型的應(yīng)用三種肥料同時施用的標準二次多項式施肥模型是：Y=BO+B1N+B2P+B3K+B4N2+B5P2+B6K2+B7NP+B8NK+B9PK式中：Y是作物產(chǎn)量，N、P、K分別為三種肥料的用量，B1、B2B9為模型的系數(shù)。設(shè)Py為谷物價值 Pn 氮肥價格 Pp 磷肥價格 Ph 鉀肥價格 Rk 風(fēng)險系數(shù)風(fēng)險系數(shù)是一個應(yīng)該大于 1的常數(shù)， R的取值越大則施肥經(jīng)濟上將不合算的可能性就越小。一般取1.22之間較好。 施肥效益的生產(chǎn)函數(shù) T=Py×Y-(

16、 N×Pn×R+P×Pp×R+K×Ph×R)該生產(chǎn)函數(shù)分別對N、P、K施肥量取偏導(dǎo)數(shù)則為: 要取得T值極大，則令該階偏導(dǎo)數(shù)均等于零，解該方程組即可求得一定風(fēng)險系數(shù)下的N、P、K用量。 (圖：將方程組轉(zhuǎn)化成矩陣形式則為) (圖：則N、P、K的值可由下列矩陣方程式算出)由大田試驗和示范資料取得的施肥模型均可轉(zhuǎn)化為標準的二次多項式，轉(zhuǎn)化方法如下：B0 = b常數(shù)項+N×bN+P×bP+K×bK+S×bS+CA×bCA+MG×bMG+CU×bCU+FE×bFE+M

17、N×bMN+ZN×bZNOM×bOM+PH×bPH+AMN×bAMN+AZN×bAZN+SP×bSP+SK×bSK+N×P×bNP+N×K+bNK+P×K×bPK+OM×P×bOMP+OM×K×bOMK+SP×P×bSPP+SK×K×bSKK+CAMG×bCAMG+MGK×bMGK+YEAR×bYEAR+EXP×bEXP+V1×bV1+V

18、2×bV2B1=bAN+N×bNAN+OM×bOMAN B4=bANAN B7=bANAPB2=bAP+P×bPAP+OM×bOMAP+SP×bSPAP B5=bAPAP B8=bANAKB3=bAK+K×bKAK+OM×bOMAK+SK×bSPAK B6=bAKAK B9=bAPAK 根據(jù)這個轉(zhuǎn)換關(guān)系，當(dāng)我們?nèi)〉昧艘粋€新的土壤測試結(jié)果，將其代入不同作物的函數(shù)就得到一個能模擬該土壤條件下的施肥模型，通過解矩陣方程，就能得到適宜的施肥量推薦。為此，我們編寫了一個Excel軟件上的應(yīng)用程序。當(dāng)把土壤測試值輸入后，在屏幕的另