测土推荐施肥适用技术路线的研究

段铁城，胡小宁

(1．河南农业大学，河南郑州450002;2．河南农大迅捷测试技术有限公司，河南郑州450002)

土壤养分的不均匀性和土壤取样的有限性，是土壤土样的测试值不能充分代表田间的养分的主要原因，为了解中国土壤养分的不均匀分布状态，国内学者进行了各种尺度的土壤养分空间变异的研究，查明了中国一些县域、乡域、村域的土壤养分空间变异情况［1～37］，它显示了中国土壤养分空间变异的严重性和普遍性．但是这些变异会造成多大的推荐施肥误差，尚未见有关定量计算的研究．前人土壤养分空间变异的研究提供了重要的研究基础，但只有把空间变异度和施肥误差控制定量地结合起来研究，才能真正发挥这些基础研究对土壤养分精准管理的科学指导作用．本研究在已有研究数据的基础上进行了统计分析，估测了这种空间变异可能带来的推荐施肥失误概率，分析了失误概率允许值与变异系数的关系，提出了以临界变异系数作为测土施肥适用技术路线的宏观决策的依据．

1 土壤养分空间变异对推荐施肥偏差的影响

根据中国土壤养分空间变异的研究文献［1～31］，按取样尺度的大小进行分类统计分析(表1)．

为了便于分析，假定:

表1 土壤养分的变异系数Table 1 Coefficient of soil nutrients variation

(1)施肥管理单元各地块各种养分的分布均服从正态分布N(μ，σ2)，没有偏移．

(2)选择的测土土样是一个具有代表性的理想混合土样，它的各种养分含量都恰是这个施肥管理单元各地块养分的均值μ．为了便于分析，认为代表性土样的养分值与推荐施肥的地块的实际养分水平的差异小于 ±Δ时，其推荐施肥就是有效的，否则就可能是无效或有害的．那么就可以推算出推荐施肥失误的概率．

为了计算，须首先对数据进行标准化处理，标准化变量:

式中:X为允许的推荐施肥量上、下限，X=(1±Δ)·μ．μ为均值，σ为标准差，CV为变异系数，Δ为推荐施肥量允许误差(%)．

设定Δ分别为10%，15% 和20%，代入(2)式，查标准正态分布表，即可得出在变异系数为CV时推荐施肥失误的定量表述(表2、表3)．

表2 土壤养分空间变异导致的推荐施肥失误概率Table 2 Failure probability of the fertilizer recommendations caused by spatial variation of soil nutrients

表3 变异系数的临界值Table 3 Threshold value of variation coefficients

临界变异系数计算表明，当允许施肥偏差小于±10%时，15%的变异系数就会导致50%的失误概率．当允许施肥偏差小于±20%时，导致50%的失误概率的变异系数可以放宽到30%．这是一个无需专家经验修正，可以直接采用代表性测土数据指导施肥的临界变异系数数据．这个推断是在独立变量正态分布的假设下得到的．研究表明大多数主要养分数据近似服从正态分布，也有一些数据服从对数正态分布，此时的失误概率将大于正态分布的失误概率［2，7，14］．

2 测土推荐施肥技术路线分析

2．1 以大面积混合土样测土数据指导施肥的可行性

以共性观测为基础的现行测土施肥技术路线是在不具备个性化测土条件的历史条件下唯一可行的路线．但按照上述推断，对照表1数据可以看出，无论村域、乡域或县域，也无论是粮田、烟田和蔬菜地，不同研究提供的主要养分的变异系数大多数大于30%．即使是精准农业示范区，以表1中6例平均变异系数推算，与施肥量允许误差为±20%，±15%，±10%相对应，其指导施肥失误概率，也将分别达到有机质失误概率为25．2%，39．4%，59．4%，氮失误概率为 28．6%，42．4%，59．4%，磷失误概率为 70．8%，77．8%，85．0%，钾失误概率为 41．0%，53．6%，63．2%(表 4)．

表4表明，即便使土样具有理想的代表性，并以村域或相当于村域为管理单元以降低推荐施肥失误概率，甚至在示范区的统一管理下，以大面积混合土样测土，不经专家经验修正，也不能保证达到推荐施肥可接受的失误概率要求．

2．2 分区管理测土推荐施肥的局限性

为了减少土壤养分变异对推荐施肥的影响，一些学者提出了分区管理的施肥方案［14～18，29～35］．这种方法是在查明成土母质、土壤类型、气候、地形等结构性因素造成的土壤养分要素变异规律的基础上，依靠土壤养分要素的空间相关性和取样点数据，利用插值方法确定土壤养分含量以指导施肥．它可以减少采样分析费用，降低土壤养分变异对施肥推荐失误的影响，是精准农业发展的方向之一．但是它的局限性是被研究者所共识的．(1)它不能解决作物品种、施肥水平、管理方式等人为的随机性空间变异以及空间相关性较弱的变异对施肥失误的影响．这种随机性因素也许在农业经营规模化一个较长时期以后会逐步减弱，而在中国农业体制现状下，这种变异的比重还是很大的．从一些应用统计学研究土壤养分变异中有关块金系数的研究，就可以看出随机变异在总变异中的比重(表5)．4种主要养分要素(氮、磷、钾、有机质)的块金系数(Nugget/Sill)数据中，相关性强烈者(块金系数＜25%)12项仅占19%，中等相关者(块金系数=25% ～75%)43项占68%，相关性极弱者(块金系数＞75%)8项占12．7%，有些地方氮、磷、钾块金系数甚至达100%［28］，即使是长期规模经营的友谊农场精准农业示范区，其块金系数也分别为氮54．88%、磷59．95%、钾39．16%，有机质65．77%．这种情况必然使分区管理的效果受到限制．(2)当取样样点距离一定时，更小尺度的空间变异将难以被发现．应用统计学对土壤养分结构分布的研究表明，当采用不同空间尺度的取样时，可能得到不同的结论．随着样点间距的加大，较小尺度的结构特征将被掩盖［32］，这就表明减少取样点要以掩盖小尺度变异为代价．为了在二者间取得平衡，减少施肥指导失误，有研究人员提出，要尽可能把村作为管理单元，建立以地块或农户为单位的土壤养分分区管理模型［34］，但这样也就需要投入较多的力量，更加接近于个性化测土和针对性推荐施肥了．

表4 示范区土壤养分空间变异可能导致的推荐施肥失误概率Table 4 Failure probability of the fertilizer recommendations caused by spatial variation of soil nutrients in demonstrated area

表5 土壤养分空间变异中随机性因素的影响Table 5 Influence of random factors of spatial variation of soil nutrients

2．3 个性化测土推荐施肥的可行性

个性化测土施肥是精准施肥的理想方案，但是个性化测土施肥又是测土数量最大、对长效机制要求最高的方案．因此其可行性决定于其比较经济性和实施工程条件的完备性．(1)要有低于常规分析方法成本的十分之一、适于对鲜土土样就近测定的、具有综合功能的、其精度接近实验室常规方法技术标准，经国家检验认定的，低成本快速测试技术与装备．(2)当地土肥站要能提供符合当地土壤、作物和气候条件的丰缺指标和施肥指标，提供植株营养监测技术指标体系，并制定有快速测试值对常规测试的换算系数．(3)有乡、村测土施肥技术服务、培训的组织体系和必要的装备．(4)国家制定有土壤、植株快速分析方法技术体系和测试仪的技术标准．(5)国家对测土、测植株的经济补贴与长效机制的建立．这些条件中，有些条件已经基本具备．如国家科技部科技攻关成果YN型速测仪及其成套速测技术体系;基本能满足植物营养诊断的，适于在乡村基层使用的国产反射式比色测定仪和叶绿素仪;一些主要作物的土壤和植株测试推荐施肥技术体系都已实现．土壤养分速测技术标准(NY/T 1948—2010;NY/T 1949—2010)已经发布实施;大多数基层农技推广综合站已经或正在快速建设，一些地方还有国家给予的土壤测试的经济补贴．但是，最根本的也是最重要的一个条件——长效机制尚未建立．国家补贴有限，远不能不能满足全体农户个性化测土的需求，各地的发展也不平衡．

3 结语

通过对中国土壤养分空间变异的研究文献的统计分析，认为中国主要土壤养分空间变异偏大的普遍性和现行的主导测土路线存在推荐施肥失误的较大可能性．除有机质外其他主要养分平均变异系数平均都在30%以上，且变异的大小在县域、乡域、村域之间没有明显差异．示范区或农场的变异系数虽有所减少［1～6，15］，但示范区和农场的块金系数分析表明随机性变异依然很大［1，15，34，36］．本研究通过变异系数对施肥误差的定量分析，提出了变异系数临界值的概念．建议根据推荐施肥允许的施肥偏差，选择变异系数的临界值:变异系数小于所选择的临界值的地区可以继续实行用代表性土样进行测土推荐施肥的路线;块金系数小于25%的地区可以优先采用分区管理路线，以降低测土成本．变异系数大于其临界值且块金系数大于25%的地区则应该采用个性化测土技术路线，以减少推荐施肥失误的概率．目前实现个性化测土推荐施肥的体制和技术条件已基本具备．当前推进精准施肥的主要努力方向应是根据土壤养分变异情况选择和实施好当地适用的技术路线;尽快建设好基层农技推广体系中的测土、测植株施肥子体系;发展基层适用的低成本速测技术;大力支持和培训种植业专业户和合作社购仪自测，推动长效机制的形成;着力完善推荐施肥技术指标体系和速测技术标准体系．

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