基于GIS的儋州民营胶园精细化施肥配方制定研究

燕跃奎　郭澎涛　罗微

摘 要 海南民营胶园土壤肥力差异大，而测土配方施肥在民营橡胶园上应用率却很低。为提高民营橡胶园橡胶树施肥精细化程度，节约资源，本研究以儋州民营胶园为研究对象，针对民营橡胶园广泛种植的RRIM600橡胶树品种，应用ArcGIS软件的地统计与空间分析模块，结合叶片营养诊断结果以及叶片养分比例，并参考胶园土壤养分状况，为儋州市适宜种植橡胶的146个行政村制定出32个施肥配方，其N ∶ P2O5 ∶ K2O ∶ MgO在1 ∶ （0.2～0.6）∶ （0.4～0.9）∶ （0.1～0.4）范围内，并就算出相应肥料种类的施肥量，其中每株橡胶树每年施尿素（N≈46%）在0.4～0.7 kg范围内，过磷酸钙（P2O5≈12%）在0.5～1.1 kg范围内，氯化钾（K2O≈60%）在0.15～0.3 kg，硫酸镁（MgO≈16%）在0.1～0.5 kg范围内，总的肥料投入量每株橡胶树每年1.3～2.3 kg。对GIS支持下民营橡胶测土配方施肥的推广应用进行探索。

关键词 橡胶树；营养诊断；土壤肥力；精细化施肥

中图分类号 S147.21 文献标识码 A

Abstract Large variations in soil fertility are found within private rubber plantations in Hainan Island. However， the utilization of soil testing formula fertilization in private rubber plantations is quite low. In order to increase the precise fertilization of private rubber and to save resource， the research targeting on private rubber plantation in Danzhou County， taking the widely planted RRIM600 rubber tree variety as the example， making use of the statistics and spatial analysis function of ArcGIS， combining the leaf nutrition diagnosis with leaf nutrient ratio， and referring to the plantation soil nutrient status， 32 fertilization formulas were established for the 146 villages which are suitable for planting rubber in Danzhou. The ratio of N ∶ P2O5 ∶ K2O ∶ MgO is about 1 ∶ （0.2～0.6） ∶ （0.4～0.9） ∶ （0.1～0.4）. The fertilizing amount of the corresponding fertilizer is urea（N≈46%）0.4～0.7 kg， superphosphate（P2O5≈12%）0.5～1.1 kg， potassium chloride（K2O≈60%）0.15～0.3 kg， magnesium sulfate（MgO≈16%）0.1～0.5 kg， and total fertilizer inputs of one rubber tree per year is about 1.3～2.3 kg. The study made a exploration of soil testing formula fertilization popularization in private rubber plantation under the support of GIS.

Key words Rubber tree；Nutrient diagnosis；Soil fertility；Precision fertilization

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.028

目前，橡胶树测土配方施肥技术主要应用于国营农场，而在民营胶园的应用率非常低，绝大多数胶农不知道如何科学施肥；与此同时，民营橡胶种植分散，普遍重割轻管，且管理水平参差不齐（有些施肥，有些不施，有些施肥多，有些施肥少）[1]，造成不同胶园之间土壤肥力差异很大。近年来中国民营橡胶增长迅速，截至2012年民营橡胶种植面积已达68.93万hm2[2]，占全国胶园总面积的60.96%。但胶农施肥缺少有针对性的指导，已经严重限制了民营胶园产量的进一步增长以及胶园的可持续发展。通过营养诊断确定胶树营养水平是制定合理施肥配方的基础，然而橡胶种植面积广，胶园土壤养分差异明显等因素为精细化的施肥推荐带来了困难。GIS的地统计与空间分析功能可以通过有限数量的采样点推算未采样区域养分状况，这就为测土配方施肥技术的大面积推广应用和精细化施肥配方制定提供了技术支持。GIS在橡胶树施肥配方制定中已得到广泛的应用。黎小清等[3]基于GIS在西双版纳东风农场构建了橡胶树施肥数据模型。孙君莲等[4]应用GIS在海南国营农场建立起橡胶树精准施肥数据库。陈赞章等[5]基于WEBGIS建立的橡胶树精准施肥系统，把施肥单元由百平方千米减小到平方千米，提高了施肥的精准度。唐群锋等[6]在海南龙江农场的田间试验，证明了配方施肥与常规施肥相比，能够达到增产增收的效果。

本研究以海南省儋州市民营胶园为例，针对民营橡胶园广泛种植的RRIM600橡胶树品种，应用ArcGIS软件，结合民营胶园叶片和土壤养分分析数据，给儋州市民营胶园制定出精细化的施肥配方，对GIS支持下测土配方施肥技术在民营胶园的推广应用进行探索。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

儋州市地处东经108°56′～109°46′，北纬19°11′～19°52′，属热带季风气候，一年有干湿两季，5～10月为雨季，11月至下一年4月为旱季[1]，年均降水量约1 500～2 000 mm，且70%在雨季，相对湿度80%以上，年平均日照在2 000 h以上，年均温度23～25 ℃[7]；多山地和丘陵，但海拔普遍低于200 m，整体呈现东南高、西北低的走势[8]；成土母质主要为玄武岩、花岗岩、砂页岩，土壤多属于湿润富铁土或湿润铁铝土[9-11]。

1.2 方法

1.2.1 样品采集 橡胶树叶片采集：2008～2012年间每年7～10月份，在儋州市那大、雅星、蓝洋等镇部分行政村开割民营橡胶园，以户为单位作为采样单元，每个行政村选取5～10户，均匀分布，用GPS记录经纬度与海拔。主要采集广泛种植的RRIM600橡胶树品种，定植年度处于1988～1990年之间。采集开割橡胶树树冠下层主侧枝上成熟的顶篷叶，取基部生长正常的复叶，去掉两旁小叶，留下中间小叶；每蓬采3片小叶，每株橡胶树采生长位置对称的两蓬；每个小区“S”型采集10株树，即每个小区采集60片小叶混合作为一个样本[12]，一共采集了叶片样本441个。

土壤样品采集：2008～2012年间每年7～10月份，在儋州市那大、雅星、蓝洋等镇部分行政村民营橡胶园采样，以行政村划分区域，按行政村面积大小确定采样单元数量，一般每个行政村3～5个采样单元，用GPS记录经纬度与海拔。采样单元内采用S形布点法，垂直取表层0～20 cm土壤，每个采样单元采10个点，作为一个混合样，共采集样品491个。

1.2.2 样品化验分析 叶片主要分析氮、磷、钾、钙、镁等元素的干重含量，其中，氮含量采用H2SO4-H2O2消煮-纳氏比色法测定；磷含量采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定；钾含量采用干灰化-火焰光度计法测定；而钙和镁都采用干灰化-原子吸收分光光度法（AAS法）测定。

1.2.3 配方单元确定 施肥单元是指土壤养分状况相近，耕作管理水平相同的地块[13]。儋州民营胶园管理和施肥水平参差不齐，导致不同胶园之间土壤肥力差异明显，这就要求制定的配方要更加有针对性，也就是要更加精细化。为此，本研究将行政村作为配方制定单元，这也与测土配方施肥中规定的管理单元是一致的，便于生产管理。

1.2.4 养分图生成 运用ArcGIS9.3的Geostatistical Analyst功能，对各养分数据分别进行正态分布与趋势检测，之后采用地统计软件GS+7.0对养分数据进行半方差函数模型拟合，再利用ArcGIS9.3中的普通Kriging插值算法生成各养分的空间分布图。

采用Excel 2007进行数据的统一录入，采用拉依达准则法[15]剔除数据异常值；采用SPSS Statistics 17.0进行数据描述性统计分析，并对数据进行正态分布情况检验；采用GS+7.0对数据进行半方差函数拟合，确定半方差函数模型及其参数；采用ArcGIS 9.3进行空间插值，并生成相关养分图。

2 结果与分析

2.1 橡胶树叶片与土壤养分统计分析

儋州市民营橡胶叶片采样统计信息如表1所示，可以看出氮、磷、钾、钙、镁的变异系数均在10%～100%之间，属于中等强度变异。氮和镁的平均值都低于正常水平下限，磷的平均值正好处于正常水平下限，表明胶树氮、磷和镁元素含量较低；而钾和钙平均值均略高于正常水平上限，表明胶树钾和钙元素的含量相对较高。

根据《热带北缘橡胶树栽培》所规定叶片养分含量分级标准[14]，儋州市民营橡胶叶片采样点养分含量分级情况如表2所示，可以看出，氮、磷和镁缺乏与极缺乏比例之和分别占总比例的57.82%、57.6%、65.53%，而钾和钙处于正常水平以上（包含正常水平）的比例分别占总比例的77.78%和96.38%，这就进一步证实了儋州市民营胶园胶树氮、磷、镁含量缺乏，钾和钙含量丰富的情况。

儋州市民营橡胶园土壤养分统计状况如表3所示，与适宜橡胶树生长的土壤养分含量标准[14]（全氮含量约为0.8～1.4 g/kg，有效磷含量约为5～8 mg/kg，速效钾含量约为40～60 mg/kg，有机质含量约为20～25 g/kg）进行比较，发现儋州市橡胶园土壤全氮和有效磷含量均值均处于正常含量水平，而有机质和速效钾含量均值均低于正常含量水平，土壤中交换性钙、镁的丰缺不能仅靠其绝对值来衡量，需要结合与其他交换性盐基离子的比值关系来确定（如：钾钙比，钾镁比）。从变异系数看，这些土壤养分的变异系数都在45%以上，表明儋州市民营胶园土壤养分变异较大。

2.2 地统计空间分析

2.2.1 数据正态分布检验 数据服从正态分布是进行地统计分析的前提，可利用单样本K-S检验验证数据是否服从正态分布。表4表明叶片样品氮、钾、钙和镁服从正态分布（K-S值>0.05），而磷则不服从（K-S值<0.05）[16]，但进行对数转换后，磷服从正态分布。

表5显示土壤全氮和有机质服从正态分布（K-S值>0.05），而有效磷、速效钾、交换性钙和交换性镁均不服从正态分布，但进行对数转换后都服从正态分布。

2.2.2 叶片与土壤半方差分析 表6为叶片氮、磷、钾、钙和镁的半方差模型及其参数，可见氮、钾和钙为指数模型、而磷和镁分别为球状模型和高斯模型。氮、磷、钾的变程均在3 600～4 000 m之间，而钙和镁的变程较大，分别为178 830 m和123 149 m。氮、磷、钾、镁的块金值与基台值比值均小于25%，而钙块金值与基台值比大于25%，表明叶片中氮、磷、钾、镁元素具有强烈的空间自相关性，而钙则具有中等空间自相关性。

表7为土壤养分的半方差模型以及参数，可以看出土壤全氮、有效磷、有机质和交换性镁半方差模型均为指数模型，土壤速效钾的半方差模型为球状模型，土壤交换性钙为高斯模型。全氮、有机质变程较大，分别为73 770 m、15 150 m，交换性镁变程居中，为9 330 m，有效磷、速效钾和交换性钙变程较小，在3 500 m到5 670 m之间。全氮、有机质、交换性钙的块金值与基台值比值处于25%～75%之间，有效磷、速效钾和交换性镁的块金值与基台值比值小于25%，表明土壤中有效磷、速效钾、交换性钙具有强烈的空间自相关性，变异主要受气候、母质、地形等自然因素的影响，全氮、有机质和交换性镁空间自相关性中等，其变异受到自然因素与外在因素共同影响。

2.2.3 叶片与土壤养分空间分布 从图1可以看出儋州市民营橡胶树叶片养分含量在空间分布上具有一定的规律性。就叶片氮含量而言，其在南北方向上呈现中部高、两侧低的态势，中部地区叶片氮含量多数在2.9%～3.2%之间，南北部地区则低于2.9%。叶片磷含量则呈现西部高于东部的分布规律，西部地区磷含量在0.23%～0.27%，然后逐级向东递减，东南部最低区域磷含量低于0.18%。叶片钾的含量整体约在1%～1.5%之间，在中部部分地区岛状分布着一些区域，叶片钾含量在0.9%～1%范围内。叶片钙在东南和西北两侧含量高，约1.3%，中部含量较低，约0.6%～1%，呈现峡谷状分布。叶片镁含量表现为中部地区较高，约0.35%～0.45%，向东西方向递减，东南部地区叶片镁含量最低，低于0.27%。

图2为儋州市橡胶园土壤养分空间分布情况，可以看出，土壤全氮含量表现为西部和中部低，约0.4～0.8 g/kg，东南部与东北部较高，约1.4～1.8 g/kg。从整体上看土壤有效磷含量多在8～16 mg/kg范围内，但部分地区成岛状分布，存在一些有效磷含量大于16 mg/kg或低于5 mg/kg的区域。土壤速效钾含量则呈现西北高，约在120 mg/kg左右，东南低，低于40 mg/kg的态势。土壤有机质含量分布规律与全氮相似，中部和西部较低，在15 g/kg以下，东北部较高，约20～40 mg/kg。土壤中交换性钙和交换性镁的分布情况都较为散乱，但都表现出南北部高，中部低的变化规律，交换性钙含量最高可达1 800 mg/kg以上，最低则低于400 mg/kg；交换性镁最高地区在300 mg/kg以上，最低约40～60 mg/kg。

2.3 配方制定

首先利用叶片养分数据结合公式（1）对需肥量进行初步计算，然后再根据《热带北缘橡胶树栽培》中规定的正常生长橡胶树叶片养分含量间比值范围确定橡胶树叶片养分之间的比例是否平衡，若养分比例不平衡，则需将初步计算的需肥量进行调整，最后再参照橡胶树立地土壤养分状况，对需肥量进行最后调整，这是因为有时候按照叶片诊断结果会发现胶树养分缺乏，但土壤中该养分含量却比较丰富，这就有可能是由于土壤结构不良限制了根系的发育，进而引起的胶树养分缺乏，这时候就不能增加施肥量，而是应该改良土壤结构，通过三方面协调结果，最终确定橡胶树实际需肥量。

以上为儋州市适宜种植橡胶的146个行政村制定自己的施肥配方，并计算出相关肥料品种的施用量。施肥配方及每株橡胶树每年施用尿素（N≈46%）、过磷酸钙（P2O5≈12%）、氯化钾（K2O≈60%）、硫酸镁（MgO≈16%）推荐情况如表8所示。

对相同养分配比进行合并之后，儋州适宜种植橡胶的146个行政村一共需要32个养分配比，配方1 ∶ 0.4 ∶ 0.5 ∶ 0.1适用于23个村，为最大养分配方。施肥配方在空间上的分布情况如图3（注：图中已将拥有相同施肥配方的村镇合并为相同图版，并用相同图列表示）所示。

3 讨论与结论

橡胶树营养诊断是施肥配方制定的基础，采样化验分析是橡胶树营养诊断的前提，受到时间、人力、物力多方面的限制，采样是一项费时、费力、耗财的工作，通过GIS的空间分析功能可以在有限采样点的基础上推算未采样区域养分指标，GIS为测土配方施肥的大范围推广提供了技术支持。本研究在GIS的支持下以有限的采样点获取了整个儋州民营胶园的土壤和叶片养分空间分布状况，并结合叶片营养诊断，参考叶片养分比例与立地土壤养分状况，对橡胶树需肥量给予更加合理的计算。此种配方计算方法具有方便快捷，可操作性强的特点。相比传统4种土壤上的橡胶树专用肥，本研究所制定的施肥配方更加精细（以行政村为单元），更能体现出研究区域橡胶树实际需肥量。据农业部《06规程》大田橡胶树施肥量参考量，结果显示，开割橡胶树每年每株需尿素0.68～0.91 kg，过磷酸钙0.4～0.5 kg，氯化钾0.2～0.3 kg，硫酸镁0.15～0.2 kg；本研究中的施肥建议每株橡胶树每年施尿素0.4～0.7 kg，过磷酸钙0.5～1.1 kg，氯化钾0.15～0.3 kg，硫酸镁0.1～0.5 kg，每种肥料的施肥量变化范围均比《06规程》规定的大，这就充分体现了儋州市民营橡胶园土壤与叶片养分变异大的事实，也再次证明了进行更加精细化配方制定的必要性。

需要指出的是基于GIS所制定作物施肥配方的精准程度受到采样数量以及采样点分布情况的影响，为进一步提高施肥配方的精准程度，在今后的工作中需要加大采样数量，并注重提高采样点空间分布合理性，提供高采样的数量与质量。

本研究针对民营橡胶园土壤肥力差异大的事实，利用ArcGIS软件地统计功能对未采样地区橡胶叶片养分推算，综合橡胶树叶片营养诊断结果以及胶园土壤养分信息，制定出更加精细化的施肥配方，并给出具体的肥料施用量，方法切实可行，易被农户接受，为测土配方施肥技术在民营胶园的推广应用作出了积极有益的探索。

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