浅谈GIS在土壤养分资源利用方面的应用与展望

彭梦苏 王冬梅 孙禹 邵超 许翠华 张义彬 郭来春

摘要：在目前农业发展中，如何合理利用土壤的养分以达到合理施肥前提下提高作物产量是现在农业面临的重要问题之一，而GIS技术的发展给解决这个问题提供了强有力的技术支持。该文简述了GIS在土壤养分资源方面的应用，分别从地力評价、养分空间变异以及精准施肥方面进行了介绍。并对GIS技术在以后土壤养分管理方面的发展方向进行了展望。

关键词：GIS;地力评价;养分空间变异;精准农业

随着世界人口的不断增长，必须增加粮食产量才能满足日益增长的人口需求，增加粮食产量的途径包括扩大耕地面积和提高单位面积产量，然而根据现状继续扩大耕地面积的潜力不大，所以决定了必须提高单位面积产量，根据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，化肥在农作物增产份额中占40%～60%，同时过量的施肥会造成环境的破坏，如何合理利用土壤的养分以达到合理施肥前提下提高作物产量是现在农业面临的重要问题之一。

地理信息系统即GIS（Geographic Information System），是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[1]，是近几年新兴产业，是一个空间型的信息系统，计算机支持是其重要特征，其输入、管理和输出的数据信息具有空间性和动态性特征[2]。随着GIS技术的发展，在农业中的应用日趋广泛，也给农业养分资源利用乃至绿色农业发展带来了更多的可能性。

1    GIS在土壤养分资源利用方面的应用

1.1   在耕地地力评价方面的应用

耕地是农业发展的重要物质基础，是获取粮食的重要生产资料，同时耕地的质量和数量，也是直接影响农业产业结构，农产品质量的重要因素[3]，通过耕地的地力评价掌握区域耕地地力情况，可以为实现耕地保护、农业绿色发展提供重要的理论依据[4]。随着GIS技术的发展，使耕地地力评价走向了定量化和自动化，也使得耕地地力评价的工作开展更为深入、更为高效[5]。

GIS在地力评价中主要是将土地的属性信息与空间信息整合，结合专家打分、层次分析、模糊数学等方法进行综合评价每个因子的权重，然后根据空间分析、地统计分析等模块进行属性信息分析，最后通过空间插值模块将耕地地力级别通过地图方式直观展现出来。如：张海涛等[6]利用GIS，将层次分析的原理和方法引入耕地地力评价以确定参评因子的权重，快速准确地对江汉平原后湖地区的耕地自然地力进行了综合评价。王瑞燕等[7]在GIS技术的支持下，通过模糊数学等方法和模型对青州市耕地进行地力等级的评价，并通过验证青州市地力等级统计状况，证明了GIS技术在耕地地力等级评价方面的科学性和合理性。陈雪梅等[8]在GIS支持下，对黄山市耕地地力等级进行了评价，并对市级及其县级地力等级的差值进行比较研究和分析，结果实现了不同区域之间的地力等级可比性，对市级地力汇总评价具有一定指导性意义。白根川等[9]通过GIS平台，运用层次分析法以及模糊数学法对平昌县耕地进行了地力综合评价，同时验证了GIS可以快速有效地对耕地地力进行评价，还可以更方便快捷地更新耕地资源信息。周俊等[10]采用层次分析法和模糊数学法和综合指数法，运用GIS软件计算耕地综合自然要素的指数来表示和区分耕地地力，并根据指数值的大小把张掖市耕地划分为一等地、二等地、三等地、四等地和五等地五个等级。朱海娣等[11]通过采用GIS平台将土壤属性数据通过克里金和反式距离权重进行插值，生成栅格数据，用均方差或均差作为评估插值效果的标准，最后获得合肥市耕地地力评价单元数据。

1.2   GIS在养分空间变异方面的应用

土壤的养分是维持植物生长的重要来源，但是受母质、地形、气候、生物等因素影响其具有高度的空间变异性，尤其在大尺度上更为明显，这不仅降低了施肥的准确性，同时也降低了肥料的利用率，过量的施肥也同时带来了土壤的污染。

以往土壤养分空间变异性的研究方法是采用Fisher的统计方法进行，但是这种统计理论值是基于纯随机变量，随着人们对土壤养分空间的变异性认识逐渐深入，发现许多土壤性质在空间上不属于纯随机变量，而是在空间上具有一定的相关性[12]。随着地统计学和GIS、GPS的有效结合，极大地促进了土壤养分空间变异的研究[13]，GIS所具有的强大空间分析功能和可视化展现能力，为相关环境因素对土壤性质空间变异性的影响研究提供了强大的分析工具。在应用过程中，通常情况下是将土壤性质的影响因素作为输入集，结合构建模型进行研究。大量研究表明，变异函数和克里金插值法在土壤养分空间变异的研究中取得了很大的成功，并得到了广泛的应用[15，16]。程先富等[17]在GIS的支持下，将土壤有机质和全氮作为输入集，生成样点图，并根据变异函数为理论模型，通过克里金插值得出土壤表层全氮和有机质含量的空间分布格局。宋云等[18]基于GIS平台，将有机质、全氮、有效磷和有效钾作为输入集，运用地统计学和叠置分析等方法，研究了崇明三岛表层土壤主要养分空间分布特征，揭示了崇明三岛存在一定程度施肥结构不合理的问题。吴美玲等[19]通过克里金插值以及空间自相关分析，和地统计学的半变异分析，研究了黔西北山区土壤养分状况及空间变异规律。陈桂香等[20]采用GIS和地统计学相结合的方法，分析了福州市农田土壤养分的空间分布特征及其与地形等因子的相关性，结果说明有机质、碱解氮与地形起伏度、高程及坡度等呈显著正相关，而与有效磷和速效钾呈显著负相关。

1.3   GIS在精准施肥方面的应用

精准施肥就是把农作物生长的农田分成若干网格为单位的操作单元，并依据每一块操作单元上的土壤养分时空变异规律以及作物养分平衡规律，调整化肥的施入量以达到合理投入、增加收入和保护农业生态环境的目的[21]。

在精准施肥管理中GIS系统是核心，首先通过GPS（全球定位系统）和GIS平台将获取的田块位置信息、土壤养分数据以及作物生长信息进行整合分析，生成带有土壤养分数据庫的地图数据，再根据计算机软件制成具有实效性和可操作性的田间土壤养分管理信息系统。然后，农业机械则按照田间每一操作单元（位点）上的具体特性，通过变量控制等技术，调整肥料的用量，最大限度地满足作物需求同时达到减少浪费、提高经济效益、保护农业生态环境的目的[22]。熊柳梅[23]等运用GPS以及GIS系统在广西柳江县4块水稻田进行了精准施肥与常规施肥对比试验，试验结果表明，运用GPS和GIS技术进行精准施肥均比常规施肥增产，增产率达5.6%，且节省了开支，平均减支579.0元/公顷，平均增收1276.1元/公顷，达到了减支、增产、增收目的。随着互联网技术的发展，网络GIS（WebGIS）使精准施肥研究上升了一个新高度。许鑫等[25]基于GIS平台，利用元数据和和WebGIS技术，建立了小麦生产精准施肥决策系统，实现了小麦处方信息的多源和多系统自由共享。李文文等[24]以国内外典型的精准施肥理论为基础，运用计算机网络技术和3S（GPS、GIS以及RS）集成技术，开发出精准施肥专家系统，针对不同农作物和土壤现状，能够及时、有效地收到来自施肥专家提供的相应的施肥建议，同时还能为用户提供图文并茂的农业百科知识。司秀丽等[26]通过WebGIS平台设计了玉米精准施肥系统，实现了玉米施肥分析、效益分析等功能，并且实现了地理空间信息的网络发布，使用户能够更方便的获取信息。王娇娇等[27]结合常用的施肥模型，集成移动GIS实现了农田精准施肥系统。既实现了GIS分析功能和可视化功能，同时该系统使用方式更灵活、方便，相对于桌面端或Web端，对使用人员技术要求低，更利于系统普及，更适合目前中国家庭农场的现状。

2    GIS在土壤养分资源利用方面的应用前景

随着GIS技术的发展，在我国土壤养分资源利用方面应用日益广泛，在我国农业领域的地位也日益重要起来，在养分资源利用方面的应用趋势主要有以下4个方面：

1.随着土壤养分数据迅速增长，以及影响土壤养分因素的多样性和复杂性的增加，使得这些大型的、动态的、不确定的数据需要更全面、更精准的模型进行分析预测，如何加强专业模型与GIS的整合，成为今后GIS在土壤养分研究乃至整个农业问题研究中的一个重要的发展方向。

2.完善与网络的结合。WebGIS可以将空间信息网络化，使用户可以更便利地查询，分析土壤空间信息，实现土壤信息的多元共享以及辅助决策和管理，降低农业生产成本，大大提高农业生产效率。随着5G的到来，移动GIS也将会在农业发展中呈现更多的可能性。

3.与三维技术结合的发展。二维GIS空间分析功能常常具有一定的局限性，无法实现地质分析、坡度分析、剖面分析、日照分析等高级空间分析功能，三维GIS不仅能实现这些功能，还具有动态交互可视化功能，可以把抽象难懂的空间信息可视化和直观化，为农业问题分析提供更多维度空间分析功能。

4.与遥感技术以及GPS技术的集成发展。3S技术的集成，能够动态监测土壤环境，为实时、准确动态监测提供了全新的前景，有助于采取合适的施肥措施，防止施肥过量造成的土壤质量破坏以及环境污染。

3    结语

土壤是不可再生资源，怎样高效利用土壤养分进行合理施肥，不仅关系到人民生计，也关系到土壤的可持续发展。GIS空间问题的超强处理能力给土壤养分管理以及土壤的可持续发展带来了强有力的技术支持，因此，应该广泛应用GIS在土壤方面以及农业其他领域所发挥的长处，使GIS能够给农业发展带来更广阔的前景。

参考文献：

[1] 黄杏元，马劲松.地理信息系统概论[M]，北京：高等教育出版，2008：10-12.

[2] 龚宇，王璞，王聪玲，等.GIS在现代化农业中的应用研究[J]. 农产品加工（学刊），2005（6）：34-39.

[3] 马文杰，冯中朝.2005.粮食综合生产能力与耕地流失的关系研究.农业现代化研究，26（s）：353-357.

[4] 张艳粉，任圆圆，陈伟强.基于GIS的洛阳市耕地地力评价研究[J].河南农业大学学报，2013，47（4）：470-474.