基于GIS的村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)構建與驗證*

李亞楠, 王昊丹, 屈紅蕊, 曹紅竹, 佟丙辛, 崔石磊, 韓彥茹, 馬文奇

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基于GIS的村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)構建與驗證*

李亞楠, 王昊丹, 屈紅蕊, 曹紅竹, 佟丙辛, 崔石磊, 韓彥茹, 馬文奇**

(河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 保定 071000)

小農(nóng)戶是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體, 由此導致生產(chǎn)中存在產(chǎn)量和資源利用效率地塊間變異大的問題。為了提高作物的產(chǎn)量和氮肥利用效率, 實現(xiàn)小農(nóng)戶地塊的精準管理, 本文以GIS技術為平臺, 利用C#語言, 建立村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng), 并通過田間對比試驗和農(nóng)戶調(diào)研分別進行了系統(tǒng)效果的驗證及其可行性評價。結果表明, 該系統(tǒng)以農(nóng)戶地塊為單元, 通過信息查詢、分析、作物管理決策、系統(tǒng)管理等功能模塊, 實現(xiàn)了村域每個農(nóng)戶地塊的高產(chǎn)高效(氮肥高效)技術推薦。兩年22個對比試驗結果表明, 與農(nóng)民習慣相比, 系統(tǒng)推薦的高產(chǎn)高效處理小麥季平均增產(chǎn)10.8%, 氮肥偏生產(chǎn)力提高28.5%; 玉米季平均增產(chǎn)10.3%, 氮肥偏生產(chǎn)力增加16.9%, 實現(xiàn)小麥玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率的同步提高。農(nóng)戶調(diào)研結果表明, 農(nóng)戶對推薦系統(tǒng)的認可程度較高, 利用該系統(tǒng)進行技術推薦具有可行性; 農(nóng)戶對小麥玉米的各項推薦技術認知度較高, 但采用率差異較大, 其中小麥優(yōu)良品種采用率可達94%, 但小麥精量播種技術的采用率只有29%, 玉米增密技術和晚收技術的采用率僅僅2%和35%; 受科技人員技術推薦影響較大的試驗戶和輻射戶的認知率與采用率均高于普通農(nóng)戶, 說明通過技術服務可以促進小麥玉米高產(chǎn)高效管理技術的應用。總之, 本系統(tǒng)實現(xiàn)了小農(nóng)戶地塊作物管理技術的輔助決策, 具有顯著增產(chǎn)增效作用, 可以為村級實現(xiàn)大面積的作物高產(chǎn)高效提供支持。

小農(nóng)戶; 小麥; 玉米; 高產(chǎn)高效; 管理系統(tǒng); 氮肥利用效率

小農(nóng)戶是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體, 也是實現(xiàn)我國糧食安全和生態(tài)環(huán)境友好戰(zhàn)略的主要貢獻力量。探索小農(nóng)戶集約耕作模式下如何實現(xiàn)作物高產(chǎn)與資源高效利用相協(xié)調(diào)的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展道路, 是保障國家糧食安全和生態(tài)環(huán)境友好的迫切需求[1]。目前, 我國已經(jīng)有一些研究在試驗地上實現(xiàn)了大幅度增產(chǎn)增效[2-4], 然而在小農(nóng)戶生產(chǎn)中仍然面臨著作物高產(chǎn)與高效協(xié)同實現(xiàn)比例低、產(chǎn)量和資源利用效率地塊間變異大、高產(chǎn)高效技術到位率低等難題[5], 限制了區(qū)域大面積高產(chǎn)高效的實現(xiàn)[6-7]。因此, 如何在小農(nóng)戶地塊上提高作物高產(chǎn)高效技術到位率、縮小產(chǎn)量差和效率差是實現(xiàn)村級大面積高產(chǎn)高效的關鍵問題, 而精準農(nóng)業(yè)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的發(fā)展為此提供了可能。精準農(nóng)業(yè)是將農(nóng)學、植物營養(yǎng)學、土壤學等基礎學科與“3S”等高新技術結合, 通過對農(nóng)作物、土壤進行實時監(jiān)測, 實現(xiàn)作物管理措施和各項農(nóng)業(yè)投入的優(yōu)化, 從而獲得高產(chǎn)和最大經(jīng)濟效益, 同時兼顧自然資源的保護[8]。其核心是利用GIS的空間信息功能, 結合作物管理技術的優(yōu)化, 實現(xiàn)分區(qū)精準管理, 其中養(yǎng)分精準管理是研究的熱點[9-13]。例如, 燕躍奎等[9]以村級為單位, 利用GIS為儋州市民營橡膠[(Willd. ex A. Juss.) Muell. Arg.]等制定施肥配方。許鑫等[10]建立了基于WebGIS的小麥(L.)精準施肥決策系統(tǒng), 具有信息查詢與定位、施肥決策、處方信息發(fā)布與共享等功能。危常州等[11]根據(jù)土壤養(yǎng)分空間分布規(guī)律, 利用GIS對棉花( spp.)進行養(yǎng)分管理和推薦施肥。江厚龍等[12]基于GIS技術將平頂山市郟縣烤煙(L.)田分區(qū)管理, 利用施肥模型對各分區(qū)進行推薦施肥, 為煙田分區(qū)管理和推薦施肥提供科學依據(jù)。柳云龍和姜麗娜[13]基于GIS設計和開發(fā)了適合南方作物體系的土壤管理和決策信息平臺, 對其進行農(nóng)田養(yǎng)分全程管理。總之, 我國精準農(nóng)業(yè)和作物管理系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得很好的進展, 但比較關注單一的施肥、灌溉、病蟲害管理等, 而針對作物整個生育期管理的研究相對較少; 比較重視大區(qū)域的系統(tǒng)開發(fā), 而對我國農(nóng)業(yè)基本生產(chǎn)單位——村域和農(nóng)戶地塊關注較少; 同時, 這些系統(tǒng)在小農(nóng)戶能否應用鮮見報道。為此, 本文將GIS技術與作物高產(chǎn)高效管理體系相結合, 建立了村級小麥玉米(L.)高產(chǎn)高效管理系統(tǒng), 同時驗證該系統(tǒng)的效果, 并探討小農(nóng)戶應用的可能性, 為小農(nóng)戶的施肥和田間管理提供輔助決策的工具, 以期為實現(xiàn)村級大面積的小麥玉米高產(chǎn)高效提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)的構建

1.1.1 村級GIS圖的繪制

從Google Earth軟件上下載村研究區(qū)的遙感影像, 利用ArcGIS10.2.2進行數(shù)字化, 根據(jù)GPS準確定位地物邊界, 生成村級電子地圖。其中, 繪制地塊分布圖時, 精確到每個地塊, 為農(nóng)戶檔案的建立打下基礎。

1.1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括: 土壤養(yǎng)分信息、農(nóng)戶種植管理信息、高產(chǎn)高效管理技術等, 具體見表1。通過農(nóng)戶調(diào)研獲取數(shù)據(jù)庫中的技術數(shù)據(jù)。

表1 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)

1.1.3 村級農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間分布圖的繪制

作物收獲后取土。首先在遙感影像圖上根據(jù)網(wǎng)格均勻布取樣點, 至少每0.67 hm2采集1個混合樣。在10 m半徑內(nèi)采用“S”法采集5處0~30 cm表層土壤, 每個樣點采樣量保持均勻一致, 最后將每個樣點的土樣充分混合。同時用GPS定位, 記錄取土點位置、土壤質地等基本信息。

測定土壤樣品的硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量。土壤硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提-紫外分光光度法、有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻鈧比色法、速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法進行測定[14]。

將各采樣點土壤數(shù)據(jù)錄入ArcGIS 10.2.2中利用普通克里金插值法[15]進行插值, 然后將插值圖根據(jù)村級邊界裁剪, 獲得研究區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布圖; 進一步將土壤養(yǎng)分空間分布圖進行養(yǎng)分分級, 獲得土壤養(yǎng)分分級圖; 根據(jù)小麥玉米的目標產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力目標確定氮肥用量, 根據(jù)《中國主要作物施肥指南》[16]確定每一等級推薦的磷、鉀肥的施用量, 并得到氮、磷、鉀肥的推薦量圖; 最后, 利用柵格計算器將推薦量圖進行疊加, 得到作物施肥的氮磷鉀配方圖。

1.1.4 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)在Win 10系統(tǒng)的環(huán)境下進行操作。ArcGIS 10.2.2軟件是進行數(shù)據(jù)空間分析、圖層繪制和地圖輸出等的處理平臺。系統(tǒng)功能是在ArcGIS二次功能開發(fā)的基礎上, 通過C#語言編程實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)處理過程還需要Microsoft Vision、Sigmaplot 10.0、Geodatabas、Microsoft Access 2010等, 最后用計算機編程語言C#進行編譯發(fā)布。

1.2 系統(tǒng)效果的驗證試驗

1.2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為河北省保定市徐水區(qū)沿公村, 位于太行山山前平原區(qū), 主要土壤類型為沙壤和輕壤。該地區(qū)海拔為8 m, 暖溫帶季風型大陸性氣候, 水熱資源豐富, 全年均溫11.9 ℃, 年均降水量546.9 mm。現(xiàn)沿公村有住宅戶408戶, 共1 728人, 耕地面積約160 hm2, 主要種植作物是小麥和玉米。于2016年3月小麥返青期在沿公村采集有效土壤樣品275個。

1.2.2 目標產(chǎn)量的確定

本文利用邊界線法[7,17]分別分析2015年和2016年沿公村土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀與當年試驗產(chǎn)量間的關系, 將土壤養(yǎng)分含量與產(chǎn)量進行邊界線擬合, 得到產(chǎn)量最優(yōu)方程, 將每個地塊的土壤數(shù)據(jù), 帶入邊界線擬合出的方程式, 通過分析比較得到對應土壤養(yǎng)分含量的最高產(chǎn)量, 為該土壤養(yǎng)分含量條件下農(nóng)戶可實現(xiàn)的潛力產(chǎn)量, 即目標產(chǎn)量。

1.2.3 施肥量的確定

在作物生長期間氮肥實行總量控制, 通過目標產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力確定氮肥推薦總量; 磷、鉀采用恒量監(jiān)控技術。根據(jù)已有的研究工作, 確定小麥氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)為40~60 kg?kg-1, 玉米PFPN為50~70 kg?kg-1[18-19]。磷肥和鉀肥的推薦施肥量根據(jù)《中國主要作物施肥指南》[16]確定。

1.2.4 試驗方案

為了驗證系統(tǒng)的可靠性, 于2016年6月—2018年6月在沿公村不同地力水平下選取了11個農(nóng)戶田塊分別進行了兩年的小麥、玉米對比試驗。試驗設農(nóng)民習慣(FP, farmer practices)和高產(chǎn)高效(DH, high yield and high nitrogen use efficiency)兩個處理, 布置在同一農(nóng)戶田塊內(nèi), 每個處理小區(qū)面積為667 m2, 不設重復。農(nóng)民習慣作為對照處理, 其各項田間管理、施肥等活動由農(nóng)戶個人自由決定, 研究人員只是按時記載, 不做任何干涉。高產(chǎn)高效處理的施肥量、品種等由系統(tǒng)推薦給出。其中目標產(chǎn)量是將該農(nóng)戶土壤養(yǎng)分含量帶入邊界線擬合方程式得到, 結合小麥PFPN=50 kg?kg-1、玉米PFPN=60 kg?kg-1, 分別確定小麥、玉米氮肥施用量, 按照基追比2∶3、1∶2在小麥拔節(jié)期、玉米大喇叭口期施用; 磷肥、鉀肥采用恒量監(jiān)控技術確定施肥量[16]; 品種方面, 小麥采用‘石新733’, 玉米采用‘鄭單958’; 其他管理措施如播種日期、灌水、病蟲害防治等均由農(nóng)戶統(tǒng)一進行管理。

1.3 系統(tǒng)應用的可行性評價

2016年在小麥和玉米收獲后, 在沿公村隨機選取65個農(nóng)戶開展了抽樣調(diào)查, 包括11個試驗戶、32個輻射戶和22個普通戶。試驗戶(TH, test households)是指直接參與小麥、玉米對比試驗的農(nóng)戶; 輻射戶(RH, radiation households)是指科技小院[5]跟蹤監(jiān)測的農(nóng)戶, 科技小院人員在每個農(nóng)事操作完成后走訪這些農(nóng)戶, 進行面對面訪談, 記載其作物管理情況并進行必要的技術咨詢, 該類農(nóng)戶受到科技人員一定程度的影響; 普通戶(OH, ordinary households)是指既不參與試驗, 也非科技小院跟蹤的農(nóng)戶; 所有戶(AH, all households)指接受調(diào)研的所有農(nóng)戶, 包括試驗戶、輻射戶和普通戶。調(diào)研的主要內(nèi)容包括: 1)農(nóng)戶對村級作物高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)的認知; 2)農(nóng)戶對系統(tǒng)中小麥關鍵技術的認知和采納情況, 包括品種、精量播種、播期技術; 3)農(nóng)戶對系統(tǒng)中玉米關鍵技術認知和采納情況, 包括品種、增密技術、晚收技術。調(diào)查是由研究人員與調(diào)查農(nóng)戶面對面訪談并利用設計好的調(diào)查表完成。農(nóng)戶高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)及其各項關鍵技術的認知率、采用率等指標通過以下公式計算：

認知(采用)率(%)=認可(采用)某一技術的人數(shù)/本類農(nóng)戶總人數(shù)×100 (1)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理分析采用SPSS 20、Sigmaplot 12.5、ArcGIS10.2.2地統(tǒng)計分析功能完成。

2 結果與分析

2.1 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)的結構和功能

本系統(tǒng)是綜合GIS技術、數(shù)據(jù)庫、小麥和玉米高產(chǎn)高效技術知識模型以及人機接口等部分, 開發(fā)的一套功能實用、操作簡單的村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括小麥高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)和玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng), 為每個小農(nóng)戶進行田塊管理技術推薦。系統(tǒng)主要包括信息查詢、分析、管理決策、管理等功能。

2.1.1 信息查詢功能

信息查詢功能包括農(nóng)戶種植管理查詢和技術流程查詢。其中, 農(nóng)戶種植管理查詢包括農(nóng)戶信息、地塊位置、土壤養(yǎng)分含量、作物管理信息等。而技術流程查詢則以容易被接受的圖的形式向農(nóng)戶展示, 使農(nóng)戶能更直觀、清楚地了解作物種植、管理的相關技術。

2.1.2 系統(tǒng)的分析功能

系統(tǒng)的分析功能分為專題圖分析和統(tǒng)計圖分析。專題圖分析主要包括空間插值、作物種植結構專題圖和作物施肥的氮磷鉀配方圖分析。空間插值分析包括土壤養(yǎng)分分布圖和土壤養(yǎng)分變化圖, 使農(nóng)戶更加直觀地了解該村的土壤養(yǎng)分分布以及2015—2016年的土壤養(yǎng)分空間變化。作物施肥配方圖如圖1所示, 包括小麥基肥氮磷鉀配方圖和玉米全生育期氮磷鉀配方圖, 農(nóng)戶可以根據(jù)自家地塊所處的空間位置確定施肥量。利用頻數(shù)分布圖、正態(tài)QQ圖、箱線圖和條塊圖等統(tǒng)計圖對作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分含量和種植管理信息進行更加直觀明了分析。

2.1.3 系統(tǒng)的管理決策

系統(tǒng)能夠針對不同田塊的作物生產(chǎn)為農(nóng)戶提供管理決策, 只要用鼠標點擊需要進行小麥玉米管理決策的地塊, 系統(tǒng)就根據(jù)該位置的基礎信息給出相關的管理決策信息。該管理決策分為3個環(huán)節(jié): 播種環(huán)節(jié)、施肥環(huán)節(jié)、生育期間管理環(huán)節(jié)。

根據(jù)地塊信息, 用戶可以選擇適宜的品種, 然后系統(tǒng)提供最佳播種量與播期, 完成播種環(huán)節(jié)的技術推薦。施肥環(huán)節(jié)是整個系統(tǒng)管理決策中最重要的環(huán)節(jié), 單擊某地塊, 則彈出該地塊的基本信息, 然后根據(jù)該地塊的養(yǎng)分含量、作物的目標產(chǎn)量和PFPN進行推薦施肥。生育期間管理環(huán)節(jié)包括灌溉時期與用量、病蟲草害防治及對策等, 在作物不同生長階段遇到病、蟲、草害等情況, 系統(tǒng)會給出相應的解決方案。例如, 當輸入某種病害或描述癥狀時, 內(nèi)容會從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取出來, 顯示出相應防治對策。同時, 各環(huán)節(jié)都有相應的農(nóng)業(yè)技術知識及注意事項, 為農(nóng)民提供最佳的技術指導。

圖1 小麥基肥(a)和玉米(b)施肥的氮磷鉀配方圖

Fig. 1 Fertilization formulas of basal fertilizer for wheat (a) and total fertilizer for maize (b) in Yangong Village

2.1.4 系統(tǒng)管理功能

圖層管理功能包括4部分: 加載圖層、移動圖層、刪除圖層與標注更改, 其中標注更改有點、直線、面域、文字的樣式的更改。數(shù)據(jù)庫管理模塊可以瀏覽、添加、修改、刪除和查詢村級田塊信息。在系統(tǒng)管理方面, 系統(tǒng)設置兩種用戶登錄方式, 分別是管理員和普通用戶。而系統(tǒng)管理功能只有管理員才能進行操作, 包括管理用戶的權限, 查詢用戶數(shù)量, 幫助用戶找回、修改密碼等。

2.2 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)應用效果分析

2.2.1 小麥玉米產(chǎn)量效果分析

小麥兩年對比試驗產(chǎn)量結果(圖2A)表明, 農(nóng)戶習慣處理(FP)產(chǎn)量變化范圍為5 992~10 053kg?hm-2, 平均產(chǎn)量為7 948 kg?hm-2; 高產(chǎn)高效處理(DH)產(chǎn)量變化范圍為5 994~12 437 kg?hm-2, 平均產(chǎn)量為8 752 kg?hm-2。相對于FP處理, DH處理平均增產(chǎn)10.8%。玉米兩年試驗產(chǎn)量對比如圖2B所示。FP處理的產(chǎn)量變化范圍為7 384~10 794 kg?hm-2, 平均產(chǎn)量為9 247 kg?hm-2; DH處理的產(chǎn)量變化范圍為8 459~12 426 kg?hm-2, 平均產(chǎn)量為10 121 kg?hm-2。相對于FP處理, DH處理增產(chǎn)顯著, 平均增產(chǎn)10.3%。說明應用村級高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)能夠顯著提高小麥和玉米產(chǎn)量。

圖2 不同管理方式下小麥(A)和玉米(B)的產(chǎn)量對比

FP: 農(nóng)民習慣處理; DH: 高產(chǎn)高效處理。不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。圖中箱式圖框內(nèi)的上中下3條黑色實線分別代表75%分位、50%分位和25%分位, 框外的上下兩條橫線分別代表90%分位和10%分位, 框內(nèi)的虛線為平均值。FP means farmer practices; DH means practice of high yield and nitrogen use efficiency of crops. Different lowercase letters indicate significant differences between two treatments at 5% level. The upper, middle and lower black solid lines in the box chart represent 75%, 50% and 25% quantiles, respectively. The upper and lower horizontal lines outside the box represent 90% and 10% quantiles, respectively. The dotted line in the box is the average.

2.2.2 小麥玉米養(yǎng)分效率的效果分析

不同處理的小麥氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)如圖3A所示。農(nóng)民習慣處理(FP)PFPN變化范圍為24.7~70.0 kg?kg-1, 平均PFPN為43.4 kg?kg-1; 高產(chǎn)高效處理(DH)PFPN變化范圍為36.0~71.5 kg?kg-1, 平均PFPN為50.3 kg?kg-1。DH處理的平均PFPN高于FP處理, 相對于FP處理平均提高28.5%。不同處理的玉米PFPN如圖3B所示。FP處理的PFPN變化范圍是43.1~78.7 kg?kg-1, 平均PFPN為55.6 kg?kg-1; DH處理的PFPN變化范圍是39.1~94.5 kg?kg-1, 平均PFPN為64.6 kg?kg-1。DH處理的PFPN顯著高于FP處理, 平均提高PFPN16.9%。說明應用村級高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)能夠大幅度提高小麥和玉米的氮肥利用效率。

圖3 不同管理方式下小麥(A)和玉米(B)的氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN)對比

FP: 農(nóng)民習慣處理; DH: 高產(chǎn)高效處理。不同小寫字母表示處理間在5%水平上差異顯著。圖中箱式圖框內(nèi)的上中下3條黑色實線分別代表75%分位、50%分位和25%分位, 框外的上下兩條橫線分別代表90%分位和10%分位, 框內(nèi)的虛線為平均值。FP means farmer practices; DH means practice of high yield and nitrogen use efficiency of crops. Different lowercase letters indicate significant differences between two treatments at 5% level. The upper, middle and lower black solid lines in the box chart represent 75%, 50% and 25% quantiles, respectively. The upper and lower horizontal lines outside the box represent 90% and 10% quantiles, respectively. The dotted line in the box is the average.

2.3 村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)應用的可行性分析

2.3.1 農(nóng)戶對村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)的認知

在調(diào)研中, 科技小院人員向農(nóng)戶介紹了村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)、電子檔案和養(yǎng)分分級圖的相關知識。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)(圖4), 接受調(diào)研的所有戶對整體管理系統(tǒng)、電子檔案和養(yǎng)分插值圖的認可程度分別為62%、88%和88%。從不同類型農(nóng)戶來看, 試驗戶在參與田間對比試驗過程中與系統(tǒng)有所接觸, 對系統(tǒng)比較了解, 容易接受; 輻射戶通過與科技小院人員交流等方式了解系統(tǒng), 所以比較認可; 普通戶相對于試驗戶和輻射戶來說, 認可程度較低。分析農(nóng)戶不認可的原因, 可能是現(xiàn)在種地的農(nóng)戶大多年紀較大, 對新事物接受較困難, 更愿意相信自己的經(jīng)驗; 另外, 農(nóng)戶因自身文化水平有限, 對先進技術了解少, 接受起來比較困難。

圖4 農(nóng)戶對村級高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)的認可程度

AH: 所有戶; TH: 試驗戶; RH: 輻射戶; OH: 普通戶。AH: all investigated households; TH: test households; RH: radiation households; OH: ordinary households.

2.3.2 農(nóng)戶對系統(tǒng)中小麥關鍵技術的認知和采納

通過圖5可以發(fā)現(xiàn), 在接受調(diào)研的所有戶中, 100%的農(nóng)戶都認可小麥優(yōu)良品種, 并且有94%農(nóng)戶采用了系統(tǒng)推薦的品種, 說明農(nóng)戶十分重視小麥品種的選擇, 也容易接受優(yōu)良品種。在對系統(tǒng)推薦的精量播種和播期技術的認知方面, 試驗戶的認知度較高, 輻射戶和普通戶的認知度較低; 但采用率普遍較低, 尤其是精量播種技術, 在接受調(diào)研所有戶中只有29%的采用率。調(diào)查中發(fā)現(xiàn), 農(nóng)民一般傾向于采用大播量, 主要包括以下原因: 首先是農(nóng)戶認知, 認為播種多, 出苗多, 穗多, 產(chǎn)量高; 其次農(nóng)戶存在跟風現(xiàn)象, 易受其他農(nóng)戶影響; 三是農(nóng)戶擔心低溫影響出苗率, 所以增大播量; 四是農(nóng)戶因土壤地力較差而加大播種量; 最后, 旋耕機粉碎秸稈質量差、播種機的播量調(diào)節(jié)不準確等機械問題。因為這些原因, 影響了農(nóng)戶對精量播種技術的采用。在播期的選擇上, 多數(shù)農(nóng)戶認可系統(tǒng)推薦的最佳播期, 但受機械、個人經(jīng)驗和勞動力影響, 具體采用時會有所改動, 但采用率也能達70%以上。

圖5 農(nóng)戶對小麥關鍵技術的認知度(a)和采用率(b)

AH: 所有戶; TH: 試驗戶; RH: 輻射戶; OH: 普通戶。AH: all investigated households; TH: test households; RH: radiation households; OH: ordinary households.

2.3.3 農(nóng)戶對系統(tǒng)中玉米關鍵技術的認知和采納

農(nóng)戶對玉米關鍵技術的認知度和采用率如圖6所示。所有戶中, 有29%的農(nóng)戶對當?shù)貎?yōu)良品種比較了解, 但只有22%的農(nóng)戶采用, 這主要是由于當?shù)赜衩灼贩N繁雜, 給農(nóng)戶的選擇帶來困難; 在增密技術方面, 只有58%的農(nóng)戶了解到玉米每公頃增密至75 000株, 可以提高產(chǎn)量, 其中試驗戶、輻射戶和普通戶的認知度分別為82%、66%和32%。但是采用增密技術的農(nóng)戶只有2%, 輻射戶和普通戶均沒有采用。農(nóng)戶不采用增密技術主要包括以下原因: 一是擔心倒伏問題; 二是農(nóng)戶喜歡飽滿穗大的玉米; 三是播種機達不到密植的要求。在玉米晚收技術方面, 80%的農(nóng)戶了解玉米適時晚收增加灌漿時間, 提高產(chǎn)量, 但采用率只有35%, 其最主要的原因與當?shù)厥崭顧C較少、農(nóng)時緊等有關。

圖6 農(nóng)戶對玉米關鍵技術的認知度(a)和采用率(b)

AH:所有戶; TH: 試驗戶; RH: 輻射戶; OH: 普通戶。AH: all investigated households; TH: test households; RH: radiation households; OH: ordinary households.

3 討論

隨著信息技術的不斷發(fā)展, GIS技術在農(nóng)業(yè)中的應用越來越廣泛, 從經(jīng)濟作物到糧食作物, 從田塊尺度到大區(qū)域尺度都已經(jīng)涉及。與已有的作物精準管理專家系統(tǒng)與決策支持系統(tǒng)[10-13,20-21]不同, 本系統(tǒng)借鑒前人研究, 應用本課題組前期進行的大量農(nóng)戶跟蹤調(diào)研和田間試驗所設計出的小麥玉米高產(chǎn)高效管理技術體系, 結合ArcGIS二次開發(fā), 建立了針對農(nóng)戶田塊的村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以農(nóng)戶為服務對象, 以農(nóng)戶地塊為操作單元, 能夠很好地指導農(nóng)戶進行合理施肥和科學管理, 并為每家每戶建立電子檔案, 提供個性化服務。施肥環(huán)節(jié)是整個系統(tǒng)管理決策中最重要的環(huán)節(jié)之一, 本系統(tǒng)對目標產(chǎn)量確定和施肥量推薦方面做了改進。其中, 目標產(chǎn)量的確定方法由以往的前3年平均產(chǎn)量[22-23]等方法改為邊界線法[16], 考慮土壤因素對小農(nóng)戶的作物產(chǎn)量差的影響, 將每戶土壤養(yǎng)分含量代入由土壤養(yǎng)分含量與產(chǎn)量擬合的最優(yōu)產(chǎn)量的邊界線方程中, 得到最優(yōu)產(chǎn)量, 即為目標產(chǎn)量[24]。邊界線法考慮了土壤養(yǎng)分對作物產(chǎn)量的影響和田塊具有的實現(xiàn)目標產(chǎn)量的潛力, 有利于大面積高產(chǎn)高效的實現(xiàn)。而在施肥量推薦方面, 氮肥推薦是比較難的, 本系統(tǒng)圍繞高效目標, 在確定目標產(chǎn)量基礎上, 利用氮肥偏生產(chǎn)力目標推薦, 簡化了氮肥推薦程序。

本文構建村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)之后, 對系統(tǒng)進行對比試驗驗證了系統(tǒng)的可靠性。兩年結果表明, 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)小麥玉米的產(chǎn)量和氮肥利用效率同步提高, 增產(chǎn)增效達到10%以上, 這一幅度與國內(nèi)現(xiàn)有作物支持決策系統(tǒng)的結果一致[25-26]。這一結果也說明, 本系統(tǒng)在小農(nóng)戶地塊上提高了作物高產(chǎn)高效技術到位率、縮小了產(chǎn)量差和效率差, 可以為實現(xiàn)高產(chǎn)高效技術的大面積應用提供支撐。同時, 本系統(tǒng)簡單易懂, 易于操作, 農(nóng)戶對系統(tǒng)的認可程度也較高, 對解決小農(nóng)戶地塊作物精準管理具有可行性和一定的應用前景。

農(nóng)戶調(diào)查結果也表明, 農(nóng)戶雖然對于系統(tǒng)推薦的高產(chǎn)高效關鍵技術的認可程度較高, 但在各種技術的采用上存在較大差異。在品種選擇上, 農(nóng)戶對小麥玉米品種認知和采用存在很大差異, 農(nóng)戶對小麥品種的認知度和采用率總體上均高于玉米。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn), 當?shù)匦←溒贩N更新?lián)Q代比較慢, 相對比較單一, 系統(tǒng)推薦的優(yōu)良品種也是經(jīng)過當?shù)囟嗄攴N植證明比較適宜的品種, 所以農(nóng)戶容易接受。而玉米品種較為復雜, 種類繁多, 新品種不斷涌現(xiàn), 再加上新品種價格高、假冒偽劣種子的存在, 均給農(nóng)戶品種選擇帶來一定困擾, 因此, 農(nóng)戶對系統(tǒng)推薦的玉米品種采用率相對較低。在高產(chǎn)高效關鍵技術的認知和采用上, 雖然研究表明小麥精量播種技術、小麥適宜播期的選擇、玉米增密技術、玉米晚收技術均有顯著的增產(chǎn)作用[3,27-29], 如玉米在單位面積上增產(chǎn), 主要是由于適宜地提高密度而不是提高單株玉米產(chǎn)量, 所以玉米增密技術普遍在學術界得到認可。但農(nóng)戶由于自身原因或機械、氣候等外部因素, 選擇比較保守, 對這些技術的采用率也比較低。對于此類技術的推廣, 可以采取逐步推進的方式, 通過示范田逐漸影響農(nóng)戶, 打破其固有觀念, 讓農(nóng)戶逐步改變。同時, 本文結果表明, 受到科技人員影響較多的試驗戶和輻射戶對各項技術的認知和采用率相對較高, 尤其在小麥精量播種技術和玉米增密技術上, 說明通過技術服務和示范帶動等途徑, 可以推動本系統(tǒng)的應用, 提高推薦技術的采用率, 實現(xiàn)高產(chǎn)高效技術的大面積應用。

此外, 本系統(tǒng)雖然已具備基本功能, 但還需要進行深入研究和擴展, 主要體現(xiàn)在: 1)系統(tǒng)要實現(xiàn)GIS系統(tǒng)的智能化, 與計算機網(wǎng)絡相結合; 2)本系統(tǒng)中只涉及小麥、玉米兩種糧食作物, 應擴充到其他大田作物和經(jīng)濟作物。

4 結論

村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)具有信息查詢、分析、管理決策、管理等功能, 并實現(xiàn)了針對小農(nóng)戶地塊的作物種植管理決策和養(yǎng)分管理, 達到了個性化服務和農(nóng)戶地塊的精準管理; 系統(tǒng)推薦的高產(chǎn)高效處理與農(nóng)民習慣處理相比, 小麥季平均增產(chǎn)10.8%, 氮肥偏生產(chǎn)力提高28.5%; 玉米季平均增產(chǎn)10.3%, 氮肥偏生產(chǎn)力提高16.9%, 實現(xiàn)小麥玉米產(chǎn)量與氮肥利用效率同步提高。系統(tǒng)簡單易懂, 易于操作, 農(nóng)戶認可程度也較高, 具有可行性和一定的應用前景。調(diào)研中也發(fā)現(xiàn), 農(nóng)戶在各種推薦技術的采用上存在較大差異, 有些技術如小麥精播、玉米增密和晚收等農(nóng)戶采用率仍然較低; 而通過技術服務和示范帶動等途徑, 可以推動本系統(tǒng)的應用, 提高推薦技術的采用率?？傊? 本系統(tǒng)實現(xiàn)了小農(nóng)戶地塊作物管理技術的輔助決策, 具有顯著的增產(chǎn)增效作用, 可以為實現(xiàn)大面積的作物高產(chǎn)高效提供支持。

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Establishment and assessment of management systems for wheat and maize with high yield and nitrogen use efficiency based on GIS at the village level*

LI Yanan, WANG Haodan, QU Hongrui, CAO Hongzhu, TONG Bingxin, CUI Shilei, HAN Yanru, MA Wenqi**

(College of Resources and Environmental Science, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China)

Smallholder farmers are the main body of agricultural production in China, but there are big variations in the crop yields and efficiency of resource utilization among these farmers. To increase the yield and nutrient use efficiency of crops and ensure precise management of smallholders’ plots, this research established a management system for wheat and maize that produces high yield and nitrogen use efficiency at the village level, based on GIS using C# language. The verification of system effects was carried out through the field comparative test on the farmland and a feasibility evaluation was conducted by investigating farmers. During the farmer survey, the farmers were classified into 3 categories, which included the test farmers in whose fields the comparative test was conducted, radiation farmers who often interacted with researchers, and ordinary farmers who were not influenced by researchers. The results showed that the management system, based on peasant household plots, created high yield and nitrogen use efficiency for each farmer in the village, through information queries, data analyses, management decision making, system management, and other functional modules. The results of 22 comparative experiments in two years showed that, compared with the farmers practice treatment (FP), the treatment with high yield and nitrogen use efficiency (DH), recommended by the system, increased the winter wheat yield and partial nitrogen fertilizer productivity (PFPN) by 10.8% and 28.5%, respectively. The treatment system (DH) recommended during the maize season increased the yield and PFPNby 10.3% and 16.9%, respectively. This indicated that, with technological support from the recommendation system, farmers could be increasing their yield and nitrogen use efficiency of the winter wheat and summer maize, simultaneously. The results of the farmers’ investigation showed that smallholders had a high degree of recognition for the management system, making it feasible to use the system for technical recommendations. Farmers had a high recognition for the recommended technologies for winter wheat and summer maize, but the adoption rate varied greatly. In particular, the adoption rate of recommended wheat varieties was 94%, but the adoption rate of precision sowing technology for winter wheat was 29%. The adoption rate of densification technology and late harvest technology of summer maize was only 2% and 35%, respectively. The recognition and adoption rates of the test and radiation households, which were greatly influenced by the technical recommendations made by the scientific and technical personnel, were higher than that of the ordinary peasant households. This indicated that it was feasible to popularize the management system to peasant households. In conclusion, the management system of winter wheat and summer maize for high yield and nitrogen use efficiency incorporated the auxiliary decision-making of crop management technology for smallholder plots, and had a significant effect on increasing the yield and nutrient use efficiency, which provided the possibility of achieving high crop yield and nutrient efficiency in large areas.

Small holder farmers; Wheat; Maize; High yield and efficiency; Management system; Nitrogen use efficiency

, E-mail: mawq@hebau.edu.cn

Feb. 27, 2019;

Mar. 13, 2019

S31

2096-6237(2019)07-1124-10

10.13930/j.cnki.cjea.190144

李亞楠, 王昊丹, 屈紅蕊, 曹紅竹, 佟丙辛, 崔石磊, 韓彥茹, 馬文奇. 基于GIS的村級小麥玉米高產(chǎn)高效管理系統(tǒng)構建與驗證[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2019, 27(7): 1124-1133

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* “十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200403)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB150405)資助

馬文奇, 主要從事養(yǎng)分資源管理與利用研究。E-mail: mawq@hebau.edu.cn

李亞楠, 主要從事養(yǎng)分資源管理與利用研究。E-mail: 418740967@qq.com

2019-02-27

2019-03-13

* The study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0200403) and the National Basic Research Program of China (2015CB150405).