淺談GIS在土壤養(yǎng)分資源利用方面的應(yīng)用與展望

隨著世界人口的不斷增長，必須增加糧食產(chǎn)量才能滿足日益增長的人口需求，增加糧食產(chǎn)量的途徑包括擴大耕地面積和提高單位面積產(chǎn)量，然而根據(jù)現(xiàn)狀繼續(xù)擴大耕地面積的潛力不大，所以決定了必須提高單位面積產(chǎn)量，根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計，化肥在農(nóng)作物增產(chǎn)份額中占40%～60%，同時過量的施肥會造成環(huán)境的破壞，如何合理利用土壤的養(yǎng)分以達到合理施肥前提下提高作物產(chǎn)量是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)面臨的重要問題之一。

地理信息系統(tǒng)即GIS（Geographic Information System），是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題[1]，是近幾年新興產(chǎn)業(yè)，是一個空間型的信息系統(tǒng)，計算機支持是其重要特征，其輸入、管理和輸出的數(shù)據(jù)信息具有空間性和動態(tài)性特征[2]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛，也給農(nóng)業(yè)養(yǎng)分資源利用乃至綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了更多的可能性。

1 GIS在土壤養(yǎng)分資源利用方面的應(yīng)用

1.1 在耕地地力評價方面的應(yīng)用

耕地是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是獲取糧食的重要生產(chǎn)資料，同時耕地的質(zhì)量和數(shù)量，也是直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[3]，通過耕地的地力評價掌握區(qū)域耕地地力情況，可以為實現(xiàn)耕地保護、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供重要的理論依據(jù)[4]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，使耕地地力評價走向了定量化和自動化，也使得耕地地力評價的工作開展更為深入、更為高效[5]。

GIS在地力評價中主要是將土地的屬性信息與空間信息整合，結(jié)合專家打分、層次分析、模糊數(shù)學(xué)等方法進行綜合評價每個因子的權(quán)重，然后根據(jù)空間分析、地統(tǒng)計分析等模塊進行屬性信息分析，最后通過空間插值模塊將耕地地力級別通過地圖方式直觀展現(xiàn)出來。如：張海濤等[6]利用GIS，將層次分析的原理和方法引入耕地地力評價以確定參評因子的權(quán)重，快速準確地對江漢平原后湖地區(qū)的耕地自然地力進行了綜合評價。王瑞燕等[7]在GIS技術(shù)的支持下，通過模糊數(shù)學(xué)等方法和模型對青州市耕地進行地力等級的評價，并通過驗證青州市地力等級統(tǒng)計狀況，證明了GIS技術(shù)在耕地地力等級評價方面的科學(xué)性和合理性。陳雪梅等[8]在GIS支持下，對黃山市耕地地力等級進行了評價，并對市級及其縣級地力等級的差值進行比較研究和分析，結(jié)果實現(xiàn)了不同區(qū)域之間的地力等級可比性，對市級地力匯總評價具有一定指導(dǎo)性意義。白根川等[9]通過GIS平臺，運用層次分析法以及模糊數(shù)學(xué)法對平昌縣耕地進行了地力綜合評價，同時驗證了GIS可以快速有效地對耕地地力進行評價，還可以更方便快捷地更新耕地資源信息。周俊等[10]采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法和綜合指數(shù)法，運用GIS軟件計算耕地綜合自然要素的指數(shù)來表示和區(qū)分耕地地力，并根據(jù)指數(shù)值的大小把張掖市耕地劃分為一等地、二等地、三等地、四等地和五等地五個等級。朱海娣等[11]通過采用GIS平臺將土壤屬性數(shù)據(jù)通過克里金和反式距離權(quán)重進行插值，生成柵格數(shù)據(jù)，用均方差或均差作為評估插值效果的標準，最后獲得合肥市耕地地力評價單元數(shù)據(jù)。

1.2 GIS在養(yǎng)分空間變異方面的應(yīng)用

土壤的養(yǎng)分是維持植物生長的重要來源，但是受母質(zhì)、地形、氣候、生物等因素影響其具有高度的空間變異性，尤其在大尺度上更為明顯，這不僅降低了施肥的準確性，同時也降低了肥料的利用率，過量的施肥也同時帶來了土壤的污染。

以往土壤養(yǎng)分空間變異性的研究方法是采用Fisher的統(tǒng)計方法進行，但是這種統(tǒng)計理論值是基于純隨機變量，隨著人們對土壤養(yǎng)分空間的變異性認識逐漸深入，發(fā)現(xiàn)許多土壤性質(zhì)在空間上不屬于純隨機變量，而是在空間上具有一定的相關(guān)性[12]。隨著地統(tǒng)計學(xué)和GIS、GPS的有效結(jié)合，極大地促進了土壤養(yǎng)分空間變異的研究[13]，GIS所具有的強大空間分析功能和可視化展現(xiàn)能力，為相關(guān)環(huán)境因素對土壤性質(zhì)空間變異性的影響研究提供了強大的分析工具。在應(yīng)用過程中，通常情況下是將土壤性質(zhì)的影響因素作為輸入集，結(jié)合構(gòu)建模型進行研究。大量研究表明，變異函數(shù)和克里金插值法在土壤養(yǎng)分空間變異的研究中取得了很大的成功，并得到了廣泛的應(yīng)用[15，16]。程先富等[17]在GIS的支持下，將土壤有機質(zhì)和全氮作為輸入集，生成樣點圖，并根據(jù)變異函數(shù)為理論模型，通過克里金插值得出土壤表層全氮和有機質(zhì)含量的空間分布格局。宋云等[18]基于GIS平臺，將有機質(zhì)、全氮、有效磷和有效鉀作為輸入集，運用地統(tǒng)計學(xué)和疊置分析等方法，研究了崇明三島表層土壤主要養(yǎng)分空間分布特征，揭示了崇明三島存在一定程度施肥結(jié)構(gòu)不合理的問題。吳美玲等[19]通過克里金插值以及空間自相關(guān)分析，和地統(tǒng)計學(xué)的半變異分析，研究了黔西北山區(qū)土壤養(yǎng)分狀況及空間變異規(guī)律。陳桂香等[20]采用GIS和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，分析了福州市農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布特征及其與地形等因子的相關(guān)性，結(jié)果說明有機質(zhì)、堿解氮與地形起伏度、高程及坡度等呈顯著正相關(guān)，而與有效磷和速效鉀呈顯著負相關(guān)。

1.3 GIS在精準施肥方面的應(yīng)用

精準施肥就是把農(nóng)作物生長的農(nóng)田分成若干網(wǎng)格為單位的操作單元，并依據(jù)每一塊操作單元上的土壤養(yǎng)分時空變異規(guī)律以及作物養(yǎng)分平衡規(guī)律，調(diào)整化肥的施入量以達到合理投入、增加收入和保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的[21]。

在精準施肥管理中GIS系統(tǒng)是核心，首先通過GPS（全球定位系統(tǒng)）和GIS平臺將獲取的田塊位置信息、土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)以及作物生長信息進行整合分析，生成帶有土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)庫的地圖數(shù)據(jù)，再根據(jù)計算機軟件制成具有實效性和可操作性的田間土壤養(yǎng)分管理信息系統(tǒng)。然后，農(nóng)業(yè)機械則按照田間每一操作單元（位點）上的具體特性，通過變量控制等技術(shù)，調(diào)整肥料的用量，最大限度地滿足作物需求同時達到減少浪費、提高經(jīng)濟效益、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的目的[22]。熊柳梅[23]等運用GPS以及GIS系統(tǒng)在廣西柳江縣4塊水稻田進行了精準施肥與常規(guī)施肥對比試驗，試驗結(jié)果表明，運用GPS和GIS技術(shù)進行精準施肥均比常規(guī)施肥增產(chǎn)，增產(chǎn)率達5.6%，且節(jié)省了開支，平均減支579.0元/公頃，平均增收1276.1元／公頃，達到了減支、增產(chǎn)、增收目的。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)GIS（WebGIS）使精準施肥研究上升了一個新高度。許鑫等[25]基于GIS平臺，利用元數(shù)據(jù)和和WebGIS技術(shù)，建立了小麥生產(chǎn)精準施肥決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了小麥處方信息的多源和多系統(tǒng)自由共享。李文文等[24]以國內(nèi)外典型的精準施肥理論為基礎(chǔ)，運用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和3S（GPS、GIS以及RS）集成技術(shù)，開發(fā)出精準施肥專家系統(tǒng)，針對不同農(nóng)作物和土壤現(xiàn)狀，能夠及時、有效地收到來自施肥專家提供的相應(yīng)的施肥建議，同時還能為用戶提供圖文并茂的農(nóng)業(yè)百科知識。司秀麗等[26]通過WebGIS平臺設(shè)計了玉米精準施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)了玉米施肥分析、效益分析等功能，并且實現(xiàn)了地理空間信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使用戶能夠更方便的獲取信息。王嬌嬌等[27]結(jié)合常用的施肥模型，集成移動GIS實現(xiàn)了農(nóng)田精準施肥系統(tǒng)。既實現(xiàn)了GIS分析功能和可視化功能，同時該系統(tǒng)使用方式更靈活、方便，相對于桌面端或Web端，對使用人員技術(shù)要求低，更利于系統(tǒng)普及，更適合目前中國家庭農(nóng)場的現(xiàn)狀。

2 GIS在土壤養(yǎng)分資源利用方面的應(yīng)用前景

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，在我國土壤養(yǎng)分資源利用方面應(yīng)用日益廣泛，在我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的地位也日益重要起來，在養(yǎng)分資源利用方面的應(yīng)用趨勢主要有以下4個方面：

1.隨著土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)迅速增長，以及影響土壤養(yǎng)分因素的多樣性和復(fù)雜性的增加，使得這些大型的、動態(tài)的、不確定的數(shù)據(jù)需要更全面、更精準的模型進行分析預(yù)測，如何加強專業(yè)模型與GIS的整合，成為今后GIS在土壤養(yǎng)分研究乃至整個農(nóng)業(yè)問題研究中的一個重要的發(fā)展方向。

2.完善與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。WebGIS可以將空間信息網(wǎng)絡(luò)化，使用戶可以更便利地查詢，分析土壤空間信息，實現(xiàn)土壤信息的多元共享以及輔助決策和管理，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著5G的到來，移動GIS也將會在農(nóng)業(yè)發(fā)展中呈現(xiàn)更多的可能性。

3.與三維技術(shù)結(jié)合的發(fā)展。二維GIS空間分析功能常常具有一定的局限性，無法實現(xiàn)地質(zhì)分析、坡度分析、剖面分析、日照分析等高級空間分析功能，三維GIS不僅能實現(xiàn)這些功能，還具有動態(tài)交互可視化功能，可以把抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，為農(nóng)業(yè)問題分析提供更多維度空間分析功能。

4.與遙感技術(shù)以及GPS技術(shù)的集成發(fā)展。3S技術(shù)的集成，能夠動態(tài)監(jiān)測土壤環(huán)境，為實時、準確動態(tài)監(jiān)測提供了全新的前景，有助于采取合適的施肥措施，防止施肥過量造成的土壤質(zhì)量破壞以及環(huán)境污染。

3 結(jié)語

土壤是不可再生資源，怎樣高效利用土壤養(yǎng)分進行合理施肥，不僅關(guān)系到人民生計，也關(guān)系到土壤的可持續(xù)發(fā)展。GIS空間問題的超強處理能力給土壤養(yǎng)分管理以及土壤的可持續(xù)發(fā)展帶來了強有力的技術(shù)支持，因此，應(yīng)該廣泛應(yīng)用GIS在土壤方面以及農(nóng)業(yè)其他領(lǐng)域所發(fā)揮的長處，使GIS能夠給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來更廣闊的前景。