生态平衡施肥（1）理论体系

侯彦林 （中国科学院研究生院, 北京，100049） 摘 要：本文分四部分系统地介绍生态平衡施肥理论，包括理论体系、施肥参数体系、施肥软件和应用案例，旨在普及生态平衡施肥理论和方法。本部分系统介绍生态平衡施肥理论体系，包括括服务对象、施肥目的、理论基础、技术体系、肥料使用、服务体系六方面，并与现有施肥理论和技术体系进行了比较。 关键词：生态平衡施肥；理论体系 种子、肥料和水一直是保证粮食稳产高产的可控性最大的三要素。据有关部门统计，在粮食增产的诸因素中，肥料、水、种子的贡献率平均分别为32%、28%、17%。21世纪化肥仍然是增产粮食的主要肥料，这一点是绝对不能动摇的。众所周知，化肥是粮食的“粮食”，如果不施化肥或只施用有机肥料等，作物所需要的养分主要依赖土壤提供，在这样的生产方式下，我国目前土地所能生产的粮食是绝对不能保证13亿中国人口粮食安全的。当然，施用化肥所带来的土壤退化，食物污染和品质变差，环境特别是水体污染的事实也是客观存在的，而且有加重的趋势。本文系统地总结“生态平衡施肥理论体系”，旨在加速推广普及这一新的施肥理念和方法，推动我国现代农业和环境保护的可持续发展，对当前全国范围内实施的测土配方施肥工作具有直接的参考价值。 1 现有施肥理论及其技术体系弊端分析 我国目前农民增产粮食价值与购买化肥费用的比值平均为2.14, 此数值低于2时在国外不鼓励施用化肥；未来我国16亿人口年需要粮食总量6400～7200亿公斤，目前粮食总产5000亿公斤，如果增加粮食中的一半由国内生产，则粮食单产必须提高20%以上；我国现阶段小麦和玉米价格分别是国外的1.2～1.3倍，而且品质不如国外，加入WTO后粮食销售市场将受到较大的冲击；我国农民生产性投资中化肥约占50%，当前化肥投入普遍偏多，特别是磷肥，全国肥料平均利用率较发达国家低10%以上，氮肥为30%～35%，磷肥为10%～25%，钾肥为40%～50%；江苏太湖、安徽巢湖和云南滇池为我国三大严重污染的淡水湖泊，其中在云南滇池污染物中，来自肥料等面源污染物质约占1/3～1/2，水质已经恶化到五级，水面从20年前的800 km2缩小到300km2，严重地制约了当地可持续发展， 尽管投入几十亿元，也末根本得到治理；当前全国各地粮食尤其是蔬菜的肥料（硝酸盐）污染现象较为普遍；农业产业结构调整意味着化肥投入还将增加；大城市将率先实施绿色食品特别是蔬菜和水果等进城制度，这也将对肥料的使用提出更严格的要求； 如将全国肥料利用率平均提高10%, 每年所节省的氮、磷、钾化肥相当于110亿元，如增产粮食按10%计算, 每年效益可达500亿元。 可见，推广普及平衡施肥技术具有明显的经济效益、社会效益和生态环境效益。虽然平衡施肥技术在我国可增产8%～15%，但推广面积仅为10%～30%。 我们的研究结果表明：在我国，平衡施肥技术推广普及除经费外主要受三方面因素制约。一是目前的施肥理论特别是施肥模型理论还缺乏严密的科学性和参数的易获得性, 同时施肥类型区划、多年连作作物和轮作周期施肥参数试验、不同区域土壤和作物施肥标准制定、成本更低的土壤速效养分速测方法研究、电脑施肥专家系统的建立等项工作急待进行；二是由于施肥模型和施肥参数问题没有科学地得到解决，所以至今为止还没有一个普遍被接受的、面向全国范围和多数作物的、能够按地块进行诊断施肥的电脑专家系统的问世，即缺乏现代化的科技推广普及手段，尤其是信息技术手段，虽然当前全国性的测土配方施工工作已明显加强了这方面的工作，但是在专家系统研制的理论基础方面还没有形成共识；三是没有稳定的经济驱动力能够保证施肥技术正常地进入施肥系统，单靠政府扶持的各级土肥系统，在新的经济形式下是难以承担这一重任的， 因此不可能形成区域性生产—服务—使用现代化网络化农化服务体系，期望着在当前测土配方施工工作中能够积极吸引企业的参与，未来企业必将是施肥技术推广普及的主角。 平衡施肥是一项科学性、实用性很强的农业科学技术。现有60多种平衡施肥方法分属肥料效应函数法、测土施肥法和营养诊断法等三大系统。它们各有优缺和功能。肥料效应函数法主要起到了区域间肥料合理分配的宏观调控功能，测土施肥法主要对农户提出施肥量建议的微观指导功能，二者相辅成配方施肥的主要方法。农作物营养诊断则是在定肥定量基础上作为合理施用肥料的手段。从现阶段情况看，肥料效应函数法和测土施肥法有相互渗透的趋势，以求各自能统一担负起配方施肥的宏观调控和微观指导的双重任务。测土与营养诊断双向监测可使配方施肥更为精确。施肥模型主要分为两大类。一类是肥料效应函数模型，属于统计模型（经验模型）,有多种表达方式，一元二次方程为（一元）肥料用量与产量的典型表达式； 为了弥补模型中没有考虑土壤和肥料因素的不足，有些统计模型中将土壤养分含量、土壤养分利用率和肥料养分利用率参数引入到（统计方法获得的）方程之中，形成与测土推荐施肥模型相融合的发展趋势，表面上看上去又象是测土推荐施肥模型，并用缺素区或空白区参数将不易测定的土壤养分提供量参数隐含。 另一类是测土推荐施肥模型，属于平衡模型（机理模型），目标产量施肥模型是测土推荐施肥模型的典型代表。不考虑土壤养分状况预测施肥显然是盲目的，因此肥料效应函数模型难以应用于不同的地块。考虑土壤和肥料因素的肥料效应函数模型和所有的测土推荐施肥模型使用的土壤和肥料养分利用率，都是通过将与施肥区不同条件的空白处理或缺素处理试验区作为对照求算的，显然空白区和缺素区的土壤养分利用率与施肥区不同，理论上至少偏低5%～8%。一些研究表明：土壤养分测定值与土壤养分利用率呈显著负相关, 与土壤供应量呈对数曲线关系, 与肥料当季利用率呈负相关。 可见，土壤养分利用率和肥料养分利用率是一个动态的参数，所以，目前所有施肥模型将其作为不变的参数或在一定范围内作为不变的参数的做法是不科学的。施肥理论存在的科学问题严重地制约了电脑施肥专家系统的开发，使得我们目前在市场上很难购买到理论严密、获得参数方法简单和应用方便的电脑施肥诊断专家系统，这不能不说是施肥理论和技术研究上的一大“憾事”。 2 生态平衡施肥理论体系 施肥理论，特别是施肥模型理论是施肥技术的重要基石。我们容易理解，如果施肥模型和参数还存在选择的话，就很难说哪一个模型和参数是科学的，科学的施肥模型和参数具有唯一性。如果就某一具体地块而言，配方施肥所需要的所有数据都齐备，设想，现有三种模型及其配套的参数，显然如果三种模型的预测轨迹完全相同，利用一种模型包括参数体系预测即可。因此，利用三种模型预测将得到三种施肥量预测结果，而对于一具体地块而言，从理论上讲，某一季某一作物科学的施肥量只能是唯一的，起码基肥量是唯一的，因为追肥量要根据当时的环境条件和作物长势进行适当调节。现有施肥模型的某一方法都能说明其他方法的不足，但又都无法证明自己是最完善的。可见，施肥模型到了必须从理论上彻底统一的时期了。正是由于施肥理论存在的科学问题限制了电脑施肥专家系统的开发，使得所开发的电脑施肥专家系统的可推广性较差。 即使未来利用3S[地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感（RS）]技术进行精准施肥，不管其基本施肥单元面积如何小，首先也必须解决施肥量计算这一最基本问题。 可见，施肥模型和参数是施肥技术的核心内容, 优化施肥模型是提高施肥精度的第一步。我们认为，精确施肥至少取决于五方面因素，一是施肥模型的科学性，二是施肥参数的易得性和稳定性，三是不同空间施肥参数（地块施肥参数和区域施肥参数）的尺度转换方法，四是土壤有效养分测定方法，五是田间具体施肥技术（包括3S技术、专家系统和现代农业机械化技术等）。现有施肥模型至少难以满足前三个条件。 众所周知，施肥问题与作物产量、品质、生产成本、土壤培肥等农业问题和面源污染等环境问题密切相关，现有施肥理论和技术体系的不完善，使其难以满足可持续发展的需要，因此以多目标为目的建立新的施肥理论、方法和技术体系是可持续发展的需要和必然。将4S技术[3S和专家系统（Expert System）]与农业机械化手段结合在一起的精确施肥技术代表了未来施肥技术的发展方向，但对于发展中的中国和中国农业的现状而言，需要相当长的时间才能得到实际应用，并将主要应用于集约化经营的土地上。这就提出一个难题，即中国的施肥技术应该如何发展? 我们提出的生态平衡施肥理论体系包括六个方面，即：服务对象、施肥目的、理论基础、技术体系、肥料使用、服务体系，这六个方面的关系是：服务对象是根本，它是我们制定政策、措施和使用技术的依据；施肥目的是落实服务对象的具体体现和所要达到的具体标准；理论基础是保证达到施肥目的的科学依据；技术体系是保证达到施肥目的的技术手段；肥料使用是实现施肥目的的具体载体；服务体系是最后一个环节，是以上有形和无形的五个方面落实到基层、农户和田间的具体流程和方式，这六个方面是相互影响和促进的，构成完整的生态平衡施肥理论体系。 2.1 服务对象 平衡施肥服务对象在中国以往主要是农田生态系统，由于肥料面源污染的影响，在发达国家施肥服务对象已经扩大到区域。生态平衡施肥既要保证施肥增产粮食，又不至于引起区域性水体、土壤、地下水和农产品污染。为实现此目的，不但要把生态平衡施肥理念作为一种技术体系，而且还应作为一种政策或法规。只有这样，由肥料面源污染引起的河湖和海水的污染才能得到根本性的控制。所以，生态平衡施肥服务对象定义为是包括农田生态系统在内的区域性社会-经济-自然复合生态系统。 2.2 施肥目的 平衡施肥在中国的主要目的是增加产量，目前正处在由最大施肥量向经济施肥量转换的阶段，与发达国家正在提倡的经济施肥量或环境经济施肥量有较大差距；生态平衡施肥的目的是经济、生态和社会效益的统一，它以生态施肥量（Ecological Fertilizer Dosage）为施肥量标准，它相当于国外提倡的环境经济施肥量，它能够实现增产、降低施肥成本、改善品质，减少环境和农产品的污染，培肥土壤等多目标施肥目的。一般情况下（在目前绝大多数土壤上合理施肥量情况下），生态施肥量大于等于最大施肥量和经济施肥量，经济施肥量小于等于最大施肥量。我国现阶段大田作物的经济施肥量一般是不超过生态施肥量的，特殊情况如砂质土壤或特殊作物如保护地相反，因为土壤对养分有巨大的缓冲作用，比经济施肥量略多一些的施肥量还不至于有环境“负作用”，但是保护地施肥存在严重隐患。 2.3 理论基础 平衡施肥主要使用函数模型和目标产量模型，其参数不稳定或难以获得；生态平衡施肥使用通用施肥模型（也称生态平衡施肥模型），具有诸多优点。 2.3.1 模型基础 通用施肥模型是在没有假设条件下获得的，它是建立在物质守恒定律基础上的，包括全部施肥变量的通用定量机理施肥模型，它不是经验模型而是施肥系统客观存在的“模型”，它可用于定量描述任何施肥系统中任何条件下有效养分转化规律，在函数表达方式上是通用的，但不同区域、不同作物、不同施肥量等的施肥参数不同。 2.3.2 模型表达方式 Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ-2.25*(Tn -Tn+m) [1] 式中，Ｗinput为施肥量（kg/ha）；Ｗoutput为作物产量需要的养分量或带走的养分量；△Ｗ为（土壤）季节性有效养分平衡特征参数，包括：耕层土壤矿化或释放的养分量+下层土壤参与养分循环的养分量+水分携带的养分量+生物固定的养分量+种子携带的养分量-土壤和肥料养分在耕层固定的量-土壤和肥料养分渗漏的量-土壤和肥料养分挥发的量（kg/ha）；Tn为季前耕层土壤有效养分含量（mg/kg）；Tn+m为季后耕层土壤有效养分含量（mg/kg），实际应用时使用与某一目标产量相适应的土壤养分适宜含量的下限值，是通过田间试验和土壤测试获得的已经的区域性的数据；2.25为每公顷耕层土壤重量换算系数。 2.3.3 参数含义 △Ｗ内涵丰富，它包含了出入农田生态系统有效养分的所有难测项目，致使实现生态平衡施肥成为可能。由于△Ｗ内诸因子都是直观表达的养分含量（kg hm-1），摒弃了一般平衡模型中“肥料利用率”和“土壤有效养分系数”两个易变不定的参数，从而使建议施肥简捷化和精确化。因此，△Ｗ成了生态平衡施肥模型中极其重要的特征参数。 在区域施肥模型和区域参数模型建立以后，Ｗn+m（这里，Ｗn+m=2.25Tn+m；Ｗn=2.25Tn；T为土壤有效养分或速效养分的实测值）不再是某一试验条件下地块季后与特征（最大、经济、生态）施肥量相对应的土壤有效养分含量的概念，在预测其他地块施肥量时，Tn+m成为已知。这时，Tn+m的含义为，要想达到作物最佳产量需要的养分含量Ｗoutput的土壤有效养分适宜含量下限值，可理解为低于此数值后，该养分将成为养分限制因素（或理解最小养分率）。在施肥前，如果当季耕层土壤有效养分含量Tn＞Tn+m，意味着土壤养分肥力超出了适宜含量Tn+m下限状态，可以减少或不施肥料；当Tn＜Tn+m时，土壤需要培肥；当Tn=Tn+m时，土壤养分肥力保持平衡，施肥只需补充Ｗoutput-△Ｗ之差即可。Tn+m是通过设置肥料田间试验，在取得某种作物最佳产量对应的试验区内，在收获后测土，并通过多个试验结果统计获得。土壤肥力越高，作物产量也随之越高，所要求的Tn+m值也相应提高。 显然，这也是生态平衡施肥模型中的一个重要特征参数。它既能保证实现目标产量，又可防止施肥过多引起污染和降低施肥的经济效益。如果将Tn提高到超过Tn+m水平后，将增加肥料投入成本，增加肥料面源污染的可能性，同时也增加了元素间含量不平衡所造成拮抗作用的可能性（如磷肥施用量过大造成华北有些土壤施钙有效）。科学施肥首先是确定作物的科学施肥量，即施肥量（Ｗinput）要有标准，同时土壤培肥也要有标准（Tn+m）。 高产稳产土壤的有效养分T n+m在不同年季间的变化幅度应当较小，并且主要是受水热条件的影响，而且不同气候条件、不同土壤类型和综合肥力等级的Tn+m应该有一个合适的变化范围。同时，不同养分的相对有效性越接近，土壤的养分肥力水平越高。即使单独提高某一养分或几个养分的有效浓度，也不足以综合提高土壤的养分肥力水平，而作物产量在很大程度上取决于土壤的综合肥力水平，这符合最小养分率理论。因此，我们的观点是土壤养分肥力的培肥标准并不是越高越好，而是不同养分之间要相互协调，在协调基础上提高。 2.3.4 参数获得方法 特征参数可以通过以往施肥试验原始数据计算获得，或通过基于生态平衡施肥模型的新的肥料田间试验数据获得。 单个肥料田间试验参数确定方法：通过设置不同养分用量的肥料田间试验，可以确定每个试验条件下的Ｗoutput、Ｗinput、Tn、Tn+m和△Ｗ（计算得到），然后就同一试验建立△Ｗ和Tn+m与产量（Ｗ’output）之间的函数关系，于是可以获得该试验条件下最佳产量（Ｗ’output）、最佳施肥量（Ｗinput）和最佳土壤有效养分适宜含量的下限值（Tn+m）。就多个试验结果进行统计分析，可以获得△Ｗ和Tn+m与Ｗoutput之间的函数关系，即获得了区域施肥参数模型。 2.3.5 参数尺度转换方法 区域施肥模型能够描述一定区域某作物施肥特征参数变化范围和共性，它忽略了地块的差异性；区域施肥模型可以满足复合肥生产企业的需求。地块施肥模型是针对每一地块的模型。它能够根据地块具体的土壤肥力状况、当前施肥水平、产量潜力、生产条件、管理水平和不同年景等调整特征参数，特别是要依据土壤有效养分含量确定施肥量，因此地块施肥模型能够定量预测每一地块的施肥量，可以满足基层肥料销售部门的需求。区域施肥模型和地块施肥模型可以分别发挥宏观控制和微观指导的作用。生态平衡施肥模型将区域施肥模型和地块施肥模型有机地结合在一起，其中△Ｗ和Ｗn+m（Tn+m）是区域施肥参数，Ｗn（Tn）是地块施肥参数。当预测区域施肥量时，使用Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ模型；当预测地块施肥量时，使用Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ-2.25*(Tn -Tn+m)模型。 2.3.6 模型功能 当把区域施肥模型的概念和参数引入到理论模型中后，施肥参数便具有了统计学意义，于是施肥模型又具有了经验性，因此，它具有肥料效应函数模型和测土施肥模型的双重功能，也有效地实现了施肥参数的微观和宏观的尺度转换。初步应用结果表明，较目标产量施肥模型节约氮素17%～22%。 通用施肥模型客观上包含了目标产量法（根据质量守恒定律推导得出）、效应函数法（△Ｗ和Tn+m两个主要参数是根据大量肥料田间试验和测土数据获得的统计参数，没有参数时可利用专家提供的经验参数进行半定量预测）、丰缺指标法（Tn+m相当于丰缺指标，是变动的，也是函数）三种方法之优点，当模型中代入区域土壤养分平均含量时又变成了可按区提供配方的地力分区（或级）配方法，在具体确定参数时非常简单和方便，在缺少参数的情况下还可以简化成经验模型。可见，通用施肥模型内涵包含了迄今为止常用的几类相对有效模型的优点。 2.3.7 不测土施肥模型 测土是定量施肥或精确施肥的前提。然而，抛开测土本身存在的各种偏差或精度、测土需要费用和这部分费用由谁来长期支付等问题暂且不论，假设有了土壤有效养分的测定结果，如何将其转化为一季内土壤提供的养分量？这一直是个理论难题，特别是氮素土壤供应量更为难测或难以估算。因此，如何在使用定量施肥模型的同时，而又将土壤养分因素隐含在其中，即在不测土条件下实现定量或半定量推荐施肥，这一直是施肥研究者们关注和想要解决的难题。这里所谓的不测土施肥，是指在对一定区域施肥研究结果和土壤有效养分宏观动态趋势掌握的基础上，不需要按地块一一测土就能实现地块半定量施肥预测。因此，不测土是一个相对的概念。如果能做到不测土就能半定量地确定地块施肥量，那么施肥技术的推广将事半功倍。从另外一个角度上讲，每年测定所有地块的养分含量也 是不现实的。 精准施肥技术的施肥基本单元小到几十平方米大到几公顷，如果不测土条件下半定量施肥模型成立，对于精准施肥技术的发展同样具有极其重要的理论和实践意义。以往施肥模型由于存在诸多弊端，因此由此发展起来的不测土施肥模型也难以实用。 生态平衡施肥模型为：Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ-2.25*（Tn-Tn+m），其中△Ｗ和Tn+m是具有区域特点的统计参数，Tn+m是限制施肥量过高的重要特征参数。在保持土壤养分平衡的前提下，（Tn-Tn+m）≈0，因此，Ｗinput≈Ｗoutput-△Ｗ。所以，即使不按地块一一测土，也能将施肥量控制在区域合理施肥量范围内，如果能结合地块其他属性，还将提高施肥量的预测精度，从而达到半定量施肥的目的。 2.3.8 精准施肥模型 精准农业(Precision Agriculture)是近年来国际上农业科学研究的热点领域，其含义是按着田间每一操作单元的具体条件，精确地调整各项栽培管理措施，最大限度地优化农业投入，在获得最佳经济效益和产量的同时，保护土地资源和生态环境。精准农业包括施肥、植物保护、精量播种、耕作和水分管理等领域，目前精准农业的实施主要以精准施肥技术（也称自动变量施肥技术，Variable Rate Fertilization）为主，也最为成熟，它适合于规模化和机械化操作的农场。精准施肥技术一般操作过程为：应用GPS取样器将田块按坐标分格取样，约0.5-2hm取一土壤样品，分析每个取土单元内土壤理化性状和各大、中、微量养分含量。应用GPS和GIS技术，作成该地块的地形图、土壤性状图等，同时在联合收割机上装上GPS接收器和产量测定仪，记录田间每个单元的产量，然后制作成当季产量图。做施肥决策时，调用数据库数据，主要根据每一操作单元养分状况和上一季产量水平，参考其他因素，确定这一单元的各种养分施肥量，应用GIS技术，做成施肥操作系统，安装到变量平衡施肥机上进行田间操作。 精准施肥是现有施肥技术和4S技术及计算机自动控制技术相结合发展起来的一种精准施肥方法，从技术实现上不存在任何难题。然而, 如前所叙，精准施肥至少取决于五方面因素，精准施肥技术首先是第五方面的田间具体施肥技术，由于施肥单元划分的比较小，使施肥参数能够落实到每个施肥单元，产量参数也容易获得。但是，在土壤性状特别是养分测定方面，仍然采用现行的分析测试方法，在获取与土壤有关的施肥参数时仍然采用传统的肥料田间试验方法，特别是施肥模型使用上没有统一的科学标准。如果施肥模型理论不能实现突破或创新，即便采用了实现精准施肥目的的高新技术手段，仍然是事倍功半之事。原因是现有施肥模型理论难以为精准施肥技术提供比较科学的理论和方法基础。比方说我们有一台能生产出误差非常小部件的车床，但我们只知道所生产部件的大概尺度，试想我们有必要使用这种“精密加工仪器”吗？可见，施肥模型理论和方法是精准施肥技术发展的“瓶颈”因素，田间条件下每个施肥操作单元施肥量计算问题是精准施肥技术应用前必须解决的核心问题。 表1生态平衡施肥技术与现有精准施肥技术比较 ____________________________________________________________________ 项目 精确施肥技术　　　　　　　　　生态平衡施肥技术 目的 三种效益的协调统一　　　三种效益的协调统一、土壤养分平衡、土壤培肥标准 模型 目标产量法为主　　　　　生态平衡施肥模型 方法 区划、划分田间操作单元　区划、区域、地块和地块内部施肥操作单元续分 手段 3S、专家系统、自控、农机　　传统技术；3S、专家系统、自控、农机 推广 成本高; 适合规模机械化操作　传统模式可到地块; 如配3S等可规模机械化操作 ____________________________________________________________________ 生态平衡施肥模型建立在通用施肥模型基础上，它客观上将测土施肥模型和肥料效应函数模型融为一体，并增加了土壤养分平衡项和土壤养分肥力培肥标准，并可利用以往施肥研究的原始数据求算出施肥特征参数；通过施肥类型区划、区域施肥模型和地块施肥模型的转换，能够建立施肥参数尺度转化方法，最终能够实现比较精确地预测地块施肥量的目的。如果忽略地块（施肥单元）内部养分肥力差异性，则地块施肥模型即为精准施肥模型；在考虑地块内部养分肥力差异性时，则将地块作为预测的续分“区域”，将地块内部每个细分的施肥操作单元作为预测的续分“地块”，相应地进行参数的转换，如此“循环”操作，可以获得任意面积操作单元的精准施肥参数。通过以上分析不难得出生态平衡施肥模型亦即精准施肥模型。 2.4 技术体系 中国目前的平衡施肥技术体系主要为适用性技术的简单组合，而在发达国家正在将施肥技术与3S技术、专家系统和现代农机技术进行结合；生态平衡施肥技术体系是将先进适用技术、高新技术和传统技术优化组装的现代化管理系统。具体技术包括：生态型肥料生产技术、土壤条件改善技术、养分再循环技术；施肥特征参数试验方法；土壤有效养分速测方法；电脑施肥专家系统；3S技术和现代农机技术等。 2.5 肥料使用 生态型肥料是满足高产、低投、没有污染等多目标的肥料投入的最佳组合或具有以上特性的某一种具体肥料。生态平衡施肥鼓励使用生态型肥料, 生态型肥料包括专用复混肥、有机肥、微生物肥、缓释肥、可控肥和叶面肥等。但即便是生态型肥料，如果施用不当，也可能造成污染。所以，每一季或每一轮作周期肥料投入的最佳组合也可称之为肥料施用的生态组合，换句话说，即使完全使用化学肥料，如何使用得当也不会造成环境、土壤和农产品的污染，关键是看根据作物、土壤和环境的用肥品种是否合适，用量是否合适，用肥时间是否合适等等。 2.6 服务体系 在中国虽然有平衡施肥技术服务体系，但未充分发挥作用。参与者为地方性土肥系统和农民，而发达国家的由服务机构运转的配肥站运作良好。现阶段中国基层生态平衡施肥技术服务机制为：在国家的支持下，基层肥料销售部门与当地的科研单位或推广组织相结合，后者也可独立建立销售体系，使用生态平衡施肥技术体系服务于当地农民，最终形成肥料生产-销售-使用企业化现代化网络。基层生态平衡施肥技术服务内容包括：销售网点、专家系统软件、田间试验网点、测土网点、区域专家网络、培训体系和广告等。以往的研究和推广机构与生产商和销售商结合不够，未能及时有偿或无偿提供技术和信息服务，今后生产商和销售商必须成为技术推广应用的主角，依靠技术和市场双重手段实现生态平衡施肥的技术推广工作。 主要参考文献： [1]侯彦林.可持续发展呼唤“生态肥料”. 科学时报. 1998年11月18日,第2版 [2]侯彦林,刘兆荣,生态平衡施肥模型理论与应用.土壤通报,2000,31(1):33-35. [3]侯彦林.“生态平衡施肥”的理论基础和技术体系.生态学报,2000,20(4):653-658. [4]侯彦林.“生态平衡施肥”—施肥理论和技术体系的创新. 世界科技动态. 2000,22(3):67-71. [5]侯彦林. “通用施肥模型”—原始性创新施肥模型.中国基础科学. 2000,(4):29-31. [6]侯彦林,曾文,宋建国,等.土壤速效氮、磷、钾速测方法的改进(I).土壤通报. 2000,31(5):238-240. [7]侯彦林,曾文,宋建国,等.土壤速效氮、磷、钾速测方法的改进(II).土壤通报.2000,31(6):280-282. [8]侯彦林,郭喆,任军.不测土条件下半定量施肥原理和模型评述.生态学杂志,2002,21(4):31-35. [9]侯彦林,任军,郭吉吉.生态平衡施肥专家系统的建立及其应用(I).土壤通报. 2002,33(1): 54-56. [10]侯彦林,郭吉吉,任军.生态平衡施肥专家系统建立及其应用(Ⅱ). 土壤通报.2002,33(2):133～136. [11]侯彦林,闫晓燕,任军,等.区域生态平衡施肥模型建立方法和应用.土壤通报,2003,34(1):33-35. [12]侯彦林,任军.生态平衡施肥技术产业化模式和机制研究土壤通报2003,34(3):191-194. [13]侯彦林,陈守伦.施肥模型研究综述.土壤通报2004, 35(4) :494-498. [14]侯彦林,陈守伦.复混（合）肥配方软件设计原理和方法,磷肥与复肥. 2005,20(5) :51-53.

生态平衡施肥（2）施肥参数指标体系

侯彦林 （中国科学院研究生院, 北京，100049） 摘 要：本文主要介绍如何确定通用施肥模型的特征参数问题。研究表明，任何有效的田间肥料试验结果和测土结果都可以作为确定通用施肥模型特征参数的原始数据，在没有上述数据情况下，也可以采取专家经验、访问和调查数据的方法确定施肥特征参数。在此基础上，进一步评述了常见几种施肥模型的优缺点及通用施肥模型与其关系。 关键词：生态平衡施肥；施肥指标体系 1 通用施肥模型特征参数的确定 通用施肥模型表达式为： Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ-2.25*(Tn-Tn+m) [1] 1.1 施肥参数区划 任何一个区域（省、市、县、乡镇等）都可以根据气候条件、地貌类型、土壤类型、地下水类型及其埋深以及其他任何可以将施肥参数划区的因素来划分施肥参数区。如太阳县划分为三个施肥区：第一施肥区、第二施肥区、第三施肥区，其中第一施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、水稻、大豆，第二施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、水稻、大豆、马铃薯，第三施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、甜菜、苹果、露地黄瓜。 1.2 施肥模式的命名 先根据县内自然条件划分施肥区域，在一个区域内可以根据地貌类型或土壤类型再划分，然后可以根据作物及其品种续分，还可以与土壤养分测试方法相配套，完整的命名如：太阳县第一区[区域]平地[地貌类型]/黑土[土壤类型]玉米[作物类]209[品种]A[传统的土壤有效和速效养分测试方法]、太阳县第一区黑土玉209B[B为当前测土配方施肥推荐的土壤有效/速效养分测试方法]、太阳县第一区黑土玉米209C[C为用户自己定义的某些土壤有效/速效养分测试方法的组合]、太阳县第一区黑土玉米118[118品种]A、太阳县第一区黑钙土玉米118A、太阳县第二区黑土玉米118A。具体命名时可以简化，只要有必要区分出“施肥模式”的并且能提供出施肥参数的就可以命名新的“施肥模式”。将“施肥模式”的概念扩大，即任何与其他“施肥模式”参数不同的（只要有1个参数不同），都可以命名为新的“施肥模式”，它包含空间和定位的含义。下面以“太阳县第一区平地黑土玉米209品种A”施肥模型为例说明施肥参数的确定方法。 1.3 特征参数确定方法 1.3.1 经验法 在基本没有可用田间肥料试验和测土数据情况下，以专家经验、访问和调查的数据为依据确定施肥特征参数。在这里，为了叙述方便，我们将每个施肥模型概括为21个基本参数，由此来确定通用施肥模型的特征参数。这21个基本参数加上其他辅助施肥参数就构成了施肥参数体系。根据最佳施肥量可以求出△Ｗ和不同产量情况下的施肥标准，根据最佳Tn+m可以求出不同产量情况下土壤培肥标准。举例如下： 施肥模式：太阳县第一区平地黑土玉米209品种A 产量确定：5个特征产量，即最低产量、低产平均值、中产平均值、高产平均值、最高产量。最低产量：一种作物在该施肥区在正常管理包括施肥条件下，由于土壤肥力等原因所能达到的最低产量水平，这个数据没有多大的实际意义，目的是限制用户在输入产量数据时别将产量数据输的太低。低产平均值：指一般低产情况下的“平均”产量水平。中产平均值：指一般中产情况下的“平均”产量水平。高产平均值：指一般高产情况下的“平均”产量水平。最高产量：一种作物在该施肥区在精心管理条件下，所能达到的最高产量水平，这个数据是限制用户在输入产量数据时别将产量数据输的太高，使施肥量预测不符合实际。特别提示：低产平均值、中产平均值、高产平均值之间的差别尽量设定为等间距或接近等间距，这样有力于建立参数模型。 N、P2O5、K2O最佳（经济）施肥量确定：根据施肥模式按不同产量确定，分别按低产平均产量、中产平均产量、高产平均产量三个等级给出最佳（经济）施肥量，共计9个基本参数。 N、P2O5、K2O最佳Tn+m参数确定：它为保障良好生长发育所必须的土壤有限养分含量下限，分别按低产平均产量、中产平均产量、高产平均产量三个等级给出最佳土壤有效养分含量下限值，共计9个基本参数。 有了以上21个基本施肥参数，在正常施肥量的情况下，在一季或一年时间内(Tn-Tn+m)变化很小，所以Ｗinput≈Ｗoutput-△Ｗ，于是可以求出△Ｗ＝f(产量)的函数关系。同时，可直接统计出Tn+m＝f(产量)的函数关系。我们知道，在以产量为评价土壤肥力高低的评价体系中，产量的实质是土壤综合肥力数值化指标。因为任何一个土壤肥力指标都不能代表土壤肥力的高低，也只有或只能用产量来作为土壤肥力高低的综合评价指标。所以，△Ｗ和Tn+m是土壤肥力综合评价的两个综合指标。 表1 以专家经验、访问和调查数据为依据确定的21个基本参数 ——————————————————————————————— 产量（kg/ha） 最佳施量量（kg/ha） 最佳Tn+m（mg/kg） N P2O5 K2O N P2O5 K2O ——————————————————————————————— 低产平均 7500 150 45 0 80 8 100 中产平均 9750 225 75 45 100 15 130 高产平均 12000 300 105 75 120 22 160 ——————————————————————————————— 1.3.2 模型法 在具有相当的田间肥料试验和测土数据情况下，可以通过建立参数模型的方法确定21个基本参数。 表2 足够统计资料情况下的基本参数的确定（以P2O5为例） ——————————————————————————————— 地块 测产的最佳产量 最佳施量（P2O5） 最佳Tn+m（P2O5） （kg/ha） （kg/ha） （mg/kg） ——————————————————————————————— 地块1 9975 45.0 13 地块2 10560 67.5 16 … … … … 地块N 8670 50.0 9 ——————————————————————————————— 统计△Ｗ、Tn+m与产量之关系，获得△Ｗ＝f(产量)和Tn+m＝f(产量)之函数关系。 1.3.3 模型—经验法 在以上21个基本参数通过田间试验和测土实际数据确定的基础上，再结合专家经验和调查、访问农户的实际情况，最终确定施肥参数，它综合了上述两方法之优点，充分利用了所有可以利用的信息。 在土壤不太缺少某种养分或最佳施肥量与产量之间关系不密切情况下，有时，通过田间试验和测土数据确定的Tn+m或△Ｗ函数与实际情况吻合程度不理想或不显著相关，这时Tn+m和△Ｗ可以采用下述步骤确定：（1）统计地块产量分布概率，确定低、中、高产平均产量；（2）统计地块有效N、P2O5、K2O含量分布概率，确定低、中、高平均含量；（3）统计地块最佳N、P2O5、K2O施肥量分布概率，确定低、中、高平均用量。研究表明：上述统计结果基本符合正态分布。我们测试了很多土壤，做了很多田间试验，关键问题是我们能否通过若干干数量有限的特征参数来宏观上掌握区域性施肥参数的规律，这是微观和宏观的结合。只注重测定一个土壤指导一个地块的做法是丢了西瓜，只注重挑选西瓜不重视每一个土壤测试结果所包含的宏观信息也不可能使决策建立在尊重事实的基础上。只有抓住了区域性肥料田间试验结果所反映的本质特征和大量测土值所蕴涵的土壤养分的现状趋势，才能做到根据有限个试验和测试结果为全区域无限个地块推荐施肥服务的目的，否则将事倍功半。 以上21个基本参数实现三级控制，综合优化了三种数据提供的特征信息：（1）产量控制：预测范围只在最低和最高产量之间进行；（2）施肥量控制：预测的施肥量必然在最低和最高产量相对应的施肥量之间；（3）土壤测试值控制：Tn+m是随产量而变化的函数，比起传统的丰缺指标法更科学。 2 几种常见施肥模型的综合评述 通过以上对通用施肥模型特征参数的确定，我们再来评述常见的施肥模型及其参数的优缺点。从国内外60多种施肥模型中选出以下9种进行简单介绍，详见有关参考文件。 2.1 地力分区（或级）配方法 该方法在当前具有大量数据基础上，应该使用区域多点土壤养分测试数据进行分析和分区，也可利用GIS方法形成养分分区图，然后按区提供配方或提供给配肥厂配方，该方法作为确定区域施肥量的方法可继续使用，并给原来半定量或定性的描述赋予了定量化的内涵，其应用前提是具有大量区域性土壤测试值。 2.2 目标产量法 该方法主要根据作物产量带走的养分量和土壤养分供应量之差来求算施肥量，主要施肥参数为土壤养分表观利用率和肥料利用率。它与地力差减法属一类，模型正确，参数不稳定或假设错误，现在实际工作中基本被抛弃或很少使用。 2.3 地力差减法 该方法利用空白区试验或缺素区试验估算土壤养分供应量，再利用肥料利用率求算施肥量，是目标产量法的一种变换表示方式，以空白区产量或缺素区产量代替土壤养分供应量。实际上使用空白区或缺素区土壤养分提供量去代替正常施肥区的土壤养分提供量，仅此一点，就足以使该方法在理论上被否定。 2.4 效应函数法 该方法主要用于描述肥料田间试验结果所反映的施肥量与产量之间的规律并用函数表示，主要用于筛选最佳产量和最佳施肥量。它是描述试验结果的统计模型，永远不能被抛弃，但测土后的数值无法纳入模型中，所以不能按地块推荐施肥。 2.5 丰缺指标法 该方法也是建立在生物统计基础上，一旦确立了区域性的土壤养分丰缺指标，就可以根据土壤测试结果按地块判断养分的丰缺进而给出施肥建议。它是目前最安全的半定量方法，目前多使用。丰缺指标法应该按作物和产量划分，使其成为动态的指标将更为科学。 2.6 氮、磷、钾比例法 由于土壤氮供应量不易测准，这个方法是根据作物体内磷或钾的含量而间接推断氮或其他养分的需要量，这在道理上都很勉强。 2.7 经验模型 经验模型是根据施肥区多年积累的各方面数据而建立起的经验模型，其他地区难以直接引用方法和参数。 2.8 目标产量法与效应函数法结合的综合方法 该方法利用大量田间试验，通过统计分析建立目标产量、施肥量、土壤养分含量、土壤养分表观利用率、肥料利用率这五个变量之间的统计关系，使目标产量法微观指导功能与效应函数法宏观指导功能相结合，在模型中包含土壤养分项，因此可作为测土配方施肥模型使用，其中肥料利用率和土壤养分表观利用率参数也是通过缺素区或空白区求得的，没有摆脱目标产量法的实质缺欠。 2.9 通用施肥模型 该方法包含了“目标产量法”（根据质量守恒推倒得出）、“效应函数法”（两个特征参数是根据肥料田间试验和测土数据获得的，没有试验参数时可利用专家提供的经验参数获得）、“丰缺指标法”（丰缺指标随目标产量而变动，是函数）三种方法之优点，当模型中使用区域土壤养分平均含量时又转变成“地力分区（或级）配方法”，在具体确定参数时非常简易，在缺少试验和土壤参数条件下还可以使用专家经验参数或访问、调查数据，从而简化成为“经验参数的定量模型”。 参考文献： [1]农牧渔业部农业局.配方施肥技术工作要点.土壤肥料,1987,(1):6-12 [2]周鸣铮.中国的测土施肥.土壤,1987,(1):7-13 [3]周鸣铮,王竺美.浙江省水稻土“因产定氮”基本公式及其有关参数的探讨.土壤学报,1987,24(2):127-133 [4]陆允甫,吕晓男.中国测土施肥工作的进展和展望.土壤学报,1995,32(3):241-250 [5]金耀青.配方施肥的方法及其功能（-对我国配方施肥工作的评述）.土壤通报,1989,20(1):46-49 [6]刘文通,刘声元,郝景发.长春地区诊断施肥量计算公式中几个参数的探讨.土壤通报,1984,15(3):117-120 [7]张宽,赵景云,王秀芳,等.黑土供磷能力与磷肥经济合理用量问题的初步研究.土壤通报,1984,(3):120-123 [8]姜文彬,杨铁成,单文波.玉米诊断施肥技术的研究与应用.吉林农业大学学报.1986,8(4):62-68 [9]朱兆良,张绍林,徐银华.平均适宜施氮量的含义.土壤,1986,18(6):316-317 [10]毛达如,张承东.多点肥料效应函数的动态聚类方法.北京农业大学学报,1991,17(2):49-54 [11]刘兆荣,姜英范,孙艳君,等.人参“去向回收”施肥模型的应用.土壤通报,1993,24(6):267-269 [12]侯彦林.“生态平衡施肥”的理论基础和技术体系.生态学报,2000,20(4):653-658 [13]侯彦林,闫晓燕,任军,等.区域生态平衡施肥模型建立方法和应用.土壤通报,2003,34(1):33-35 [14]侯彦林,郭喆,任军.不测土条件下半定量施肥原理和模型评述.生态学杂志,2002,21(4):31-35 [15]侯彦林.陈守伦. 施肥模型研究综述.土壤通报2004,35(4):494-498 [16]Colwell J. D. Development and evaluation of general or transfer models of relationships between wheat yields and fertilizer rates in southern Australia. Aust. J. of Soil Res, 1984,22:191-205. [17]Sonar K.R.,Tamboli B.D., Patil Y.M., et al.Targetting Yield of Pearl Millet on Vertisols Based on Soil Testing. Journal of the Indian Society of Soil Science,1994,42(4):658-660 [18]Chandrasekhra Reddy K, and Riazuddin Ahmed.Soil Test Based Fertilizer Recommendation for Maize Grown Inceptisols of Jagtiyal in Andhra Pradesh. Journal of the Indian Society of Soil Science, 2000,48(1):84-89 [19]Hariprakasa Rao M.and Subramanian.Fertilizer Needs of Vegetable Crops Based on Yield Goal Approach in Alfisols of Southern India.Journal of the Indian Society of Soil Science,1994,42(4):565-568 [20]Prasad R. and Prasad B. Fertilizer Requirements for Specific Yield Targets of Soybean Based on Soil Testing in Alfisols. Journal of the Indian Society of Soil Science,1996,44(2):332-333

生态平衡施肥（3）施肥专家系统软件

侯彦林 （中国科学院研究生院, 北京，100049） 摘 要：本文以通用施肥专家系统软件为例，介绍施肥专家系统软件研制的必要性、中国通用施肥专家系统软件设计思想、专家系统应用模式、当前施肥专家系统软件的作用、施肥专家系统软件的基本功能和一般使用流程。 关键词：生态平衡施肥；施肥专家系统 1 施肥专家系统软件研制的必要性 为什么要研制施肥专家系统软件？实现平衡施肥的前提是首先必须确定科学的施肥量，它和土壤条件、作物需肥特点、自然条件和肥料品种等密切相关。平衡施肥首先必须考虑土壤条件，这些条件包括土壤基础肥力（不施肥情况下的产量）、当前用户施肥条件下的产量、土壤有机质、土壤有效养分（特别是有效氮、速效磷、速效钾等）含量、土壤质地（砂、壤、粘程度）类型、土壤水分状况和土壤酸碱度程度等等。一般情况下，土壤基础肥力和当前用户施肥条件下的产量越高，土壤肥力水平越高，因为作物产量是土壤综合肥力水平的表现。土壤有机质含量越高，土壤肥力水平越高。土壤有效养分含量越高，土壤化学肥力越高。砂质土壤有机质和粘粒较少，因此保肥和供肥能力较低，水分含量较低，但土壤空气较多，养分的释放速度较快，土壤温度较高；而粘质土壤有机质和粘粒较多，所以保肥和供肥能力较高，水分含量较高，空气较少，养分的释放速度较慢，土壤温度较低；理想的土壤质地是壤土，它的性质界于砂质和壤质土壤之间，综合了砂质和粘质两种土壤的优点。土壤含水量过低，养分在土壤里不易移动，作物根系也难以伸展，土壤微生物活性也减弱，因此，土壤供应养分的能力较弱；而土壤水分含量过高，土壤养分容易淋失，土壤空气减少，作物根系呼吸减弱，土壤微生物活性也减弱，因此，土壤供应养分的能力也较弱；只有土壤水分保持适宜含量情况下，一般为田间持水量（可理解为充分降水或灌溉后24小时后根系层内土壤重量含水量%）到60%田间持水量之间比较合适，这时土壤固、液、气三相比例合适，土壤微生物活性大，土壤释放的养分较多。土壤过酸和过碱都不利于微生物活动和根系生长，只有在pH6.5～7.5之间才适于多数微生物和作物生活习性。 不同作物其吸收养分总量和养分比例不同，不同生长发育阶段吸收养分的数量和比例也不同，不同作物的根系吸收不同养分的能力也不同，因此，不同作物的施肥参数不同。当作物的施肥参数确定后，又由于不同土壤供应不同养分的能力不同，所以不同作物和不同土壤之间匹配形成许多种不同的施肥模式。 不同地区的自然条件如气候，地貌、土壤肥力水平和耕作习惯不同，施肥参数也不相同。然而就同一地块而言，其他自然条件的影响可以忽略，但不同水热年型要影响到土壤供肥能力，所以，施肥必须考虑自然条件，特别是气候条件。同样是追肥，假如是正常水分年的追肥数量是100，则降水偏多年的情况下，在半干旱地区追肥数量可以增加到120，而在湿润地区，也许需要减少到85。 在考虑上述三方面因素后，还必须考虑所使用的肥料品种和特性，如同样是氮肥，有些作物可能喜欢硝态氮，有些作物可能喜欢铵态氮；碳酸氢铵容易挥发必须深施，尿素的肥效期较长等等。综上所述，这些非常复杂的关系对于用户来说很难掌握，然而，为了解决这一难题，研究者模拟施肥专家的知识和经验研制出电脑施肥诊断系统，并编制为计算机软件，它可为每户农民的每块土地进行施肥推荐，用户可以按照推荐的清单购买肥料和施用。施肥专家系统是将平衡施肥技术利用电脑技术表现出来，将众多专家知识优化组装研制而成的高新施肥技术，她的无限"克隆"性可以为肥料销售部门提供科技销售"武器"，从而可以建立起面对8亿农民按地块进行电脑诊断的新型农化服务体系，农民可以按照自己的意愿选择经济或最大或生态施肥方案以及确定购肥方式（如自配专用复混肥或购买工厂生产的专用复混肥）。按照“电脑专家”推荐的施肥方案进行施肥，一般大田作物平均每667平方米与常规施肥方法相比，可以增加纯收入10～20元；肥料销售部门购置专家系统，可以显著地促销肥料，虽然免费为农民服务，但其投资成本可以从扩大销售量中得到回报，只相当于多销售几百吨肥料的纯利润，更为重要的是，使用"电脑专家"这一科技销售武器，可以树立企业科技形象，逐步培育稳定的科技销售市场。 2 中国施肥专家系统软件总体设计思想 中国生态平衡施肥专家系统建立在通用施肥模型理论基础上。精确施肥有赖于精确的施肥参数，施肥参数与诸多自然条件和农业栽培管理措施密切相关，在特定条件下取得的施肥参数其空间应用范围是有限的，施肥类型区的划分是确定施肥参数适宜范围的基础。以中国主要自然条件、社会条件和经济条件的相似性和差异性（包括行政范围、地貌类型、气候类型、土壤类型、作物类型、熟制类型等）为依据，划分中国生态平衡施肥区，共区分出12个一级和38个二级施肥类型区。在省/直辖市/自治区甚至县的范围内，可进一步进行施肥类型区的划分，直到细划到用户满意为止。按区划结果，在每个施肥类型区内，收集主要大田作物和经济作物、果树、蔬菜等近十年来的肥料田间试验研究数据和相关资料。对以上数据和资料进行分类和统计，确定不同区域不同作物的生态平衡施肥特征参数，分别建立不同区域的施肥参数数据库。再根据地块水分条件、肥力等级和质地类型等将区域施肥模型转化为地块施肥模型，并将前茬作物、当季有机肥计划用量和降水年型等影响因子作为辅助因素，进行综合分析和优化，得出当季经济/最大/生态施肥方案；最后利用信息技术完成中国生态平衡施肥专家系统软件，它可以为每户农民每块土地每一季主要作物提供最佳施肥方案和技术。专家系统在结构上全国通用，每个施肥类型区施肥参数系统不同。需要用户输入的信息含义明确、可定性或定量给出。 3 专家系统应用模式 专家系统的主要应用模式为：农业技术服务组织（土肥站或推广中心）模式；肥料销售连锁店模式；单个肥料销售部门的自营模式；地方政府网络模式：复合肥大型企业（单个企业或多个企业联合）销售网络模式；农场模式；经济发达地区农民协会或集体模式；科研课题示范模式等。可见，专家系统的直接用户不是农民，而是基层肥料经销商和基层农业技术服务组织等，处于商业竞争之目的，专家系统成为他们的科技销售武器，结果间接地解决了平衡施肥技术推广中的体制难题。专家系统是一项具有广阔应用前景和显著的经济效益、生态环境效益和社会效益的可持续发展技术和产品。系统因地制宜、操作简单、易于应用、预报准确、运行速度快、科技含量高，是利用科技手段促销肥料的新技术。通过免费为农民服务，在销售肥料时把科学施肥知识和技术潜移默化地传授给农民，同时也能对肥料经销者进行技术培训。可见，专家系统是利国家、利企业、利农民、利环境的可持续发展技术。 4 当前施肥专家系统软件的作用 施肥专家系统软件是当前全国测土配方施肥工作中的核心技术之一。测土配方施肥工作主要取得三方面信息或数据：一是肥料田间试验数据，二是大量的测土数据，三是专家经验的总结和访问、调查数据。如何利用将这三部分数据为三类用户服务是关键。第一类用户是测土地块的农户，一定要交给他们施肥建议卡；第二类用户是复（混）合肥厂，他们需要区域性的配方；第三类用户是直接销售给农户肥料的销售商，他们是将技术传递给农户的桥梁，并将成为今后技术推广的主角。这中间就出现一个难题，即如何利用三类数据为三类用户有效地准确无误地及时地服务？其核心技术是施肥模型的选择和施肥参数的确定，由于到目前为止所有的施肥理论和方法都或多或少地存在问题，使这一转化至尽都做得不是那么令人满意，造成至尽全国也没有通用性的施肥软件，给用户带来了困惑和不便。我们的研究表明，以通用施肥模型及特征参数为基础研制的施肥专家系统软件能够有效地解决这一难题。 5 施肥专家系统软件的基本功能 完整的施肥专家系统应该包括以下功能（含GIS功能的例外）： 用户信息模块：用户参数数据库；常用肥料数据库； 施肥参数数据库：采土地块数据库（也可包含农业部要求的所有数据库）；肥料试验数据库；施肥参数专家经验数据库；访问和调查信息数据库； 统计分析模块：田间试验分析方法；常用统计分析方法；施肥（特征）参数统计方法； 施肥模式建立：归纳施肥参数，建立指标体系，输入参数，建立施肥模型； 咨询模块：土肥站模式；肥料销售门市部模式；复混肥厂配方模式； 输出结果模式：打印；保存word文件等输出方式； 6 若干打印输出结果式样 表1 推荐施肥卡式样1 咨询次数：188 累计面积（公顷）：1345.8 日期：20070428 咨 询 人：太阳（市/区/县）月亮（乡/镇）地球村八组 农户：生态人 地块：DK01施肥模式：太阳县丘陵区黑土玉米209 地块面积：9.6（公顷）目标产量：8500公斤/公顷） 有机肥用量：0.0（公斤/公顷） 土壤有效氮、速效磷、速效钾(mg/kg)：87、21、106养分丰缺： 有效氮：适宜 速效磷：丰富 速效钾：缺少 推荐结果：N、P2 O5、K2O：240、93、62(公斤/公顷) 肥料组合 基、种肥总量 追肥总量 尿素/磷酸二铵/氯化钾 [ ] 132.8/202.2/103.3 309.8/0.0/0.0 尿素/磷酸二铵/硫酸钾 [∨] 132.8/202.2/124.0 309.8/0.0/0.0 氮肥/磷肥/钾肥（用户自定组合）[ ] ***.*/***.*/***.* ***.*/***.*/***.* 施肥技术：磷钾肥做基肥一次性施入；氮肥的70%6月上旬大喇叭口期追肥,深施覆土。（用户可自己输入肥料品种并选定组合；作为案例举出三个组合，实际只显示用户选取的组合。本案例选“∨”组合。） 表2 推荐施肥卡式样2 咨询次数：188 累计面积（公顷）：1345.8 日期：20070428 咨 询 人：太阳（市/区/县）月亮（乡/镇）地球村八组 农户：生态人 地块：DK01施肥模式：太阳县丘陵区黑土玉米209 地块面积：9.6（公顷）目标产量：8500公斤/公顷） 有机肥用量：0.0（公斤/公顷） 土壤有效氮、速效磷、速效钾(mg/kg)：87、21、106养分丰缺： 有效氮：适宜 速效磷：丰富 速效钾：缺少 推荐结果：N、P2 O5、K2O：240、93、62(公斤/公顷) 基、种肥（公斤/公顷） 单质肥方案 尿素：132.8 磷酸二铵：202.2 氯化钾:：103.3 复合肥方案 辅助尿素：55.4 10-20-10：465.0 辅助氯化钾：25.8 追肥（公斤/公顷） 单质肥方案 尿素：309.8 磷酸二铵：0.0 氯化钾：0.0 复合肥方案 辅助尿素：309.8 00-00-00：0.0 辅助氯化钾：0.0 施肥技术：磷钾肥做基肥一次性施入；氮肥的70%6月上旬大喇叭口期追肥,深施覆土。（在复合肥方案中，以磷为主计算机优选，当按磷计算的氮和钾的带入量在±15%范围内时可以不使用辅助氮肥和钾肥；当氮和钾分别多于15%时视为浪费不选中，当氮和钾分别少于15%时可以补充辅助氮和辅助钾；当没有合适复合肥可选时，如果考虑肥料浪费和缺少以及成本时，只能使用单质肥料组合；追肥中需要追两元以上养分时可选复合肥。） 表3 推荐施肥卡式样3 咨询次数：*** 累计面积（公顷）：*** 日期： ***. 咨 询 人：***.（市/区/县）***.（乡/镇）***.村***八组 农户：***. 地块：***.施肥模式：******** 地块面积：***.*（公顷）目标产量：***.*公斤/公顷） 有机肥用量：***.*（公斤/公顷） 土壤有效氮、速效磷、速效钾(mg/kg)：***、***.、***.养分丰缺：有效氮：（缺少/适宜/丰富/未测） 速效磷：（缺少/适宜/丰富/未测）速效钾：（缺少/适宜/丰富/未测）(计算机自动评价四选一) 推荐结果：N、P2 O5、K2O：***.*、***.*、***.*(公斤/公顷) 推荐基肥和种肥方案（单位依次为：公斤/公顷、元/公顷） 种类 （辅助）氮肥 （复合肥或）磷肥 （辅助）钾肥 基肥 **.*/**.* **.*/ **.* *.*/ **.* 种肥 **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* 推荐追肥方案（单位依次为：公斤/公顷、元/公顷） 追肥 肥料名称 丰水年 降水正常年 枯水年 第1次氮肥第1次磷肥第1次钾肥第1次复合第1次辅助氮第1次辅助钾 ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* 第j次氮肥第j次磷肥第j次钾肥第j次复合第j次辅助氮第j次辅助钾 ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* 第m次氮肥第m次磷肥第m次钾肥第m次复合第m次辅助氮第m次辅助钾 ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* ***** **.*/ **.* **.*/ **.* **.*/ **.* 施肥技术：把施肥技术和注意事项内容写在此提示用户（式样4为通用式样，案例中不再给出具体数字；追肥分丰水年、降水正常年、枯水年三种年型，上述案例1到3中的追肥量是指降水正常年的，用户可以在数据库中输入丰水年和枯水年追肥量调整系数，用户可根据追肥时天气情况选用追肥量）。 参考文件： [1]侯彦林,任军,郭吉吉.生态平衡施肥专家系统的建立及其应用(I).土壤通报.2002,33(1):54-56. [2]侯彦林,郭吉吉,任军.生态平衡施肥专家系统建立及其应用(Ⅱ). 土壤通报.2002,33(2):133～136. [3]修士忠,张凤霞,柳莉.配方施肥建议卡的程序设计.吉林农业科学,1995,(4):67-68

生态平衡施肥（4）应用案例

侯彦林 （中国科学院研究生院, 北京，100049） 摘 要：本文以通用施肥专家系统软件在不同地区应用为例，对应用中发现的一些问题做一汇总，以便用户进一步理解生态平衡施肥理论、方法和软件的应用， 关键词：生态平衡施肥；应用案例 通用施肥模型的发现、发展、示范和推广过程如下：1998年，受刘兆荣等提出的人参“去向回收”施肥模型这一经验模型的启发，开始推导出通用施肥模型（生态平衡施肥模型）；1999-2001年利用历史数据验证了正确性；2002年研制出软件产品；2002-2007年在全国巡回讲学、培训和推广。历经8年多的研究、试验和推广，目前已成为成熟技术，先后在全国28个省、自治区、直辖市的土肥系统、大学、科研单位和多种会议上做过80多场学术报告，发表论文十多篇，申请软件著作十多部，目前已经在吉林省30多个县推广应用，在十几个省、自治区、直辖市试用和推广。 1 配方施肥常见的误区 为了更好地应用好生态平衡施肥理论、方法和软件，首先把平衡施肥中常见的误区总结如下。 误区1：作物产量主要由肥料决定论 专业技术人员常向农民介绍说，使用通过测土配方的肥料可以增产10%以上等等，而实际农民在每年收获时的产量不一定是播种时推荐施肥量的目标产量，或多或少，有时比目标产量少的很多，于是给农民带来一种不信任感，认为测土配方施肥作用不大。其实，决定作物产量的因素很多，多数因素是不能人为控制的，比方说降水和温度，作物一生至少需要几个月的时间才能完成生育期，这期间可能发生任何事情包括自然灾害。测土配方施肥技术只是作物综合栽培技术中的一个非常重要的措施，对产量起着很重要的作用，但是如果其他措施配套得不好或环境条件不协调，作物就很难达到预期的目标产量。 测土配方施肥技术可以增产10%以上，是指在比较理想的试验条件和管理措施得当的情况下得出的。每户农民的每一地块实际管理水平可能存在很大的差异。因此，认为测土配方施肥技术普遍可以增产10%以上是没有科学依据的，有些地块可能增产50%，而另外一些地块可能不增产，少量地块也可能减产。更确切地说，测土配方施肥技术是通过施肥方式力争将土壤养分协调到最佳状态，使其不至于成为作物产量提高的限制因素，在此条件下，如果其他因素都正常就可增产。总而言之，测土配方施肥技术是作物增产的一个重要潜力措施。 误区2：测土配方施肥技术可年年增产 测土配方施肥技术增产是相对于不测土之前农民的常规施肥方式而言的，当实施测土配方施肥技术之后的头2年，产量可增，但是，当产量增加到一个限度时，土壤养分协调性已经不是限制因素时，产量再提高必须改善其他条件，这时作物相对于测土配方施肥技术的理想产量就相对地稳定了，不会超过综合肥力决定的产量水平。 误区3：配方施肥以测土为主 测土配方施肥不能顾名思义。科学的测土配方施肥技术首先建立在作物肥料田间试验的基础上，因为作物生长是一个生物学过程，整个一生根系吸收养分都是生物学过程。然而，肥料田间试验消耗很多人力、财力、物力和时间，数量有限。因此人们总想通过测定土壤里面的有效养分来评价土壤的供肥能力，于是出现了测土工作。可是到目前为止的任何测土方法都是化学方法，所测定的土壤有效养分是采土时刻的，不能代表作物整个一生从土壤中的有效态养分、无效态养分和耕层以下吸收的养分总量。于是，人们又想通过测土数据与产量之间的相关关系方法来大体上预测土壤的供肥能力，遗憾的是这种方法由于以上所述原因相关性并不理想。但是，测土毕竟能反映土壤肥力的相对水平，所以，它仍然作为配方施肥技术的重要辅助方法而被广泛应用。在具体应用过程中，许多测土数据的综合分析结果可以帮助确定区域性施肥量，这是测土的真正意义，同时也可以具体指导测土地块的配方施肥。 误区4：测土配方能减少肥料用量 农民总希望自己的土地能多产粮食，多些经济效益。于是，希望通过测土减少肥料的投入量，这样可以降低生产成本，而保持或提高作物产量。测土配方施肥的目的不是增加或减少肥料的用量，而是因土确定最合适的养分比例和用量，施肥多的可能减少些用量，施肥少的可能增加些肥料用量。总之，施肥的目的是追求在没有污染情况下的经济效益最高。 误区5：一旦测了土，施肥量就是固定的 测定土壤里面的有效养分多少，然后根据计划种植的作物，通过某种算法可以确定一个合适的施肥量，确切地说，只是确定了一个合适的基肥量和其中各种养分的比例，因为追肥量应该根据当时的气候条件和作物的长势而确定，如在半干旱地区，追肥前降水适宜土壤墒情好追肥数量可以增加些，在作物长势太强可能贪青晚熟的情况下，可补施一些磷肥和钾肥都能收到良好的效果。所以，测土配方施肥只是给出了作物适宜的施肥量，这个施肥量还要根据作物生育期的具体情况进行适当的微调。 2 通用施肥软件在各地的应用情况 2.1吉林省 吉林省从2005年起全省30多个县开始使用通用施肥软件，每年推广面积1000万亩以上。期间集中培训4次，首先让学员了解国内外施肥理论、方法和技术现状，然后培训软件使用，最后以县为单元具体介绍如何建立县级施肥专家系统，直到学会为止。有趣的是该省某县对不测土半定量施肥推荐模块兴趣极大。强调指出的是：测土配方施肥工作既要指导测土地块，又要指导当年未测土地块，如何利用测土地块的信息来预测未测土地块的施肥量也是测土配方施肥工作的核心技术之一，有关理论和方法前文已经阐述。 2.2 内蒙古区 牙克石市是内蒙古区最早使用通用施肥软件的单位，在应用中遇见以下问题。该市属于冷凉地区，但是土壤有效或速效养分含量极高并且变幅也大，作物以春小麦、油菜等生长季极短的为主，不能种植春玉米，每一农户的播种面积都是几十公顷以上，合理施肥量只是暖温带的1/3左右并且范围很窄。在这种情况下如果仍然按照先确定区域的Tn+m，然后计算土壤有效养分的绝对差值（Tn-Tn+m）来调整施肥量，可能有些地块不用施肥而有些地块施肥量可能是合理施肥量的2倍以上。解决的方法是：以通过田间肥料试验获得的科学施肥量为主要依据，将每一农户地块养分现状含量作为Tn+m，不再求算区域平均的Tn+m，以免造成地块Tn与Tn+m之间差别较大使推荐结果严重失真于当地目前的合理施肥量范围。 2.3 辽宁省 辽宁省昌图县某农业技术推广站早在全国测土配方施肥项目实施前就使用了我们研制的软件，他们遇到的问题是：软件能否使用速测方法测定的土壤养分数据。回答是：软件本身与土壤养分测定方法无关，只要该方法具有与作物产量很好的相关性，都可以建立参数指标体系。即用什么测定方法建立的指标体系，以后咨询时提供的土壤养分测定方法必须一致，否则，参数将张冠李戴。最近辽宁省沈阳市某土肥站使用软件时评价说，我们的软件给出的相当与丰缺指标Tn+m是随目标产量变动的，这样就克服了传统的丰缺指标方法中指标是固定的和分段的不足。 2.4 天津 通用施肥软件适用于所有作物，天津市主要应用在蔬菜和水果上，这时要充分考虑有机肥提供的养分。软件中有机肥提供的养分数据库用户随时可以修改。另外，化肥用量要参照当地当前的实际用量，不可参照大田作物，以免造成减产。 2.5 浙江省杭州市 根据某土肥站需求，专门设计了施肥软件，并充分考虑了前茬作物的影响。具体解决方法是：可以在施肥模式命名中解决，如前茬为水稻的油菜施肥模式，只要在油菜施肥参数中适当考虑前茬养分对后茬养分的影响即可。 2.6 重庆市 重庆市某市应用软件主要目的是将全市20多个肥料销售门市部连接起来，形成统一的联网销售模式。 2.7 青海省 所遇到的问题是，可能在很小的范围内，地形条件变化非常大，可能有高山小麦，平地小麦。解决的办法仍然是利用施肥模式命名来解决。由此可以得出结论：只要能给出施肥参数的，都可以命名为新的施肥模式。 2.8 关于空间定位问题 我们的软件不具备GIS功能，但是可以通过行政单元逐级落实到地块，每户农民最熟悉他家的地块在哪里？面积多大？基本肥力如何？什么年头产量多少？我们的软件采用互动式，能让用户提供更多的地块信息。 3 展望 测土配方施肥专家系统在全国范围的推广的进一步工作包括： 测土配方施肥工作的“四化”管理：数据管理标准化、分析决策自动化、配方制定规范化、信息发布网络化。 测土配方施肥技术信息服务平台建设的主要内容如下： （1）基本功能：数据管理和分析系统 （2）分类功能： （A）实验室常用软件：土壤与植物测试结果计算；肥料田间试验结果统计； （B）测土配方施肥软件：工厂化生产配方；区域配方；地块配方； （C）工具性软件：县市级GIS参数分区；测土数据GIS管理；施肥效果评价；土壤养分现状分析； （D）信息发布系统：区域性施肥配方发布系统；区域性肥料合理用量发布系统。

测土配方施肥数据信息化管理及生态平衡施肥专家系统

应用中的若干问题 侯彦林 （中国科学院研究生院，北京，玉泉路19号甲，100049） 摘 要：本文根据当前全国测土配方施肥工作需求、国内外技术发展现状和多年研究经验，对我国测土配方施肥数据信息化管理的任务、目标、内容、存在的问题和当前的主要工作做一初步探讨。在此基础上，介绍了生态平衡施肥专家系统软件应用中遇见的一些问题及处理方法，希望对此类工作的开展有借鉴作用。 关键词：测土配方施肥；数据；信息化；管理；应用。 1 施肥专家系统软件研制的必要性和作用 当前开展的全国性测土配方施肥工作是我国农业可持续发展的重要战略措施之一，是建国以来国家在施肥技术推广方面财政投入最多的一次，2005年到2007年已经连续实施1000多个县，每个县投入200万元，预计最终达到70%以上的县，这项工作目前已经进入到数据整理和应用的关键时期。该项目具有以下特点：全国性；以行政区/市/县为基本实施单位；投资大；数据多；应用性强。这些主要特点决定了该项目在实施过程中和后续应用中，必须建立一套系统性和功能性都很强的数据处理技术，并以网络数据处理系统为主要发展方向，可分为有、无GIS支持两类系统。国内目前虽然有些系统已经具备了上述基本功能，但是还远没有达到优化组装、功能齐全、系统完善、规模应用的水平，这是今后使测土配方施肥工作直接转化为生产力的关键限制技术。实现平衡施肥的前提是首先必须确定科学的施肥量，它和土壤条件、作物需肥特点、自然条件和肥料品种等密切相关。这些非常复杂的关系对于用户来说很难掌握。因此，为了解决这一难题，研究者模拟专家的知识和经验研制出电脑施肥诊断系统，并编制成计算机软件，它可为每户农民的每块土地进行施肥推荐，用户可以按照推荐的清单购买肥料和施用，还可为复（混）合肥厂提供生产配方。 施肥专家系统软件是当前全国测土配方施肥工作中的核心技术之一。测土配方施肥工作主要取得三方面信息或数据：一是肥料田间试验数据，二是大量的测土数据，三是专家经验的总结和访问、调查数据。如何利用这三部分数据为三类用户服务是关键。第一类用户是测土地块的农户，一定要交给他们施肥建议卡；第二类用户是复（混）合肥厂，他们需要区域性的配方；第三类用户是直接销售给农户肥料的销售商，他们是将技术传递给农户的最后桥梁，并将成为今后技术推广的主角。这中间就出现一个难题，即如何利用这三类数据为三类用户有效地准确无误地及时地服务？其核心技术是施肥模型的选择（包括专家知识的概化）和施肥参数的确定。由于到目前为止所有的施肥理论和方法都或多或少地存在理论或方法问题，使这一转化至尽都做得不是那么令人满意，造成至今全国也没有通用性的施肥软件，给用户带来了困惑和不便。我们的研究表明，以通用施肥模型及其特征参数为基础研制的施肥专家系统软件能够有效地解决这一难题，经过多年试验、示范和推广收到了良好效果[1-7]。 2 测土配方施肥数据信息化管理中的若干问题 2.1 测土配方施肥数据信息化管理的任务 数据信息化管理的主要任务包括五个方面。数据安全：为保证原始数据和信息安全，必须分别以电子版和纸质版方式多点存放，并附说明；网络方式便于多点保存、查询和调用。数据规范：数据和信息按数据库词典要求进行规范。数据可交换性：数据可以以约定的几种数据库类型进行交换，便于数据在不同软件之间互相调用。信息化处理平台：建立国家、省/区/直辖市、区/市/县三级网络化信息处理平台，其中以省/区/直辖市为基础和重点，主要用户是区/市/县。数据保密：按数据重要程度设不同的保密级别和划分用户使用权限。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 作者简介：侯彦林，男，1959年12月出生，中国科学院研究生院，教授，博士，博士生导师，中国科学院“百人计划”人才。主要从事生态平衡施肥与施肥技术信息化研究；北京市玉泉路19号甲，100049；电话010-88256365，电子邮箱ylhou@263.net。 2.2 测土配方施肥数据信息化管理的目标 测土配方施肥数据信息化管理目标可概括为“四化”，即：数据管理标准化：所有数据均按数据字典进行规范，以便不同用户之间能够进行正确的数据交换；分析决策（半）自动化：配方施肥数据量大，需要基层应用者具备相当的技术水平，而目前基层技术人员难以达到这样的程度，因此，有必要研制出“傻瓜式”的决策系统，只需要简单培训用户即可使用；配方制定规范化：按国家复合肥/配方肥配制要求和具体实施地点的土壤现状和作物试验结果，调整参数，规范某一行政单元内的配方原则和参数，有利于企业参与；信息发布网络化：这是信息技术发展的特点，这样能使用户及时得到有关信息以便确定相应对策，可以定期进行施肥预报，在更大范围内指导农户施肥。 2.3 测土配方施肥数据信息化管理内容 管理内容可以用以下结构和功能图表示。 （有/无GIS支持下的）网络版测土配方施肥信息处理系统 全国性：主要用于宏观信息管理和统计 技术指导 上报信息 省/区/直辖市：以省为单位建立网络用户 技术指导 上报信息 县/市/区：主要用户 主 要 功 能 （Ⅰ）基本功能 （Ⅱ）常用模块 （Ⅲ）配方模块 （Ⅳ）预报发布 （Ⅴ）GIS工具 （Ⅰ1）数据管理（Ⅱ1）测试结果计算（Ⅲ1）企业配方（Ⅳ1）分区基肥预报 （Ⅰ2）统计分析（Ⅱ2）田间试验统计（Ⅲ2）区域配方（Ⅳ2）分区追肥预报 （Ⅱ3）土壤养分分级（Ⅲ3）地块配方 （Ⅱ4）土壤养分分区 （Ⅱ5）施肥效果评价 图1 测土配方施肥数据信息化管理内容 2.4 测土配方施肥数据信息化管理存在的问题 总体来讲，存在三方面问题：“心件”认识不够：测土配方施肥数据信息化管理的重要性还没有引起各级主管部门的高度重视，虽然有所进展但是力度远远不够，没有将国内相关科研力量整合到一起，没有形成战斗力。我们不难想象，测土配方施肥工作最后的主要信息都将转化为“数据”，如何使这些“数据”为当前和今后更长远的用户服务这是根本。检验测土配方施肥工作最后效果的标准至少应该包括：推广力度、实际效益和农民受到的普及程度；队伍建设和试验室建设；企业参与度；数据安全和持续使用性。队伍建设和试验室建设主要是为了获得“数据”，指导企业参与也是通过“数据”“完成的”，实际效果更要依靠“数据”来“说话”，在整个过程中起连接作用和具体指导作用的都是“数据”。因此，我们没有理由不保护好、挖掘好、使用好这些用大量人力、物力、财力和时间获得的“数据”。“软件”缺乏总体设计：由于没有相关部分的统一部署，不可能优化组装国内各技术单位的技术优点和特点，更谈不上总体设计。“硬件”不配套：在硬件上，各单位各自为战，使用户得不到功能齐全，效果更好的系统。有些省自己在研发软件，由于技术力量不足，存在问题很多。 2.5 测土配方施肥数据信息化管理当前的主要工作 当前重要的两项工作是整个工作的第一步，其他工作必须以此为前提。有关权威部门举办相关研讨会，对该项工作的重要性进行研讨，统一意见，制定规划；组织专家研究系统的总体功能和结构，设计系统方案，并上报有关部门取得财政经费支持。 3 生态平衡施肥专家系统应用中遇见的若干问题及处理方法 生态平衡施肥专家系统（也称通用施肥专家系统）软件自2002年起在全国不同地区包括吉林省、内蒙古区、辽宁省、天津市、浙江省、重庆市、青海省等十多个省、区、直辖市推广应用多年，对应用中发现的若干典型问题及处理方法做一归纳，供借鉴。 3.1 施肥参数区划问题 任何一个区域（省、市、县、乡镇等）都可以根据气候条件、地貌类型、土壤类型、地下水类型及其埋深以及其他任何可以将施肥参数划区的因素来划分施肥参数区。如太阳县划分为三个施肥区：第一施肥区、第二施肥区、第三施肥区，其中第一施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、水稻、大豆，第二施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、水稻、大豆、马铃薯，第三施肥区内计划推荐施肥的作物有玉米、甜菜、苹果、露地黄瓜。 3.2 施肥模式命名问题 先根据县内自然条件划分施肥区域，在一个区域内可以根据地貌类型或土壤类型再划分，然后可以根据作物及其品种续分，还可以与土壤养分测试方法相配套，完整的命名如：太阳县第一区[区域]平地[地貌类型]黑土[土壤类型]玉米[作物类]209[品种]A[传统的土壤有效和速效养分测试方法]、太阳县第一区黑土玉米209B[B为用户自己定义的某些土壤有效/速效养分测试方法的组合]、太阳县第一区黑土玉米118[118品种]A、太阳县第一区黑钙土玉米118A、太阳县第二区黑土玉米118A。具体命名时可以简化，只要有必要区分出“施肥模式”的并且能提供出施肥参数的就可以命名新的“施肥模式”。将“施肥模式”的概念扩大，即任何与其他“施肥模式”参数不同的（只要有1个参数不同），都可以命名为新的“施肥模式”，它包含空间和定位的含义。下面以“太阳县第一区平地黑土玉米209品种A”施肥模型为例说明施肥参数的确定方法。 3.3 特征参数确定方法问题 3.3.1 经验法 在基本没有可用田间肥料试验和测土数据情况下，以专家经验、访问和调查的数据为依据确定施肥特征参数。在这里，为了叙述方便，我们将每个施肥模型概括为21个基本参数，由此来确定通用施肥模型的特征参数。这21个基本参数加上其他辅助施肥参数就构成了施肥参数体系。21个基本参数如下: 产量(kg.ha-1,下同)确定：5个特征产量，即最低产量、低产平均值、中产平均值、高产平均值、最高产量。最低产量：一种作物在该施肥区在正常管理包括施肥条件下，由于土壤肥力等原因所能达到的最低产量水平，这个数据没有多大的实际意义，目的是限制用户在输入产量数据时不能将产量数据输的太低。低产平均值：指一般低产情况下的“平均”产量水平。中产平均值：指一般中产情况下的“平均”产量水平。高产平均值：指一般高产情况下的“平均”产量水平。最高产量：一种作物在该施肥区在精心管理条件下，所能达到的最高产量水平，这个数据是限制用户在输入产量数据时不能将产量数据输的太高，使施肥量预测不符合实际。特别提示：低产平均值、中产平均值、高产平均值之间的差别尽量设定为等间距或接近等间距，这样有力于建立参数模型。 N、P2O5、K2O最佳（经济）施肥量(kg.ha-1,下同)确定：根据施肥模式按不同产量确定，分别按低产平均产量、中产平均产量、高产平均产量三个等级给出最佳（经济）施肥量，共计9个基本参数。 N、P2O5、K2O最佳Tn+m参数(mg.kg-1,下同))确定：它为保障良好生长发育所必须的区域性土壤有限养分含量下限值，分别按低产平均产量、中产平均产量、高产平均产量三个等级给出最佳土壤有效养分含量下限值，共计9个基本参数。 3.3.2 模型法 在具有相当的田间肥料试验和测土数据前提下，可以通过建立参数模型的方法确定以上21个基本参数，限于篇幅，具体方法请参见即将发表的其他文章。 3.3.3 模型—经验法 在以上21个基本参数通过田间试验和测土实际数据确定的基础上，再结合专家经验和调查、访问农户的实际情况，最终确定施肥参数，它综合了上述两方法之优点，充分利用了所有可以利用的信息。 以上21个基本参数实现三级控制，综合优化了三种数据提供的特征信息。产量控制：预测范围只在最低和最高产量之间进行。施肥量控制：预测的施肥量必然在最低和最高产量相对应的施肥量之间。土壤测试值控制：Tn+m是随产量而变化的函数，比起传统的丰缺指标法更科学。 3.4 不测土推荐施肥问题 测土配方施肥工作既要指导测土地块，又要指导当年未测土地块，如何利用测土地块的信息来预测未测土地块的施肥量也是测土配方施肥工作的核心技术之一[2]。 3.5 土壤养分测试方法问题 软件能否使用速测方法测定的土壤养分数据或对测试方法有无要求？回答是：软件本身与土壤养分测定方法无关，只要该方法具有与作物产量很好的相关性，都可以建立参数指标体系。即用什么测定方法建立的指标体系，以后咨询时提供的土壤养分测定方法必须一致。 3.6 蔬菜和水果施肥参数确定问题 通用施肥软件适用于所有作物，当指导蔬菜和水果施肥时要充分考虑有机肥提供的养分。软件中有机肥提供的养分数据库用户随时可以修改。另外，化肥用量要参照当地当前的实际用量，不可参照大田作物，以免造成减产。 3.7 前茬作物影响问题 软件设计中考虑了前茬作物的影响，也可在施肥模式命名中解决，如前茬为水稻的油菜施肥模式，只要在油菜施肥参数中适当考虑前茬养分对后茬养分的影响即可。由此可以得出结论：只要能给出一组施肥参数的，都可以命名为新的施肥模式。 3.8 追肥量根据降水年型确定问题 软件设计中考虑了追肥时降水不同的影响，用户可以随时调整参数。 3.9 单机版和网络版问题 单机版软件每套软件都需要加密狗，成本高，一套软件用户只能安装在一台计算机上，输入数据和打印清单都比较慢，软件功能更新烦琐需要重新发放，.用户分散，服务成本也高，每次更新软件数据库时以前的数据导入较为困难，好处是软件稳定，不需要上网条件和上网费用。而网络版可以通过多发放帐号方式一个用户可以同时在多台计算计上同时输入数据和打印清单，并可随时使用增加的功能，也便于上报数据，便于将清单直接发放到更基层的单位，所有数据可以保存在服务器和用户端等多个空间地点，每次更新软件数据库时以前的数据可以设计成自动导入模式，较为方便，还能够很好地与其他数据库和软件连接，缺点是每年需要维护费用。 3.10 地块空间定位问题 我们软件目前不具备GIS功能，但是可以通过行政单元逐级落实到地块或通过“统一编号”直接查询到地块编号，实现一块地一个挡案的管理目的。 3.11 连续打印问题 土肥站用户往往在播种季节前集中打印清单，希望软件能连续打印。我们的软件连续打印的条件是：每块地必须有当季计划播种的作物和其目标产量，对土壤养分含量数据有无没有限制。用户可以通过首先选择某一行政单元内的某一作物，来缩小打印范围，把需要打印的地块首先挑选出来，然后再进行连续打印。同理可以连续打印某一行政单元内的第二种作物，如此循环直到打印完用户需要打印的数据。 3.12 施肥软件和参数必须承担道德和法律责任的问题 如果施肥软件落在不法人手中，可以通过调整施肥参数而达到增加施肥量直接带来超额利润的目的，损害的是农民利益和环境，更为重要的是损害了测土配方施肥的声誉和国家的形象。另外一个问题是，由于使用的施肥模型不是很科学包括专家知识概化的不够很深入，以及所确定的施肥参数代表性不强等，可能会使用户的打印清单中出现施肥量严重失真的情况，如果打印清单多了，不可能人工核实每一张清单。换句话来将，作物产量——土壤养分含量——肥料品种——环境条件——施肥成本等至少五方面因素如何优化才能做到万无一失？如果是万中一失，谁来承担道德和法律的责任？软件研制者？参数提供者？我们的回答是：这个责任必须由两者共同承担，但要区分对待。如果参数提供者按照软件研制者提供的参数输入参数（这些参数是参数提供者认可的合理参数，下同），并在模型和参数检验中，参数提供者对所有极点以内的预测结果都满意，则该软件应用中将万无一失，否则参数提供者可以经过几次重新确定参数的方式来检验软件的合理性，如果都不能取得万无一失的效果，则该软件不可使用，使用后出现任何问题应该由软件研制者承担。如果参数提供者按照软件研制者提供的参数输入参数并在模型和参数检验中，参数提供者虽然经过多次调整参数但是还是对所有极点以内的预测结果总是有不满意之处，则该软件应用中必将万中一失，如果软件研制者不重新修改施肥模型和专家知识库知识，继续推荐使用施肥软件，如果出现问题，责任完全由软件研制者承担，因为参数提供者是按软件研制者要求提供的参数，咨询出来的结果必须落在参数提供者提供的科学施肥量范围，并且要包括复（混）合肥情况。 主要参考文献： [1]侯彦林.“生态平衡施肥”的理论基础和技术体系.生态学报,2000,20(4):653-658. [2]侯彦林,郭喆,任军.不测土条件下半定量施肥原理和模型评述.生态学杂志,2002,21(4):31-35. [3]侯彦林,任军,郭吉吉.生态平衡施肥专家系统的建立及其应用(I).土壤通报. 2002,33(1):54-56. [4]侯彦林,郭吉吉,任军.生态平衡施肥专家系统建立及其应用(Ⅱ). 土壤通报.2002,33(2):133～136. [5]侯彦林,闫晓燕,任军,等.区域生态平衡施肥模型建立方法和应用.土壤通报,2003,34(1):33-35. [6]侯彦林,陈守伦.复混（合）肥配方软件设计原理和方法,磷肥与复肥. 2005,20(5) :51-53. [7]侯彦林,陈守伦.施肥模型研究综述.土壤通报2004, 35(4) :494-498.

生态平衡施肥指标体系及建立全国施肥指标体系的设想

侯彦林 （中国科学院研究生院，北京，玉泉路19号甲，100049） 摘 要：本文系统地总结了生态平衡施肥指标体系，并就建立全国施肥指标体系提出了设想。 关键词：生态平衡施肥；施肥指标体系 1 施肥指标体系确定的意义 施肥专家系统软件是当前全国测土配方施肥工作中的核心技术之一。测土配方施肥工作主要取得三方面信息或数据：一是肥料田间试验数据，二是大量的测土数据，三是专家经验的总结和访问、调查数据。如何利用这三部分数据为三类用户服务是关键。第一类用户是测土地块的农户，一定要交给他们施肥建议卡；第二类用户是复（混）合肥厂，他们需要区域性的配方；第三类用户是直接销售给农户肥料的销售商，他们是将技术传递给农户的桥梁，并将成为今后技术推广的主角。这中间就出现一个难题，即如何利用三类数据为三类用户有效地准确无误地及时地服务？其核心技术是施肥模型的选择和施肥指标体系的确定，由于到目前为止所有的施肥理论和方法都或多或少地存在问题，使这一转化至尽都做得不是那么令人满意，造成至尽全国也没有通用性的施肥软件，给用户带来了困惑和不便。我们的研究表明，以生态平衡施肥模型（通用施肥模型）及其特征参数为基础研制的施肥专家系统软件能够有效地解决这一难题。 2 施肥指标体系的定义 施肥指标体系：所有与决定施肥量、施肥方法、施肥时期等有关的作物参数、土壤参数和肥料参数的总和。 3 生态平衡施肥指标体系的内容 使用什么样的施肥模型就会有什么样的施肥指标体系。以下以一个县生态平衡施肥指标体系为例进行说明。 3.1 生态平衡施肥模型（通用施肥模型）表达式 Ｗinput=Ｗoutput-△Ｗ-2.25*(Tn-Tn+m) [1] 3.2 施肥参数区划 施肥参数区划总的原则：根据县内气候条件、地貌类型、土壤类型、地下水类型及其埋深以及其他任何可以将施肥参数划区的因素来划分施肥参数区。如：太阳县划分为三个施肥区，在每个区内确定需要推荐施肥的对象。如，第一施肥区：玉米、水稻、大豆……；第二施肥区：玉米、水稻、大豆、马铃薯……；第三施肥区：玉米、甜菜、苹果、保护地黄瓜……。 3.3 施肥模式的命名 在一个施肥区内还可以再根据区内地貌类型或土壤类型命名施肥模式，也可以根据作物及其品种续分，还可以与土壤养分测试方法相配套，完整的命名如：太阳县第一区[区域]平地[地貌类型]黑土[土壤类型]玉米[作物类]209[品种]A[传统的土壤有效和速效养分测试方法]。所谓的施肥模式就是能够给出完整施肥参数的施肥对象。具体命名时可以简化，只要有必要区分出“施肥模式”的并且能够提供出施肥参数的就可以命名为新的“施肥模式”。将“施肥模式”的概念扩大，即任何与其他“施肥模式”参数不同的（只要有1个参数不同），都可以命名为新的“施肥模式”，它也可以包含空间和定位的含义。下面以一个施肥模式为例说明其生态平衡施肥指标体系的内涵。 3.4 施肥指标体系的内涵 施肥指标体系=特征参数+其他参数。特征参数是指描述一个系统的主要特征的统计参数。 基本特征参数： 5个特征产量：最低产量；低产平均值；中产平均值；高产平均值；最高产量。 15个特征施肥量参数：最低施N、P2O5、K2O量；低产平均产量下的最佳施N、P2O5、K2O量；中产平均产量下的最佳施N、P2O5、K2O量；高产平均产量下的最佳施N、P2O5、K2O量；最高施N、P2O5、K2O量。 15个特征土壤有效养分含量参数：最低含量T（nN）、T（nP2O5）、T（nK2O）；低产平均产量下的T[（n+m）N]、T[（n+m）P2O5]、T[（n+m）K2O]；中产平均产量下的T[（n+m）N]、T[（n+m）P2O5]、T[（n+m）K2O]；高产平均产量下的T[（n+m）N]、 T[（n+m）P2O5]、T[（n+m）K2O]；最高含量T（nN）、T（nP2O5）、T（nK2O）。土壤养分T（n+m）特征参数是指为保障某一目标产量所必须的土壤有限养分含量下限值。其中，N指标可以使用全N，水解氮、铵态氮、硝态氮、有机质中的任何一个来作为衡量土壤N供应量的标准，具体应因地制宜，土壤磷和钾指标也可一样处理。 以上特征参数实现三级立体控制，综合优化了三种数据提供的特征信息：（1）产量控制：预测范围只在最低和最高产量之间进行；（2）施肥量控制：预测的施肥量只在最低和最高产量相对应的施肥量之间；（3）土壤测试值控制：Tn+m是随产量而变化的函数，比起传统的丰缺指标法更为科学。 9个百公斤子粒养分需要量参数：低、中、高平均产量百公斤子粒需氮量；低、中、高平均产量百公斤子粒需五氧化二磷量：低、中、高平均产量百公斤子粒需氧化钾量。 N、P、K基、种肥和各次追肥比例参数。 各种中、微量元素土壤有效含量临界值和施肥量参数。 其他参数：保证蔬菜和水果品质的生态施肥量参数；前茬作物影响参数；不同降水年型下追肥量变异参数；土壤质地差异参数；土壤水分条件如旱地、水浇地、水田参数；有机肥养分提供量参数；不测土地块施肥参数；肥料参数如生理酸/碱性、辅助养分、忌肥情况等参数；土壤养分测试方法参数；施肥时期参数；施肥方法参数；注意事项参数……。 特征参数的确定方法：经验法，在基本没有可用试验和测土数据情况下，以专家经验参数为主；模型法，在具有相当的试验和测土数据情况下，建立参数模型，以其为主，其中在具有大量田间试验结果的条件下建议采用二次优化方法实现由点到面的参数尺度转换；模型—经验法，综合上述两类方法之优点，先模型确定统计参数再由专家经验确认。具体见前文。 4 生态平衡施肥指标体系的应用 作为商品购置而使用的省有：吉林、内蒙古、辽宁、天津、青海、山东、浙江、重庆等，还在试用的10余个省。 5 建立全国施肥指标体系的设想 5.1 经验 施肥指标体系必须综合考虑作物、土壤、肥料和环境因素；原始指标要充分利用三类数据（试验、测土、经验调查访问）提供的信息；原始指标在基层必须容易获得并且相对稳定；所有指标必须通过模型方法统一连接起来；必须提供施肥参数的统计方法或计算方法；模型方法不能囊括的知识要通过专家知识库补充；必须通过统计方法找出施肥模式的特征参数；其中，选用施肥模型是重中之重，模型必须理论严谨，方法简单，参数容易获得和相对稳定，推荐结果符合生产实际和田间试验结果。 5.2 设想 建议以生态平衡施肥指标体系作为重要借鉴，草拟全国测土配方施肥指标体系。 6 几种常见施肥模型的综合评述 常见的施肥模型如下：地力分区（或级）配方法；目标产量法；地力差减法；效应函数法；丰缺指标法；氮、磷、钾比例法；经验模型；目标产量法与效应函数法结合的综合方法；生态平衡施肥模型（通用施肥模型），有关各种方法之特点和相互关系的评述见前文。