16精准养分管理

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1、精准养分管理基于Arc/Info的土壤养分图制作技术白由路，梁鸣早，杨俐苹中国农业科学院土壤肥料研究所，北京 100081）土壤养分图是精准农业中土壤养分管理的基础1，也是研究土壤养分空间变异特征的基本方法之一2。然而，土壤养分 图不象地形图和行政图那样可通过现有地图直接数字化而成。土壤养分图必须在野外采样、室内化验的基础上，经过一系列 数学处理才能制成土壤养分的分布图讥目前制图的软件很多，但都存在着一定的局限性，随着GPS技术的发展，可以使得 土壤养分图的制作大为简便和精确。本文通过在 Arc/Info7.1 平台上4，以一个村为例，介绍土壤养分图的基本制作过程， 旨在为精准农业技术的推广和

2、土壤养分精准管理服务。1 土壤养分图制作流程土壤养分图的制作过程可分为网格取样、数据库建立、采样点导入、数据库链接、空间插值、养分分类等步骤。其流程 示于图 1。2 土壤养分图的制作过程2.1 网格取样为了了解土壤养分的分布状况，土壤样品采集多采用系统取样法，即网格取样。其基本方法是将所取样的地块分成一定 大小的网格（图2），在网格中心 23m 的半径内取810钻土样，然后将这些土样混合成一个样品，作为该样点的土壤样品， 混合这些土样的目的是消除土壤在小范围内的变异5。在实际取样过程中，也可在网结上取样，只要保证样点间距基本一致 即可，当样点确实不能代表该地块的状况时，也应因地制宜地适当移动样

3、点，以取得有代表性的土壤样品，在田间操作时， 可通过计算作物的行数、量算距离等方法也能基本确定网格。（图：图 1 土壤养分图制作流程）（图：图 2 网格取样示意图）样点在半栓2“3m的范围内取440鮎土拝混合成一个为了以后成图方便，最好采用差分式 GPS 在每个取样点进行定位，这样在取样时就可得到每个样点的精确坐标。当没有 GPS 的情况下，最好在大比例尺的地形图上随时标注取样点的位置，以便以后进行数字化。采用网格取样有两个优点：可以避免人为因素对土壤取样过程的干扰，可均匀采取研究区域的土壤样品，使其更具有 代表性；可以利用Arc/Info软件进行土壤养分的插值。因为Arc/Info软件在计算

4、半方差时，要求每一种采样间距必须有 三个以上相同距离的样点才能工作，而非等距离的随机采样很难满足其要求。关于网格取样的间距，目前还没有一个具体的规定，根据一些学者的研究，随着取样间距的减小，变量施肥的费用逐渐 增加，当网格间距小于60m时，变量施肥的费用迅速增加（图3）。但是，土壤养分图的准确性决定于取样方法和取样密度叭 一般以 100m 的间距为宜7。（图：图MM科(MB3 网格取样间距与成本的关系 ）2.2 室内养分分析从田间采集的土壤样品，须在室内经过风干、磨碎、过筛等处理，然后进行土壤养分的化学分析。目前土壤养分的 化学分析方法很多8，但大部分都将土壤养分的形态分为三大类，第一类为土壤

5、的有效养分，即能被作物立即吸收的土壤养 分；第二类为缓效养分，即经过简单转化被作物吸收的养分；第三类为迟效养分，即经过长时间转化才能为作物吸收的养分。 根据土壤养分图制作目的不同，土壤养分分析方法也不同，当用于土壤养分管理时，最好选择土壤的有效养分，而用于土壤 评价时，可选用土壤的缓效养分或迟效养分。需要注意的是，不同的养分种类、不同养分形态，其分类方法都不相同。不同 的分析方法，其测定值的分类也不同。所以，在制图时，养分种类、养分形态、分类指标等均应匹配。本文举例中使用的是 土壤养分系统研究法（ASI）的测定方法，其养分的分类也与之对应。2.3 建立土壤养分数据库土壤养分数据库建立的方法很多

6、，不同的数据库平台，其方法各异。当土壤养分仅用于土壤养分制图时，可建立较 为简单的数据库，或将电子表格的养分数据存为数据库格式的文件即可，在 Arc/Info 平台上制图时，最好将土壤养分的分 析数据存为Dbase III文件格式。为了和 Arc/Info 较好地实现链接，土壤养分数据库可转化为 info 文件，命令为：arc： dbaseinfo nutrient.dbf nutrient.dat (nutrient.dbf 为土壤养分数据库库文件名，nutrient.dat 为 info 文 件名）2.4 采样点坐标导入，建立采样点图层土壤养分的田间采样结束后，在土壤养分分析的同时，即可建

7、立采样点图层，根据采样时是否使用GPS，这里将其分为 两类介绍。2.4.1 使用 GPS 时的采样点图层建立当采用GPS定位的方法采取土壤时，每一个采样点均有一个样品编号和X、Y的坐标，如表1,这时，在EXCEL上将其 保存为CSV格式（逗号分隔）文件，并将文件复制到Arc/Info的工作目录下，然后运行下列命令：Arc: generate ptcov （建立一个名为 ptcov 的图层）Generate: input pt.file （从文件 pt.file 上导入样点号与样点坐标）Generate: points（输入导入属性，其中： point 为点、 line 为线、 poly 为多边

8、形）Generating points.Generate: quit（退出）Externalling BND and TIC.此时，土壤采样点的编号与坐标全部导入 Arc/Info 系统，为了和土壤养分数据库实现链接，需要给土壤采样点图层建 立拓扑关系。可用以下命令：Arc: Build ptcov point （给名为 ptcov 的图层文件建立点属性的拓扑关系）建立拓扑关系后，在工作目录中形成一个名为ptcov.pat的属性文件，该属性文件含有AREA、PERIMETER、PTC0V#和 PTCOV-ID 四个字段，其中 PTCOV-ID 字段为样点编号， arc： dbaseinfo n

9、utrient.dbf nutrient.dat （nutrient.dbf 为土 壤养分数据库库文件名， nutrient.dat 为 info 文件名）2.4 采样点坐标导入，建立采样点图层土壤养分的田间采样结束后，在土壤养分分析的同时，即可建立采样点图层，根据采样时是否使用GPS，这里将其分为 两类介绍。2.4.1 使用 GPS 时的采样点图层建立当采用 GPS 定位的方法采取土壤时，每一个采样点均有一个样品编号和 X、 Y 的坐标，如表 1，这时，在 EXCEL 上将其 保存为 CSV 格式（逗号分隔）文件，并将文件复制到 Arc/Info 的工作目录下，然后运行下列命令：Arc: g

10、enerate ptcov （建立一个名为 ptcov 的图层）Generate: input pt.file （从文件 pt.file 上导入样点号与样点坐标）Generate: points（输入导入属性，其中：point为点、line为线、poly为多边形）Generating points.Generate: quit（退出）Externalling BND and TIC.此时，土壤采样点的编号与坐标全部导入Arc/Info系统，为了和土壤养分数据库实现链接，需要给土壤采样点图层建 立拓扑关系。可用以下命令：Arc: Build ptcovpoint （给名为 ptcov 的图层文件

11、建立点属性的拓扑关系） 建立拓扑关系后，在工作目录中形成一个 名为ptcov.pat的属性文件，该属性文件含有AREA、PERIMETER、PTC0V#和PTCOV-ID四个字段，其中PTCOV-ID字段为样点 编号，该编号可以作为以后链接的关键字段。不使用GPS采样时的点图层建立不使用GPS采样时，须将采样点精确标记在大比例尺的地形图上，然后通过地图的数字化，将土壤采样点导入GIS,这 样也可以得到网格采样点的绝对坐标（大地坐标）和相对坐标。具体步骤为：1）建立图层文件arc： create ptcov（建立一个名为 ptcov 的图层文件）arc： info （进入 Info 模块，注意在

12、该模块下，输入的符号必须是大写）ENTER USER NAME ARCENTER C0MM0ND SEL PTCOV.TIC （选择名为PTCOV.TIC的文件，该文件为新建图层的控制点文件）ENTER COMMONDADD（增加控制点，控制点不得少于4个）IDTIC, XTIC,YTIC（手工输入控制点的编号、 X 坐标、 Y 坐标）ENTER（控制点输入结束）ENTER C0MM0ND SEL COVER.BND（选择名为PTCOV.BND的文件，该文件为新建图层的边界文件）ENTER COMMOND UPDATE（更新边界）? XMIN = XXXXX? YMIN = XXXXX? XM

13、AX = XXXXX? YMAN = XXXXXRECNO? ENTERENTER COMMONDQ STOP（输入X坐标的最小值）输入 Y 坐标的最小值）输入 X 坐标的最大值）输入 Y 坐标的最大值）（按回车键退出输入）（退出Info模块）Arc至此，建立了采样点图层和图层的控制点文件和边界文件。2）数字化采样点建立好采样点文件后，可在数字化仪上将采样点数字化，也可进行屏幕数字化。 这里主要介绍在数字化仪上进行数字化的基本步骤，其基本命令如下：Arc： & station 9100 （运行数字化仪的驱动程序）Arc：ae（进入图层编辑模块）Arcedite： ec ptcov （编辑 pt

14、cov 图层）Arcedite： de tic ids （显示控制点及编号）Arcedite： draw （显示图形）Arcedite： coordinate digitizer ptcov （用数字化仪上的鼠标进行数字化ptcovl图层）然后，将数字化仪上的鼠标放在TIC点上，先按TIC的编号，然后按A键，再按B键。依次按下其它TIC，最后按0和A 结束。屏幕出现误差值。以后用下列命令进行数字化：Arcedite： add增加点）Arcedite：nodesnap closest 20（设定最小点误差）Arcedite：arcsnap on 5（设定最小线误差）Arcedite：inters

15、ectarcs all（将线交叉点设为一个 node）Arcedite：ef point （编辑点属性）数字化点时，1为point,数字化线时，2为node点，1为vertex点。均经9结束。Arcedite： save （保存文件）数字化采样点结束后，用 build 命令建立图层的拓扑关系（同）3）属性赋值通过数字化仪数字化的样点，其编号是按数字化的顺序编排的。为了能有一个字段与土壤养分数据库相链接，就需要在点文件的属性数据库中增加一个字段，以便和土壤养分数据库链接。增加字段的命令为Arc： additem ptcover.pat ptcover.pat num 4 4 b以上命令的意义为在

16、ptcover.pat文件中增加一个名为num的字段，宽度为4个字节，显示宽度也为4个字节，为字节 型。增加好字段后，需要给该字段赋值，赋值的命令为：Arc：aeArcedite： display 9999 3Arcedite： ec ptcovArcedite： drawArcedite： ef pointArcedite： & term 9999Arcedite： forms此时，在屏幕上开出一个forms窗口，将地图窗口上黄色点的编号输入，然后按NEXT输入下一个点编号，输入完后，关闭forms窗口，保存修改后的图层文件即可。2.4.3 边界文件的建立 边界文件的数字化与点文件的数字化基

17、本相同，边界为线属性，数字化完后，可用下列命令对数字化的图层进行修改编辑：Arcedite：de node error（显示错误结点）Arcedite：extend vertex（移动拐点至线段上）Arcedite：node unsplit（删除多余结点）用这些命令修正图层后，保存图层。退出 Arcedite 模块 对编辑好的边界图层，建立多边形拓扑关系，以用作土壤养分图的边界。2.5 采样点与数据库链接 采样点图层文件和土壤养分数据库建好后，需要建立采样点图层属性数据库与土壤养分数据库的链接，以用于土壤养分的空间插值，其命令为：arc： relate add （增加一个链接）Relation

18、 name： relation_name（输入链接名称，relation_name 为链接名称）Table identifer： nutrient.dat （输入的链接土壤养分数据库名称，这里已将土壤养分数据库转为了 info 文件）Database name： info （输入链接的数据库类型）Info item： num （输入数据库的链接字段）Ralate column： num （输入与属性表链接的字段）Relate type： ordered （链接类型）Relate access： rw （链接过程）Relation name：（结果链接）建立好链接关系以后，可将链接关系保存，以便

19、以后再用。下次使用时，可恢复链接关系。其命令为：Arc： relate save filename.rel （将链接关系保存为 filename.rel 文件）Arc： relate restore filename.rel （恢复链接关系）2.6 养分插值，生成养分分布的栅格图层在Arc/Info系统中，有两种方法可将点数据转化为面数据，一种为Kriging插值法9另一种为TIN模型，其原理在本书的土壤养分空间预测的基本方法一文中作了详细介绍，这里主要介绍使用Kriging插值的基本方法。其命令为：Arc:Kriging variance_lattice spot_item in_barri

20、er_cover BOTH |GRAPH | LATTICE method SAMPLE num_points max_radius | RADIUS radius min_points命令中的各项含义为：in_point_cover ：插值的点图层文件名。out_lattice： 输出的栅格文件名。variance_lattice:输出的方差文件名。spot_item：用于插值的字段，当使用链接时，应为：filename.rel/item。即filename.rel为链接文件名，item为 被链接文件中需要插值的字段。in_barrier_cover：边界图层文件名。BOTH | GRAPH

21、 | LATTICE：这三个选项为方差图的输出方式，当选择both时，即输出半方差图，也输出一个数值 文件。选择Lattice时，仅输出半方差图。Method：选择半方差模型。在Arc/Info系统中，使用的半方差模型有：Spherical （球状模型）、Circular （环状模型）、Exponential （指数模型）、Gaussian （高斯模型）、Linear （线性模型）和两个 自定义模型。可根据土壤养分空间变异的特性选择模型。SAMPLE 和 RADIUS 为插值时所使用信息点的点数或范围。2.7 养分分类，生成养分等值线图 通过对养分的插值，可得到土壤养分的分布图。但是，要对土壤

22、养分进行管理与评价时，就需要对养分图进行分类，以 得到养分的等值线图。其命令为：Arc： Latticepoly ARCINTER COMMAND DEFINE NUTR.LUT （建立一个名为 NUTR.LUT 的分类文件）ITEM NAME REC0RD,4,4,B（增加一个名为 RECORD 的字段）2ITEM NAME Range, 4, 4, B（增加一个名为 RANGE 的字段）3ITEM NAME Range-code, 8, 8, F, 2 （增加一个名为 RANGE-CODE 的字段）INTER COMMAND ADD （添加记录）1RECORD 1（输入第一个记录号）RAN

23、GE 1（输入第一个养分类别代码）RANGE-CODE 10 （输入第一个养分类别代码的养分范围的最大值）2RECORD 2 （输入第二个记录号）RANGE 2（输入第二个养分类别代码）RANGE-CODE 20 （输入第二个养分类别代码的养分范围的最大值）n Enter （结束输入）INTER COMMAND Q STOP （退出 Info 模块）至此，土壤养分图制作完毕。3 应用举例本例为河北省辛集市马兰村，面积为173.4ha,地势平坦，土壤为潮土，质地为中壤，主要作物为小麦-玉米轮作。2000 年6月初在小麦刚收获后，用差分式GPS在试验区用100m的网格采取土壤耕层样品，风干备用。用

24、土壤养分状况系统研究法（ASI） 10分析土壤养分状况。土壤速效磷（P）、钾（K）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）采用 ASI 联合浸提剂（0.25mol/L NaHCO -0.01 mol/L EDTA-0.01mol/L NHF）浸提；速效硼（B）和硫（S）用 0.08mol/L 的过磷34酸钙溶液浸提；速效钙（Ca）、镁（Mg）和铵态氮（N）用lmol/L的KCl浸提；有机质用0.2 mol/L NaOH - 0.01 mol/L EDTA - 2%甲醇溶液提取。有机质和非金属元素用比色法测定，金属元素用原子吸收分光光度计测定。GIS平台为ESRI公司的 arcinfo7

25、.1。根据采样点整理的采样坐标文件格式见表1，其中第一列为样点编号，第二列为X坐标，这里为经度，第三列 为 Y 坐标，这里使用的是纬度。导入后的采样点示于图 4。其中外框不是地块边界。（表：表 1 采样点坐标文件格式 ）1115.196446737.99055482115.196517737.98965633115.196592537.9887543178115.215134037.9897178土壤养分分析后建立的数据库文件格式示于表2，其中第一列为样品编号，和土壤采样点属性数据库链接的关键字段也 使用该列。（表：表 2 土壤养分数据格式 ）numpHOMCaMgKNZn18.00.5218

26、63.7448.366.59.63.328.00.822204.4528.566.511.83.438.00.622825.6603.989.910.93.11788.20.661082.2353.639.113.02.2经过数字化的地块边界。插值后得到的土壤养分图，可参见基于GIS的土壤养分分区管理模型研究1 一文。这里仅介绍了土壤图制作过程中一些专业性较强的步骤，除此之外，土壤图制作过程还应包括土壤图的整饰、输出等， 这可参见其它有关资料和联机帮助文件等。主要参考文献1 Reetz H F, Jr. Site-specific nutrient management system of t

27、he 1990s. Better crops with plant food, 1994, 78(4): 1419.2 White J G, Welch R M and Norvell W A. Soil Zn map of the USA using geostatistics and geographic information systems. Soil Sci. Soc. Am. J. 1997, 61: 1851943 金继运. “精准农业”及其在我国的应用前景. 植物营养与肥料学报,1998,4(1):17.4 Flynn J, Pitts T. Inside ArcInfo(2n

28、d Edition)M.OnWord Press, 2000.5 Wollenhaupt N C, Wolkowski R P. Grid soil sampling. Better crops with plant food, 1994,78(4):67.6 Wollenhaupt N C, Wolkowski R P. Cost Associated with Variable Rate Phosphorus and Potassium Applications Better crops with plant food, 1994,78(4):89.7 Don Lamker. Precis

29、ion agriculter-lessons learned. Proceedings of international conference on engineering and technological sciences 2000, Beijing: New World Press, 2000: 342 3448 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京:中国农业科技出版社，1999.9 Oliver M A. Kriging: A method of interpolation for geographical information systems. International Journal of Geographic Information Systems, 1990, 4(4): 313332.10 吴荣贵. 土壤基本肥力的快速分析与应用前景. 土壤养分养状况系统研究法. 北京：中国农业科技出版社,1992: 5470.11 白由路，金继运，杨俐苹等.基于GIS的土壤养分分区管理模型研究.中国农业科学，2001,34(1): 4650.