段鐵城，胡小寧

(1．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州450002;2．河南農(nóng)大迅捷測(cè)試技術(shù)有限公司，河南鄭州450002)

土壤養(yǎng)分的不均勻性和土壤取樣的有限性，是土壤土樣的測(cè)試值不能充分代表田間的養(yǎng)分的主要原因，為了解中國(guó)土壤養(yǎng)分的不均勻分布狀態(tài)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了各種尺度的土壤養(yǎng)分空間變異的研究，查明了中國(guó)一些縣域、鄉(xiāng)域、村域的土壤養(yǎng)分空間變異情況［1～37］，它顯示了中國(guó)土壤養(yǎng)分空間變異的嚴(yán)重性和普遍性．但是這些變異會(huì)造成多大的推薦施肥誤差，尚未見(jiàn)有關(guān)定量計(jì)算的研究．前人土壤養(yǎng)分空間變異的研究提供了重要的研究基礎(chǔ)，但只有把空間變異度和施肥誤差控制定量地結(jié)合起來(lái)研究，才能真正發(fā)揮這些基礎(chǔ)研究對(duì)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)管理的科學(xué)指導(dǎo)作用．本研究在已有研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，估測(cè)了這種空間變異可能帶來(lái)的推薦施肥失誤概率，分析了失誤概率允許值與變異系數(shù)的關(guān)系，提出了以臨界變異系數(shù)作為測(cè)土施肥適用技術(shù)路線(xiàn)的宏觀決策的依據(jù)．

1 土壤養(yǎng)分空間變異對(duì)推薦施肥偏差的影響

根據(jù)中國(guó)土壤養(yǎng)分空間變異的研究文獻(xiàn)［1～31］，按取樣尺度的大小進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析(表1)．

為了便于分析，假定:

表1 土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)Table 1 Coefficient of soil nutrients variation

(1)施肥管理單元各地塊各種養(yǎng)分的分布均服從正態(tài)分布N(μ，σ2)，沒(méi)有偏移．

(2)選擇的測(cè)土土樣是一個(gè)具有代表性的理想混合土樣，它的各種養(yǎng)分含量都恰是這個(gè)施肥管理單元各地塊養(yǎng)分的均值μ．為了便于分析，認(rèn)為代表性土樣的養(yǎng)分值與推薦施肥的地塊的實(shí)際養(yǎng)分水平的差異小于 ±Δ時(shí)，其推薦施肥就是有效的，否則就可能是無(wú)效或有害的．那么就可以推算出推薦施肥失誤的概率．

為了計(jì)算，須首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化變量:

式中:X為允許的推薦施肥量上、下限，X=(1±Δ)·μ．μ為均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，CV為變異系數(shù)，Δ為推薦施肥量允許誤差(%)．

設(shè)定Δ分別為10%，15% 和20%，代入(2)式，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，即可得出在變異系數(shù)為CV時(shí)推薦施肥失誤的定量表述(表2、表3)．

表2 土壤養(yǎng)分空間變異導(dǎo)致的推薦施肥失誤概率Table 2 Failure probability of the fertilizer recommendations caused by spatial variation of soil nutrients

表3 變異系數(shù)的臨界值Table 3 Threshold value of variation coefficients

臨界變異系數(shù)計(jì)算表明，當(dāng)允許施肥偏差小于±10%時(shí)，15%的變異系數(shù)就會(huì)導(dǎo)致50%的失誤概率．當(dāng)允許施肥偏差小于±20%時(shí)，導(dǎo)致50%的失誤概率的變異系數(shù)可以放寬到30%．這是一個(gè)無(wú)需專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)修正，可以直接采用代表性測(cè)土數(shù)據(jù)指導(dǎo)施肥的臨界變異系數(shù)數(shù)據(jù)．這個(gè)推斷是在獨(dú)立變量正態(tài)分布的假設(shè)下得到的．研究表明大多數(shù)主要養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布，也有一些數(shù)據(jù)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，此時(shí)的失誤概率將大于正態(tài)分布的失誤概率［2，7，14］．

2 測(cè)土推薦施肥技術(shù)路線(xiàn)分析

2．1 以大面積混合土樣測(cè)土數(shù)據(jù)指導(dǎo)施肥的可行性

以共性觀測(cè)為基礎(chǔ)的現(xiàn)行測(cè)土施肥技術(shù)路線(xiàn)是在不具備個(gè)性化測(cè)土條件的歷史條件下唯一可行的路線(xiàn)．但按照上述推斷，對(duì)照表1數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論村域、鄉(xiāng)域或縣域，也無(wú)論是糧田、煙田和蔬菜地，不同研究提供的主要養(yǎng)分的變異系數(shù)大多數(shù)大于30%．即使是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)，以表1中6例平均變異系數(shù)推算，與施肥量允許誤差為±20%，±15%，±10%相對(duì)應(yīng)，其指導(dǎo)施肥失誤概率，也將分別達(dá)到有機(jī)質(zhì)失誤概率為25．2%，39．4%，59．4%，氮失誤概率為 28．6%，42．4%，59．4%，磷失誤概率為 70．8%，77．8%，85．0%，鉀失誤概率為 41．0%，53．6%，63．2%(表 4)．

表4表明，即便使土樣具有理想的代表性，并以村域或相當(dāng)于村域?yàn)楣芾韱卧越档屯扑]施肥失誤概率，甚至在示范區(qū)的統(tǒng)一管理下，以大面積混合土樣測(cè)土，不經(jīng)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)修正，也不能保證達(dá)到推薦施肥可接受的失誤概率要求．

2．2 分區(qū)管理測(cè)土推薦施肥的局限性

為了減少土壤養(yǎng)分變異對(duì)推薦施肥的影響，一些學(xué)者提出了分區(qū)管理的施肥方案［14～18，29～35］．這種方法是在查明成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型、氣候、地形等結(jié)構(gòu)性因素造成的土壤養(yǎng)分要素變異規(guī)律的基礎(chǔ)上，依靠土壤養(yǎng)分要素的空間相關(guān)性和取樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用插值方法確定土壤養(yǎng)分含量以指導(dǎo)施肥．它可以減少采樣分析費(fèi)用，降低土壤養(yǎng)分變異對(duì)施肥推薦失誤的影響，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向之一．但是它的局限性是被研究者所共識(shí)的．(1)它不能解決作物品種、施肥水平、管理方式等人為的隨機(jī)性空間變異以及空間相關(guān)性較弱的變異對(duì)施肥失誤的影響．這種隨機(jī)性因素也許在農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)規(guī)?；粋€(gè)較長(zhǎng)時(shí)期以后會(huì)逐步減弱，而在中國(guó)農(nóng)業(yè)體制現(xiàn)狀下，這種變異的比重還是很大的．從一些應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)研究土壤養(yǎng)分變異中有關(guān)塊金系數(shù)的研究，就可以看出隨機(jī)變異在總變異中的比重(表5)．4種主要養(yǎng)分要素(氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì))的塊金系數(shù)(Nugget/Sill)數(shù)據(jù)中，相關(guān)性強(qiáng)烈者(塊金系數(shù)＜25%)12項(xiàng)僅占19%，中等相關(guān)者(塊金系數(shù)=25% ～75%)43項(xiàng)占68%，相關(guān)性極弱者(塊金系數(shù)＞75%)8項(xiàng)占12．7%，有些地方氮、磷、鉀塊金系數(shù)甚至達(dá)100%［28］，即使是長(zhǎng)期規(guī)模經(jīng)營(yíng)的友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)，其塊金系數(shù)也分別為氮54．88%、磷59．95%、鉀39．16%，有機(jī)質(zhì)65．77%．這種情況必然使分區(qū)管理的效果受到限制．(2)當(dāng)取樣樣點(diǎn)距離一定時(shí)，更小尺度的空間變異將難以被發(fā)現(xiàn)．應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)分布的研究表明，當(dāng)采用不同空間尺度的取樣時(shí)，可能得到不同的結(jié)論．隨著樣點(diǎn)間距的加大，較小尺度的結(jié)構(gòu)特征將被掩蓋［32］，這就表明減少取樣點(diǎn)要以掩蓋小尺度變異為代價(jià)．為了在二者間取得平衡，減少施肥指導(dǎo)失誤，有研究人員提出，要盡可能把村作為管理單元，建立以地塊或農(nóng)戶(hù)為單位的土壤養(yǎng)分分區(qū)管理模型［34］，但這樣也就需要投入較多的力量，更加接近于個(gè)性化測(cè)土和針對(duì)性推薦施肥了．

表4 示范區(qū)土壤養(yǎng)分空間變異可能導(dǎo)致的推薦施肥失誤概率Table 4 Failure probability of the fertilizer recommendations caused by spatial variation of soil nutrients in demonstrated area

表5 土壤養(yǎng)分空間變異中隨機(jī)性因素的影響Table 5 Influence of random factors of spatial variation of soil nutrients

2．3 個(gè)性化測(cè)土推薦施肥的可行性

個(gè)性化測(cè)土施肥是精準(zhǔn)施肥的理想方案，但是個(gè)性化測(cè)土施肥又是測(cè)土數(shù)量最大、對(duì)長(zhǎng)效機(jī)制要求最高的方案．因此其可行性決定于其比較經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施工程條件的完備性．(1)要有低于常規(guī)分析方法成本的十分之一、適于對(duì)鮮土土樣就近測(cè)定的、具有綜合功能的、其精度接近實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)國(guó)家檢驗(yàn)認(rèn)定的，低成本快速測(cè)試技術(shù)與裝備．(2)當(dāng)?shù)赝练收疽芴峁┓袭?dāng)?shù)赝寥馈⒆魑锖蜌夂驐l件的豐缺指標(biāo)和施肥指標(biāo)，提供植株?duì)I養(yǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)體系，并制定有快速測(cè)試值對(duì)常規(guī)測(cè)試的換算系數(shù)．(3)有鄉(xiāng)、村測(cè)土施肥技術(shù)服務(wù)、培訓(xùn)的組織體系和必要的裝備．(4)國(guó)家制定有土壤、植株快速分析方法技術(shù)體系和測(cè)試儀的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)．(5)國(guó)家對(duì)測(cè)土、測(cè)植株的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼與長(zhǎng)效機(jī)制的建立．這些條件中，有些條件已經(jīng)基本具備．如國(guó)家科技部科技攻關(guān)成果YN型速測(cè)儀及其成套速測(cè)技術(shù)體系;基本能滿(mǎn)足植物營(yíng)養(yǎng)診斷的，適于在鄉(xiāng)村基層使用的國(guó)產(chǎn)反射式比色測(cè)定儀和葉綠素儀;一些主要作物的土壤和植株測(cè)試推薦施肥技術(shù)體系都已實(shí)現(xiàn)．土壤養(yǎng)分速測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 1948—2010;NY/T 1949—2010)已經(jīng)發(fā)布實(shí)施;大多數(shù)基層農(nóng)技推廣綜合站已經(jīng)或正在快速建設(shè)，一些地方還有國(guó)家給予的土壤測(cè)試的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼．但是，最根本的也是最重要的一個(gè)條件——長(zhǎng)效機(jī)制尚未建立．國(guó)家補(bǔ)貼有限，遠(yuǎn)不能不能滿(mǎn)足全體農(nóng)戶(hù)個(gè)性化測(cè)土的需求，各地的發(fā)展也不平衡．

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)中國(guó)土壤養(yǎng)分空間變異的研究文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為中國(guó)主要土壤養(yǎng)分空間變異偏大的普遍性和現(xiàn)行的主導(dǎo)測(cè)土路線(xiàn)存在推薦施肥失誤的較大可能性．除有機(jī)質(zhì)外其他主要養(yǎng)分平均變異系數(shù)平均都在30%以上，且變異的大小在縣域、鄉(xiāng)域、村域之間沒(méi)有明顯差異．示范區(qū)或農(nóng)場(chǎng)的變異系數(shù)雖有所減少［1～6，15］，但示范區(qū)和農(nóng)場(chǎng)的塊金系數(shù)分析表明隨機(jī)性變異依然很大［1，15，34，36］．本研究通過(guò)變異系數(shù)對(duì)施肥誤差的定量分析，提出了變異系數(shù)臨界值的概念．建議根據(jù)推薦施肥允許的施肥偏差，選擇變異系數(shù)的臨界值:變異系數(shù)小于所選擇的臨界值的地區(qū)可以繼續(xù)實(shí)行用代表性土樣進(jìn)行測(cè)土推薦施肥的路線(xiàn);塊金系數(shù)小于25%的地區(qū)可以?xún)?yōu)先采用分區(qū)管理路線(xiàn)，以降低測(cè)土成本．變異系數(shù)大于其臨界值且塊金系數(shù)大于25%的地區(qū)則應(yīng)該采用個(gè)性化測(cè)土技術(shù)路線(xiàn)，以減少推薦施肥失誤的概率．目前實(shí)現(xiàn)個(gè)性化測(cè)土推薦施肥的體制和技術(shù)條件已基本具備．當(dāng)前推進(jìn)精準(zhǔn)施肥的主要努力方向應(yīng)是根據(jù)土壤養(yǎng)分變異情況選擇和實(shí)施好當(dāng)?shù)剡m用的技術(shù)路線(xiàn);盡快建設(shè)好基層農(nóng)技推廣體系中的測(cè)土、測(cè)植株施肥子體系;發(fā)展基層適用的低成本速測(cè)技術(shù);大力支持和培訓(xùn)種植業(yè)專(zhuān)業(yè)戶(hù)和合作社購(gòu)儀自測(cè)，推動(dòng)長(zhǎng)效機(jī)制的形成;著力完善推薦施肥技術(shù)指標(biāo)體系和速測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系．

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