（植物营养学专业论文）双极性离子交换膜研制及其在土壤养分提取中的应用.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用0 役粤2 6 0 7 i i i i i i i i i l l i l i i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l i i i i i i i i 学位论文 需要保密如需保密，解密时间2 0 1 0 年1 2 月31 日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：、飞让蔑时间：z 舅年月侈日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有 限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括 但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文 的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保 密的论文) 在解密后适用于本授权书。 学位论文作者签名1 飞t 欺 导师签名：西亭侈字 签名日期：7 铲年6 月侈日 签名日期：加寺戽么月，弓日 0 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学博七研究生毕业论文 目录 摘要l a l j l s t r a c t ：i ll 者论! ； 1 1 测土配方施肥背景及其技术要点5 1 2 土壤养分空间变异及其对养分检测技术的影响1 0 1 3 离子交换树脂技术在土壤养分管理中的应用。1 4 1 3 1 离子交换树脂在土壤养分测定中的研究历史1 4 1 3 2 离子交换树脂在土壤养分测定中的应用技术1 7 1 3 3 树脂在养分测定中的实际应用现状2 l 1 3 4 当前的研究重点和研究展望2 4 1 4 本研究内容和技术路线2 4 1 4 1 双极性离子交换膜的合成2 4 1 4 2 双极性树脂膜的化学性能研究2 5 1 4 3 技术路线图2 6 2 双极性膜的研制2 7 2 1 引言2 7 2 2 材料2 7 2 2 1 合成原料的选择过程2 8 2 2 2 合成原料的选用结果3 0 2 2 3 小结3 l 2 3 双极性离子交换膜基本合成配方的确定。3 2 2 3 1 膜的基本合成配方3 2 2 3 2 各配方膜的物理性能3 2 2 3 3 各配方膜的化学性能3 4 2 3 4 小结3 5 2 4 改性剂明胶在膜合成中的作用3 5 2 4 1 试验设计3 6 2 4 2 明胶对双极性膜的物理改性作用研究3 6 2 4 3 明胶对双极性膜的化学改性作用研究3 6 2 4 4 ，j 、结4 0 双极性离了交换膜研制及j 在土壤养分提取中的应用 2 5 双极性离子交换膜的批次合成4 0 2 6 双极性离子交换膜成型方式的改进4 l 2 6 1 双极性膜合成方式的改进背景4 l 2 6 2 双极性膜合成方式的改进方法4 l 2 7 结果与讨论。4 l 3 双极性膜在溶液中的基本吸附性能研究4 3 3 1 材料与方法4 3 3 1 1 材料4 3 3 1 2 试验设计。4 3 3 2 结果与分析4 4 3 2 1 双极性膜的静止和振荡吸附4 4 3 2 2 树脂粉末容量使用率4 5 3 2 3 离子竞争及吸附解吸平衡4 5 3 2 4 膜的重复使用4 7 3 3 小结4 8 4 双极性膜吸附性能的深入研究4 9 4 1 前言4 9 4 2 材料与方法。4 9 4 2 1 试验材料4 9 4 2 2 养分离子在双极性膜内的扩散时间4 9 4 2 3 双极性膜的动态吸附性能5 0 4 2 4 双极性膜对k 的饱和吸附量测定5l 4 2 5 双极性膜对溶液中p 的吸附及解吸时间的影响。5 l 4 2 6 双极性膜吸附过程中c a 对k 的竞争作用5 2 4 2 7 双极性膜对溶液中n 0 3 的吸附与解吸。5 2 4 3 结果与分析5 2 4 3 1 双极性膜的动态吸附特性研究5 2 4 3 2 离子的吸附容量和离子平衡吸附5 7 4 4 小结6 2 5 双极性膜在土壤养分提取中的应用6 4 5 1 前言6 4 l i 华中农业大学博：研究生毕业论文 5 2 材料与方法“ 5 2 1 材料6 4 5 2 2 树脂膜在土壤中吸附养分的影响因素6 5 5 2 3 双极性膜的养分吸附量与作物养分吸收的相关性6 5 5 2 4 养分提取与测定方法6 6 5 3 结果与分析6 7 5 3 1 硝态氮的吸附6 7 5 3 2 双极性膜对土壤中有效磷和钾的吸附6 8 5 3 3 双极性对土壤中有效钙和有效镁的测定6 9 5 3 4 吸附时间和土壤含水量对膜吸附量的影响7 0 5 3 5 双极性膜的养分吸附量与作物的养分吸收的相关性7 2 5 4 ，j 、结7 3 6 结果讨论7 5 6 1 主要结论。7 5 6 2 创新点及研究意义7 7 6 3 尚待深入研究的问题7 8 参考文献7 9 j l | 【谢8 8 附蜀匙。9 0 论文发表情况9 0 华中农业大学博士研究生毕业论文 摘要 农业信息技术近年来快速发展，作为其主要内容之一的测土配方施肥技术也随 之得到广泛重视。在配方施肥实现过程中，最基础同时也是最重要的工作就是实时、 有效的掌握研究区域的土壤养分供应能力和分布状况。传统的土壤养分提取过程费 时、费力，且测得的养分值不能较好的反应土壤供应作物养分的真实能力。离子交 换树脂技术作为一种新型的土壤养分提取技术，具有快速、准确提取土壤养分的能 力，不受地域和时间的限制，测定的土壤养分值与作物的养分吸收量有较好的相关 性。有鉴于此，本文研制了一种新型的可同时从土壤中提取作物生长过程中所需的 阴离子和阳离子养分形态的双极性离子交换树脂膜，同时对这种双极性膜的物理机 械性能、动态吸附及解吸特性及其在溶液和土壤介质中的吸附、解吸特性进行了研 究，考察了双极性膜的养分吸附量与植物的养分吸收量之间的关系。摘要如下： 1 以亲水性聚乙烯醇、强酸性阳离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂为原料， 采用模具成型法，研制成双极性离子交换树脂膜。本文研究了实验室内制膜所用到 的聚乙烯醇的浓度、离子交换树脂粉末用量、交联剂种类以及选定的交联剂浓度对 双极性离子交换树脂膜物理、化学性质的影响。在具体成膜过程中，分别尝试采用 明胶、海藻酸钠、硼酸、硼砂、戊二醛等改性剂及交联剂完成树脂膜的合成，结果 表明只有戊二醛这种交联剂可以较好的将混有离子交换树脂粉末的聚乙烯醇凝胶交 联起来形成双极性离子交换树脂膜。树脂膜的吸附量和遇水膨胀率均与树脂膜的交 联度呈负相关。同时，在树脂膜配方确定过程中，通过对树脂膜的物理、化学性能 的考察，排除了明胶在双极性离子交换树脂膜合成过程中改善膜的物理外形的有效 性，确定了适合树脂膜合成的配比：聚乙烯醇凝胶的使用浓度为9 ( w w ) ，交联 剂的最佳交联浓度为1 ，此条件下合成的双极性离子交换树脂膜的遇水膨胀率为 1 6 7 7 ，具有较好的物理机械性能。在离子交换树脂膜的合成过程中，同时加入阴 离子交换树脂、阳离子交换树脂，制得的双极性离子交换树脂膜具有同时吸附阴离 子与阳离子的能力，可实现对n 0 3 、n h 4 + 、k + 、h 2 p 0 4 。的同时提取。 2 通过改善双极性膜的成型方式，可改善单片双极性膜外形均一性。采用外形 改善后的双极性膜用于化学吸附、解吸试验，发现双极性膜吸附的离子容量分别占 同极性离子交换树脂粉末容量的5 5 ，容量可满足使用要求。在双极性膜对离子进 双极性离了交换膜研制及其在土壤养分提取中的应用 行吸附的试验中发现，k + 与n h 4 + 两种离子之间存在竞争吸附，k + 的竞争力略大于 n h 4 + ；n 0 3 - 与h 2 p 0 4 。之间也存在竞争吸附，n 0 3 的竞争力大于h 2 p 0 4 。研究结果还 表明，双极性离子交换膜可被重复利用。 3 进一步改进本试验中双极性膜的成型方式。此时，每片双极性膜片的风干重 为1 2 5 9 ，外形尺寸为2 5 m m x 2 0 m m x 2 0 m m 。利用这种双极性离子交换树脂膜所进 行的连续动态吸附、解吸试验结果表明，在4 0 0 m i n 的范围内，与树脂膜吸附位点亲 和力较强的离子，吸附过程曲线符合直线方程；亲和力相对较弱的离子，吸附曲线 符合对数方程；而所有离子的连续解吸过程曲线在1 4 0 m i n 的研究范围内均符合对数 曲线方程。在利用双极性膜对溶液中的离子进行化学吸附的过程中，不但确定双极 性膜对n 0 3 、1 0 、c a 2 + 、h 2 p 0 4 在预设浓度溶液中的吸附量、解吸量，同时还发现 同性离子之间存在竞争吸附，吸附的充分平衡时间为7 2 h ，解吸时间为3 h 。 4 研制的双极性离子交换膜在土壤中的实际应用情况。将双极性膜埋入不同肥 力水平的3 种土壤内，进行养分吸附的结果表明双极性膜在对土壤养分的吸附，土 壤养分含量、吸附时间及土壤含水量均对双极性膜的养分吸附量产生影响，且影响 力依次减弱。在利用双极性膜对土壤中的硝态氮和有效镁的进行吸附的过程中，3 d 的吸附时间可达吸附平衡，而对速效钾、有效磷和有效钙的吸附，则需要更多的时 间才能达到平衡。当土壤含水量在5 5 以上的时候，土壤含水量不再成为双极性膜 在土壤养分吸附过程中的限制因素。通过土壤养分吸附试验，确定了双极性膜在不 同时间段对土壤中不同含量水平的硝态氮、速效钾、有效磷、有效钙和有效镁的吸 附量。同时，通过盆栽试验证明，利用双极性膜进行养分吸附所获得的养分吸附量 与苗期水稻植株内的养分含量具有较好的相关性。 关键字：双极性；离子交换树脂膜；戊二醛；合成：养分吸附；养分解吸；聚乙烯 醇 2 华中农业大学博士研究生毕业论文 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , t h ep r e s c r i p t i o n f e r t i l i z a t i o nh a sg a i n e dm u c ha t t e n t i o n a tp r e s e n t ，t og r a s pt h ed e l i v e r a b i l i t ya n d d i s t r i b u t i o np a t t e mo fs o i ln u t r i e n ti nf i e l d se f f e c t i v e l yi st h em o s ti m p o r t a n tg r o u n d w o r k i nt h er e a l i z a t i o no ft h ep r e s c r i p t i o nf e r t i l i z a t i o n t h ec o n v e n t i o n a le x t r a c t i o nm e t h o do f t h es o i ln u t r i e n t s ，h o w e v e li sm o r et i m e c o n s u m i n ga n dc a n tr e f l e c tt h er e a la b i l i t yo ft h e s o i ln u t r i e n t ss u p p l y i n gt ot h ec r o p s t ob ean e w - s t y l ee x t r a c t i v et e c h n o l o g yo ft h es o i l n u t r i e n t s ，t h ei o ne x c h a n g er e s i nh a st h ea b i l i t yt oe x t r a c tt h ek e ys o i ln u t r i e n t sq u i c k l y a n de x t r a c t i v e l yw i t h o u tt h el i m i t a t i o no ft h et i m ea n dr e g i o nc o n s t r a i n t s m e a n w h i l e ，t h e s o i ln u t r i e n t se x t r a c t e db yt h er e s i nm e m b r a n ec a np r e s e n tab e t t e rc o r r e l a t i o nw i t ht h e n u t r i e n t si nt h ep l a n t a c c o r d i n gt 0t h i s ，an o v e la m b i p o l a ri o ne x c h a n g em e m b r a n ew a s s y n t h e s i s ，b yw h i c ht h es o i ln u t r i e n t so fb o t l lc a t i o n sa n da n i o n sc o u l dh ee x t r a c t e d s i m u l t a n e o u s l y m e a n t i m e ，s o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e ro ft h em e m b r a n ew e r e s t u d i e di n c l u d i n gt h ef l e x i l i t y , r e s i s t a n c et op r e s s u r e ，f l u i d i z i n ga d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n ， a n dt h ea p p l i c a t i o n si ns o l u t i o n sa n ds o i l s t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t a k i n gt h eh y d r o p h i l i c i t yp o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) ，s t r o n ga c i da n ds t r o n gb a s i c i t y i o ne x c h a n g er e s i nf o rc o m p o s i n gm a t e r i a l s ，t h ea m b i p o l a rw a ss y n t h e s i z e da n ds h a p e d b yt h ed i ea s s e m b l y t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o l y v i n y la l c o h o la l o n gw i t ht h ed o s a g eo f i o ne x c h a n g er e s i np o w d e r , t h ev a r i e t ya n dd o s a g eo fc r o s s l i n k i n ga g e n tw e r es t u d i e d t h eg e l a t i n ，s o d i u ma l g i n a t e ，b o r i ca c i d ，b o r a x ，g l u t a r a l d e h y d ew e r eu s e da t t e m p t l yf o r t h e m o d i f y i n go rc r o s s - l i n k i n ga g e n tr e s p e c t i v e l yi nt h es y n t h e s i sp r o g r e s so ft h e m e m b r a n e r e s u l t sr e v e a l e dt h a to n l yt h eg l u t a r a l d e h y d ec o u l da c ta st h ec r o s s l i n k e d a g e n tb e t t e rf o rt h es y n t h e s i so ft h ea m b i p o l a ri o ne x c h a n g em e m b r a n e t h ea d s o r p t i o n a m o u n to fn u t r i e n t sa n dt h es w e l l i n gr a t eo ft h em e m b r a n eb o t hp r e s e n t e dt h en e g a t i v e c o r r e l a t i o nw i t ht h ec r o s s l i n k i n gd e g r e eo ft h em e m b r a n e m e a n w h i l e ，t h ev a l i d i t yt h a tt o u s eg e l a t i na st h em o d i f y i n ga g e n to ft h em e m b r a n ew a sr u l e do u ti nt h ep r o g r e s so ft h e m e m b r a n et h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h e m e m b r a n e t h ec o n c e n t r a t i o n so f 9 ( w w ) f o r t h e p o l y v i n y l a l c o h o la n dt h e c r o s s l i n k i n gd e g r e eo f1 w e r ec o n f i r m e dt ob et h eb e t t e rc o n d i t i o n sf o rt h es y n t h e s i so f t h em e m b r a n e u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h es w e l l i n gn u m b e ro ft h em e m b r a n ew a sa b o u t 16 7 7 ，w h i c hs h o w e dag o o dp h y s i c a lp r o p e r t y b e s i d e st h i s ，t h em e m b r a n ec o u l d r e a l i z et h es i m u l t a n e o u se x t r a c t i o no ft h en i t r a t en i t r o g e n ，a m m o n i u mn i t r o g e n ，e f f e c t i v e p o t a s s i u ma n da v a i l a b l ep h o s p h o r u si nb o t ht h es o l u t i o na n dt h es o i l 2 t h eh o m o g e n e i t yo ft h em e m b r a n es h a p ec o u l db ei m p r o v e db yc h a n g i n gt h e 双极性离子交换膜研制及其在土壤养分提取中的应用 m o u l d i n gm e t h o d t h em e m b r a n ew h o s es h a p eh o m o g e n e i t yh a db e e ni m p r o v e d p r i m a r y l yw a su s e df o rt h ee x p e r i m e n t so fa d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o n t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eu s e dr a t eo ft h er e s i nc a p a b i l i t yw a sl e s st h a n5 5 u n d e rb o t ht h ec o n d i t i o n s ， w h i c hr e v e a l e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo ft h em e m b r a n ew a sl a r g ee n o u g ht os a t i s f yt h e d e m a n d so ft h ei o n sa d s o r p t i o n s t h e r ew a sc o m p e t i t i o nb e t w e e nk + a n dn h 4 + a sw e l la s b e t w e e nn 0 3 a n dh 2 p 0 4 。f o ra d s o r p t i o ns i t e so nt h em e m b r a n e f u r t h e r , t h ea f f i n i t yo f t h ei o n sf o rt h em e m b r a n ed e c r e a s e di nt h eo r d e r ：k 十 n h 4 十；n 0 3 h 2 p 0 4 。m e a n w h i l e ， t h eb e t t e rr e u s e p r o p e r t yo f t h em e m b r a n ew a sf o u n di nt h es t u d y 3 t h em o u l d i n gm e t h o do ft h em e m b r a n ew a si m p r o v e df u r t h e ra n dt h es i z eo ft h e i m p r o v e dm e m b r a n ew a s2 5t o n ix 2 5m i nx10m mw i t he a c hw e i g h i n ga b o u t1 2 5g t h e m o d l i n gt e c h n o l o g yo ft h em e m b r a n ew a sc o n f i r m e da tt h em o m e n t t h em e m b r a n ew a s u s e df o rt h ec o n t i n u o u sf l u i da d s o r p t i o nt o w a r d st h en u t r i t i o ni nt h es o l u t i o nw i t h i n4 0 0 m i n ，a n d14 0m i nf o rt h ef l u i dd e s o r p t i o n t h ea d s o r p t i o nc u r v eo ft h ei o n sw i t hb e t t e r a f f i n i t yt ot h em e m b r a n ec o n f o r m e d t ot h el i n e a re q u a t i o na n dt h eo t h e r sc o n f o r m e dt ot h e l o g a r i t h me q u a t i o n ，w h i l ea l lt h ed e s o r p t i o n so ft h ei o n sc o n f o r m e dt ot h el o g a r i t h m e q u a t i o ni nt h ei n v e s t i g a t e dp e r i o d b a s e do nt h er e s u l t so ft h ea d s o r p t i o na m o u n to fn 0 3 ， k 十，h 2 p 0 4 。a n dc a 2 十i nt h ep r o g r e s so ft h ea d s o r p t i o nb yu s i n gt h em e m b r a n ei ns o l u t i o n s ， t h ec o m p e t i t i o nh a p p e n e db e t w e e nt h ei o n sw i t ht h es a m ec h a r g ew a sr e v e a l e d a tt h e s a m et i m e ，t h es u f f i c i e n ta d s o r p t i o na n dd e s o r p t i o nt i m ew e r e7 2 ha n d3 h ，r e s p e c t i v e l y 4 t h ea p p l i c a t i o no ft h ep r e p a r e dm e m b r a n ei nt h es o i li sa sf o l l o w s ：t h em e m b r a n e w a si m b e d d e di n t ot h es o i l sw i t ht h r e ef e r t i l i t yl e v e l st oe x a m i n et h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n i nt h en u t r i t i o ne x t r a c t i o n t h ei o na d s o r p t i o nc a p a c i t yo ft h em e m b r a n ew a sr e l a t e dt ot h e s o i ln u t r i e n ts t a t u s ，d u r a t i o no fm e m b r a n e s o i lc o n t a c t ，a n ds o i lw a t e rc o n t e n t t h e i m p o r t a n c eo ft h e s ef a c t o r sf o l l o w e dt h eo r d e r ：s o i ln u t r i e n ts t a t u s c o n t a c tt i m e s o i l w a t e rc o n t e n t a d s o r p t i o nb yt h em e m b r a n eo fn 0 3a n dm gf r o ms o i ll e v e l e do f fa f t e r 7 2 ho fm e m b r a n e - s o i lc o n t a c tb u tt h eu p t a k ee f f e c t i v ec a , pa n dk r e q u i r e dal o n g e r c o n t a c tt i m ef o re q u i l i b r i u mt ob ee s t a b l i s h e d w h e nt h es o i lw a t e rc o n t e n te x c e e d s5 5 w | w ，t h i sf a c t o rc e a s e dt oi n f l u e n c ei o na d s o r p t i o nb yt h ea m b i p o l a rr e s i nm e m b r a n e t h e a d s o r p t i o na m o u n to ft h ek e yn u t r i e n t sb yu s i n gt h em e m b r a n eu n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n tt i m ea n dn u t r i e n t sc o n t e n t so fs o i l sw e r eg o t t e n t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft h e p o r e dp l a n t i nt h e s e e d i n gs t a g e ，c o m p a r i n g t ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ，b e t t e r c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h en u t r i e n tc o n t e n t so fp l a n ta n dt h es o i ln u t r i e n t so b t a i n e db yt h e a m b i p o l a rm e m b r a n ew a sc o n f i r m e d k e yw o r d s ：a m b i p o l a r ；i o ne x c h a n g er e s i nm e m b r a n e ；g l u t a r a l d e h y d e ；s y n t h e s i s ；i o n a d s o r p t i o n ；i o nd e s o r p t i o n ；p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) 4 华中农业大学博上研究生毕业论文 1 绪论 1 1 测土配方施肥背景及其技术要点 土壤作为农林业生产的基地和基本生产资料，其重要性是非常明显的。植物生 产、动物生产和土壤管理是构成农林业生产的三个主要环节。植物生产主要是通过 绿色植物的光合作用来生产有机物质，其产品可直接作为粮食、木材或工业原料被 人类直接利用，也可作为饲料、饵料等用于动物生产，从而为人类提供丰富的动物 性食品和其他产品。就现阶段而言，无论是植物生产还是动物生产，都离不开土壤 这个基础( 刘克锋，2 0 0 6 ) 。在植物生长的过程中，它需要各种生活条件，“养分” 就是其中的条件之一。养分供应不足，是产量不能进一步提高的重要因素。为了增 产就必需供给植物充足的养分。在土壤养分不足的情况下，就得通过施肥来满足植 物对养分的要求。土壤肥力低下、养分匮缺是世界农业生产的重要障碍因素之一 ( h e d l e ye ta 1 ，1 9 9 4 ；j o u a n ye ta 1 ，1 9 9 6 ；b o r g e sa n dm a l l a r i n o ，1 9 9 7 ) 。这一问题 早已引起国内外的广泛重视，我国也早在1 9 9 2 年由国家计委等部门联合参与编制的 中国2 l 世纪人口环境与发展白皮书中提出了农业可持续发展的战略( 虎陈霞等， 2 0 0 5 ) 。事实上，在大力提倡和需要可持续发展的农业生产中，需要关注和考虑的 问题不仅仅是粮食生产的质与量的问题，同时也包括粮食生产中所面临的能源问题 。 和环境问题。只有真正做到用较少的能源创造出足够的粮食，才能减少能源消耗， 减轻环境负担，从而使粮食产量在稳固的增长中实现安全生产。而肥料在影响农业 生产的诸多因素中占有重要比例，其平衡施用的重要性已经得到很大关注，合理施 肥已经成为粮食增产、环境保护的重要手段。 国外2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初，计算机主要作为计算工具在肥料实验和合理 施肥研究中得到广泛应用( 张梨，1 9 9 6 ；汪懋华，1 9 9 9 ) ；8 0 年代到9 0 年代初，各 种推荐施肥系统的开发和应用得到重视；9 0 年代，尤其是进入新世纪以来，随着全 球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、农业电子应用技术和生产管理决策支持 系统( d s s ) 技术研究的发展，一些发达国家提出了精准施肥的概念( z h a n ge ta 1 ， 1 9 9 9 ；刘刚，1 9 9 9 ；b i s h o pa n dm c b r a t n e y ，2 0 0 1 ) 。精准施肥是近年来兴起的一项 以3 s 技术为依托的高新农业生产技术，在科学施肥中己有成功的应用，在国内也己 双极性离子交换膜研制及其在土壤养分提取中的应用 成为研究热点之一( 高祥照等，2 0 0 2 ；张欣悦，2 0 0 6 ) 。目前，精准施肥主要建立在 三个技术基础上，一是传统的科学施肥理论，它主要以土壤养分和作物营养状况作 为施肥的依据；二是对作物立地环境的空间定位，理论上可以定位到每一寸土地 ( s h i na n dy o o n ，1 9 9 5 ；张壬午等，1 9 9 8 ；张伟，1 9 9 8 ) ：三是应用g i s 对空间数据 和土壤属性数据进行管理，如若能结合土壤养分属性数据和g p s 导航农机具，则可 以实现差异施肥，克服土壤肥力的空间变异，做到经济、平衡施肥( 李德仁，1 9 9 7 ； 刘爱明，2 0 0 0 ；w a n g ，2 0 0 1 ) 。为了充分发挥肥料的增产作用和提高肥料的经济效 益，一方面，施肥措施必须与其他农业技术措施密切配合，发挥生产体系的综合功 能( 王克林和李文祥，2 0 0 0 ；王立平，2 0 0 7 ) 。另一方面，精准施肥实现的关键是全 面、实时、准确了解每一地块的土壤养分状况，按照田间每一个管理单元的具体条 件，精细、准确地调整施肥量和施肥技术，最大限度地优化、减少肥料投入，以保 护环境、提高产量，获得最大经济效益，实现农业的可持续发展。但由于农田空间 差异是以土壤为基础的( f r a n k l i na n dm i l l s ，2 0 0 3 ；徐英等，2 0 0 4 ；a g g a r w a le ta 1 ， 2 0 0 6 ) ，土壤养分空间变异的存在影响着精准施肥的确定，因此有必要对土壤养分丰 缺状况和空间分布进行全面了解并建立基于g p s 和g i s 的土壤养分数据库。对于相 对稳定的基础属性数据，通过网络定期公布，使资源共享化和社会化，是精准施肥 研究和解决的问题( 张淑娟等，2 0 0 3 ；r e y n i e r se ta 1 ，2 0 0 6 ) 。要实现精准施肥，从 理论上讲主要问题是土壤养分数据获取和更新，而实际从推广应用的角度来讲，g i s 技术已经相对成熟，能够对大量空间及属性数据进行分析及动态管理，主要用于建 立土壤数据、自然条件、作物苗情等空间信息数据库和进行空间属性数据的地理统 计、处理、分析、图形转换和模型集成等；但g p s 的定位精度仍不能满足小块农田 精准定位的要求，同时遥感技术由于空间分辨率和光谱分辨率问题，使遥感信息和 土壤性质、作物营养胁迫的对应关系很不明确，不能满足实际应用的需要，影像数 据的获取速度及精度，在目前的推广应用中还有待于提高，而且所需费用超出了需 求者的经济范围( l a r ka n db o l a m ，1 9 9 7 ) 。另外，精准施肥技术在我国刚刚起步不久， 很多问题需要继续探索和研究。g i s 技术在农业方面运用的技术虽然具备了，但对 土壤的空间变异性进行详细的了解是精准管理、变量管理的前提性基础