绿洲农田土壤养分时空变异及精确分区管理研究

论文摘要

土壤特性不仅具有明显的空间变异,而且这种变异在时间上也表现出一定的变化。但我国传统农业生产通常以田块作为均质耕种单元,在同一地区所有的农田上,单位面积上的物质投入量基本相同。这种耕作模式使得施肥缺乏针对性,容易导致区域内养分供给不平衡、肥料利用率低。正确、全面地认识田间土壤特性的时空变异状况,确定合理的土壤养分管理单元,并据此相应调整物质的投入量,是实现农田土壤精准管理的基础,也是土壤资源可持续利用的前提。精准农业就是按照田间每一管理分区的具体条件,采用不同的土壤管理办法,相应调整物质的施入量,避免对整个田块实行完全统一的管理方式。目前国内土壤养分研究者多依据内地农田实际情况,在较小尺度范围（条田）内展开土壤养分分区管理研究。新疆生产建设兵团农业生产具有农田面积大,机械化程度高、组织管理统一、各团场内自然气候条件基本一致等特点,团场辖下的连队间又具有农田土壤养分分布的差异性。在新疆兵团大型农场展开农田土壤养分分区管理研究可为探索适合新疆特色的精准农业管理模式提供参考,也为较大区域农田进行土壤养分分区管理、推荐施肥提供必要的科学依据。本研究综合运用地理信息系统空间分析技术、地统计学和模糊c-均值聚类算法（FCM）,在对新疆农七师125团农田土壤养分时空变异特征进行研究的基础上,评价适合兵团农业生产经营模式的土壤养分分区管理的可行性,分别从农田土壤养分时空变异分析、不同尺度农田土壤养分空间变异特征及基于FCM的农田精确管理分区划分三方面进行研究:（1）农田土壤养分时空变异特征研究运用GIS与地统计分析相结合的方法,对1996年与2005年两个时期农田土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的时空变化特征进行研究。2005年土壤有机质含量较1996年有所增加;全氮含量总体有略微下降;速效磷含量略有下降,含量偏低;速效钾含量虽有下降但总体含量依然较丰富。经过长期较一致的种植及耕作管理,土壤养分及有机会自含量已逐渐趋向均一,变异系数呈下降趋势。空间结构上,2005年土壤有机质和速效磷的空间相关性比1996年有所下降,土壤全氮和速效钾的空间相关性则有所增大。变程的变化显示土壤有机质的空间相关距离有略微提高,其空间分布特征的变化相对较小;全氮、速效磷和速效钾的空间相关距离有明显减小,空间分布特征的变化较大。时间变化上,土壤有机质时间稳定性最低,全氮、速效磷次之,速效钾稳定性最好。4种土壤养分要素的时间稳定性分布趋势总体上均呈现出由北向南逐渐稳定的特点。大规模机械化作业、施肥技术的改进等人为活动是研究区养分分布格局及含量发生变化的主要原因。针对研究区土壤养分时空变异特征,提出“稳氮、增磷、酌情补钾”的施肥建议。尽管研究区各养分的时空变异程度各不相同,但其空间变异结构随时间均保持了相对稳定,具备了进行农田精确分区管理的要求。（2）不同尺度下农田土壤养分空间变异特征研究利用GIS和地统计学方法在大（团场）、中（连队）、小（条田）三个尺度下对土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的空间变异性进行对比研究,并对兵团农田土壤管理分区基本管理单元的适宜尺度确定进行探讨。三种尺度下土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾的变异系数表现为中等空间变异性,大尺度下变异系数较大,中小尺度下土壤养分的变异系数较小且较为接近。从空间变异结构特性比较分析来看,三种尺度下土壤有机质、全氮和速效磷表现为中等空间相关性,大中尺度土壤速效钾表现为强烈空间相关性,小尺度速效钾则表现为纯块金效应。随采样尺度增加,土壤养分的变异和空间相关性均呈增加的趋势。小尺度土壤养分由随机因素（施肥、作物、管理水平等人为因素）引起的空间变异性占较大比重;而大尺度下土壤养分的空间分布主要受结构性因素（土壤母质、地形、气候等非人为因素）影响。从kriging插值结果看,大尺度土壤养分空间分布图会忽视较小尺度下的养分空间分布特征;在小尺度土壤养分空间分布图上,大尺度的变异也往往由于比较微弱而被忽视;中尺度土壤养分则能较准确地反映出大尺度与小尺度的空间分布信息,由取样尺度不同所造成的结构性或随机性变异对中尺度的空间自相关范围影响均不强烈。结论:在对农田养分进行管理分区研究时,以中尺度作为基本分区管理的基本单元进行土壤养分分区管理较为合适。（3）基于FCM算法的农田精确管理分区研究在充分了解研究区土壤养分时空变异特征及确定研究区农田管理分区适宜尺度的基础上,应用模糊c-均值聚类算法对农七师125团农田进行精确田间管理分区的划分研究。该研究以影响棉花产量的土壤属性限制因子为数据源,以棉田产量数据为外部变量,综合运用FPI、c-φ多次组合法和基于外部变量的多元回归方法来确定适宜的分区数及模糊指数,同时利用混乱度指数（CI）表征样点模糊隶属关系的不确定性复杂程度。结果表明,研究区可划分为4个管理分区,各管理分区土壤属性的变异系数均较分区前全研究区有所减小,分区间各土壤属性差异显著,同时全研究区的混乱度指数较低,不同模糊类别交叠程度小,地理空间上土壤的隶属关系相对明确。说明在研究区内模糊分类的输出结果符合管理分区的定义,分区结果可以作为平衡施肥的单独决策单元。在分区平衡施肥效果试验中,推荐施肥处理的产量与传统对照施肥处理相比有一定的增产效果,养分含量较低的分区增产效果较为明显;并且推荐施肥处理的施肥量及施肥成本均有显著下降。利用分区平衡施肥法对土壤养分进行评价和推荐施肥基本上可以达到施肥的针对性,做到因土施肥、精确管理,提高肥料利用率,增加经济效益和环境效益。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 土壤养分时空变异
• 1.1.1 土壤养分时空变异的影响因素
• 1.1.2 土壤养分时空变异的研究方法
• 1.1.3 土壤养分时空变异的研究进展
• 1.2 土壤养分精准管理分区
• 1.2.1 土壤信息采集
• 1.2.2 分区基本管理单元尺度的确定
• 1.2.3 土壤养分精准管理分区的方法
• 1.2.4 作物推荐施肥技术
• 第二章 研究目的、内容、技术路线
• 2.1 研究目的和意义
• 2.2 研究内容
• 2.3 研究技术路线
• 2.4 研究区概况
• 第三章 农田土壤养分时空变异分析
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 数据采集和实验室分析
• 3.2.2 地统计学分析方法
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 描述性统计特征
• 3.3.2 土壤养分的空间变异结构分析
• 3.3.3 有机质的时空变异
• 3.3.4 全氮的时空变异
• 3.3.5 速效磷的时空变异
• 3.3.6 速效钾的时空变异
• 3.3.7 土壤养分时间稳定性分析
• 3.4 结论
• 第四章 不同尺度农田土壤养分空间变异研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 大尺度下土壤样品采集
• 4.2.2 中尺度下土壤样品采集
• 4.2.3 小尺度下土壤样品采集
• 4.2.4 样品的实验室测定
• 4.2.5 数据分析处理
• 4.3 结果分析
• 4.3.1 样点数据的统计特征
• 4.3.2 不同尺度土壤养分各向同性分析
• 4.3.3 土壤养分各向异性分析
• 4.3.4 插值精度比较
• 4.3.5 不同尺度土壤养分的空间布局
• 4.4 结论
• 第五章 基于模糊C-均值聚类法的绿洲农田精确管理分区研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 土壤数据获取与样品分析
• 5.2.2 研究方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 描述性统计结果
• 5.3.2 土壤数据与产量数据的相关性分析
• 5.3.3 模糊分类结果输出
• 5.3.4 分区结果的评价
• 5.3.5 管理分区的校验
• 5.3.6 分区平衡施肥方案的制定
• 5.3.7 分区平衡施肥效果检验
• 5.4 讨论
• 5.5 结论
• 第六章 结论、创新与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 本研究的创新点
• 6.3 讨论
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢
• 石河子大学博士研究生学位论文导师评阅表