基于GIS的土壤氮素分區(qū)管理與施肥模型建立研究.pdf

1、本文針對(duì)新疆棉花生產(chǎn)具有農(nóng)田面積廣大，機(jī)械化程度高、組織管理較為統(tǒng)一、連片農(nóng)田土壤養(yǎng)分差異性較強(qiáng)等特點(diǎn)，綜合運(yùn)用GIS、分區(qū)管理、營(yíng)養(yǎng)診斷等技術(shù)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)分析等學(xué)科，探索了不同采樣方式、采樣間距及空間插值方法對(duì)滴灌棉田土壤氮素分區(qū)的影響，并在掌握土壤氮素養(yǎng)分含量狀況、分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，開展土壤氮素分區(qū)精度影響研究，確定了擬合棉田氮素實(shí)際分布狀況的最優(yōu)采樣方式、采樣間距及空間插值方法；綜合運(yùn)用土壤氮素管理分區(qū)優(yōu)化方法、地統(tǒng)計(jì)

2、空間分析等，將研究區(qū)氮素狀況劃分為低、中、高三個(gè)區(qū)域，在此基礎(chǔ)上開展不同氮素水平的施肥試驗(yàn)，分別以土壤堿解氮和棉花NDVI為診斷指標(biāo)，建立了基肥和追肥的分區(qū)推薦施肥模型；通過基于基肥推薦模型的變量施肥技術(shù)應(yīng)用研究，對(duì)比了變量施肥與傳統(tǒng)施肥在土壤氮素變化、棉花生長(zhǎng)、產(chǎn)量等指標(biāo)的差異，驗(yàn)證了變量施肥效果；通過監(jiān)測(cè)不同分區(qū)棉花葉片NDVI值的變化情況，以NDVI指標(biāo)開展了滴灌棉花追肥推薦，并通過大田應(yīng)用效果進(jìn)行了模型驗(yàn)證。本研究主要內(nèi)容包括：

3、
　?、磐寥赖仞B(yǎng)分管理分區(qū)方法優(yōu)化研究。研究區(qū)土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分的變異系數(shù)均在35.27％-56.63%之間，符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理分區(qū)劃分和實(shí)施變量施肥管理的基礎(chǔ)條件。在此基礎(chǔ)上選取正相關(guān)性較高的全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮3個(gè)因子，做為土壤氮素養(yǎng)分分區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行管理分區(qū)的劃分；通過分析土壤氮素指標(biāo)半方差函數(shù)發(fā)現(xiàn)，全氮最佳擬合模型為球狀模型、有機(jī)質(zhì)和堿解氮最佳擬合模型為指數(shù)模型；通過進(jìn)行不同預(yù)測(cè)方法間的對(duì)比研

4、究發(fā)現(xiàn)，全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮的空間預(yù)測(cè)方法中，普通克里格插值法插值精度最高，LPI次之，因此研究區(qū)最佳插值方法為普通克里格插值。通過對(duì)不同采樣方式下的土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，網(wǎng)格采樣法中的OK插值圖養(yǎng)分分布格局反應(yīng)比較細(xì)微，由獨(dú)立檢驗(yàn)結(jié)果可知，三種養(yǎng)分在網(wǎng)格采樣法下的ME絕對(duì)值較隨機(jī)采樣法更接近于0，且隨機(jī)采樣法三種養(yǎng)分的RMSE較網(wǎng)格采樣法的偏大。因此，土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮三種養(yǎng)分在網(wǎng)格采樣法的插值結(jié)果較為準(zhǔn)確。進(jìn)一

5、步通過驗(yàn)證值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，可以確定網(wǎng)格采樣法為最優(yōu)采樣方式；綜合分析土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮在不同采樣間距下的插值誤差、獨(dú)立檢驗(yàn)和養(yǎng)分分布圖可知：全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮以20m取樣間距插值精度最高，30m的取樣間距雖較20m的精度稍低，但差異不明顯，因此在考慮采樣、化驗(yàn)等實(shí)際工作投入的前提下，本文在變量施肥技術(shù)應(yīng)用中采取30m的采樣間距進(jìn)行氮素養(yǎng)分分區(qū)管理。
　?、频喂嗝尢锏胤謪^(qū)與施肥模型建立研究采用最優(yōu)采樣方式、采樣間距和

6、空間插值方法，將研究區(qū)域劃分為3個(gè)（低、中、高）氮素養(yǎng)分分區(qū)；3個(gè)分區(qū)內(nèi)的全氮、有機(jī)質(zhì)和堿解氮都具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，隸屬度的最佳半方差擬合模型分別為球狀(Spherical)、高斯（Gaussian）和指數(shù)(Exponential)模型，隸屬度的空間變程也都大于30m，再次證明20m和30m的采樣間距為最優(yōu)采樣間距，同樣也說明此分區(qū)數(shù)較為合理，三個(gè)氮素分區(qū)中分區(qū)3氮素含量最高，分區(qū)1次之，分區(qū)2最低；建立了低氮、中氮和高氮區(qū)施肥量與

7、棉花產(chǎn)量的回歸模型，確定的施氮量分別為391 kg?hm-2、305kg?hm-2和280kg?hm-2；并分別以低氮、中氮和高氮區(qū)0-20cm、20-40cm、40-60cm和60-80cm的土壤堿解氮為診斷指標(biāo)，確定了不同分區(qū)不同土層的最佳供氮量，建立了以0-20cm土壤堿解氮為指標(biāo)的基肥推薦施肥體系；不同氮素分區(qū)中棉花冠層NDVI值與氮肥施用量表現(xiàn)為線性關(guān)系，且二者的決定系數(shù)均較高。通過分析棉花不同生育時(shí)期NDVI值與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)

8、系，建立了棉花產(chǎn)量各關(guān)鍵生育時(shí)期的估算模型，并依據(jù)LNA與NDVI的回歸方程確定了NDVI的臨界值。綜合棉花產(chǎn)量估算模型、LNA和 NDVI臨界診斷值之間的相關(guān)關(guān)系，建立了以 NDVI為氮素營(yíng)養(yǎng)診斷指標(biāo)的滴灌棉花分區(qū)追肥模型。
　?、腔诘胤謪^(qū)的基肥變量施肥技術(shù)研究。建立了基肥變量施肥處方圖，并將變量施肥處方圖應(yīng)用在變量施肥設(shè)備中，應(yīng)用結(jié)果表明：變量施肥控制誤差在0.14%～6.65%之間，變量施肥機(jī)作業(yè)過程中的實(shí)際下料量與推薦

9、施肥量之間的控制精度達(dá)到93%以上；基肥推薦量平均為46.86kg/hm2,通過變量施肥機(jī)進(jìn)行執(zhí)行，實(shí)際施肥量為48.49kg/hm2,相對(duì)于傳統(tǒng)均勻施肥作業(yè)75kg/hm2，每公頃地約減少氮肥投入35.35%；變量施肥區(qū)中棉花干物質(zhì)的積累量和氮吸收量較傳統(tǒng)施肥區(qū)呈顯著或極顯著增長(zhǎng)，同時(shí)增加棉花單株鈴數(shù)和單鈴重從而增加棉花產(chǎn)量。
　?、鹊喂嗝尢锏胤謪^(qū)追肥模型驗(yàn)證與應(yīng)用。通過對(duì)基于氮素營(yíng)養(yǎng)診斷的分區(qū)追肥模型進(jìn)行應(yīng)用和效果驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，

10、分區(qū)推薦施肥棉花的NDVI標(biāo)準(zhǔn)誤差逐漸減小的趨勢(shì)，并隨著棉花生長(zhǎng)，3個(gè)分區(qū)逐漸趨于一致；與傳統(tǒng)施肥進(jìn)行對(duì)比，在棉花生育期前期，推薦追肥對(duì)NDVI影響不大，從盛鈴期開始影響變大；分區(qū)推薦追肥處理中LAI的標(biāo)準(zhǔn)誤差在棉花關(guān)鍵生育期均小于與其對(duì)應(yīng)的常規(guī)處理，且隨著生育期的推進(jìn)，推薦追肥區(qū)域的LAI標(biāo)準(zhǔn)誤差呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；對(duì)比各分區(qū)推薦追肥與常規(guī)追肥的施氮量和產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，施氮量的大小關(guān)系為低氮區(qū)＞常規(guī)施肥區(qū)＞中氮區(qū)＞高氮區(qū)，低氮區(qū)的追肥量高于