基于GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的土壤養(yǎng)分空間變異及應(yīng)用研究.pdf

1、土壤特性的空間變異性普遍存在。但我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通常以地塊作為均質(zhì)耕種單元，依照農(nóng)戶生產(chǎn)習(xí)慣或大范圍的農(nóng)業(yè)技術(shù)推薦組織施肥和生產(chǎn)。這種耕作模式一方面使得施肥缺乏針對(duì)性，容易導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)養(yǎng)分供給不平衡、肥料利用率低，另一方面易于引起地下水環(huán)境的污染。正確、全面的認(rèn)識(shí)田間土壤特性的空間變異狀況，了解作物生長(zhǎng)與土壤性質(zhì)的適宜和耦合機(jī)制，確定合理的土壤養(yǎng)分管理單元，是實(shí)現(xiàn)“因地制宜”、“因時(shí)制宜”、“因物制宜”的土壤管理的基礎(chǔ)，也是土壤資源可持續(xù)

2、利用的前提。 本文采用野外調(diào)查、室內(nèi)分析，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)及生態(tài)學(xué)等多種方法，借助3S和計(jì)算機(jī)等技術(shù)，以江漢平原后湖農(nóng)場(chǎng)流塘分場(chǎng)為樣區(qū)，系統(tǒng)分析了區(qū)域土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律、尺度效應(yīng)及驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建了多采樣尺度的套合模型，對(duì)于深入揭示變量的空間變異規(guī)律，簡(jiǎn)化和優(yōu)化采樣方案，推進(jìn)空間變異領(lǐng)域的研究具有重要的理論意義；同時(shí)，探討了基于作物品質(zhì)挖潛、最大資源優(yōu)勢(shì)、最大經(jīng)濟(jì)收益等多目標(biāo)的土壤養(yǎng)分管理方案，獲得了一些有意義的成果。為

3、我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施提供理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。主要研究結(jié)果如下： 1.土壤養(yǎng)分空間分布特征應(yīng)用嵌套采樣法獲取400m，100m和50m三個(gè)采樣尺度的土壤樣本，測(cè)定土壤pH值、CEC、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、有效磷、有效鉀、有效鐵、有效銅、有效鋅和有效硼含量，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了土壤養(yǎng)分的概率統(tǒng)計(jì)特征，結(jié)果表明：樣區(qū)土壤氮、磷、鉀元素含量處于中等水平，有機(jī)質(zhì)含量偏低，土壤保肥能力較弱，有效銅、有效鐵含量較高，明顯缺乏有效硼和有效鋅。

4、 比較分析采用不同數(shù)據(jù)集時(shí)樣點(diǎn)的空間插值精度，認(rèn)為應(yīng)用全樣點(diǎn)數(shù)據(jù)集插值效果最好，精度最高；應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，探討了各變量的空間結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)全樣點(diǎn)進(jìn)行插值，獲取土壤各性狀的空間分布規(guī)律。研究表明，土壤各變量均存在半方差結(jié)構(gòu)，以球狀模擬模型擬合效果最好，但不同土壤變量的空間變異特征不同。土壤物理性狀以及有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮等受水熱條件影響較大，整個(gè)區(qū)域上變異較穩(wěn)定，呈條帶狀分布；有效鉀、有效磷等受隨機(jī)性因素影響稍大，空間漸變規(guī)律較

5、差；微量元素由隨機(jī)因素引起的空間變異所占比例最大(有效鐵除外)。 2.土壤養(yǎng)分空間結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)與多尺度套合以土壤全氮為例，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探討了土壤要素在不同采樣尺度上的結(jié)構(gòu)特征和分布規(guī)律，土壤全氮在不同采樣尺度上都存在空間變異性，由于影響因素的差異，其特征函數(shù)不同，尺度效應(yīng)明顯。 借助單因變量多因素方差分析法探討了不同采樣尺度上土壤全氮空間變異規(guī)律產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因素。在400m采樣尺度上，以耕地利用類型對(duì)全氮的空間分布影

6、響最大；100m采樣尺度上，土壤類型、地勢(shì)高低對(duì)氮素分布的影響較大，農(nóng)戶行為在特定的區(qū)域內(nèi)能夠表現(xiàn)出顯著影響，而耕地的利用類型對(duì)其影響不顯著；50m采樣尺度上，土壤類型對(duì)氮素的分布仍具有顯著影響，農(nóng)戶管理行為在全樣區(qū)內(nèi)均有顯著的影響。 在地學(xué)多尺度結(jié)構(gòu)嵌套理論的基礎(chǔ)上，定量探討了多種套合方法在土壤養(yǎng)分空間變異表達(dá)中的應(yīng)用，結(jié)果表明以全樣點(diǎn)的普通克立格法為基礎(chǔ)獲取大尺度的空間結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用中小尺度模型對(duì)其進(jìn)行校正所得模型擬合精度最高

7、。 3.土壤養(yǎng)分對(duì)棉花品質(zhì)潛力發(fā)揮的影響采用主成分分析法對(duì)棉花品質(zhì)5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了綜合表達(dá)，認(rèn)為棉花品質(zhì)可由光潔度因子、紡紗支數(shù)因子和透氣性因子三個(gè)主成分來(lái)代表。棉花品質(zhì)的光潔度因子主要反映了棉纖維的整齊度與比強(qiáng)度，與全氮(有機(jī)質(zhì))和 pH 值有關(guān)；棉花品質(zhì)的紡紗支數(shù)因子主要反映了纖維的長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)率，該部分品質(zhì)性狀主要與棉花的種質(zhì)遺傳性有關(guān)，受土壤養(yǎng)分作用較小，以伸長(zhǎng)率表現(xiàn)最為突出，有效鐵含量對(duì)于發(fā)揮種質(zhì)的潛力有顯著影響；棉花品質(zhì)

8、的透氣性因子與土壤有效鐵(有效鋅)含量有極顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明改善土壤的微量元素供應(yīng)狀況對(duì)于提高棉紗的透氣性有重要的意義。 4.樣區(qū)耕地土壤適宜性評(píng)價(jià)應(yīng)用生態(tài)位適宜度理論，以50m×50m柵格作為評(píng)價(jià)單元，獲取耕地對(duì)不同作物的適宜性及區(qū)域土壤限制因子。結(jié)果表明，研究區(qū)生境條件整體較好，各單元對(duì)作物的適宜性以1、2級(jí)為主；樣區(qū)西南部對(duì)各作物的土壤適宜性均較高，與其土體結(jié)構(gòu)好、有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量高有關(guān)；樣區(qū)東南部和西北部邊界區(qū)域?qū)Ω?/p>

9、作物的適宜性均較差，與其CEC和有機(jī)質(zhì)含量低，保肥供肥能力弱有關(guān)：從樣區(qū)整體上看，有效硼、有效鋅含量低，已成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力發(fā)揮的重要因素。 以各作物生態(tài)位適宜度值為基礎(chǔ)，根據(jù)最大最優(yōu)及高適宜性耕地同級(jí)比較的原則，分別確定最大資源優(yōu)勢(shì)和最高經(jīng)濟(jì)收益方案下各評(píng)價(jià)單元的最優(yōu)輪作模式。結(jié)果表明，同季作物以水稻、小麥的生態(tài)位適宜度較高；最大資源優(yōu)勢(shì)方案下，水稻-小麥輪作方式的推薦范圍最廣，其次為水稻-油菜、棉花-小麥和棉花-油菜；最大

10、經(jīng)濟(jì)收益方案與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐布局有高度的吻合性，棉花-小麥的推薦范圍最廣，依次為水稻-小麥、棉花-油菜和水稻-油菜。 5.土壤養(yǎng)分的管理分區(qū)對(duì)土壤要素各變量進(jìn)行主成分分析，提取了兩個(gè)綜合性指標(biāo)。第一主成分反映土壤的保肥能力和氮、鉀素含量，第二主成分反映土壤微量元素以及有效磷的含量狀況。應(yīng)用頻率直方圖法，確定各主成分分級(jí)；將主成分分級(jí)圖與pH分區(qū)管理圖疊加獲取基于土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀的管理分區(qū)圖，樣區(qū)可劃為14個(gè)管理分區(qū)，平均每個(gè)分區(qū)面積約