綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異及精確分區(qū)管理研究.pdf

1、土壤特性不僅具有明顯的空間變異,而且這種變異在時(shí)間上也表現(xiàn)出一定的變化。但我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通常以田塊作為均質(zhì)耕種單元,在同一地區(qū)所有的農(nóng)田上,單位面積上的物質(zhì)投入量基本相同。這種耕作模式使得施肥缺乏針對(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。正確、全面地認(rèn)識(shí)田間土壤特性的時(shí)空變異狀況,確定合理的土壤養(yǎng)分管理單元,并據(jù)此相應(yīng)調(diào)整物質(zhì)的投入量,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤精準(zhǔn)管理的基礎(chǔ),也是土壤資源可持續(xù)利用的前提。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就是按照田間每一管理分

2、區(qū)的具體條件,采用不同的土壤管理辦法,相應(yīng)調(diào)整物質(zhì)的施入量,避免對(duì)整個(gè)田塊實(shí)行完全統(tǒng)一的管理方式。目前國(guó)內(nèi)土壤養(yǎng)分研究者多依據(jù)內(nèi)地農(nóng)田實(shí)際情況,在較小尺度范圍(條田)內(nèi)展開土壤養(yǎng)分分區(qū)管理研究。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有農(nóng)田面積大,機(jī)械化程度高、組織管理統(tǒng)一、各團(tuán)場(chǎng)內(nèi)自然氣候條件基本一致等特點(diǎn),團(tuán)場(chǎng)轄下的連隊(duì)間又具有農(nóng)田土壤養(yǎng)分分布的差異性。在新疆兵團(tuán)大型農(nóng)場(chǎng)展開農(nóng)田土壤養(yǎng)分分區(qū)管理研究可為探索適合新疆特色的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理模式提供參考,

3、也為較大區(qū)域農(nóng)田進(jìn)行土壤養(yǎng)分分區(qū)管理、推薦施肥提供必要的科學(xué)依據(jù)。 本研究綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和模糊c-均值聚類算法(FCM),在對(duì)新疆農(nóng)七師125團(tuán)農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)適合兵團(tuán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的土壤養(yǎng)分分區(qū)管理的可行性,分別從農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異分析、不同尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征及基于FCM的農(nóng)田精確管理分區(qū)劃分三方面進(jìn)行研究： (1)農(nóng)田土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征研究運(yùn)用

4、GIS與地統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法,對(duì)1996年與2005年兩個(gè)時(shí)期農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。2005年土壤有機(jī)質(zhì)含量較1996年有所增加；全氮含量總體有略微下降；速效磷含量略有下降,含量偏低：速效鉀含量雖有下降但總體含量依然較豐富。經(jīng)過長(zhǎng)期較一致的種植及耕作管理,土壤養(yǎng)分及有機(jī)會(huì)自含量已逐漸趨向均一,變異系數(shù)呈下降趨勢(shì)。空間結(jié)構(gòu)上,2005年土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間相關(guān)性比1996年有所下降,土壤全氮和速

5、效鉀的空間相關(guān)性則有所增大。變程的變化顯示土壤有機(jī)質(zhì)的空間相關(guān)距離有略微提高,其空間分布特征的變化相對(duì)較?。蝗?、速效磷和速效鉀的空間相關(guān)距離有明顯減小,空間分布特征的變化較大。時(shí)間變化上,土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)間穩(wěn)定性最低,全氮、速效磷次之,速效鉀穩(wěn)定性最好。4種土壤養(yǎng)分要素的時(shí)間穩(wěn)定性分布趨勢(shì)總體上均呈現(xiàn)出由北向南逐漸穩(wěn)定的特點(diǎn)。大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)、施肥技術(shù)的改進(jìn)等人為活動(dòng)是研究區(qū)養(yǎng)分分布格局及含量發(fā)生變化的主要原因。針對(duì)研究區(qū)土壤養(yǎng)分時(shí)空變異

6、特征,提出“穩(wěn)氮、增磷、酌情補(bǔ)鉀”的施肥建議。 (2)不同尺度下農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異特征研究利用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在大(團(tuán)場(chǎng))、中(連隊(duì))、小(條田)三個(gè)尺度下對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量的空間變異性進(jìn)行對(duì)比研究,并對(duì)兵團(tuán)農(nóng)田土壤管理分區(qū)基本管理單元的適宜尺度確定進(jìn)行探討。三種尺度下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的變異系數(shù)表現(xiàn)為中等空間變異性,大尺度下變異系數(shù)較大,中小尺度下土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)較小且較為接近。從空間

7、變異結(jié)構(gòu)特性比較分析來看,三種尺度下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性,大中尺度土壤速效鉀表現(xiàn)為強(qiáng)烈空間相關(guān)性,小尺度速效鉀則表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)。隨采樣尺度增加,土壤養(yǎng)分的變異和空間相關(guān)性均呈增加的趨勢(shì)。小尺度土壤養(yǎng)分由隨機(jī)因素(施肥、作物、管理水平等人為因素)引起的空間變異性占較大比重；而大尺度下土壤養(yǎng)分的空間分布主要受結(jié)構(gòu)性因素(土壤母質(zhì)、地形、氣候等非人為因素)影響。從kriging插值結(jié)果看,大尺度土壤養(yǎng)分空間分布圖會(huì)忽

8、視較小尺度下的養(yǎng)分空間分布特征；在小尺度土壤養(yǎng)分空間分布圖上,大尺度的變異也往往由于比較微弱而被忽視；中尺度土壤養(yǎng)分則能較準(zhǔn)確地反映出大尺度與小尺度的空間分布信息,由取樣尺度不同所造成的結(jié)構(gòu)性或隨機(jī)性變異對(duì)中尺度的空間自相關(guān)范圍影響均不強(qiáng)烈。結(jié)論：在對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分進(jìn)行管理分區(qū)研究時(shí),以中尺度作為基本分區(qū)管理的基本單元進(jìn)行土壤養(yǎng)分分區(qū)管理較為合適。 (3)基于FCM算法的農(nóng)田精確管理分區(qū)研究在充分了解研究區(qū)土壤養(yǎng)分時(shí)空變異特征及確定研

9、究區(qū)農(nóng)田管理分區(qū)適宜尺度的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模糊c-均值聚類算法對(duì)農(nóng)七師125團(tuán)農(nóng)田進(jìn)行精確田間管理分區(qū)的劃分研究。該研究以影響棉花產(chǎn)量的土壤屬性限制因子為數(shù)據(jù)源,以棉田產(chǎn)量數(shù)據(jù)為外部變量,綜合運(yùn)用FPI、c- 多次組合法和基于外部變量的多元回歸方法來確定適宜的分區(qū)數(shù)及模糊指數(shù),同時(shí)利用混亂度指數(shù)(CI)表征樣點(diǎn)模糊隸屬關(guān)系的不確定性復(fù)雜程度。結(jié)果表明,研究區(qū)可劃分為4個(gè)管理分區(qū),各管理分區(qū)土壤屬性的變異系數(shù)均較分區(qū)前全研究區(qū)有所減小,分區(qū)間

10、各土壤屬性差異顯著,同時(shí)全研究區(qū)的混亂度指數(shù)較低,不同模糊類別交疊程度小,地理空間上土壤的隸屬關(guān)系相對(duì)明確。說明在研究區(qū)內(nèi)模糊分類的輸出結(jié)果符合管理分區(qū)的定義,分區(qū)結(jié)果可以作為平衡施肥的單獨(dú)決策單元。在分區(qū)平衡施肥效果試驗(yàn)中,推薦施肥處理的產(chǎn)量與傳統(tǒng)對(duì)照施肥處理相比有一定的增產(chǎn)效果,養(yǎng)分含量較低的分區(qū)增產(chǎn)效果較為明顯；并且推薦施肥處理的施肥量及施肥成本均有顯著下降。利用分區(qū)平衡施肥法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)和推薦施肥基本上可以達(dá)到施肥的針對(duì)性