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《中国农业大学》 2013年
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海南丘陵区橡胶园土壤养分精准管理取样方法研究

林清火  
【摘要】:天然橡胶是一种典型的资源约束型产业,在我国国防建设和国民经济中都具有重要地位。实施合理的养分综合管理是提高橡胶树生产力的重要手段。养分精准管理的前提是必须详细了解橡胶园土壤属性空间分布特征。目前野外调查取样是获取土壤基本属性和空间变化的基本手段,正确科学的土壤取样方法是橡胶园养分精准管理是否成功的关键。因此,在进行橡胶树养分精准管理之前,有必要明确橡胶园土壤养分的取样方法,这是进一步开展橡胶树养分精准管理基础。现行采样过程中橡胶园土壤样品采集区域主要位于萌生带位置,但其是否合理仍是个未知数。本文针对橡胶树生产管理上的特点,结合生产实际,首先研究植株尺度下土壤属性的取样位置,在此基础上利用地质统计学和空间模拟退火算法探讨田块尺度下橡胶园土壤样本取样数目和布局,主要研究结果如下: (1)基于植株尺度围绕着9株橡胶树,通过在84m2范围内按1mx0.5m规则网格采集168个橡胶园表层土壤样品,利用普通克里格对全氮、有机质、速效磷、速效钾和pH五种土壤属性按照0.5m网格进行插值,而后描述各自空间分布特征,结果表明:全氮、速效磷、有机质呈现出明显的“肥岛”效应。其中全氮“肥岛”面积最大,影响距离最远;速效磷的“肥岛”面积最小,与周围浓度成倍数递减,成环状同心圆分布;有机质的空间分布介于两者之间。速效钾的变程最大,斑块面积大且过渡均匀。橡胶园中管理措施(例如挖施肥穴以及修筑环山行等)导致植株尺度范围内土壤表层空间变异大,同时这些土壤属性的高变异系数特征也揭示了橡胶园土壤表层适合于取样分区管理。 (2)通过主成分分析将植株尺度下全氮、有机质、速效磷、速效钾和pH五种土壤属性转化为具有高度代表性的协同变量主成分,而后利用模糊聚类方法将前几主成分进行划分管理分区,研究结果表明:植株尺度下橡胶园表层土壤可划分为萌生带、树头以及施肥穴位置三个分区。萌生带区域土壤全氮和有机质与整个研究区域的均值相近,而速效磷和速效钾略低于均值。由于萌生带区域保持植被自然生产且少受外界干扰,具有较高的稳定性,因此,从该处获取的土壤样本分析结果可代表氮肥和有机质的养分水平。 (3)根据描述性统计结果,将植株尺度下橡胶园表层土壤属性划分为正态和偏态两组数据。针对土壤全氮和速效钾这两个正态或对数正态分布的土壤属性,本文应用普通克里格方法描述其合理取样位置,结果表明橡胶园土壤全氮和速效钾综合养分取样位置主要受土壤速效钾含量分布决定。在空间分布上,综合养分的合理取样位置主要位于远离施肥穴的橡胶树行间萌生带和中间树头附近区域。综合外界因素,其最优取样位置位于远离施肥穴的橡胶树行间萌生带位置。 (4)针对土壤有机质具有偏态分布的数据特点,应用指示克立格法描述了土壤全氮和有机质的合理取样位置分布概率。研究结果表明橡胶园植株间土壤全氮和有机质含量均值±10%相对标准偏差范围的概率分布具有相似性。土壤全氮和有机质含量同时处于均值±10%相对标准偏差范围的高概率区域主要分布在东边地势较高的橡胶树行间萌生带和树头株间位置,其最佳取样位置即综合指标最大概率集中于地势高的橡胶树行间正中央。研究结果表明,应用指示克立格法可为南方丘陵地区多年生经济作物复杂表层土壤样品的采集提供一种可行的解决途径。 (5)在田块尺度围绕231株橡胶树,总面积为4200m2(60m×70m)范围,按照6m×7m网格采集100个土壤样本。结果表明田块尺度橡胶园土壤养分属性均属于中等变异程度,但速效磷和速效钾的变异程度明显大于全氮和有机质,前者的变异系数约为后者的两倍。从土壤属性的空间分布特征来看,全氮、有机质和速效磷整体上表现出明显西高东低分布,而速效钾呈现出四周高中间低的“岛屿”分布。应用克立格方法计算田块尺度橡胶园土壤属性合理取样数目,其中全氮、有机质、速效磷和速效钾合理取样数目分别为9、9、29和32,利用克里格指导的采样效率比传统统计学方法提高约2-5倍。 (6)将空间模拟退火算法引入到橡胶土壤取样布局中并探讨了不同约束条件下田块尺度橡胶园土壤取样方案,研究结果表明:在橡胶园土壤取样过程中,如果研究区域既无先验方差也无早期观测样点情况下,在给定一定取样数量情况下可以基于最小均值距离(MMSD)准则进行优化布局;如果具有早期观测样点或者具有类似区域的先验方差,则可通过MMSD和最小克里格方差(MMKEV)准则相结合或者先验方差知识和MMKEV准则相结合进行指导取样布局。空间模拟退火算法在处理橡胶园土壤取样区域障碍以及充分利用前期先验知识方面具有现实指导意义。
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