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《华中农业大学》 2007年
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基于GIS和地统计学方法的土壤养分空间变异及应用研究

于婧  
【摘要】: 土壤特性的空间变异性普遍存在。但我国传统农业生产通常以地块作为均质耕种单元,依照农户生产习惯或大范围的农业技术推荐组织施肥和生产。这种耕作模式一方面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,另一方面易于引起地下水环境的污染。正确、全面的认识田间土壤特性的空间变异状况,了解作物生长与土壤性质的适宜和耦合机制,确定合理的土壤养分管理单元,是实现“因地制宜”、“因时制宜”、“因物制宜”的土壤管理的基础,也是土壤资源可持续利用的前提。 本文采用野外调查、室内分析,结合数理统计学、地统计学及生态学等多种方法,借助3S和计算机等技术,以江汉平原后湖农场流塘分场为样区,系统分析了区域土壤养分的空间变异规律、尺度效应及驱动力,构建了多采样尺度的套合模型,对于深入揭示变量的空间变异规律,简化和优化采样方案,推进空间变异领域的研究具有重要的理论意义;同时,探讨了基于作物品质挖潜、最大资源优势、最大经济收益等多目标的土壤养分管理方案,获得了一些有意义的成果。为我国精准农业的实施提供理论指导和决策依据。主要研究结果如下: 1土壤养分空间分布特征 应用嵌套采样法获取400m,100m和50m三个采样尺度的土壤样本,测定土壤pH值、CEC、有机质、全氮、有效氮、有效磷、有效钾、有效铁、有效铜、有效锌和有效硼含量,采用经典统计学方法分析了土壤养分的概率统计特征,结果表明:样区土壤氮、磷、钾元素含量处于中等水平,有机质含量偏低,土壤保肥能力较弱,有效铜、有效铁含量较高,明显缺乏有效硼和有效锌。 比较分析采用不同数据集时样点的空间插值精度,认为应用全样点数据集插值效果最好,精度最高;应用地统计学方法,探讨了各变量的空间结构特征,并对全样点进行插值,获取土壤各性状的空间分布规律。研究表明,土壤各变量均存在半方差结构,以球状模拟模型拟合效果最好,但不同土壤变量的空间变异特征不同。土壤物理性状以及有机质、全氮、有效氮等受水热条件影响较大,整个区域上变异较稳定,呈条带状分布;有效钾、有效磷等受随机性因素影响稍大,空间渐变规律较差;微量元素由随机因素引起的空间变异所占比例最大(有效铁除外)。 2土壤养分空间结构的尺度效应与多尺度套合 以土壤全氮为例,应用地统计学方法探讨了土壤要素在不同采样尺度上的结构特征和分布规律,土壤全氮在不同采样尺度上都存在空间变异性,由于影响因素的差异,其特征函数不同,尺度效应明显。 借助单因变量多因素方差分析法探讨了不同采样尺度上土壤全氮空间变异规律产生的驱动因素。在400m采样尺度上,以耕地利用类型对全氮的空间分布影响最大;100m采样尺度上,土壤类型、地势高低对氮素分布的影响较大,农户行为在特定的区域内能够表现出显著影响,而耕地的利用类型对其影响不显著;50m采样尺度上,土壤类型对氮素的分布仍具有显著影响,农户管理行为在全样区内均有显著的影响。 在地学多尺度结构嵌套理论的基础上,定量探讨了多种套合方法在土壤养分空间变异表达中的应用,结果表明以全样点的普通克立格法为基础获取大尺度的空间结构,并应用中小尺度模型对其进行校正所得模型拟合精度最高。 3土壤养分对棉花品质潜力发挥的影响 采用主成分分析法对棉花品质5项指标进行了综合表达,认为棉花品质可由光洁度因子、纺纱支数因子和透气性因子三个主成分来代表。棉花品质的光洁度因子主要反映了棉纤维的整齐度与比强度,与全氮(有机质)和pH值有关;棉花品质的纺纱支数因子主要反映了纤维的长度和伸长率,该部分品质性状主要与棉花的种质遗传性有关,受土壤养分作用较小,以伸长率表现最为突出,有效铁含量对于发挥种质的潜力有显著影响;棉花品质的透气性因子与土壤有效铁(有效锌)含量有极显著相关关系,说明改善土壤的微量元素供应状况对于提高棉纱的透气性有重要的意义。 4样区耕地土壤适宜性评价 应用生态位适宜度理论,以50m×50m栅格作为评价单元,获取耕地对不同作物的适宜性及区域土壤限制因子。结果表明,研究区生境条件整体较好,各单元对作物的适宜性以1、2级为主;样区西南部对各作物的土壤适宜性均较高,与其土体结构好、有机质和有效养分含量高有关;样区东南部和西北部边界区域对各作物的适宜性均较差,与其CEC和有机质含量低,保肥供肥能力弱有关;从样区整体上看,有效硼、有效锌含量低,已成为限制农业生产潜力发挥的重要因素。 以各作物生态位适宜度值为基础,根据最大最优及高适宜性耕地同级比较的原则,分别确定最大资源优势和最高经济收益方案下各评价单元的最优轮作模式。结果表明,同季作物以水稻、小麦的生态位适宜度较高;最大资源优势方案下,水稻-小麦轮作方式的推荐范围最广,其次为水稻-油菜、棉花-小麦和棉花-油菜;最大经济收益方案与农业生产实践布局有高度的吻合性,棉花-小麦的推荐范围最广,依次为水稻-小麦、棉花-油菜和水稻-油菜。 5土壤养分的管理分区 对土壤要素各变量进行主成分分析,提取了两个综合性指标。第一主成分反映土壤的保肥能力和氮、钾素含量,第二主成分反映土壤微量元素以及有效磷的含量状况。应用频率直方图法,确定各主成分分级;将主成分分级图与pH分区管理图叠加获取基于土壤养分现状的管理分区图,样区可划为14个管理分区,平均每个分区面积约38.28hm~2,最大分区为A_2-B_1-P_2管理区,占样区总面积的约30%。叠加土壤(土属)图、地势图和最大经济收益方案下的推荐轮作方案图,获取具有时间稳定性的土壤养分管理分区图,样区可分为42个管理小区,小区平均面积约12.76hm~2,最大分区为A_2-B_1-12b-P_2-E_2-R_1管理区,约占样区总面积的16%。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S158

【引证文献】
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中国期刊全文数据库 前10条
1 李翔,潘瑜春,赵春江,王纪华,鲍艳松,王锦地;基于多年产量数据的精准农业管理分区提取与尺度效应评价[J];中国农业科学;2005年09期
2 吴黎军;贺军亮;冯晓淼;;地统计学及其在土壤生态学研究中的应用与进展[J];安徽农业科学;2009年25期
3 袁忠林,沈长朋,傅建祥;萝卜田节肢动物群落生态位研究[J];山东农业大学学报(自然科学版);2000年03期
4 王子迎,檀根甲;水稻纹枯病生境生态位研究[J];安徽教育学院学报;2003年03期
5 宋正钧,唐贞兰;水稻两种飞虱和两种天敌共存系统的生态位[J];贵州农业科学;1998年02期
6 郑元润;大青沟森林植物群落主要木本植物生态位研究[J];植物生态学报;1999年05期
7 李,朱金兆,朱清科;生态位理论及其测度研究进展[J];北京林业大学学报;2003年01期
8 余树全,李翠环;千岛湖水源涵养林优势树种生态位研究[J];北京林业大学学报;2003年02期
9 付和平,马春梅,艾东,黄英,武晓东;内蒙古阿拉善荒漠主要啮齿类种群生态位[J];内蒙古农业大学学报(自然科学版);2003年04期
10 褚建君,王庆亚,李扬汉;草(Beckmannia syzigachne(Steud.) Fernald)生态位的研究[J];上海交通大学学报(农业科学版);2002年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 魏德永;张性庚;张玉华;王宏方;;社旗县耕地土壤养分现状及施肥技术对策[A];经济策论(上)[C];2011年
2 何连生;李光博;郭予元;倪汉祥;金和年;李世民;郭松景;;麦田主要天敌的生态位测定及其对麦蚜控制能力的研究[A];全国生物防治学术讨论会论文集[C];1991年
3 徐宏伟;段炼;王振清;;浅谈城市文化的生态位保护[A];转型与重构——2011中国城市规划年会论文集[C];2011年
4 鲍光润;;尺度效应研究现状概述[A];2008年安徽省科协年会机械工程分年会论文集[C];2008年
5 武广云;杨春梅;;普洱市耕作土壤养分现状及培肥改良技术[A];云南省“粮食高产创建”省农科院“八百双倍增工程”科技培训暨云南农业科技论坛论文集[C];2009年
6 禹路;卫定;李萍;;基于表面层理论的尺度效应研究[A];2008年安徽省科协年会机械工程分年会论文集[C];2008年
7 祁新华;陈烈;董观志;;基于生态位理论的旅游可持续发展策略[A];中国地理学会2004年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会论文摘要集[C];2004年
8 王学峥;武晓雷;魏悦广;白以龙;;微压痕尺度效应的实验研究[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
9 万方浩;;物种引进——生态学理论对生物防治实践的启示[A];青年生态学者论丛(一)[C];1991年
10 汪志聪;吴卫菊;左明;李敦海;;巢湖浮游植物群落生态位的研究[A];庆祝中国藻类学会成立30周年暨第十五次学术讨论会摘要集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 林少波;找准自己的“生态位”[N];中国经济导报;2004年
2 蓝澜;关注企业“生态位”现象[N];中国邮政报;2003年
3 高凤林;找准发展“生态位”[N];中国质量报;2003年
4 李庆华;选准生态位 建好根据地[N];经理日报;2009年
5 陈晓燕;企业发展要遵循“生态位”[N];中国改革报;2003年
6 上海复星大药房连锁经营有限公司副总经理 陈春华;捡了芝麻丢了西瓜[N];医药经济报;2009年
7 仲夏;超市经营应错开“生态位”[N];经理日报;2003年
8 孙海沙;企业胜出 位置为王[N];中国图书商报;2007年
9 南京玻璃纤维研究设计院总工程师 姜肇中;玻纤应用技术升级与改善提高“生态位”[N];中国建材报;2002年
10 谢茂拾;我国企业家需要适宜的生态位[N];中国经济时报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 于婧;基于GIS和地统计学方法的土壤养分空间变异及应用研究[D];华中农业大学;2007年
2 施加春;浙北环太湖平原不同尺度土壤重金属污染评价与管理信息系统构建[D];浙江大学;2006年
3 钱辉;生态位、因子互动与企业演化[D];浙江大学;2005年
4 徐冰;基于分形地质统计学的草地土壤空间变异[D];内蒙古农业大学;2009年
5 张亮;湖北后河自然保护区獾类物种野外空间行为生态学初步研究[D];浙江大学;2008年
6 徐景德;矿井瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素的研究[D];中国矿业大学(北京);2003年
7 姜汉卿;应变梯度塑性理论断裂和大变形的研究[D];清华大学;2000年
8 孙洪昌;开发区创新生态系统建构、评价与二次创业研究[D];天津大学;2007年
9 张林静;新疆阜康荒漠植物群落物种多样性与梭梭的遗传多样性研究[D];西北大学;2002年
10 李艳;基于空间变异特性的滨海盐土采样及管理分区研究[D];浙江大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵晋良;基于生态位的珠三角主题公园研究[D];暨南大学;2008年
2 王子迎;水稻纹枯病生态位及生态调控对策的研究[D];安徽农业大学;2001年
3 刘彦;人工红松落叶松种群生态位及生产力的研究[D];东北林业大学;2002年
4 桂学斌;生态位在人力资源市场竞争中的应用研究[D];中南大学;2005年
5 张佳;生态学视角下的网络广告发展研究[D];暨南大学;2008年
6 崔祯珍;基于商业生态系统的企业生命力及其战略研究[D];山东大学;2009年
7 顾伟;扎龙湿地陆生昆虫群落组成结构及生态位研究[D];东北林业大学;2011年
8 吴翠;水蕨濒危机制的生态学研究[D];武汉大学;2005年
9 李倩倩;论我国电视少儿频道可持续发展的生态位战略[D];武汉大学;2005年
10 袁涛;基于生态学视角企业集群发展模式研究[D];上海社会科学院;2008年
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