玉米膜下滴灌水肥耦合的生物性状与土壤水分分析

【摘要】：21世纪人类面临最严峻的问题之一是粮食安全问题,人口数量占全球人口22%的中国每年粮食消费量占世界消费总量的1/5,但是耕地面积仅占全球的7%。黑龙江省作为我国最重要的粮食生产基地,在我国解决粮食安全问题中所承担的责任和所起的作用越来越重要。黑龙江中西部地区作为黑龙江粮食的主产区之一,其中旱田面积1亿亩左右,占黑龙江全省2.2亿亩耕地面积的近一半,而玉米生产在黑龙江中西部旱田中占有重要地位。 黑龙江中西部地处松嫩平原干旱半干旱地区,干旱少雨,水资源时空分布不均,多年来由于用养失调、灌溉施肥不合理等原因导致耕地水土流失严重、水肥利用率低、土壤养分不均,这也使得中西部地区中低产田面积比较大。在水资源贫乏的半干旱地区农作物生产的关键是水与肥互作,协调好肥量和灌水量的配比不仅可以提高水肥利用效率,提高农作物产量和经济效益,还可以改善土壤蓄水保墒的能力,改善农业生态环境。同时膜下滴灌技术可以为农作物生长创造高效的水、肥、气、热环境,在提高农作物产量的前提下达到节省灌溉用水、提高化肥利用率的效果。但是膜下滴灌技术在黑龙江应用的年限不多,对其生物性状、土壤水分等机理性研究不够深入。探讨膜下滴灌技术支持下的水肥耦合对生物性状、生物性状对产量、水肥耦合对产量的关系,对提高黑龙江中西部地区水肥利用效率具有重要的意义。 本文田间试验部分是在黑龙江省杜尔伯特蒙古族自治县农业科技示范园区内进行。将数据分析方法和田间试验结合,用非线性函数拟合单因素生物性状和产量曲线,用偏最小二乘回归建立生物性状与产量的关系；选择适合短时间序列的灰色系统理论对阶段性生物性状进行预测；用一种不破坏土壤的改进K-近邻算法根据玉米生物性态对土壤水分进行预测；用小波分析对观测数据进行去噪后研究生物性状和土壤水分的时空分布规律；用四元二次回归寻找水肥耦合的最优方案。得到如下研究结果和结论： 1)在单因素生物性状与产量的关系方面,按照拟合优度、误差均方根、误差平方和等指标选取最优的生物性状与产量的关系。率定了株高、茎粗、叶面积、干物质重量与产量的关系模型。在分析传统单变量不足的基础上,建立了各生育期生物性状的均值与标准差与产量的关系模型。在生物性状与产量的综合关系研究中建立基于偏最小二乘的产量多元回归模型,采用偏最小二乘所建立模型的预测值和观测值拟合效果较好,平均相对误差为3.18%,拟合精度较高。 2)提出一种基于K-近邻法的非破坏性土壤水分测量方法。在特征选取方面,利用株高、叶面积、茎粗、干重和鲜重作为预测土壤水分的特征。在判别学习方法方面,传统的K近邻方法有一定不足如分类结果易受特征权重影响、分类速度慢等,提出基于I-divegence的K近邻法。分析表明,ID-KNN在精度和宏F1测量值方面优于TR-KNN,采用生物性状作为特征是合理的。 3)分析了生物性状的分布规律,发现株高和茎粗在整个生育期增长速度稳步增大,株高在出穗期达到最大值,茎粗在拔节期达到最大值,后增长速度有所减小,但减小幅度不大；叶面积曲线在玉米生育前中期各处理变化均表现为徒直上升,而在玉米生育后期变得平缓下降,叶面积曲线呈单峰型的动态变化：作物生长率值各处理的动态变化均呈单峰型曲线,在玉米生育前中期作物生长率值变化较为徒直,而在玉米生育后期作物生长率值逐步下降。 4)分析100cm土壤剖面的土壤水分分布规律：苗期和拔节期是玉米蓄水的关键时期,在5-60cm土壤剖面中水分消耗较大,灌水量对土壤水分含量影响显著；而60cm以下的土壤含水量随着苗期进入拔节期温度升高而有所下降,该深度水分对苗期和拔节期玉米生长需水影响比较显著；玉米进入抽穗、灌浆、乳熟期,0-50cm土壤剖面中土壤含水量的变化规律在这三个生育期是一致的,先增后减；只有乳熟期土壤含水量较低,这是因为该时期降雨少且未灌水所致。在60-100cm土壤剖面中这三个生育期内土壤含水量的变化大体也是先增后减,灌水量对土壤水分含量影响不显著。 5)建立了以灌水量、氮肥、钾肥、磷肥为自变量,玉米产量为因变量的四元二次数学模型,通过对模型的检验分析发现灌水量、氮肥、钾肥和磷肥对玉米产量均有显著的影响,四因素的影响顺序为氮肥磷肥灌水量钾肥。各因素交互作用对玉米产量的影响顺序为氮磷钾磷水磷水钾磷钾水氮氮钾,各交互作用对玉米产量的影响属于典型的抛物线面状,在低水平的状态下,随着施用量的增加玉米产量也增加,且各自的增产幅度随着施用量的增加相对平稳,因此,表现为两两的交互作用对玉米产量效应为一平稳的抛物线曲面。以玉米产量为目标的最佳水肥优化方案为灌水量、施氮量、施钾量和施磷量分别为523.8m3/hm2、164.1kg/hm2、40.2kg/hm2、50.7kg/hm2时,最优产量为17559.7kg/hm2。最后,以最大经济效益为目标的最佳施肥方案为517.4m3/hm2、179.8kg/hm2、41.0kg/hm2、13.1kg/hm2,最优经济效益为32379.1元/hm2,其产量为17561.4kg/hm2。 本文研究的生物性状与土壤水分的时空分布规律及其预测方法,对实际生产中调控各生育期水肥耦合方案具有一定的参考价值。提出的预测精度较好的生物性状与产量的数学模型对水肥耦合技术的理论研究具有指导意义。由回归分析得到经济效益较高的膜下滴灌水肥耦合技术的最优方案,对于膜下滴灌水肥耦合技术在黑龙江中西部半干旱地区低中产田的应用和推广提供了借鉴,而且对解决黑龙江中西部半干旱地区农业节水灌溉问题及水肥高效利用具有重要的指导意义。