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基于GIS小尺度下豫中烟田管理分区与推荐施肥研究

江厚龙  
【摘要】:土壤是农业生产的载体、物质基础和主要环境因素。由于受到各种因素的影响,土壤养分和作物产质量不仅具有明显的空间变异,而且这种变异在时间上也表现出一定的变化。我国农业生产是以家庭为基本单位的小规模生产,这种生产往往忽视土壤养分的空间变异性,而把地块作为均质、统一的单元进行水肥管理,这就致使地块的某些区域施肥不足或过高,不但造成了肥料的浪费,还增加了生态环境的压力,导致生产效率和经济效益的降低。因此,准确的掌握田间土壤养分的空间分布状况,确定合理的土壤养分管理单元,并根据田间试验建立施肥模型,给不同管理单元以推荐施肥量,是实现烟田土壤养分精准管理的基础。 本试验选择平顶山郏县典型烟田为研究对象。利用GPS定位技术,于2009年在平顶山市郏县茨芭乡4 hm~2的烟田进行,以20 m×20 m间距的“网格取样法”取耕层土壤样品111个。综合运用逐步回归分析、地统计方法和GIS技术,分析了土壤养分的空间分布规律,提取了影响烟草品质的关键养分因子,划分了不同肥力水平的管理单元;利用大田试验数据建立推荐施肥模型,给每个分区以推荐施肥量,并通过烟叶品质分析来验证施肥模型,为实现烟田养分差异化管理提供理论基础。初步得到如下研究结果: (1)研究区域土壤pH值变幅范围为7.39 ~ 8.44,为烤烟生长次适宜区。土壤有机质、总氮、碱解氮和速效磷含量偏低,其平均含量分别为17.19 g kg~(-1)、0.95 g kg~(-1)、74.97 mg kg~(-1)和7.39 mg kg~(-1);土壤速效钾和有效锌的平均含量为161.4 mg kg~(-1)和1.79 mg kg~(-1),基本上属于高含量水平;土壤有效铁、有效铜和有效锰含量为适应范围,其平均含量分别为8.56 mg kg~(-1)、0.93 mg kg~(-1)和7.37 mg kg~(-1);试验区为中等保肥供肥能力的土壤,其阳离子交换量为16.15 cmol kg~(-1);土壤pH、有机质、阳离子交换量、有效铜、砂粒和粉粒的变异系数较小,变幅为3.22% ~ 13.95%,表现出相对稳定性;其余土壤属性的变异系数在17.9% ~ 43.85%之间变化,表现出较大的空间异质性。因此,可以认为在研究区进行分区差异化管理是非常必要的。正态性检验表明,所有土壤数据均为正态分布或近似符合正态分布,均能满足地统计分析要求。 (2)地统计分析表明,土壤砂粒和粘粒的半方差理论模型为指数模型,其余土壤属性均为球状模型。除全氮、有机质和有效锌外,其它土壤属性理论模型的决定系数均大于0.91,且除速效钾外所有属性理论模型的残差均较小,说明所有土壤属性理论模型的拟合度较高,这些模型可用于后续空间插值。研究显示,研究区内土壤总氮、阳离子交换量、有效锌和粉粒的Co/(Co+C)比值的变幅为3.39% ~ 23.43%,均表现出强烈的空间相关性,说明其空间异质性主要是由结构性因素引起的;其余养分的Co/(Co+C)比值在30.87% ~ 50.00%之间变化,均为中等空间相关性,表明随机性因素和结构性因素均对其空间异质性起着作用。该区域土壤属性自相关范围在34.3 m ~ 376.3 m之间,所有土壤属性的空间相关距离均大于取样尺度,因此可以认为本研究的20 m土壤取样间距是合理的。空间插值结果显示,所有土壤属性均具有明显的空间分布格局。 (3)本研究通过删除样点的方法,人为地创造不同的土壤取样间距,然后对不同取样间距下土壤属性进行半方差函数模型拟合和Kriging插值,利用交叉检验方法评价不同取样间距下的空间插值精度,进而确定各土壤属性的最佳取样间距。结果表明,研究区域内的碱解氮、速效磷、速效钾、速效铁和速效锌的合理取样间距为20 m,有机质和速效铜的合理取样间距为60 m,速效锰则以40 m间距进行取样较为合理。 (4)逐步回归分析表明,研究区域土壤速效钾、有机质、速效磷和阳离子交换量对烤烟品质有着显著的影响,是限制该地区烤烟品质的关键养分因子。在农业生产上,要注意这4种养分的合理调控以保证高质量烤烟的生产。同时,这4种关键养分因子可作为分区数据源,利用模糊聚类分析进行管理单元划分。 (5)将这4种关键养分因子运用于MZA软件中进行模糊聚类分析。结果表明,研究区被划分为4个管理单元,各单元内土壤养分和烟叶品质趋于一致,而单元间则表现出较大的差异性,这说明运用此方法对烟田划分不同单元进行精准管理是可行的。 (6)利用曲劳-斯坦福方程进行合理的施肥推荐。通过2007年、2008年、2009年和2010年在平顶山市郏县选择有代表性烟田安排大田试验,以获取推荐施肥模型所需参数,并建立了土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量和校正系数间的函数关系。结果表明,土壤养分与其校正系数之间以幂函数曲线相关最佳,各养分的校正系数均随其含量增加而下降。利用初步建立的推荐施肥模型,给出各分区推荐施肥量,为实现烟田养分的分区施肥奠定了基础。 (7)将推荐施肥模型与管理分区相结合,给定每管理分区以推荐施肥量,同时于相应分区内设置对照,每个处理分别取烤后样C3F进行室内分析。结果显示,运用推荐施肥模型来确定施肥量比常规施肥更有利于优质烟叶的形成,烟叶的各类致香物质物质和总致香物质含量均较高,并且推荐施肥量较常规施肥量少,降低了农业成本,为烟田土壤养分分区管理和推荐施肥提供了理论依据。


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