不同土类土壤养分时空变异与水稻精确施肥决策支持系统研究

摘要

本文以地处苏中的姜堰市为例,针对县域尺度内土壤养分演变与分布状况不清、生产上过量不合理施用肥料等问题,综合运用经典统计学、地统计学、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)技术、掌上电脑(PDA)与Visual Basic、Embedded Visual Basic编程语言及农业模型学原理与方法、决策支持系统(DSS)开发技术等,研究了县域范围内不同尺度潮土和水稻土两种土类土壤养分的时间维变异特征、空间变异结构及其与土壤地力的关系,试图为复杂的土壤变异性探讨有效的分析评价方法;构建了土壤养分空间数据库及相关模型,并生成多种尺度土壤养分空间分布与精确施肥专题地图,分别开发出基于Visual Basic与MapObjects的县域水稻精确施肥地理信息系统、基于掌上电脑(PDA)与Embedded Visual Basic的县域水稻精确施氮决策支持系统、基于Visual Basic与MapObjects的县域水稻精确栽培决策支持系统,可为农业生产管理部门与农户提供土壤养分数据信息查询、精确施肥决策支持与智能学习辅导等服务。这对于县域尺度土壤养分资源的精确管理、水稻精确施肥技术的深入实施、农业生产潜力的挖掘、水稻高产优质高效生产目标的实现,具有重要的现实意义和实用价值。研究具有技术的综合性与先进性、研究的必要性与较高的生产应用价值。主要研究结果如下:
　　 1、本文运用经典统计学与GIS技术,分别从县域尺度、不同土类尺度、不同土种尺度、不同土类加密点尺度、不同纬向区尺度,研究与探明了姜堰市土壤养分的时间维演变规律,其表现为:
　　 (1)2004年与1982年相比,姜堰市县域尺度土壤养分中有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均有提高;pH值则呈下降,土壤碱性减弱,整体由碱性转为中性土壤。这表明经20多年演变,县域尺度土壤肥力得到提高。有机质、速效钾含量呈北高南低格局,与1982年相似;而有效磷南北高低参差,分布规律不明显。
　　 (2)就不同土类而言,2004年水稻土土壤中有机质、全氮、速效钾含量高于潮土,水稻土有效磷、pH值则低于潮土。与1982年相比,2004年潮土14个土种各取样点土壤有机质、全氮、有效磷均有提升:12个土种速效钾含量与9个土种pH值有提高。有效磷含量上升幅度最大,2004年其含量是1982年的2.28倍。12个土种速效钾含量仍低于80mg/kg,须增施钾肥。11个土种仍为碱性土壤。与1982年相比,2004年水稻土21个土种中有19个土种土壤有机质有提高;18个土种土壤有效磷与14个土种速效钾含量有提高;而对于pH,有15个土种表现为下降,6个土种表现为上升。
　　 (3)从加密点尺度来看,2004年潮土和水稻土两种土类加密点土壤有机质、全氮、有效磷含量及pH值均高于1982年第二次土壤普查结果;而潮土土壤速效钾两个年份相近,水稻土则表现为减少。2004年两种土类有机质、全氮、pH的变异系数均小于1982年;而两个年份有效磷、速效钾的变异系数均较大。2004年两种土类土壤养分状况整体比1982年有所改善,土壤肥力提高;不同农田间有机质、全氮、pH的相对均匀度变优,土壤肥力有均衡发展趋势。
　　 (4)在由南向北的四个纬向区,土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾呈现出逐步升高的规律;pH则相反,低纬向地区高于高纬向地区。而有效磷则先逐步升高后下降。北部两个纬向区有机质、全氮、碱解氮、速效钾等养分综合条件均优于南部两个纬向区,磷肥水平也较好,为中性土壤,具有高产区土壤特征与高肥力特性。南部两个纬向区有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量均低,而pH值均高,都为碱性土壤,不仅需培肥土壤,而且应普遍增施钾肥与调节pH值;最南部的纬向区还需增施磷肥。
　　 2、本文运用经典统计学、地统计学与空间插值(Spatial Interpolation)技术,在姜堰市张甸镇与沈高镇,对该市潮土和水稻土两种土类的土壤养分空间变异特征与各自的施肥策略进行了研究。研究得出:
　　 (1)从空间格局来看,水稻土有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量均高于潮土,pH值两者接近;潮土和水稻土两种土类土壤有效磷养分变异系数最大,其次是土壤速效钾,pH最小。除潮土土壤pH外,两种土类土壤养分要素空间分布都体现为中等的空间相关性。就不同土类而言,地统计学分析结果表明,水稻土土壤养分的变程大于潮土。就同一土类而言,对于潮土,其养分要素变程大小依次为:有效磷、全氮、有机质、pH、速效钾、碱解氮,该土类土壤上每一个土壤取样点的测定数据可以在半径254.9m的空间域(20.4hm2)有效;对于水稻土,其养分要素变程大小依次为:碱解氮、全氮、速效钾、有机质、pH、有效磷,该土类土壤上每一个土壤取样点的测定数据可以在半径339.6m的空间域(36.2hm2)有效。这一结果对于县域尺度合理设计采样单元具有指导作用,使测土配方施肥所要求的平原区、大田作物每10.0-33.3hm2采一个混合样得到了具体量化与修正。
　　 (2)张甸地区有机质含量整体不高,研究区呈现出中间高、四周低的特点,特别是西北(NW)向和东北(NE)向含量偏低。有效磷整体为西高东低;在104个样本中7个样本的土壤严重缺磷,应重施磷肥;74个样本的土壤缺磷,应增施磷肥;23个样本的土壤为轻度缺磷或暂不缺磷,对应农户的农田可少施或暂不施用磷肥。速效钾含量普遍属低水平,且变异系数大。在104个样本中仅有10个样本的土壤可暂不施钾;其余94个样本需增施钾肥。总体来看,张甸地区普遍需培肥土壤,以增加有机质,同时应增施磷、钾肥,可以有效提高农作物产量。
　　 沈高地区土壤有机质含量大多数在20-22.5g/kg之间,属中等偏低水平,但中间部分地区含量大于27.5g/kg,甚至大于30g/kg,属中等偏高或高水平。有效磷东南(SE)向偏高;130个样本中1个样本为严重缺磷,58个样本为缺磷;71个样本为轻度缺磷或暂不缺磷。速效钾中间偏东南(SE)向部分偏高;51个样本的土壤可暂不施钾,其余79个样本需增施钾肥。总体而言,沈高地区土壤有机质、有效磷养分条件较好,应区分不同农田施用磷肥、重视增施钾肥。
　　 3、本文针对生产上重施氮肥现象普遍存在,且缺少定量施肥决策信息技术支撑问题,结合覆盖姜堰全市的GPS定位测土与8个主要土种基础地力试验,分土种建立土壤有机质含量与水稻基础产量关系模型等,确立了适于姜堰应用的水稻精确施氮决策三参数值,制作了县域尺度土壤养分空间分布图、县域尺度精确施氮处方图等,在此基础上,运用Visual Basic6.0与MapObjects2.2开发出具有自主知识产权、适于基层农技干部与农民使用的县域水稻精确施肥地理信息系统V1.0。该系统具有姜堰概况、电子地图、施肥决策、施肥模型、施肥知识等模块,可以实现信息浏览、地图导航、属性查询、决策支持、学习辅导、输入输出等功能。系统具有功能可用性、可靠性、易用性强等特点,达到系统设计目标,且得到地方土壤肥料指导站生产技术指导应用,将之作为节氮施肥技术辅助决策与技术培训的辅助平台,可为发展水稻因土精确施肥技术提供有效的决策支持与学习辅导服务,具有理论与实践双重指导意义。作为主体创新点之一,包括该系统在内的县域水稻节氮施肥技术获2005年度泰州市科技进步二等奖。
　　 4、本文基于Windows Mobile操作系统与Embedded Visual Basic3.0嵌入式编程语言,结合ArcGIS9.2、GPS导航模块,开发出基于掌上电脑(PDA)的县域水稻精确施氮决策支持系统。系统将GPS实时定位、专题地图浏览(包括有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、pH专题地图,可按专题地图查询属性数据)、按土类或土种精确施氮决策支持、学习辅导、系统帮助与说明等功能有机集成,具备了县域水稻精确施氮决策支持系统所需的基本功能,可移动性与便携性能大大增强,可为用户提供即时即地的决策支持服务。系统的水稻精确施氮功能模块能与地理信息结合,增强了水稻因土类、因土种精确施氮技术生产应用的可操作性。
　　 5、本文以姜堰市为例,在已开发出县域水稻精确施肥地理信息系统的基础上,基于Visual Basic6.0与MapObjecB2.2开发平台,拓展开发出了界面友好、功能全面、内容丰富、现势性强、图形生产力高的县域水稻精确栽培决策支持系统软件(V1.0)。该系统集成了水稻精确定量栽培技术最新成果,涵盖了合理布局、适宜播期、基本苗精确定量、精确施氮决策、精确灌溉、精确植保以及气象数据查询、智能学习等内容。系统还具有电子地图导航与GIS空间信息提取功能。经地方作物栽培与土壤肥料部门应用,系统的功能可用性、功能可靠性与易用性强,用户满意度高。本系统已获国家版权局计算机软件著作权(2008SR18123)。