滨海盐渍化农田水肥盐空间变异特征及其分区管控研究

摘要

土壤盐渍化是制约农业发展的重要因素，长期以来备受各国关注。我国是世界上土壤盐渍化严重的国家之一，环渤海低平原区是我国典型的滨海盐渍化地区，也是重要的农业生产基地。然而，盐渍化农田环境和基础条件差、土壤属性空间变异大，增加了农田土壤管理的难度，限制了农业生产的发展，盲目的灌溉施肥也造成资源的浪费和生态环境的污染。因而，科学分析掌握盐渍化农田土壤水肥盐空间变异特征，并采取分区管控措施，是缓解投入与产出、农业与环境矛盾，提升盐渍化农田生产力和农业节本增效的重要途径。 本文以无棣县盐渍化农田为例，通过野外调查速测和采样化验分析获取土壤水肥盐数据，在GIS和SPSS、MATLAB等软件支持下，运用经典统计学和地统计学方法分析县域农田土壤水肥盐空间变异特征，采用模糊均值聚类法划分农田管理分区，并基于分区结果，结合水盐统筹调控模型、养分平衡调控模型，探讨水肥盐分区管控方案。主要研究结果如下： （1）在SPSS20.0支持下，运用经典统计学方法研究土壤养分和盐碱的描述性统计特征，发现无棣县农田土壤含盐量和pH值较高，土壤盐渍化程度总体达到中度偏重水平，土壤有机质、速效氮、有效磷、速效钾和含盐量的变异系数在25% ~ 91.6%之间，都具有中等变异性，需要进行管理分区划分及分区调控。 （2）基于ArcGIS 10.2平台，运用地统计方法，通过空间趋势分析和交叉验证确定了土壤养分和盐碱的最优半方差变异函数模型，运用克里格插值分析土壤养分和盐碱空间分布特征，并根据半变异函数模型及其参数分析其空间结构。结果表明，2016年5月无棣县土壤有机质、速效氮、有效磷具有中等空间变异性，速效钾、含盐量、pH具有强空间变异性；2016年9月土壤有机质、pH具有弱空间变异性，速效氮、有效磷、速效钾具有中等空间变异性，土壤含盐量具有强空间变异性。 （3）基于模糊c-均值聚类法（FCM），在MATLAB R2016a中计算各个样点的隶属度，在MAPGIS 67中根据最大隶属度原则进行分区，将2016年5月和9月的全县农田分别划分为3个和4个管理分区。根据各样点的土壤属性值和隶属度矩阵，在ArcGIS 10.2中采用地统计法进行插值分析，并通过描述性统计分析和最小极差法（LSR）进行管理分区检验和精度校验。结果表明，2016 年 5 月各分区内部的土壤养分变异系数由 25% ~ 52.3%减小为14.7% ~ 51.5%，2016年9月各分区内部的土壤养分变异系数由25.3% ~ 91.6%减小为12.2% ~ 77.6%；LSR检验结果显示，各分区间具有显著性差异。说明无棣县农田分区后各分区内部的空间变异性减小，且分区间差异性明显，分区结果可以作为农田水肥盐分区调控的统一作业单元。 （4）通过构建水分、盐分调控模型确定农田地块灌溉量，生成水盐统筹调控处方图，并根据水盐阈值模型确定灌溉的起止时间。结合无棣县农田土壤水分、盐分和pH的空间分布特征，提出了“水盐同调、因需供水、适量多次”的灌溉方案和“剂肥协同调理”的抑盐降碱方案。基于养分平衡理论，运用养分平衡调控模型测算各管理分区及各采样点的土壤养分调补量，并绘制了养分变量调控处方图。结果显示，各管理分区的P素养分需补量最大，且各分区的差异性较大，N素养分的需补量居中，K素养分的需补量最小。据此提出了“‘稳氮、增磷、酌情补钾’+‘速缓结合’”的养分调控方案。 本文以无棣县为例，分析滨海盐渍化农田土壤水肥盐的描述性统计特征和空间变异规律，确定了农田管理分区，提出了土壤水肥盐分区管控方案。研究结果可为无棣县分区管控农田土壤，提高盐渍化农田生产力和农业节本增效提供参考。

目录

声明

符 号 说 明

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究进展

1.3 研究内容

1.4 研究方法

1.5 研究思路与技术路线

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

2.2 数据来源

2.3 数据预处理与分析

3 基于地统计的盐渍化农田水肥盐空间变异特征分析

3.1 地统计方法

3.2 正态分布检验

3.3 土壤属性空间趋势分析

3.4 半方差函数模型的选择

3.5 空间结构分析

3.6小结

4 基于模糊聚类的盐渍化农田精细管理分区

4.1 数据处理方法

4.2 模糊聚类分析

4.3 管理分区可视化及数据分析

4.4 管理分区评价

4.5 管理分区精度校验

4.6小结

5 滨海盐渍化农田水肥盐分区调控

5.1 滨海盐渍化农田土壤水盐调控

5.2 滨海盐渍化农田土壤养分调控

5.3小结

6 结论与讨论

6.1 研究特色

6.2 结论

6.3 讨论

参考文献

致谢

攻读学位期间参与科研情况