基于GIS的土壤氮素分区管理与施肥模型建立研究

摘要

本文针对新疆棉花生产具有农田面积广大，机械化程度高、组织管理较为统一、连片农田土壤养分差异性较强等特点，综合运用GIS、分区管理、营养诊断等技术，结合地统计学和多元统计分析等学科，探索了不同采样方式、采样间距及空间插值方法对滴灌棉田土壤氮素分区的影响，并在掌握土壤氮素养分含量状况、分布规律的基础上，开展土壤氮素分区精度影响研究，确定了拟合棉田氮素实际分布状况的最优采样方式、采样间距及空间插值方法；综合运用土壤氮素管理分区优化方法、地统计空间分析等，将研究区氮素状况划分为低、中、高三个区域，在此基础上开展不同氮素水平的施肥试验，分别以土壤碱解氮和棉花NDVI为诊断指标，建立了基肥和追肥的分区推荐施肥模型；通过基于基肥推荐模型的变量施肥技术应用研究，对比了变量施肥与传统施肥在土壤氮素变化、棉花生长、产量等指标的差异，验证了变量施肥效果；通过监测不同分区棉花叶片NDVI值的变化情况，以NDVI指标开展了滴灌棉花追肥推荐，并通过大田应用效果进行了模型验证。本研究主要内容包括：
　　⑴土壤氮素养分管理分区方法优化研究。研究区土壤全氮、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾养分的变异系数均在35.27％-56.63%之间，符合精准农业管理分区划分和实施变量施肥管理的基础条件。在此基础上选取正相关性较高的全氮、有机质和碱解氮3个因子，做为土壤氮素养分分区的评价指标，进行管理分区的划分；通过分析土壤氮素指标半方差函数发现，全氮最佳拟合模型为球状模型、有机质和碱解氮最佳拟合模型为指数模型；通过进行不同预测方法间的对比研究发现，全氮、有机质、碱解氮的空间预测方法中，普通克里格插值法插值精度最高，LPI次之，因此研究区最佳插值方法为普通克里格插值。通过对不同采样方式下的土壤全氮、有机质和碱解氮进行统计分析，网格采样法中的OK插值图养分分布格局反应比较细微，由独立检验结果可知，三种养分在网格采样法下的ME绝对值较随机采样法更接近于0，且随机采样法三种养分的RMSE较网格采样法的偏大。因此，土壤全氮、有机质和碱解氮三种养分在网格采样法的插值结果较为准确。进一步通过验证值与实测值的对比分析，可以确定网格采样法为最优采样方式；综合分析土壤全氮、有机质和碱解氮在不同采样间距下的插值误差、独立检验和养分分布图可知：全氮、有机质和碱解氮以20m取样间距插值精度最高，30m的取样间距虽较20m的精度稍低，但差异不明显，因此在考虑采样、化验等实际工作投入的前提下，本文在变量施肥技术应用中采取30m的采样间距进行氮素养分分区管理。
　　⑵滴灌棉田氮素分区与施肥模型建立研究采用最优采样方式、采样间距和空间插值方法，将研究区域划分为3个（低、中、高）氮素养分分区；3个分区内的全氮、有机质和碱解氮都具有较强的空间自相关性，隶属度的最佳半方差拟合模型分别为球状(Spherical)、高斯（Gaussian）和指数(Exponential)模型，隶属度的空间变程也都大于30m，再次证明20m和30m的采样间距为最优采样间距，同样也说明此分区数较为合理，三个氮素分区中分区3氮素含量最高，分区1次之，分区2最低；建立了低氮、中氮和高氮区施肥量与棉花产量的回归模型，确定的施氮量分别为391 kg?hm-2、305kg?hm-2和280kg?hm-2；并分别以低氮、中氮和高氮区0-20cm、20-40cm、40-60cm和60-80cm的土壤碱解氮为诊断指标，确定了不同分区不同土层的最佳供氮量，建立了以0-20cm土壤碱解氮为指标的基肥推荐施肥体系；不同氮素分区中棉花冠层NDVI值与氮肥施用量表现为线性关系，且二者的决定系数均较高。通过分析棉花不同生育时期NDVI值与产量的相关关系，建立了棉花产量各关键生育时期的估算模型，并依据LNA与NDVI的回归方程确定了NDVI的临界值。综合棉花产量估算模型、LNA和 NDVI临界诊断值之间的相关关系，建立了以 NDVI为氮素营养诊断指标的滴灌棉花分区追肥模型。
　　⑶基于氮素分区的基肥变量施肥技术研究。建立了基肥变量施肥处方图，并将变量施肥处方图应用在变量施肥设备中，应用结果表明：变量施肥控制误差在0.14%～6.65%之间，变量施肥机作业过程中的实际下料量与推荐施肥量之间的控制精度达到93%以上；基肥推荐量平均为46.86kg/hm2,通过变量施肥机进行执行，实际施肥量为48.49kg/hm2,相对于传统均匀施肥作业75kg/hm2，每公顷地约减少氮肥投入35.35%；变量施肥区中棉花干物质的积累量和氮吸收量较传统施肥区呈显著或极显著增长，同时增加棉花单株铃数和单铃重从而增加棉花产量。
　　⑷滴灌棉田氮素分区追肥模型验证与应用。通过对基于氮素营养诊断的分区追肥模型进行应用和效果验证发现，分区推荐施肥棉花的NDVI标准误差逐渐减小的趋势，并随着棉花生长，3个分区逐渐趋于一致；与传统施肥进行对比，在棉花生育期前期，推荐追肥对NDVI影响不大，从盛铃期开始影响变大；分区推荐追肥处理中LAI的标准误差在棉花关键生育期均小于与其对应的常规处理，且随着生育期的推进，推荐追肥区域的LAI标准误差呈现逐渐减小的趋势；对比各分区推荐追肥与常规追肥的施氮量和产量发现，施氮量的大小关系为低氮区＞常规施肥区＞中氮区＞高氮区，低氮区的追肥量高于常规的追肥量15.4 kg·hm-2，而中氮区和高氮区的追氮量分别低于常规的34.1 kg·hm-2和53.1 kg·hm-2。且施氮量相同时，土壤的基础氮素水平决定了产量的高低；常规处理中低氮区的氮肥利用率最低，中氮区的氮肥利用率最高，而推荐追肥处理的氮肥利用率规律反之；追肥推荐处理的氮肥农学效率均大于常规处理，且以高氮区的氮肥农学效率最高。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外的研究进展

第二章 研究内容与技术路线

2.1 研究目的

2.2研究内容

2.3技术路线

第三章 土壤氮素养分管理分区方法优化研究

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 小结

第四章 滴灌棉田氮素分区与施肥模型建立研究

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 小结

第五章 基于氮素养分分区的基肥变量施肥技术研究

5.1 材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 小结

第六章 滴灌棉田氮素分区追肥模型验证与应用

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 小结

第七章 结论、创新与展望

7.1 研究结论

7.2 创新点

7.3研究展望

参考文献

作 者 简 介

致谢

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