基于GIS的土壤氮素分區(qū)管理與施肥模型建立研究.pdf

1、本文針對新疆棉花生產具有農田面積廣大，機械化程度高、組織管理較為統(tǒng)一、連片農田土壤養(yǎng)分差異性較強等特點，綜合運用GIS、分區(qū)管理、營養(yǎng)診斷等技術，結合地統(tǒng)計學和多元統(tǒng)計分析等學科，探索了不同采樣方式、采樣間距及空間插值方法對滴灌棉田土壤氮素分區(qū)的影響，并在掌握土壤氮素養(yǎng)分含量狀況、分布規(guī)律的基礎上，開展土壤氮素分區(qū)精度影響研究，確定了擬合棉田氮素實際分布狀況的最優(yōu)采樣方式、采樣間距及空間插值方法；綜合運用土壤氮素管理分區(qū)優(yōu)化方法、地統(tǒng)計

2、空間分析等，將研究區(qū)氮素狀況劃分為低、中、高三個區(qū)域，在此基礎上開展不同氮素水平的施肥試驗，分別以土壤堿解氮和棉花NDVI為診斷指標，建立了基肥和追肥的分區(qū)推薦施肥模型；通過基于基肥推薦模型的變量施肥技術應用研究，對比了變量施肥與傳統(tǒng)施肥在土壤氮素變化、棉花生長、產量等指標的差異，驗證了變量施肥效果；通過監(jiān)測不同分區(qū)棉花葉片NDVI值的變化情況，以NDVI指標開展了滴灌棉花追肥推薦，并通過大田應用效果進行了模型驗證。本研究主要內容包括：

3、
　　⑴土壤氮素養(yǎng)分管理分區(qū)方法優(yōu)化研究。研究區(qū)土壤全氮、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分的變異系數(shù)均在35.27％-56.63%之間，符合精準農業(yè)管理分區(qū)劃分和實施變量施肥管理的基礎條件。在此基礎上選取正相關性較高的全氮、有機質和堿解氮3個因子，做為土壤氮素養(yǎng)分分區(qū)的評價指標，進行管理分區(qū)的劃分；通過分析土壤氮素指標半方差函數(shù)發(fā)現(xiàn)，全氮最佳擬合模型為球狀模型、有機質和堿解氮最佳擬合模型為指數(shù)模型；通過進行不同預測方法間的對比研

4、究發(fā)現(xiàn)，全氮、有機質、堿解氮的空間預測方法中，普通克里格插值法插值精度最高，LPI次之，因此研究區(qū)最佳插值方法為普通克里格插值。通過對不同采樣方式下的土壤全氮、有機質和堿解氮進行統(tǒng)計分析，網(wǎng)格采樣法中的OK插值圖養(yǎng)分分布格局反應比較細微，由獨立檢驗結果可知，三種養(yǎng)分在網(wǎng)格采樣法下的ME絕對值較隨機采樣法更接近于0，且隨機采樣法三種養(yǎng)分的RMSE較網(wǎng)格采樣法的偏大。因此，土壤全氮、有機質和堿解氮三種養(yǎng)分在網(wǎng)格采樣法的插值結果較為準確。進一

5、步通過驗證值與實測值的對比分析，可以確定網(wǎng)格采樣法為最優(yōu)采樣方式；綜合分析土壤全氮、有機質和堿解氮在不同采樣間距下的插值誤差、獨立檢驗和養(yǎng)分分布圖可知：全氮、有機質和堿解氮以20m取樣間距插值精度最高，30m的取樣間距雖較20m的精度稍低，但差異不明顯，因此在考慮采樣、化驗等實際工作投入的前提下，本文在變量施肥技術應用中采取30m的采樣間距進行氮素養(yǎng)分分區(qū)管理。
　　⑵滴灌棉田氮素分區(qū)與施肥模型建立研究采用最優(yōu)采樣方式、采樣間距和

6、空間插值方法，將研究區(qū)域劃分為3個（低、中、高）氮素養(yǎng)分分區(qū)；3個分區(qū)內的全氮、有機質和堿解氮都具有較強的空間自相關性，隸屬度的最佳半方差擬合模型分別為球狀(Spherical)、高斯（Gaussian）和指數(shù)(Exponential)模型，隸屬度的空間變程也都大于30m，再次證明20m和30m的采樣間距為最優(yōu)采樣間距，同樣也說明此分區(qū)數(shù)較為合理，三個氮素分區(qū)中分區(qū)3氮素含量最高，分區(qū)1次之，分區(qū)2最低；建立了低氮、中氮和高氮區(qū)施肥量與

7、棉花產量的回歸模型，確定的施氮量分別為391 kg?hm-2、305kg?hm-2和280kg?hm-2；并分別以低氮、中氮和高氮區(qū)0-20cm、20-40cm、40-60cm和60-80cm的土壤堿解氮為診斷指標，確定了不同分區(qū)不同土層的最佳供氮量，建立了以0-20cm土壤堿解氮為指標的基肥推薦施肥體系；不同氮素分區(qū)中棉花冠層NDVI值與氮肥施用量表現(xiàn)為線性關系，且二者的決定系數(shù)均較高。通過分析棉花不同生育時期NDVI值與產量的相關關

8、系，建立了棉花產量各關鍵生育時期的估算模型，并依據(jù)LNA與NDVI的回歸方程確定了NDVI的臨界值。綜合棉花產量估算模型、LNA和 NDVI臨界診斷值之間的相關關系，建立了以 NDVI為氮素營養(yǎng)診斷指標的滴灌棉花分區(qū)追肥模型。
　　⑶基于氮素分區(qū)的基肥變量施肥技術研究。建立了基肥變量施肥處方圖，并將變量施肥處方圖應用在變量施肥設備中，應用結果表明：變量施肥控制誤差在0.14%～6.65%之間，變量施肥機作業(yè)過程中的實際下料量與推薦

9、施肥量之間的控制精度達到93%以上；基肥推薦量平均為46.86kg/hm2,通過變量施肥機進行執(zhí)行，實際施肥量為48.49kg/hm2,相對于傳統(tǒng)均勻施肥作業(yè)75kg/hm2，每公頃地約減少氮肥投入35.35%；變量施肥區(qū)中棉花干物質的積累量和氮吸收量較傳統(tǒng)施肥區(qū)呈顯著或極顯著增長，同時增加棉花單株鈴數(shù)和單鈴重從而增加棉花產量。
　　⑷滴灌棉田氮素分區(qū)追肥模型驗證與應用。通過對基于氮素營養(yǎng)診斷的分區(qū)追肥模型進行應用和效果驗證發(fā)現(xiàn)，

10、分區(qū)推薦施肥棉花的NDVI標準誤差逐漸減小的趨勢，并隨著棉花生長，3個分區(qū)逐漸趨于一致；與傳統(tǒng)施肥進行對比，在棉花生育期前期，推薦追肥對NDVI影響不大，從盛鈴期開始影響變大；分區(qū)推薦追肥處理中LAI的標準誤差在棉花關鍵生育期均小于與其對應的常規(guī)處理，且隨著生育期的推進，推薦追肥區(qū)域的LAI標準誤差呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；對比各分區(qū)推薦追肥與常規(guī)追肥的施氮量和產量發(fā)現(xiàn)，施氮量的大小關系為低氮區(qū)＞常規(guī)施肥區(qū)＞中氮區(qū)＞高氮區(qū)，低氮區(qū)的追肥量高于