【毕业学位论文】（Word原稿）规模经营条件下土壤养分精准管理研究植物营养博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 博士学位论文 规模经营条件下土壤养分精准管理研究 on h D on I 摘 要 应用现代地统计学和地理信息技术在上海崇明岛研究 了 规模经营的农场土壤有效养分含量与作物产量的空间变异规律 ； 整合 了 田间计算机、 及变量 控制 系统 到国产拖拉机上 进行了变量施肥的初步实践，并对水稻变量施用氮肥的效应进行了研究，取得如下研究结果： 1 本研究中利用 土壤养分状况 系统研究法对试验农场土壤养分状况 进行了 评价，土壤酸度 呈 中性 偏 碱；土壤养 分中有效钙、硫、硼、铜、铁、锰属于含量非常丰富的元素；大量营养元素磷和钾属于 中等偏低，而有效氮含量很低； 土壤有效锌含量低于临界值。 2 通过对农场 477 个有效土壤采样点土壤有效养分以及 的常规统计，发现土壤养分属性并不完全呈正态分布，土壤有效磷和有效钙含量呈对数正态分布； 在农场范围内 土壤酸度有很小的变异 ，土壤有效硼、硫、锌含量的变异较大，变 异系数超过 50%； 有效氮 为 中等 变异 ，其它元素都有不同程度变异 ，变异系数 在大约 16 30之间 3 对几个地块内采样点 土壤 养分的 方差 分析表明，地块内部养分变异小于 地块之间的变 异 ，表明养分 规模经营条件下农场土壤养分含量的 空间变异与地块的耕作、施肥农艺措施 的影响有密切 关系。 4 半方差分析 结果表明，土壤 不仅 变异很小，空间结构性也很弱，表明土壤酸度是一种与土壤发育密切相关的属性，施肥等农艺措施的不同对土壤酸度影响较小 ；其它各土壤有效养分含量 尽管受施肥、灌水等农艺的影响，仍然保持着一定的空间 自相关。 5 采用偏相关分析 研究了在试验农场土壤各有效养分含量与作物产量的关系， 结果表明土壤有效铁含量与作物产量负相关达到极显著水平；有效钙、磷和硫 含量 与作物产量显著正相关，其它 有效养分的指标 与产量的 相关性则均未达到显著水平。 6 变量施肥是精准农业中土壤养分精准管理的核心内容，本试验将美国 司的 全球 定位系统 田间计算机 及美国 司的变量控制器 合到国产铁牛 75 马力 拖拉机上，成功的形成了变量控制施肥机械系统。 7 采用差分式全球定位系统 ，网格 法 采集土壤样品 ， 使用 统研究法进行土壤 有效氮和有机质含量的测试；使用 地理信息技术和 值的方法，对土壤有机质和有效氮含量 在试验田块内的空间分布进行 预测 ， 结合 荐施肥模型，生成了整个操作田块的氮肥施用的变量施肥图，可供 航下的机械变量施肥同时也可以使用手工变量施肥，或者用作常规施肥的指导。 8 通过田间实践，开发的变量控制施肥系统工作状况良好，完成了整个操作田块的变量施肥，真正实现了发达国家目前大力推行的变量控制施肥。 9 变量施肥精度试验结果证明变量旋耕施肥机 完全可以达到相当精确的变量排肥，满足精准农业中变量施肥的需求。试验只对尿素进行了测试，对于粒径和颗粒表面光滑度不同的其它种类的肥料适用性还需要进一步测试。 10 变量施肥试验结果表明，手工变量施肥 和机械变量施肥和恒量 对照施肥相比土壤有效氮和有机质含量变异并没有变得更小， 但是空间分布图表明变量施肥使得土壤有效氮和有机质空间 的分布更加均匀。 11 试验结果显示对于变量施肥处理，随着 土壤 采样尺度 变小 ，产量也有上升的趋势，但是采样尺度的减小意味着土壤样品采集数量的几何 级数 的增加，本试验中最大采样网格 50 米水稻产量比 10 米网格区变量施肥产量低 198kg/虑到 10 米网格将极大增加变量施肥的成本，变量施肥 40 或 50 米网格是可以接受的。 12 机械 变量施肥 和手工施肥处理 水稻产量 并无显著差异，表明变量施肥机械的变量施用 氮肥是成功的；产量空间分布图表明变量施肥导致产量空间分布更为均匀。 关键词 土壤有效养分；空间变异；变量施肥 on in of by to a of RF of RF on as 1 to of SI in in in 2 of pH 77 of a of pH of of , S n 0%. of of of 6% 0%. 3 on of in it on s It a of of as 4 of pH a pH by as to in of a by as so 5 of on a of e a of , S 6 is in s s s 7 by in of SI IS IV of to of of SI of be to or 8 of in by in to by 9 in by it of in it of of of 10 of on a of e a of , S 11 RF RF of on RF in a of so 0m 0m be 12 no RF by by It RF in of RF in of V 目 录 第一章 绪论 1 1 1 我国化肥利用现状及土壤养分精准管理的提出 1 1 2 国内、外土壤养分精准管理的研究现状 2 1 2 1 精准农业发展概述 2 1 2 2 土壤样品采集和土壤养分信息空间变异研究 3 1 2 2 1 土壤养分的空间变异研究的方法 3 1 2 2 2 土壤养分的空间变异与预测研究进展 6 1 2 3 土壤信息的管理的施肥决策的形成 6 1 2 4 变量施肥技术 8 1 3 研究内容、技术路线和论文组织 9 第二章 材料和方法 11 2 1 位系统与土壤样品采集 11 2 1 1 介 11 2 1 2 位精度测试 12 2 1 3 土壤取样中应用 12 2 1 3 1 样定位坐标的选择与处理 12 2 1 3 2运用 13 2 2 土壤养分测试与推荐施肥系统 13 2 3 地统计学和地理信息技术 14 2 3 1 半方差函数（ 其模型 15 2 3 2 优内插估值法 17 2 4 变量施肥系统 19 2 5 试验基本设计 19 第三章 规模经营农场土壤养分及其变异规律研究 21 引言 21 3 1 材料和方法 22 3 1 1 试验区概况 22 3 1 2 土壤和作物产量信息的采集 23 3 1 3 土壤样品的测试 23 3 1 4 数据处理 24 3 2 结果与分析 24 3 2 1 农场尺度下土壤养分数据的常规统计 24 3 2 1 1 数据的预处理 24 3 2 1 2 土壤养分数据的描述性统计 24 3 2 1 3 土壤养分数据的相关性分析 32 3 2 2 土壤养分数据的空间变异特征 32 3 2 2 1 土壤养分属性空间变异的分解 32 3 2 2 2 土壤养分属性变异的半方差分析 36 2 2 3 农场土壤养分属性的空间分布 37 3 3 地块内土壤养分与作物产量的变异 42 3 3 1 地块内土壤养分和作物产量数据的常规统计 42 3 3 2 作物产量和土壤各有效养分的相关分析 43 3 4 本章主要结论 43 第四章 变量施肥的实施研究 46 4 1 变量控制施 肥系统 46 4 1 1 试验使用的设备 46 4 1 2 变量控制施肥系统原理和组成 47 4 2 变量控制施肥的实施 50 4 2 1 变量施肥实施技术流程 50 4 2 2 试验田的设置和土壤样品采集测试 51 4 2 3 推荐施肥模型 51 4 2 4 变量施肥图的生成 52 4 2 5 机械变量施肥的实施过程 53 4 2 6 人工变量施肥的实施过程 55 4 3 变量施肥系统的精度研究 56 4 4 本章小结 56 第五章 变量精准施肥效果研究 57 5 1 材料和方法 58 5 1 1 试验设计 59 5 1 2 采样和测试 59 5 1 3 数据处理 59 5 2 结果与分析 59 5 2 1 试验农田土壤养分的基本状况 59 5 2 2 变量施氮对土壤养分空间分布的影响 60 5 2 3 变量施氮对产量及其空间变异的影响 62 5 2 3 1 不同处理下按网格区收获水稻产量 62 5 2 3 2 变量施肥对水稻产量空间分布的影 响 62 5 2 3 3 变量施肥对水稻产量构成因素的影响 63 5 3 本章主要结论 64 第六章 研究主要结论 65 6 1 全文主要结论 65 6 2 本文创新之处 67 参考文献 68 致 谢 75 文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 精准农业 量施肥 理信息系统 国国际农化服务中心 机质 准养分管理 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 我国化肥利用现状及土壤养分精准管理的提出 据联合国粮农组织的统计，化肥对粮食的贡献率占 4 0%左右 (刘爱民等， 2000)。因此，在一定意义上可以认为，肥料问题就是粮食问题。要解决中国的粮食问题， 首先应该解决肥料生产及应用中存在的问题。自 20 世纪 70 年代以来，我国的化肥施用量迅速增加，到 1990 年己成为世界上最大的化肥消费国 （李健民， 2001）。 2002 年我国化肥消费量达 4339 万吨（纯养分），占世界总消费量的 1/3（中国农业统计年鉴， 2003）。 但 是近年来，化肥投入和产出极不相称，我国氮素当季利用率为 30%大大低于美国和日本的氮素利用率 (可达 60 70% )，而地域和养分不平衡又进一步减少了肥效。同时，我国的化肥现状存在需求和供应的矛盾，氮肥消耗量远大于生产量，还需大量进口， 1996 年进口的尿素约占世界出口量的 49. 5% (谢建昌， 1998)。 化肥施用量的增加和利用效率的下降，不仅造成了经济上的巨大损失，而且引起了严重的环境污染，出现了地表水富营养化，地下水和蔬菜中硝态氮含量超标等问题，化肥尤其是氮肥己成为主要的环境污染源之一 (崔玉亭， 2000)。据京、津、唐地区 69 个乡镇地下水和饮用水取样分析，硝酸盐含量超过饮用水标准的占一半以上 (王晓方等， 1998)。如何在当前与未来在不加剧或减少环境污染的前提下谋求可持续发展是我国农业面临的重要问题。 精准农业（ 近年来国际上农业科学研究的热点领域，是人们在探索21 世纪农业高新技术发展的过程中，为减少农业生产中的盲目投入，节约成本，增加产量，提高农资利用率，减少环境污染，阻止生态环境的进一步恶化，而提出的一种新思想。其含义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投入 (如化肥、农药、水、种子和其它方面的投入量 )，以获取最高产量和最大经济效益，同时减少化学物质使用，保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源 (et 1994；汪愗华， 1999； 2000；金继运， 2001)。 精准农业充分地利用了作物、土壤和病虫害的空间和时间变化量来进行耕作和田间管理，改变传统的以大片土地平均施用化肥的做法，既保证了作物生产潜力的充分发挥，又避免了过量施肥造成的环境危害。 2001的农业科技发展纲要也提出，要推进新的农业科技革命，实现传统农业向现代农业的跨越，尽快缩小与发达国家的差距。要在农业科学研究与技术开发上取得重大突破，促进先进适用的技术及时充分的应用到农业生产中去。因此根据土壤养分的空间变异情况因地制宜的 调整肥料用量的变量精准施肥技术也成为精准农业的中研究热点，并被认为是现有的施肥技术的很有希望的升级技术之一。 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 2 内、外土壤养分精准管理的研究现状 准农业发展概述 精准农业（ 思想及其技术是上个世纪 90 年代以来国际上农业科学研究的热点领域。它是由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，其基本涵义是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确的调整各项土壤和作物管理措施，最大限度的优化使用各项农业投入 ，以获取最高产量和最大经济效益（金继运， 1998），即一方面要查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入。 美国的精准农业是 20 世纪 70 年代起步，开始注意土壤与农作物条件的变化与改善管理的关系， 80 年代初开始有已有精准农业概念的商业化使用，直到 1992 年，明尼苏达大学土壤系在程惠贤教授指导下开始使用“ 词，并为学校、公司、 政府机构普遍接受。之后，美国农学会（ 作物学会（ 土壤学会（ 同在明尼苏达大学每隔两年举行一次精准农业国际研讨会。应该指出的是，精准农业是个整体的系统概念，目前应用的只是其中的少部分。 1998 年 1998）曾做过抽样调查对比， 美国中西部以农业为主的地区发展较好，在那里以 基础服务的机械、种子、肥料电子产品的等销售商很多。所以将调查分为两类：一类针对以 基础提供服务的，主要在中西部地区，另一类针对美国全国，销售商为农业提供一般性 服务，其中包括为 供服务部分。 表 1 1 说明美国农民采用 则指导生产与销售商提供的 术服务之间仍然有很大差距，其阻力来自于经济、技术和条件多方面的原因。而另一项调查（ 1998）进一步表明在未采用 一组人群中，主要是由较低教育水平、无计算机、少经验、少时间、少土地的农民组成。 日本对精准农业的研究始于 1995 年，由于精准农业一般经营规模越大效益越明显，而日本的农业经营规模小，零散，因而发展精准农业必须考虑规模和施用具体精准农业技术的关系。对 者探讨了不同经营规模的下实现精准农业管理的相应技术（见表 1 2，杨印生， 2001） 日本学者对于不同经营规模实现精准农业采用的相应技术的分析和美国有关 用的这两个调查也提示我们在中国发展精准农业关键是要把握精准农业的思想内涵，在推广精准农业的过程中不能一味追求高新，要结合中国国情，开发适合中国不同地区条件、不同经营条件的农业机械、方法和软件。 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 3 表 1 1 精确农业项目服务与使用调查 of A 项目 以 基础提供服务 提供一般性农业服务 农民 采用 用 土壤取样调查 40 8 用 地块图 31 6 产量图监测 26 14 单项 制机械 20 7 销售商 提供 用 土壤取样调查 82 28 用 地块图 74 24 产量图监测 61 12 单项 制机械 59 17 推广阻 力来自 经济原因 49 42 新技术原因 21 13 正慢慢改进 41 38 表 1 2 经营规模和相应技术 2 A 经营规模 /位系统 土壤信息图 产量图 小区管理与株管理 0 1 经验与直觉 按田间平均值处理 按田间平均值处理 作业监控，小型精密机械作业者判断 1 10 测量的自动化 田间内空间分布，土壤传感器 田间产量分布产量传感器 作业监控，自动化机械作业者的判断 10 50 测量的自动化用 土壤传感器，土壤作图自动化 量传感器 株测判断自动化，自动化机械 50 以上 壤传感器 量传感器 测判断自动化，大型机械控制 1 2 2 土壤样品采集和土壤养分信息空间变异研究 壤养分的空间变异研究的方法 土壤属性的空间变异是指一个质地视为均匀的区域内，在同一时间不同点上的土壤性质存在中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 4 明显的差异性（雷志栋， 1985）。对于这种差异性，以往常采用 计分析方法来分析。但是计是以假设样本之间完全独立且服从正态分布为前提的。然而研究证明（ 1985）许多 土壤性质在空间上并不是完全独立的，而是在一定的范围内存在空间上的相关性。这一发现对经典的 计理论提出了质疑。 80 年代初， 980)等人将区域变量理论运用到土壤性质空间变异性研究，并加以丰富和完善，使之定量化，从而大大推动了这一研究向前发展，加之最近精准农业研究的兴起，这一研究已经成为土壤科学研究领域的最前沿的热点之一（ 1988；张淑娟等， 2003）。 精准农业的实施基础是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素（如土壤结构、养分状况、病虫草害等）实 际存在的空间和时间上的差异性信息（汪懋华， 1999），包括养分状况在内的土壤属性空间变异信息的获取是则是实施变量施肥的基础（ 1996； 1999；白由路， 2001）。因而不同条件土壤属性的空间变异情况、空间变异的研究方法、土壤属性的空间变异及其和作物产量关系是精准农业中变量施肥研究的起点。国内外土壤属性空间变异研究的趋势之一就是在网格取样和指导取样的基础上采用地统计学方法来揭示土壤特性的变异规律（徐吉炎，1983）。近几年关于不同条件下农田土壤养分空间变异国内学者进行了大量的研究。 目前 的变量精准施肥基于作物产量图和土壤养分变异图两种方式或者两种方式相结合，因而土壤养分和作物产量信息的获取技术对于变量精准施肥来说是至关重要的，如果没有高密度的农田信息（土壤养分信息、作物产量信息等）获取技术的突破，精准农业难以获得很好的经济效益和太大的应用范围（赵春江， 2003）。 而 田间采样仍然是了解和认识土壤属性空间差异的主要手段，由于传统的土壤采样和测试的耗费巨大的人力和物力，样品需要量和成本是一对矛盾。综合考虑土壤采集和化验分析的成本，以及客观准确地反映土壤养分空间分布信息量的需求，如何制定高效的土壤 采集策略是国内外精准农业的研究焦点。有些学者采用 t 测试的方法确定最佳采样密度(1989: et 1992 ； et 1998)，有些则提出根据土壤不同属性的相关距来确定采样间隔 (et 1998； et 996)。王珂等 (2001)认为合理的布点方式可以减少采样点个数。 1999)在综述了精准农业所需的数据获取方法的基础上，认为在精准农业中没有可以利用的通用尺度。 在土壤信息采集和 空间分布预测的研究中 田间采样方式、合理的取样数、养分的空间预测方法是影响准确获取农田养分空间变异信息的 3 个主要因素。 在进行土壤养分的空间变异研究和预测时土壤的空间位置信息获取是必要的一步。全球定位系统 ( 发展，为我们在农田土壤养分信息获取时的位置信息的同步获取提供了一个方便的选择。 农业中的应用开始于美国、加拿大、澳大利亚等西方发达国家。在这些国家中， 基础设施都比较完善，信标台 (海上信标和陆地信标 )、调频副载波差分和广域差分系统基 本上覆盖了这些国家的全境，农业中 用可以直接使用这些设施，一般在仪器和农业机械上都带有 收机或有为 留的接口，并且有专门的公司作各种收费的农业应用服务。而在我国， 前， 沿海区域可以使用信标外，其它区域只能建立局域实时动态差分 统。随着国内 业硬件研发和生产的兴起，基于国产品牌的 备构建农用 统将成为一种发展趋势。 在基于精确置的农田信息采集方面，国外已经有成熟的软硬件产品。美国 司的基于掌上电脑的信息采集软件 很好地满足精准农业农田信息采集的需要。通过与 中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 5 连接，能实时采集带有空间位置属性的田间作物生长状态信息 (甚至作物生长状态的图像、注解声音等多媒体信息 )，并能做相应的计算处理，为作物管理提供科学依据。美国 60 实现田间成图、各种作物及其生长环境属性信息记录、获取来自各种田间环境传感器的信息，所有获取的数据能通过 件格式与外界进行交换。日本目前正在研究覆盖农场区域的有限尺度定 位系统（赵春江， 2003），该系统不依赖卫星定位系统，精确度很容易达到厘米级，且不易受时间、环境变化的影响，可能是精准农业定位系统的更佳选择。 土壤养分空间变异研究中常用的采集土样的方法是网格法。网格取样是指把研究区域分成很多大小一致的格子，在每个格子中单独取样。分析结果与取样点的地理位置进行综合，从而形成所研究性状的分布图。这些格子的形状可以不同，有正方形、长方形、三角形等（ 994； 1999）。有两种基本的取样方式，即网点取样和格内取样。这种取样方法在许多文献都有描 述，其方法设计也是可以接受，但有很多限制因素，如网格取样按照一定的格式，而土壤性状和田块的形状的变化却并不规范。王珂等以英国 业研究所附近的一块 用地统计的半方差分析和克立格方法研究其空间变异性和空间插值（王珂，2001），同时对研究田块的样点根据不同间距、不同形状进行删选，对不同布局状况下的结果进行统计比较，以获取满足一定精度下的最少采样个数和采样形状。研究结果表明，单纯利用样方统计，土壤有效钾需要 65 个采样点，大致为原始采样点的一半。而在考虑空间采样形 状和空间插值效果，再采用最小显著性差异 (行比较，该田块土壤有效钾采样最好使用规则三角网布点 (样点数为 62 个 )。国内关于对于网格采样方式研究资料很少。 在精准农业的土壤养分变异研究中如何设置网格间距目前是个争论的焦点。精确反映地块内土壤编译大取样方法还没有被普遍接受，学者研究结果差异很大，但大多是在 60 到 140 米之间。1997）在评价土壤矿质态氮、作物叶绿素水平与种植密度对冬小麦产量的影响时采用了 60 60 和 100 100 米的网格。 1997）在评价土壤 效磷、速效钾的 过程中， 在平均为 地块上利用网格法采集了 31 个土壤样本，即每公顷 。 1997）通过研究认为，对于大于 5地块来说， P、 K、 取样以 1网格为佳。有人认为如果高密度的土壤取样成本过高，选择性土壤取样（ 基于过去的土壤测试值、土壤颜色、质地、地形等来布置取样点也许是一种更好的办法（ 1998）。 尽管国外积累一些研究资料可供借鉴，但是必须慎重考虑在我国适合的程度。我国有着长期精耕细作的基础，地块小而且经营分散 ，由于施肥情况的不同，因而地块内的空间变异可能远小于地块间的差异。即便在规模经营的农场，由于种植作物、品种及田间管理的不同也会存在同样的情况。另外，我国规模经营的农场里的田块一般是条块状，条块面积一般不超过 10规模经营的条件下，以地块为基础实行选择性取样也许是值得考虑的。总之，在我国探索适合的网格采样方法是精准养分管理的重要的基础工作。 为了研究土壤养分的空间分布状况并给出推荐施肥处方实施精准施肥，绘制精确的土壤养分图是必要的工作（ 1997）。关于土壤养分空间插值和预测的方法，技术已经比 较成熟，相应的软件如 进行空间插值和绘制养分等值线图功能都非常强大，国内也有研究者在地理信息系统软件如 自主开发养分图制作的软件（候顺艳， 2003；陈立平， 2003）。 选用合适的插值方法在有限的采样点的养分信息基础上对土壤养分分布进行空间预测是比较关键的一步，预测的准确程度直接影响到养分管理的效益（白由路）。肖玉等（ 2003）在水稻田以中国农业科学院博士学位论文 第一章 绪论 6 60 60 网格采集了 280 个点土样，运用多种插值方法对 140 个点的土壤速效磷含量进行插值，并将所得到的拟合值与另外 140 个点采样数据比较，结 果发现局部多项式的插值效果最佳，普通果较佳。白由路（ 2002）等应用 法对农田土壤养分进行了空间预测，并对其准确度进行了分析，并得出结论：用 法进行土壤营养元素的空间预测用于评价土壤养分是可行的。 壤养分的空间变异与预测研究进展 1975）通过对相邻的两个地块的 9 种理化性状的空间分布模式进行研究指出，土壤属性具有很强的自相关性，另外各种理化性状的自相关距也有很大差别， 换性 C、全氮等自相关距都大于 182 米，而交换 行 自相关距小于 100 米。 1995）所研究的两个地块土壤钾表现出相似的总方差，但两者的块金方差数量却有明显的差异。 近几