农田土壤养分空间变异尺度效应及其冬小麦生育响应

发布时间：2020-09-03 21:23

　　传统耕作模式下土壤养分在不同尺度、作物不同生育期的变异性及其对作物生长发育影响研究,是精准农业在大田尺度实现和作物优良管理的基础。随着城镇化和工业化的发展,我国耕地压力正在与日俱增,与此相对应的是,由于继续沿用传统的农田管理耕作模式,造成农田土壤养分两极分化:肥沃土地养分过剩,且降低了肥料的利用率,污染了优质耕田;贫瘠土壤养分仍旧供不应求,不能实现土壤养分改良,满足作物的生育需求。为了有效应对海量的土壤信息,传统的管理手段已不能满足需要,必须借助现代技术手段,动态全面地摸清农作物生育期内土壤养分时空变异特征。本文以桓台县为研究区,设计县域、大田和地块3级空间尺度;以冬小麦为研究对象,跟踪播前、返青期、拔节期、灌浆期4个生育期。采用经典统计学、地统计学和GIS技术相结合的方法,研究了碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)在不同尺度下的空间变异特征及尺度效应,在不同生育期内的时空动态变异特征,同时,采用Pearson相关性分析研究了小麦生长发育对土壤养分变异的响应规律。主要结果如下:1)土壤养分空间变异尺度效应(1)AN、AP、AK在三种尺度下均属于中等变异强度,尺度的变化对AN的空间变异影响最大,AK次之,AP最小,随着尺度的减小,AN变异系数逐渐变大,AP、AK逐渐减小。(2)AN、AP、AK在三种尺度下均表现为强烈的空间自相关,其变异主要受到结构性因素(气候、土壤类型等)的影响,随着采样尺度的变小,各养分的空间自相关性先减弱后变强,变程减小。(3)随着采样尺度的减小,养分空间结构发生改变。一是出现了较大尺度下不包含的养分等级;二是养分高低等级占比的改变。当从不同尺度研究同一地块时,发现养分各等级面积比例发生改变,从而形成了相应尺度不同的比例。随着尺度的减小,养分图斑块数量逐渐增多,斑块密度PD值变大,养分分布越来越破碎,难以形成连片状分布。2)冬小麦生育期土壤养分时空变异特征及生育响应(1)在冬小麦各生育阶段,各养分总体表现为低-高-低的特征和中等程度变异性,AN和AK以返青期、AP以拔节期含量最高,为转折点;各养分变异大小顺序为ANAPAK。(2)三种养分的半方差函数模型播前相同,为指数模型;至返青期AP和AK相同,为球状模型;到拔节期三者均不同,依次为球状、指数、高斯模型;再到灌浆期AN和AP相同,为高斯模型。养分变异特征整体呈现为差异升高而后降低的过程。随着生育期推移,养分表现为中等至强空间相关性;播前三种养分均为强空间相关性,返青期均为中等空间相关性,至拔节期和灌浆期,AN为中等空间相关性,AP和AK则为强空间相关性;三种养分均为返青期空间相关性最弱,AN播前最强,而AP和AK拔节期最强;播前至返青期、拔节期至灌浆期,土壤养分结构性减弱,返青期至拔节期,结构性趋强。(3)克里格插值分析表明,随着冬小麦生育期的推移,土壤AN高含量等级逐渐减少,空间分布连续性不断增加;AP高含量等级所占比例略有降低,空间分布连续性变化不大;AK高含量等级显著减少,空间分布连续性持续下降。各养分含量均大致经历了先升高后逐渐降低,养分等级数特别是高含量等级数逐渐减少的过程。(4)Pearson相关性分析表明,随着冬小麦生育期的推移,土壤养分与小麦生育状况的相关程度逐渐升高;土壤AN与小麦生育状况相关性最高,AK次之,AP最低;返青期小麦生长受播前土壤养分的影响高于当期养分,拔节期小麦生长则主要受当期养分影响,而灌浆期小麦生育则受上期和当期养分含量共同影响。冬小麦施肥应注意施足基肥、重视拔节肥、追肥期可适当后移。(5)土壤养分图与作物生育图叠加分析表明,对冬小麦的生长发育影响程度依次为ANAKAP;小麦叶片SPAD值与小麦植株LAI值相比,对土壤养分时空变异性的响应程度更高,土壤养分对冬小麦营养物质累积的影响高于对其植株发育的影响。本研究较好摸清了农田主要土壤速效养分空间变异的尺度特征及效应,大田传统模式下冬小麦生育期土壤养分动态及其生长响应,可为北方冬麦区大田养分精准管理提供理论依据,为切实掌握区域农田养分状况,针对性指导施肥提供了理论依据。
【学位单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S512.11;S158
【部分图文】：

试验区,采样点,小麦生育,位置

图 2 试验区位置与采样点分布Fig.2 Location of the study area and distribution of soil sampling sites3.1.2 小麦生育数据获取

速效养分,变异函数,半方差图,尺度

g h i图 3 不同采样尺度下速效养分的变异函数Fig.3 Semivariograms of soil available N and and P and K at different sampling scales注：a: 县级土壤碱解氮半方差图; b: 大田尺度土壤碱解氮半方差图; c: 地块尺度土壤碱解氮半方差图; d: 县效磷半方差图; e: 大田尺度土壤速效磷半方差图; f: 地块尺度土壤速效磷半方差图; g: 县级土壤速效钾半方大田尺度土壤速效钾半方差图; i: 地块尺度土壤速效钾半方差图.

空间分布,速效养分,空间分布

22图 4 不同采样尺度下速效养分的空间分布Fig.4 The spatial distribution of soil available N and and P and K at different sampling scales

【参考文献】