免耕土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的空間變異性研究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

免耕土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的空間變異性研究,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文土壤構(gòu)造和形態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，人類活動進(jìn)一步加強了土壤養(yǎng)分的空間變異性和不確定性，農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性具有普遍性，它主要受土壤類型、水文地貌、氣候條件、耕作方式、作物類型、施肥方式等因素的影響。加強土壤養(yǎng)分空間變異及其影響因素的研究，對環(huán)境預(yù)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和資源管理起著重要的作用，將會直接影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和作物的產(chǎn)量。國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性及保衛(wèi)性耕作對土壤養(yǎng)分含量的影響進(jìn)行了大量研究，但保衛(wèi)性耕作對土壤養(yǎng)分空間變異性的影響研究相對較少。以吉林省梨樹縣的金山傳統(tǒng)耕作和高家免耕土壤養(yǎng)分的空間變異性為例，利用地統(tǒng)計學(xué)模型，結(jié)合GIS技術(shù)，研究免耕土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的空間變異性。本研究有利于科學(xué)合理地制定農(nóng)田施肥方案，提高養(yǎng)分資源的利用率，促進(jìn)變量施肥技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥奠定基礎(chǔ)。1、研究區(qū)域與研究方式方法1.1研究區(qū)域梨樹縣位于吉林省西南部，地處東經(jīng)12345～12453，北緯4249～4346之間，總面積達(dá)4209km2，屬中型縣。梨樹縣居于東北大陸腹地，屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長嚴(yán)寒，夏季炎熱多雨，春季風(fēng)沙較大，秋季氣候涼快清爽。年平均氣溫為5.8℃，年濕潤度為0.7。0℃以上積溫為3477.9℃d，平均全年日照時數(shù)為2698.5h，無霜期平均為152d，年降水量平均為577.2mm，主要集中在6、7、8三個月。熱量比擬充足，雨量比擬適中，且熱量與雨量同期，可知足一年一熟農(nóng)作物的生長需要。梨樹縣地處東遼河下游，東、北、西北為東遼河所環(huán)繞，地勢東南高西北低。東南部為低山丘陵，系長白山支脈大黑山余脈。中部為波狀平原，北部系低洼平原，地勢平坦，土質(zhì)肥沃。全縣土地面積42.1萬hm2，華而不實耕地面積23.4萬hm2，占55.6%，屬于以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的平原縣。全縣27個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，337個行政村，總?cè)丝?6萬人，農(nóng)業(yè)人口64萬人。本文在梨樹縣境內(nèi)選擇高家村和金山村兩塊試驗田作為研究對象，華而不實高家試驗田是玉米覆蓋保衛(wèi)性耕作方式(2007年開場)，金山村試驗田是傳統(tǒng)耕作方式(圖1)。兩塊地的自然屬性類似，都是多年種植玉米的農(nóng)田，因而可用來比照保衛(wèi)性耕作與傳統(tǒng)耕作對土壤養(yǎng)分空間變異性的影響。1.2數(shù)據(jù)采集與測試2018年10月(玉米收獲之后)分別在高家村、金山村用手動腳踏式直壓取土器進(jìn)行土壤樣品的采集。運用S型5點采樣法采樣，網(wǎng)格采樣間距是40m40m，采樣深度為0～20cm。高家和金山均采集60個土壤樣品，將從野外取回的土樣進(jìn)行風(fēng)干、磨細(xì)、過篩、混勻、裝袋處理，并對土壤養(yǎng)分中的堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)進(jìn)行測試。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤中有機質(zhì)的含量,堿解氮的測定采用堿解擴散法，速效磷的測定采用0.5mol/LNaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀的測定采用1mol/LNH4OAc浸提-火焰光度法。1.3研究方式方法運用SPSS15.0對每個地塊的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計分析，描繪敘述地統(tǒng)計學(xué)分析的變量包括標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、偏度系數(shù)和峰度系數(shù)。變異系數(shù)(C.V)表示土壤特性空間變異性的大小，變異系數(shù)C.V0.1為弱變異性，0.1C.V1.0為中等變異性，C.V1.0為強變異性。利用GS+軟件計算出高家和金山土壤養(yǎng)分的半方差模型，分析其決定系數(shù)，塊金值(Nugget)與基臺值(Sill)的比值和變程，進(jìn)而分析其空間變異性。塊金值與基臺值的比值能夠表示清楚土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)程度。該比值25%，講明系統(tǒng)具有較強的空間相關(guān)性，由自然因素引起的空間變異性較高，具有穩(wěn)定的構(gòu)造性；比值在25%～75%之間，表示清楚系統(tǒng)具有中等相關(guān)性，講明由隨機因素引起的空間變異性較高；比值75%，講明系統(tǒng)相關(guān)性很弱；假如該比值接近1，則講明該變量在整個尺度上具有隨機性。最大相關(guān)距離即變程(Range)是指變異函數(shù)到達(dá)基臺值時，采樣點的間隔距離，它表示清楚了土壤要素的空間自相關(guān)范圍，表示在某種觀測尺度下，空間相關(guān)性的作用范圍。在變程范圍內(nèi)，樣點間的距離越小，其類似性越強，即空間相關(guān)性越大。常用的空間插值方式方法有反距離加權(quán)插值、近期鄰點插值法、克里格插值方式方法、多元回歸法、徑向基函數(shù)法、線性插值三角網(wǎng)法、局部多項式法等，華而不實克里格插值方式方法是地學(xué)中常用的一種插值方式方法，是根據(jù)變異函數(shù)模型發(fā)展起來的一系列地統(tǒng)計的空間插值方式方法。本文用ArcGIS9.3的普通克里格插值對土壤養(yǎng)分進(jìn)行插值，尋找土壤養(yǎng)分的空間變異規(guī)律。2、結(jié)果與分析2.1描繪敘述性統(tǒng)計特征值土壤養(yǎng)分的描繪敘述性統(tǒng)計分析是建立空間變異性模型的前提，運用SPSS15.0對高家和金山土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行描繪敘述性統(tǒng)計分析(表1)。從變異系數(shù)比照能夠看出，除金山傳統(tǒng)性耕作形式下土壤速效鉀的變異屬于弱變異強度外，其他農(nóng)田土壤養(yǎng)分的變異都屬于中等變異強度。不管是保衛(wèi)性耕作還是傳統(tǒng)性耕作方式，速效磷的空間變異最大，其次是有機質(zhì)，再其次是堿解氮，速效鉀的空間變異最小。整體上看，保衛(wèi)性耕作土壤養(yǎng)分空間變異性較大，而傳統(tǒng)性耕作土壤養(yǎng)分空間變異性較小，主要是由于傳統(tǒng)性耕作方式受人類干擾較強，人類通過對農(nóng)田大量施用化肥、進(jìn)行秸稈回收等措施控制土壤養(yǎng)分，經(jīng)過長期的干擾與控制，土壤養(yǎng)分的空間變異性逐步減小，而保衛(wèi)性耕作主要利用秸稈還田、復(fù)耕等措施使土壤接近于自然狀態(tài)，土壤養(yǎng)分的空間變異較大。2.2空間構(gòu)造性和相關(guān)性分析利用GS+軟件計算得到高家保衛(wèi)性耕作和金山傳統(tǒng)性耕作土壤養(yǎng)分的半方差模型及其擬合參數(shù)(圖2，表2)。高家和金山土壤養(yǎng)分的塊金/基臺值均小于25%，講明土壤養(yǎng)分的空間變異都具有較強的空間相關(guān)性。保衛(wèi)性耕作方式下，速效鉀和堿解氮的空間構(gòu)造性最強，有機質(zhì)居中，速效磷的空間構(gòu)造性最差。傳統(tǒng)耕作方式下，堿解氮的空間構(gòu)造性最強，有機質(zhì)和速效磷居中，速效鉀的空間構(gòu)造性最差。從保衛(wèi)性耕作和傳統(tǒng)性耕作土壤養(yǎng)分半方差模型的比照能夠看出(圖2，表2)，保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的塊金/基臺值均小于傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的塊金/基臺值，表示清楚保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分比傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的構(gòu)造性強，具有較強的空間自相關(guān)性，講明保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分受成土母質(zhì)、地形地貌、氣候等自然因素影響較大。傳統(tǒng)性耕作形式下，受施肥、作物品種、管理方式等人為隨機因素引起的空間變異性程度較大，構(gòu)造性相對較差，空間自相關(guān)較弱，這可以以從最大變程看出，除速效磷外，傳統(tǒng)性耕作形式下的土壤養(yǎng)分的最大變程均小于保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的最大變程。2.3土壤養(yǎng)分的空間變異性精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分空間變異圖的作用是根據(jù)土壤養(yǎng)分空間差異，劃分管理小區(qū)，指導(dǎo)精準(zhǔn)施肥。本文使用ArcGIS9.3軟件，對高家保衛(wèi)性耕作形式和金山傳統(tǒng)性耕作形式的土壤養(yǎng)分進(jìn)行克里格插值，得到土壤養(yǎng)分的空間變異圖(圖3，圖4)。本文將土壤養(yǎng)分含量分為10個等級，分析比照不同耕作方式下農(nóng)田土壤養(yǎng)分空間變異性的差異性。比照分析圖3、圖4能夠看出，高家保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的空間變異構(gòu)造性較強，空間變異程度大，呈團塊狀分布。而金山傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的空間變異構(gòu)造性相對較差，空間變異程度小，呈垂直于壟向的條帶狀分布，這是由于這塊地的壟向是西北-東南走向，不同農(nóng)戶間施用化肥量、作物品種、管理方式等不同造成的。總之，保衛(wèi)性耕作受自然因素影響較大，而傳統(tǒng)性耕作受人為隨機因素影響較大。3、結(jié)論與討論3.1結(jié)論(1)保衛(wèi)性耕作農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異都屬于中等變異強度，保衛(wèi)性耕作土壤養(yǎng)分空間變異性明顯大于傳統(tǒng)性耕作土壤養(yǎng)分空間變異性。(2)保衛(wèi)性耕作農(nóng)田土壤養(yǎng)分具有較強的空間相關(guān)性，華而不實速效鉀和堿解氮的空間構(gòu)造性最強，有機質(zhì)居中，速效磷的空間構(gòu)造性較差。保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分比傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的構(gòu)造性強。除速效磷外，保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的最大變程大于傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的最大變程。(3)保衛(wèi)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的空間變異程度大，呈團塊狀分布。而傳統(tǒng)性耕作形式下土壤養(yǎng)分的空間變異程度小，呈垂直于壟向的條帶狀分布。保衛(wèi)性耕作受自然因素影響較大，而傳統(tǒng)性耕作受人為隨機因素影響較大。3.2討論本文采用描繪敘述性統(tǒng)計特征值的變異系數(shù)和地統(tǒng)計學(xué)的半方差模型比照分析了不同耕作方式下土壤養(yǎng)分的空間變異性。保衛(wèi)性耕作土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)都大于傳統(tǒng)性耕作的變異系數(shù)，而半方差模型中的塊金/基臺值正相反，講明變異系數(shù)和塊金/基臺值有一定的相關(guān)性，變異系數(shù)越大，半方差模型的塊金/基臺值越小，即空間變異性越大，空間構(gòu)造性越強。但這種相關(guān)性具有一定的適用范圍，如保衛(wèi)性耕作變異系數(shù)表示清楚，速效磷的空間變異最大，其次是有機質(zhì)，再次是堿解氮，速效鉀的空間變異最??；而半方差模型表示清楚，速效鉀的空間構(gòu)造性最強，其次是堿解氮，再次是有機質(zhì)，速效磷的空間構(gòu)造性最差，得出的結(jié)論應(yīng)是空間變異性越大，空間構(gòu)造性越差，得出完全相反的兩種結(jié)論。古典的Fisher統(tǒng)計法和地統(tǒng)計學(xué)方式方法是研究土壤養(yǎng)分空間變異的兩種主要方式方法。Fisher統(tǒng)計法的統(tǒng)計原理是假設(shè)研究的變量為純隨機變量，樣本之間是完全獨立。通過計算土壤養(yǎng)分的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)以及進(jìn)行顯著性檢驗來描繪敘述土壤特性的空間變異。該方式方法在土壤學(xué)研究工作中獲得了一定的成功，但由于其基本上是定性的描繪敘述，只能概括土壤特性變化的全貌，不能把土壤局部的空間變異特性反映出來。國外的研究表示清楚土壤特性也不像Fisher原理假設(shè)的那樣屬于純隨機變量，而是在一定的范圍內(nèi)存在空間上的相關(guān)性。地統(tǒng)計學(xué)是既考慮樣本間的構(gòu)造性，又考慮樣本間的隨機性的一種空間統(tǒng)計方式方法，具有較強的優(yōu)越性，彌補了經(jīng)典統(tǒng)計方式方法上的缺陷。因而地統(tǒng)計學(xué)的半方差模型比變異系數(shù)更能講明土壤養(yǎng)分的空間變異性，是研究土壤養(yǎng)分空間變異性的一種主要方式方法。保衛(wèi)性耕作形式下