田间土壤养分与作物产量的时空变异及其相关性研究

田间土壤养分和作物产量不仅具有明显的空间变异，而且这种变异在时间上也表现出一定的变化。而长期以来，农业生产一直以田块为基础，在同一地区所有的农田上、或者一片较大的农场，单位面积基本上都使用了等量的种子和肥料、除草剂、生长剂等。这样做，除了由于用量盲目、往往供过于求而造成浪费外，还导致了土壤和地下水的污染。实际上，在同一块农田里，有许多因素影响着作物的生长和产量，存在着明显的时空差异性，更不用说不同地块之间存在巨大的差异。这样的结果一方面造成生产成本加大，另一方面造成环境的负面效应，是造成农业生产效益低下与环境恶化的重要原因。目前受到广泛关注的精确农业就是针对田间不同的局部地块的土壤、地理等条件，通过适当的方法在适当的位置投入适量的物质(如种子、农药、化肥等)而实施的一种田间管理方式，其中，变量施肥是精确农业的一项重要技术。而了解田间土壤养分和作物产量的时空变异，是实施田间变量施肥，进行精确施肥管理的基础。因此，对土壤特性及作物产量的时空变异研究，是近期国内外学者共同关注的热点。 尽管目前国内外对土壤养分的变异已有了比较深入的研究，但大多集中在对土壤养分的空间变异上，对其时间变异的研究甚少，而且目前的研究主要集中在旱地的土壤养分变异上，对水稻田的土壤养分的变异研究较少。对作物产量变异的研究大都局限于了解、分析产量变异的状况，而对其产生原因研究甚少；对土壤、作物营养、作物产量变异的一体化研究，未见报道。实际上，作物的产量是由多种变异因素综合作用的结果，土壤肥力的变异是作物产量变异的主要原因，通过对各种与产量有关的因素进行分析往往可以预测产量的变化，反过来，通过 中文摘要 对产量变异的分析也可以了解土壤养分等因素的变异程度，有助于精确田间管理 方案的制定。本研究以英国北爱尔兰牧草地和我国南方典型农田(水稻田)为研 究区，研究十壤养分和作物产量的时空变异，并进行牧草地土壤养分、牧草养分、 牧草产量的相关性、一体化研究;在此基础上，提出研究区实施精确养分分区管 理和田间施肥的初步方案;同时探索适合我国农业分散经营管理的国情的土壤养 分采样方式和养分管理模式。 对牧草地土壤养分、牧草N素吸收量(又称牧草N素产量或移走量)、牧草 产量的相关性、一体化研究结果表明，牧草地土壤养分存在一定的空间变异与时 间变异，且各养分的变异程度不尽相同。十壤全N、全C等全量元素的空间变异 比较小，时间稳定性好，而有效K、有效P这些有效养分的空间与时间的变异都 较大:同时，土壤有效养分与牧草产量有较好的相关性，其时空变异更能影响牧 草的产量，因此，田间土壤养分的精确管理应以土壤有效养分为主。牧草干物质 产量、牧草氮素吸收量在田块间存在较大的空间变异，而且这种变异在不同的生 长季各不相同，因此，不同生长季需要采用不同的管理方式，有必要进行变量施 肥。其中，第一季的空间变异最小且在时间上基本稳定，因此，可以根据结合产 量空间趋势和时间稳定性的分级管理图对该牧草地进行精确管理。对土壤养分、 牧草产量、牧草N素吸收量的一体化研究还表明，牧草干物质量、牧草氮素吸收 量与十壤养分的时空变异互为影响，可以说，土壤、作物管理等条件的差异导致 了作物产量的不同，而这种不同反过来又加剧了十壤原有养分的变异程度。试验 田牧草干物质量、牧草氮素吸收量以及各土壤养分的时空变异，都与试验区地形 有很人的关系，地势较高区域与较低区域的变异情况有较大的差别。因此，本研 究根据地形将试验区分成3个小区，拟采用不同的管理方案进行精确管理，具体 的施肥等管理方案还需进一步研究，但在上述研究的基础上，提出了试验田施肥 建议:特别是对试验田N肥的施用，根据牧草产量的时空变异性及土壤一牧草N 素平衡，提出了分区管理的建议方案。 水稻田土壤的特性与牧草地(早地)土壤有很大的不同，其土壤养分的空间 变异特点也不同。本文对水稻田试验区土壤养分的空间变异的研究表明:水稻田 土壤养分在田间尺度内也存在一定的空间变异，各主要养分的空间格局与自然田 中文摘要 块的方向基本一致，并明显受到农户耕种习惯、施肥习惯的影响。但这种变异是 否对水稻的生长及其产量造成影响，还需要进行土壤、产量等空间变异的一体化 研究。通过对试验区各土壤养分的合理采样数研究，以及不同农户耕种、管理下 各田块土壤养分的差异显著性研究，可以肯定，农户不同的经营方式与施肥习惯 等人为因素对水稻田田间土壤养分的变异起主导作用。因此，对试验区这样的我 国南方平原水网地区的小规模分散经营体制下的精确田间管理，提出以农户经营 地块为单位，并采用以农户为单元的混合样采样方式，既能了解田块土壤养分的 基本状况，又有可能大大减少土壤采样量和分析成本。 土壤采样的方式、采样密度，影响到对土壤养分空间变异程度的了解，从而 直接影响变量施肥的实施效果。目前最常用的格网采样法，可以获取传统的整个 田块混合采样所不能发现的变异信息，对于指导变量施肥意义重大，但这种方法